Kleinskalige und dynamische Analyse der mikrostrukturellen Rhizo- und Drillosphäreneigenschaften: Porosität und Physikochemie sowie deren Bedeutung für Wurzelwachstum, Nährstoffspeicherung und -lieferung

• Antragsteller: Professor Dr. Rainer Horn; Professor Dr. Stephan Peth; Professor Dr. Jan Vanderborght
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 259987874

Die Forschungsarbeiten dieses Antrags bauen auf den Ergebnissen der Forschergruppe FOR 1320 auf. Darin wurde der Einfluss verschiedener Vorfrüchte und Fruchtfolgen auf die Entwicklung von charakteristischen Bioporensystemen im Unterboden sowie ihre funktionellen Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung von Bioporen für den Luft- und Wasserhaushalt auf der Makro- und Mikroskala. Dabei zeigte sich, dass Regenwurm und Wurzel- generierte Poren morphologisch charakteristische Unterschiede aufweisen bzw. Wurzel-induzierte Bioporen durch die Aktivität von Regenwürmern an der Grenzfläche Biopore-Boden (Porenwandung) verändert werden. Offen bleibt, welche Rolle die Qualität der Porenwandung für den Transport von Luft und Wasser und damit Nährstoffen zwischen Boden und Biopore spielt. Mikroskalige Gasdiffusionsmessungen zeigen, dass Wurzel-induzierte Poren durch eine höhere Zahl von lateralen Seitenkanälen die Sauerstoffdiffusion im Vergleich zu Regenwurm-induzierten Poren verbessern. Andererseits könnten Regenwurmporen infolge der Auskleidung mit Losung hydrophobe Wandungen erhalten, welche eine höhere Stabilität unter Wassereinfluss haben, aber auch den lateralen Wassertransport reduzieren. Komplementär zu den Porennetzwerkuntersuchungen, bedarf es einer genaueren Analyse der Porenwandung als Grenzfläche und damit Schnittstelle zwischen den Haupttransportwegen (Poren) und den Nebentransportwegen bzw. Lagerstätten (Boden). In einem kombinierten Ansatz (StrucDyn/Kassel, und RhizPhy/Kiel) wird (i) die Mikromorphologie des Bioporennetzwerkes auf Einzelporenskala (StrucDyn) und (ii) die physiko-chemischen, mikromechanischen und hydraulischen Eigenschaften der Porenwandung (Rhizphy) untersucht. StrucDyn erfasst nicht-invasiv die Bioporenarchitektur sowohl in Abhängigkeit von der Besiedlung (Wurm oder Wurzel) als auch im Verlauf des Alterungsprozesses einer Biopore. Mit Hilfe morphologischer Bildanalyse und digitaler Bildkorrelation kann die strukturelle Veränderung von Porenwandung und Rhizodrilosphäre hochaufgelöst erfasst werden. Als Eigenschaften der Porenwand mit besonderer Auswirkung auf ihre Eignung als Grenzfläche im Übergang zwischen Pore und Boden werden durch RhizPhy die Hydrophobizität (Benetzungshemmung), die Passierbarkeit für Wasser (Sorptivität, Mikroinfiltration) und Luft (Sauerstoffdiffusion, Redoxpotential) sowie mikromechanische Eigenschaften (Mikropenetrometer und Rheometrie) an ungestörten Bioporenwandungen und gewonnenen Wurzel- und Regenwurmexsudaten bzw. biologischen Modellsubstanzen erfasst. Die aus StrucDyn und RhizPhy gewonnenen Daten werden zur Parametrisierung und Weiterentwicklung eines Wurzelwachstumsmodells (RootMod) verwendet mit dem die Effekte der mikroskaligen Strukturen und der hydraulischen/mechanischen Eigenschaften der Rhizosdrislosphäre auf das Wurzelwachstum und die Wasser und Nährstoffaufnahme untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Dr. Dörthe Holthusen