Die Verknüpfung von Wasserdynamik, Bodenstruktur und Kohlenstoffkreislauf mittels eines künstlichen Boden-Systems in einem neuartigen experimentellen Ansatz

• Antragstellerin: Dr. Geertje Johanna Pronk
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften ; Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 265978047

Der Übergangsbereich zwischen Boden und Grundwasser ist ein Hotspot intensiver biologischer und geochemischer Aktivität im Boden. Schwankungen im Wasserstand ändern die biogeochemische und mikrobielle Dynamik des Bodens, was verstärkten Abbau von organischer Substanz und Freisetzung von Gasen wie CO2, CH4 und NO2 verursachen kann. Der Einfluss von Wasserspiegelschwankungen auf biogeochemische Prozesse in Böden ist aber noch nicht ausreichend erforscht. Hiermit beantrage ich ein Experiment zur Untersuchung der initialen Bodenentwicklung unter konstanten oder wechselnden Wasserständen mittels eines neuartigen Säulensystems, das den Wasserstand automatisch kontrolliert. Das Ziel dieser Untersuchung ist die Aufklärung des Effekts zyklischer Wasserbewegungen und die daraus entstehenden wechselnden Redoxpotenziale auf die initiale Entwicklung eines aus gut-definierten Modellmaterialien bestehenden künstlichen Bodensystems. Dabei wird die Auswirkung eines konstanten Wasserspiegels auf die Entwicklung der Bodenstruktur und Abbaurate der organischen Substanz mit der eines schwankenden Wasserspiegels verglichen. Weiterhin wird bestimmt, wie stark die vom Wasserstand induzierten schwankenden Redoxpotentiale eine Transformation und räumliche Umverteilung von Eisen verursachen. Außerdem wird die Morphologie und elementare Zusammensetzung einzelner, während der Inkubation etablierter Makroaggregate charakterisiert.Die für das Experiment verwendeten Säulen sind mit einem umfangreichen Überwachungssystem von Sensoren ausgerüstet, womit beispielsweise pH-Wert, Redoxpotential und CO2 - Atmung während die Inkubation beobachtet werden. Ein künstliches Bodengemisch wird verwendet, um ein definiertes und homogenes Ausgangsmaterial bereitzustellen. Die Mischung besteht aus Quarz, Montmorillonit und Goethit vermischt mit Stallmist als organische Substanz und inokuliert mit einer mikrobiellen Gemeinschaft, die aus einem natürlichen Boden extrahiert wird. Die Mischung wird entweder mit einem konstanten oder schwankenden Wasserstand für 6 Monate inkubiert. Nach der Inkubation werden organische Substanz, extrahierbare Eisenoxide und mikrobielle Gemeinschaften in Abständen von 3 cm in den Säulen charakterisiert. Die räumliche Verteilung des Eisens in Makroaggregaten wird an ausgewählten Proben mittels Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie und Mikro-Röntgenfluoreszenz bestimmt.Die Kombination dieses neuartigen automatisierten Säulensystems mit einem gut definierten künstlichen Boden bietet die einzigartige Gelegenheit, die Wirkung des Wasserspiegels auf die initiale Bodenentwicklung aufzuklären. Die kombinierte Charakterisierung der Biogeochemie, strukturellen und mineralischen Entwicklung und Mikrobiologie dieses Modellsystems liefert wesentliche Erkenntnisse für ein mechanistisches Verständnis der Auswirkungen von Wasserspiegelschwankungen auf Boden- und Wasserqualität, sowie für die potentielle Speicherung oder Freisetzung von CO2.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Kanada
• Gastgeber: Professor Dr. Philippe van Cappellen