Feststoffproben für Rasterelektronenmikroskop

DFG-Forschungsgruppe 2179 MAD Soil

"Microaggregates: Formation and turnover of the structural building blocks of soils"
Feststoffproben für Rasterelektronenmikroskop
Foto: Hydrogeologie

Die Bildung und der Umsatz von Mikroaggregaten und ihre Verknüpfung mit der Funktion von Böden ist ein wichtiges Forschungsgebiet in der Bodenkunde.

Die RU 2179 MAD Soil

Bildung und Umsatz der strukturellen Bausteine des Bodens haben das Bewusstsein für die potenzielle Rolle von Mikroaggregaten für die Funktion von Böden geschärft, indem ein gemeinsames Forschungsprogramm initiiert wurde. Die RU 2179 MAD Soil zielt auf ein fortgeschrittenes mechanistisches Verständnis der Bildung, Stabilität und des Umsatzes von Bodenmikroaggregaten ab, indem deren Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften in-situ, in-vitro und in-silico untersucht werden. Diese herausfordernden und anspruchsvollen Ziele können nur durch eine zielgerichtete Koordination und eine strukturierte und gelenkte Umsetzung der Untersuchung im Hinblick auf die großen Ziele der RU erreicht werden, indem Konzepte und Erkenntnisse integriert und abgeglichen werden. Der Schwerpunkt des Koordinationsprojektes für die zweite Phase ist somit die synoptische Synthese der Ergebnisse der einzelnen Projekte durch Erweiterung und Integration in den theoretischen mechanistischen Rahmen, der durch unsere gemeinsamen Modellierungsvorhaben gegeben ist. Neben diesem wissenschaftlichen Schwerpunkt wird die weitere Aufgabe von Projekt PC die Koordination und Organisation von Probenahme-Kampagnen, Tagungen, Symposien und Workshops, die Bereitstellung der grundlegenden physikalischen, chemischen und biologischen Parameter der gemeinsamen Feldstandorte (der Löß-Pedosequenz und des organic matter depletion-Feldexperimentes), zentrales Datenhandling einschließlich Vorverarbeitung und Speicherung, Verbreitung der Ergebnisse und Durchführung von Outreach-Aktivitäten einschließlich Web- und Social-Media-Präsenz, sein.

Aufklärung der Rolle der Oberflächenalteration und der dynamischen Verlagerung für die Bildung und Alteration von Mikroaggregaten im Boden-Ausgangsgesteins-Kontinuum

Aggregation und der Aufbau von Aggregaten sind einzigartige Merkmale von Böden. Aggregierung führt zu einer nicht-zufälligen räumlichen Anordnung der festen Phase bereits im Submikronbereich. Mikroaggregate gelten als die fundamentalen Bausteine der Aggregatstruktur in fast allen Böden, einschließlich derer mit einer Aggregathierarchie. Sie sind Verbundstrukturen kleiner <0,25 mm und umfassen auch die kolloidalen und nanopartikulären Mischphasen sowie organo-mineralische Komposite. Hervorzuheben ist dabei, dass Mikroaggregate, insbesondere solche kleiner als < 20 Mikrometer, auch als Komponenten der mobilen Phase vorliegen. So können sie mit dem Sickerwasser verlagert werden und Oberflächen- und Porenraumeigenschaften verändern. Mikroaggregatbildung durch Oberflächenalterierung in Folge von Interaktionen mit Komponenten der Flüssigphase stellt wahrscheinlich einen entscheidenden, bisher im Wesentlichen noch unerforschten Weg im Boden-Ausgangsgestein-Kontinuum während der initialen Pedogenese dar. In Böden fortgeschrittener Entwicklung entstehen Mikroaggregate aus Tonmineralen, schlecht kristallinen, aber hochreaktiven pedogenen Mineralphasen und organischer Substanz aus im Zuge eines Nukleationsprozess aus der chemisch heterogenen Bodensuspension. Beide Bildungswege laufen im Kontinuum Boden-Ausganggestein ab, können aber insbesondere in der Übergangszone von Boden zu Ausgangsgestein in einem frühen Stadium der Bodenbildung untersucht werden, bei der die Bildung von sekundären Mineralphasen noch in einem frühen Stadium steht. Die Stabilität von Mikroaggregaten sowie ihre Wechselwirkungen werden durch Befeuchtung-Austrocknung- und damit Hydratation-Dehydratation-Zyklen wesentlich beeinflusst. Diese von der Bodenfeuchte-Dynamik abhängigen Prozesse finden in Böden der gemäßigten Zonen regelmäßig bis in den Untergrund statt. Das bedeutet, dass sowohl hydraulischer als auch osmotischer Stress sowie deren Historie Interaktionen und Translokation von Mikroaggregaten maßgeblich beeinflussen können. Mit diesem Projekt wollen wir fundamentale Wissenslücken beim Verständnis der Bildung und Stabilität von Mikroaggregaten und deren Verknüpfung zu den Funktionen im Boden-Ausgangsgesteins-Kontinuum schließen. Das Forschungsprogramm hierzu umfasst Studien in-situ (Profilanalyse entlang einer Löß-Pedosequenz), in-vitro (dynamische Transportexperimente mit ungestörten Bodenkernen) und in-silico (numerische Simulation von Heteroaggregation). Dabei fokussieren wir auf zwei bislang vernachlässigte Bildungswege, die "geochemische Vererbung" und die "Heteroaggregation aus Suspension“. Mit diesem Teilprojekt zielen wir durch die Untersuchung der resultierenden Phänomene auf ein verbessertes Verständnis des Zusammenspiels und der Abhängigkeiten der Bildungswege für Mikroaggregate in Raum und Zeit und leisten einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung des quantitativen theoretischen Rahmens zum Verständnis der Bildung, Eigenschaften und Funktionen von Mikroaggregaten in Böden.

Impressionen (Feldarbeit)

Boden(aggregat)probenahme in der Querfurter Mulde
Boden(aggregat)probenahme in der Querfurter Mulde
Foto: Michaela Aehnelt
Stechzylinderprobe eines Ackerbodens bei Querfurt
Stechzylinderprobe eines Ackerbodens bei Querfurt
Foto: Robert Lehmann
Herauspräparierte Stechzylinderprobe in einem Ackerboden bei Querfurt
Herauspräparierte Stechzylinderprobe in einem Ackerboden bei Querfurt
Foto: Robert Lehmann
Bohrstockprobe einer Parabraunerde auf Löss bei Querfurt
Bohrstockprobe einer Parabraunerde auf Löss bei Querfurt
Foto: Tom Guhra
Bohrstockprobe eines Ap-C-Bodens aus Löss bei Querfurt
Bohrstockprobe eines Ap-C-Bodens aus Löss bei Querfurt
Foto: Tom Guhra
Entnahme von Bodenproben, Stechzylinder
Entnahme von Bodenproben, Stechzylinder
Foto: Robert Lehmann
Bodenproben im Stechzylinder
Bodenproben im Stechzylinder
Foto: Katharina Lehmann
Regenwürmer vor dem Einsatz im Laborexperiment
Regenwürmer vor dem Einsatz im Laborexperiment
Foto: Katharina Lehmann

Publikationen

Inaugural-Paper
Totsche K.U., Amelung W., Gerzabek M.H., Guggenberger G., Klumpp E., Knief C., Lehndorff E., Mikutta R., Peth S., Prechtel A., Ray N., Kögel-Knabner I. (2018) Microaggregates in soils. Journal of Plant Nutrition and Soil Science 181(1), 104-136. DOI: https://doi.org/10.1002/jpln.201600451Externer Link

2022

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Zech, S., Ritschel, T., Ray, N., Totsche, K. U., Prechtel, A. (2022). How water connectivity and substrate supply shape the turnover of organic matter - Insights from simulations at the scale of microaggregates. Geoderma 405, 115394. doi: 10.1016/j.geoderma.2021.115394Externer Link

2021

Bucka, B.F.; Felde, V.J.M.N.L.; Peth, S.; Kögel-Knabner, I. (2021): Disentangling the effects of OM quaility and soil texture on microbially mediated structure formation in artificial model soils. -  Geoderma, 403: 115213.  LinkExterner Link

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Lehndorff, E.; Rodionov, A.; Plümer, L.; Rottmann, P.; Spiering, B.; Dultz, S.; Amelung, W. (2021): Spatial organization of soil microaggregates. - Georderma, 386: 114915. LinkExterner Link

Kögel-Knabner, I.; Amelung, W. (2020): Soil organic matter in major pedogenic soil groups. - Georderma, 384, 114785. LinkExterner Link

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Sosa, M.V.; Lehndorff, E.; Rodionov, A.; Gocke, M.; Sandhage-Hofmann, A.; Amelung, W. (2021): Micro-scale resolution of carbon turnover in soil - Insights from laser ablation isotope ratio mass spectrometry on water-glass embedded aggregates. - Soil Biology and Biochemistry, 159: 108279. LinkExterner Link

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2020

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2019

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2018

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Krause, L.; Rodionov, A.; Schweizer, S.A.; Siebers, N.; Lehndorff, E.; Klumpp, E.; Amelung, W. (2018): Microaggregate stability and storage of organic carbon is affected by clay content in arable Luvisols. - Soil & Tillage Research 182: 123-129. LinkExterner Link

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Rupp, A.; Totsche, K.U.; Prechtel, A.; Ray, N. (2018). Discrete-continuum multiphase model for structure formation in soils including electrostatic effects. - Frontiers in Environmental Science.  LinkExterner Link

Siebers; N.; Abdelrahman, H., Krause, L. ; Amelung, W. (2018): Bias in aggregate geometry and properties after disintegration and drying procedures. - Geoderma 313: 163-171. LinkExterner Link

Schweizer, S.; Höschen, C.; Schlüter, S.; Kögel-Knabner, I. ; Mueller, C.W. (2018): Rapid soil formation after glacial retreat shaped by spatial patterns of organic matter accrual in microaggregates. - Global Change Biology 24/4:  1637-1650. LinkExterner Link

Totsche, K.U.; Amelung, W.;  Gerzabek, M.H.; Guggenberger; G.; Klumpp, E.; Knief, C., Lehndorff, E., Mikutta, R.; Peth, S; Prechtel, A.; Ray, N.; Kögel-Knabner, I. (2018.):  Microaggregates in soils. - Journal of Plant Nutrition and Soil Science 181/1: 104-136.  LinkExterner Link

2017

Ray, N.; Rupp, A.; Prechtel, A. (2017): Discrete-continuum multiscale model for transport, biomass development and solid restructuring in porous media -  Advances in Water Resources 107: 393-404. LinkExterner Link

Steffens, M.; Rogge, D.M.; Mueller, C.W.; Höschen, C. ; Lugmeier, J., Kölbl, A.; Kögel-Knabner, I. (2017): Identification of distinct functional microstructural domains controlling C Storage in Soil. -  Environonmental Science & Technology 51 /21: 12182-12189.  LinkExterner Link

 

Kontakt

Kai Uwe Totsche, Prof. Dr.
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Prof. Dr. Kai Uwe Totsche
Foto: FSU/Hydrogeologie