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Beitrag des Instituts zur Forschung des ZALF

Ziel der BLF-Forschung ist es, über ein verbessertes Verständnis der Entwicklung und Funktionalität von Bodenlandschaften zentrale Forschungsfragen der Großen Gesellschaftlichen Herausforderungen beantworten zu können, insbesondere zur „Mitigation und Adaption an den Klimawandel“ und zur „Globalen Ernährungssicherung“.
Das Institut für Bodenlandschaftsforschung erarbeitet hierzu mit Partnern innerhalb und außerhalb des ZALF neue Erkenntnisse und Handlungsoptionen in interdisziplinären Projekten.
  1. Im Kernthema 1 "Landschaftsprozesse" untersucht BLF den Einfluss der Bodenerosion durch Wasser, Wind und Bodenbearbeitung auf (i) den landschaftsskaligen C-Haushalt, (ii) den Wasser- und Stoff­haushalt von Böden und (iii) die Feinstaubemissio­nen. So werden im Projekt CarboZALF2.0 experimentelle und modellgeleitete Analysen zur langfristigen Prozessdynamik von CO2-Flüssen (mit LBG), lateralen C-Flüssen und vollständigen C-Bilanzen durchgeführt.
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    Ein Untersuchungsschwerpunkt liegt dabei auf den durch Erosion beeinflussten, landschaftsskaligen „Hotspots", wie etwa den stark erodierten Böden an Kuppen und Hängen sowie den kolluvial beeinflussten, mineralischen und organischen Böden abfluss­loser Hohlfor­men (Sölle). Begleitet werden diese Untersuchungen durch Laborexperimente zu den Me­chanis­men der C-Speicherung (mit LBG). Zur Skalierung der identifizierten Einflussfaktoren von CO2-Flüssen und C-Bilanzen - von der Standorts- über die Feld- bis hin zur Einzugsgebietsskala - kommen Verfahren des „Digital Soil Mapping" zum Einsatz. Mittelfristiges Ziel ist es, Methoden zu entwickeln, mit denen sich die CO2-Quellen und -Senken und damit auch das CO2-C-Sequestrie­rungs­potenzi­al von Bodenlandschaften räumlich expli­zit quantifizieren lässt.

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    Die Folgewirkungen der Bodenerosion auf vertikale und laterale Was­ser-, C- und Nährstoffflüsse untersuchen wir mit hydropedologischen Ansätze im TERENO-Observatorium „Nordostdeutsche Tiefebene", gemeinsam mit HGF-Partnern (UFZ, GFZ). Besondere Beachtung finden dabei nicht nur präferentielle Fließprozesse in Böden und ihre Wechselwirkung mit Aggregatoberflächen, sondern auch laterale Wasserflüsse in Kleineinzugsgebieten von Acker-Hohlformen.

    Das Institut untersucht auch die Folgewirkungen, die durch  landnutzungsbedingte Winderosion und Staubfreisetzungen entstehen, sowohl in Brandenburg als auch in semi-ariden Klimagebieten
     
    Chinas und Argentiniens. Besondere Beachtung  finden dabei die Einflussfaktoren und Dynamik der Freisetzung von feinen Bodenpartikeln (< 10 μm), die sogenannten „Feinstaubemissionen". Die damit verbundenen, lateralen C- und Nährstoffflüsse werden beispielhaft in Bodenlandschaften der Provinz La Pampa (Argentinien) in einem DFG-Projekt analysiert. Diese Region ist in besonderem Maße von Landnutzungsänderungen betroffen, nämlich durch die Umwandlung von Wald und Weide in Ackerflächen. Der langfristige Einfluss von Landnutzungsänderungen und Bodenerosion auf die Entwicklung von Bodenlandschaften wird mittels neuer experimenteller wie modellgeleiteter Ansätze im sogenannten „Soil Landscape Evolution Modelling" quantifiziert.

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  2. Im Kernthema 2 „Landnutzung & Wirkungen" untersucht BLF einerseits die langfristi­gen Trends der Bo­denfrucht­bar­keit in Dauerfeldversu­chen (BonaRes), andererseits die landschaftsskaligen Zusammenhänge zwischen Erosion, Bodenfruchtbarkeit und dem Phänomen der Ertragsstagnation („Yield Le­velling").  Über das Projekt SiliconZALF wird des Weiteren die Bedeutung des bislang wenig beachteten Elementes Silizium in agrarischen Biogeosystemen aufgeklärt, der Einfluss des biogenen Si-Pools auf die Si-Verfügbarkeit in Böden.

  3. Im Kernthema 3 „Landnutzungskonflikte & Steuerung" leistet BLF einen wesentlichen Wissenstransfer für Politik und Praxis zu Fragen der Bodenerosion und des C-Haushaltes von Agrarlandschaften.

Das „Ag­roSca­peLab Quillow" bildet - als Beispielsregion für komplexe Agrarlandschaften - die wichtigste Forschungsplattform für BLF. Hier sind auch die BLF-Aktivitäten im TERENO Observatorium „Nordostdeutsche Tiefebene" angesiedelt (SoilCan, VAMOS, TEROS mit GFZ, UFZ und Universität Augsburg). Damit besteht eine sehr enge Verbindung zum „Datenzentrum Agrarlandschaft" (DZA), insbesondere zu den ZALF Forschungs­stationen. DZA-MitarbeiterInnen betreuen gemein­sam mit BLF-Technikern die techni­schen Einrichtungen der Langzeit­pro­jekte CarboZALF2.0, TEROS, VAMOS und SoilCan. Das Zentrallabor des ZALF unterstützt die BLF-Forschung über Routineanaly­sen.



Arbeitsgebiete

BLF hat seine Forschung in vier Arbeitsgebiete strukturiert: i) Bodenerosion, ii) Dynamik der Bodenfruchtbarkeit, iii) Hydropedologie und iv) Digital Soil Mapping & Bodenlandschaftsmodellierung. Diese bauen aufeinander auf und sind durch eine enge Verzahnung von Experimenten, Langzeitmessungen, Methodenentwicklungen und Modellen gekennzeichnet.

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Bodenerosion

Ansprechpartner: Dr. Roger Funk (Wind), Dr. Detlef Deumlich (Wasser)

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Bodenerosion ist, weltweit betrachtet, nach wie vor die größte Bedrohung der Ressource „Boden“. Sie hat damit einen direkten Bezug zur globalen Ernährungssicherung und über Rückkopplungsprozesse auch indirekt zum Klimawandel (s. CarboZALF, Kernthema 1). In diesem Arbeitsgebiet erforschen wir nicht nur wissenschaftliche Grundlagen zur Dynamik der Bodenerosion und ihren Einflussfaktoren, sondern entwickeln auch Lösungsansätze für eine bodenschonende Landnutzung der Zukunft. Unsere Forschungsarbeiten decken dabei die drei wesentlichen Erosionsformen ab: Bodenerosion durch Wasser, Wind und Bodenbearbeitung. Die BLF-Forschung charakterisiert sowohl eine enge Kopplung zwischen Feld- und Laborexperimenten (DZA, Windkanal) und Modellierung als auch eine starke nationale (GFZ, Universität Augsburg, UFZ) wie internationale wissenschaftliche Vernetzung (Belgien, China, Argentinien).

​Besondere Beachtung finden aktuell die Feinstaubemissionen aus Böden.
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Dies nicht
 
nur, weil damit ein Verlust an Bodenfruchtbarkeit in den sensitiven semi-ariden Gebieten verbunden ist, sondern auch, weil bodenbürtige Stäube im Verdacht stehen, die Wolkenbildung in der höheren Atmosphäre zu beeinflussen - über die Eiskristallbildung bei höheren Temperaturen als bei den quarzreichen Stäuben aus den großen, global bedeutsamen  Wüstengebieten. Auf der lokalen Ebene tragen Feinstaubemissionen aus dem Agrarbereich auch zu einer Beeinträchtigung der Luftqualität in urbanen Ballungsräumen bei. Zudem existiert die Befürchtung, dass über den äolischen Partikeltransport aus landwirtschaftlichen Böden Antibiotika-resistente Bakterien in die globale Zirkulation gelangen. Hierzu gibt es bis dato keine gesicherten Erkenntnisse.

Im Kontext der Forschungsarbeiten zur Bodenerosion durch Wasser arbeitet BLF an neuen Ansätzen zur Quantifizierung der Regenerosivität, z.B. über das Regenradarsystem RADOLAN vom Deutschen Wetterdienst (DWD). Die zeitlich hochauflösenden und flächig vorliegenden Daten werden zur Berechnung von Eingangsparametern für dynamische Erosionsmodelle (z.B. Erosion-3D) getestet. Mit diesen Daten können ebenso bekannte Erosionsereignisse aus der jüngeren Vergangenheit in Beziehung zur Niederschlagsintensität gesetzt werden. Mit dem Ziel einer Quantifizierung von Abtragsraten durch Bearbeitungserosion führt BLF Feldexperimente mit Tracer-Applikationen durch. Der Einsatz hochauflösende Höhenmodelle (DEM1) ergänzt diese Prozessstudien über eine verbesserte räumliche Modellierung der Bearbeitungserosion.

 

Dynamik der Bodenfruchtbarkeit

Ansprechpartner: Prof. Dr. Wilfried Hierold (BonaRes), PD Dr. Ruth H. Ellerbrock (Kohlenstoff), Dr. Axel Höhn (Silizium)

Eine hinreichende Bodenfruchtbarkeit ist die Grundvoraussetzung für die nachhaltige Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion. Besondere Bedeutung kommt dabei der organischen Bodensubstanz (OBS) und dem Nährstoffstatus von Böden zu. Die organische Bodensubstanz wird durch Faktoren wie Klima, Bodengenese, Landnutzung und Bodenbearbeitung beeinflusst. Dies betrifft nicht nur die Menge, sondern auch die Zusammensetzung der OBS. Eine systematische und langfristige Analyse der komplexen Zusammenhänge zu Bodendegradationen, wie der Bodenerosion, oder zur Düngung wurde bislang vor allem in Plot- und Feldversuchen durchgeführt. Langfriststudien in Einzugsgebieten oder auf der Landschaftsskala sind eher selten. Auch bleiben grundlegende Fragen zur Übertragbarkeit von Ergebnissen auf der Plotskala in die Landschaft – und damit in die landwirtschaftliche Praxis – nach wie vor unbeantwortet. BLF untersucht in diesem Arbeitsgebiet einerseits den Zusammenhang zwischen Erosion, Bodenfruchtbarkeit und Ertragsstagnation („Yield Leveling“), u.a. im Rahmen des BMBF-finanzierten BonaRes-Zentrums.

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Weiterhin analysiert BLF die Wechselbeziehungen zwischen den oben genannten Einflussfaktoren und der OBS Zusammensetzung sowie ihre räumlichen Verteilung in Bodenprofil und Landschaften. Zur Charakterisierung der OBS setzt BLF dabei die Fourier Transform Infrarot (FTIR) Spektroskopie ein. Sie erlaubt die Identifikation funktioneller Gruppen der organischen Bodensubstanz, die wiederum mit der Hydrophobizität oder der Kationenaustauschkapazität von Böden in Beziehung steht. In Kombination mit einem FTIR-Mikroskop lässt sich auch die OBS-Zusammensetzung entlang von präferentiellen Fließwegen abbilden. Neben der Aufklärung zeitlicher Veränderungen in der OBS-Zusammensetzung von Böden in Feldversuchen und Landschaften wollen wir mit der FTIR-Spektroskopie auch das Verständnis von Stofftransporten in Landschaften verbessern.
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Im Rahmen der langfristigen Entwicklung der Bodenfruchtbarkeit wurden bestimmte Nährstoffe, z.B. Silizium, bis dato nicht beachtet. BLF hat aufgrund seiner Vorarbeiten im Projekt SiliconZALF mittlerweile die methodisch-analytischen Grundlagen entwickelt, die zur Analyse agrarischer Biogeosysteme benötigt werden. In einem ersten Schritt soll daher der Si-Kreislauf am Beispiel des Winterweizens analysiert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Charakterisierung der biogenen Si-Pools. Gemeinsam mit Praktikern werde ggf. Handlungsoptionen entwickelt. Hierzu sind bereits Kooperationen mit mittelständigen Unternehmen initiiert.

 

Hydropedologie

Ansprechpartner: PD Dr. Horst H. Gerke

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Rückkopplungen der Bodenerosion auf den Wasserhaushalt und Stofftransport aus erodierten und kolluvierten Böden sind bislang wenig systematisch untersucht. Der Forschungsbedarf zu dieser Thematik resultiert aus der globalen Bedeutung von Bodenerosion. Ausgehend von der Prämisse, dass sich mit dem geo- und pedogenetischen Profilaufbau und der Struktur von Bodenlandschaften die hydraulischen Bodeneigenschaften verändern, untersucht BLF in diesem Arbeitsgebiet gezielt die Prozessdynamik des vertikalen und lateralen Wasserflusses erosionsbeeinflusster Böden - von der Standortsskala bis zur Landschaftsskala.

Die pedonskaligen Arbeiten zielen darauf ab, mit Hilfe der Eigenschaften des Bodengefüges (z.B. Geometrie, Tonkutane, Auskleidungen von Wurmgängen) die empirischen Austauschkoeffizienten von numerischen Zwei-Regionen Fluss- und Transportmodellen zu parametrisieren. Mit diesen Modellen kann das Auftreten lokaler Ungleichgewichte im Matrixpotenzial und in den Konzentrationen gelöster Stoffe während des präferenziellen Umfließens der porösen Bodenmatrix in den Makroporen erklärt werden. Für die Bodenlandschaft mit erosionsbedingter Pedogenese werden je nach Hangposition die hydraulischen Eigenschaften durch Abwesenheit oder Mächtigkeit der Bodenhorizonte und durch den Abstand zwischen Bodenoberfläche und Ausgangsmaterial charakterisiert. Hydraulische Ungleichgewichte werden auch auf der Feld- und Landschaftsskala beobachtet, wenn Bodenbereiche flächenhaft umflossen werden und das Wasser sich in abflusslosen Senken (z.B. Sölle) sammelt, dort lokal versickert oder über Dräne dem Vorfluter zuströmt. Die Analyse des lateralen Flusses im Boden soll über den Vergleich von 1D vertikalen (Lysimeter) und 2D simulierten Flüssen im Hangquerschnitt erfolgen. Ein 3D-Bodenmodell der räumlichen Struktur der Bodenfestphase soll es ermöglichen, räumlich verteilte Parameter zu generieren, um Auswirkungen erosionsbedingter Änderungen der Bodenlandschaft auf die Flüsse zu simulieren. 

In diesem Forschungsgebiet initiierte BLF im Rahmen der HGF-Initiative TERENO (Terrestrial Environmental Observatories) gemeinsame, langfristige Forschungsvorhaben mit dem GFZ Potsdam und dem UFZ Leipzig-Halle, u.a. über umfangreiche Investitionen in der „AgroScapeLab Quillow“. Mit dem Ziel einer Quantifizierung der langfristigen Änderungen des Wasser- und Stoffhaushaltes von Böden im Klimawandel erfolgte die Installation von zwölf Lysimetern im Verbundprojekt „SoilCan“ (GFZ). Die Lysimeter enthalten ungestörte Böden eines vollständigen Gradienten der Erosion und Kolluviation, d.h. die repräsentativen Böden einer erosionsgeprägten Bodenlandschaft. Die gemeinsam mit dem UFZ installierten und betriebenen VAMOS-Lysimeter (Vadose Zone Monitoring System) dienen der in-situ Quantifizierung von lateralen Wasserflüssen. Darüber hinaus wurde gemeinsam mit dem GFZ und der Universität Augsburg ein Soll-Einzugsgebiet für ein langfristiges Erosions- und SOC-Monitoring instrumentiert (TEROS, Lateralflüsse).  

 

Digital Soil Mapping & Bodenlandschaftsmodellierung

Ansprechpartner: N.N., Prof. Dr. Michael Sommer

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Alle Themenstellungen zum Einfluss von Landnutzung und Landnutzungsänderungen auf Böden, ihrer Wechselwirkungen und einer möglichen Steuerung stehen vor der großen Herausforderung, wie die real existierenden Bodenheterogenitäten auf der Landschaftsskala, d.h. die Struktur von Bodenlandschaften, berücksichtigt werden kann. Die hierzu entwickelten Ansätze einer räumlichen Modellierung von prozessrelevanten Zustandsgrößen in Landschaften erfordert eine Erweiterung des Methodenspektrums im „Digital Soil Mapping“ (DSM). BLF setzt hierzu neue Fernerkundungsinstrumente ein, die eine schlagübergreifende Erfassung der Bodenheterogenität erlauben. Dazu gehören beispielsweise die hubschraubergestützte Gammaspektrometrie (Kooperation mit der BGR und der Universität Bonn) oder die multitemporale Fernerkundung (VisNIR, Thermal-IR) mittels Satelliten (z.B. RapidEye) und dem ZALF-eigenen UAS.

Die Entwicklung neuer, spektrometrischer Verfahren auf der Pedonskala (VisNIR, P-XRF, FTIR an ungestörten Bohrkernen) erlaubt eine vertikal hochauflösende Erfassung von Zustandsgrößen wie SOC, der SOM-Qualität sowie Elementverteilungen. Die Herausforderung besteht nun in einer skalenübergreifenden Integration dieser Daten in der Bodenlandschaftsmodellierung. Mittelfristiges Ziel ist eine räumlich explizite und hochauflösende 3D Modellierung von prozessrelevanten Zustandsgrößen wie SOC, Textur und Erosionsgrad auf der Landschaftsskala.

Für eine Beantwortung bodenbezogener Fragen im Kontext des Global Change, z.B. der Dynamik der Bodendegradation durch Erosion, findet die Quantifizierung der zeitlichen Entwicklung von Bodenlandschaften zunehmend Beachtung. Analog dem Vorgehen in der Klimaforschung wird für ein „Forecasting“ der zukünftig zu erwartenden Änderungen nach „Hindcasting“-Ansätzen zur Modellvalidierung gesucht. Diese neue Forschungsrichtung des „Soil Landscape Evolution Modelling“ wird zukünftig eine größere Rolle in BLF spielen. So entwickeln wir derzeit in Kooperation mit Prof. Temme (WUR) ein dynamisches Bodenlandschaftsmodell für kuppige Grundmoränenlandschaften. Untersetzt wird dieses Vorhaben durch eine Quantifizierung der zeitlichen Veränderung von Bodenbildungs- und Erosionsraten als Funktion historischer Landnutzungsänderungen. Dabei kommen u.a. neueste Datierungsansätze für verschiedene Zeitskalen zum Einsatz (240Pu/239Pu, kosmogene Nuklide). Hierzu besteht eine enge Kooperation mit Prof. Egli (Universität Zürich).  

 

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