Die Richardsgleichung ist das Standardmodell zur Simulation des Wasserflusses in Böden. Die Lösung der Richardsgleichung erfordert neben Anfangs- und Randbedingungen die Materialeigenschaften des Bodens. Diese bodenhydraulischen Eigenschaften oder Funktionen, genauer die Retentionskurve und die hydraulische Leitfähigkeitsfunktion, können durch verschiedene Labor-und Feldmethoden bestimmt werden. In der Praxis zeigen sich in solchen Experimenten häufig Phänomene des dynamischen Ungleichgewichts und diese führen zu einer Abhängigkeit der identifizierten hydraulischen Funktionen von den Randbedingungen. In der Literatur werden verschiedene Prozesse auf der Porenskala und der Skala des repräsentativen Elementarvolumens diskutiert, welche für dynamisches Ungleichgewicht ursächlich sind. Es fehlt aber insgesamt an experimentellen Ansätzen, um die Problematik spezifisch und unter kontrollierten Randbedingungen untersuchen und quantitativ auswerten zu können. Ziel dieser Arbeit war es dynamische Effekte in Evaporationsversuchen mit Fließunterbrechung zu untersuchen. Sechs Bodensäulen wurden mit einem schluffigen Lehmboden aus Groß Gleidingen gepackt, hierbei wurden zwei Lagerungsdichten realisiert. Nach der Aufsättigung von unten wurden die Bodensäulen oberflächlicher Verdunstung in drei verschiedenen Versuchsvarianten ausgesetzt: 1) ohne Fließunterbrechung und mit Ventilation, 2) mit Fließunterbrechung und Ventilation, 3) mit Fließunterbrechung, mit Ventilation und ohne Ventilation. Das Matrixpotential und die Bodentemperatur wurden in verschiedenen Tiefen in hoher zeitlicher Auflösung gemessen. Mittels Wägung wurden gleichzeitig die Masse der Bodensäule und damit der Wassergehalt und die Evaporationsrate bestimmt. An die Messdaten wurde verschiedene Modelle angepasst: 1) die isotherme Richards-Gleichung, 2) die nicht-isotherme Richards-Gleichung, 3) ein isothermes DNE-Modell, welches die dynamischen Effekte berücksichtigte und 4) ein nicht-isothermes DNE-Modell. Die beobachteten Matrixpotentiale konnten am besten mit dem DNE-Modell beschrieben werden, wobei kein eindeutiges Ergebnis bezüglich des Einflusses der Temperatur erzielt wurde. Der Anstieg des Matrixpotentials während der Fließunterbrechungen konnte nur unter Berücksichtigung von dynamischen Effekten ausreichend genau beschrieben werden; vertikale Redistribution und Temperatureinflüsse auf das Matrixpotenzial konnten als Ursachen ausgeschlossen werden. Der Einfluss von dynamischem Nichtgleichgewicht in Verdunstungsversuchen mit relativ langsamem Bodenwasserfluss konnte somit eindeutig gezeigt werden.
Feinwurzeln sind eine bedeutende Nährstoff- und Kohlenstoffsenke und spielen eine wichtige Rolle im Nährstoffkreislauf in Agroforstsystemen. Im Rahmen des Verbundprojekts BonaRes-SIGNAL (Nachhaltige Landwirtschaftsintensivierung durch Agroforstsysteme) soll auf einem Ackerschlag des Kurzumtriebs-Alley-Cropping-Agroforstsystems in Wendhausen bei Braunschweig die Verteilung und Nährstoffzusammensetzung der Pappelfeinwurzeln (Ø ≤ 2 mm) untersucht werden. Die Quantifizierung der Pappelfeinwurzeln erfolgt an Bohrkernen einer Länge von ca. 150 cm und einem Durchmesser von 8 cm, die Anfang Juni 2018 in 0, 1, 2, 3, 4 und 7 m Entfernung vom Baumstreifen gewonnen wurden. Dazu werden die Bohrkerne in Stücke von 10 cm Länge unterteilt und die Baumwurzeln separiert, getrocknet und gewogen. An einer Mischprobe wird der Nährstoffgehalt der Feinwurzeln bestimmt. Auch die Bodenproben werden getrocknet und Standard-Bodeneigenschaften werden bestimmt. Die gewonnenen Ergebnisse werden mit gängigen statistischen Verfahren ausgewertet und anhand von Literaturdaten interpretiert.
Abgabe der Arbeit: 17. Februar 2020
Betreuung: Prof Dr. Rolf Nieder
Kasachstan ist eines der weltweit größten Länder für Weizenproduktion und dessen Export mit einer Produktionsmenge von 15 und einem Exportvolumen von 4,4 Millionen Tonnen im Jahr 2016. Die Weizenproduktion Kasachstans findet schwerpunktmäßig in den nördlichen Getreideregionen statt. Dabei handelt es sich um die Steppen- und Schwarzerdezonen des Landes. Die massive Inkulturnahme riesiger Steppengebiete und unangepasste Landnutzungsstrategien, welche die Bodenbearbeitung, Getreidemonokulturen und Schwarzbrachen betreffen, führten zu intensiver Bodenerosion, dramatischen Humusverlusten und einem Rückgang der Bodenfruchtbarkeit der Steppenböden Nordkasachstans. Aufgrund nicht nachhaltiger Landnutzungssysteme und dem geringen Einsatz von mineralischen wie auch organischen Düngemitteln wird angenommen, dass Nährstoffverarmung ein weit verbreitetes und gravierendes Phänomen der Landwirtschaftsflächen in der Steppenregion im Norden Kasachstans darstellt mit negativen Folgen für die Bodenfruchtbarkeit, das Pflanzenwachstum und die Erträge. Das Ziel dieser Masterarbeit ist es, den Ist-Zustand der Böden hinsichtlich ihrer Nährstoffausstattung in Abhängigkeit der Landnutzung (Düngemanagement, Bodenbearbeitung, Landnutzungsgeschichte) und den klimatischen Bedingungen zu beurteilen. Zur Verfügung stehen Bodenproben verschiedener Acker- und Grünlandflächen von vier Standorten entlang eines Nord-Süd-Klimagradienten in Nordkasachstan. Im Mai 2018 wurde eine Feldkampagne in Nordkasachstan durchgeführt. Jedes ausgewählte Feld wurde mit einem Leitprofil (horizontweise) sowie jeweils sechs um das Profil angeordnete Satelliten (drei Tiefen: 0-10 cm, 10-20 cm, 20-30 cm) in Form gestörter Proben beprobt. Ungestörte Proben wurden aus den Profilen in dreifacher Wiederholung pro Tiefenstufe entnommen und dienen der Ermittlung der Lagerungsdichten. Sowohl der pH-Wert in CaCl2 als auch mineralisierter Stickstoff (Nmin) wurden bereits vor Ort gemessen. Austauschbare Kationen und die Kationenaustauschkapazität sollen unter Nutzung der Bariumchlorid-Methode nach Hendershot und Duquette 1986 ermittelt werden. Die pflanzenverfügbaren Nährstoffe Phosphor und Kalium werden mit Hilfe der Calcium-Acetat-Lactat Methode bestimmt. Der Gehalt an Gesamtkohlenstoff und -stickstoff, die Textur als auch die Lagerungsdichten werden von den Kooperationspartnern der Arbeitsgruppe Bodenwissenschaften und Bodenschutz der Martin Luther Universität Halle-Wittenberg zur Verfügung gestellt. Die Nährstoffgehalte der landwirtschaftlichen Nutzflächen sollen mit den Nährstoffgehalten natürlicher Steppenböden als Referenzböden verglichen und der Einfluss des Landnutzungsmanagements beurteilt werden. Des Weiteren werden die beiden nördlichen Standorte mit den drei Standorten im Süden verglichen, um den Einfluss des Klimas zu untersuchen.
Abgabe der Arbeit: 27.5.2019
Betreuung: Prof Dr. Rolf Nieder
Nitrat (NO3-) gehört zu den reaktiven anorganischen Stickstoffverbindungen im Boden und stellt als Hauptnährelement einen limitierenden Wachstumsfaktor für Kulturpflanzen dar. Die Bedeutung als Nährstoff wird kontrastiert durch Belastungen der Umwelt aufgrund von ungenutzten Überschüssen (Blume et al., 2016). Im Boden stammt das NO3- neben der Mineralisation von SOM vor allem aus organischen und mineralischen Düngemitteln. Ein entscheidender Prozess, der dabei für die Verfügbarkeit sowie den Verlust von Stickstoff eine Rolle spielt, ist die biologische Nitrifikation. (Nieder and Benbi, 2008) Ziel der Masterarbeit ist es, die Pool Dilution Methode von Kirkham and Bartholomew (1954) ins Freiland zu übertragen. Diese ermöglicht die Bestimmung der Bruttonitrifikationsrate im Boden. Gleichzeitig wird die im Freiland auftretende kleinräumige Heterogenität der Nitrat-Umsatzraten näher untersucht. Die kritische Auseinandersetzung mit den Ergebnissen ist schließlich die Grundlage für die Entwicklung erster Modellansätze. In diesem Zusammenhang wird im Laufe der Arbeit abgeschätzt, ob weitere Untersuchungen zur Betrachtung einzelner Stickstoffflüsse aus dem Pool durchgeführt werden sollten. Die Masterarbeit erfolgt im Rahmen des EU-geförderten Projektes TOPSOIL (www.topsoil.eu). Ein Teilprojekt beschäftigt sich mit dem Abbauvermögen von überschüssigen Nährstoffmengen im Boden. Das vertiefte Verständnis über das Verhalten von Nährstoffen soll zu einer verbesserten Landnutzung beitragen. Die BGR führte bereits im Herbst 2017 einen Beregnungsversuch durch, um auf der Plotskala Erkenntnisse zum Wasserfluss und zur Nitratverlagerung zu gewinnen. Die Beregnung mit K15NO3 wird im März 2018 im Rahmen der Masterarbeit wiederholt. Zur Bestimmung der Nitrifikationsrate werden Sickerwasser- und Bodenproben im Labor mithilfe der SPINMASS-Technik auf 15NO3- untersucht. Daneben erfolgt eine Charakterisierung der Böden durch die bodenchemische Analyse.
Abgabe der Arbeit: 19. Februar 2019
Torf eignet sich sehr gut als Kultursubstrat für nahezu alle Pflanzen. Auf der Suche nach Alternativen zu Torf in Kultursubstraten werden im ersten Teil dieser Masterarbeit einige Torfersatzstoffe vorgestellt und ihre Eigenschaften mit denen eines idealen Substrats verglichen. Dabei wird deutlich, dass alle Ersatzstoffe ungünstige Eigenschaften aufweisen, weshalb sie in Mischungen mit Torf oder anderen Ersatzstoffen verwendet werden. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Messung und der Identifikation von den effektiven hydraulischen Eigenschaften von je zwei torfhaltigen und torffreien Substraten. Die Labormessungen werden mit der HYPROP-Messmethode analog zu der vereinfachten Verdunstungsmethode von Schindler (1980) für alle Substrate in drei Lagerungsdichten mit je drei Wiederholungen durchgeführt. Bewässert wird zuerst kapillar von unten und bei den späteren Durchläufen von oben. Der Messbereich der Matrixpotentiale wird durch WP4-Daten erweitert. Die effektiven hydraulischen Eigenschaften werden durch die Auswertung der gemessenen Matrixpotentiale mit der vereinfachten Verdunstungsmethode und einer inverse Modellierung durch Anpassung geeigneter Modelle identifiziert. Die bimodalen Modelle beschreiben die Daten am besten, weshalb es zwei Wasserspeicher in den Substraten gibt.
Die Eignung der Substrate wird durch den Vergleich der Wasserretention und der hydraulischen Leitfähigkeit zwischen den Substraten bewertet. Eine Zunahme der Lagerungsdichte resultiert in einer leichten Verringerung der Gesamtporosität und einer Verschiebung der Retentionskurve sowie des Verlaufs der hydraulischen Leitfähigkeit nach rechts. Zudem sinken der maximale Wassergehalt und die Luftkapazität, da die nutzbare Feldkapazität und der Gehalt an Totwasser steigen. Durch die Bewässerung von oben sinkt der maximale Wassergehalt, was alle anderen Parameter negativ beeinflusst. Die beobachteten hydraulischen Eigenschaften liegen für alle vier Substrate im Bereich des idealen Substrats. Die zwei torfhaltigen Substrate unterscheiden sich untereinander nur gering und zeigen eine sehr gute Eignung als Kultursubstrat. Die torffreien Substrate weisen entweder eine sehr hohe Luftkapazität und eine niedrigere nutzbare Feldkapazität oder einen stärkeren Einfluss durch die Bewässerung von oben im Vergleich zu den torfhaltigen Substraten auf, was zu einer schlechteren Eignung führt.
Abgabe der Arbeit: 15.Juli 2019
Betreut durch: Dr. Sascha Iden, Dr. Kai Germer und Prof Dr. Wolfgang Durner
In dieser Masterarbeit wurde der Einfluss des Steingehalts auf die hydraulischen Eigenschaften des Bodens untersucht. Insbesondere sollte die Frage beantwortet werden, ob steinhaltige Böden als homogene poröse Medien modelliert werden können und inwiefern die effektiven hydraulischen Eigenschaften anhand des Feinmaterials und des Steingehalts abgeschätzt werden können.
Dazu wurden Simulationen mit Hydrus 3D sowie Experimente mit einem Bodenkörper, dessen Steingehalt dabei variiert wurde, durchgeführt. Anschließend wurden die Ergebnisse mit Hydrus-1D invers modelliert und somit die Parameter zur Erstellung von Retentionskurven und hydraulischen Leitfähigkeitskurven geschätzt. Diese Kurven wurden dann entsprechend ihres Steingehaltes skaliert und mit den Messungen verglichen. Dabei war zu erkennen, dass die Modelle zur Ermittlung der hydraulischen Eigenschaften eines steinhaltigen Bodens auf Grundlage des Steingehalts und der hydraulischen Eigenschaften des Feinmaterials gute Ergebnisse für Retentionskurven liefern, wohingegen hydraulische Leitfähigkeitskurven nur in einem begrenzten Bereich damit beschrieben werden können.
Abgabe der Arbeit: 21. 1. 2019
Die EU fördert mit ihrer gemeinsamen Agrarpolitik (GAP) den Erhalt von Grünland in besonderem Maße. Von außerordentlicher Bedeutung ist dabei extensiv genutztes Grünland, welches sich zwar im Allgemeinen durch eine hohe Biodiversität, aber geringe Erträge auszeichnet. Für Landwirte bedeutet dies einen Interessenkonflikt zwischen der Erfüllung der EU-Auflage einerseits und dem Düngemanagement und der Deckung des Futterbedarfs andererseits. Diese Arbeit analysiert daher beispielhaft anhand eines Futterbaubaubetriebs in Sachsen-Anhalt extensiv und intensiv genutzte Grünlandflächen hinsichtlich ihrer Nähstoffbilanzen und des Futterwerts. Ziel der Arbeit ist eine Gegenüberstellung der Anforderungen und dem Nutzen der Flächen für den Betrieb. Hierzu wurden Bodenproben von einem extensiv genutzten Schlag im Drömling und zwei intensiv genutzen Schlägen im Bördekreis sowie eines Ackerstandortes entnommen. Je Horizont wurden Gesamt-N, Gesamt-C, Nmin, pH, Kalkbedarf, die Lagerungsdichte und der Wassergehalt bei der Feldkapazität (pF 1,8) und dem Permanenten Welkepunkt (pF 4,2) ermittelt. Außerdem wurde die Biomasse des ersten und zweiten Schnittes auf C und N sowie den Futterwert des Mähguts untersucht. Zusätzlich zu den o.g. Messungen wird mit CANDY, einem Stoffflussmodell des UFZ, die Kohlenstoff- und Stickstoffdynamik für jeden Schlag abgebildet. Bisherige Ergebnisse weisen auf große lokale Unterschiede im Aufbau der Böden hin, obwohl es sich bei allen Standorten um Gleye handelt. Darüber hinaus wurde auf der extensiv bewirtschafteten Fläche im Naturschutzgebiet des Drömling beim ersten Schnitt ein nur etwa halb so großer Ertrag erwirtschaftet, als auf den intensiven Flächen, auf denen mehr Stickstoff ausgebracht und früher gemäht wurde.
Abgabe der Arbeit: 20.12.2018
Luftverunreinigungen sind eines der größten Umweltprobleme der letzten Jahrzehnte. Die bedeutendsten Quellen sind industrielle und gewerbliche Emissionen, die durch Ozonierung reduziert werden können. In dieser Arbeit wurden Anlagendesigns zur Kühlung von Ozongeneratoren untersucht. Es erfolgte eine numerische Modellierung der Strömung und der Wärmeübertragung im Kühlblock, die mit COMSOL Multiphysics© durchgeführt wurde.
Abgabe der Arbeit: 21.1.2019. Die Arbeit wurde betreut von Dr. Sascha C. Iden.
Das Bevölkerungswachstum in China hat in den vergangenen Jahrzehnten zu einer starken Intensivierung der Landwirtschaft und einer Vervielfachung der Nutztierbestände geführt. Überhöhter Einsatz von Stickstoff- (N-) Düngern wie Harnstoff, Gülle und in zunehmendem Umfang von Gärresten aus Biogasanlagen verursachen drastisch zunehmende N-Verluste an die Umwelt. Verlustpfade des Stickstoffs sind zum einen gasförmige Emissionen durch Denitrifikation (Lachgas: N2O, N2) und Ammoniak- (NH3-) Volatilisation, NO3--Auswaschung ins Grundwasser sowie Oberflächenabfluss (gelöste N-Formen: NO3- und NH4+; partikelgebundener Stickstoff) von Böden. Die NH3-Volatilisation ist einer der wichtigsten N-Verlustpfade im Nordchinesischen Tiefland. Ein erheblicher Teil des NH3 wird in der Nähe seiner Quelle wieder deponiert. Ammoniak trägt zur Bodenversauerung und Eutrophierung bei und ist an der Bildung von Feinstaub beteiligt, was zu gravierenden gesundheitlichen Problemen führen kann. N2O ist hingegen ein Treibhausgas, welches erheblich zum Klimawandel beiträgt und somit globale Folgen nach sich zieht. Methan (CH4) ist ebenfalls ein klimarelevantes Gas.
Da es an vergleichenden Untersuchungen zur Freisetzung von umwelt- und klimarelevanten Gasen nach Gärrestapplikation in der Nordchinesischen Tiefebene bislang weitgehend fehlt, wurden Im Rahmen dieser Masterarbeit im April 2017 die Emissionen von NH3, N2O und CH4 auf einer Obstbaumplantage in der Nähe von Baoding (Nordchinesische Tiefebene) quantifiziert. Hierbei wurden die Gärrest-Applikationsformen „oberflächliche Applikation“, „Einarbeitung“ und „gedüngte Furchen“ berücksichtigt. In zwei vergleichenden Laborversuchen (Mai/Juni 2017) wurde zudem der Einfluss unterschiedlicher Boden-Wassergehalte auf die genannten Gasemissionen untersucht. Hierbei wurden die Varianten „oberflächliche Applikation“ und „Einarbeitung“ berücksichtigt. Zudem wurde der reine Einfluss des Wassers ohne Gärrest getestet. Zusätzlich zu den Emissionsmessungen wurde der mineralische Stickstoff (NO3- und NH4+) vor Beginn und am Ende der Versuche bestimmt. Außerdem erfolgte eine Analyse der Standard-Bodeneigenschaften. Die Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit der Agricultural University of Hebei, Baoding (Prof. Dr. Ma Wenqi und Prof Dr. Gao Zhiling) durchgeführt.
Abgabetermin: 15 Februar 2018
Beschreibung der Masterarbeit folgt in Kürze.
Zur Quantifizierung der Gesamt-Denitrifikation aus landwirtschaftlich genutzten Böden ist die Bestimmung von Lachgas (N2O) ebenso wie von molekularem Stickstoff- (N2) erforderlich. Durch einen Inkubationsversuch mit sandigem Oberboden aus Fuhrberg (Raum Hannover) soll im Zuge dieser Masterarbeit die N2- (mittels 15N) und N2O-Freisetzung über die Denitrifikation untersucht werden. Der Versuch erfolgt unter variablem Einfluss der Kontrollfaktoren Bodenwassergehalt, Temperatur, Gehalt an organischer Substanz, Sauerstoffgehalt und applizierter Stickstoff.
Insgesamt werden acht Behandlungen mit je vier Wiederholungen angelegt. In vier der Varianten wird ein konstantes Volumen an Sauerstoff (20 Vol.-% O2) in der Umgebungsluft und in den anderen vier Varianten ein variierendes O2-Volumen über den Versuchszeitraum eingestellt. Bei jeweils der Hälfte der Behandlungen wird Weidelgras appliziert.
In jedes zylindrische Inkubationsgefäß (Innendurchmesser 144 mm) werden ca. 2,4 kg Boden mit einem zuvor eingestellten Wassergehalt von ca. 80% der Feldkapazität sowie einer Stickstoffgabe von 50 mg N kg-1 Boden-Trockenmasse in Form von KNO3 gefüllt. Die Hälfte der Bodensäulen wird dabei mit K15NO3 gedüngt, so dass der Mineralstickstoff im Boden eine Isotopenhäufigkeit von ca. 60 Atom% 15N besitzt. Im Anschluss wird eine Lagerungsdichte von 1,5 g cm-3 eingestellt.
Nach der Befüllung der Zylinder werden diese in das Mikrokosmen-System integriert und im Dunkeln mehrwöchig inkubiert. Die Zylinder werden zuvor luftdicht verschlossen und die Headspace jeder Bodensäule wird kontinuierlich mit einem Trägergas durchspült. Gasproben jedes Zylinders werden mittels eines automatisierten GC-Systems genommen, welches direkt mit den Mikrokosmen verbunden ist, und auf ihren Gehalt an Lachgas untersucht. Eine genaue Beschreibung des automatisierten GC-Systems findet sich bei Hantschel et al. (1994).
Zudem werden über den Versuchszeitraum täglich Gasproben aus den 15N-behandelten Zylindern mit 12 ml Vials genommen. An den Proben wird im Anschluss eine Isotopenanalyse durchgeführt. Anhand der 15N-Isotopenanalyse kann die totale Denitrifikation bestimmt werden. Hierzu wird ein Isotopenverhältnis-Massenspektrometer (MAT) genutzt. Des Weiteren werden an den 15N-markierten Bodensäulen der 20 Vol.-% O2-Behandlung Sickerwasserflaschen angeschlossen und die Böden mit stufenweise zunehmender Saugspannung entwässert. Die durch die Entwässerung gewonnenen Wasserproben werden im Anschluss mittels SPIN-MIMS, einer Weiterentwicklung des SPIN-MAS nach Stange et al. (2007), auf die 15N-Häufigkeiten in Ammonium (NH4+), Nitrat (NO3-) und Nitrit (NO2-) untersucht.
Abgabe der Arbeit: 27.3.2018
Masterarbeit entstand in Zusammearbeit mit Dr. Reinhard Well (Thünen Institut).
Bioturbation ist eine der wichtigsten Prozesse für die Translokation von organischer Substanz von der Streuauflage eines Waldes in den Mineralboden. Neben der tiefen Bioturbation durch Regenwürmer kann auch die flachgründige Bioturbation durch Wildschweine einen Einfluss haben und die Kohlenstoffvorräte von Waldböden verändern. Bisher gibt es dazu aber keine Untersuchungen.
Seit 2011 läuft ein Störungsexperiment des Thünen Instituts für Agrarklimaschutz zu „Bioturbation durch Wildschweine“ auf 23 Teilflächen an zwei Standorten. 17 Teilflächen befinden sich auf dem Gelände des Thünen Instituts in Braunschweig und 6 weitere Flächen wurden im Thünen Institut in Eberswalde bei Berlin angelegt. Im Rahmen der Masterarbeit wurden die Flächen erstmals beprobt und analysiert. Auf den Versuchsflächen wurde die Bioturbation durch Wildschweine simuliert, indem mit schnauzen-ähnlichen Grabstöcken die Laub- bzw. Nadelstreu manuell mit dem darunterliegenden Mineralsboden vermischt wurde. Auf diese Weise wurde das natürliche Verhalten der Wildschweine imitiert, bei dem die Tiere den Boden auf der Suche nach Nahrung durchwühlen. Parallel wird die organische Auflage mit dem Mineralboden durchmischt. Diese Form der Durchwühlung der Streu mit dem Mineralboden erhöht den Kohlenstoffeintrag im Boden. Ohne Bioturbtion gelangt die Streu von der Auflage nur zu einem geringen Teil in den Mineralboden und geht größtenteils durch Mineralisation verloren. Somit kann das Wühlen der Tiere zur Erhöhung des Bodenkohlenstoffgehaltes führen. Auf der anderen Seite beschleunigen Störungen des Bodens die Mineralisation, wodurch die Bioturbation durch Wildschweine auch zu niedrigeren Bodenkohlenstoffvorräten führen könnte. Unbekannt ist also in welchem Umfang die Bioturbation Einfluss auf den die Bodenkohlenstoffvorräte hat und bleibt im Rahmen dieser Masterarbeit zu prüfen.
Abgabe der Arbeit: Frühjahr 2017
Peat soils form a major share of soil suitable for agriculture in northern Europe. Successful agricultural production depends on hydrological conditions, soil properties, local climate, and agricultural management of the farmer. Climate change impact assessment on food production and development of mitigation and adaptation strategies require reliable yield forecasts under given emission scenarios. Coupled soil hydrology and crop growth models, driven by regionalized future climate scenarios are a valuable tool and widely used for this purpose. Parameterization on local peat soil conditions and crop growth performance, however, remains a major challenge. The subject of this study is to evaluate the performance and sensitivity of the SWAP-WOFOST coupled soil hydrology and plant growth model with respect to the application on peat soils under regional conditions in northern Europe.
The results of the model application and parameterization at deep peat sites in southern Finland are presented. The model performed in reproducing two years of observed, daily ground water level data on four hydrologically contrasting sites. Naturally dry and wet sites could be modelled with the same performance as sites with active water table management by regulated drains in order to improve peat conservation. A simultaneous multi-site calibration scheme was used to estimate plant growth parameters of the local summer oat breed. With sensitivity analysis it is possible to find out a few key parameters to avoid over-parameterization. A good working crop module is essential for modelling the groundwater table on every single site with their different soil properties and flux and drainage dynamics. With a stabile hydrological model RCP4.5 and RCP8.5 future scenarios with different climate regimes in effective precipitation can realize in a time scale from 2021 to 2100.
This study has shown that parametrization of a new WOFOST oat module is possible with six parameters to adapt it on peat soils. With a deviation of about 11 % in grain yields and total dry biomass harvest the model shows a good multi-site performance with prediscribed water levels. In single site performance the model shows deviations between 5.2 cm and 6.8 cm of the observed groundwater levels. The application of the RCP scenarios allows a view into the future without the knowledge of uncertainties with results that show a dominating trend of decreasing in potential yields but not in actual yields.
Abgabe der Arbeit: 29. Mai 2017
Die Korngrößenverteilung ist eine Grundeigenschaft von Böden. Um die Anteile von Schluff und Ton zu bestimmen, werden Sedimentationsexperimente durchgeführt („Schlämmkornanalyse“), die in der Vergangenheit mit der Pipett- oder Aräometer-Methode ausgewertet wurden. Beide Methoden erfordern manuelle Probenahmen zu definierten Zeiten, sind also zeitaufwendig und benötigen erfahrenes Laborpersonal. Durner et al. (WRR, 2017) entwickelten kürzlich die „Integrale Suspensionsdruckmethode“ (ISP), die im Gerät PARIO der METER Group AG implementiert ist. Diese neue Methode schätzt kontinuierliche Korngrößenverteilungen aus Sedimentationsexperimenten durch Aufzeichnung der zeitlichen Entwicklung des Suspensionsdrucks in einem Sedimentationszylinder in einer bestimmten Messtiefe. Nach dem Start sind keine weiteren manuellen Eingriffe erforderlich.
Ziel der Studie war es, die Präzision und Genauigkeit der neuen Methode an einem Quarzmehl und drei natürlichen Bodenmaterialien zu testen, um die folgenden Forschungsfragen zu beantworten: (1) Sind die Ergebnisse von PARIO zuverlässig und stabil? (2) Sind die Ergebnisse von der anfänglichen Mischtechnik betroffen, mit welcher die Suspension homogenisiert wird? (3) Sind die Ergebnisse identisch mit denen, die mit der Pipett-Methode als Referenzmethode erhalten werden? Die Untersuchungen ergaben für alle Materialien Druckabfälle mit einem Varianzkoeffizient in der Größenordnung von 2 bis 3%. Die Verwendung der Daten in der PARIO-Auswertung ergeben für alle Materialien Variationen der identifizierten Schlufffraktion (d.h. des Massenanteils von Partikeln in der Größenklasse 2 µm bis 63 µm Durchmesser) von etwa 3 %. Die Richtigkeit des Verfahrens wurde durch den Vergleich mit einer unabhängig von PARIO dreifach durchgeführten Pipettanalyse geprüft. Es ergaben sich Abweichungen in der Schlufffraktion zwischen 0 und 3 %.
Abgabe der Arbeit: 10. September 2017
Das zunehmende Wachstum von Städten bringt verschiedene Probleme und Herausforderungen mit sich: Städte heizen sich auf und der Oberflächenabfluss wird erhöht. Gründächer können diese Effekte abmildern. Ein Gründach ist ein System, das auf gewöhnlichen Dächern aufliegt und unter anderem aus einer Boden- und einer Vegetationsschicht besteht. Die Eigenschaften und der genaue Aufbau dieser beiden Schichten haben einen großen Einfluss auf die positive Wirkung von Gründächern. Zum besseren Verständnis und zur modellbasierten Parameteroptimierung des Gründach-Systems wurde ein Modell zur numerischen Simulation des Wasserhaushalts entwickelt. Der Wasserfluss wurde numerisch mit der Richardsgleichung mit der Software HYDRUS-1D modelliert. Als wesentliche Prozesse wurden Evapotranspiration (ET) und Interzeption betrachtet. Die potentielle ET wurde mit der Penman-Monteith-Gleichung und die Interzeption mit einer abgewandelten Form der Interzeptionsberechnung für lichte Wälder nach Rutter berechnet. Die ET wurde nach Shuttleworth unter Berücksichtigung des Interzeptionsverlusts in Evaporation und Transpiration partitioniert. Die numerische Simulation und die Parameteridentifikation fanden mit Datensätzen von zwei Gründächern statt. Das erste Gründach befand sich in London (Kanada) und das zweite in Berlin (Deutschland). An beiden Gründächern wurden meteorologischen Daten erfasst und in das Modell eingegeben. Die inverse Simulation wurde für das Gründach in Kanada mit Wasserhöhenänderungen aus Lysimetergewichten und für das Gründach in Berlin mit Verdunstungsflüssen aus Eddy-Kovarianz-Messungen verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass beide Methoden Vor- und Nachteile haben. Die Schätzer der Parameteridentifikationen waren für das Gründach in Kanada unbestimmt. Die Schätzer des Gründachs in Berlin waren besser bestimmbar. Ein Nachteil der Eddy-Kovarianz-Messung war, dass der Zeitraum, in dem Interzeptionsverdunstung auftrat, messtechnisch bedingt schlecht erfasst wurde. Für zukünftige Parameteridentifikationen wäre es sinnvoll Daten aus beiden Messverfahren und Informationen zu Wassergehalten im System kombiniert zu nutzen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Dynamik des Kohlenstoffumsatzes der verschiedenen Bodentiefen untersucht. Besonderes Interesse galt dabei der Betrachtung der verschiedenen Fraktionen der organischen Bodensubstanz. Zusätzlich untersucht werden soll dabei der zeitliche Aspekt der Veränderung der Kohlenstoffgehalte. Die entsprechende Untersuchung wird unter Zuhilfenahme gelabelter Wurzelstreu durchgeführt. Als Basis wird das im Folgenden beschriebene und im Vorfeld dieser Arbeit erfolgte reziproke Transferexperiment genutzt. Für diese Untersuchung wurde ein Podsol-Braunerde Boden aus dem Untersuchungsraum Grinderwald verwendet. Es wurden 108 Mikrokosmen mit Bodenmaterial präpariert. Die eine Hälfte wurde mit 242,34 g Oberbodenmaterial befüllt und die andere Hälfte mit 276,96 g Unterbodenmaterial. Von den beiden Gruppen wurde die Hälfte der Proben mit 13C-angereicherten Wurzeln versetzt. Der Oberboden erhielt 1,7318 g der Wurzelmasse und der Unterboden erhielt 0,3464 g der Wurzelstreu. Somit gab es eine Kontrollgruppe und eine Wurzelgruppe. Zunächst erfolgte der Einbau der Mikrokosmen im wechselseitigen Transfer in drei verschiedene Bodentiefen (5 cm, 40 cm und 110 cm). Um für jede Probe schließlich drei Wiederholungen zu haben, wurden zwei weitere Gruben ausgehoben in denen mit dem gleichen Verfahren die Mikrokosmen eingesetzt wurden. Die erste Hälfte der Mikrokosmen wurde nach 3 Monaten nach Einbau dieser wieder entnommen und die zweite Hälfte nach 12 Monaten. Bestandteil dieser Arbeit ist die Durchführung der Dichtefraktionierung und die Aufbereitung und Darstellung der Ergebnisse. Im Labor erfolgte die Dichtefraktionierung der Proben, die Elementaranalyse zur Bestimmung der C- und N- Gehalte sowie die Isotopenanalyse zur Bestimmung der C- und N-Isotopenverhältnisse. Mittels Excel 2013 wurden die Ergebnisse bezüglich der verschiedenen Fraktionen, Bodentiefen und Entnahmezeitpunkten dargestellt. Für die Betrachtung der Wurzelkohlenstoffgehalte der Fraktionen ließen sich keine Aussagen zu Unterschieden der Abbauraten im Ober- und Unterboden treffen. In der Betrachtung des Gesamtkohlenstoffs konnte jedoch festgestellt werden, dass in allen Transfervarianten des Experiments die Abbauraten zwischen dem Oberboden und dem Unterboden nahezu identisch sind. Es zeigt sich, dass die Dynamik der Kohlenstoffgehalte und deren Umsätze innerhalb der Fraktionen den Erwartungen entsprechen. Die fPOM-Fraktion hat als freie, leichte partikuläre Fraktion relativ hohe Umsatzraten und innerhalb des gewählten Zeitraumes weist sie fast überall eine Abnahme des Kohlenstoffgehalts auf. Die oPOM-Fraktion verhält sich ebenfalls erwartungsgemäß. Der Kohlenstoffgehalt nimmt innerhalb der beiden Entnahmezeitpunkte fast überall in den Transfervarianten zu. Hier ist der Kohlenstoff schon so weit in die Fraktion okkludiert. Die MOM-S-Fraktion ist die kleinste Fraktion. An einigen Stellen ist zu erkennen, dass der Kohlenstoffgehalt innerhalb der 9 Monate ansteigt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Sandkörner aufgrund ihrer Geometrie Zwischenräume produzieren und es sein kann, dass sich in diesen kleinste Partikel vorfinden. Die MOM-T-Fraktion macht einen großen Anteil des Kohlenstoffgehalts innerhalb der Proben aus. Sie ist die stabilste Fraktion und bildet sehr stabile organo-mineralische Verbindungen aus, die nur sehr langsam wieder mineralisiert werden.
Laut Prognosen der Vereinten Nationen (UN) werden im Jahr 2050 66% der Weltbevölkerung in Städten leben (United Nations, 2015). Die Urbanisierung geht einher mit einer zunehmenden Versiegelung von Flächen mit der Folge eines veränderten Abflussverhaltens und Mikroklimas. Gründächer bieten eine wirksame Möglichkeit den urbanen Wärmeinseleffekt zu mindern und Abflussspitzen nach Niederschlagsereignissen zu dämpfen. Die Eigenschaften und der Aufbau der Boden- und Vegetationsschicht eines Gründachs haben einen großen Einfluss auf den Wasser- und Wärmetransport und sind damit ausschlaggebend für die möglichen positiven Effekte von Gründächern. In dieser Arbeit wird ein Modell zur numerischen Simulation des Wasserhaushaltes eines städtischen Gründachs vorgestellt, dass auf der Verbindung eines erweiterten Zwei-Schichten-Verdunstungs-Modells nach Shuttleworth und Wallace (1985) und der Richardsgleichung basiert. Die numerische Simulation des Wasserhaushalts erfolgte auf Stundenbasis in HYDRUS-1D. Das Modell wurde hinsichtlich dominanter Einflussfaktoren anhand von Sensitivitätsanalysen untersucht und die Anwendung auf ein urbanes Gründach mit dessen Messdaten verglichen. Als Datengrundlage dienten umfangreiche Messungen an einem Gründach auf dem Gelände des Flughafens Berlin-Brandenburg für einen 14-monatigen Beobachtungszeitraum. Die Sensitivitätsanalyse ergab, dass das S-W Modell am empfindlichsten auf eine Änderung des minimalen Stomatawiderstands reagiert. Mit Zunahme des minimalen Stomatawiderstands nimmt die Verdunstung ab und der Anteil der Transpiration an der Gesamtverdunstung sinkt. Die Simulationen zeigten eine generelle Überschätzung der Gesamtverdunstung im Vergleich mit den Messdaten der Eddy-Kovarianz Methode. Große Unterschiede sind vor allem bei starken Niederschlagsereignissen besonders im Sommerzeitraum zu verzeichnen. In niederschlagsarmen und kühlen Perioden passt das Modell relativ gut. Im Sommer zeigte sich, dass die Pflanzenverdunstung in Trockenperioden stagniert, da der Boden stark austrocknet. Dagegen nimmt die Evaporationsrate zeitlich verzögert ab, findet aber dauerhaft statt. Eine mögliche Ursache ist die Überschätzung der potentiellen Evaporation. Notwendig wären daher eine genaue Untersuchung der Teilflüsse der Verdunstung, z.B. über Isotopenmessung, und ein Vergleich von verschiedenen Modellen für die Berechnung der potentiellen Evapotranspiration.
Die Korngrößenverteilung stellt die wesentliche Kenngröße zur Beschreibung diverser physikalischer Eigenschaften von Böden dar, die gleichzeitig für die Benennung der Bodenart genutzt wird. Der feinkörnige Anteil von Böden – die Ton- und Schlufffraktion – kann durch verschiedene Verfahren bestimmt werden. Diese zeichnen sich durch eine unterschiedliche Präzision und Reproduzierbarkeit in Abhängigkeit der jeweiligen Kornfraktion aus. Zwei dieser Sedimentationsverfahren sind die Aräometermethode nach Casagrande und die Pipettmethode nach Köhn. Beide sind mit einem hohen Arbeitsaufwand verbunden und erfordern ein hohes Maß an Erfahrung bei der Versuchsdurchführung.
Ziel dieser Arbeit war es, das Aräometerverfahren durch technische Hilfsmittel zu automatisieren, um eine Alternative zu den üblichen Verfahren zu schaffen. Die Firma UMS GmbH aus München hat ein Messgerät zur Analyse der Körnung von Böden entwickelt, welches in dieser Arbeit hinsichtlich seiner Funktion getestet wird. Mit diesem Gerät wurden Material eines Bodens untersucht und anschließend ein Auswertungsverfahren auf Basis des Gesetzes nach Stokes entwickelt. Als Referenz wurden Messungen mit der Pipett- und Aräometermethode am selben Material durchgeführt. Im Vergleich der Ergebnisse der drei Verfahren stellte sich heraus, dass eine Automatisierung der Aräometermethode möglich ist. Allerdings liefert der Prototyp Ergebnisse, die in Bezug auf Präzision und Reproduzierbarkeit noch nicht auf dem Niveau der Referenzverfahren liegen. Dennoch lassen sich positive Aspekte des entwickelten Messgerätes nennen. Der Arbeitsaufwand und die Möglichkeit, Fehler bei der Versuchsdurchführung zu begehen, wurden minimiert, sodass weitere Entwicklungsarbeit in diesem Projekt als sinnvoll erachtet wird.
Abgabe der Arbeit: 4. Januar 2016
Wasserfluss transportiert gelöste und partikuläre organische Substanz sowie mikrobielle Zellen aus dem organikreichen Oberboden in den Unterboden. Diese mobile organische Substanz (MOM – mobile organic matter) ist eine wichtige Nährstoffquelle für Mikroorganismen in tieferen Bodenschichten. In dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich Phenanthren als eine zusätzliche Kohlenstoffquelle auf Transport und Freiset-zung von MOM und damit auf die mikrobielle Gemeinschaft auswirkt und wie dies wiederum die Bildung biogeochemischer Grenzflächen beeinflusst. Hierfür wurde ein Experiment mit 6 Säulen durchgeführt, die aus künstlichen Böden bestanden. Zwei Säulen wurden mit Phenanthren und zwei Säulen mit 13C-markier-tem Phenanthren versetzt. Das ganze Experiment dauerte 72,4 Tage, von denen 34,9 Tage Phasen unge-sättigter Wasserströmung waren. Am Ende des Experiments wurden die Säulen tiefen-differenziert be-probt. Die Gesamt-DNA wurde extrahiert und mittels Spektrophotometrie und quantitativer Real Time PCR die relative Häufigkeit der Bakterien bestimmt. Amplifizierte 16S rRNA Gen-Fragmente der Gesamt-bakterien und wichtiger bakterieller Untergruppen wurden durch denaturierende Gradienten-Gelelektro-phorese (DGGE) analysiert, um die bakterielle Zusammensetzung zu bestimmen. Um aeroben Phenanth-ren-Abbau in Bezug zur Bodentiefe zu detektieren, wurden PAH-RHD-alpha-Gen-Fragmente der Gemein-schafts-DNA amplifiziert und durch Southern-Blot-Hybridisierung nachgewiesen. Für den anaeroben Ab-bau wurde das bamA-Gen für die ringspaltende Hydrolase mit PCR-Southern-Blot-Hybridisierung nachge-wiesen. Die DNA-Konzentrationen sanken bei Zugabe von Phenanthren. DGGE-Fingerabdrücke zeigten ei-nen starken Einfluss von Phenanthren auf die bakterielle Gemeinschaft. Southern-Blot-Hybridisierung ergab erhöhte Mengen an PAH-RHDα-Genen bei Zugabe von Phenanthren. Die Menge an bamA-Genen sank bei Phenanthren-Zugabe.
Die Einleitung von behandeltem häuslichem Wasser in den Untergrund, welches Nährstoffe, Keime und ggf. organische Spurenstoffe enthalten kann, bedeutet eine potentielle Gefährdung des Grundwassers. Es ist deshalb wichtig, dass in der Praxis der Einleitung bekannt ist, wie sehr das eingeleitete Wasser belastet ist, und wie sich als Folge einer Einleitung dies in Form von Belastungen im Untergrund auswirken. Bei der Passage von Abwasser durch den Boden wird dabei die Wasserqualität schrittweise während des Transports durch Filterung, Sorption, und Degradation potentieller Schadstoffe und Keime immer weiter verbessert. Zur Beurteilung der Wasserqualität beim Übergang von der ungesättigten Zone ins Grundwasser müssen diese Prozesse abgeschätzt werden.
In dieser Arbeit wird über ein Laborexperiment abgeschätzt, wie die Versickerung von vorbehandeltem Abwasser sich auf die Wasserqualität auswirkt. Wasser wird hierbei aus einem Vorratsgefäß über Kapillarwirkung (Dochteffekt) über einen Muldenrand in einen umgebenden Bodenkörper gezogen und versickert dort nach unten. Im Gegensatz zum gesättigten Wasserfluss, wie er nach Einleitung des Wassers in traditionelle Rigolen auftritt, erfolgt die Versickerung gleichmäßiger und langsamer.
In der Arbeit wird untersucht, wie der kapillare Transport durch die ungesättigte, belüftete und mikrobiologisch aktive Bodenzone eine effektive Nachreinigung des Wassers bewirkt.
Das Bevölkerungswachstum in China hat in den letzten 50 Jahren zu einer drastischen Intensivierung der Landwirtschaft und einer Vervielfachung der Tierbestände geführt. Exzessiver Einsatz mineralischen Stickstoffdüngers und die intensive Viehhaltung haben hohe Stickstoffverluste in die Umwelt zur Folge. Verlustpfade des Stickstoffs (N) sind zum einen gasförmige Emissionen durch Denitrifikation (N2O, N2) und Ammoniak (NH3)-Volatilisation, zum anderen Nitrat (NO3-)-Leaching und Oberflächenabfluss von Böden. Ammoniak-Volatilisation ist einer der wichtigsten N-Verlustpfade in der Nordchinesischen Tiefebene (NCP). Sie trägt zur Bodenversauerung und Eutrophierung bei und ist an der Bildung gesundheitsrelevanter sekundärer Partikel in der Atmosphäre beteiligt. Um landwirtschaftliche Methoden zu finden, die NH3-Emissionen verringern, wurden Messungen der Ammoniak-Volatilisation in der NCP in Zhengding, 110 km südwestlich von Baoding durchgeführt. Die Ammoniak-Emissionen wurden mit der Dräger-Tube Methode (DTM) auf Winterweizen- und Gemüsefeldern von April bis Juni 2016 gemessen. Die Winterweizenfelder wurden mit Harnstoff gedüngt. Auf einem Teil der so gedüngten Felder folgte eine Bewässerung. Zur Düngung der Gemüsefelder wurde entweder Harnstoff, Gärrest oder Rindermist verwendet. Zusätzlich zur Ammoniakmessung wurden Bodenproben in drei Tiefen vor und nach der Düngung entnommen. Die untersuchten Bodenproben zeigten hohe mineralische N (Nmin)-Gehalte. Eine Abnahme des Calciumcarbonat (CaCO3)-Gehaltes und des pH Wertes im Oberboden war feststellbar und zeigt das zukünftige Risiko einer Versauerung an. Die höchsten Ammoniak (NH3)-Verluste von 15 % waren auf mit Harnstoff gedüngten Weizenfeldern feststellbar. Wenn Bewässerung auf die Düngung des Weizens mit Harnstoff folgte, konnte die NH3-Volatilization auf 0.1 % der applizierten N-Menge reduziert werden. Der kumulative NH3-Verlust von auf Gemüsefeldern appliziertem Gärrest betrug 3.4 %. Dieser Verlust war deutlich geringer als der bei Harnstoff- oder Rindermist-Düngung, weshalb die Verwendung von Gärrest als Dünger in der NCP zu empfehlen ist. Ein verbessertes N-Management basierend auf dem Nmin-Gehalt des Bodens wird empfohlen und würde die Stickstoffnutzungs-Effizienz (NUE) verbessern und Umweltbelastungen verringern. Mit dem Modell HERMES wurde die gemessene Ammoniak-Volatilisation zufriedenstellend simuliert (Mittlerer absoluter Fehler (MAE): 4 kg N ha-1). Es wird empfohlen dieses Modell mit anderen Datensätzen aus der NCP oder von Standorten mit vergleichbaren Bedingungen weiter zu validieren.
In der Masterarbeit werden Säulenversuche zur Validierung des sogenannten „smart-Kd-Konzeptes“ für die Langzeitsicherheitsanalyse in Hinblick auf die Migration von Radionukliden bei der Endlagerung radioaktiv belasteter Stoffe durchgeführt. Ziel ist es, Transportprozesse in variierenden geochemischen Milieus abzubilden, um diese anschließend durch Modelle zum reaktiven Stofftransport beschreiben zu können. Das Konzept wird im Rahmen eines FuE-Verbundvorhabens „WEIMAR“ (Weiterentwicklung des Smart-kd Konzeptes für Langzeitsicherheitsanalysen) entwickelt, die Versuche der Masterarbeit erfolgen an der GRS in Braunschweig.
Frau Glassneck wird über Säulenexperimente an Sedimenten die Migration von Europium untersuchen. Europium wird als chemisches Analogon zu den langzeitsicherheitsrelevanten trivalenten Actioniden angesehen. Es werden unterschiedliche geochemische Randbedingungen (variierende pH, Ligandenkonzentration, Hintergrundlösung) definiert, die Aufschluss über die Retardation von Eu3+ in Mineralgemischen geben sollen. Die Beobachtungen werden durch Stofftransportmodellierung mit den Tools STANDMOD und HYDRUS modelliert. Abgerundet wird die Arbeit durch eine Literaturstudie zum Thema.
Projektpartner dieser Arbeit ist die Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH, wo am Standort Braunschweig die experimentelen Unterschungen stattfinden.
Abgabe der Arbeit: 14. Dezember 2015.
Die Quantifizierung der realen Evaporation in ariden Gebieten ist von großer Bedeutung, da die Evaporation die Grundwasserneubildung und den Energieumsatz an der Erdoberfläche beeinflusst. Zur Vorhersage der realen Evaporation können numerische Simulationsmodelle angesetzt werden, die in den meisten Fällen auf der Richards-Gleichung basieren. In dieser Arbeit wurde der Wasserhaushalt von großen, wägbaren Lysimetern in der Mojave Wüste, Nevada, USA, numerisch simuliert. Ziel war die Prüfung der Vorhersagbarkeit der realen Evaporation unter Nutzung effektiver hydraulischer Eigenschaften, die durch inverse Modellierung der Lysimeterdaten bestimmt wurden. Das untersuchte Lysimeter war unbewachsen und mit einem homogenisierten Wüstenboden befüllt. Die bodenhydraulischen Eigenschaften wurden mit dem Modell nach Peters, Durner und Iden parametrisiert, welches den Film- und Eckenfluss berücksichtigt und einen physikalisch korrekten Wassergehalt von Null beim pF-Wert 6.8 beschreibt. Die Ergebnisse zeigen, dass die lokalen Wassergehalte im Lysimeter gut angepasst werden konnten, wenn die gemessenen Flüsse über den oberen Rand als Randbedingung für die numerische Simulation verwendet wurden. Die korrekte Vorhersage der realen Evaporation mit einem Modell des gekoppelten Wasser-, Wärme- und Dampflusses war nur durch die Anpassung der Filmflusskomponente durch inverse Modellierung möglich.
Projektpartner dieser Arbeit ist Professor Markus Berli, DRI (Desert Research Institute), Las Vegas.
Als Einflussfaktoren auf den Umsatz und die Mineralisation von organischem Kohlenstoff im Boden wurden verschiedene Einflussfaktoren bestimmt. Die Qualität der organischen Substanz und klimatische und standortgeprägte Einflussfaktoren können dabei bis zu 70% des Abbaus von organischem Kohlenstoff auf globaler Skala erklären. Die verbleibenden 30% werden generell der Zusammensetzung der Mikroorganismengemeinschaft im Boden zugeschrieben. Allerdings gibt es kaum Studien über den Einfluss der Unterschiede der verschiedenen Gemeinschaften. In meiner Arbeit strebe ich an, den Einfluss der Unterschiede zwischen den mikrobiellen Gemeinschaften zu quantifizieren. Dazu vergleiche ich die Effektivität unterschiedlicher Gemeinschaften in verschiedenen Böden. Die zentralen Fragestellungen sind: 1. Sind manche mikrobielle Gemeinschaften fähiger im Abbau und der Mineralisation von organischer Bodensubstanz? 2. Haben mikrobielle Gemeinschaften einen „Heimvorteil“ („home field advantage“), d.h. arbeiten sie am effektivsten in den Böden aus welchen sie stammen? 3. Hat die Diversität der mikrobiellen Gemeinschaft einen Einfluss auf die mikrobielle Umsatzleistung? 4. Welcher Faktor prägt die mikrobielle Umsatzleistung stärker, der Standort oder die Landnutzung? Für diese Arbeit sollen Bodenproben von drei Standorten in Europa untersucht werden. Jeder Standort besteht aus zwei benachbarten Flächen mit demselben Bodentyp, jedoch unterschiedlichen Landnutzungen. Die drei Standorte enthalten die Landnutzungspaare Wald-Grasland, Grasland-Acker und Acker-Wald. Sowohl Ober- als auch Unterboden sollen untersucht werden. Die Proben wurden bereits einer Charakterisierung mittels DNA-Sequenzierung unterzogen, wodurch die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft bestimmt werden konnte. Um die unterschiedlichen Mineralisierungsraten zu bestimmen sollen unterschiedliche Kombinationen der Proben inkubiert und anschließend mit der Methode der multiplen Substrat induzierten Respiration (SIR) untersucht werden. Dabei werden Nährsubstrate wie Glucose den Proben zugegeben. Anhand der anschließenden CO2-Produktion lässt sich in der Anlage von Heinemeyer et al. (1989) mit der Methode von Anderson & Domsch (1978) die mikrobielle Biomasse ermitteln, woraus Schlüsse auf die Aktivität und Biomasse der Mikroorganismen gezogen werden können.
Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) sind die bedeutendsten Komponenten in der terrestrischen Biosphäre und ihre Stoffkreisläufe sind von enormer Wichtigkeit für die Funktionalität und Produktivität von Ökosystemen. Zur N-Mineralisation wurden in der Vergangenheit eine Reihe von wissenschaftlichen Arbeiten sowohl im Labor als auch in situ im Freiland durchgeführt. Allerdings sind Untersuchungen, welche den Temperatureffekt und die Landnutzung verknüpfen, eher selten. Eine der wesentlichen Fragestellung hinsichtlich der Modellierung von Stickstoffkreisläufen im Boden ist der Zusammenhang mit dem Klimawandel. Die meisten Studien zur N-Dynamik sind auf einzelne Ökosysteme oder Landnutzungssysteme, wie z.B. Ackerland oder Wald, beschränkt. Um die einzelnen Effekte von Landnutzung und Klimawandel zu untersuchen, ist es zwingend notwendig, die N-Mineralisationsdynamik in verschiedenen Landnutzungssystemen zu studieren. Die N-Dynamik im Boden ist eng mit dem C-Kreislauf verbunden.
Die Ziele dieser Studie sind es, i) den Einfluss von unterschiedlichen Landnutzungsformen auf die C- und N-Sequestrierung zu bewerten, ii) Beziehungen zwischen Landnutzung, Bodenkenngrößen und C- und N-Transformationen (C-Fraktionierung, N-Mineralisation und Nitrifikation) herzustellen und iii) den Temperatureffekt der Stickstoffmineralisation und Nitrifikation in verschiedenen Landnutzungssystemen zu beurteilen.
Tiefpflügen wurde in Deutschland zur Melioration von Podsolen und Luvisolen durchgeführt und wurde bis zu 1960 Jahren als Maßnahme für das Durchbrechen der Ortsteinschicht, zum Verbessern von Bodenstruktur, zur Erhöhung der Infiltration und damit Verbesserung der Ertragsfähigkeit, befördert. Die tief gepflügten Böden werden in der deutschen Klassifikation als anthropogene Böden klassifiziert und als „Treposole (Tiefumbruchböden)“ bezeichnet. Die Hauptmerkmale dieser Böden sind ein balkenförmiges Nebeneinander von eingemischten Ap- und B-Horizonten im Unterboden. Bisher gibt es keine Studie, welche die Stickstoff-Mineralisation und –Nitrifikation von tiefgepflügten und nicht tiefgepflügten Ap-Horizont des Treposols im Vergleich zu Referenzboden beschreibt.
Die laufende Studie wird im Rahmen des DFG-Forschungsprojekts (Deutsche Forschungsgemeinschaft) „Humusvergrabung zur Speicherung von Kohlenstoff in Böden – Potenziale, Prozesse und Langzeiteffekte“ durchgeführt. Die Grundziele dieser Studie sind den Einfluss von Humusvergrabung auf i) die grundsätzliche Bodencharakteristik ii) das Stickstoff-Mineralisationspotential und iii) das Nitrifikationsverhalten zu untersuchen.
Anfertigung der Arbeit: April bis Oktober 2015.
Das Pflanzenwachstum wird vor allem durch die solare Einstrahlung, der Temperatur und der Niederschlagshöhe beeinflusst. Die Landwirtschaft ist somit unmittelbar vom Klimawandel betroffen. Heutige Klimamodelle weisen neben einen Anstieg der mittleren Temperatur und des atmosphärischen CO2-Gehalts auf eine Abnahme der Niederschläge während der Vegetationsperiode hin. Zudem werden Extremwetterereignisse häufiger auftreten. Folglich kann der durch vermehrte Hitzewellen ausgetrocknete Boden die seltener, aber stärker werdenden Niederschlagsereignisse schlecht oder nicht mehr aufnehmen. Dieses wirkt sich unmittelbar auf die Wasserversorgung der landwirtschaftlichen Kulturen aus. Neben Wasser (H2O) und Lichtenergie ist Kohlenstoffdioxid (CO2) ein wichtiger Grundstoff für die Pflanze. Schließlich werden alle organischen Kohlenstoffverbindungen aus dem während der Photosynthese aufgenommenen CO2 aufgebaut. Bis zur Mitte dieses Jahrhunderts wird ein Anstieg des derzeitigen atmosphärischen CO2-Gehalts von etwa 385 ppm auf 550 ppm prognostiziert. Grundlegend besteht daher die Annahme, dass die Photosyntheserate und somit das Pflanzen- bzw. Wurzelwachstum gefördert werden. Man spricht von einem indirekten „CO2-Düngeeffekt“.
Seit einigen Jahren untersuchen Wissenschaftler am Braunschweiger Johann Heinrich von Thünen-Institut (vTI) und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) welche Folgen und Anpassungsstrategien sich durch die Klimaveränderungen für die Pflanzenproduktion ergeben. Dazu wurden im Jahr 1999 die FACE-(Free Air Carbon Dioxid Enrichment) Experimente im Freiland begonnen. Dabei handelt es sich um ein spezielles kammerloses Feldbegasungssystem in dem Gaskonzentrationen gesteuert werden können ohne in das reale Agrarökosystem störend eingreifen zu müssen. Die Diplomarbeit ist Bestandteil des Forschungsprojektes "Experimentelle und modellbasierte Untersuchungen der Wirkungen von Sommertrockenheit und erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentration auf das Wurzelwachstum von Hirse und Mais", welches in enger Zusammenarbeit mit der Kieler Universität stattfindet und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG) finanziert wird.
Ziel dieser Arbeit ist es, die aus dem ansteigenden atmosphärischen CO2-Gehalt und verringerten Wasserangebot resultierenden Folgen für das Wurzelwachstum von C4-Energiepflanzen zu beobachten und zu beschreiben. Auf dem Braunschweiger Versuchsfeld wurden sechs Versuchsringe von 20 m Durchmesser (3x FACE/550ppm, 3x Kontrolle) mit jeweils einer Maissorte und zwei Sorghum Genotypen angelegt. Der Trockenstress wurde mit Hilfe von Regenausschluss-vorrichtungen (Zeltplanen) simuliert. Um das Wurzelwachstum beobachten zu können, wurde die Minirhizotronmethode angewandt. Dazu wurden zwischen den Pflanzenreihen Plexiglasröhren schräg bis in 140 cm Tiefe fest installiert. Mit einem Wurzelscanner, der in 20 cm Abschnitten in die Röhren gefahren wurde, erfolgten wöchentliche Bildaufnahmen. Für die destruktive Wurzelbeprobung wurden an einem Zwischenerntetermin und zur Endernte Rammkernsondierungen bis in 110 cm Tiefe durchgeführt. Die so gewonnenen Bodensäulen samt Wurzelwerk wurden auch in 20 cm Abschnitte aufgeteilt. Anschließend wurden die Wurzeln mühsam herausgewaschen und einzeln sehr zeitaufwendig verlesen. Diese wurden dann mit Hilfe eines Scanners und dem WinRhizoPro-Programm in Kiel digitalisiert und ausgewertet. Anschließend wurden die Wurzeln noch bei ca. 105°C getrocknet und gewogen, um die Wurzeltrockenmasse bestimmen zu können. Zur Auswertung stehen zudem verschiedene Messungen des Pflanzenbestandes und Bodenfeuchtemessungen des vTI sowie die meteorologischen Daten des dort ansässigen Deutschen Wetterdienstes (DWD) zur Verfügung.
Für die Endlagerung von radioaktiven Abfällen werden Langzeitsicherheitsanalysen durchgeführt. Von besonderem Interesse ist der Transport von Radionukliden durch die Grundwasserleiter im Deckgebirge eines Endlagers unter zeitlich und räumlich verschiedenen geochemischen Bedingungen. Der Transport wird dabei wesentlich durch die Sorption der Radionuklide an Mineraloberflächen beeinflusst. Zur Modellierung der Sorption unter variierenden geochemischen Bedingungen wurde im vorangehenden Forschungsprojekt ESTRAL (Noseck et al., 2012) das Smart-Kd-Konzept eingeführt. In dieser Masterarbeit werden im Rahmen des Nachfolgeprojekts WEIMAR u.a. Datenlücken für die Sorption von dreiwertigem Europium an Quarz gefüllt. Dabei fungiert Eu3+ als ein Homolog für dreiwertige Actinide, wie z.B. Am3+ und Cm3+.
Für die durchgeführten Experimente wurden die zwei Quarzsande G20 EAS extra und G20 EA der Schlingmeier Quarzsand GmbH und CO. KG verwendet. Die vom Lieferanten angegebene Reinheit der beiden Quarzsande kann bestätigt werden. Jedoch weist der Quarzsand G20 EA auf den Oberflächen höhere Al und Fe Gehalte gegenüber Quarzsand G20 EAS extra auf.
In Batchversuchen mit Europium und Quarz werden erwartete Sorptionseigenschaften beobachtet. Es wurde allerdings Sorption an den verwendeten LDPE- und PFA-Gefäßen festgestellt und weiterführend diskutiert. Durch Kopplung der Programme PHREEQC (Version 3.1.2-8538) und UCODE_2005 (Version 1.031) kann die Komplexbildungskonstante log K = -0.15 für den monodentaten Oberflächenkomplex von Eu3+ an Quarz invers modelliert werden. Die verwendete Mineraloberfläche SSA von Quarz wurde experimentell bestimmt. Die Protolysekonstanten log KS1, log KS2 und die Dichte der Sorptionsplätze SSD wurden aus Sverjensky und Sahai (1996) entnommen. Die Anwendung des finalen Datensatzes der Oberflächenkomplexparameter ermöglicht eine sehr gute Simulation von vergleichbaren Literaturdatensätzen zur Sorption von dreiwertigen Lanthaniden und Actiniden an Quarz. Letztlich können die ermittelten Oberflächenkomplexparameter als Basis für weitere Optimierungen der Modellierung zur Sorption von Eu3+ an Quarz genutzt werden.
In dieser Masterarbeit wurde der Einfluss des Wassergehalts auf die Dispersion untersucht. Die Dispersion beschreibt die Auswirkung von Geschwindigkeitsunterschieden innerhalb der strömenden Bodenlösung auf die raum-zeitliche Entwicklung der Lösungskonzentration. Für die Untersuchung wurden Tracerdurchbrüche an Bodensäulen unter stationären Unit-Gradient-Bedingungen bei verschiedenen Matrixpotentialen (-10 cm, -20 cm, -30 cm, -40 cm und -44 cm) durchgeführt. Bei dem Bodenmaterial handelte es sich um einen gut sortierten Sand mit einer mittleren Korngröße von 0,11 mm. Als Tracer wurde Nitrat verwendet. Mit dem Programm STANMOD wurde eine analytische Lösung der Konvektion-Dispersions-Gleichung (CDE) an die Messdaten der Durchbruchskurven angepasst und die Parameter v (mittlere Porengeschwindigkeit) und D (effektiver Dispersionskoeffizient) invers bestimmt. In allen Fällen führte die CDE zu einer guten Anpassung der Messdaten, so dass die die Anwesenheit von immobilem Wasser und ein Massentransfer ausgeschlossen werden kann. Aus den geschätzten Parametern konnten der Wassergehalt und die Dispersionslänge berechnet und eine empirische Beziehung zwischen ihnen etabliert werden. Die Dispersionslänge nahm mit abnehmendem Wassergehalt zu. Der genaue funktionale Zusammenhang zwischen Dispersionslänge und Wassergehalt konnte aufgrund der geringen Datenmenge nicht ermittelt werden. Die Ergebnisse gliedern sich jedoch hervorragend in Datensätze aus der Literatur ein.
Wägbare Großlysimeter werden seit langem für die Überwachung der Grundwasserneubildung und für Stofftransportstudien, sowie für die Bestimmung des Bodenwasserhaushalts und die Quantifizierung von Wasseraustauschprozesses an der Boden-Pflanze-Atmosphäre-Schnittstelle verwendet. Sofern sie in eine identisch bewachsene Umgebung eingebettet sind, erlauben sie die Schätzung von Niederschlägen (P) durch Regen, Tau, Nebel, Reif und Schnee, sowie der aktuelle Evapotranspiration (ET) mit einer bisher unerreichten Genauigkeit. Sie vermeiden dabei weitgehend Fehler traditioneller mikrometeorologischer Instrumente, wie etwa des Windfehlers von Hellman Regensammlern.
Seit 2008 hat die Helmholtz-Gemeinschaft ein Netz von terrestrischen Umweltobservatorien (TERENO) etabliert, die auf eine langfristige Überwachung der Konsequenzen von Klima-und Landnutzungsänderungen abzielt. Hierzu wurden insgesamt 126 identisch ausgebildete wägbare Großlysimeter mit einer Abtastfrequenz von 1/min installiert, was den Bedarf an standardisierten Datenverarbeitungsverfahren erhöht. Im Grundsatz erfolgt die Schätzung von P und ET aus den Messungen sehr einfach: Eine Erhöhung der Gesamtmasse des Bodenmonolithen und des gesammelten Sickerwassers zeigt P an, während eine Abnahme ET anzeigt. In der Praxis sind Lysimeterdaten jedoch anfällig für zahlreiche Fehlerquellen. Dies umfasst Ausreißer, systematische Fehler aufgrund von Pflanzenwachstum, Datenlücken und stochastischen Schwankungen. Letztere stellen ein besonders schwieriges Problem dar, wenn wir P und ET direkt aus einer Zeitreihe berechnen, die durch Rauschen beeinträchtigt wird, denn jede positive Schwankung würde als P interpretiert und jede negative als ET. Folglich würden wir beide Mengen bei weitem überschätzen.
Das Ziel dieser Studie war es, Algorithmen zu entwickeln und zu testen, welche die Auswirkung solcher Schwankungen beseitigen und somit erlauben, den tatsächlichen Wasserfluss an der Grenzfläche Boden-Atmosphäre aus Lysimeter-Daten zu schätzen. Um zu testen, wie sich verschiedenen Strategien der Datenverarbeitung sich auf die Ergebnisse auswirken, haben wir durch numerische Simulation synthetische Daten generiert, welche verschiedene Rauschmuster mit zunehmender Komplexität besitzen. Diese wurden nachfolgend ausgewertet.
Wir fanden, dass die traditionellen Tiefpassfilterungs-Ansätze nicht ausreichen, um fehleerfreie Wasserbilanzen zu ermitteln. Der Einsatz einer zusätzlichen Schwellwertüberschreitung nach einer ersten Glättung ergab deutlich bessere und robustere Schätzungen, und ist gleichzeitig sehr einfach und effizient zu implementieren. Ein dritter, anspruchsvollerer Ansatz von Peters et al. (A. Peters, T. Nehls, H. Schonsky, and G. Wessolek: Separating precipitation and evapotranspiration from noise – a new filter routine for high resolution lysimeter data, Hydrology and Earth System Sciencs, 2013), bei dem Schwellenwerte und Glättungsverfahren datenbasiert halbautomatisch ermittelt werden, wurde ebenfalls getestet und zeigte sich als grundsätzlich gut geeignet. Die Findung eines vollautomatischen Verfahrens muss Gegenstand weiterer Forschung sein.
Momentan leben rund 7 Milliarden Menschen auf der Erde – mehr als die Hälfte lebt in Asien. Das zukünftige Wachstum der Weltbevölkerung bringt einen enormen Anstieg des globalen Nahrungsmittelbedarfs mit sich. Um die Bevölkerung, vor allem in Verdichtungsräumen, ausreichend mit Nahrungsmitteln zu versorgen, wird die Produktivität pro genutzter landwirtschaftlicher Fläche heute häufig durch den Einsatz von organischen und mineralischen Düngern erhöht. Der übermäßige bzw. unangepasste Einsatz von Düngern kann jedoch zu Nährstoffüberschüssen in Böden führen. Diese wiederum führen zu ungewollten, negativen ökologischen und ökonomischen Effekten, deren Folgen schwer abzuschätzen sind.
Für Pflanzen essentieller Stickstoff gelangt auf verschiedenen natürlichen und unnatürlichen Wegen in (landwirtschaftliche) Böden und liegt dort in organischer und anorganischer Form vor. Pflanzenverfügbarer, anorganischer Stickstoff gelangt durch biologische Fixierung des partikulären Stickstoffs (N2) mit anschließender mikrobieller Umwandlung, der natürlichen Mineralisierung von Pflanzenresiduen oder als biologischer/mineralischer Dünger in den Boden. Stickstoffüberschüsse in landwirtschaftlichen Böden entstehen dann, wenn anorganischer Stickstoff im Boden nicht vollständig von (Kultur-) Pflanzen aufgenommen wird. Folgen daraus sind Auswaschungen und Ausgasungen reaktiven Stickstoffs in die Umwelt.
Ziel dieser Arbeit ist es, Stickstoffüberschüsse in der Landwirtschaft darzustellen. Dazu werden verschiedene Industrie-, Schwellen- und Entwicklungsländer und ihre landwirtschaftlichen Bewirtschaftungssysteme hinsichtlich ihres Boden-Stickstoffhaushalts, vor allem in Bezug auf die Düngung, betrachtet und verglichen. Interessant ist die Frage, inwieweit Faktoren, wie Wohlstand, Bevölkerungsdichte und Nahrungsmittelbedarf auf Stickstoffüberschüsse in Böden einzelner Länder dieser Regionen Einfluss nehmen.
Climate change over the 21st century will very likely negatively affect crop yields of many important agricultural areas globally, mainly through adverse effects of higher temperatures. Rising atmospheric carbon dioxide levels, one of the main causes of global warming, might attenuate these detrimental effects through direct stimulation of the plants’ photosynthesis and reduced evapotranspiration. The magnitude of this well-known carbon dioxide fertilization was disputed recently, calling for alternative approaches supporting experimental results.
A former study on this subject used linear regressions of historical year-to-year yield changes of the most important producer nations and annual CO2 growth rates to quantify the carbon dioxide fertilization effect over the last decades, giving promising results. This study used this basic method, aiming to improve the approach at its weak points by using a broader database with numerous regional and local datasets added to the pool of the limited number of national time series and excluding years with suspected other influences overlying the CO2 influences. The latter was performed by excluding years with unusual climatic properties or years with the highest yield changes to the former year. Aggregation of single estimates was based on weightings according to the inverse of the variance or shares in world production. Two separate calculations were performed for data from 1960 and 1980 to present.
Crop choice was based on global significance and data availability, resulting in calculations for wheat, barley, soybeans and maize. Compared to basic results without regional and local data or yield-based exclusions, these two procedures were successful in reducing uncertainties of later estimates and approximations of the latter to experimentally derived values. Still, except for wheat in the 1960 approach literature values could not exactly be reproduced with 1980 values for wheat and barley overestimating the actual effect and maize and soybean estimates being negative.
Climate-based exclusions, only performed for wheat, were not successful in that later estimates were far from literature and uncertainties were not considerably reduced. Also, addition of local data was not efficient due to an exceeding yield variability found in these data. Shortcomings in the results of the yield-based approach were traced back to data choice, which might be crucial in future attempts to quantify the carbon dioxide fertilization effect with this approach for other crops, not covered by extensive experimentation.
Viele Bodenbakterien, die in der porösen Bodenmatrix leben, produzieren extrazelluläre Polymersubstanzen (EPS), in die sie eingebettet sind. Oftmals bedecken die EPS als Biofilm die Bakterien und die Bodenpartikel. Deswegen müssen diese bei einer Betrachtung des Wasserflusses im Boden ebenfalls beachtet werden. Allerdings wurde bisher hauptsächlich der Einfluss der mikrobiellen Biomasse und der EPS auf den Wasserfluss im gesättigten Bereich und nicht im ungesättigten Bereich betrachet.
In dieser Studie werden nun die Effekte von Biofilmen auf die ungesättigten bodenhydraulischen Eigenschaften untersucht. Dafür werden mittels Verdunstungsexperimenten die Retentionskurven und die ungesättigte hyrdraulische Leitfähigkeitskurven für zwei Biofilm beeinflusste Sande bestimmt. Dabei wird Xanthan als Surrogat für die Biofilme verwendet und in 6 Stufen von 0 bis 0.25% den Sanden beigemischt. Diese experimentellen Daten werden mit der vereinfachten Verdunstungsmethode nach Schindler ausgewertet. Zusätzlich zu den Verdunstungsexperimenten werden noch Versuche nach der Taupunktmethode durchgeführt, damit auch Daten von der Verdunstungsmethode bis zur Lufttrockenheit gewonnen werden können.
Die Ergebnisse zeigen, dass die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit durch das zugefügte Xanthan deutlich herabgesetzt wird. Diese Reduzierung reicht aus, um die Verdunstung der Stufe eins für die Proben mit Xanthanzugabe zu unterdrücken. Außerdem wird die Form der Retentionskurve durch die Xanthanzugabe geändert. Erklärt werden können diese Ergebnisse durch dasWasserhaltevermögen des Xanthan und die Veränderung der effektiven Porengrößenverteilung durch das Xanthan.
Soils and sediments in the Gatumba Mining District (GMD) are potential hosts of toxic elements that may be available to plants and contaminate drinking water. Locations with toxic element accumulations could be represented by Technosols on mine spoils, alluvial soils (Fluvisols), and interflow-affected soils (Gleysols) that are located below mining areas or mine spoils. The topic of the master thesis, as part of the research of the ’Toxic element’ subgroup, is to determine the toxic element status of soils and the uptake of toxic elements by plants in the Gisuma catchment, a sub-area of the Gatumba mining district. Major soil properties (texture, pH, CEC, total N, organic C, total K and P) and contents of some nutrients in plants will be analyzed as well. These data will also be helpful for the plant diversity and land reclamation/recultivation subgroups. During the dry season in August 2010, 49 plant and 65 soil samples (from Technosols on mine spoils, mining-affected Fluvisols, slope water-influenced Gleysols, and reference soils) were collected from horizons of 16 soil profiles. Plant samples were collected next to the sampled soil profiles. To investigate and compare the mobility and concentration of toxic elements during the rainy season, further soil and plant samples will be collected in March 2011. For analyses of toxic elements (As, Bi, Cd, Cr, Cs, Cu, Li, Ni, Pb, Rb, Sb, Sn, Zn, U) and contents of Boron, total K and P, an ICP-MS and an ICP-OES of the laboratory of the TU Braunschweig are being used. Major soil properties (texture, pH, CEC, total N, organic C, total K and P) are being analyzed according to the manual of chemical soil analysis of the Institute of Geoecology, TU Braunschweig. Identification of sources and sinks of toxic elements in soils and their uptake by plants Assessment of possible consequences for food chains by categorizing toxicity levels Recommendations for the local population is the main objective and outcome of this work.
Die Bestimmung bodenhydraulischer Eigenschaften wird üblicherweise an kleinen Proben im Labor durchgeführt. Die damit gewonnenen Ergebnisse sind allerdings nur bedingt auf größere Skalen übertragbar. Für die Ermittlung von Bodenhaushaltsgrößen im freien Feld eignet sich die Verwendung von Lysimetern, da sie den natürlichen Wechselwirkungen zwischen Boden, Atmosphäre und Pflanzen ausgesetzt sind und auf einer für die Bodenzone relevanten Längenskala operieren. Das Ziel dieser Arbeit war die Erfassung von Wasserhaushaltsprozessen und die Ableitung effektiver bodenhydraulischer Eigenschaften durch inverse Modellierung der Wasserdynamik unter atmosphärischen Randbedingungen. Dazu wurden Daten von bewachsenen wägbaren Gro lysimeter der Forschungsstation Zürich-Reckenholz verwendet. Die inverse Simulation erfolgte mit dem Programm HYDRUS-1D, basierend auf der Richards-Gleichung. Für die Parametrisierung der bodenhydraulischen Eigenschaften wurden das van Genuchten-Mualem-Modell und frei geformte Funktionen verwendet. Die obere Randbedingung wurde aus den Daten der Wasserbilanz des Lysimeters in sechs-stündiger Auflösung abgeleitet. Zu hohe oder zu niedrige zeitliche Auflösungen führten zu über-, bzw. Unterschätzungen des Niederschlags und der tatsächlichen Evapotranspiration.
Die inverse Simulation lieferte über einen Zeitraum von zwei Wachstumsperioden gute Anpassungen an die Daten des kumulativen Sickerwassers, sowie des profilgemittelten Wassergehalts im Lysimeter. Die Einbeziehung von Tensionsdaten in die Zielfunktion lieferte eine weniger zufriedenstellende Beschreibung der Messdaten; insbesondere die Tensionsdaten im Lysimeter konnten durch effektive hydraulische Eigenschaften nicht korrekt beschrieben werden. Bei Betrachtung der jeweiligen Wachstumsperiode nur einer Feldfrucht zeigten sich Unterschiede hinsichtlich der geschätzten effektiven bodenhydraulischen Eigenschaften verglichen mit der Simulation beider Wachstumsperioden zusammen.
The supply of nutrients to plants is a limiting factor in soils of the tropics. Leaching effects due to high precipitation, low pH values, limited cation exchange capacities and low soil organic matter contents are common features of these soils. In the present study, soils of the Gatumba Mining District (GMD, Rwanda) are being investigated in the laboratory (Institute of Geoecology, Braunschweig) on the dynamics of nitrogen (N) and phosphorus (P). The experimental soils include “natural” soils and soils from mining materials (Technosols).
With respect to nitrogen, the main focus is on the processes of N mineralization and nitrification. Investigations on phosphorus include different methods/tests on P availability in soils. Part of the soils (soils as part of exact experiments) were treated with mineral and organic fertilizers, for example triplesuperphosphate and rock phosphate from Burundi as well as local manures and composts.
The aim of the study is to evaluate the N mineralization and nitrification potentials and the P mobilization behaviour which will be important for P and N fertilization strategies.
Der Boden ist der größte terrestrische Kohlenstoffspeicher. Böden spielen eine wichtige Rolle im Klimawandel, da sie als Quelle oder Senke für Kohlenstoff fungieren können, je nachdem ob die Austräge (i.d.R. gasförmig, mit dem Sickerwasser, durch Erosion oder durch menschliche Abfuhr) größer oder kleiner sind als die Einträge (durch die Biomasse bzw. den Menschen oder auch Sedimentation). An jedem Standort stellt sich in Abhängigkeit von natürlichen Parametern wie Bodenart, Klima, topographischer Lage, Hydrologie und Bewirtschaftung ein Gleichgewicht ein. Findet eine Landnutzungsänderung statt, so verändern sich Kohlenstoffein- und -austräge und der Boden verliert oder akkumuliert Kohlenstoff, bis sich ein neues Gleichgewicht einstellt.
Aus weltweit durchgeführten Studien geht die Tendenz hervor, dass die Umwandlung von Grünland zu Acker zu Kohlenstoffverlusten und umgekehrt die Umwandlung von Acker in Grünland zur Kohlenstoffakkumulation im Boden führt. Viele Studien beschränken sich jedoch auf die Untersuchung des Oberbodens, liefern widersprüchliche Zahlen oder wurden als "paired-site" Versuche angesetzt, welche durch die Heterogenität des Bodens mit Unsicherheiten behaftet sind.
Aus diesem Grunde wurde am Standort Trenthorst ein Versuch angelegt, im Zuge dessen die Veränderung der Kohlenstoffdynamik in den ersten Jahren nach Grünlandumbruch beobachtet wird.
Folgende Varianten mit jeweils 4 Replikaten wurden etabliert:
Charakterisiert werden Pools mit kurzen Umsatzzeiten (labile Pools der OBS), deren Bestimmung bereits mit dem Management- bzw. Vegetationswechsel begonnen werden kann (CO2-Emissionen, mikrobielle Biomasse). Die Bestimmung der C-Dynamik und der C-Umsatzzeiten erfolgt mittels Analyse der C-Flüsse und C-Translokation sowie der Bestimmung der 13C-Isotopensignatur auf den Varianten mit C3-C4-Vegetationswechsel (Mais nach Grünlandumbruch).
Es erfolgt eine Grundcharakterisierung des Standortes zum Zeitpunkt t0 (vor dem Umbruch), sowie die Erfassung der mikrobiellen Biomasse und der CO2-Emission nach Umbruch. Für die Grundcharakterisierung wird der Boden wird bis in 90 cm Tiefe in den folgenden Tiefenstufen beprobt: 0-5 cm, 5-10 cm, 10-15 cm, 15-20 cm, 20-25 cm, 25-30 cm, 30-40 cm, 40-50 cm, 50-60 cm, 60-70 cm, 70-90 cm. Am Gesamtbodenprofil werden die Trockenrohdichte, C- und N-Gehalte, pH, Kalkgehalt (Scheibler) und die effektive Kationenaustauschkapazität (KAK) bestimmt. Des Weiteren werden wöchentliche Gasmessungen mit manuellen Gashauben durchgeführt. An den Gasproben werden die CO2-Konzentration sowie der δ13C-Wert im CO2 gemessen. Die mikrobielle Biomasse zum Zeitpunkt t0 und in den ersten Monaten nach dem Umbruch wird mittels Chloroform-Fumigation-Extraktion (CFE) an Bodenproben aus den oberen 30 cm erfasst. Die Betrachtung der mikrobiellen Biomasse ist nicht nur im Bezug auf ihre Rolle als aktiver Pool der organischen Bodensubstanz von großer Bedeutung, sondern bietet außerdem die Möglichkeit, durch Bestimmung des Cmic / Gesamt-OC Verhältnisses eine Aussage über die Verfügbarkeit des OC zu treffen.
Soils, sediments and water bodies in the Gatumba mining district (GMD) are potential hosts of toxic element accumulations which may be available to crops or contaminate drinking water. Open cast mining contributes to increased sediment and, potentially, toxic element load of stream water initiated through the formation of land slides and subsequent erosion of soil by water. Moreover, toxic element contents could be increased in waters originating from interflow-affected soils (e.g. slope water-influenced Gleysols) being present below mining areas. Local wells for drinking water are frequently found in locations where these Gleysols occur. All the above might pose health hazards to the local population. The research will be concentrated on a sub-area of the GMD, the Gisuma catchment, which is jointly used by all subprojects of the Coltan project. The first main objective is to determine the pathways of toxic elements between point and diffuse sources, and streams. This will be required to exclude "critical" areas from drinking water extraction and the use of water for agricultural purposes. The second main objective is to develop a model to describe the local hydrological and morphological conditions which may also support the geomorphology group. Methods
Expected outcome
Während der letzten drei Jahrhunderte wurden, auf Grund von Entwaldung und Kultivierung, insgesamt ca. 170 Gt Kohlenstoff (C) aus terrestrischen Systemen freigesetzt. Die C-Emissionen aus den Böden und der Vegetation infolge von Landnutzungsänderungen in Kombination mit der Verbrennung fossiler Energieträger führten seit Ende des 18. Jahrhunderts bis heute zu einem Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxids (CO2) von ca. 270 ppm zu 380 ppm.
Böden nehmen, angesichts ihrer großen Kohlenstoffreservoire, im terrestrischen C-Kreislauf eine zentrale Rolle ein. Nach jüngsten Schätzungen ist in Böden viermal mehr C vorhanden als in der terrestrischen Biomasse und dreimal mehr als in der Atmosphäre. Mit ihrem hohen Potenzial C und Stickstoff (N) zu sequestrieren können Böden zu einer Minderung der Treibhausgase CO2, Methan (CH4) und Distickstoffmonoxid (N2O) beitragen. Darüber hinaus führt die Erhöhung der Menge an organischer Bodensubstanz (OBS) zu einer Verbesserung der Bodenqualität und zu einer gesteigerten Bodenfruchtbarkeit in Agrar- und Waldökosystemen.
Das Ziel dieser Arbeit ist es einen Überblick über die Potenziale und Grenzen der C-Sequestrierung durch Erhöhung des OBS-Gehalts, einschließlich Schätzverfahren und spezifischer Szenarien, zu geben. Der Schwerpunkt liegt auf der C-Akkumulation durch verbessertes Landmanagement. Auf globaler Ebene werden verschiedene Szenarien zur Durchführung von C-Sequestrierungsmaßnahmen in Bezug auf ökologische und ökonomische Aspekte verglichen.
In dieser Arbeit werden die Einflüsse der atmosphärischen CO2-Konzentration auf die Ernteerträge und das Wachstum von Feldfrüchten auf der Grundlage einer Literaturrecherche behandelt. Dabei werden die direkten Einflüsse der steigenden CO2- Konzentration, der sogenannte Kohlenstoffdüngungseffekt der pflanzlichen Photosynthese, sowie Auswirkungen auf die Ressourcennutzungseffizienz der Pflanzen im Vordergrund stehen. Zusätzlich werden die Auswirkungen des CO2-Gehaltes der Atmosphäre auf die chemische Zusammensetzung des Erntegutes und dessen Proteingehalt behandelt. Den Abschluss bildet eine statistische Analyse langer Ertragsreihen verschiedener Feldfrüchte in Abhängigkeit Düngung und atmosphärischem CO2.
Die Entwicklung der atmosphärischen CO2-Konzentration verlief über hunderte Millionen Jahre negativ, beeinflusst durch das Auftreten höherer Pflanzen und die Festlegung von Kohlenstoff aus der Atmosphäre in organischer Substanz, sowie durch die Festlegung in Mineralen, beispielsweise Kalk (CaCOCO3). Die Festlegung atmosphärischen Kohlenstoffs in Organischer Substanz durch Photosynthese führte zur Bildung der fossilen Brennstoffreserven. Der niedrigste Stand des CO2-Gehalts in der Atmosphäre betrug 180 - 200 ppm zum Ende des Pleistozän. Es erfolgte darauf nur ein langsamer Anstieg auf 280 ppm zu Beginn der Industrialisierung. Seitdem führen der anhaltende exzessive Gebrauch fossiler Energieträger, das Brennen von Kalk zur Zementherstellung, sowie umfangreiche Landnutzungsänderungen zur Gewinnung landwirtschaftlicher Nutzfläche zu einem beispiellosen, stetigen Wiederanstieg des CO2-Gehalts auf heute 387 ppm. Für das Jahr 2050 wird die atmosphärische CO2-Konzentration auf ca. 550 ppm geschätzt, bis Ende des Jahrhunderts erwartet man eine Konzentration > 700 ppm. Der globale Klimawandel, ausgelöst durch CO2 und weitere Treibhausgase gilt als erwiesen, strittig sind lediglich die erwarteten Ausprägungen. Es wird ein Anstieg der mittleren Temperatur zwischen 1.5 und 4,5ºC bis 2100 erwartet. Zudem geht man von einer Änderung der Niederschlagsverteilung, sowie einer zunehmenden Häufung von extremen Wetterereignissen aus.
Der Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration in Kombination mit dem Klimawandel wird auch die Agrarökosysteme betreffen. Veränderungen der Produktivität dieser Systeme resultieren unter anderem aus den Einflüssen von CO2 und Temperatur. Allgemein wird von einer positiven Ertragsentwicklung aufgrund des CO2-Düngeeffekts ausgegangen, da die gegenwärtige atmosphärische CO2-Partialdruck nicht ausreicht, um das Enzym RubisCO, allein verantwortlich für die Carboxylierung in der Photosynthese von C3- Pflanzen, mit Kohlenstoff zu sättigen und optimales Wachstum zu ermöglichen. Speziell bei C3-Pflanzen, wie Weizen und Soja besteht die Aussicht auf signifikante Ertragssteigerungen. Die Erwartungen laufen jedoch weit auseinander. Während in Versuchen unter kontrollierten Bedingungen Steigerungen von ca. 30% beobachtet wurden, liefern Versuche im Feld unter Free Air Carbon Enrichment (FACE) ungleich niedrigere Zuwachsraten von ca. 7-10%.
Bei C4- Pflanzen, hauptsächlich jedoch Mais, ergaben Kammerversuche Ertragssteigerungen von bis zu 10%. Im Feld konnten bisher keinerlei positive Auswirkungen erhöhter CO2-Konzentration auf die Kornerträge festgestellt werden. Bei beiden Photosynthesetypen wurde jedoch eine Zunahme der Wassernutzungseffizienz von bis zu 25% registriert. Als Nebenwirkung steigender Erträge wurden bei einigen Feldfrüchten Veränderungen im Proteingehalt und der elementaren Zusammensetzung der Saat festgestellt, welche sich ernährungsphysiologisch negativ auswirken könnten.
Seit einiger Zeit wird versucht den Effekt der steigenden atmosphärischen CO2-Konzentration statistisch zu erfassen. In dieser Arbeit werden unter anderem die Ertragsentwicklungen auf internationaler Ebene seit 1960, auch im Zusammenhang mit der Entwicklung der mineralischen Düngung untersucht. Statistische Methoden zur Analyse von Ertragsreihen bieten eine kostengünstige Ergänzung der Versuche im Labor und im Feld, da sie einen Fundus unter realistischen Bedingungen erworbener Daten verarbeiten. Zudem ist es möglich die Analyse auf viele Feldfrüchte auszudehnen, wohingegen man sich in Feldversuchen aus Kostengründen gegenwärtig noch auf die vier sogenannten Major- Crops Weizen, Soja, Mais und Sorghum beschränkt.
Bodenbearbeitungsverfahren können die vertikale Verteilung von Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) innerhalb der Krume stark verändern und somit den Humusgehalt sowie die C- und N-Verfügbarkeit wesentlich beeinflussen. Ein wichtiges Ziel der ackerbaulichen Bodennutzung sollte das Erzielen von hohen Erträgen mit einem möglichst geringen Eingriff in die Bodenstruktur sein.
Vor diesem Hintergrund erweist sich die konservierende Bodenbearbeitung als sinnvolle Alternative zur konventionellen Bodenbearbeitung mit dem Pflug. Die fehlende Durchmischung führt zu einer Anreicherung der organischen Substanz in den oberen Bodenschichten der Krume und damit zu einer erhöhten mikrobiellen Aktivität. Desweiteren kommt es durch die geringe Eingriffsintensität in die Bodenstruktur zu einer Verminderung der Gefahr von Schäden durch Bodenerosion was insbesondere bei den strukturlabilen Lössböden oft ein großes Problem darstellt.
Um die zeitliche Entwicklung der organischen Bodensubstanz (C und N) nach Umstellung von konventioneller auf konservierende Bodenbearbeitung von Ackerböden im südniedersächsischen Lössgebiet zu untersuchen, wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit eine Beprobung zweier ausgesuchter Standorte durchgeführt. Auf dem Standort Adenstedt werden seit vielen Jahren die Varianten Pflug, Mulchsaat mit Lockerung und Mulchsaat ohne Lockerung parallel angewendet. Auf dem Standort Moringen hingegen wurde vor etwa 10 Jahren auf zehn verschiedenen Schlägen von konventioneller Bearbeitung mit Pflug auf konservierende Bearbeitung (Mulchsaat mit Lockerung) umgestellt. Ergebnisse von Zeitpunkten vor der Umstellung werden als Referenz verwendet.
Die Ackerkrume wurde jeweils unterschiedlich beprobt. Auf jeder Parzelle erfolgte die Probenahme differenziert, und zwar in folgenden Tiefenabschnitten, mit jeweils 8 Einstichen pro Probevariante: a) 0-35 cm und 35-40 cm b) 0-15 cm, 15-35 cm und 35-45 sowie c) 0-10 cm, 10-20 cm, 20-35 cm, 35-45 cm.
Die Umrechnung von Gehalt in Mengen erfolgt unter Berücksichtigung der C-und N-Gehalte, der Lagerungsdichte und der Mächtigkeit der jeweiligen Tiefenabschnitte Vor diesem Hintergrund sollen folgende Fragen beantwortet werden:
Für die zukünftige Gesetzgebung zur Rezyklierung und Entsorgung der beim Rückbau kerntechnischer Anlagen anfallenden Gebäudematerialien werden Prognosemodelle benötigt, mit denen die Radionuklidauslaugung aus kontaminiertem Bauschutt abgeschätzt werden kann. Die Aufgabenstellung dieser Diplomarbeit beinhaltete die Planung von Perkolationsversuchen zur Radionuklidauslaugung aus porösen Recyclingmaterialien, die Erstellung eines Auswertungskonzeptes mittels Methoden der nichtlinearen Parameterschätzung sowie die inverse Modellierung der Wasserfluss- und Tracertransportprozesse in zwei parallelen Versuchsaufbauten. Das vorgeschlagene Versuchsdesign beinhaltete Containerversuche auf der Lysimeterskala, bei denen künstlich mit Radionukliden kontaminierte Bauschuttproben mit variierenden Raten beregnet wurden. Die Konzentrationen eines einmalig, oberflächlich applizierten inerten Tracers sowie die Nuklidkonzentrationen im Perkolat wurden regelmäßig analysiert. Mittels theoretischer Vorabmodellierungen wurde die Auswertbarkeit des Versuchsaufbaus getestet. Für die Simulation der Wasserflüsse wurde die Richardsgleichung unter Verwendung des van Genuchten-Mualem Modells iterativ gelöst. Die hierzu benötigten hydraulischen Parameter wurden mit dem SCE-UA Algorithmus, einem globalen inversen Schätzverfahren, bestimmt, wobei im Versuch gemessene Zeitreihen der Größen kumulativer Ausfluss, Matrixpotenzial und profilgemittelter Wassergehalt in jede Schätzung eingegangen sind. Das resultierende Modell wurde mit unabhängigen Messdaten validiert. Auf Basis des hydraulischen Modells wurden die Tracerdurchbrüche für beide Versuchscontainer mit dem Mobil-Immobil-Ansatz erfolgreich modelliert. Die Stofftransportparameter wurden hierbei mittels Levenberg-Marquardt-Algorithmus anhand der Tracerkonzentrationen im Perkolat geschätzt. Aus der Auswertung des Tracerdurchbruchs ging hervor, dass die Wasserflüsse in dem Bauschutt entlang präferenzieller Fließwege erfolgten, wobei 20 % bzw. 26 % des in den Versuchssystemen befindlichen Wassers am Fließprozess beteiligt waren. Zwischen den mobilen und immobilen Wasserphasen fand kein Stoffaustausch statt. Das Auftreten präferenzieller Fließwege kann zu einem beschleunigten Austrag von Radionukliden aus kontaminierten Betonbruchmaterialien führen, was in der zukünftigen Gesetzgebung zur Freigabe von Recyclingmaterialien zu berücksichtigen ist.
Natürlich vorkommende, mobile Kolloide fördern den Radionuklidtransport in der unge- sättigten Zone. Die Mobilisierung und der Transport von natürlichen Kolloiden unter ungesättigten Fliessbedingungen bewerteten wir in einer Sensitivitätsanalyse. In einer ungestörten Laborsäule wurden in fünf ver- schiedenen Säulentiefen jeweils Matrixpotential und Wassergehalt während eines Infiltrationsexperimentes gemessen. Diese Messdaten dienten der inversen Simulation zur Bestimmung der hydraulischen Eigenschaften des grobkörnigen Hanfordsediments. In einer Prozessstudie wurden verschiedene Opti- mierungsstrategien, hydraulische Funktionen zur Beschreibung der hydraulischen Eigenschaften, Messfehler und räumliche Variabilität untersucht um den optimalen Parametersatz zur Beschreibung der hydraulischen Funktionen durch inverse Modellierung zu bestimmen. Die daraus resultierenden Simulationsergebnisse wurden mittels Residualanalyse und Unsicherheitsanalyse 1.Ordnung bewertet. Die beste Schätzung stellte die frei geformte Parametrisierung der hydraulischen Funktionen unter Verwendung des globalen Optimierungsalgorithmus SCE-UA dar. Diese frei geformten hydraulischen Eigenschaften wurden in der HYDRUS-1D Look-Up Tabelle implementiert um die Mobilisierung und den Transport von Kolloiden in einer Vorwärtssimulation zu modellieren. Dafür verwendeten wir die Konvektions-Dispersionsgleichung, welche mit einer Kolloidmobilisierungsreaktion 1. Ordnung gekoppelt wurde. Die Kolloidtransportparameter wurden entweder aus der Literatur entnommen oder durch Labormessungen gewonnen. Wir untersuchten den Einfluss von fünf variierenden Parametern auf die Kolloidmobilisierung und den Kolloidtransport mittels einer qualitativen Sensitivitätsanalyse.Die kolloidale Freisetzungsrate beeinflusste lediglich die Mobilisierung der natürlich vorkommenden Kolloide. Der Kolloidtransport war sensitiv bei der Veränderung der Dispersionslänge und der Veränderung der konstanten sowie variablen Infiltrationsrate. Jedoch blieb die Kolloidmobilisierung durch variierende Infiltrationsraten unbeeinflusst. Die abfließende Stoffmenge hing stark von der Anfangskonzentration, der an der Feststoffmatrix angehafteten Kolloide, ab. Die Diplomarbeit erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Department of Crop and Soil Sciences bei Prof. M. Flury in Pullman, Washington State.
Diese Arbeit fand im Rahmen eines Forschungsprojektes vom Internationalen Büro des BMBF statt, das unter anderem der Untersuchung von Erosionspotentialen in holzwirtschaftlich genutzten Gebieten in Südchile diente. Die Grundlage für die Vorhersage von Erosionspotentialen bildet ein hydrologisches Modell, das die ablaufenden hydrologischen Prozesse in einem Untersuchungsgebiet darstellen kann. Ziel der Arbeit war die Analyse und Modellierung des Wasserhaushalts eines 12.9 ha großen Kahlschlaggebietes mit einem durchschnittlichen Jahresniederschlag von etwa 1200 mm, der hauptsächlich in den Wintermonaten von April bis August fällt.
Die Feldarbeit beinhaltete die Messung der hydraulischen Leitfähigkeit mit dem Guelph Permeameter sowie eine Untersuchung des Bodens bezüglich der Horizontierung. Diese dienten als Eingangsparameter für das hydrologische Modell WASA (Güntner, 2002), mit dem die Wasserbilanz des Gebietes und der dazu beitragenden Abflusskomponenten berechnet wurden. Da in Messungen aus vorangegangenen Studien mehr Wasser das Gebiet verlässt, als durch Niederschlag erzeugt wird, wurde die Hypothese eines externen Zuflusses aufgestellt. Die Ergebnisse des Modells zeigten eine gute Korrelation in der Dynamik zu den Messungen und bekräftigten dadurch die Hypothese. Das Modell erwies sich als praktikabel, um damit weiterführende Erosionsuntersuchungen durchzuführen.
Die Diplomarbeit erfolgte in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. A. Bronstert am Institut für Geoökologie der Universität Potsdam sowie Prof. Dr. A. Huber am Institut für Geowissenschaften der Universidad Austral de Chile (UACh), Valdivia.
Microorganisms are a crucial part of the living compound of soils with a diameter < 100µm. They can be divided into microfauna (protozoa, nematodes, rotifera) and microflora (bacteria, fungi, algae). Viruses take a separate position in this classification because it is ambiguous if they are living organisms. Microorganisms are part of the decomposer community in soil. They decompose and transform organic substrates originating from the flora and soil fauna. Nutrients released through decomposition are taken up by plants and microorganisms. Mineralisation of organic matter is an important process of the terrestrial carbon cycle. Microorganisms form available and stable forms of humus. The total mass of living microorganisms in a given volume or mass of soil is defined as soil microbial biomass. The amounts and activity of microbial biomass depend on soil organic matter quality, quantity, and distribution. Furthermore it is related to soil properties, climatic conditions, and crop management. The microbial biomass decreases due to pesticide, heavy metals, antibiotics, salinization and degradation of peatland. Positive effects on microbial biomass are the introduction of organic farming, reduced tillage and slurry application.The objectives of this diploma thesis are (i) to define the diversity of microorganisms, (ii) to compare the microbial biomass under different land use and crop management, (iii) to illustrate the turnover of carbon and nitrogen through soil microbial biomass, and (iv) to describe, evaluate, and compare the methods used to determine the amount of microbial biomass and the diversity of microorganisms.
Die Diplomarbeit ist angesiedelt im SFB 552 "Stabilität tropischer Regenwald-Randzonen". Ziel des SFB ist die Erfassung der Prozesse der Destabilisierung in den Randzonen tropischer Regenwälder und die Analyse derjenigen Faktoren, die eine Stabilität der Waldrandsysteme ermöglichen. Untersuchungsgegenstand sind Böden und Pflanzen von Kakaoagroforstsysteme in Zentralsulawesi, Indonesien.
Ziel der Arbeit ist es, Zusammenhänge zwischen der Abundanz wichtiger Bodennährstoffe unter verschiedenen klimatischen Bedingungen und variierender Abschattung durch Pflanzenbestände und dem Kakaoertrag herauszuarbeiten. Zu diesem Zweck erfolgt eine Bodenleitprofilaufnahme nach WRB und es werden der Gehalt an Makronährstoffen, die Textur und die Lagerungsdichte der Böden bestimmt. Die Untersuchung von Pflanzenproben rundet das experimentelle Programm ab. Die Untersuchungsplots liegen in drei verschiedenen Höhenlagen und lassen sich vier Beschattungsklassen zuordnen. Darüber hinaus stehen aus Interviews Ertragsdaten und Düngemengen zur Verfügung.
Um das Gefährdungspotential von Bodenbelastungen durch Schadstoff e für Böden und Grundwasser abzuschätzen, ist es unumgänglich, Korngrößenanalysen für den jeweiligen Boden durchzuführen. Zur Korngrößenanalyse gehört immer ein Sedimentationsverfahren, wobei die Pipettmethode das nach DIN ISO 11277 (2002) empfohlene Verfahren ist.
In dieser Arbeit wurde ein Modell entwickelt, das den Verlauf der Pipettmethode nach DIN ISO 11277 (2002) simuliert. Durch das Miteinbeziehen einer inversen Simulation in das Modell wurde es möglich, durch Parameterschätzung Korngrößensummenkurven zu ermitteln, die das Ergebnis der Pipettmethode darstellen. Dadurch sollte eine Alternative für das herkömmliche Auswertungsverfahren nach DIN ISO 11277 (2002) gefunden werden. Das Modell wurde mithilfe des Programmwerkzeugs FORTRAN90 entwickelt. Für die inverse Simulation wurden evolutionäre Optimierungsalgorithmen angewandt.
Mithilfe des Modells wurden eine Sensitivitätsanalyse sowie inverse Analysen durchgeführt. Die Sensitivitätsanalyse ergab, dass zwei der vier analysierten Parameter (Temperatur und Entnahmevolumen des Aliquots) einen entscheidenden Einfluss auf die Masse der Aliquots haben. Die inverse Analyse zeigte, dass sich gerade der Tonanteil durch die Variation der beiden Parameter verändert.
Außerdem wurden inverse Simulationen der Pipettmethode für fünf Bodenproben durchgeführt. Die Pipettversuche wurden vom IBB Bremen durchgeführt, das die Daten freundlicherweise für diese Arbeit zur Verfügung stellte. Das IBB Bremen berücksichtigte die Prozesse in der Auswertung mit, die in dem Modell auch simuliert wurden. Die Ergebnisse der inversen Simulationen wurden mit den Ergebnissen des Auswertungsverfahrens nach DIN ISO 11277 (2002) vom IBB Bremen verglichen. Die Ergebnisse waren nahezu identisch.
Aufgrund der gegenwärtigen ökologischen, agronomischen und wirtschaftlichen Situation werden die Prozesse der N Mineralisation und Immobilisation immer mehr in den Fokus der Öffentlichkeit rücken. Auch wenn es augenscheinlich noch etwas unbeachtet ist, handelt es sich hierbei um die Basisprozesse des Stickstoffkreislaufes. Die sich aus diesen wichtigen Prozessen ergebenden Folgeprozesse wie Nitratauswaschung und Verflüchtigung von klimarelevanten Gasen werden derzeit durchaus brisant diskutiert. Durch die genaueren Kenntnisse von Mineralisationsraten und Immobilisationsraten und deren zeitlichen Verhalten im Boden unter den verschiedenen klimatischen und nutzungsbedingten Einflüssen könnten vielleicht schon die ersten Abschätzungen der Folgeprozesse geschehen.
Mineralisation und Immobilisation von Stickstoff im Boden sind wichtige Prozesse im Nährstoffkreislauf, die gegenläufig agieren und untrennbar voneinander ablaufen. Die Prozesse der N Mineralisation und Immobilisation beeinflussen hauptsächlich die Verfügbarkeit von N-Verbindungen. Unter Mineralisation wird die Umwandlung von organischen N-Verbindungen in einfache anorganische N-Verbindungen verstanden, Immobilisation hingegen bezeichnet die zeitweilige Festlegung von N-Verbindungen in der mikrobiellen Biomasse oder in der humosen Substanz. Die Prozesse der N Mineralisation und Immobilisation werden von zahlreichen Faktoren beeinflusst.
In dieser Arbeit werden die Einflussfaktoren, in Hinblick auf ihre zeitliche Ausdehnung beschrieben. Nach dem Aufzeigen der Prozesse und ihrer Einflussfaktoren konzentriert sich diese Arbeit auf die Methoden, die für Bestimmung von N Mineralisation und Immobilisation herangezogen werden. Hierbei wird unterschieden zwischen biologischen, chemischen und physikalischen Ansätzen. Historische Aspekte, die die Entwicklung von verschiedenen Methoden betreffen, werden berücksichtigt. Zuletzt wird eine kritische Auswertung der verschiedenen Methoden vorgenommen.
Durch Makroporen initiierter präferentieller Fluss in der vadosen Zone kann das Risiko einer Grund- oder Oberflächenwasserkontamination durch in der Landwirtschaft ausgetragene Pflanzenschutzmittel stark erhöhen. In dieser Arbeit wurden die Effekte nicht-idealer Transport- und Umsetzungsprozesse unter Berücksichtigung chemischen und physikalischen Ungleichgewichts auf den Pestizidaustrag in einem strukturierten Tonboden vom Gelände der Brimstone Farm, Großbritannien, untersucht. Unter atmosphärischen Randbedingungen wurde ein Lysimeterexperiment durchgeführt, bei dem der Austrag des Herbizids Isoproturon (IPU) und des inerten Tracers Bromid über zwei Monate beobachtet wurde. Aus einer Kombination von Labormessungen, Literaturwerten und in vorherigen Studien am Untersuchungsboden gewonnenen Parameterschätzungen wurde ein Standardszenario in dem Dual-Permeabilitätsmodell MACRO, Version 5.1, entwickelt, das durch die Kalibrierung des Anfangswassergehalts, der Dispersionslänge und der Diffusionslängen in zwei Horizonten gegen den Bromidaustrag ergänzt wurde. Anhand dieses Datensatzes wurde eine detaillierte Sensitivitätsanalyse in MACRO durchgeführt, bei der sowohl Input-Parameter variiert wurden als auch Randbedingungen und Modellannahmen. Ein besonderer Augenmerk lag dabei auf der Reproduzierbarkeit der gemessenen IPU-Konzentrationen. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass der Stoffaustrag während des Lysimeterexperiments durch Diffusion in die Matrix stark limitiert war. Die Sensitivtätsanalysen verdeutlichten die Bedeutung einer kinetischen Sorption, räumlicher Variabilitäten in den Abbauraten und einer Reduktion des Austauschterms zwischen den beiden Fließregionen im Dual-Permeabilitätsansatz für eine erfolgreiche Modellvorhersage des IPU-Austrags. Jedoch konnte keiner der genannten Faktoren allein die drastische Abnahme der Austragskonzentrationen in zufriedenstellender Weise erklären. Diese Studie unterstrich die große Bedeutung einer korrekten Beschreibung von Sorptionsprozessen in der Makropore und von Austauschprozessen an der Bodenoberfläche für eine erfolgreiche Modellvorhersage mit MACRO. Der Stoffaustausch zwischen den Makroporen und der Matrix wird in MACRO über eine Kinetik erster Ordnung beschrieben. Da dieses Konzept Konzentrationsgradienten innerhalb der Aggregate nicht berücksichtigt, wurde ein Modell mit der Software Powersim entwickelt, das den Transfer auf der Basis des Fickschen Diffusionsgesetzes beschreibt. Ein Vergleich beider Modelle zeigte, dass der Austauschterm erster Ordnung ausreichend gute Modellvorhersagen liefert, wenn der Transferkoeffizient angepasst wird.
Für eine verlässliche Parameteridentifikation und eine aussagekräftige Quantifizierung der in einem strukturierten Tonboden stattfindenden Prozesse wird die Durchführung eines Lysimeterexperiments in höherer zeitlicher Auflösung empfohlen. Diese Arbeit kann dabei als Basis für künftige Simulationen des reaktiven Stofftransports mit dem Modell MACRO dienen.
Die Diplomarbeit erfolgte in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. N. Jarvis am Institut für Bodenwissenschaften der Schwedischen Universität für Landwirtschaft (SLU) in Uppsala.
Zur Zeit gibt es starke Bestrebungen, die bestehenden Gesetze und Verordnungen zur Durchführung von Elutionsversuchen an wasserdurchlässigen Feststoffen zu novellieren bzw. vereinheitlichen. Dies gilt u. a. für die als mineralische Ersatzbaustoffe einsetzbaren Materialien Hausmüllverbrennungsasche (HMVA), Bauschutt (BS) und Bodenmaterial (BO).
Ausgangspunkt für diese Arbeit war ein Aufruf der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung zur Teilnahme an einem Ringversuch zur Verifizierung der Norm-Entwürfe E DIN 19528 (2007) und E DIN 19529 (2007). Die Norm E DIN 19528 (2007) soll in Zukunft die Durchführung von Säulenversuchen zur Untersuchung des Elutionsverhaltens von anorganischen und organischen Stoffen regeln. Darin ist für einen ausführlichen Säulenversuch eine Perkolation bis zu einem Wasser-/Feststoffverhältnis (W/F) von 4:1, und für einen Säulenschnelltest von 2:1 vorgesehen. Als möglicherweise alternative Vorgehensweise für die Bestimmung der Gehalte anorganischer Schadstoffe wird in der E DIN 19529 (2007) ein Schüttelverfahren bei einem Wasser-/Feststoffverhältnis von 2:1 vorgesehen.
Zur detaillierten Ermittlung der Quellstärken beim Austrag von Schadstoffen aus den oben genannten Materialien wurde in dieser Arbeit neben der Durchführung und Auswertung der Versuche aus den Normen ein erweitertes Untersuchungsprogramm im Hinblick auf eine Sickerwasserprognose gem. BBodSchV (1999) durchgeführt. Dieses bestand aus multiplen Schüttelversuchen mit fünf variierenden W/F, modifizierten Bodensättigungsextrakten mit W/F von 0.5:1, Extraktionen mit Ethylendinitrilotetraessigsäure Dinatriumsalz-Dihydrat (EDTA) sowie ausführlichen Säulenversuchen (bis zu einem kumulierten W/F von ca. 8:1), einschließlich einer Fließunterbrechung zur Ermittlung ratenlimitierter Freisetzung.
Die Ergebnisse der Schüttelversuche wurden mit inversen Simulationen zur Ermittlung der das Verteilungsverhalten bestimmenden Parameter mittels MuBaX (Iden und Durner, 2007) ausgewertet. Damit war eine Abschätzung des insgesamt mobilisierbaren Schadstoffvorrates, von Konzentrationen bei in-situ Verhältnissen sowie der Parameter des Verteilungsmodells möglich.
Die Säulenversuche wurden unter Berücksichtigung zweier Fraktionen, einer leicht mobilisierbaren und einer langsam nachgelieferten mittels HYDRUS-1D (Simunek et al., 1998) und einem von Weyer (2007) entwickelten Programmwerkzeug ausgewertet. Dabei wurden die Sorptionsparameter der beiden Fraktionen, der Anteil des ersten, leicht mobilisierbaren Pools sowie die insgesamt mobilisierbare Schadstoffmenge geschätzt. Eine weitere Auswertung bezüglich der insgesamt eluierbaren Menge erfolgte durch Anpassung einer empirischen Austragsfunktion nach Durner und Hopp (2006).
Die verschiedenen Versuche und Auswertungen ergaben in vielen Fällen gute Übereinstimmungen bezüglich der Konzentrationen bei gleichen W/F, besonders unter dem Aspekt, dass es sich bei der HMVA und dem BS um sehr grobkörnige Materialien handelte. Für die Abschätzung der kurz- bis mittelfristigen Freisetzungen wurden reproduzierbare und zwischen den unterschiedlichen Methoden vergleichbare Ergebnisse erzielt. Gleichzeitig wurde hervorgehoben, dass für eine exakte Vorhersage, insbesondere der langfristigen Freisetzungen, weiterer Untersuchungsbedarf besteht. Für den praktischen Einsatz erscheinen die Vorgaben der DIN-Entwürfe geeignet.
Die Versuche erfolgen in Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich, Institut für Agrosphäre (ICG-4). Ansprechpartner dort ist Dr. Thomas Pütz.
Der Stickstoffkreislauf ist ein essentieller Bestandteil von Ökosystemen. Die natürlichen Stickstoffeinträge und –austräge gleichen sich nahezu aus, während der Boden für sich einen bedeutsamen Stickstoffspeicher darstellt. Menschliche Einflüsse, wie zum Beispiel die (Über-)Düngung von landwirtschaftlichen Nutzflächen oder die globale Erwärmung, führen zu Störungen dieses Gleichgewichts. Eine Folge dessen ist die vermehrte Emission von Stickstoffgasen (N2, N2O, NO und NH3) aus Böden. Die meisten dieser Gase beeinflussen wiederum Prozesse in angrenzenden Ökosystemen. So ist zum Beispiel N2O bekanntermaßen als Treibhausgas zu nennen, das zum globalen Klimawandel beiträgt. In dieser Diplomarbeit werden alle relevanten Methoden, die zur Bestimmung von gasförmigen Stickstoffverlusten aus Böden genutzt werden, zusammenfassend dargestellt. Zunächst werden die entsprechenden Verlustprozesse (Denitrifikation, Nitrifikation und Ammoniak-Volatilisation) erläutert, ehe die Methoden beschrieben werden. Die umfassende Literaturarbeit beinhaltet auch die Herausarbeitung von Vor- und Nachteilen der einzelnen Methoden, um schließlich die verschiedenen Techniken vergleichen und bewerten zu können. Neben den direkten Methoden, wie die Acetylen-Inhibierungs-Methode, 15N-Tracer-Methoden und mikrometeorologischen Methoden, werden auch indirekte Methoden, wie zum Beispiel Bilanzmethoden und Simulationsmodelle beschrieben. Derzeit ist es nicht möglich eine einzige universell einsetzbare Methode zur Bestimmung gasförmiger Stickstoffverluste aus Böden zu definieren. Eine Reihe von Faktoren ist ausschlaggebend für die Wahl einer Methode. Zudem ist die Methodenentwicklung bei Weitem noch nicht abgeschlossen. Vor allem auf dem Gebiet der Mikrometeorologie gibt es einige viel versprechende Ansätze für eine universeller einsetzbare Methode. Eine abschließende Methodenbewertung ist daher im Rahmen dieser Arbeit nicht möglich.
The thesis is prepared as part of a pilot study founded by the Volkswagen Foundation entitled “Sustainable Restitution and Recultivation of Artisanal Tantalum Mining Wasteland in Central Africa – Coltan Environmental Management”. An interdisciplinary research team investigates a mining area in western Rwanda in order to assess potential influences of the bygone coltan mining activities on the environment and potential effects on human health. The project analyzes the composition of mineral rocks and sediments, assesses stream water quality and key soil parameters as well as the uptake of major elements by higher plants. It will help to optimize future research activities focusing on environmental impact assessments of mining activities in Rwanda.
The subproject in which the thesis is prepared investigates the effect of coltan mining activities on tropical soils. 64 soil samples and 36 plant samples have been sampled during the rainy season in April and May 2007 at different former mining sites. By reference to Coltan mining activities, the sites were classified as either anthropogenically influenced or not. Air-dried soil samples were sieved (2mm) and analyzed in the laboratory. Examined chemical and physical soil parameters comprised texture, total and organic carbon content, total nitrogen content, cation exchange capacity (CEC), base saturation (BS), pH, electrical conductivity, available phosphorus, potassium, iron, aluminium.
In general, soil physical and chemical properties are governed by the mineralogy of the parent material, climate, relief, pedogenic processes and human influence. A comparison of soil properties and element concentrations in soils and plants at the different sites will reveal the influence of mining activities on the tropical soil-plant system. Significant focus will be dedicated to the interactions between soil quality, land use, water supply, human nutrition and health effects.
Böden stellen einen der Hauptspeicher für Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) in terrestrischen Ökosystemen dar. Kohlenstoff und Stickstoff sind in Böden zum größten Teil in Form von organischer Bodensubstanz (OBS) gespeichert. Der Gehalt an OBS wird gesteuert über den Input von organischen Substanzen durch die Vegetation und ihren mikrobiellen Abbau. Organische Substanz, welche nicht dem Abbau unterliegt, wird im Boden gespeichert. Die Mineralisation der OBS führt zur Freisetzung reaktiver C- und N-Verbindungen.
Je nach Art der Landnutzung können Böden als Quelle oder Senke für C und N fungieren. In sich „entwickelnden“ Ökosystemen mit gesteigerter Biomasseproduktion werden C und N festgelegt. In „reifen“ Ökosystemen herrscht ein Gleichgewicht zwischen Aufnahme und Abgabe von C und N vor. Wenn natürliche Ökosysteme verändert oder gar zerstört werden, ist i. d. R. ein Verlust von C und N die Folge. Der Mensch hat den Zustand der meisten natürlichen Ökosysteme gravierend verändert, meist in der Absicht, neue landwirtschaftliche Nutzflächen zu schaffen oder den ständig steigenden Holzbedarf zu decken. Der Effekt von Waldrodung, Trockenlegung von Feuchtgebieten und Ausdehnung von Ackerflächen führt meist zu erheblichen Verlusten von C und N in Böden.
Die Zunahme der Konzentration von C- und N-Verbindungen in der Atmosphäre trägt zum Treibhauseffekt und zum Abbau der Ozonschicht bei. Der zukünftige Umgang mit Böden kann die Konzentration reaktiver C- und N-Verbindungen in der Atmosphäre maßgeblich beeinflussen.
In den kommenden Jahrzehnten wird das Potenzial von Böden als C- und N-Speicher sicherlich zunehmende Aufmerksamkeit insbesondere im Zusammenhang mit Landnutzungsstrategien erlangen. In der geplanten Arbeit sollen die Flüsse von C und N in Folge der Landnutzung und ihr Einfluss auf die globale Erwärmung diskutiert werden.
Die Diplomarbeit ist als Litereraturarbeit angelegt. Sie soll auch fachfremden Personen ein Einstieg in das Thema ermöglichen. Dazu sollen die verschiedenen zur Thematik gehörenden Aspekte zusammenfassend vorgestellt werden. In der Literatur gefundene Aussagen zu konventionellen und alternativen, "klimafreundlicheren" Bodennutzungsformen werden vergleichend diskutiert. Als Ergebnis soll eine Abschätzung getroffen werden, wie durch veränderte Bodennutzungsstrategien zukünftig mehr C und N in Böden gespeichert werden könnte.
Böden stellen einen wichtigen Speicher für organischen Kohlenstoff (Corg) und Stickstoff (N) dar. Beide Elemente durchlaufen dynamische Kreisläufe, deren Stationen (Pedosphäre, Hydrosphäre, Atmosphäre etc.) Reservoire unterschiedlicher Dauer und Größe repräsentieren. Die C- und N-Dynamik ist ökologisch höchst bedeutsam.
Die hier vorgestellte Diplomarbeit befasst sich mit der Dynamik von Kohlenstoff und Stickstoff entlang einer Hang-Catena im Elm. Der Elm zeichnet sich durch eine sehr große Vielfalt an Substraten und Bodentypen aus, was ihn für die Fragestellung zu einem geeigneten Untersuchungsstandort macht. Für die Diplomarbeit wurde eine Hang-Catena im Oberen Reitlingstal ausgewählt. Die Vegetation ist durch einen ca. 50-55 Jahre alten Buchenwald geprägt. Das Gelände ist geneigt. Ausgangssubstrate für die Bodenbildung sind Kalkstein-Frostschutt, pleistozäne Fließerden und Kolluvien. Die Bodenbildung auf diesen Substraten wird zum Teil durch eine Lössbedeckung überprägt. Die Untersuchungen finden auf einer Kolluvium-Rendzina, einer pseudovergleyten Braunerde und einer Parabraunerde statt.
Im einzelnen werden die Gesamtvorräte von Kohlenstoff und Stickstoff sowie in etwa vierwöchigen Zeitabständen (in der Zeit von Mai bis Oktober 2006) die Gehalte an gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) und Mineral-Stickstoff (Ammonium und Nitrat) sowie die C- und N-Dynamik in der Humusauflage untersucht. Die Hauptfragestellungen beziehen sich auf die zeitliche Dynamik sowie den Einfluss des Ausgangsgesteins und damit der Bodeneigenschaften auf die C- und N-Dynamik.
Für die Probenahmen wurden pro Bodentyp drei Parzellen ausgewählt (Fläche: ca. 500 qm). Für jede Parzelle werden Proben aus dem Mineralboden aus den Tiefenbereichen 0-30 cm und 30-60 cm mittels Bohrstockbeprobung genommen. Simultan wird das Auflagematerial mittels eines Humustopfes beprobt. Die Bodenproben werden für die Nmin-Bestimmung mit 1 M KCl und für die DOC-Bestimmung mit dest. Wasser extrahiert. Das Auflagematerial wird getrocknet und gemahlen und anschließend auf Gesamt-C und -N analysiert.
Die Bestimmung der Modellparameter, die den Transport von gelösten, reaktiven Kontaminanten durch die ungesättigte Bodenzone steuern, ist zur Modellbasierten Risikobewertung für natürliche Bodenfunktionen und das Grundwasser unumgänglich. Das Ausbreitungsverhalten von Kontaminanten im Untergrund wird entscheidend durch Sorptionsprozesse und mobilisierbare Stoffvorräte im System beeinflusst.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die inverse Bestimmung des mobilisierbaren Vorrats und der Sorptionsparameter (Sorptionsisotherme und Ratenparameter der Sorptionskinetik) aus instationären Säulenversuchen mit Fließunterbrechung. Im Zentrum der Arbeit stand die Entwicklung eines Programmwerkzeugs in FORTRAN90, das die numerische Lösung der Richards-Gleichung und der Konvektions-Dispersions-Gleichung mit der Software HYDRUS-1D, Version 2.02 (Simunek et al., 1998) und die inverse Parameterschätzung mit Hilfe des global konvergenten Shuffled-Complex-Evolution-(SCE-UA)-Algorithmus (Duan et al., 1992) ermöglicht.
In einer Sensitivitätsanalyse wurde der Einfluss einzelner Modellparameter und Versuchsbedingungen auf das Austragsverhalten von Stoffen bestimmt. In diesem Zusammenhang konnte die Aufsättigung mit der Fließrichtung von oben als eine Ursache des häufig beobachteten First-Flush-Effekts, d.h. des steilen initialen Abfalls der Eluatkonzentration zu Beginn eines Säulenversuchs, identifiziert werden. Neben der Bestimmung der Stofftransportparameter lag das Hauptaugenmerk auf der Quantifizierung der Unsicherheiten und der Eindeutigkeit der geschätzten Größen. Aus einer Studie mit synthetischen Austragskurven ging hervor, dass die Unsicherheiten der geschätzten Parameter mit Abnahme der eluierten Stoffmenge stiegen und mit einer erhöhten Anzahl an Messpunkten sanken. Je größer der Verteilungskoeffizient und je kleiner der Ratenparameter der Sorptionskinetik ausfielen, desto mehr Messpunkte waren zur Bestimmung der Parameter mit akzeptablen Unsicherheiten nötig. Der in dieser Arbeit verwendete Korrelationsindex γ erwies sich als geeignetes Gütekriterium für die eindeutige Identifizierbarkeit der einzelnen Modellparameter.
Der Verlauf von experimentell bestimmten Cadmium- und Kupferausträgen aus Hausmüllverbrennungsasche konnte durch die Modellvorhersagen nachvollzogen werden. Eine eindeutige Identifikation des Einflusses der einzelnen Parameter auf die Modellvorhersage war bei der Parameterschätzung aus Realdaten nicht möglich. In der Studie mit synthetischen Daten konnte gezeigt werden, dass durch eine separate Bestimmung des mobilisierbaren Vorrats, z.B. durch Batchversuche, und die damit verbundene Reduktion der zu schätzenden Parameter das Problem der Uneindeutigkeit der Modellparameter reduziert werden kann.
Überdüngung und Intensivierung des Ackerbaus führte in den Alten Bundesländern in den letzten 3 Jahrzehnten zu einer deutlichen Anreicherung der C- und N-Vorräte der Böden. Ausgehend von bisherigen Untersuchungen, die im Zeitraum von 1970-1998 auf 120 Schlägen von 16 ackerbaulichen Betrieben im südlichen Niedersachsen durchgeführt wurden, kann festgestellt werden, dass die Vertiefung der Ackerkrume von etwa 25 auf ca. 35 cm eine Anreicherung von bis zu 16 t C/ha und 1 t N/ha in Lössböden und bis zu 26 t C/ha und 2,4 t N/ha in sandigen Böden zur folge hatte. Die Bedeutung der untersuchten Böden als Stickstoffpuffer und deren Funktion als C-Senken gilt dabei größter Aufmerksamkeit auch in Hinblick auf die unterschiedlichen Krumenvertiefungsphasen der einzelnen Schläge.
Sofern keine Änderungen in der Bewirtschaftung eingetreten sind, kann vor allem für Betriebe mit früher Krumenvertiefung (1967-1972 und 1972-1975) angenommen werden, dass sich seit der letzten Untersuchung keine nennenswerten Veränderungen der C- und N-Gehalte mehr ergeben haben, da auch Ergebnisse früherer Mineralisationsversuche (zuletzt 2000) die Einstellung eines „Fließgleichgewichts“ erwarten lassen. Dagegen weisen die Böden der letzten Krumenvertiefungsphase (1980-1982) nach den Erkenntnissen aus dem Jahre 2000 erst etwa 70% des N-Mineralisationspotentials auf. Hier kann auch heute noch von einer Zunahme der C- und N-Gehalte ausgegangen werden. Im Falle von Bewirtschaftungsänderungen (z.B. Einführung von Verfahren zur konservierenden Bodenbearbeitung, Änderung von Fruchtfolgen) ist grundsätzlich mit der Einstellung von neuen „Fließgleichgewichten“ zu rechnen.
Die zu verwirklichenden Ziele sind im Einzelnen:
Die Verwirklichung der o.g. Ziele beschränkt sich zur Zeit auf die Arbeit am Langzeit-Inkubationsversuch, um die zeitliche Entwicklung der N-Mineralisationskapazität der drei unterschiedlichen Krumenvertiefungsphasen abschätzen zu können.
Methan (CH4) ist ein wichtiges Treibhausgas. Seine atmosphärische Konzentration hat sich seit dem vorindustriellen Zeitalter mehr als verdoppelt. Somit besteht ein erhöhter Bedarf diejenigen Prozesse zu verstehen, die am Austausch von Methan besonders im Hinblick auf die globale Erwärmung, mit der Lithosphäre und der Atmosphäre beteiligt sind. Hierbei ist die arktische Region von besonderem Interesse.
Diese Arbeit unternimmt den Versuch, räumlich hoch aufgelöste kleinskalige Methanflussmessungen arktischer feuchtpolygonaler Tundraböden auf der Insel Samoylov im nordsibirischen Lenadelta zu bestimmen. Prozessverständnis auf dieser Ebene ist notwendig, um Messungen auf der Ökosystem-Ebene der Eddy-Kovarianz-Methode vollständig zu verstehen und interpretieren zu können, deren Fokus hauptsächlich auf der hohen zeitlichen Auflösung liegt. Zu diesem Zweck wurde ein umfangreicher Versuch mit verschiedenen Kleinräumen zur Methanflussmessungen im Zeitraum von Juli bis September 2006 durchgeführt. Die Methanflussmessungen wurden mit geschlossenen Hauben durchgeführt.
Der Datensatz, der dieser Arbeit zu Grunde liegt, ist in seiner Art einzigartig in Umfang, Größe des Untersuchungsgebietes und seinem Potential für das Verständnis der Flussmessungen auf unterschiedlichen räumlichen Skalen. Das Untersuchungsgebiet im Zentrum der Insel Samoylov stellte sich für den Zeitraum der untersuchten Sommersaison als eine Quelle atmosphärischen Methans dar, jedoch nicht in dem für eine „feuchte“ Tundra zu erwarten gewesenen Maße. Dies und die Erkenntnis, dass sich die Methanflüsse von Polygonen unterschiedlicher Genese teilweise erheblich unterschieden, ist ein Zeiger für die hohe räumliche Variabilität der Methanemissionen.
Mit Hilfe einfacher multipler linearer Regressionsmodelle, die gemessene Methanflüsse von feuchten Polygonzentren erfolgreich wiedergeben konnten, konnte die Temperatur unmittelbar unter der Bodenoberfläche als ein bedeutender steuernder Umweltparameter identifiziert werden. Weitere identifizierte Parameter, die sich je nach Untersuchungsraum unterschieden, werfen Fragen auf, ob die Methodik der geschlossenen Hauben für die Methanflussmessung geeignet erscheint (Flüsse hingen von der Temperatur innerhalb der geschlossenen Hauben ab), beziehungsweise inwieweit bisher nicht beachtet Umweltparameter in zukünftigen Methanflussbetrachtungen in erhöhte Beachtung verdienen (beispielsweise die Bedeutung der individuellen Wasserregime und ihre Hydrologie).
In dieser Arbeit wurden 14 Modelle zur Beschreibung von Wasser Retentionskurven an 202 Datensätzen aus der UNSODA Datenbank getestet und in ihrer Anpassungs- sowie in ihrer Modellgüte verglichen.
Es wurde gezeigt, dass es signifikante Unterschiede in der Anpassungsgüte der unterschiedlichen Modelle gibt, wobei sich die Besten oft nur minimal unterscheiden. Die meisten der getesteten Modelle sind sehr flexibel und können für Böden mit unimodaler Porengrößenverteilung zumindest den feuchten Bereich sehr gut beschreiben. Wichtiger als neue unimodale Modelle sind daher vielleicht multimodale, welche den für die Leitfähigkeitsvorhersage mit einem Porenbündelmodell wichtigen niedrigen Potenzialbereich auch im Fall eines Bodens mit multimodaler Porengrößenverteilung besser beschreiben können. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die integrale Methode besser als die klassische ist, da sie den Linearisierungsfehler vermeidet. Die Güte der Anpassung wird also von der Wahl der Fitmethode beeinflusst. Dass Modelle, wie das von Brooks und Corey oder die Bolzmannverteilung, die eine Diskontinuität in der Ableitung aufweisen, bei Verwendung der integralen Methode im Vergleich zu den anderen Modellen besser abschneiden, konnte in dieser Arbeit nicht gezeigt werden.
Dass diese Vermutung nicht bestätigt werden konnte, liegt eventuell an der nicht ganz optimalen Datengrundlage. So wurden z.B. die meisten Datensätze aus sandigen Substraten an kurzen Säulen gemessen, viele aus eher feinen Substraten dagegen an langen. Daher waren von vornherein Datensätze, die für die Belegung dieser These geeignet sind, nur in geringer Zahl vorhanden.
Dies ist vermutlich auch der Grund dafür, dass die Vermutung, die Wahl der Fitmethode hätte bei Datensätzen aus sandigem Substrat größeren Einfluss auf die Anpassungsgüte als bei tonigem, nicht bestätigt werden konnte.
Um zu zeigen für welchen Versuchsaufbau (Säulenlänge und Bodenart) und welche Modelle der Vorteil der integralen Methode am größten ist, muss die Datengrundlage verbessert werden. Das heißt, die Datensätze sollten repräsentativ auf Bodenarten und Säulenlängen aufgeteilt sein sowie möglichst viele und sinnvoll verteilte Messungen enthalten.
Das Modell von Kosugi (1994) war im Mittel nach allen drei Gütekriterien das Beste. Das fünf Parameter van Genuchten Modell (van Genuchten, 1980) sowie die Modelle nach Globus (1987) und Kosugi (1996, 1997) schnitten im Mittel ebenfalls sehr gut ab. Das Globus Modell lieferte allerdings, gefolgt von dem nach Rossi und Nimmo (1994) und dem van Genuchten Modell mit jeweils fünf Parametern, mit Abstand am häufigsten den besten Fit. Nach dem AIC war das Modell von Kosugi (1996, 1997), knapp vor den Modellen von Khlosi et al. (2006), Assouline et al. (1998) und dem nach Rossi und Nimmo (1994) mit vier Parametern, am häufigsten das Beste.
Da fast alle getesteten Modelle für mindestens einen Datensatz das Beste waren, muss man auch fast alle testen, um im konkreten Fall das beste Modell zu finden. Für sandige Substrate lieferte das fünf Parameter van Genuchten Modell, gefolgt von den beiden Modellen nach Rossi und Nimmo (1994), im Mittel den besten Fit. Das Modell nach Kosugi (1994) war für eher tonige Substrate im Mittel das Beste. Hier folgten das Globus Modell und das Kosugi Modell mit vier Parametern. Die Reihenfolge der Modelle war immer von der Fitmethode unabhängig.
Seit der Industrialisierung und in der Zeit des wirtschaftlichen Aufbaus sind zahlreiche kontaminierte Flächen entstanden. Diese Flächen müssen zum Schutz von Mensch und Umwelt vor der Freisetzung von Schadstoffen saniert werden. Die Sanierung dient nicht nur allein der Abwehr von Gefahren, sondern ist eine Voraussetzung für eine Wiedernutzung als Industrie-, Gewerbe- oder Siedlungsflächen. Der nachhaltige Umgang mit der Umwelt ist heute in verschiedenen Gesetzen festgelegt. Die Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung schreibt eine Sickerwasserprognose vor, um bei Verdacht auf Kontamination oder Altlasten eine Beeinträchtigung der Grundwasserqualität ausschließen zu können. Als Sickerwasserprognose bezeichnet man die „Abschätzung der von einer Verdachtsfläche, schädlichen Bodenveränderung etc. ausgehenden oder in überschaubarer Zukunft zu erwartenden Schadstoffeinträge vom Sickerwasser in das Grundwasser unter Berücksichtigung von Konzentrationen und Frachten und bezogen auf den Übergangsbereich von ungesättigter zu gesättigter Zone“. Ein Aufgabenfeld der Sickerwasserprognose ist, neben der Bestimmung einer Transportprognose, die Ermittlung der Quellstärke. Diese kann durch Säulenversuche und durch Schüttelversuche bestimmt werden.
Im Rahmen der Diplomarbeit werden Säulen- und Schüttelversuche mit C14-makiertem Phenantren an künstlich kontaminiertem Bodenmaterial am Forschungszentrum Jülich durchgeführt. Es sollen die Auswirkungen unterschiedlicher Aufsättigungsverfahren auf das Auslaugverhalten von PAK bei Säulenversuchen erkannt und quantifiziert werden. Ziel der Arbeit ist es, Prozesshypothesen zur Freisetzung von Kontaminanten aus Böden in Schüttelversuchen und in Säulenversuchen zu prüfen und die Versuchsverfahren zu validieren.
Waldbrände werden größtenteils durch den Menschen verursacht. Im Gegensatz zu beispielsweise Nordamerika, wo noch ein wesentlicher Teil der Waldbrände auf natürliche Ursachen (Blitzschlag) zurückgeführt wird, beträgt dieser Anteil in Deutschland weniger als 2%. Waldbrände entstehen also in unserer Region fast ausschließlich durch menschliches Einwirken wie Fahrlässigkeit oder Brandstiftung. Für viele Waldbrände lässt sich eine genaue Brandursache zudem gar nicht ermitteln.
Wenn die Gefahr von Waldbränden steigt, wird beispielsweise deshalb oft davor gewarnt, nicht im Wald zu rauchen oder Glasflaschen im Wald liegen zu lassen, da sie Auslöser von Waldbränden sein könnten. Die Auffassung, dass herumliegende Glasscherben ähnlich wie eine Leselupe wirken und durch einen Brennglaseffekt Feuer verursachen können, scheint in der Öffentlichkeit weit verbreitet zu sein (siehe z.B. Eintrag in Wikipedia zu Waldbränden. Um Streuauflagen entzünden zu können, müssen allerdings Temperaturen von mindestens etwa 280°C erreicht werden. Über Glasscherben und -flaschen als Brandursache sind nur wenige Untersuchungen oder Literaturstellen zu finden. Herumliegendes Glas wird darin als Waldbrandursache meist aber als eher unwahrscheinlich erklärt.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll deshalb die Entzündungsmöglichkeit durch Glasscherben noch einmal genauer betrachtet werden. Dies soll hauptsächlich durch eine Reihe von Experimenten unter Freilandbedingungen erfolgen, die in Zusammenarbeit mit der Agrarmeteorologischen Forschungsstelle des Deutschen Wetterdienstes (DWD) in Braunschweig durchgeführt werden. Bei optimalen Strahlungsbedingungen werden verschiedene Glasscherben mit einem Stativ in eine optimale Positionierung und Ausrichtung zur Sonne gebracht, so dass ein möglichst scharf umrandeter Lichtfleck auf der Streuoberfläche zu finden ist. Mit einer Infrarot-Thermografiekamera wird die Temperaturentwicklung an der Streuoberfläche erfasst. Daneben erfolgt die Messung meteorologischer Größen wie Lufttemperatur, relativer Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit und Strahlung. Die Versuche werden mit verschiedenen Streuauflagen durchgeführt, die ebenfalls in Hinblick auf Streuart, Alter, und Trockenheit charakterisiert sind. Die Zündexperimente sollen möglichst auch unter Laborbedingungen wiederholt werden.
Im Institut für Physik der Kondensierten Materie der TU Braunschweig werden Versuche zur geometrischen Optik durchgeführt, mit denen eine Vorauswahl geeigneter Glasscherben für die Versuche vorgenommen wird.
Im Zusammenhang mit dem vorsorgenden Bodenschutz und der nachhaltigen Bodennutzung wie sie im Rahmen des Bundesbodenschutz Gesetzes festgeschrieben sind, ist es u.a. wichtig, Kenntnissse über die Auswirkungen unterschiedlicher Bodenbearbeitungsvarianten in der landwirtschaftlichen Bodennutzung zu gewinnen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Betrachtung von Regenwürmern, da diesen eine Hauptrolle in der Strukturbildung von Böden beigemessen wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb untersucht, inwieweit verschiedene Bodenbearbeitungsmaßnahmen sich direkt auf die Regenwurmaktivität auswirken, und wie diese wiederum die Infiltrationseigenschaften von Ackerböden beeinflussen kann.
Im Zeitraum von Ende Mai 2005 bis Ende September 2005 wurden eine Reihe von entsprechenden Feldversuchen und Beprobungskampagnen auf dem Gelände der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) in Braunschweig durchgeführt. Es wurden dazu Flächen ausgewählt, die bereits langjährig durch die Bodenbearbeitungsvarianten „Direktsaat", „Mulchsaat mit Lockerung" (konservierend) und „Pflugbearbeitung" (konventionell) bestellt werden. Die Regenwurmaktivität wurde durch die Bestimmung der Abundanzen, der Artenverteilung und der Biomasse untersucht. Die Tiere wurden mit der Oktettmethode nach Thielemann und der Formalin-Austreibung nach Raw gefangen und anschließend im Labor untersucht. Die Untersuchung der Infiltrationseigenschaften der drei Standorte erfolgte zum Einen durch Messungen der gesättigten und ungesättigten Leitfähigkeit mithilfe von Ring- und Tensionsinfiltrometern. Zum Anderen wurden Farbtracerversuche mit „Brilliant Blue" durchgeführt, um die Konnektivität der Makroporen und das Verhältnis zwischen wasserleitenden und nicht wasserleitenden Poren zu bestimmen. Zusätzlich wurden begleitend die physikalischen Bodenparameter Lagerungsdichte, Porosität, Retentionsvermögen und C- und N-Gehalt bestimmt, um zu überprüfen, ob auf den drei Standorten ähnliche Lebensraumbedingungen für Regenwürmer herrschen und ob diese Parameter im Verhältnis zur Regenwurmaktivität nicht zu stark von der Bodenbearbeitung beeinflusst werden.
Bei der Untersuchung der Regenwurmaktivität konnte festgestellt werden, dass sich diese signifikant in den unterschiedlichen Bodenbearbeitungsvarianten unterscheidet. Je geringer die Intensität der Bearbeitungsmaßnahmen ist (Pflugbearbeitung > Mulchsaat mit Lockerung > Direktsaat) desto höhere Abundanzen der gefundenen Arten Aporrectodea caliginosa und Lumbricus terrestris konnten festgestellt werden. Der gleiche Trend war auch bei der Gesamtbiomasse zu erkennen. Unter der Direktsaatfläche wurde außerdem eine zusätzliche endogäische Art (Aporrectodea rosea) gefunden. Ähnliche Trends waren auch in den Ergebnissen der Infiltrationsversuche zu erkennen. Allerdings lieferte die Messung der gesättigten und ungesättigten Leitfähigkeit, über deren Verhältnis die Entwässerung durch Poren >1,5 mm bestimmt werden konnte, keine eindeutigen Ergebnisse. Hierbei war lediglich ein deutlicher Unterschied zwischen der Pflugbearbeitung und den anderen beiden Bearbeitungsvarianten zu erkennen. Unter der Pflugbearbeitung spielten diese Poren bei der Entwässerung eine deutlich untergeordnete Rolle. Im Gegensatz dazu wiesen die Ergebnisse der Farbtracerversuche einen eindeutig signifikanten Einfluss der Bodenbearbeitung auf das Infiltrationsvermögen der Makroporen/Regenwurmgänge >1,5 mm nach. Je umfangreicher und tiefer die Bodenbearbeitung war, desto geringer ist der Anteil dieser Poren bei der Infiltration. Die Ergebnisse aus den Infiltrationsversuchen lassen sich deshalb gut mit der Regenwurmaktivität in Verbindung bringen. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Regenwürmer einen entscheidenden Einfluss auf die Infiltration von Niederschlagswasser in den Boden haben und eine unterschiedliche Bodenbearbeitung die Regenwurmaktivität und damit die Infiltration beeinflusst. Je schonender die Bearbeitung ist, desto konnektiver ist das von den Regenwürmern geschaffene Netzwerk an Makroporen und desto mehr Wasserabfuhr findet durch dieses statt. Eine bedeutende Rolle spielen dabei vor allem die an die Oberfläche mündenden Gänge, durch die das Wasser schnell in das Gangsystem infiltrieren kann. Reduzierte Bodenbearbeitung kann demnach einen wichtigen Beitrag zum Erhalt und der Verbesserung der Bodenstruktur leisten. Über die Förderung der Regenwurmaktivität und damit ihrer strukturierenden Tätigkeit, kann so zum Beispiel die Erosion durch Obernächenabfluss bei Starkregenereignissen verringert und das Hochwasserrisiko in Flusseinzugsgebieten reduziert werden.
Die genaue Kenntnis der bodenhydraulische Eigenschaften ist eine Vorraussetzung für die Modellierung der Wasserbewegung in der ungesättigten Zone. Diese Eigenschaften werden meist durch Laborexperimente an relativ kleinen Bodenproben bestimmt. Dagegen laufen die zu modellierenden Prozese häufig auf einer größeren Skala, typischerweise der Pedon- oder Feldskala, ab. Der Unterschied in der Größenordung zwischen Mess- und Modellskala stellt jedoch ein ernsthaftes Problem dar, da eine Labormessung nicht unbedingt representätiv ist für die in situ-Eigenschaften des Bodens.
Das Ziel dieser Arbeit war es, die auf der Laborskala bestimmten hydraulischen Eigenschaften auf ihre Belastbarkeit für die Voraussage des Wasserflusses auf der Lysimeterskala zu testen. Für diesen Zweck wurden Multistep Outflow Experimente an vier Bodensäulen und einem Lysimeter durchgeführt. Die Bestimmung der bodenhydraulischen Eigenschaften erfolgte über inverse Modellierung unter Verwendung der Richards-Gleichung. Die Parametrisierung der bodenhydraulischen Eigenschaften erfolgte zum einen mit Hilfe des klassischen van Genchten-Mualem Modells, zum anderen unter Verwendung frei geformter Funktionen. Als Füllmaterial für Bodensäulen und Lysimter diente ein Quarzmehl wohl definierter Körnung.
Die beobachtete Variabilität in den bodenhydraulischen Eigenschaften der vier Bodensäulen wurden auf Unzulänglichkeiten der verwendeten Packmethode zurückgeführt. Die Verwendung der laborskaligen Eigenschaften für die Vorhersage der Wasserbewegung auf der Lysimeterskala führte zu systematischen Abweichungen zwischen Messdaten und Simulation. In allen Fällen wurde dabei der kumulative Ausfluss des Lysimeters überschätzt. Der Fehler in der Vorhersage kann mit Unterschieden in den labor- und lysimeterskaligen Eigenschaften begründet werden. Diese Unterschiede resultieren vermutlich aus Heterogenitäten der Lysimeterfüllung sowie unterschiedlichen Anfangsbedingungen.
Die räumliche Variabilität von Pflanzenschutzmittelrückständen im Obst- und Gemüsebau sind der Hauptgrund für Unsicherheiten in der Rückstandsanalyse. Das kann zu Fehleinschätzungen führen, wenn beurteilt werden soll, ob eine untersuchte Charge die gesetzlich geregelten maximalen Rückstandsmengen überschreitet oder nicht. Die maximalen Rückstandsmengen entscheiden über Marktfähigkeit und mögliche Gesundheitsrisiken eines Produktes. Ungenügende Kenntnis über gesundheitliche Risiken von Pflanzenschutzmittelrückständen und die Entwicklung der Schwellenwerte führen zu einer vereinfachten öffentlichen Diskussion über Pestizide in Nahrungsmitteln. Der Einfluss der Rückstandsvariabilität wird im allgemeinen unter der Annahme einer Zufallsverteilung abgeschätzt. Allerdings gibt es Hinweise darauf, dass die Applikationstechnik die Variabilität von Pflanzenschutzmittelrückständen systematisch beeinflusst.
Das Ziel dieser Arbeit war es, zu einer differenzierteren Beurteilung des Gebrauchs von Pflanzenschutzmitteln und der Bedeutung der Rückstandsanalyse beizutragen. Um die Frage zu beantworten, ob Pflanzenschutzmittelrückständen innerhalb eines Feldes tatsächlich zufällig verteilt sind, wurde die Beziehung zwischen Applikationstechnik und der Variabilität von Pflanzenschutzmittelrückständen untersucht. Die Vorgehensweise bei der Festsetzung von MRLs wird erleutert. Die möglichen Zusammenhänge zwischen Applikationstechnik und Rückstandsvariabilität wurden untersucht, indem einzelne Fruchteinheiten aus Bereichen des Gewächshauses, in denen eine Abweichung von der durchschnittlichen Rückstandsmenge erwartet wurde, untersucht wurden. Diese Bereiche waren (i) die vier Ecken des Gewächshauses, (ii) der Bereich um die Anschlüsse, an denen die Applikationsgeräte an das Verteilungssystem angeschlossen werden und (iii) hoch und tief gelegene Pflanzenteile. Die Untersuchungen wurden in drei verschiedenen Beständen mit verschiedener Applikationstechnik durchgeführt. Die Rückstandmengen der einzelnen Fruchteinheiten wurden räumlich interpoliert, um Verteilungsmuster sichtbar zu machen. In einer Kirschtomatenkultur wurde die Verteilung von drei, in einer Auberginenpflanzung von vier und beim Anbau von Grünen Bohnen zwei Wirkstoffe untersucht.
Ungeachtet der untersuchten Kultur und der Tatsache, dass die Wirkstoffe ein oder mehrmals hintereinander ausgebracht wurden, zeigten verschiedene Wirkstoffe verschiedene Rückstandsverteilungsmuster. Nur in einem Fall wurden signifikante Unterschiede im Vergleich zur mittleren Rückstandmenge innerhalb eines Bereichs des Gewächshauses festgestellt. Die Variationskoeffizienten der Durchschnittswerte (bis zu 200%) deuteten auf eine hohe Variabilität der Rückstandsmengen innerhalb der Proben. Die räumliche Interpolation zeigte, dass nur einige der in einer Kultur ausgebrachten Substanzen miteinander verknüpft waren. Fünf von neun Wirkstoffen zeigten eine räumliche Verknüpfung. In vier dieser Fälle konnte gezeigt werden, dass diese Verknüpfung durch einzelne Stellen mit besonders hoher Rückstandsmenge verursacht wurden. Diese Stellen lagen überwiegend an den Gewächshausgrenzen, die vertikal zu den Pflanzenreihen verlaufen. Erhöhte Acrinathrin-Rückstände in Grünen Bohnen wurden in der südwestlichen Ecke und entlang der nördlichen Grenze des Gewächshauses gefunden. Da die Wirkstoffe, die mehrmals hintereinander ausgebracht wurden, unterschiedliche Verteilungsmuster aufzeigten, konnte die Variabilität innerhalb eines Feldes im allgemeinen nicht durch systematische Effekte erklärt werden. Die höher gelegenen Pflanzenteile, die beim Ausbringen der Pflanzenschutzmittel mit tragbaren Applikationsgeräten schwieriger erreicht werden, zeigten geringere Rückstandsmengen. Unterschiede in den gefunden Rückstandsmengen von Mischproben werden durch einzelnen Teilproben mit besonders großen Rückstandmengen bestimmt. Aus den Mischproben konnte daher keine Beziehung zwischen Applikationstechnik und Vorkommen sowie Position der Stellen mit erhöhter Rückstandsmenge festgestellt werden. Die Verteilung von Pflanzenschutzmittelückständen innerhalb eines Feldes kann weiterhin als zufällig betrachtet werden. Um die Verlässlichkeit der Analysergebnisse zu erhöhen sollten Beprobungsstrategien angewendet werden, die es ermöglichen, einzelne Stellen mit erhöhten Rückständen zu detektieren.
Böden stellen einen wichtigen Speicher für organischen Kohlenstoff (Corg) und Stickstoff (N) dar. Beide Elemente durchlaufen dynamische Kreisläufe, deren Stationen (Pedosphäre, Hydrosphäre, Atmosphäre etc.) Reservoire unterschiedlicher Dauer und Größe repräsentieren. Diese C- und N-Dynamik ist ökologisch höchst bedeutsam. Die hier vorgestellte Diplomarbeit befasst sich mit dieser Dynamik in Böden unter natürlichen und sekundären Wäldern. Es werden zwei Gebiete untersucht, die sich beide in der Provinz Heilongjiang im Nordosten der Volksrepublik China befinden. Hier existieren neben Urwäldern auch unterschiedlich alte sekundäre Wälder, die sich nach einem oder zwei Kahlschlägen natürlich regenerieren konnten.
Die Schwerpunkte der Analysen sind:
Durch Vergleiche der abgeschätzten Gesamtmengen an C und N soll die Langzeitentwicklung nach einem bzw. zwei Kahlschlägen gegenüber einem ungestörten Bestand abgeschätzt werden. Falls möglich, sollen anhand aufgestellter C- und N-Massenbilanzen die Waldökosysteme in ihrer Funktion als Quelle oder Senke bezüglich C und N klassifiziert werden.
Das starke Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum der V.R. China ließ den Holzverbrauch in den letzten 25 Jahren deutlich steigen. Im Jahre 1980 waren nur 12% der Landesfläche bewaldet. Dies hatte eine verstärkte Aufforstung zur Folge, die nicht nur den heutigen und zukünftigen Holzbedarf decken sollte, sondern gleichzeitig auch Wind- und Wassererosion sowie Desertifikation reduzieren sollte. In der Provinz Shandong, die zu dem sich schnell entwickelnden nord-zentralen Bereich Chinas zählt, wird überwiegend Ackerland in intensiv genutzte Holzplantagen umgewandelt. Die Umwandlung des Ackerlandes sowie die folgende Nutzung der schnell wachsenden Monokulturen könnte langfristig eine Veränderung der C- und N-Dynamiken des Bodens zur Folge haben. Die ökologische Relevanz dieser Dynamiken betrifft sowohl die regionale Skala, z.B. die Abnahme der Bodenfruchtbarkeit, als auch die globale Skala in Hinblick auf die gasförmige Freisetzung klimarelevanter, reaktiver C- und N-Verbindungen. Die vorliegende Studie wurde in 2 vergleichbaren Gebieten in der Provinz Shandong durchgeführt. Untersucht wurden sowohl Ackerstandorte als auch Pappelplantagen, die aus Ackerland hervorgegangen sind. Als Faktoren wurden die Generation, das Bestandesalter und die Pappelsorte berücksichtigt. Es wurden folgende Analysen, zum größten Teil an der China Agricultual University in Beijing, V.R. China, durchgeführt:
Die Untersuchungen sollen zu einem besseren Verständnis der Konsequenzen einer Umwandlung von Ackerland zu einer nachfolgend intensiv genutzten Pappelplantage beitragen. Durch das Erstellen von Massenbilanzen soll die Funktion des Bodens auf lange Zeit gesehen als Quelle oder Senke für C und N ermittelt werden. Des Weiteren kann die Arbeit zu der Entwicklung ökologisch und ökonomisch nachhaltiger Systeme beitragen.
Die organische Bodensubstanz (OBS) spielt für zahlreiche Bodeneigenschaften eine entscheidende Rolle. Besonders hervorzuheben ist die Speicherung von Nährstoffen. Durch landwirtschaftliche Nutzung ist die OBS gegenüber natürlichen Ökosystemen tiefgreifenden Veränderungen unterlegen, die sowohl die Qualität als auch die Quantität betreffen. Diese Veränderungen können sich – je nach Art der Bearbeitung und Ausprägung des Bodens – positiv oder negativ auswirken.
Diese Diplomarbeit widmet sich sibirischen Böden verschiedener Klimazonen, die unter natürlichen Bedingungen zum Teil durch sehr hohe Gehalte an OBS geprägt sind. Die Untersuchungsgebiete liegen im südlichen Teil des westlichen Sibiriens in der Steppe (Schwarzerde) , der Waldsteppe (degradierte Schwarzerde) und der südlichen Taiga (Albeluvisol). Vergleichend wird die OBS von landwirtschaftlich genutzten (Dauerexperimente) und natürlichen Standorten untersucht, wobei erwartet wird, dass es aufgrund der zum Teil sehr hohen Ausgangsgehalte an organischer Substanz zu erheblichen Freisetzungen von CO2 und reaktiven N-Verbindungen durch verstärkten Abbau der OBS infolge landwirtschaftlicher Nutzung kommen kann.
Die für diese Diplomarbeit hauptsächlich relevanten Analysen widmen sich:
Von Seiten einer Arbeitsgruppe der Universität Basel werden Daten zu allgemeinen bodenchemischen Parametern und Nährstoffgehalten zur Verfügung gestellt. Durch eine weitere Kooperation mit der Fachhochschule Weihenstephan ist es zudem möglich, Ergebnisse aus einer thermogravimetrischen Analyse mit einzubinden.
ie gegenwärtige Energieversorgung beruht zum größten Teil auf fossilen Energiequellen. Aufgrund von sich verknappenden Ressourcen und einem weltweit anwachsenden Energiebedarf und der damit verbundenen Zunahme der Umweltbelastungen müssen langfristig gesehen andere Energiequellen erschlossen werden. In diesem Zusammenhang wird auf das große Solarenergiepotenzial in Nordafrika hingewiesen, welches theoretisch den Weltenergiebedarf um ein Vielfaches deckt. Unter Einsatz solarthermischer Kraftwerkstechnologie kann vor Ort Solarstrom produziert und mit Hilfe von Hochspannungsgleichstromübertragungen auch über große Entfernungen verlustarm nach Europa transportiert werden.
In dieser Arbeit werden dazu die Umweltauswirkungen beschrieben, die sich aus der Installation der diesbezüglich notwendigen, neuen Infrastruktur ergeben. Weiterhin wird eine GIS-gestützte Trassenlegung unter ökologischen Gesichtspunkten durchgeführt. Die resultierenden Trassen werden zusammen mit den Kraftwerken im Rahmen einer Ökobilanzierung auf mögliche Umweltwirkungen und stoffliche und energetische Ressourcenverbräuche untersucht. Dabei kann gezeigt werden, dass die Stromleitung im Vergleich zum Kraftwerk nur einen geringen Beitrag zu den auftretenden Umweltwirkungen leistet. Der Vergleich der auf eine Kilowattstunde normierten Gesamtergebnisse aus der Wirkungsabschätzung mit einem Referenzstrom- Mix ergibt in allen Bereichen eine deutlich geringere Umweltbelastung. Nur was die stofflichen Ressourcenaufwendungen betrifft, sind größere Stoffmengen zum Aufbau der Infrastruktur notwendig.
Das Thema der Diplomarbeit ist eingebettet in eine Studie für das Bundesministerium für Umwelt zum Solarstromtransfer aus dem Mittelmeerraum (TRANS-CSP) im Rahmen der Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation (TREC), und wurde am DLR in Stuttgart unter Betreuung von Dr. Franz Trieb bearbeitet.
Der Wasserstatus von Böden beeinflusst ökosystemare Stoff- und Energieumsetzungen auf allen Skalen. Zur Quantifizierung der Ausbreitung von Schadstoffen im Boden ist daher eine korrekte Beschreibung des ungesättigten Wassertransports erforderlich, welche eine eindeutige Bestimmung der bodenhydraulischen Eigenschaften voraussetzt. In diesem Zusammenhang gilt besonderes Interesse der Frage nach der Übertragbarkeit bodenhydrologischer Prozesse auf größere Skalen. Um die bestehende Skalenlücke zwischen Labor und Feld zu schließen, wurde in dieser Arbeit die Lysimeterskala gewählt.
Ziel der Untersuchungen war die Beantwortung der Frage, inwieweit effektive hydraulische Eigenschaften heterogener, geschichteter Böden auf der Lysimeterskala existieren. Der Schwerpunkt lag auf der Prüfung der Eindeutigkeit der geschätzten effektiven hydraulischen Parameter. Des Weiteren wurden synthetische Untersuchungen an homogenen Böden unter Variation der Lysimeterinstrumentierung vorgenommen. Dazu wurde die Methode der inversen Modellierung unter Einbeziehung des global konvergenten Shuffled-Complex-Evolution-Algorithmus angewandt. In den Modellierungen wurden sowohl synthetisch generierte Daten als auch Messdaten eines realen Großlysimeterexperiments herangezogen. Die synthetischen Studien wurden an drei unterschiedlich heterogenen, zweischichtigen Bodenprofilen unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen und Fließrichtungen durchgeführt. Das reale Lysimeterexperiment fand unter atmosphärischen Randbedingungen statt und beinhaltete hoch aufgelöste Messungen von Wassergehalten, Matrixpotentialen sowie Ausflüssen.
Es zeigte sich, dass die hydraulischen Eigenschaften homogener Böden durch Anwendung der inversen Methode im Allgemeinen eindeutig identifiziert werden konnten. Auch im Fall schwach heterogener, geschichteter Böden besaß die lokal gültige Richardsgleichung zur Quantifizierung des ungesättigten Wassertransports auf der Lysimeterskala Gültigkeit. Für stark heterogene, geschichtete Böden hingegen traf die Quasi-Homogenitätsannahme des Bodens nicht zu, sodass keine gültigen effektiven Prozessbeschreibungen und effektiven hydraulischen Eigenschaften existieren. Eine Alternative zur Schätzung effektiver hydraulischer Parameter stellt bei starker Heterogenität die simultane bzw. separate Identifikation der hydraulischen Eigenschaften einzelner Bodenschichten dar. Diese Ergebnisse wurden durch die inverse Modellierung des ungesättigten Wassertransports unter Einbeziehung der realen Lysimeterdaten bestätigt.
Die ungestörte Erfassung von Bodenwasser mithilfe unterschiedlicher Probennahmeverfahren stellt noch immer ein nicht gelöstes Problem dar. Sie ist von wissenschaftlichem, vor allem aber praktischem Interesse, dient sie doch der Sickerwasserprognose sowie der Ermittlung von in den Boden eingetragene Stofffrachten. Eine repräsentative in-situ Beprobung ist grundsätzlich schwer, weil durch Einbau und Betrieb der Entnahmegeräte der Ort der Beprobung beeinflusst wird. Ziel dieser Arbeit war der Vergleich verschiedener Probenentnahmeverfahren. Hierfür wurden Geräte unterschiedlicher Bau- und Funktionsweise in einem kontrollierten Freilandversuch auf experimentelle Weise betrieben. Es wurden Saugkerzen, Saugplatten, Docht- und Rillenlysimeter in einen sandigen Lehm installiert, welche sich in Größe und Form unterschieden. Es fanden definierte Beregnungen mit Wasser und gleichzeitige Applikation von inerten Tracern statt. Sie wurden in zwei Versuchsphasen mit unterschiedlichen Unterdrücken durchgeführt. Anhand von Wiederfindungsraten der Wasser- und Stoffmengen konnten die Vergleiche vollzogen werden. Die Ergebnisse wurden mit Simulationsergebnissen abgeglichen.
Mit hohem Unterdruck (300 cm WS) ergaben sich für alle Saugkerzen und Saugplatten höhere Probenmengen und geringere Variabilitäten. Zugleich wurden in dieser Unterdruckstufe unerwartet hohe Wiederfindungsraten für Saugplatten ermittelt (700% bis 1300%). Mit moderatem Unterdruck (100 cm WS) ergaben sich Wiederfindungsraten für Saugplatten von 80% bis 170%. Tendenziell haben kleinere Sauggeräte im Vergleich zu größeren Geräten höhere Variabilitäten. Über die Oberfläche in den Boden eingebaute Saugkerzen und Saugplatten erfassten im Vergleich zu seitlich eingebauten Geräten größere Stoff- und Bodenwassermengen. Außerdem traten bei seitlich eingebauten Geräten auch höhere Variabilitäten auf. Die Lysimeter (Docht- und Rillenlysimeter) ergaben Wiederfindungsraten, deren Werte maximal bei 13% lagen. Mit den Ergebnissen der Simulation wurden die gemessenen hohen Wiederfindungsraten von Saugplatten theoretisch bestätigt.
Insgesamt kann man sagen, dass hohe Saugdrücke das System stark beeinflussen. Dennoch haben diese Saugdrücke den Vorteil, dass ausreichende Mengen an Bodenwasserproben vorhanden sind, um bei der Laboranalyse Inhaltsstoffe bestimmen zu können. Ziel weiterer Untersuchungen wäre eine Anpassung an den Bodenwasserhaushalt in dem Sinne, dass mit möglichst niedrigen Unterdrücken ausreichend Bodenwasserproben erhalten werden.
In Böden führt Hydrophobizität nahe der Oberfläche zu präferentiellem Fluss und Transport, da sie ein Eindringen des Wasser in hydrophoben Regionen verhindert und sich die Wasserflüsse in den hydrophilen Bereichen konzentrieren. Die Heterogenität des Fließfeldes ist das größte Problem bei der Vorhersage des Transports von Schadstoffen durch den Boden.
Zur Erfassung und Quantifizierung der Heterogenität des Fließfeldes in einem mit Schwermetallen und Teerölen kontaminierten Boden wurden deshalb Tracerexperimente durchgeführt. Brilliant Blue FCF Tracer wurde zu drei Terminen mit unterschiedlichen Beregnungshöhen appliziert. Die Fließmuster wurden ausgewertet, indem die Variabilität des gefärbten Flächenanteils aus den Fotos der Profile mit Bildverarbeitungssoftware berechnet wurde. Um den Einfluss der Hydrophobizität auf die Infiltration zu untersuchen, wurde diese zusammen mit Wassergehalt und Gehalt an organischer Substanz für Proben von den Profiloberflächen bestimmt. In allen Profilen wurde ein ausgeprägter präferentieller Fluss vorgefunden. Der gefärbte Flächenanteil schwankte sehr stark zwischen und innerhalb der Profile und lag zwischen 8 und 40 %. Die Hydrophobizität, die in den ersten 10 cm heterogen verteilt ist, verhinderte die Infiltration in großen Teilen der Profile. Bereiche hoher Hydrophobizität hatten niedrigen Wassergehalten und waren nicht gefärbt. Das Wasser infiltrierte in den hydrophilen Bereichen und färbte diese. Im Unterboden, der durchgängig nicht hydrophob war, konnte auch präferentieller Fluss festgestellt werden.
Mit einem zweidimensionalen numerischen Wasser- und Stofftransportmodell wurde der Einfluss des heterogenen Wasserflusses auf die Auswaschung und den Transport von Schadstoffen untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass zunächst der Austrag der Schadstoffe durch das heterogene Fließfeld beschleunigt ist und größere Mengen liefert. Für den mit dem Regenwasser applizierten Stoff wachsen die Unterschiede in den Austragsmengen zwischen Regionen präferentiellen Transports und Regionen mit geringen Wasserfluss immer weiter an. Für die im Boden befindlichen Schadstoffe nimmt der Transport im heterogenen Fall schnell ab. Erstens wird ein Teil des Schadstoffvorrats vor dem Austrag geschützt, da große Bereiche des Profils umflossen werden. Zweitens nimmt die Konzentration in den präferentiellen Fließbahnen durch die Auswaschung schnell ab. Für die Simulation von wenig retardierenden Stoffen erfolgt die komplette Auswaschung unter homogenen Fließbedingungen wesentlich schneller. Die Simulationen zeigen des weiteren, dass eine Beprobung des Sickerwassers an bestimmten Punkten oder Regionen im Profil extrem unterschiedliche Ergebnisse liefern kann, je nachdem ob die Beprobung in oder neben den präferentiellen Fließbahnen durchgeführt wird.
Das räumlich semi-explizite, konzeptionelle Dynamic Topmodel wurde erfolgreich an das mesoskalige Brugga-Einzugsgebiet in Südwest-Deutschland angepasst. Eine Abschätzung der Vorhersageunsicherheit erfolgte mit der Methode der Generalised Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE). Bei einer insgesamt hohen Modellgüte wurden vor allem trockene Perioden und ausgedehnte Rezessionen gut vom Modell wiedergegeben, mit schmalen Unsicherheitsbandbreiten.
Das Konzept der zwei Abflusskomponenten von Dynamic Topmodel reichte hingegen nicht aus, alle Eigenschaften der gemessenen Abflussganglinie gleichzeitig wiederzugeben. Kurze Rezessionen gerieten systematisch zu flach und wurden damit überschätzt. Darüber hinaus war es nicht möglich, die schnellen Reaktionen des Einzugsgebiets auf kurze Niederschlagsereignisse hinreichend genau abzubilden. Des weiteren zeigte das Schneemodul, das innerhalb dieser Arbeit eingeführt wurde, Mängel, die es in Zukunft zu verbessern gilt.
Mit einer veränderten Modellformulierung, die eine zusätzliche Beschreibung der gesättigten Flächen innerhalb des Konzepts der Hydrological Similarity Units (HSU) einführt, konnte eine physikalisch realistische Beschreibung für die schnellen Reaktionen auf kurze Niederschlagsereignisse gefunden werden. Dieser zusätzliche Prozess konnte allein aus den Abflussmessungen am Gebietsauslass abgeleitet werden. Die Modellfehler bezüglich kurzen Rezessionen und Schneeperioden blieben jedoch auch bei dieser Modellformulierug bestehen.
Es ist anzunehmen, dass die Einführung einer dritten, mittelschnellen Abflusskomponente die Simulation kurzer Rezessionen verbessern würde. Voraussetzung ist, dass dieser Prozess unabhängig aus gemessenen Daten abgeleitet werden kann. Zur Verbesserung des Schneemoduls wird angenommen, dass Fernerkundungsdaten von großem Wert für externe Tests der Routine sind.
Durch Intensivierung der Landwirtschaft in den ländlichen Gebieten Nordthailands werden in erhöhtem Maße Pestizide und Düngemittel angewendet. Die Applikation dieser Agrochemikalien in großen Mengen stellt eine erhebliche Bedrohung der Ökosysteme und der Gesundheit des Menschen dar. Diese sind v.a. durch Aufnahme von Pestiziden mit dem Trinkwasser gefährdet. Die Arbeit wurde im Rahmen eines Sonderforschungsbereiches der Universität Hohenheim angefertigt, der sich sowohl mit einer nachhaltigen ländlichen Entwicklung als auch mit nachhaltiger Landnutzung beschäftigt. Das Unterprojekt, in das die Diplomarbeit eingebettet ist, erforscht auf einem landwirtschaftlich genutzten Hang die Verlagerung von Agrochemikalien im Boden und die Möglichkeit der Simulation dieser Abläufe. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, laterale Flüsse im Boden zu quantifizieren, und das Modell Hydrus2D zu validieren, sodass der Wasser- und Stofftransport im Boden berechnet werden kann und das Modell als prädiktives Werkzeug einsetzbar wird.
Eine Versuchsparzelle mit den Dimensionen 5 m x 2 m, deren Längsseiten senkrecht zu den Höhenlinien verliefen, wurde bis in die Tiefe von 1.2 m aufgegraben und in die Längsseiten wurden an 5 Hangpositionen und in 5 Tiefen je 25 TDR-Sonden und Tensiometer eingebaut. Alle Seiten wurden mit Folie abgedichtet, um nichtquantifizierbare Flüsse auszuschließen. Die Parzelle wurde täglich mit 10 mm Wasser diskontinuierlich beregnet. Nach 17 Tagen wurde auf einen hangparallelen Streifen in der Mitte des Plots einmalig Kaliumbromid (KBr) aufgegeben. Um die Verlagerungstiefe zu kontrollieren wurde auf der Applikationsfläche alle 5 Tage mittels Pürckhauerbeprobung ein Monitoring durchgeführt. Nach 25 Tagen wurde der Versuch abgebrochen und 16 Proben in regelmäßigen Abständen genommen, in 10 cm tiefe Abschnitte unterteilt und mittels Ionenchromatographie analysiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass nur im Oberboden geringfügig laterale Flüsse stattfinden, die durch andere Prozesse im Unterboden kompensiert werden. Die hohen Konzentrationen nach 25 Tagen auf der Applikationsfläche fallen innerhalb von 5-15 cm hangabwärts um einige Größenordnungen ab. Die Ausbreitungsvorgänge sind dispersiver Natur. Die Maximalkonzentrationen konnten zu allen Zeitpunkten gut mit Hydrus2D berechnet werden, während die Verlagerungstiefen nur in den ersten 10 Tagen zufriedenstellend nachvollzogen werden konnten und danach deutlich überschätzt wurden. Ein Peak, der durch präferentiellen Fluss entstanden ist, konnte im Modell nicht erzeugt werden, außerdem wurde die laterale Ausbreitung erkennbar überschätzt. Zur Vorhersage von maximalen Konzentrationen im Oberboden ist das Programm geeignet, für Fragestellungen, in denen die Verlagerungstiefe, bzw. -geschwindigkeit oder die transversale Ausbreitung von Bedeutung ist, muss von einer Nutzung abgeraten werden.
Die Entwicklung detaillierter, prozessbasierter Modelle dient dem Verständnis hydrologischer Systeme. Aufgrund der Komplexität dieser Modelle sind die Modellvorhersagen mit Unsicherheiten behaftet. Die Bestimmung der Unsicherheiten wird deutlich erleichtert, wenn statt der komplexen Beschreibung aller ablaufender Prozesse einfache, effektive Prozessbeschreibung verwendet werden.
Das Ziel dieser Arbeit war es, herauszufinden, unter welchen Rand- und Systembedingungen eines Klima-Boden-Pflanze-Systems die durch das komplexe hydrologische Modell (basierend auf der Richardsgleichung) beschriebene aktuelle Evapotranspiration und Grundwasserneubildung durch ein einfaches bucket-filling-Modell approximiert werden können. Für diesen Zweck wurden sowohl für die aktuelle Evapotranspiration als auch die Grundwasserneubildung drei einfache bucket-filling-Modelle entwickelt. Als prozessbasiertes Modell wurde HYDRUS-1D verwendet. Mit dessen Hilfe wurden für verschiedene Boden- und Pflanzentypen unter Verwendung vier verschiedener Klimaszenarien insgesamt 36 synthetische Datensätze erzeugt. Die Berechnung sowohl der aktuellen Evapotranspiration als auch der Grundwasserneubildung erfolgte in zwei-Stunden-Intervallen über den Zeitraum von einem Jahr. Zusätzlich wurden die kumulativen Flüsse auf Tagesbasis berechnet. Aus der so erzeugten Datenbank wurden zehn Datensätze für die aktuelle Evapotranspiration und sechs Datensätzen für die Grundwasserneubildung ausgewählt. Für die Kalibration der bucked-filling-Modelle wurden sowohl die einfachen als auch die kumulativen Flüsse verwendet.
Für alle zehn Datensätze konnten die bucket-filling-Modelle die einfache als auch kumulative aktuelle Evapotranspiration über das Jahr wiedergeben. Zwei der Modelle lieferten sogar identische Ergebnisse für die aktuelle Evapotranspiration während der regenreichen Phase im mediterrane Klimaszenario für einen Weizenbestand auf Lehm. Für den selben Standort lieferten alle Modell jedoch nur schlechte Vorhersagen für die Phase mit geringen Niederschlägen. Aus diesem Grund wurden die Modelle um eine Prozessbeschreibung des kapillaren Aufstiegs ergänzt. Zwei bucket-filling-Modelle für die Vorhersage der kumulativen Grundwasserneubildung zeigten gute Übereinstimmung für alle sechs Standorte, wobei keins der Modelle die zeitliche Dynamik widergeben konnte. Ob ein vereinfachtes Modell das Verhalten komplexere Modelle reproduzieren konnte, hing von den grundlegenden hydrologischen Prozessen als auch von den Systembedingungen ab.
Boden-Atmosphäre-Wechselwirkungen spielen eine zentrale Rolle bei der Entwicklung des Wettergeschehens und bei möglichen Klimaänderungen. Daher werden zunehmend atmosphärische Prozessbeschreibungen mit hydrologischen Modellen des Wasser- und Energiehaushaltes zu so genannten SVAT (Soil Vegetation Atmosphere Transfer)–Modellen gekoppelt. Die SVAT-Modelle werden meistens auf sehr großen Skalen angewendet, während die Prozessbeschreibungen auf sehr kleinen Skalen entwickelt wurden. So entsteht die Skalenproblematik.
Diese Arbeit beschäftigte sich mit der Untersuchung der „notwendigen Komplexität“ von Modellansätzen zur Beschreibung von latenten Wärmeströmen für unterschiedliche räumliche Skalen. Als Ausgangshypothese sollte gelten, dass sich der notwendige Grad an Modellkomplexität mit größerer Skala verringert und einfachere Modellansätze eine ausreichende Beschreibung darstellen. Verwendet wurden dafür die Modellansätze Penman-Monteith und Evaporative Fraction und zweiwöchige Datenreihen von Einzelstandorten der Großprojekte FIFE und NOPEX. Mit Hilfe des Optimieralgorithmus Levenberg-Marquardt und der Gütemaße E und RMSE wurde versucht, bestimmte Parameter der Einzelstandorte zu identifizieren, wobei sowohl die Identifizierbarkeit von vorher festgelegten Parametern als auch die Identifizierbarkeit und Güte der Anpassung der Originaldaten untersucht wurde. Zur Untersuchung der Skalenproblematik wurden die Einzelstandorte eines jeden Großprojektes zu Gesamtstandorten aggregiert.
Es zeigte sich, dass nach Penman-Monteith maximal zwei Parameter gut identifiziert werden konnten. Durch die Aggregierung wurde die Identifizierbarkeit der Parameter nach Penman-Monteith deutlich schlechter, während sich die Identifizierbarkeit nach dem einfacheren Modellkonzept Evaporative Fraction nicht verschlechterte. Es konnte festgestellt werden, dass sich der notwendige Grad an Modellkomplexität mit größerer Skala verringert und einfachere Modellansätze eine ausreichende Beschreibung darstellen.
In organisch bewirtschafteten Agrarsystemen erfolgt die Nachlieferung von Nährstoffen überwiegend über die Freisetzung aus organischer Substanz. Anteile an Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) werden als Vorrat an umsetzbarer organischer Substanz innerhalb von Aggregaten gespeichert.
In der vorliegenden Studie werden Böden verglichen, die sich in verschiedenen Phasen des Tulloch-Experiments (nahe Aberdeen) befinden. Es handelt sich um zwei verschiedene Fruchtfolgen mit 50 % bzw. 67 % Gras und Kulturpflanzen auf ökologisch bewirtschafteten Flächen. Es wurden wasserstabile Makroaggregate für Inkubationsversuche verwendet und daraus der Anteil der Speicherung der organischen Substanz und der Einfluss der Makroaggregate abgeschätzt. Intakte Aggregate wurden mit zerstörten Aggregaten verglichen. Dafür wurden Kohlendioxid- (CO2) und Stickstoffdioxid- (N2O) Emissionen in regelmäßigen Intervallen gemessen. Um die N-Mineralisationsrate abzuschätzen, wurden Ammonium (NH4) und Nitrat (NO3) vor, während und nach der Inkubation bestimmt. Um den Einfluss der Bodenfeuchte abzuschätzen, wurden unterschiedliche gravimetrische Wassergehalte (10 %, 20 %, 30 % und 40 %) verwendet. Außerdem wurden die getrockneten Aggregate mit frischem Boden verglichen. Mikrobielle Aktivität, ausgedrückt als Dehydrogenase- Aktivität, wurde ebenfalls gemessen.
Die vorliegende Studie ergab, dass die Speicherung von organischer Substanz in Makroaggregaten geringer war als angenommen. Der Einfluss von Wassergehalt und Aggregaten (Signifikanzen mit p < 0.01 oder p < 0.05 für die meisten Inkubations-zeiten) auf die Mineralisationsraten war größer als der Einfluss von Feldfrüchten oder Fruchtfolgen (geringere Signifikanzen und nur mit p < 0.10). Allerdings liegen signifikante Unterschiede nur nach bestimmten Inkubationszeiten vor und konnten nicht verallgemeinert werden. Die mikrobielle Aktivität war signifikant unterschiedlich (p < 0.05) für die Feldfrüchte bei Betrachtung des frischen Bodens. Die Dehydrogenase Aktivität war außerdem etwa fünfmal so hoch im frischen Boden im Vergleich zum getrockneten. Die N-Nettomineralisation war höher (p < 0.05) in der zweiten Fruchtfolge (4 Jahre Gras) als in der ersten mit 3 Jahren Gras.
Die Satellitenfernerkundung wird zunehmend in verschiedenen Bereichen der Umweltforschung eingesetzt. Durch die Berechnung von Vegetationsindizes aus Satellitenbildern werden quantitative Informationen über die Vegetation geliefert.
Ziel dieser Diplomarbeit war die Beantwortung Frage, wie gut Informationen über Standorteigenschaften aus Satellitenbildern abgeleitet werden können. Dabei wurde auch geprüft, wie groß der störende Einfluss der Atmosphäre auf die Ergebnisse ist. Es wurden Landsat TM Daten sowie am Boden gemessene Daten eines Langgrasgebiets in Kansas, USA verwendet. In einem ersten Teil der Diplomarbeit wurden die Satellitendaten zunächst geometrisch korrigiert und anschließend die Reflexion des Gebiets berechnet, um verschiedene Vegetationsindizes zu bilden. Zur Minimierung des Atmosphäreneinflusses wurden atmosphärenresistente Indizes eingesetzt, sowie eine Atmosphärenkorrektur mit dem Programm Modtran durchgeführt. Die Vegetationsindizes des Gebiets wurden anschließend mit zahlreichen Messungen des Blattflächenindex des selben Gebiets verglichen.
Es zeigt sich, dass die Korrelation zwischen dem LAI und den Vegetationsindizes schwach ausfällt. Durch geschickte Darstellung der Ergebnisse können diese jedoch relativ positiv dargestellt werden. Es konnte nicht nachgewiesen werden, dass der Atmosphäreneinfluss das Ergebnis beeinträchtigt. Die Fehlerfortpflanzung muss bei Berechnungen berücksichtigt werden, in die ein aus Vegetationsindizes abgeleiteter LAI eingeht. Bei zukünftigen Untersuchungen sollten zusätzliche Randbedingungen einbezogen werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde untersucht, ob das Vegetationswachstum im Zusammenhang zur Topographie des Gebiets steht. Dazu wird der topographische Index, der ein Maß für die potentielle Wasserverfügbarkeit an jedem Punkt des Gebiets ist, mit der räumlich-zeitlichen Vegetationsentwicklung verglichen. Es zeigt sich, dass sich während der Hauptvegetationszeit, die topographische Struktur in der Vegetationsentwicklung widerspiegelt. Bei nachfolgenden Untersuchungen sollte eine Vegetationsklassifikation durchgeführt werden. Des weiteren sollten Faktoren, wie die Bodenart berücksichtigt werden.
A precondition for soil fertility in organic farming is a progressive cycling of nutrients. Since no synthetic fertilisers are used in organic systems, the nutrient supply relies on the release of nutrients from soil organic matter (SOM). Closely related to soil organic matter (SOM) levels is aggregate stability, which in turn can be used as an indicator of the quality of soil structure. Due to a good structure, a soil is capable of resisting erosion, because infiltration into the soil is supported. Soils of good structure also store plant available water, sustain plant growth, and resist raindrop impact and action of wind. SOM increases stability of aggregates through its binding and cementing nature. Even more important for the stabilisation of aggregates than total SOM is the particulate organic matter fraction (POM). POM is defined as the organic fractions in 53-2000 mm soil separates, which are primarily composed of partly degraded plant residues. This OM pool enhances microbial activity due to its good availability as a substrate of fungi and bacteria, which in turn produce stabilising agents like hyphae and mucigels. These are capable to attach clay particles, so that OM gets enclosed in microaggregates, which are the building units of macroaggregates, both of which are essential in maintaining a soil of good structure. Thus, POM is physically protected from biodegradation when within aggregates. It is desirable to protect this pool from rapid loss after tillage, especially since losses of SOM are related to a decrease in soil fertility as well as to a deterioration in soil structure, which increases the risk of soil water erosion.
The present study compares soils within different phases of the rotation in an organic rotation experiment that was established in 1991 in North – East Scotland at Tulloch, Craibstone, near Aberdeen. Water-stable aggregates were isolated from whole soil to determine soil aggregate stability. The C and N contents of the aggregate fractions was determined. Water-extractable carbon was examined as an estimate for the amount of available organic C. Total and interaggregate POM were separated from whole soil. The difference of the two POM fraction gives intraaggregate POM, i.e. the protected pool of POM. C and N contents were determined on both POM fractions. Furthermore, soil pH and C and N contents of the soil were examined. With the results of the experiments, it will be possible to make an assessment of the quality and the resistance to erosion of the investigated soils in North Eastern Scotland.
Die Beschreibung und Quantifizierungung des Kohlenstoffkreislaufs und der Kohlenstoffspeicherung im System Boden-Pflanze-Atmosphäre ist ein wichtiger Bestandteil von globalen Klimamodellen. Diese Beschreibungen enthalten allerdings detaillierte Darstellungen physiologischer und mikrometeorologischer Prozesse des entsprechenden Systems und münden in komplexe Modelle, die mit Messungen der Turbulenz-Korrelations-Methode (eddy flux covariance method) kaum kalibrierbar sind.
Inhalt und Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Modells basierend auf Turbulenz- Korreltations-Messungen, das den Kohlenstoffhaushalt eines Vegetation-Boden-System beschreibt. Zunächst losgelöst von bekannten pflanzenphysiologischen und bodenmikrobiellen Prozessen und ihrer mathematischen Beschreibung wurde ein Wachstumsmodell entwickelt, das seine Einfachheit durch wenige Annahmen im Vorfeld und die Herleitung lediglich aus Zeitreihen der Turbulenz-Korrelations-Daten eines Maisfeldes gewinnt. Kohlenstoffdioxid-Fluss-Messungen wurden als Maß für die Änderung der Kohlenstoffmasse im System Boden-Pflanze interpretiert und für die Entwicklung eines Wachstumsmodells genutzt. Dieses zunächst ”black box” Modell und seine identifizierten Parameter erhielten durch begleitende Interpretation physikalischen und pflanzenphysiologischen Charakter. Zur Modellentwicklung wurden Methoden der Zeitreihenanalyse zu Hilfe genommen, die zum einen eine zeitliche Variation von Parametern erlauben. Für die Modellidentifikation wurden zum anderen rekursive Schätzmethoden genutzt, die erwartungstreue (unbiased) Ergebnisse lieferten (Instrumental Variable Ansatz). Die Optimierung der Parameter wurde mit der Methode des nicht linearen Kleinste Quadrate Schätzers durchgeführt. Der Versuch, einen zustandsabhängigen (state dependent) Wachstumsparameter in der Wachstumsgleichung zu identifizieren, wurde mit Methoden der ”state dependent parameter Schätzung” durchgeführt.
Ergebnis der Untersuchungen ist unter anderem ein Wachstumsmodell mit lediglich vier Parametern, das den Verlauf des Kohlenstoffgehalts sowohl der Vegetation als auch des Bodens für ein ganzes Jahr beschreiben kann. Trotz anfänglichem Fehlen physikalischer Prozessbeschreibungen war es möglich, zwei verschiedene Kohlenstoff-Kompartimente zu extrahieren und den Verlauf des jeweiligen Kohlenstoffgehaltes nachzubilden. Eine besondere Stärke des Modells ist seine Fähigkeit, auch die Alterung des Pflanzenbestandes am Ende der Vegetationsperiode zu beschreiben. Das entwickelte Wachstumsmodell hat vielversprechende Eigenschaften, die es in weiterführender Arbeit zu untersuchen und zu testen gilt. Zum einen kann die physikalische Interpretation einzelner Parameter noch vertieft werden. Zum anderen ist die Fähigkeit zur Übertragbarkeit auf andere Vegetationsdecken eine Forderung an Submodelle globaler Klimamodelle.
Mit dem BBodSchG und der zugehörigen BBodSchV wird zur Abschätzung und Beurteilung der von altlastverdächtigen Flächen oder flächenhaften Bodenverunreinigungen ausgehenden Gefahr einer Grundwasserverunreinigung die Sickerwasserprognose als neues Verfahren eingeführt. Eine solche Sickerwasserprognose wurde in dieser Arbeit für den durch langjährige Schwermetallimmissionen fiächenhaft belasteten urbanen Raum der Stadt Nordenham in Niedersachsen mit dem Stofftransportmodell SEFAH für das Schwermetall Cd durchgeführt. Die Prognose der Cd-Frachten in der Grundwasserneubildung erfolgte durch zweidimensionale Monte-Carlo-Simulation (auch „double looping") der Cd-Verlagerung im Boden unter besonderer Berücksichtigung der Einflüsse von räumlicher Variabilität und Unsicherheit der sorptionsbestimmenden Bodeneigenschaften auf die Prognoseergebnisse.
Die im Rahmen verschiedener Untersuchungen erhobenen Daten zur Immissionsbelastung und zur Ausprägung der Böden im Raum Nordenham erhobenen Umweltdaten (Cd-Belastung der Böden, Immissionsmesswerte, pH-Werte, C0^-Gehalte) wurden dazu digital erfasst und in eine für die Modellierung der Cd-Verlagerung verwendbare Form aufbereitet. Cd-Belastungsdaten der NIBIS-Profildatenbank, die auf Grundlage unterschiedlicher Extraktionsverfahren gemessen wurden, konnten durch Ableitung von Regressionsbeziehungen zwischen den Extraktionsverfahren vereinheitlicht werden. Weiterhin wurden unterschiedlich tiefeninkrementierte Bodenprofildaten in einheitliche, zur Modellierung benötigte Tiefeninkremente umgerechnet. Die Regionalisierung der verschiedenen Bodeneigenschaften und Cd-Belastungsdaten erfolgte durch geostatistische Modellierung. Die Cd-Gehalte in den einzelnen Bodentiefen wurden durch Lognormal Ordinary Block-Kriging interpoliert, während für die pH-Werte und Corg-Gehalte die Methode der konditionierten Simulation zur Generierung räumlich korrelierter Zufallsfelder angewendet wurde. Zur quantitativen Beschreibung der Sorptionseigenschaften der Böden wurde durch eine multiple Regressionsanalyse aus Messwerten der Cd-Festphasen- und Lösungskonzentration sowie der pH-Werte und Corg-Gehalte eine regional einsetzbare Pedotransferfunktion abgeleitet.
Die Simulation der Cd-Verlagerung im Boden erfolgte auf Grundlage einer eindimensionalen Konvektions-Dispersionsgleichung. Für die Beschreibung des Transportes im Feldmaßstab wurde dabei ein Paralleler-Zufalls-Bodensäulen-Ansatz angewendet. Zur Validierung des Modells wurden Hindcast-Simulationen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass eine gute Vorhersage der beobachteten Cd-Tiefenverteilung hier nur für natürlich gewachsene Grünlandböden des Untersuchungsgebietes möglich ist. In Bereichen, in denen ein stärker anthropogen gestörter Profilaufbau wahrscheinlich ist, konnte die Tiefenverteilung durch das Modell nicht angemessen nachvollzogen werden. Offensichtlich treten dort neben einem konvektiv-dispersivem Transport mit dem Sickerwasser zusätzliche Verlagerungsprozesse auf (z. B. Bodendurchmischung bei Garten- und Bauarbeiten) und üben maßgeblichen Einfluss auf die Tiefenverteilung des Cd aus. Die Anwendbarkeit eines rein konvektiv-dispersiven Modells zur Hindcast-Simulation der Tiefenverlagerung von Cd bleibt deshalb in stark anthropogen geprägten, städtischen Räumen eingeschränkt.
Die eigentliche Sickerwasserprognose wurde für den Zeitraum bis zum Jahr 2200 für die Bereiche mit einer erfolgreichen Hindcast-Simulation durchgeführt. Der zweidimensionale Ansatz der Monte-Carlo-Simulation erlaubt sowohl die Betrachtung lokaler Prognosewerte, als auch die Bestimmung flächenbezogener Modellergebnisse (z. B. Flächenmittelwert, Flächenmedian) durch räumliche Aggregation. Von großem Nutzen ist darüber hinaus die Möglichkeit, die räumliche Variabilität der lokalen Modellergebnisse differenziert von der durch die Prognoseunsicherheit verursachten Variation zu untersuchen. Flächenbezogene Prognosewerte variieren nur durch Prognoseunsicherheit.
Die zeitliche Entwicklung der Cd-Frachten in der Grundwasserneubildung zeigt, dass auf dem größten Teil der betrachteten Flächen innerhalb von 50 bis 150 Jahren mit deutlichen Überschreitungen des Prüfwertes der BBodSchV für Cd zu rechnen ist. Dies gilt gleichermaßen für lokale und flächenbezogene Ergebnisgrößen. Dabei ist jedoch eine Abhängigkeit von den Grundwasserflurabständen der einzelnen Flächen zu beobachten. Schon wenige dm Unterschied sind auszureichend, um den Zeitpunkt der Prüfwertüberschreitung um viele Jahre zu verschieben. Die räumliche Variabilität der lokalen Ergebnisse ist sehr hoch. Obwohl auch die Unsicherheiten der Modellergebnisse teilweise recht hoch sind, hätten sie aufgrund der Höhe der zu erwartenden Prüfwertüberschreitungen kaum Einfluss auf eine Beurteilung der Flächen bezüglich durchzuführender weiterer Untersuchungen oder Sanierungsmaßnahmen.
Moderne Verfahren zur Bestimmung bodenhydraulischer Eigenschaften beruhen auf dem Prinzip der inverse Simulation instationärer Fließexperimente an Bodensäulen. Dabei wird das Experiment mit Hilfe eines numerischen Modells abgebildet und die Parameter der hydraulischen Eigenschaften gezielt so modifiziert, bis eine optimale Übereinstimmung zwischen im Experiment gemessenen und simulierten Zustandsgrößen (z.B. Wasserflüsse, Tensionen) erreicht ist. Die Güte der bestimmten bodenhydraulischen Eigenschaften hängt von mehreren Faktoren ab: zum einen sind das experimentellen Design und die Anzahl zu bestimmender Größen entscheidend, aber auch die Gültigkeit verwendeter Modellbeschreibungen und die Fehler bei der Messung spielen ein große Rolle. In Rahmen dieser Diplomarbeit sollen die möglichen Einflußfaktoren resultierender Parameterunsicherheiten systematisch anlysiert werden. Zunächst werden hierzu die Daten (Ausflüsse, Tensionen, Wassergehalte) eines Standard-Ausflussexperimentes mit Hilfe der Modelle Hydrus1D oder ESPHIM "synthetisch" erzeugt. Gegenüber real gemessenen Daten hat dies den Vorteil, dass die den Daten zugrunde liegende Wirklichkeit - sprich die mathematischen Prozessbeschreibungen und deren Parameterisierungen - vollständig bekannt ist. Die synthetischen Daten werden dann als Eingangsdaten für die inverse (Rück-)bestimmung der Modellparameter genutzt - resultierende Unsicherheiten bei der Parameteridentifizierung werden im Rahmen der GLUE (Generalised Likelihood Uncertainty Estimation)- Methodik und klassischer Maximum-Likelihood Verfahren analysiert. Auf diese Weise sollen Fragen z.B. zur Anzahl identifizierbare Parameter in Abhängigkeit von gemessen Größen beantworten werden. Durch die Modifikation der synthetischen Daten z.B. durch Addition von systematischen und zufälligen Fehlern oder durch Verwendung unterschiedlicher Ansätze zur Beschreibung der Retentionskurven und ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit, soll auch der Einfluß von Modell- und Messfehlern auf den Bestimmungsprozess untersucht werden.
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