Arbeitsgruppe Geomorphologie und Bodenkunde

Ecuador - Umweltveränderungen in Biodiversitäts-Hotspot-Ökosystemen

Nährstoffversorgung als Treiber der Biomasseproduktion und mit ihr verbundener Wasserflüsse entlang eines Landnutzungs- und Klimagradienten (DFG, WI 1601/26-1, WI 1601/26-2). Das Projekt ist Teil der DFG-Forschergruppe 2730 - Umweltveränderungen in Biodiversitäts-Hotspot-Ökosystemen Süd-Ecuadors: Systemantwort- und Rückkopplungseffekte (RESPECT). - Seit 2018. Zweite Phase seit 2021.

Unser Ziel ist es, die Auswirkungen von Klima- und Landnutzungsänderungen in den Anden Ecuadors auf wichtige Prozesse der Nährstoffversorgung (Mineralisierung organischer Substanz und Verwitterung von Gestein und Boden) mit Hilfe von Umweltgradienten (von ca. 1000 bis 3000 m ü.M.) als Proxy für den Klimawandel zu bestimmen und die Auswirkungen von Landnutzungsänderungen (von natürlichem Wald zu Weiden und zu Kiefernaufforstungen) durch Raum-Zeit-Substitution zu quantifizieren. Darüber hinaus wollen wir eine Methode zur Bestimmung der N-Mineralisierung mit Hilfe von Kurzzeit-Inkubationen und eine neue Methode zur Bestimmung der Nährstoffversorgung durch Verwitterung testen, die beide auf der vertikalen Verteilung der stabilen Isotopenverhältnisse von C und Ca in Böden basieren.

In der zweiten Phase beziehen wir Core-Plots im Trockenwald ein, die natürlichen Trockenwald und Agroforstwirtschaft auf 600 und 1200 m ü.M. umfassen. Wir messen die atmosphärische Deposition und quantifizieren die Nährstoffauswaschung aus der Baumkrone und aus dem Mineralboden. Wir bestimmen die N-Mineralisierungsraten durch eine Kurzzeit-Inkubation und durch die vertikale Verteilung von δ¹³C-Werten im Boden. Wir quantifizieren die Verwitterungsraten mithilfe von „open-system“ Massenbilanzen und durch die Messung der Tiefenprofile stabiler Ca-Isotopenverhältnisse als potentielles neues Maß für die Verwitterungsintensität. Wir bestimmen die Tiefe der Wasseraufnahme mit Hilfe von isotopisch markiertem Wasser, die Tiefe der N-Aufnahme mit einem ¹⁵N-Tracer und die Tiefe der K-Aufnahme mit Hilfe von Rb- und Li. Wir untersuchen den Grad des mikrobiellen Phosphatumsatzes mit einem ¹⁸O-Traceransatz als Indikator für die Größe des mikrobiellen P-Pools, einer Hauptquelle für pflanzenverfügbares P.

Gongga, China - Massen- und Stabilisotopenbilanzen von Ca und Mg in Ökosystemen

Massen- und Stabilisotopenbilanzen von Ca und Mg in Ökosystemen entlang einer 120 Jahre alten Gletscherrückzugs-Chronosequenz im subtropischen Gongga-Gebirge (DFG, WI 1608/25-1). Kooperation mit Prof. Dr. Yanhong Wu, Institute of Mountain Hazard and Environment, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Chengdu, China. – Seit 2017.

Die Stabilisierung des Bodens nach dem Rückzug der Gletscher ist entscheidend für die Verringerung des Risikos von Rutschungen und Erosion in Gebirgen. Ein Haupttreiber für die Geschwindigkeit der Vegetationsausbreitung ist die Freisetzung von Nährstoffen wie Ca und Mg durch Verwitterung des Substrats und ihre Aufnahme durch Pflanzen. Unser Ziel ist, die Geschwindigkeit der Freisetzung von Ca und Mg und ihre Einbindung in den biologischen Kreislauf entlang einer subtropischen Gletscher-Chronosequenz mit schneller Vegetationsentwicklung zu einem Wald in weniger als 100 Jahren zu bestimmen. Weil sich Verwitterung, Nährstoffaufnahme, Adsorption oder Auswaschung in unterschieldlichen stabilen Isotopenverhältnissen widerspiegeln, erwarten wir ein verbessertes Prozessverständnis durch die gleichzeitige Aufstellung von Massenbilanzen und Bestimmung der stabilen Isotopenverhältnisse von Ca und Mg.

Kritische Stickstoff-Konzentrationen

Wissenschaftliche Grundlagen zur Ermittlung der kritischen Stickstoff Konzentrationen in der Bodenlösung ("critical limit", Ncrit) für die Leitpflanzen der Lebensraumtypen. Teilprojekt 2 zu Los 3 der Ausschreibung "Analyse und Bewertung des Stickstoffhaushaltes Baden-Württemberg" (LUBW, 4500505575/23). Projektleitung: Prof. Dr. Wolfgang Wilcke und Prof. Dr. Sebastian Schmidtlein (IFGG-KIT). Kooperationen mit Dr. Markus Bernhardt (Universität Jena) und Dr. Heike Puhlmann (Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg, Freiburg). - Seit 2017.

Zur Festlegung der kritischen N-Konzentration in der Bodenlösung im Hinblick auf die Erhaltung von Lebensraumtypen schlagen wir vor, Pflanze-Boden-Paare aus mutmaßlich N-sensitiven Lebensraumtypen (LRT) Baden-Württembergs auszuwerten. Die Analyse von Proxys der Bodenlösung im Wurzelraum dieser Arten erlaubt die Bestimmung der artspezifischen Nische in Hinblick auf die N-Konzentrationen in der Bodenlösung. Gleichzeitig werden weitere Elemente und Stabilisotopenverhältnisse untersucht, die für die Beurteilung der Nährstofflimitierung der betrachteten Arten eine Rolle spielen (C, P, K, Ca, Mg, S) oder als Indikator für die N-Sättigung der Systeme dienen (δ¹⁵N).

Xi'an, China - Transformationen von PAK und OPAK

Transformationen von Polyzyklen (PAK) und Oxy-Polyzyklen (OPAK) zwischen der Emissionsquelle und terrestrischen Senken. Kooperation mit Prof. Dr. Yongming Han, Staatliches Labor für Löss und Quartärgeologie, Institut für Geo- und Umweltwissenschaften, Chinesische Akademie der Wissenschaften in Xi’an. – Seit 2011.

Jena Experiment

Auswirkungen der Pflanzendiversität auf den Nährstoffkreislauf im Boden (SNF, 200021E-131195/1) im Rahmen der Forschergruppe „Aufklärung der Mechanismen hinter der Beziehung zwischen Biodiversität und Ökosystemfunktionieren“ (DFG FOR 1451). Projektleitung: Prof. Dr. Wolfgang Wilcke und Prof. Dr. Yvonne Oelmann (Universität Tübingen, Deutschland) – Seit 2010.

Wir untersuchen die Zusammenhänge zwischen Pflanzenvielfalt und Nährstoffkreislauf im Boden in einem experimentellen Grünland und die zugrunde liegenden Prozesse der Akkumulation und der verstärkten Freisetzung von N im Boden im Laufe der Zeit sowie die Auswirkungen auf den P-Kreislauf.

Das Jena-Experiment wurde im Jahr 2002 etabliert. Öffentlich zugängliche Projektdaten sind im Datenportal Pangaea verfügbar (Stichwort: Jena Experiment).

Biodiversitäts-Exploratorien

Elementkreisläufe in Wäldern und Grünländern der Biodiversitäts-Exploratorien (BECycles): Reaktion auf Managementintensität und Biodiversität (DFG, Wi1601/12-1) im Rahmen der "Exploratorien zur funktionellen Biodiversitätsforschung" (DFG, SPP 1374). Teilprojektleitung: Prof. Dr. Wolfgang Wilcke, Prof. Dr. Beate Michalzik, Friedrich Schiller-Universität Jena, Prof. Dr. Martin Kaupenjohann, TU Berlin und Dr. Jan Siemens, Rheinische Wilhelms-Universität Bonn. Interdisziplinäre Kooperation mit zahlreichen anderen Teilprojekten des Schwerpunktprogramms. - Seit 2009.

Obwohl bereits bekannt ist, dass unterschiedliche Landnutzungstypen einen starken Einfluss auf die Elementkreisläufe haben, sind die Folgen unterschiedlicher Bewirtschaftungsintensitäten für dieselbe Art der Landnutzung und die damit verbundene Artenvielfalt für den Elementkreislauf in etablierten Ökosystemen noch weitgehend unbekannt. Als Beitrag zur Aufklärung von Kontrollvariablen stabiler Ökosystemfunktionen und der daraus resultierenden Ökosystemleistungen untersuchen wir in jedem der drei Exploratorien Wasserflüsse und Nährstoffkreislaufprozesse verschiedener Wald- und Grünlandbewirtschaftungssysteme mit unterschiedlicher Biodiversität. 

Ecuador - Reaktion der Elementkreisläufe auf Umweltveränderungen

Reaktion der Elementkreisläufe auf Umweltveränderungen und Landnutzungswandel in einem tropischen Bergregenwald. Projekt der DFG-Forschergruppen 402 und 816 und der Plattform für Biodiversitäts- und Ökosystemmonitoring und -forschung in Südecuador. – Seit 1998.

Der Bergregenwald in Ecuador wird in der Zukunft einen Anstieg der N-Deposition erfahren. Basierend auf unseren Kenntnissen der Elementkreisläufe in der Reserva Biologica San Francisco entwickeln wir Szenarien, welche die Reaktionen des Bergregenwaldes auf Umweltveränderungen abbilden. Die Szenarien werden durch eine Langzeit-Ökosystemstudie und das Nährstoffmanipulationsexperiment (NUMEX) validiert. Die Langzeit-Ökosystemstudie umfasst einen einzigartigen Datensatz des wöchentlichen Verlaufs aller wichtigen Wasser- und Elementflüsse seit 1998. Das interdisziplinären NUMEX-Experiment wurde das 2007 etabliert. Hier düngen wir kontinuierlich den Wald auf ca. 2000 m mit N, P, N + P und Ca in einem Blockdesign, um die Reaktion des Ökosystems auf einen niedrigen Anstieg der Nährstoffeinträge zu untersuchen. Wir verfolgen die N-Transformationen im Ökosystem in einem ¹⁵N-pulse-chasing-Experiment.

Stabile Wasserstoff-Isotope

Stabile Wasserstoffisotope in Bodenbestandteilen: Neue Einblicke in die Bildungsprozesse von organischer Substanz und Tonmineralen (DFG, Wi1601/22-1). Projektleitung: Prof. Dr. Wolfgang Wilcke und Prof. Dr. Yvonne Oelmann (Universität Tübingen). 2017-2022.

Die Nutzung der stabilen Wasserstoffisotopenverhältnissen (delta2H-Werte) in Böden war bisher begrenzt, weil ein Teil des H-Pools im Boden mit der Luftfeuchtigkeit austauscht und kein aussagekräftiges Isotopensignal liefert. Tonminerale behalten den delta2H-Wert des Umgebungswassers zum Zeitpunkt der strukturellen OH-Bildung. Wir untersuchen, (i) den Einbau von H aus Umgebungswasser in die nicht austauschbare H-Fraktion (CH-Bindungen) in SOM und die damit verbundene Isotopenfraktionierung während des Abbaus, (ii) ob die Tonfraktion zur Bestimmung der Herkunft einer Bodenprobe und zur relativen Datierung der B (Bt) -Horizonte von jungen Böden und Paläosolen verwendet werden kann.

RIPARIONS - Entwicklung eines konzeptionellen Modells über Ökoregionen hinweg

Lassen sich hydrologische und biogeochemische Konzepte von borealen auf gemäßigte und mediterrane Uferzonen übertragen?  (EU, H2020-MSCA-IF-2018-834363, Marie-Skłodowska-Curie) . Projektleitung: Dr. José L. J. Ledesma (IFGG-KIT), Betreuung: Prof. Dr. Wolfgang Wilcke (IFGG-KIT). Kooperationen mit Dr. Susana Bernal (Nationaler Forschungsrat Spaniens), Dr. Andreas Musolff (Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung, UFZ) und Dr. Ryan Sponseller (Universität Umeå, Schweden). – 2020-2022.

In natürlichen und mäßig anthropogen beeinflussten Gebieten wird die Süßwasserqualität vor allem durch Substanzen kontrolliert, die aus den umgebenden Böden mobilisiert werden. Der Bereich der direkten Interaktion zwischen Böden und Oberflächengewässer, die Uferzone, ist daher ein Schlüsselbestandteil der Landschaft. In diesem Projekt werden wir die Anwendbarkeit eines neuartigen konzeptionellen Modells für die Funktionsweise der Uferzone, das in bewaldeten borealen Einzugsgebieten entwickelt wurde, in deutlich unterschiedlichen gemäßigten und mediterranen Waldökosystemen prüfen. Ein zentrales Element des neuen Modells ist der Vorschlag, dass es eine dominante Ursprungsschicht (dominant source layer, DSL) im Boden gibt, die den Zeitpunkt und das Ausmaß des Lösungs-Transfers aus Böden in Oberflächengewässer erklärt. Das übergeordnete Ziel von RIPARIONS ist es, ein einheitliches konzeptionelles Modell für das Funktionieren der Uferzone zu entwickeln, das auf hydrologische und biogeochemische Prozesse in der DSL beruht. Dieses Modell soll über verschiedene Ökozonen hinweg einsetzbar sein und sowohl die wissenschaftliche Forschung als auch das Management von Fluss-Systemen unterstützen.

OPAK in der Umwelt

Substanz-spezifische Isotopenverhältnisse (δ¹³C, δ²H) von sauerstoffhaltigen polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (OPAK) als Tracer für ihre Entstehung in der Umwelt: Methodenvalidierung und Fallstudien (DAAD P.R.I.M.E.). Kooperation mit Dr. Ian Bull (School of Chemistry, University of Bristol, Großbritannien). - 2016-2018.

MISOTRAG

Stabile Metall-Isotope als Werkzeuge, um Anreicherungen und Quellen von Spurenmetallen in Böden und Pflanzen zu bestimmen und damit die Nachhaltigkeit von landwirtschaftlichen Systemen zu verbessern (MISOTRAG, SNF 406940_145195/1). Das Projekt wurde an der Universität Bern realisiert und von Prof. Dr. Wolfgang Wilcke (IFGG-KIT) geleitet. - 2013-2018.

Verwendung von stabilen Cd-, Cu- und Zn-Isotopenverhältnissen, um die Quellen für die Anreicherung und die Transformation dieser Metalle in landwirtschaftlichen Produktionssystemen und die Aufnahme in Nutzpflanzen zu untersuchen. Projekt im Rahmen des schweizerischen Nationalen Forschungsprogramms NFP69 („Gesunde Ernährung und nachhaltige Nahrungsmittelproduktion“) zusammen mit Prof. Dr. Emmanuel Frossard (ETH Zürich), Dr. Armin Keller (Agroscope Reckenholz-Tännikon) und Dr. Moritz Bigalke (Universität Bern) in Kooperation mit Dr. Andreas Gubler (Agroscope Reckenholz-Tännikon) und Prof. Dr. Mark Rehkamper (Imperial College London).

BIOMETA

Untersuchung der Biomethylierung und Bioverflüchtigung von Arsen in Böden mit Hilfe Isotopen markierter (¹³C und ²H) Organo-Arsenverbindungen. Marie Curie IEF Fellowship BIOMETA (FP7-PEOPLE-2012-326736). Das Projekt wurde an der Universität Bern realisiert und von Prof. Dr. Wolfgang Wilcke (IFGG-KIT) geleitet. – 2013-2015.

Arsen (As) ist ein Element, das in fast jedem Umweltkompartiment vorkommt. Es kommt in Böden in anorganischen Formen und organischen Verbindungen vor. Der Prozess, der zu diesen Verbindungen führt, die Biomethylierung, ist noch nicht vollständig verstanden. Die Biovolatilisierung führt zur Bildung leicht flüchtiger As-Verbindungen, und ihre Toxizität wird immer noch stark diskutiert. Wir verwenden einen dualen Isotopenansatz unter Verwendung von ²H- und ¹³C-markierten Methylgruppen, die an verschiedenen methylierten As-Molekülen platziert sind, um As-Biomethylierungs- und Biovolatilisierungswege zu entschlüsseln und Prozesse aufzuklären, die zur Freisetzung von As-Molekülen mit unterschiedlichen Toxizitäten und physikalisch-chemischen Eigenschaften in Böden führen. Auf diese Weise können wir die Kontamination mit As und die mögliche Verwendung dieser Verfahren als Instrumente für Bodensanierungsmaßnahmen bewerten.