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"Igarka" - Linking soil architecture formation with changing permafrost regime to carbon turnover in high latitude soils at multiple spatial scales

Leitung:

Dr. Leopold Sauheitl

Bearbeitung:

Ina Haase

Laufzeit:

2013-2017

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft: DFG-Projekt (SA2521/1-1)

Kurzbeschreibung:

Die meisten Böden entwickeln während der Pedogenese eine charakteristische Bodenarchitektur, wobei organischer Kohlenstoff im Boden (SOC) in einem hierarchischen System von mineral-organischen Assoziationen und Aggregaten gebunden wird. Permafrostböden speichern auf Grund ihrer dauerhaft gefrorenen Unterböden und einem Mangel an Sauerstoff in der aktiven Zone große Mengen von Kohlenstoff, verfügen aber nicht über eine komplexe Bodenstruktur. Das Auftauen von Permafrostböden verursacht sauerstoffreichere Bedingungen und steigende Bodentemperaturen, was wiederum vermutlich den Aufbau komplexerer Bodenarchitekturelemente begünstigt und so der SOC-Mineralisation entgegenwirken könnte. Unser Ziel ist, die Entwicklung von mineral-organischen Assoziationen und Aggregaten unter verschiedenen Permafrostbedingungen im Hinblick auf die Stabilisierung von SOC zu untersuchen. Diese Information wird in Beziehung zu Umweltkontrollfaktoren gesetzt, die für den SOC-Umsatz auf der Pedon- und Standortskala von Relevanz sind, um die Brücke zwischen Prozessen auf der Aggregatskala hin zu größeren räumlichen Dimensionen zu schlagen. Wir werden in-situ-spektroskopische Techniken mit Fraktionierungsmethoden kombinieren und mit Hilfe von multivariaten Statistik- und Variogramm-Analysen Mechanismen identifizieren, die für den Umsatz von SOC auf verschiedenen Skalen relevant sind. Wir erwarten, dass dies ein tieferes Verständnis über die Bildung von Bodenarchitekturelementen während des Überganges von Permafrostböden hin zu terrestrischen Böden sowie ein skalen-übergreifendes mechanistisches Verstehen des SOC-Kreislaufs in Permafrostregionen liefert.

 

 

A pore network model of soil water repellency: Model implementation and experimental validation

Leitung:

Prof. Dr. Andrea Carminati (Georg-August-Universität Göttingen) und Prof. Dr. Jörg Bachmann

Laufzeit:

2017-

Kurzbeschreibung:

Soil water repellency has a big impact on soil quality: it reduces the water holding capacity and it enhances overland flow, soil erosion and preferential leaching of agrochemicals. Better understanding of the mechanisms controlling soil water repellency is therefore needed for the sustainable use of water and soil resources. Existing studies demonstrated that soil hydrophobicity is strongly related to two factors: soil organic matter and soil water content. The experiments indicated a threshold behaviour: above a critical water content soils with a given percentage of soil organic matter are wettable (Contact Angle90). The critical water content decreases with increasing soil organic content. Although there are empirical models that are able to effectively mimic this hydraulic behaviour, a mechanistic model that is able to predict occurrence of soil water repellency for varying soil properties is missing. Objective of this project is to implement and experimentally validate a pore-scale model that is capable to predict the occurrence of water repellency in soils of various texture, water content and soil organic content.

 

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Accumulation, transformation, and stabilization of organic nitrogen along a mineralogical soil gradient

Leitung:

Dr. Robert Mikutta und Prof. Dr. Axel Schippers (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, BGR)

Bearbeitung:

Sandra Meyer-Stüve

Laufzeit:

2012-

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

 

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Biogeochemical reactivity of Fe-organic matter coprecipitates

Leitung:

Dr. Robert Mikutta

Laufzeit:

2010-

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

 

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Biogeochemistry in temperate forest of southern Chile: C and N fluxes in pristine environments versus sites with change in land use

Leitung:

Prof. Dr. Roberto Godoy, Dr. Jens Boy

Laufzeit:

2011-2013

Förderung durch:

FONDECYT (Fondo Nacional de Desarollo Cientifico y Tecnologico)

Kurzbeschreibung:

Chilean old-growth forests are relatively unpolluted compared with forest ecosystems of the Northern Hemisphere, so they can act as blueprints for preindustrial deposition regimes in biogeochemical research. The general objective of this project is to provide the scientific baseline information on the biogeochemical cycles in temperate rainforests and the quantification of nutrient fluxes as inputs from - and emissions to - the atmosphere. Furthermore, investigating into the overall nutrient budgets of pristine and land-used microcatchments aims to understand the long-term sustainability of Chilean forest ecosystems by elucidating whether atmospheric nutrient deposition and nutrient yields of mineral weathering taken together can overcome nutrient losses via outgassing and leaching from the ecosystem.

 

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Biological weathering in a soil chronosequence of the glacier retreat in the Antarctican Fildes Peninsula

Leitung:

Prof. Dr. Roberto Godoy, Dr. Jens Boy

Laufzeit:

2012-2015

Förderung durch:

Proyecto INACH T_28-11 Instituto Antarctico Chileno

Kurzbeschreibung:

Mineral weathering is of utmost importance for the support of life on earth, as it turns bedrock into soil and delivers nutrients to organisms. Recently, evidence hardened that biogenic weathering, the weathering induced by biota, might contribute more to weathering rates than the physico-chemical weathering, thus turning weathering into an active process fueled by photosynthesis.

 

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BONARES - CATCHY- Catch-cropping as an Agrarian Tool for Continuing Soil Health and Yield increase

Leitung:

Prof. Dr. Georg Guggenberger, Dr. Jens Boy

Bearbeitung:

Norman Gentsch

Laufzeit:

2015-2018

Förderung durch:

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Kurzbeschreibung:

CATCHY will develop innovative farming systems and soil management strategies for preserving and improving soil fertility towards a more sustainable land use through the integration of catch crops, with possible applications in the upgrade of marginal locations.

 

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BONARES - ORDIAMUR- Overcoming replant disease by an integrated approach

Leitung:

Prof. Dr. Georg Guggenberger, Dr. Jens Boy

Bearbeitung:

Jessica Schimmel

Laufzeit:

2015-2018

Förderung durch:

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Kurzbeschreibung:

Replant disease, also described as soil decline, is known for centuries, however, up to now the ultimate causes are unknown. After repeated growing of the same plant species, the soil loses its capacity to produce plants of the respective species. Poor vegetative development, stunted growth and reduced yield are visible plant reactions. In annual plants, crop rotation and change of cultivation sites are strategies to overcome replant disease. But these strategies are usually not available for woody species being produced in nursery and fruit production centers. The replant diseased soils can not be used for up to 20-30 years, unless soil disinfection is applied. But the disinfectants are ecologically harmful, and the development of alternative approaches is absolutely essential to maintain a sustainable soil productivity. Within the project ORDIAmur this shall be achieved by an integrated approach that aims at understanding and controlling the processes in the rhizosphere that are induced by the plant.

 

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Carbiocial: Carbon sequestration, biodiversity and social structures in Southern Amazonia: models and implementation of carbon-optimized land management strategies - Carbon stocks, turnover and nutrient budgets in soil along land-use and climatic gradients

Leitung:

Prof. Dr. Georg Guggenberger, Dr. Jens Boy und Prof. Dr. Wolfgang Wilcke (Universität Bern)

Bearbeitung:

Simone Strey, Robert Strey

Laufzeit:

2011-2016

Förderung durch:

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Kurzbeschreibung:

Unser Subprojekt des integrierten Projektes CARBIOCIAL wird Informationen liefern über Vorräte von organischen Kohlenstoff in Böden (SOC); über die Beschaffenheit von organischer Bodensubstanz (SOM); darüber, wie diese Parameter von Landnutzung unter sich ändernden Klimabedingungen beeinflusst werden; und schließlich darüber, welche innovativen Bewirtschaftungsformen angewendet werden können, um die C-Speicherung in stabilen SOM-Vorräten zu erhöhen sowie die SOM und die Bodenqualität im landwirtschaftlichen Grenzraum von Brasilien zu verbessern. Bewirtschaftungsvorschläge für die Anreicherung von SOM sind häufig identisch mit bereits existierenden Verfahren zur nachhaltigen Landnutzung, z.B. Direktsaaten, Agroforst-Systeme und „Mulch-Farming“, jedoch sind Verifizierungen und Kontrollen durch Beobachtungen des SOM-Vorrats selten. Dasselbe gilt für neue Ansätze der Bodenverbesserung, z.B. die Anreicherung von black carbon (Biokohle). Der entscheidende Schritt dieses Subprojektes stellt daher die Entwicklung einer leicht anwendbaren Messmethode dar, welche von landwirtschaftlichen Beratern oder den Landwirten selbst gut anwendbar sein muss.

 

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CARBO-Extreme - The terrestrial carbon cycle under climate variability and extremes - a Pan-European synthesis

Leitung:

Markus Reichstein

Laufzeit:

2009-

Förderung durch:

EU

 

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Carbonatisierung

Carbonatisierung von porösen Gesteinen durch Wechselwirkung mit magmatischen und hydrothermalen Fluiden – eine Fallstudie am Vulkan Unzen, Japan

Leitung:

Prof. Dr. Harald Behrens, PD Dr. Stefan Dultz

Bearbeitung:

Anna Simonyan

Laufzeit:

2009-

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

 

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Diffusion and advection with sorption of anions, cations and non-polar molecules in organo-clays at varying thermo-chemical conditions validation by analytical methods and molecular simulation

Leitung:

Dr. B. Schampera, PD Dr. S. Dultz

Laufzeit:

2012-2015

Förderung durch:

D-A-C-H (grenzüberschreitende Förderung), Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Fond für wissenschaftliche Förderung (Österreich, FWF)

 

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EARTHSHAPE – BIOSOILS: Biogenic weathering: opening the black box with new isotope systems and in situ mineral decomposition experiments

Leitung:

Dr. Jens Boy, Prof. Dr. Georg Guggenberger, Prof. Dr. Robert Mikutta

Bearbeitung:

NN

Laufzeit:

2015-2018

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft. DFG Projekt BO 3741/ 4-1

Kurzbeschreibung:

This project links the disciplines of Geology/Geochemistry and Environmental Ecology/Soil Sciences to jointly explore the role of biogenic weathering for linking denudation (removal of mass) and soil production (supply of regolith mass from rock or from dust). We hypothesize that such biogenic weathering is controlled by nutrient demand of the photoautotroph community of an ecosystem to maintain the long-term nutritional status-quo. We shall research into the potential biogenic weathering with in situ mineral decomposition experiments and identify the effective mineral sources from which biota obtain their nutrients using novel isotope ratio systems.

 

 

Einfluss von bakterieller Biomasse auf die Benetzbarkeit von Bodenpartikeln unter variablen Feuchtebedingungen

Leitung:

Dr. Marc-Oliver Göbel, Prof. Dr. Jörg Bachmann

Bearbeitung:

Dr. Marc-Oliver Göbel

Laufzeit:

2016-2019

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

 

 

Forschergruppe 1806-2: "SubSOM - The forgotten part of carbon cycling: Organic matter storage and turnover" - Teilprojekt 5: Herkunft und Verbleib gelöster organischer Substanz im Unterboden gesteuert durch dynamische Austausch- und Remobilisierungsprozesse.

Leitung:

Georg Guggenberger, Karsten Kalbitz (TU Dresden), Robert Mikutta (MLU Halle-Wittenberg)

Bearbeitung:

Patrick Liebmann

Laufzeit:

2017-2020

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kurzbeschreibung:

Die bisherigen Ergebnisse aus dem Unterbodenobservatorium und von sequentiellen Säulenexperimenten legen eine Kaskade von Sorptions-/Desorptionsprozessen der gelösten organischen Bodensubstanz (DOM) an Mineralen während des Transports in den Unterboden nahe. Die Daten zeigen auch eine geringe Sorptionskapazität des Unterbodens, wahrscheinlich aufgrund einer hohen C-Belegung reaktiver Minerale im Sandboden. Wir nehmen an, dass die Höhe der C-Belegung neben der Zusammensetzung der organischen Substanz (OS) auf den Mineralen die mikrobielle Aktivität und damit Remobilisierungsprozesse beeinflusst. Daher wollen wir in der zweiten Phase die komplexen Wechselwirkungen kontinuierlicher Sorptionsprozesse mit mikrobiellen Prozessen und einer folgenden Remobilisierung in Abhängigkeit der Quelle und Zusammensetzung der OS und der Oberflächeneigenschaften der Mineralphase untersuchen. Wir verfolgen dabei folgende Hypothesen: (i) die DOM-Zusammensetzung beeinflusst Austausch- und Remobilisierungsprozesse stärker im Oberboden als im tiefen Unterboden aufgrund zunehmender mikrobieller Transformation in größerer Bodentiefe, (ii) der Austausch und die Remobilisierung sorbierter organischer Substanz steigt mit zunehmender C-Belegung der Minerale und (iii) die mikrobielle Transformation mineral-assoziierter OS ist eine bedeutende DOM-Quelle im Unterboden. Diese Hypothesen sollen durch Freiland- und Laborexperimente unterschiedlicher Komplexität getestet werden. Die Geländeansätze beinhalten einen "DO13C switch-off" Puls in den Grinderwald Observatorien und ein "DO13C Injektionsexperiment" im Grinderwald und zweier Regionalstandorte. Es soll das Verhalten und die Stabilität von DOM im Unterboden in Abhängigkeit von Herkunft und Zusammensetzung der DOM, mineralogischer Eigenschaften und mikrobieller Aktivität untersucht werden. Diese Ergebnisse zur DOM werden in Bezug gesetzt zur Sorptionskapazität, der C-Belegung und räumlichen C-Verteilung im Unterboden, sowie zum C-Austausch und der Abbaubarkeit (durchgeführt durch P6) der organischen Substanz auf Mineraloberflächen. Ein vergleichbarer analytischer Ansatz soll in "flow cell" Experimenten angewandt werden, wo unter definierten Randbedingungen Transport, Sorption und Abbaubarkeit des zugegebenen DO13C gekennzeichnet werden. Schließlich ist vorgesehen, in Laborstudien mit 13C-markierter DOM die Effekte der über unterschiedliche Inkubationstemperaturen manipulierten mikrobiellen Aktivität auf die Translokation von DOM durch Austausch/Remobilisierung in Abhängigkeit der Eigenschaften von Mineraloberflächen zu untersuchen.

 

 

Forschergruppe 1806: "SubSOM - The forgotten part of carbon cycling: Organic matter storage and turnover" - Subproject 4: Micro-scaled Hydraulic Heterogeneity in Subsoils

Leitung:

Prof. Dr. Jörg Bachmann

Bearbeitung:

Jiem Krüger

Laufzeit:

2013-2017

Kurzbeschreibung:

Die Wasser- und Nährstoffversorgung im Boden wird wesentlich durch physikalische und physikochemische Bodeneigenschaften beeinflusst, z.B. durch Porenraumstruktur (Porengröße, Tortuosität, Konnektivität) und Porenoberflächeneigenschaften (Oberflächenladung und Oberflächenenergie). Hinsichtlich der Organismen im Boden, kontrolliert das Fließregime den Transport von Nährstoffen und Enzymen und beeinflusst die mikrobielle Motilität sowie die Belüftung des Bodens. Die Entkopplung von biologischen und physikalischen Prozessen ist eines der wichtigsten Faktoren, die zur Stabilisierung und Speicherung der organischen Bodensubstanz im Unterboden führt. Das Projekt ist ein Teil der Forschergruppe (FOR 1806): Kohlenstoffspeicherung und C- Umsatzdynamik in Unterböden: Der häufig ignorierte Teil im Kohlenstoffzyklus. Hauptziel des Teilprojektes ist zu überprüfen, ob und in wie weit bodenphysikalische Heterogenitäten Einfluss auf die Kohlenstoff-Umsatzdynamik und –speicherung im Unterboden haben. Dabei wird das intakte Bodengefüge und die damit verbundende Porenraumstruktur und räumliche Dichteverteilung in Form einer Fließzelle radiografisch untersucht. Die räumlichen Verteilung von physikochemischen (Benetzungseigenschaften), chemischen (IR-Mapping) und biologischen (Enzym-Mapping) Oberflächeneigenschaften der Bodenpartikel sollen mit gemessenen bodenphysikalischen Parametern verknüpft werden. Diese Zusammenhänge sollen Aufschluss über Ursachen und Relevanz von hydraulischen Heterogenitäten für die Kohlenstoffspeicherung und -umsetzung im Unterboden liefern.

 

 

Forschergruppe 1806: "SubSOM - The forgotten part of carbon cycling: Organic matter storage and turnover" - Subproject 5: Origin and fate of dissolved organic matter in the subsoil

Leitung:

Prof. Dr. Georg Guggenberger, Dr. Robert Mikutta und Prof. Dr. Karsten Kalbitz (University of Amsterdam)

Bearbeitung:

Timo Leinemann

Laufzeit:

2013-2016

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kurzbeschreibung:

Gelöste organische Substanz (Dissolved organic matter—DOM) ist eine der wichtigsten Quellen für organische Substanz (organic matter—OM) im Unterboden. Projekt 5 hat die Zielsetzung, den Einfluss von DOM-Eintrag, -Transport und -Transformation in den organischen Kohlenstoff (OC)-Speicher im Unterboden zu quantifizieren. Die zentralen Hypothesen sind, dass das mit der Bodentiefe zunehmende 14C-Alter durch einen Kaskadeneffekt verursacht wird, welcher dazu führt, dass sich alter OC in jungem Unterboden befindet, wohingegen sorptive Stabilisierung in preferentiellen Fließwegen schwach ist und junge, bioverfügbare DOM in großen Mengen in den Unterboden verlagert wird. Diese Hypothesen werden mittels einer Kombination aus Messungen des DOC-Flusses mit der vergleichenden Analyse der Zusammensetzung sowie Umsatz von DOM und mineral-assoziiertier OM geprüft. Das Arbeitsprogramm verwendet ein DOM-Monitoring am Unterboden-Observatorium im Grinderwald, ergänzt von definierten Experimenten unter Feld- und Laborbedingungen, sowie Laborexperimenten über DOM-Versickerung in Böden aus verschiedenen Regionen. Ein zentraler Aspekt der Experimente ist die Verbindung einer 13C Laubstreu-Markierung zu dem 14C-Alter von DOM und OM. Auf diese Weise trägt P5 zu dem übergeordneten Ziel des Gesamtprojekts bei und behandelt die generellen Hypothesen, dass Unterboden-OM größtenteils aus verlagerter, alter DOM aus darüber liegenden Horizonten besteht, dass die Sorptionskapazität von DOM sowie die Größe des Vorrats an mineral-assoziierter OM von der Interaktion mit Mineralen kontrolliert wird und dass preferentielle Fließwege „Hot Spots“ von hoher Substratverfügbarkeit darstellen.

 

 

Forschergruppe 2337 "Denitrification in Agricultural Soils: Integrated Control and Modelling at Various Scales (DASIM)" - Subproject P3: Relevance of functional soil organic matter fractions for kinetics and spatiotemporal patterns of denitrification

Leitung:

Prof. Dr. Jürgen Böttcher und Prof. Dr. Robert Mikutta (Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg)

Bearbeitung:

NN

Laufzeit:

2016-2019

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kurzbeschreibung:

Denitrification is a key transformations process, which returns nitrogen (N) from soil back into the atmosphere as N2 and N oxides and therefore plays an important role for the closure of the global N cycle. Despite soil organic matter (OM) is known to fuel denitrification by acting as an electron donor, the role of OM quality and its spatial and temporal bioavailability is only poorly understood. Such information is mandatory for understanding and predicting the "hot-spot"─ and "hotmoment"─ behavior of N trace gas emissions from agricultural soils. This project aims to study the effect of OM type and composition on soil denitrification. Particularly, we will link the properties and abundance of different functional OM fractions (dissolved, particulate, and mineral-associated OM) to the onset and extent of soil denitrification and the respective gas products. Controlled incubation experiments utilizing different organic substrates and soil aggregate size-fractions will be conducted to derive rate equations for denitrification as well as threshold oxygen concentrations and to identify the prime locations of soil denitrification activity. The spatial arrangement of OM in soil will be evaluated microscopically using thin sections of aggregates. Based on OM properties, as judged from element analytics, 13C-NMR and X-ray photoelectron spectroscopy, and denitrification data we will develop an OM-specific quality index for implementation and use in denitrification models.

 

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Forschergruppe GRK 1798 „Signaling at the Plant-Soil Interface“- Topic 4: Mechanisms of carbon-nutrient trading in mycorrhizal symbioses and consequences for carbon sequestration in soils

Leitung:

Prof. Dr. Georg Guggenberger, Dr. Jens Boy

Bearbeitung:

Cornelia Schneider, Alberto Andrino de la Fuente, Mauricio Aguirre Morales

Laufzeit:

2013-2019

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kurzbeschreibung:

Dieses Projekt basiert auf dem neuen Konzept, dass Speicherung und Umsatz von organischem Kohlenstoff im Boden in hohem Maße vom Kohlenstoffhaushalt von Mykorrhiza-Symbiosen beeinflusst wird. Unsere grundlegende Hypothese lautet, dass die Nährstoffbeschaffungs-Leistung der Mykorrhiza den unterirdischen Kohlenstoff-Fluss kontrolliert. Die Regulierung des Kohlenstoff-Flusses in Abhängigkeit vom Nährstoffstatus soll in Mikrokosmos-Experimenten untersucht werden. Während die pflanzliche Stimulierung von Hyphenwachstum mittels Strigolacton-Analyse ermittelt wird, wird die Verteilung von Kohlenstoff im „Soil-Wide-Web“ mit Hilfe von IRMS und nanoSIMS im Anschluss an eine 13C-Markierung untersucht.

 

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Global comparison of the biogenic weathering rates of mycorrhiza

Leitung:

Dr. Jens Boy, Dr. Robert Mikutta, Prof. Georg Guggenberger

Bearbeitung:

Annika Dechêne

Laufzeit:

2013-2018

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft: DFG-Projekt (BO 3741 3-1)

Kurzbeschreibung:

Verwitterungsprozesse spielen eine entscheidende Rolle für den Erhalt des Lebens auf der Erde, da sie Nährstoffe für Organismen zur Verfügung stellen. Neben der physikochemischen Verwitterung könnte die biogene Verwitterung eine substantielle Bedeutung für Mineralzersetzung im Allgemeinen und Nährstoff-Freisetzung für Ökosysteme im speziellen haben. Es wird zunehmend erkannt, dass Mykorrhiza-Pilze eine wichtige Rolle in der biologischen Verwitterung spielen, aber die zugrundeliegenden Prozesse sind immer noch weitgehend unbekannt, da es noch keine groß angelegten in-situ Vergleichsstudien gibt. Dieses Projekt hat die Zielsetzung, die biologische Verwitterung von Mykorrhiza-Pilzen in einer globalen Feldstudie zu untersuchen, indem Waldökosysteme verglichen werden, die von nahe miteinander verwandten Pflanzen dominiert werden, und in denen entweder arbuskulare Mykorrhiza oder Ectomykorrhiza vorkommen. Netzbeutel, die mit Mineralen unterschiedlicher Stabilität und Nährstoffgehalt gefüllt sind, werden für bis zu drei Jahre an 21 biogeochemisch beobachteten Standorten vergraben. Mittels verschiedener nasschemischer, bildverarbeitender und spektroskopischer Methoden werden wir folgendes ermitteln: (i) das Ausmaß von Pilzkolonisierung und den Typ der Mykorrhiza, der an der der Mineralverwitterung beteiligt ist, (ii) die Selektivität, das Ausmaß und die Rate der Mykorrhiza-induzierten Mineralverwitterung in Abhängigkeit von Ökosystemeigenschaften, und (iii) der Beitrag verschiedener Organismengruppen zur biologischen Verwitterung. Dieser einzigartige Datensatz wird unser bisheriges Verständnis der Rolle von Biota in der Funktionsweise und Nachhaltigkeit von Ökosystemen auf globaler Skala in hohem Maße erweitern.

 

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KULUNDA: Ökologische und Ökonomische Strategien zur nachhaltigen Landnutzung in Russischen Steppen: Ein Beitrag zur Anpassung an den Klimawandel - Teilprojekt: Landnutzungseffekte für die Kohlenstoffsequestrierung in Steppenböden

Leitung:

Prof. Dr. Georg Guggenberger, Dr. Robert Mikutta, Dr. Olga Shibistova

Bearbeitung:

Norbert Bischoff

Laufzeit:

2012-2016

Förderung durch:

Bundesministerium durch Bildung und Forschung (BMBF)

 

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Mechanismen und Regulation der Kohlenstoffspeicherung in cryoturbaten Böden der Eurasischen Arktis

Leitung:

Prof. Dr. Georg Guggenberger und Dr. Robert Mikutta

Bearbeitung:

Dr. Olga Shibistova, Norman Gentsch

Laufzeit:

2010-

Förderung durch:

European Science Foundation (ESF) / Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

 

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NTH Graduate School GeoFluxes - Microbially-mediated transformation and mobilization of Fe-organic associations in the critical zone

Leitung:

Prof. Dr. Georg Guggenberger, Dr. Robert Mikutta, Prof. Dr. Axel Schippers

Bearbeitung:

Christine Poggenburg

Laufzeit:

2012-2015

Förderung durch:

Niedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur

 

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NTH Graduate School GeoFluxes - Natural organic matter turnover in peatlands as major driving factor for fluxes of DOM, nutrients, and trace elements

Leitung:

Prof. Dr. Harald Biester (TU Braunschweig), Prof. Dr. Georg Guggenberger

Bearbeitung:

Tanja Broder

Laufzeit:

2012-2015

Förderung durch:

Niedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur

 

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Past and present human impact on Kobresia pygmaea ecosystems as deduced from soil organic matter studies

Leitung:

Prof. Dr. Georg Guggenberger und Prof. Dr. Yakov Kuzyakov (Universität Göttingen)

Bearbeitung:

Lena Becker

Laufzeit:

2009-2014

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

 

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Phototrophic community succession as driver of mineral weathering and soil formation along chronosequences in maritime Antarctica (SPP 1158 "Antarctic Research")

Leitung:

Dr. Jens Boy, Dr. Robert Mikutta, Dr. Olga Shibistova, Prof. Dr. Georg Guggenberger, Prof. Dr. Roberto Godoy

Bearbeitung:

Dr. Olga Shibistova, Ning Ning Zhao, Mauricio Aguirre Morales

Laufzeit:

2013-2016

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft: DFG-Projekt (BO 3741 2-1)

Kurzbeschreibung:

Durch die Umwandlung von Ausgangsgestein in Böden und Versorgung von Organismen mit Nährstoffen sind Verwitterungsprozesse von fundamentaler Bedeutung für die Erhaltung von Leben auf der Erde. Umgekehrt ist das Leben durch die Investierung von Photosyntheseproduken in Verwitterungsprozesse selbst an der Mineralverwitterung beteiligt. Unser Ziel ist, Prozesse und Schwellenwerte biogener Verwitterung als Funktion der Sukzession von photoautotrophen Gemeinschaften von Mikrolagen/Cyanobakterien über Flechten-dominierten Stadien bis hin zum Auftreten höherer Pflanzen entlang von Bodenchronosequenzen in der maritimen Antarktis zu untersuchen, welche durch von der Klimaerwärmung verursachten Gletscherrückzug entstanden sind. Zu diesem Zweck werden entlang der Chronosequenzen Verwitterungsbedingungen, Verteilung von organischem Kohlenstoff im Boden, in-situ Mineralzusammensetzung und biogene Verwitterung auf den Oberflächen von eingebrachten definierten gesteinbildenden Mineralen ermittelt und in Zusammenhang mit der phototrophen Gemeinschaftsstruktur gesetzt. Wir erwarten, dass dies zum Verständnis darüber beitragen kann, ob und wie das Leben sein Habitat in einem extremen terrestrischen Ökosystem verändert, und auf welche Weise dieses Biogeosystem auf Veränderungen durch den Klimawandel in einer zunehmend wärmeren Antarktis reagieren könnte.

 

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Plant-microbe strategies for utilization of mineral-associated P sources

Leitung:

Prof. Dr. R. Mikutta, Prof. Dr. B. Glaser, Prof. Dr. G. Guggenberger

Laufzeit:

2017-2019

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kurzbeschreibung:

Depleted resources in easy accessible apatite as well as the sorption of inorganic and organic phosphorus (P) to secondary minerals are the main proposed aspects for P limitation of old weathered forest ecosystems. In spite of that indications exist that sorption of P is not irreversible and that life communities are capable to recycle mineral-associated P. But the underlying processes and controlling factors are still poorly known. In this project we will test the hypothesis that particularly in P-limited ecosystems plant-microbe communities can utilize mineral-bound P. We assume that a higher P use efficiency from secondary minerals, especially of sorbed orthophosphate in comparison to P monoesters, is due to an enhanced investment of photosynthates into weathering-active mycorrhiza and bacteria, with such a strategy being realized for both ectomycorrhized plants as well as for plants living in symbiosis with arbuscular fungi. Therefore, mesocosm experiments with soils varying in P supply and amended with additional P sources, i.e. ferrihydrite with adsorbed orthophosphate and P-monoesters, will be run under Fagus sylvatica (ectomycorrhiza) und Acer pseudoplatanus (arbuscular mycorrhiza). 13CO2 isotope labeling and substance-specific 13C analysis in phospholipid fatty acids and low-molecular weight organic acids as well as enzyme activity measurements will inform about the investment of plants into microbial communites as well as weathering agents as a function of soil P availability and P types present. In a field exposure experiment, P adsorption complexes will be buried and incubated for one year to verify the mesocosms results. Phosphorus losses will be assessed by X-ray fluorescence and photoelectron spectroscopy and the involved microbial communities will be described based on quantitative real-time PCR and 454 pyrosequencing. The obtained data will clarify whether the recycling of P from secondary minerals is a relevant process and which strategies of life are realized.

 

 

Process-based & Resilience-Oriented management of DIversity Generates sustainable Yields (PRODIGY) – a transnational project in the MAP-region (Brazil, Peru, Bolivia)

Leitung:

Dr. Jens Boy, Prof. Dr. Guggenberger

Bearbeitung:

Alberto Andrino de la Fuente

Laufzeit:

2017-2018 (öpotentiell 2022)

Förderung durch:

BMBF, Programm: Kipppunkte, Dynamik und Wechselwirkungen von sozialen und ökologischen Systemen (BioTip)

Kurzbeschreibung:

It is widely accepted that biodiversity has to be conserved and thus became a Global Sustainable Development Goal (No. 15). Surprisingly little is known about the processes which are driven by biodiversity, the kinetics of these processes, their scale-dependency, systemic feedbacks as well as potential and already crossed tipping points. The reason for this is simple: biodiversity means complexity, thus many degrees of freedom to be covered for addressing its working principles. Further, impacts on- and consequences of- biodiversity-related processes might often be visible at a scale not investigated in a given study. Approaches of research fields are commonly linked to a certain scale. In order to overcome this system-inherent obstacle, our inter- and transdisciplinary working group commits itself strictly to a multivariate and multi-scale approach, where the steering of biodiversity on processes and their tipping points are likely to be understood at all relevant levels, also by tracking down unforeseen feedback loops overleaping scales We aim at the most crucial aspect of biodiversity in terms of successfully mainstreaming its value as a protectable good in the international decision process: advancing research on the valuation of biodiversity and its ecosystem services by linking social cost-benefit analysis to dynamic ecological-economic models that explicitly represent biodiversity as a functional component of the ecosystem. This will allow us to explore how policies and land(scape) management strategies can operationalize the conservation of biodiversity as a valuable asset for ensuring human livelihood and maintaining socio-ecological system resilience in the face of climate change and economic shocks. With this general understanding of biodiversity-driven processes and their effects on the socio-ecological system and economic value chains at hand, strategies and policies to avoid the crossing of the tipping points on the various scales can be developed. Thus, we understand that biodiversity is driving functional processes and determining tipping points, rather than being solely a victim of exceeded tipping points.

 

 

Skalierung von Sorptionsisothermen und physikochemischen Bodeneigenschaften zur Quantifizierung der Feldskaligen Variabilität der Retardation reaktiver Stoffe in Böden

Leitung:

Prof. Dr. Jürgen Böttcher

Bearbeitung:

Han Xiao

Laufzeit:

2010-2015

 

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Soil-age driven inverse coupling of biogenic weathering and nutrient recycling on ecosystem level.

Leitung:

Prof. Dr. Roberto Godoy, Dr. Jens Boy

Bearbeitung:

Cesar Andres Marin Daza

Laufzeit:

2014-2017

Förderung durch:

Fondo Nacional de Desarollo Cientifico y Tecnologico (FONDECYT)

 

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Spatiotemporal interactions of aggregate-forming agents within soil microaggregates: Consequences for aggregate structure and stability

Leitung:

Prof. Dr. Georg Guggenberger, Dr. Robert Mikutta

Bearbeitung:

Dr. Stefan Dultz, Dr. Susanne K. Woche

Laufzeit:

2015-2018

Förderung durch:

DFG Research Unit 2179: MAD Soil - Microaggregates: formation and turnover of the structural building blocks of soils

Kurzbeschreibung:

Aggregation in soil is a very dynamic, multi-cause process, with changes in aggregate architecture having major implications for many soil functions, e.g., water storage and transport, aeration, biological activity, and the storage and cycling of organic carbon. In the project we relate the abundance and interactions of the various aggregate-forming agents (AFA) present in smaller building units (BU) and soil microaggregates (SMA) to the overall structure, mineralogical composition, and pore size distribution of microaggregates. Our basic assumption is that microaggregation is controlled by surface properties of participating AFA such as clay minerals, Fe- and Al-oxides and organic matter. The role of surface charge on the formation of BU and SMA is determined in model experiments. Furthermore we assume that the composition of organic matter at outer particle and aggregate surfaces determines the ability to form mineral-organic-mineral bonds and thus influence the stability of microaggregates. Here our central approach is to utilize X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to characterize the surface chemical composition of model BU and SMA within a 2-10 nm thin surface layer. Changing soil environmental conditions (pH, Eh, ionic strength) might vary in space and in time and can make AFA to lose their aggregating function. Organic matter initiating aggregate formation can be removed by desorption and microbial consumption, resulting in destabilization of aggregates. In summary, our work program addresses four different issues: (1) overall structure, mineralogical composition, and pore size distribution of microaggregates, (2) temporal change and spatial distribution of elements within microaggregates, (3) quality and stability of microaggregate-entrained OM, and (4) stability of microaggregates upon selective removal of AFA.

 

 

SPICE III Indonesia: TIMES – Terrestrial Influences on Mangrove Ecology and Sustainability of their resources - Carbon sequestration as a function of land use change in mangroves

Leitung:

Dr. Jens Boy, Dr. Robert Mikutta, Prof. Dr. Georg Guggenberger

Bearbeitung:

Christian Weiss, Joanna Weiss

Laufzeit:

2012-2016

Förderung durch:

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Kurzbeschreibung:

Dieses Projekt hat die Zielsetzung, die Prozesse der Kohlenstoff (C)-Bindung in repräsentativen Mangrovenökosystemen in Indonesien (Segara Anakan Lagune, Java; Togian Islands, Sulawesi; Berau, Kalimantan) in Abhängigkeit der Umwandlung von Mangroven in Nutzflächen zu verstehen, um ein leicht anwendbares Werkzeug für die Preisermittlung von mit C verbundenen Umweltservices (CRES) im Rahmen der REDD- und PES-Pläne zu entwickeln und zu testen. Wir werden das Kohlenstoff-Bindungspotential von Mangroven untersuchen, indem wir C-Vorräte in Beziehung zu Quellen, Zusammensetzung und Umsatz verschiedener Typen von organischer Substanz (OM) in Böden setzen. Des Weiteren versuchen wir herauszufinden, in welchem Ausmaß diese Funktionen von der Artenzusammensetzung von Pflanzen und Mikroorganismen (Bakterien und Pilzen) in unberührten und genutzten (einschließlich komplett entwaldeter) Mangroven gesteuert werden. Dieses Prozess-basierte Verstehen von Schwellenwerten hinsichtlich der Nutzung von Mangrovenökosystemen ist eine Voraussetzung für erfolgreiche zukünftige Bewirtschaftungsszenarien, die sich mit der Bindung von C in Mangroven beschäftigen. Darüber hinaus wird untersucht, ob die Identifizierung der oberirdischen Artenzusammensetzung als ein fundierter Indikator für CRES fungieren kann, sowohl für ökonomische Entscheidungsfindungsprozesse auf größerer Skala als auch für kosteneffizientes Monitoring von CRES auf lokaler Ebene.

 

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Untersuchung der physikochemischen und mechanischen Eigenschaften von vulkanischen Ascheböden in Südchile und der Konsequenzen für die daraus resultierende Erodibilität

Leitung:

Prof. Dr. Jörg Bachmann

Bearbeitung:

Jiem Krüger

Laufzeit:

2010-2013

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

 

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Untersuchungen zur Rolle unterschiedlicher Agroforstbäume für Produktion von Coffea arabica L. in der Gedeo Zone Süd-Äthiopiens

Leitung:

Prof. Dr. Georg Guggenberger

Laufzeit:

2007-

 

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When nano-scale meets biodiversity: retention and recycling mechanisms of organic phosphorus in soil (SPP 1685 "Ecosystem Nutrition: Forest Strategies for limited Phosphorus Resources")

Leitung:

Dr. Robert Mikutta, Dr. Jens Boy, Prof. Dr. Georg Guggenberger

Bearbeitung:

Dr. Marc-Oliver Göbel

Laufzeit:

2013-2016

Förderung durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft: DFG-Projekt (MI 1377/7-1)

Kurzbeschreibung:

Mit zunehmendem Verbrauch von anorganischem Phosphor (P) aus Primärmineralen gewinnt organische Bodensubstanz als Quelle für bioverfügbares P an Bedeutung. Derzeitige Konzepte hinsichtlich des P-Kreislaufs und der Mobilisierung von organischem P ignorieren die Bildung von mineral-organischen Assoziationen weitgehend. Dieses Projekt hat die Zielsetzung, auf der Nanoskala an Mineraloberflächen stattfindende Prozesse mit der Bioverfügbarkeit von organischem P zu verknüpfen. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf dem Einfluss von Biodiversität und der Etablierung von funktionellen Nischen durch mikrobielle Gemeinschaften auf das Recycling von P in Böden. Entlang eines Bodengradienten von Boden P-Verfügbarkeit wird sowohl der Anteil von mineral-assoziiertem P als auch dessen Zusammensetzung (31P NMR und X-ray Absorption Near Edge Structure Spectroscopy) ermittelt und in Bezug zu mineralogischen Bodeneigenschaften gesetzt. Mit Hilfe von Adsorptions- und Desorptions-Experimenten mit monomerischen und polymerischen P-Quellen wird das Recycling-Potential von mineral-gebundenem organischen P von verschiedenen biotischen Gemeinschaften (Pflanzen, Mykorrhiza, Bakterien) in Mesokosmos- und Feldexperimenten untersucht. Wir erwarten, sowohl die Bedeutung von mineral-assoziiertem P für das P-Recycling in Waldökosystemen abschätzen zu können als auch die wichtigsten biotischen und abiotischen Kontrollfaktoren identifizieren zu können.

 

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„Torfersatzstoffe“ -Entwicklung eines Prüfrasters für die Herstellung von Torfersatzstoffen mit hoher Kultursicherheit für den Erwerbsgartenbau

Leitung:

Prof. Dr. Jürgen Böttcher, Prof. Dr. Heike Bohne

Bearbeitung:

Dr. Katharina Leiber-Sauheitl

Laufzeit:

2016-2019

Förderung durch:

Deutsche Bundestiftung Umwelt (DBU)

Kurzbeschreibung:

Mit dem Abbau des Rohstoffes Torf für die Produktion von Kultursubstraten und Blumenerden sind große ökologische Probleme verbunden: Treibhausgas-Emissionen, Landschaftswandel, Verlust der biologischen Vielfalt, Veränderung des Landschaftswasserhaushalts. Torfersatzstoffe wie z. B. Rindenhumus, Komposte, Holz- und Kokosfasern werden bislang nur in kleinen Anteilen zugesetzt, weil sie andere Eigenschaften als Torf aufweisen und somit ein Kulturrisiko darstellen können. Außerdem stehen diese bislang nicht in ausreichenden Mengen zur Verfügung und können ebenfalls zu ökologischen Problemen (z. B. energieaufwändiger Transport von Kokosfasern) führen. Hauptziel des beantragten Projektes ist daher die Entwicklung eines Prüfrasters, mit dessen Hilfe neue Rohstoffe für Torfersatzstoffe ausgewiesen, potenzielle Kulturrisiken dieser Substratausgangsstoffe erkannt und Maßnahmen zur Kultursteuerung empfohlen werden können. Dazu werden analytische Methoden für die Charakterisierung der chemischen, physikalischen und einiger mikrobiologischer Eigenschaften von Rohstoffen und potentiellen neuen Substrat-ausgangsstoffen in Kooperation mit der verarbeitenden Industrie (Rohstoffaufbereitung / Kompostierung, Substratherstellung) weiterentwickelt. Durch Versuche mit Kulturpflanzen aus unterschiedlichen Sparten des Erwerbsgartenbaus werden die gewonnenen Ergebnisse in Praxisbetrieben weiter überprüft.