Forschung der Arbeitsgruppe Bodenbiophysik

Was ist Bodenbiophysik?

Die Arbeitsgruppe Bodenbiophysik befasst sich mit den Wechselwirkungen von physikalischen und biologischen Prozessen in Böden. Damit vereint sie die klassischen Disziplinen Bodenphysik und Bodenökologie zu einer neuen übergreifenden Fachrichtung, die sich mit Wasser-, Stoff- und Energieflüssen in Bodenökosystemen auf unterschiedlichen Skalen und deren Bedeutung für ökologische Bodenfunktionen auseinandersetzt.

Landnutzung und Verstädterung gelten als Hauptfaktoren für die Änderung von Bodeneigenschaften und beeinflussen damit den Wasser-, Stoff- und Energiekreislauf in Ökosystemen. Bevölkerungswachstum und Klimawandel führen einerseits zu einer Intensivierung der land- und forstwirtschaftlichen Produktion u.a. durch stärkere Bewässerung oder zunehmende Mechanisierung der Produktionssysteme bei gleichzeitig immer extremeren Wetterrandbedingungen. Andererseits gehen durch Bodendegradation und Flächenversiegelung täglich Millionen von Hektar fruchtbarer Boden verloren. In diesem Themenkomplex untersuchen wir, wie sich Urbanisierung in schnell wachsenden Metropolen in Indien (Bangalore) oder die intensive Befahrung von Forstflächen bei der Holzernte in Deutschland auf die Bodenqualität und Degradierung von physikalischen und ökologischen Bodenfunktionen auswirken. Feld- und Laboruntersuchungen von bodenphysikalischen und mechanischen Parametern in Kombination mit hydrologischer Modellierung helfen die Änderungen auf Wasser-, Wärme- und Stoffkreisläufe in unterschiedlichen Managementszenarien zu quantifizieren. Dazu gehört auch die Frage inwieweit Anpassungsstrategien wie die regenerative Landwirtschaft durch Fruchtfolgegestaltung und aufbauendes Bodenmanagement (Kompost, schonende Bodenbearbeitung) die Wasser-, Stoff- und Energieflüsse zwischen Boden- und Atmosphäre beeinflussen und ob dadurch u.a. Kühleffekte in der Landschaft erzielt werden können. Hierzu werden u.a. Drohnen gestützte Verfahren wie die Thermographie und in situ Sensornetzwerke eingesetzt.

Einer unserer Schwerpunkte im Bereich der Bodenbiophysik beschäftigt sich mit der Interaktion zwischen Wurzeln und Boden. Die Eigenschaften eines Bodens beeinflussen das Wurzelwachstum, beispielsweise durch die vorhandenen Korngrößen, die Bodenstruktur und -festigkeit, sowie den Gehalt an Wasser und an mineralischer und organischer Substanz. Das Wurzelwachstum wiederrum verändert den Boden in vielerlei Hinsicht. So werden nicht nur Wasser und Nährstoffe entzogen, sondern auch strukturelle und mechanische Eigenschaften verändert. Die lebende Wurzel expandiert im Boden und deformiert dabei ihre Umgebung was zur Entstehung von neuen Mikrostrukturen und lokalen Komprimierung in der Rhizosphäre führt. Ausgeschiedene Wurzelexsudate modifizieren physikalische Eigenschaften des Bodens und stellen zudem einen Kohlenstoff- und Nährstoffeintrag dar. Stirbt die Wurzel ab, werden ihre Überreste zersetzt, wobei Kohlenstoff und Nährstoffe Bestandteile neuer Verbindungen werden, bzw. von anderen Pflanzen, Bodenlebewesen und Mikroorganismen genutzt werden können. Zudem bildet der entstandene Porenraum ein neues Habitat für unterschiedliche Organismen und erleichtert das Wachstum anderer Pflanzen, deren Wurzeln die schon vorhandenen Poren nutzen können. 

Mit Hilfe von Labor- und Feldversuchen beschreiben wir mikromechanische und strukturelle Eigenschaften im Bereich der Rhizosphäre. Dazu zählen beispielsweise Eindringwiderstände und Messungen zur mechanischen Verformbarkeit von Böden und zur Aggregatstabilität. Mit röntgenmikrotomographischen Aufnahmen von Aggregat- bis hin zur Wurzelsystemebene beschreiben wir die 3D-Porenraumstrukturen und werten diese mit quantitativen Bildanalyse-Algorithmen aus. Dabei interessiert uns die räumliche und zeitliche Entwicklung der zugrundeliegenden Prozesse und deren Zusammenhänge mit den sich bildenden Mikrostrukturen und wie diese auf die Funktionalität des gesamten Wurzel-Boden Systems wirken.

Die Struktur des Bodens ist ein maßgeblicher Faktor für die Steuerung von Bodenfunktionen. Ein wichtiger Bestandteil der Bodenstruktur sind Aggregate in unterschiedlichen Größen. Diese haben eine innere Struktur, welche als räumliche Anordnung von Festsubstanz und Porenraum beschrieben werden kann. In Porennetzwerken und an Grenzflächen zur Festsubstanz spielen sich viele wichtige biogeochemische und physikalische Prozesse ab. Beispiele sind die Speicherung und der Transport von Wasser, Nährstoffen und Bodengasen, die Regulation des Kohlenstoff- und Stickstoffkreislaufs, welche in hohem Maß durch Mikroorganismen gesteuert werden und die unterschiedlichste Porenräume und Nischen in Bodenaggregaten als Habitat nutzen. Die morphologischen und topologischen Eigenschaften der 3D-Struktur von Bodenporenräumen von der Pedon- bis Aggregatskala quantitativ zu beschreiben und mit diversen Bodeneigenschaften und Prozessen in Verbindung zu bringen ist ein weiterer Schwerpunkt der Arbeitsgruppe Bodenbiophysik. 

Zur quantitativen Analyse von Bodenstrukturen verwenden wir moderne (nichtinvasive) bildgebende Verfahren wie die Röntgentomographie, mit der sich 3- und 4-dimensionale Dynamiken sehr gut untersuchen lassen. Dabei lassen sich Auflösungen von Millimetern bis in den Nanometerbereich erzielen, die uns sehr detaillierte Einblicke in die Welt des Bodenmikrobioms und der Bodenfauna erlauben.