Kolloide in Waldböden
DFG Schwerpunktprogramm 1685: Ecosystem Nutrition - Forest Strategies for limited Phosphorus Resources
Projekt: Nanoparticles and colloids as vectors of P-losses and -redistribution during forest ecosystem development
Projektleitung: Prof. Jan Siemens mit Prof. Erwin Klumpp (FZ Jülich)
Bearbeitung: MSc Anna Missong
Laufzeit: 2014-2016
Kurzbeschreibung:
Hintergrund: Obwohl Nanopartikel und Kolloide (NPC) als Vektoren für P-Verluste und P-Neuverteilungen in Waldsystemen fungieren, fehlen grundsätzlichen Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen steuernden Umweltfaktoren und dem Schicksal, Transport und der zusammensetzung von NPC und ihrer P-Beladung. Wir postulieren, dass hydrologisch bedingte NPC-Verluste und -umverteilungen eine dreifache Gefahr für das langfristige biogeochemische Recycling von P in Waldökosystemen und damit die Ökosystemernährung darstellen.
Projektziel: Aufklärung der Bedeutung und Steuerung von NPC-Verlusten und –umverteilungen für die langfristige Effizienz des P-Recycling in Waldökosystemen.
Projekt-Hypothesen: Mobile Kolloide in Waldökosystemen entstammen hauptsächlich dem organischen Oberboden (alle WPs), (ii) Laterale Flüsse vom kolloidalen P während Starkregenereignissen begrenzen langfristig die maximale P-Wiederverwertungseffizienz von Waldökosystemen (WP1), (iii) P ist überwiegend mit organischen Kolloiden assoziiert und größtenteils bioverfügbar, was eine weitere Limitierung der P-Wiederverwertung im Wald darstellt (WP2), (iv) Die Kolloidverlagerung in Wäldern führt zu P-reichen und P-armen Stellen (laterale Umverteilung) bzw. zu einem P-Transfer aus oberflächennahen organischen Horizonten zum mineralischen Unterboden und damit zu einer P-Festlegung in diesem Horizont (WP3), und (v) Abnehmende atmosphärische Einträge von organischen Säuren und Kalkung erhöhen den pH Wert und reduzieren das austauschbare bzw. gelöste Al3+ im Waldoberboden, was die Mobilisierung bzw. den Verlust von kolloidalem P fördert (WP4).
Methodik: Wir erfassen die Konzentration und Zusammensetzung von Kolloiden in Wasserproben aus dem lateralen Fluss in Bodeneinschnitte (trenches) und aus den Oberläufen von Bächen an den Versuchsstandorten in Bad Brückenau, Conventwald, Vessertal und Mitterfels. Die Kolloide werden mittels Feld Fluss Fraktionierung fraktioniert bzw. isoliert und in Kombination mit ICP-MS, TOC und TN Analyse, sowie TEM gekoppelt mit Energiedispersiver Röntgenspektroskopie charakterisiert.
Aufgaben/Arbeitspakete:
- WP1: Entnahme von Wasserproben aus dem lateralen Fluss in Bodeneinschnitten (trenches) (mit Puhlmann/Weiler und Julich/Feger). Entsprechend unserer Hypothese sollte die Gesamtmenge von NPCs aus präferenziellen Fließwegen, dem lateralen Fluss und den Oberläufen der freigesetzten Menge aus der organischen Bodenoberschicht gleich sein.
- WP2: Untersuchung der Bioverfügbarkeit der NPC aus dem “interflow” und den Oberläufen durch Inkubationsexperimente mit Enzymen um Phosphatester und Inositol-Phosphate nachzuweisen (mit Kaiser/Hagedorn/Niklaus).
- WP3: Um die lateralen Fließwege zu identifizieren, werden das Potential der lateralen und horizontalen Neuverteilung von NPC und NPC gebundenem P im Wald durch Mapping untersucht bzw. die räumliche Verteilung mittels digitaler Erhebungsmodelle eingeschätzt (im Zentralprojekt und mit F. Lang). Der Vergleich der NPC Konzentrationen und Zusammensetzungen zwischen der organischen Oberschicht, dem A-Horizont und dem B-Horizont wird die Bedeutung von NPC für das P-Transfer vom Oberboden zum Unterboden klarstellen.
- WP4: Um den Effekt von zunehmendem pH und der abnehmenden Al3+ auf die Freisetzung von NPC aus Waldoberböden aufzuklären, werden Bodensäule-Experimente durchgeführt (mit Wilpert/Bauhus/Luster).
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (SI 1106/8-1)
Weitere Informationen: https://www.ecosystem-nutrition.uni-freiburg.de/