DFG-Forschungsgruppe 2179 MAD Soil
"Microaggregates: Formation and turnover of the structural building blocks of soils"
Feststoffproben für Rasterelektronenmikroskop
Die Bildung und der Umsatz von Mikroaggregaten und ihre Verknüpfung mit der Funktion von Böden ist ein wichtiges Forschungsgebiet in der Bodenkunde.
Die RU 2179 MAD Soil
Bildung und Umsatz der strukturellen Bausteine des Bodens haben das Bewusstsein für die potenzielle Rolle von Mikroaggregaten für die Funktion von Böden geschärft, indem ein gemeinsames Forschungsprogramm initiiert wurde. Die RU 2179 MAD Soil zielt auf ein fortgeschrittenes mechanistisches Verständnis der Bildung, Stabilität und des Umsatzes von Bodenmikroaggregaten ab, indem deren Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften in-situ, in-vitro und in-silico untersucht werden. Diese herausfordernden und anspruchsvollen Ziele können nur durch eine zielgerichtete Koordination und eine strukturierte und gelenkte Umsetzung der Untersuchung im Hinblick auf die großen Ziele der RU erreicht werden, indem Konzepte und Erkenntnisse integriert und abgeglichen werden. Der Schwerpunkt des Koordinationsprojektes für die zweite Phase ist somit die synoptische Synthese der Ergebnisse der einzelnen Projekte durch Erweiterung und Integration in den theoretischen mechanistischen Rahmen, der durch unsere gemeinsamen Modellierungsvorhaben gegeben ist. Neben diesem wissenschaftlichen Schwerpunkt wird die weitere Aufgabe von Projekt PC die Koordination und Organisation von Probenahme-Kampagnen, Tagungen, Symposien und Workshops, die Bereitstellung der grundlegenden physikalischen, chemischen und biologischen Parameter der gemeinsamen Feldstandorte (der Löß-Pedosequenz und des organic matter depletion-Feldexperimentes), zentrales Datenhandling einschließlich Vorverarbeitung und Speicherung, Verbreitung der Ergebnisse und Durchführung von Outreach-Aktivitäten einschließlich Web- und Social-Media-Präsenz, sein.
Untersuchung der Rolle der Oberflächenalteration und der dynamischen Verlagerung für die Bildung und Alteration von Mikroaggregaten im Boden-Ausgangsgesteins-Kontinuum
Aggregation und der Aufbau von Aggregaten sind einzigartige Merkmale von Böden. Aggregierung führt zu einer nicht-zufälligen räumlichen Anordnung der festen Phase bereits im Submikronbereich. Mikroaggregate gelten als die fundamentalen Bausteine der Aggregatstruktur in fast allen Böden, einschließlich derer mit einer Aggregathierarchie. Sie sind Verbundstrukturen kleiner <0,25 mm und umfassen auch die kolloidalen und nanopartikulären Mischphasen sowie organo-mineralische Komposite. Hervorzuheben ist dabei, dass Mikroaggregate, insbesondere solche kleiner als < 20 Mikrometer, auch als Komponenten der mobilen Phase vorliegen. So können sie mit dem Sickerwasser verlagert werden und Oberflächen- und Porenraumeigenschaften verändern. Mikroaggregatbildung durch Oberflächenalterierung in Folge von Interaktionen mit Komponenten der Flüssigphase stellt wahrscheinlich einen entscheidenden, bisher im Wesentlichen noch unerforschten Weg im Boden-Ausgangsgestein-Kontinuum während der initialen Pedogenese dar. In Böden fortgeschrittener Entwicklung entstehen Mikroaggregate aus Tonmineralen, schlecht kristallinen, aber hochreaktiven pedogenen Mineralphasen und organischer Substanz aus im Zuge eines Nukleationsprozess aus der chemisch heterogenen Bodensuspension. Beide Bildungswege laufen im Kontinuum Boden-Ausganggestein ab, können aber insbesondere in der Übergangszone von Boden zu Ausgangsgestein in einem frühen Stadium der Bodenbildung untersucht werden, bei der die Bildung von sekundären Mineralphasen noch in einem frühen Stadium steht. Die Stabilität von Mikroaggregaten sowie ihre Wechselwirkungen werden durch Befeuchtung-Austrocknung- und damit Hydratation-Dehydratation-Zyklen wesentlich beeinflusst. Diese von der Bodenfeuchte-Dynamik abhängigen Prozesse finden in Böden der gemäßigten Zonen regelmäßig bis in den Untergrund statt. Das bedeutet, dass sowohl hydraulischer als auch osmotischer Stress sowie deren Historie Interaktionen und Translokation von Mikroaggregaten maßgeblich beeinflussen können. Mit diesem Projekt wollen wir fundamentale Wissenslücken beim Verständnis der Bildung und Stabilität von Mikroaggregaten und deren Verknüpfung zu den Funktionen im Boden-Ausgangsgesteins-Kontinuum schließen. Das Forschungsprogramm hierzu umfasst Studien in-situ (Profilanalyse entlang einer Löß-Pedosequenz), in-vitro (dynamische Transportexperimente mit ungestörten Bodenkernen) und in-silico (numerische Simulation von Heteroaggregation). Dabei fokussieren wir auf zwei bislang vernachlässigte Bildungswege, die "geochemische Vererbung" und die "Heteroaggregation aus Suspension“. Mit diesem Teilprojekt zielen wir durch die Untersuchung der resultierenden Phänomene auf ein verbessertes Verständnis des Zusammenspiels und der Abhängigkeiten der Bildungswege für Mikroaggregate in Raum und Zeit und leisten einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung des quantitativen theoretischen Rahmens zum Verständnis der Bildung, Eigenschaften und Funktionen von Mikroaggregaten in Böden.
Impressionen (Feldarbeit)
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Boden(aggregat)probenahme in der Querfurter Mulde
Foto: Michaela Aehnelt -
Stechzylinderprobe eines Ackerbodens bei Querfurt
Foto: Robert Lehmann -
Herauspräparierte Stechzylinderprobe in einem Ackerboden bei Querfurt
Foto: Robert Lehmann -
Bohrstockprobe einer Parabraunerde auf Löss bei Querfurt
Foto: Tom Guhra -
Bohrstockprobe eines Ap-C-Bodens aus Löss bei Querfurt
Foto: Tom Guhra -
Entnahme von Bodenproben, Stechzylinder
Foto: Robert Lehmann -
Bodenproben im Stechzylinder
Foto: Katharina Lehmann -
Regenwürmer vor dem Einsatz im Laborexperiment
Foto: Katharina Lehmann
Publikationen
Inaugural-Paper
Totsche K.U., Amelung W., Gerzabek M.H., Guggenberger G., Klumpp E., Knief C., Lehndorff E., Mikutta R., Peth S., Prechtel A., Ray N., Kögel-Knabner I. (2018) Microaggregates in soils. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 181(1): 104-136. DOI: https://doi.org/10.1002/jpln.201600451Externer Link
Totsche, K.U., Ray, N. and Kögel-Knabner, I. (2024), Structure–function co-evolution during pedogenesis—Microaggregate development and turnover in soils. J. Plant Nutr. Soil Sci., 187: 5-16. https://doi.org/10.1002/jpln.202400012Externer Link
2024
Amelung, W., Tang, N., Siebers, N., Aehnelt, M., Eusterhues, K., Felde, V. J. M. N. L., Guggenberger, G., Kaiser, K., Kögel-Knabner, I., Klumpp, E., Knief, C., Kruse, J., Lehndorff, E., Mikutta, R., Peth, S., Ray, N., Prechtel, A., Ritschel, T., Schweizer, S. A., Woche, S. K., Wu, B., Totsche, K. U. (2024). Architecture of soil microaggregates: Advanced methodologies to explore properties and functions. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 187, 17–50. https://doi.org/10.1002/jpln.202300149Externer Link
Bucka, F. B., Felde, V. J. M. N. L., Peth, S., Kögel-Knabner, I. (2024). Complementary effects of sorption and biochemical processing of dissolved organic matter for emerging structure formation controlled by soil texture. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 187, 51–62. https://doi.org/10.1002/jpln.202200391Externer Link
Dultz, S., Speth, M., Klaus, K., Mikutta, R. & Guggenberger, G. (2024). Size, shape, and stability of organic particles formed during freeze–thaw cycles: Model experiments with tannic acid. – Journal of Colloid and Interface Science, 667: 563-574. https://doi.org/10.1016/j.clay.2020.105845Externer Link
Guhra, T., Wonneberger, A., Stolze, K., Ritschel, T., Totsche, K. U. (2024). The functional role of earthworm mucus during aggregation. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 187, 63–76. https://doi.org/10.1002/jpln.202300100Externer Link
Meyer, N., Kaldun, J., Rodionov, A., Amelung, W., & Lehndorff, E. (2024). Turnover of soil microaggregate-protected carbon and the challenge of microscale analyses. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 187, 143–152. https://doi.org/10.1002/jpln.202300154Externer Link
Roosch, S., Felde, V. J. M. N. L., Uteau, D., Peth, S. (2024). Exploring the mechanisms of diverging mechanical and water stability in macro-and microaggregates. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 187, 104–117. https://doi.org/10.1002/jpln.202300245Externer Link
Schweizer, S. A., Aehnelt, M., Bucka, F., Totsche, K. U., Kögel-Knabner, I. (2024). Impact of bare fallow management on soil carbon storage and aggregates across a rock fragment gradient. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 187, 118–129. https://doi.org/10.1002/jpln.202300156Externer Link
Siebers, N., Voggenreiter, E., Joshi, P., Rethemeyer, J., & Wang, L. (2024). Synergistic relationships between the age of soil organic matter, Fe speciation, and aggregate stability in an arable Luvisol. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 187, 77–88. https://doi.org/10.1002/jpln.202300020Externer Link
Tang, N., Dultz, S., Gerth, D., & Klumpp, E. (2024). Soil colloids as binding agents in the formation of soil microaggregates in wet-dry cycles: A case study for arable Luvisols under different management. Geoderma, 443, 116830. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2024.116830Externer Link
Totsche, K. U., Ray, N., & Kögel‐Knabner, I. (2024). Structure–function co‐evolution during pedogenesis—Microaggregate development and turnover in soils. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 187(1), 5-16. https://doi.org/10.1002/jpln.202400012Externer Link
Zech, S., Prechtel, A., Ray, N. (2024). Coupling scales in process-based soil organic carbon modeling including dynamic aggregation.Journal of Plant Nutrition and Soil Science,187,130–142. https://doi.org/10.1002/jpln.202300080Externer Link
Yao, T., Bucka, F., Kögel-Knabner, I., Knief, C. (2024). Organic matter type and soil texture shape prokaryotic communities during early-stage soil structure formation. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 187, 89–103. https://doi.org/10.1002/jpln.202300142Externer Link
2023
Amelung, W., Meyer, N., Rodionov, A., Knief, C., Aehnelt, M., Bauke, S. L., Biesgen, D., Dultz, S., Guggenberger, G., Jaber, M., Klumpp, E., Kögel-Knabner, I., Nischwitz, V., Schweizer, S. A., Wu, B., Totsche, K. U., Lehndorff, E. (2023). Process sequence of soil aggregate formation disentangled through multi-isotope labelling. - Geoderma, 429: 116226.
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Ritschel, T., Aehnelt, M., Totsche, K.U., (2023). Organic matter governs weathering rates and microstructure evolution during early pedogenesis. - Geoderma, 429: 116269, https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2022.116269Externer Link
2022
Guhra, T., Stolze, K. and Totsche, K. U. (2022). Pathways of biogenically excreted organic matter into soil aggregates. - Soil Biology and Biochemistry, 164: 108483. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108483Externer Link
Schweizer, S. A. (2022). Perspectives from the Fritz-Scheffer Awardee 2021: Soil organic matter storage and functions determined by patchy and piled-up arrangements at the microscale. - Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 185(6): 694–706. https://doi.org/10.1002/jpln.202200217Externer Link
Stolze, K., Barnes, A. D., Eisenhauer, N., & Totsche, K. U. (2022). Depth-differentiated, multivariate control of biopore number under different land-use practices. - Geoderma, 418: 115852. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2022.115852Externer Link
Tang, N., Siebers, N., Leinweber, P., Eckhardt, K. U., Dultz, S., Nischwitz, V., & Klumpp, E. (2022). Implications of free and occluded fine colloids for organic matter preservation in arable soils. - Environmental Science & Technology, 56(19): 14133–14145. https://doi.org/10.1021/acs.est.2c01973Externer Link
Zech, S., Ritschel, T., Ray, N., Totsche, K. U., Prechtel, A. (2022). How water connectivity and substrate supply shape the turnover of organic matter - Insights from simulations at the scale of microaggregates. - Geoderma, 405: 115394. doi: 10.1016/j.geoderma.2021.115394Externer Link
Zech, S., Schweizer, S. A., Bucka, F. B., Ray, N., Kögel-Knabner, I., & Prechtel,
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2021
Bucka, B.F.; Felde, V.J.M.N.L.; Peth, S.; Kögel-Knabner, I. (2021): Disentangling the effects of OM quaility and soil texture on microbially mediated structure formation in artificial model soils. - Geoderma, 403: 115213. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115213Externer Link
Bucka, B.F; Pihlap, E.; Kaiser, J.; Baumgartl, T.; Kögel-Knabner, I. (2021): A small scale test for rapid assesment of the soil development potential in post-mining soils. - Soil & Tillage Research, 211: 105016. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.105016Externer Link
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Felde, V. J. M. N. L., Schweizer, S. A., Biesgen, D., Ulbrich, A., Uteau, D., Knief, C., Graf-Rosenfellner, M., Kögel-Knabner, I., & Peth, S. (2021). Wet sieving versus dry crushing: Soil microaggregates reveal different physical structure, bacterial diversity and organic matter composition in a clay gradient. - European Journal of Soil Science, 72(2): 810–828. https://doi.org/10.1111/ejss.13014Externer Link
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Lehndorff, E.; Rodionov, A.; Plümer, L.; Rottmann, P.; Spiering, B.; Dultz, S.; Amelung, W. (2021): Spatial organization of soil microaggregates. - Georderma, 386: 114915. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114915Externer Link
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Sosa, M.V.; Lehndorff, E.; Rodionov, A.; Gocke, M.; Sandhage-Hofmann, A.; Amelung, W. (2021): Micro-scale resolution of carbon turnover in soil - Insights from laser ablation isotope ratio mass spectrometry on water-glass embedded aggregates. - Soil Biology and Biochemistry, 159: 108279. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108279Externer Link
2020
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2018
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Siebers; N.; Abdelrahman, H., Krause, L. ; Amelung, W. (2018): Bias in aggregate geometry and properties after disintegration and drying procedures. - Geoderma, 313: 163-171.
Schweizer, S.; Höschen, C.; Schlüter, S.; Kögel-Knabner, I. ; Mueller, C.W. (2018): Rapid soil formation after glacial retreat shaped by spatial patterns of organic matter accrual in microaggregates. - Global Change Biology, 24(4): 1637-1650. LinkExterner Link
Totsche, K.U.; Amelung, W.; Gerzabek, M.H.; Guggenberger; G.; Klumpp, E.; Knief, C., Lehndorff, E., Mikutta, R.; Peth, S; Prechtel, A.; Ray, N.; Kögel-Knabner, I. (2018.): Microaggregates in soils. - Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 181(1): 104-136. LinkExterner Link
2017
Ray, N.; Rupp, A.; Prechtel, A. (2017): Discrete-continuum multiscale model for transport, biomass development and solid restructuring in porous media - Advances in Water Resources, 107: 393-404. LinkExterner Link
Steffens, M.; Rogge, D.M.; Mueller, C.W.; Höschen, C. ; Lugmeier, J., Kölbl, A.; Kögel-Knabner, I. (2017): Identification of distinct functional microstructural domains controlling C Storage in Soil. - Environonmental Science & Technology, 51/21: 12182-12189. LinkExterner Link
