FG Bodenschutz und Rekultivierung
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Biocrusts are a worldwide phenomenon, contributing substantially to ecosystem functioning. Their growth and survival depend on multiple environmental factors, including climatic ones, and the relations of these factors to physiological processes. Responses of biocrusts to individual environmental factors have been examined in a large number of field and laboratory experiments. These observational data, however, have rarely been assembled into a comprehensive, consistent framework that allows quantitative exploration of the roles of multiple environmental factors and physiological properties for the performance of biocrusts, in particular across climatic regions. Here we used a data-driven mechanistic modelling framework to simulate the carbon balance of biocrusts, a key measure of their growth and survival. We thereby assessed the relative importance of physiological and environmental factors for the carbon balance at six study sites that differ in climatic conditions. Moreover, we examined the role of seasonal acclimation of physiological properties using our framework, since the effects of this process on the carbon balance of biocrusts are poorly constrained so far. We found substantial effects of air temperature, CO2 concentration, and physiological parameters that are related to respiration on biocrust carbon balance, which differ, however, in their patterns across regions. The ambient CO2 concentration is the most important factor for biocrusts from drylands, while air temperature has the strongest impact at alpine and temperate sites. Metabolic respiration cost plays a more important role than optimum temperature for gross photosynthesis at the alpine site; this is not the case, however, in drylands and temperate regions. Moreover, we estimated a small annual carbon gain of 1.5 by lichen-dominated biocrust and 1.9 by moss-dominated biocrust at a dryland site, while the biocrusts lost a large amount of carbon at some of the temperate sites (e.g. −92.1 for lichen-dominated and −74.7 for moss-dominated biocrust). These strongly negative values contradict the observed survival of the organisms at the sites and may be caused by the uncertainty in environmental conditions and physiological parameters, which we assessed in a sensitivity analysis. Another potential explanation for this result may be the lack of acclimation in the modelling approach, since the carbon balance can increase substantially when testing for seasonally varying parameters in the sensitivity analysis. We conclude that the uncertainties in air temperature, CO2 concentration, respiration-related physiological parameters, and the absence of seasonal acclimation in the model for humid temperate and alpine regions may be a relevant source of error and should be taken into account in future approaches that aim at estimating the long-term biocrust carbon balance based on ecophysiological data.
Die zurückliegenden trocken-heißen Sommer haben im Süden Brandenburgs zu zahlreichen Bränden in den dominierenden Kiefernwäldern geführt, einige davon mit katastrophalen Ausmaßen. Dazu gehören die extremen Brandereignisse 2018 bei Treuenbrietzen sowie 2019 bei Jüterbog und Lieberose, die zusammen weit über 1000 ha Waldfläche zerstört und dabei auch Veränderungen der betroffenen Waldböden verursacht haben.
Das seit Mai 2020 von der FNR geförderte Verbundvorhaben Pyrophob befasst sich mit den Auswirkungen von Waldbränden im Süden Brandenburgs auf die Waldökosysteme und mit waldbaulichen Maßnahmen, die mittelfristig zu einer Verringerung der Brandanfälligkeit der Wälder beitragen sollen. Im Rahmen des auf eine fünfjährige Laufzeit ausgelegten Verbundvorhabens finden bodenkundliche Untersuchungen auf zwölf Versuchsflächen bei Treuenbrietzen und Jüterbog statt. An beiden Standorten werden unverbrannte Referenzflächen mit einbezogen. Ergänzend konnten bei Lieberose bereits 2019 nur kurz nach dem Brandgeschehen erste Bodenuntersuchungen durchgeführt werden. Die untersuchten Brandflächen bei Jüterbog und Lieberose sind als Totalreservate ausgewiesen, auf denen auch nach dem Brand waldbauliche Maßnahmen vollständig unterbleiben. Auf den Flächen bei Treuenbrietzen wurden verschiedene Behandlungsvarianten durchgeführt, zu denen auf einem Teil der Flächen die vollständige Entfernung der abgestorbenen Bäume gehörte, während auf anderen Teilflächen Totholz auf der Fläche verblieb.
Ziel der bodenkundlichen Arbeiten in Pyrophob ist zum einen eine Charakterisierung der direkten Auswirkungen des Brandes auf Humus und Mineralboden hinsichtlich des Stoffbestandes und bodenbiologischer Prozesse. Zum anderen wird der Stoffaustrag aus dem Oberboden erfasst. Der etwaige Einfluss der unterschiedlichen waldbaulichen Vorgehensweise auf die Bodenverhältnisse wird dabei als ein Indikator für die Auswahl geeigneter Maßnahmen berücksichtigt.
In den verschiedenen Untersuchungsvarianten des Vorhabens wurden zu diesem Zweck Humus- und Mineralbodenprofile untersucht. Zudem wurden Mischproben aus dem Ober- und Unterboden entnommen und auf ihren Stoffhaushalt hin analysiert. Auf jeder Untersuchungsfläche wurden je drei frei dränende Kleinlysimeter in 10 cm Bodentiefe installiert, um die zeitlichen Veränderungen der Sickerwasserzusammensetzung und die durch den Brand initiierten Stoffausträge aus dem Oberboden zu quantifizieren. Ergänzend finden Untersuchungen zu möglichen Auswirkungen der Brände auf bodenbiologische Prozesse wie Streuabbau und Stickstoffmineralisation statt.
Die Lausitz zählt schon heute zu einer der niederschlagärmsten Regionen in Deutschland. Durch den Klimawandel wird diese Situation noch weiter verstärkt und die Wahrscheinlichkeit von extremen Trockenperioden während der Hauptvegetationsphase wird zunehmen. Einer der zentralen bodenkundlichen Herausforderungen wird es somit sein, die geringe Wasserhaltekapazität der vor allem sandigen Böden der Region zu steigern. In dem Verbundvorhaben StabilOrg wird daher die Entwicklung neuartiger Bodenhilfsstoffe auf der Basis regional in der Lausitz verfügbarer Ressourcen untersucht.
Durch die Tagebauaktivitäten in der Region fallen große Mengen an Eisenhydroxidschlämmen (EHS) an. Hierbei lassen sich 3 Herkunftsschwerpunkte definieren: I) natürliche Eisenhydroxidsedimente aus Fließen, II) EHS aus Grubenwasserbehandlungsanlagen, die durch Kalkung gefällt wurden und III) EHS aus Trinkwassergewinnungsstätten, die gekalkt und zusätzlich durch chemische Flockungsmittel behandelt wurden. Diese sollen mit verschiedenen Tonen und Lehmen als weitere anorganische Komponenten, sowie mit organischem Material (Kompost) gemischt werden. Ziel ist die Herstellung von anorganisch-organische Mischsubstraten, die die bodenphysikalischen Eigenschaften positiv beeinflussen.
Erste Untersuchungsergebnisse zeigen, dass sich die untersuchten EHS je nach Behandlung in ihrer mineralogischen Zusammensetzung, sowie den physikochemischen Parametern deutlich unterscheiden. In ersten Experimenten wird untersucht, wie sich diese Mischungen auf die Wasserhaltekapazität von sandigen Böden auswirken und ob sich dabei Unterschiede zwischen den EHS und in Kombination mit den anderen Ausgangssubstanzen aufzeigen lassen.
Non-vascular photoautotrophs (NVP), including bryophytes, lichens, terrestrial algae, and cyanobacteria, are increasingly recognized as being essential to ecosystem functioning in many regions of the world. Current research suggests that climate change may pose a substantial threat to NVP, but it is highly uncertain to what extent this will affect the associated ecosystem functions and services. Here, we propose a research agenda to address this urgent question, focusing on physiological and ecological processes that link NVP to ecosystem functions while also taking into account the substantial taxonomic diversity across multiple ecosystem types. Accordingly, we developed a new categorization scheme, based on microclimatic gradients, which simplifies the high physiological and morphological diversity of NVP and worldwide distribution with respect to several broad habitat types. We found that habitat-specific ecosystem functions of NVP will likely be substantially affected by climate change, and more quantitative process understanding is required on (1) potential for acclimation (2) response to elevated CO2 (3) role of the microbiome and (4) feedback to (micro)climate. We suggest an integrative approach of innovative, multi-method laboratory and field experiments and eco-physiological modelling, for which sustained scientific collaboration on NVP research will be essential.
Editorial: Soil science challenges - An interdisciplinary overview of current and future topics
(2022)
This editorial was written by early career scientists in soil science and gives an overview of the articles published in the special issue “Soil Science Challenges—An Interdisciplinary Overview of Current and Future Topics” on the occasion of the 100th anniversary of Journal of Plant Nutrition and Soil Science. A broad range of articles addressing soil carbon dynamics from the microscale to landscape scale, multi-dimensional modeling, improved land management practices, nutrient cycles, soil hydrology, plastic in soils, and interdisciplinarity of soil science is covered in this issue.
Windbreaks, trees, structures, and shade nets are used in South Africa to protect citrus orchards from wind scar damage to avoid major losses in export quality. Severe southeasterly winds in the Western Cape during spring and summer are the main causes of significant external peel damage. In this study, wind scar damage of ‘Tango’ mandarin (Citrus reticulata) fruit was quantified at different distances from established Casuarina cunninghamiana (Beefwood) and Populus simonii (Chinese Poplar) windbreaks around Stellenbosch, Western Cape, South Africa. The yield efficiency was not significantly affected by distance from the windbreak in either of the trials. Fruit at 2 H and 3 H had significantly lower ratios of total soluble solids to titratable acidity, but export standards for mandarins were still met. The wind speed was consistently higher at 16 H, compared with 3 H during summer. The highest packout (class 1 fruit) was observed near the windbreak (3 H) and decreased as the distance increased towards 10 H and 16 H. There were no significant differences for severe wind scar damage incidence between the distance treatments. Our results confirmed the impact of wind on external fruit quality and the limitation of tree-based windbreaks with an increase in distance, which partly supports the current movement towards full enclosure of orchards with shade nets.
Nach extremen Störungen durch Brände, Vulkanausbrüchen und Hangrutschungen, aber auch menschlichen Eingriffen werden Böden mehr oder weniger zerstört und vegetationsarm. Es entstehen sogenannte initiale Rohböden, die durch Veränderung der Bodenstruktur, Minderung der Wasserhaltekapazität als auch durch Nährstoffarmut extrem beeinflusst werden. Dabei haben anfängliche und nährstoffarme Ökosysteme, wie Grasländer und Offenlandschaften, aus Sicht des Naturschutzes einen hohen Wert für die Landschaft und sind in der intensiv genutzten Kulturlandschaft Mitteleuropas selten geworden. Insbesondere bieten Binnendünen, wie sie in Norddeutschland häufig sind, Potenzial für die Entwicklung von initialen Lebensräumen mit ihren spezifisch angepassten Pflanzen. Neben den Pionierarten werden die Rohböden, wie sie nach Störungen entstehen, zuerst durch verschiedene blütenlose Pflanzen, den sogenannten Kryptogamen, besiedelt.
Forest dieback can be both a consequence and a cause of climate change. The changing climate does not only lead to temperature increases but also changes in the precipitation regime. Extreme events have increased sharply in recent years, making drought and heat waves ubiquitous. Meanwhile, for temperate forests, drought stress is considered one of the most serious impacts of climate change. In this context, forest soils are of great importance in their hydrological functions, as well as their feedbacks with ground vegetation. In this context, biological soil crusts are key drivers of functional processes and ecosystem development, also under forest, where they have been less studied so far. Bryophyte and lichen dominated communities can importantly affect e.g. water storage and discharge as well as soil development and stabilization. Moreover, they contribute to carbon and nitrogen cycling and play an important role in biogeochemical processes. Their species composition depends on soil properties such as texture and pH, on microclimate and as poikilohydric plants, their ecophysiology is strongly dependent on water availability, differing in time and space.
Biocrusts are distributed over all climate zones of the world and they substantially contribute to ecosystem functioning. Their growth, determined by their carbon balance, can be affected by various climatic drivers. The effects of individual drivers are clear from laboratory experiments, but the relative importance of different drivers along climatic gradients and their underlying mechanisms are largely unknown. Moreover, the effects of seasonal acclimation on the annual carbon balance are not fully understood either. Therefore, we aim at determining the level and variation of annual biocrust carbon balances and their connection to climatic drivers along environmental gradients. In addition, we explore the role that acclimation plays in the carbon balance of biocrusts
In nutrient-poor ecosystems, certain plant families have evolved specific adaptations for phosphate acquisition, namely cluster roots or proteoid roots. Cluster rooted species have a unique suite of adaptations that enable them to survive in nutrient poor ecosystems, such as the Fynbos biome of South Africa. The Fynbos biome has heterogeneous soils which caused radiation of varying soil pH within small localised areas. Previous studies on cluster rooted species ignored the possibility that cluster root functioning may differ at varying soil pH levels and soil types. Therefore, two native Fynbos protea species, Protea cynaroides (L.) L. and Protea obtusifolia H.Buek ex Meisn. were compared to assess the impact of different soil pH levels on organic acid metabolism and exudation in cluster rooted species. Our results show that cluster roots of the acidic-soil grown P. cynaroides is more effective and more efficient than that of the alkaline-soil grown P. obtusifolia. Our findings indicate that the mechanisms for P acquisition vary greatly, depending on substrate and plant organ type. This suggests that the metabolism of each species is adapted to specific soil pH and that these species have evolutionary adapted their P acquisition mechanisms for these extreme soils. The limited nutrient availability and variation in soil pH South African soils has led to various localised adaptations for cluster rooted species.