Die Dissertation ist gesperrt bis zum 15. Juli 2026 !
Böden, die ihre Ökosystemfunktionen zuverlässig erfüllen, sind wichtig für Mensch und Umwelt. Böden sind an allen biogeochemischen Kreisläufen beteiligt, z. B. am Kohlenstoff- oder Stickstoff-Kreislauf, wobei sie dort wichtige Aufgaben übernehmen, um Nährstoffe im Kreislauf zu führen und zu halten, damit diese sowohl den natürlichen Ökosystemen als auch für die Lebensmittelproduktion in der Landwirtschaft zur Verfügung stehen. Landwirtschaftliche Nutzung setzt Böden aber auch unter Stress, etwa durch die Anwendung von Dünger oder Pestiziden. Anthropogen eingetragene Stoffe wie organische Mikroschadstoffe oder Nitrat können zwar in Böden zurückgehalten und abgebaut werden, beeinträchtigen durch ihr Vorhandensein aber auch die Funktionsweise von Böden. Ein weiterer Stressor für Böden ist der Klimawandel und die mit ihm häufiger werdenden extremen Wetterereignisse wie Dürreperioden und Starkregen.
Das Ziel der hier präsentierten Arbeit war es, die Auswirkungen eines Starkregenereignisses nach einer sommerlichen Dürreperiode auf die Redoxbedingungen, den Umsatz von anorganischem Stickstoff, den vertikalen Transport von Regenwasser, Nitrat und Glyphosat sowie die mikrobielle Gemeinschaft in einem feinkörnigen Auenboden zu untersuchen. Folgende Hypothesen wurden aufgestellt: (I) Schrumpfungsrisse, die während einer Dürreperiode in feinkörnigen Böden entstehen, können als präferentielle Fließwege dienen und so den Transport von gelösten und partikelgebundenen Stoffen mit dem Starkregen in den Unterboden ermöglichen. (II) Während der Wiederbefeuchtung des trockenen Bodens kommt es zu einem Puls von mineralisiertem Stickstoff (der sogenannte „Birch-Effekt“), der aber nach wenigen Tagen in die „üblichen“ redoxgetriebenen Stickstoff-Umsatz-Prozesse übergeht. (III) Die Wiederbefeuchtung beeinflusst die Zusammensetzung der mikrobiologischen Gemeinschaft im Boden.
Zur Vorbereitung der Feldstudie wurde zunächst die Methodik zur Bestimmung der Nitrat- und Ammoniumkonzentration im Boden daraufhin geprüft, welche Bedingungen während der Probenlagerung und der Extraktion (Lagerungstemperatur, Extraktionsdauer und Extraktionslösungen, Sauerstoffverfügbarkeit) die Stabilität der Nitrat- und Ammonium-Konzentrationen gewährleisten können. Zusammenfassend wird empfohlen, Bodenproben bei der Feldarbeit direkt nach der Entnahme einzufrieren, sie gefroren zu lagern und mit 2 M KCl zu extrahieren, um jedwede Verfälschung der Ammonium- und Nitrat-Konzentrationen zu vermeiden.
In einer Aue im Einzugsgebiet der Ammer in Südwestdeutschland, 7 km westlich von Tübingen, wurde in einem Feldexperiment ein Starkregenereignis auf einem ausgetrockneten Boden simuliert, um die oben genannten Hypothesen zu prüfen. Der Auenboden war ein feinkörniger Gley, der nach einer sommerlichen Dürreperiode ausgeprägte Schrumpfungsrisse aufwies. Auf einem abgeernteten Getreidefeld wurden für das Experiment neun gleich große Parzellen abgegrenzt. Jeweils drei Parzellen wurden gleich behandelt: (I) Auf diesen Parzellen wurde mit Deuterium-dotiertem Wasser ein Starkregenereignis simuliert. In den zehn darauffolgenden Tagen wurden die Parzellen mit nicht-deuteriertem Wasser leicht weiter beregnet. (II) Die Parzellen wurden einen Tag vor dem simulierten Starkregenereignis (wie unter (I) beschrieben) zusätzlich mit Glyphosat behandelt. (III) Die Parzellen, die als trockene Kontroll-Parzellen dienten, erhielten keine Behandlung. 50 cm lange Bodenkerne wurden zwei Stunden nach dem simulierten Starkregen (Tag 0) sowie an den Tagen 6/8 und 14 des Experiments von allen Parzellen entnommen. An den Kernen wurden Analysen des Porenwassergehalts, der δ2H-Signatur des Porenwassers, der Glyphosat-, Ammonium- und Nitratkonzentration, der mikrobiellen Gemeinschaft auf DNA- und RNA-Ebene sowie der extrazellulären Enzymaktivitäten vorgenommen. Des Weiteren wurde mittels permanent installierten Redoxsonden in verschiedenen Tiefen das in situ Redoxpotential gemessen.
Um die Rolle von Trockenrissen als präferentielle Fließwege zu beurteilen, wurden die δ2H-Signatur des Porenwassers, der Porenwassergehalt und die Glyphosatkonzentrationen entlang der einzelnen Bodenkerne ausgewertet. Die Daten zeigten übereinstimmend, dass bereits zwei Stunden nach dem simulierten Starkregen Teile des Beregnungswassers und des Glyphosats die maximale untersuchte Tiefe von 50 cm erreicht hatten. Da Glyphosat stark an mineralischen Bodenbestandteilen sorbiert, sind diese Funde überraschend und legen nahe, dass partikelgebundener Transport von Glyphosat stattgefunden haben muss. Nitrat als leicht löslicher Stoff ist auch anfällig für Transport in präferentiellen Fließwegen. Obwohl ein Verlust von Nitrat im Oberboden während des Starkregens beobachtet wurde, gab es keine Nitratakkumulation im Unterboden. Da jedoch andere Prozesse, die den Rückgang von Nitrat im Oberboden erklären könnten, ausgeschlossen werden konnten, wurde angenommen, dass das Nitrat in Bodenschichten unterhalb der maximalen untersuchten Tiefe von 50 cm verlagert wurde.
Die Untersuchung der Prozesse des Stickstoffumsatzes ergab, dass während der Wiederbefeuchtung des Bodens durch das simulierte Starkregenereignis in den obersten 10 cm des Bodens eine vorübergehende Zunahme von Ammonium zu beobachten war (Birch-Effekt). Abgesehen davon verhielt sich Ammonium sehr konservativ, was auf den großen Anteil an sorbiertem Ammonium zurückgeführt werden kann, welches im Vergleich zu weniger stark gebundenem austauschbarem Ammonium nur eingeschränkt bioverfügbar ist. Die in situ gemessenen Redoxpotentiale fielen innerhalb von Stunden bis wenigen Tagen nach dem Starkregenereignis von oxidierenden zu reduzierenden Bedingungen und blieben besonders im Unterboden stabil auf reduzierendem Niveau. Die vorherrschenden Redoxpotentiale kontrollierten den Umsatz von Nitrat zu den späteren Zeitpunkten des Experiments (Tag 6 und 14). Die Nitratgehalte nahmen wie erwartet bei reduzierenden Bedingungen ab (Denitrifikation) und bei oxidierenden Bedingungen zu (Nitrifikation).
Der Effekt des Starkregenereignisses auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft des Bodens war sowohl auf DNA- als auch auf RNA-Ebene vernachlässigbar. Lediglich systematisch niedrigere alpha-Diversitätsindizes (RNA-Ebene) auf beregneten Parzellen im Vergleich zu den trockenen Kontroll-Parzellen wiesen darauf hin, dass eine gewisse Selektion hin zu besser an Trocken-Nass-Zyklen angepassten Taxa stattfand.
Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Methodik des beschriebenen Feldexperiments geeignet war, um verschiedene miteinander interagierende Prozesse während der Wiederbefeuchtung eines ausgetrockneten Bodens durch ein (simuliertes) Starkregenereignis zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Arbeit vertiefen das Verständnis des Zusammenwirkens dieser Prozesse und fördern somit Möglichkeiten zum Schutz von Boden- und Grundwasser-Ressourcen während der durch den voranschreitenden Klimawandel häufiger auftretenden Dürreperioden und Starkregenereignisse. Die Arbeit legt außerdem eine gründliche Basis für weitere Studien zu diesem Thema.
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