Biogeochemische Ansätze für ein nachhaltiges Bodenmanagement und funktionierende Ökosystemleistungen
Die ökologischen Herausforderungen der anthropogen beeinflussten Böden spiegeln den Druck der schnellen Urbanisierung, Globalisierung und Industrialisierung wider, der sich in Veränderungen der abiotischen und biotischen Umwelt manifestiert. Die Erzeugung toxischer Nebenprodukte stellt hierbei ebenso eine Herausforderung dar wie die Änderung der Landoberfläche, die zu Modifikationen des Wasser- und Energiehaushaltes führt. Klimawandel, Verlust von organischer Substanz im Boden und Bodenverdichtung beeinflussen biogeochemische Kreisläufe und den Bodenwasserhaushalt und stellen eine Herausforderung für die Vegetation dar.
Um die Ernährungs-, Regulierungs- und Freizeitdienstleistungen von anthropogen beeinflussten Böden zu unterstützen, müssen daher angemessene Maßnahmen zur Elementergänzung, strukturellen Verbesserung und Schadstoffstabilisierung entwickelt werden. Ein wichtiges wissenschaftliches Ziel ist es, das Potenzial von organischen Bodenhilfsstoffen für Nährstoffrecycling, Pflanzen- und Bodenentwicklung und Schadstoffstabilisierung zu untersuchen. Das Hauptinteresse besteht darin, die Wasserhaltekapazität des Bodens zu erhöhen und eine langfristige Nährstoffversorgung zu ermöglichen.
In Verbindung damit erforschen wir Möglichkeiten zur Bildung von Kohlenstoffsenken in Böden, was ein erhebliches Potential für die Klimaneutralität darstellt. Die Anreicherung und Stabilisierung von Kohlenstoff in anthropogen beeinflussten Böden weist zudem Co-Benefits auf: Schadstoffretention, Aktivierung des Bodenlebens (Schadstoffmetabolisierung) und Erhöhung des Wasserspeichervermögens.
In diesem Themenkomplex ist das Verständnis und die zielgerichtete Optimierung des Systems Boden-Mikrobiom-Pflanze ein weiterer Forschungsschwerpunkt des Fachgebiets. Mit dem Fokus auf lokal angepasste Arten, welche zur Stabilisierung und Metabolisierung von Schadstoffen beitragen und dadurch ein wesentlicher Bestandteil der Sanierung herausfordernder Ökosysteme sein können, führt dies zu einer Verbesserung der funktionellen Anpassungsfähigkeit von Flora an die biotische und abiotische Umgebung.
Nichtinvasive Methoden für die Bodenkartierung/-bewertung
Um die nachhaltige Bodenbewirtschaftung weltweit zu unterstützen, müssen a) schnelle und nicht-invasive Methoden zur Bewertung von Bodeneigenschaften und Kontaminationen; b) kostengünstige und regional optimierte Sanierungsmethoden; und c) ein nachaltiges Monitoring weiterentwickelt werden. Die Anwendung nicht-invasiver, schneller und kostengünstiger Methoden zur Erfassung von Informationen über die räumliche Variabilität physikalischer, chemischer und mineralogischer Eigenschaften von anthropogen beeinflussten Böden kann das Management von Funktionen und Dynamik erheblich voranbringen. Unsere Nutzung von Drohnen mit optischer Spektroskopie oder Sentinel-Daten basiert auf der Erkennung, Kartierung und Überwachung von Schadstoffkonzentrationen und anderen Spurenmetallen im Boden. Dieser Ansatz unterstreicht die Notwendigkeit weiterer Studien zum Biomonitoring, da Pflanzen die Fähigkeit besitzen, Elemente zu akkumulieren und fluoreszierend zu reagieren, was für die optische/spektrale Datenanalyse von entscheidender Bedeutung ist.
Bodenhydrologische Prozessforschung und Transportsimulation
In vielen Ökosystemen ist Wasser die limitierende Größe für die Entwicklung der Vegetation. Zudem sind nahezu alle biogeochemischen Reaktionen sowie die Transportprozesse von Energie, Gasen (klimarelevante Gase, Wasserdampf) und gelösten Stoffen (Nährstoffe und Schadstoffe) in Böden abhängig vom Bodenwassergehalt. Durch die prognostizierte zeitliche Verlagerung von Niederschlägen vom Sommer- in das Winterhalbjahr durch den anthropogenen Klimawandel werden sich sommerliche Trockenperioden intensivieren und verlängern. Hierdurch kommt es zu einer reduzierten Wasserverfügbarkeit in der Vegetationsperiode was den Beitrag von Boden und Vegetation zur Mitigation des urbanen Wärmeinseleffekts reduziert. Die zeitlich begrenzte Verfügbarkeit von Wasser in naturnahen und urbanen Ökosystemen bedingt die Notwendigkeit der Speicherung von Wasser in technischer Infrastruktur sowie in porösen Medien. Letzere müssen so gestaltet bzw. optimiert werden, dass eine Speicherung pflanzenverfügbaren Wassers maximiert wird. Eng hiermit verknüpft sind Fragen der effizienten Bewässerung, da für die Zukunft von verstärkten Nutzungskonflikten um die knappe Ressource Wasser auszugehen ist.