Forschungsschwerpunkte Vorsorgender und nachsorgender Boden- und Grundwasserschutz unter den Bedingungen des globalen (Klima-)Wandels Co-Evolution von Struktur und Heterogenität in natürlichen Systemen und Emergenz der Funktionen Kopplung oberirdischer und unterirdischer Ökosysteme: Hydrogeologie der Aerationszone und Leistungen der Kritischen Zone Hydrogeologie (W3) Prof. Dr. Kai Uwe Totsche Die Co-Evolution von Struktur und Heterogenität hin zu einem hochkomplexen Gebilde vielfältigster Lebensräume mit einer unerreichten Diversität ist eine der vielen faszinierenden Konsequenzen der Pedogenese [1]. Die Bildung von Struktur aus der Fluidphase im Zuge der heterogenen Nukleation [2] und durch Alteration des Ausganggestein stellen dabei entscheidende, bisher nur in Ansätzen verstandene Wege während der initialen Pedogenese dar. Beide Prozesse laufen simultan und permanent im Kontinuum Boden-Ausganggestein ab, können aber insbesondere in der Übergangszone zwischen Boden und Ausgangsgestein untersucht werden, bei der die Bildung von Sekundärphasen und Verwitterung noch in einem frühen Stadium steht. Die Stabilität der gebildeten Strukturen, z.B. von Mikroaggregaten, wird u.a. durch Biopolymere [3], mikrobielle Aktivität [4], DFG-Forschungsgruppe RU 2179 MAD Soil: Co-Evolution von Struktur und Heterogenität sowie Befeuchtung-Austrocknung- und GefrierAuftauzyklen modifiziert. In der Forschungsgruppe wollen wir unser Verständnis der Bildung und Stabilität u.a. von Mikroaggregaten und deren Verknüpfung zu den Funktionen im BodenAusgangsgesteins-Kontinuum erweitern. 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, „Oberflächenalteration“ und „Heteronukleation“. Übergeordnetes Ziel ist es, einen quantitativen theoretischen Rahmen zum Verständnis der Co-Evolution von Struktur und Heterogenität, sowie deren Zusammenspiel und Abhängigkeiten in Raum und Zeit in Böden zu entwickeln [1], eine unverzichtbare Voraussetzung für die Ableitung von Managementstrategien der Bodenfunktionen mit dem ultimativen Ziel der Sicherung der für unser (Über-)Leben essentiellen Ökosystemleistungen. [1] 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: 10.1002/ jpln.201600451. [2] Guhra, T., Ritschel, T., Totsche, K.U. (2021): The mechanisms of gravity-constrained aggregation in natural colloidal suspensions. - Journal of Colloid and Interface Science, 597: 126-136. DOI: 10.1016/ j.jcis.2021.03.153. [3] Guhra, T., Stolze, K., Totsche, K.U. (2021): Pathways of biogenically excreted organic matter into soil aggregates. - Soil Biology and Biochemistry, 164: 108483. DOI: 10.1016/j.soilbio.2021.108483. [4] Ivanov, P., Manucharova, N., Nikolaeva, S., Safonov, A., Krupskaya, V., Chernov, M., Eusterhues, K., Totsche, K.U. (2020): Glucose-stimulation of natural microbial activity changes composition, structure and engineering properties of sandy and loamy soils. - Engineering Geology, Volume 265, 105381. 10.1016/j.enggeo.2019.105381. Abb. 1. Initiale Bodenaggregate aus sekundär gebildeten Eisenoxidphasen und durch Verwitterung des Ausgangsgesteins freigesetzten Tonmineralen. REM-Aufnahme: M. Aehnelt 146 — FORSCHUNG
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