Bodenkunde

Planzen-Boden Interaktion

Böden und Pflanzen interagieren in einer Vielzahl von Prozessen. Diese Wechselwirkungen sind nicht unidirektional. Während der Boden das Pflanzenwachstum durch Wasser- und Nährstoffzufuhr unterstützt, ist die Pflanze selbst ein wichtiger Motor für den Boden. So sind Pflanzen und ihre Wurzeln für den Aufbau organischer Substanz und die Entwicklung der Bodenstruktur von wesentlicher Bedeutung. Die Boden-Pflanzen-Interaktion beschreibt die biologischen, physikalischen und chemischen Prozesse, die im unterirdischen Teil der Pflanzen, d. h. in den Wurzeln und ihren Schnittstellen zum Boden, der so genannten Rhizosphäre, ablaufen. In unserer Gruppe konzentrieren wir uns darauf, wie das Zusammenspiel von Wurzeln und Bodenstruktur den biogeochemischen Kreislauf von C, N und P steuert. Zu diesem Zweck kombinieren wir bildgebende Verfahren (wie die Röntgen-Computertomographie) mit Isotopenanalysen vom Labor- bis zum Feldmaßstab, um die Rückkopplungen zwischen Bodenstruktur und Wurzeln zu erfassen.

Abbildung 1: Wurzelanalyse mit klassischem 2D-Scan nach dem Waschen der Wurzeln (a), in Rhizoboxen (b) und durch Segmentierung von 3D-Wurzeln aus Röntgen-µCT-Bildern (c).

Das Wurzelwachstum innerhalb eines Bodenprofils wird durch Faktoren wie die Bodenstruktur und Schwankungen in der Verfügbarkeit von Ressourcen (z. B. Nährstoffe und Wasser) beeinflusst. Gleichzeitig verändern Wurzeln aktiv ihre Umgebung und wirken sich auf die Bodenstruktur, die Chemie, die Wasserverteilung und den Nährstoffgehalt aus. Wurzeln sind auch eine wichtige Quelle für organisches Material, das Mikroorganismen in der unmittelbaren Umgebung anzieht und erhält. Die Schnittstelle zwischen Boden und Wurzel ist unglaublich dynamisch, mit zahlreichen positiven und negativen Rückkopplungsschleifen, die zu Veränderungen der chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften beitragen.

In unserer Forschungsgruppe Boden-Pflanze-Interaktion setzen wir Methoden zur Untersuchung der Dynamik von Boden und Pflanze ein und verbessern sie:

  1. Wurzelmerkmale (einschließlich Wurzelverteilung und rhizosphärische Eigenschaften).
  2. Physikalische Eigenschaften (wie die Bodenstruktur).
  3. Chemische Eigenschaften (einschließlich Stickstoff und Kohlenstoff und Verteilung) innerhalb der Rhizosphäre.

Zur Untersuchung von Wurzelmerkmalen können verschiedene Techniken eingesetzt werden, von der zerstörenden Wurzelwäsche (Abb. 1a) über die 2D-Bildgebung von Rhizoboxen (Abb. 1b) bis hin zur nicht-invasiven 3D-Bildgebung von Pflanzenwurzeln im Boden (Abb. 1c). Letzteres ermöglicht es, die Bodenstruktur durch Analysen des Bodenporensystems zu charakterisieren und so Informationen über die durch Pflanzen induzierte Strukturdynamik zu gewinnen.

Ein wichtiger und aufschlussreicher Teil unserer Forschung ist die Kombination verschiedener bildgebender Verfahren mit klassischen Labortechniken oder anderen bildgebenden Modalitäten (korrelative Bildgebung, Abb. 2).

Abbildung 2: Bildpaare aus registrierten 2D-Schichten der Röntgen-µCT (a) und den sichtbaren Spektren einer Aufnahme im sichtbaren nahen Infrarot (b). Außerdem die klassifizierten Bilder im sichtbaren Nahinfrarot mit Hotspots von Kohlenstoff (rot) und Eisenoxid (gelb).

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