VaRea ‐ Zeitliche und räumliche Variabilität von Reaktionsfronten in der „Critical Zone“

Florian Stange et al.: Eine neue Methode zur Bestimmung der Bruttonitrifikation im Feld

Die mikrobielle Nitrifikation im Boden ist ein wichtiger Prozess des N- Kreislaufes und wird aufgrund von technischen Schwierigkeiten meist im Labor untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass die Nitrifikation (Brutto) weit höher ist als die aus der Änderung der Nitratkonzentration über die Zeit bestimmte Nettorate. Jedoch gibt es nur wenig in situ-Messungen und uns sind keine Untersuchungen zur kleinräumigen Heterogenität der Nitrifikation im Feld bekannt. Im Rahmen des Hausprojektes VaRea wurde die BGR- Beregnungsanlage dazu genutzt, durch sehr langsames Beregnen mit 15N- Lösung die Bödenlösung auszutauschen und so die Voraussetzung für die Anwendung der „15N pool dilution method“ im Feld geschaffen. Neben Messungen in Markhausen wurden im Herbst 2019 und im Frühjahr 2021 im Fuhrberger Feld an insgesammt 11 Flächen durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Nitrifikation im Feld auf der cm-Skala stark variiert, aber die mittleren Raten auf den 2*2 m² Flächen sehr robuste Werte für das Feld liefern. Die gemittelten Raten korrelieren mit Bodenparametern wie z.B. dem Kohlenstoff/Stickstoff-Verhältnis des Bodens.

Stephan Costabel et al.: Kernspinresonanz als Methode zur Detektion von Reaktionsfronten in der gesättigten Zone

Geophysikalische Verfahren der Kernspinresonanz (nuclear magnetic resonance, NMR) liefern nicht nur Informationen über Porosität und Lithologie, sondern auch über den Zustand der Eisenmineralisierung im Porenraum. Nichtinvasiv von der Oberfläche aus angewandt könnte diese Methode also einen Beitrag zur Beobachtung veränderlicher Redoxbedingungen in Grundwasserleitern liefern. Unsere Studie zielte darauf ab, das entsprechende Potenzial der sog. Oberflächen- NMR zu testen und konzentrierte sich dabei auf Pyrit in der Matrix eines sandigen Aquifers. In dem seit Jahren intensiv untersuchten Trinkwassereinzugsgebiet im Emsland dient der Pyrit nachweislich als natürlicher Denitrifikationspuffer und verhindert trotz regelmäßiger landwirtschaftlicher Düngung den Eintrag von Nitrat ins Grundwasser. Wir konnten im Labor- und Feldmaßstab bestätigen, dass der Einfluss des Pyritgehalts das NMR-Relaxationsverhalten im Vergleich zur effektiven Porengröße, der Porosität oder des Kohlenstoffgehaltes dominiert. Die Oberflächen-NMR kann also ein geeignetes Instrument zur Lokalisierung und Überwachung des Pyrit-basierten Denitrifikationspuffers sein. Zur Übertragung dieser Ergebnisse auf andere Gebiete ist allerdings weitere Forschung nötig.

Paul Königer et al.: Raumzeitliche Variabilität stabiler Isotope im Grundwasser am Fuhrberger Feld

Die Untersuchung der Variabilität stabiler Isotope (δ²H-H₂O, δ¹⁸O-H₂O, δ¹³C-TIC,δ¹⁵N-NO₃) in Boden- und Grundwasser ermöglicht die Beurteilung von Prozessen wie Wasserbewegung, Evaporation, Grundwasser-Neubildung, Stofftransport, und Stoffumsatz, sowie Denitrifikation und Kohlenstoffabbau. Im Fuhrberger Feld wurden durch die BGR bereits in 2012 und 2015 Wasserproben für hydrochemische und isotopenhydrologische Untersuchungen gesammelt. Im März und April 2019 wurden bei Beprobungen zudem Kohlenstoff- und Stickstoffisotope gemessen. Bei diesen Beprobungskampagnen wurden über Multilevel Beobachtungsstellen jeweils über 300 Wasserproben entnommen. Die stabilen Wasserisotope wurden mittels Laserspektrometrie (Picarro L2130-iCRD) und die Stickstoff- und Kohlenstoffisotope über massenspektrometrische Verfahren (Thermo Scientific Delta V Advantage in Kombination mit TCEA und EA Flash 2000) gemessen. Die Ergebnisse zeigen über den zeitlichen Verlauf der Wasserisotope den Einfluss von Wasserbewegung, Grundwasserneubildung und Beregnungan verschiedenen Messstellen. Die Stickstoffisotope erlauben eine räumliche Charakterisierung und den Vergleichmit früheren Untersuchungen an diesem Standort.

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