Masterarbeiten

Begin: Feb 2020

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Verena Rajtschan (verena.rajtschan@uni-hohenheim.de)

Background

Agrophotovoltaic (APV) is a new form of photovoltaic systems that, in addition to electricity generation, allows agricultural use of the same area in order to achieve a resource-efficient use of agricultural land. To assess the potential of renewable energy sources, such systems are currently being investigated at the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE), Freiburg, with research focusing on the shadow tolerance of crops, intelligent light management and synergy effects through dual land use.

For predicting plant growth, water, energy, and matter fluxes in the soil-vegetation- atmosphere continuum, numerical models are commonly used. An encompassing model library is the agro-ecosystem model Expert-N which will be applied in the context of this Master thesis to analyze possible effects of the photovoltaic devices on the growth and yield formation of different field crops.

Your tasks are

·   Review of the agroecosystem model Expert-N v5

·   Development of a conceptual crop growth model for APV applications

·   Collection and preparation of input data on soils, crops, weather, and agricultural management

·   Derivation and set up of input parameters for Expert-N v5 with a special focus on light regime and wind field

·   Performing the simulations

·   Visualization of results and discussion

What we expect

·   Studies in Agricultural or Environmental Sciences, Bioenergy or comparable

·   Very high interest in renewable energies, sustainability and resource efficiency

·   Participation in the module  Plant & Crop Modelling or independent familiarization with the Expert-N model package

·   Ability to work in a team, reliable, committed and very self-reliant way of working, willingness to travel to Freiburg several times

The Master thesis will be carried out in cooperation of the Department of Biogeophysics with the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE), Freiburg (www.ise.fraunhofer.de)

Beginn: Jan/Feb 2020

Kontakt: verena.rajtschan@uni-hohenheim

Description: Isotope labeling allows us to trace the fate of elements and their incorporation into plant and microbial biomass. In this experiment we expect to understand the temporal dynamics of the incorporation of nitrogen and carbon from labelled litter into fungi, bacteria and plants, and photosynthesis-derived carbon incorporation into the microbial biomass. We will use special containers called hyphoboxes installed in the field with a series of compartments: a first outer compartment accessible to roots and microbes; a second compartment that prevents root growth but allows fungal hyphae and bacterial growth and a third compartment with the labelled litter, only accessible to microbes, isolated by a water-repellent membrane to avoid the flow of the labeled elements to the adjacent compartments. The hyphoboxes will be buried in spring 2021 and dug out in May/June 2021. The temporal series will allow us to understand: a) which microbes reach the litter compartment first and incorporate the labels into their biomass and b) how do fungi and bacteria interact and how their interaction is related to plant nutrition.

Herkunft Proben: Schwäbische Alb

Ökosystem: Grassland

Praxis: 10% Fieldwork, 90% Laboratory analyses

Beginn: März 2021

Geeignet für B.Sc. und M.Sc

Kontakt: Dr. Anna Abrahão, anna.abrahao@uni-hohenheim.de; Dr. Sven Marhan; sven.marhan@uni-hohenheim.de

Beschreibung: Mikroorganismen übernehmen viele wichtige Funktionen im Stoffhaushalt von Böden. Durch die Intensität der landwirtschaftlichen Nutzung von Grünlandböden, wie z.B. Düngung, Mahd und Viehbesatz werden die Umweltbedingungen von Bodenmikroorganismen beeinflusst. Im Rahmen der Biodiversitäts-Exploratorien (http://www.biodiversity-exploratories.de/startseite/) wird im regelmäßigen Turnus der Einfluss der Grünlandnutzungsintensität auf mikrobielle Biomasse, Funktion und Zusammensetzung der Gemeinschaft in drei Gebieten in Deutschland (Schwäbische Alb, Hainich, Schorfheide-Chorin) untersucht. In diesem Projekt sollen Proben aus einer Probenahmekampagne im Mai 2021 untersucht werden (Beteiligung an der Probenahme möglich). Je nach Umfang des Projektes (B.Sc, M.Sc, BodExp) soll die mikrobielle Biomasse, die Enzymaktivität und die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft anhand Phospholipidfettsäureanalyse (PLFA) quantifiziert werden und die Daten entsprechend der Landnutzungsintensität der Grünlandflächen ausgewertet werden..

Herkunft Proben: Biodiversitäts-Exploratorien

Ökosystem: Grünland

Praxis: 20% Feldarbeit, 80% Laboranalysen

Beginn: ab Ende April 2021

Geeignet für BodExp, B.Sc. und M.Sc.

Kontakt: Dr. Sven Marhan; sven.marhan@uni-hohenheim.de

Beschreibung: Bodenmikroorganismen sind essentiell für viele Bodenfunktionen (z.B. Pestizidabbau, Nährstoffkreisläufe). Sie sind allerdings aufgrund der komplexen Natur des Bodens sehr heterogen verteilt, was es sehr schwierig macht, ihre Abundanz, Aktivität und Funktion zu messen und vorherzusagen. Für das vollständige Verständnis von mikrobiellen Prozessen in Böden ist dies aber Grundvoraussetzung. Wie also kann man die räumliche Verteilung mikrobieller Aktivität im Boden sichtbar machen? In dieser Arbeit soll eine Methode, die sogenannte Zymographie, weiterentwickelt werden, mit deren Hilfe Bereiche hoher und niedriger Enzymaktivität im Boden identifiziert werden können. Enzyme sind für Bodenmikroorganismen von essentieller Bedeutung, um extrazelluläre Ressourcen nutzen zu können. Sie stellen somit einen sehr guten Indikator für die mikrobielle Aktivität dar.  Gegenstand der Arbeit wird es sein, sowohl zahlreiche Aspekte der praktischen Durchführung zu testen und weiterzuentwickeln als auch Methoden für die statistische Auswertung zu identifizieren und anzuwenden. Am Ende soll, wenn möglich, ein Laborexperiment als Anwendungsbeispiel durchgeführt werden.

Herkunft Proben: -

Ökosystem: -

Praxis: 100% Methodenentwicklung

Beginn: ab Februar 2021

Geeignet für B.Sc, M.Sc

Kontakt: Dr. Christian Poll; christian.poll@uni-hohenheim.de

Beschreibung: Die Mineralosphäre ist ein wichtigstes Habitat für Bodenmikroorganismen. Bisher hat man sich jedoch hauptsächlich mit der mikrobiellen Besiedlung von Oberböden beschäftigt ohne solch spezifische Habitate zu berücksichtigen. Dieses Thema bietet die Möglichkeit, sich mit der Besiedlung der Minerale Goethit (Eisenoxid) und Illit (Tonmineral) zu beschäftigen, die bereits für fünf Jahre in Grünland- und Waldböden der Biodiversitätsexploratorien (http://www.biodiversity-exploratories.de) exponiert waren. Die Entnahme dieser Mikrokosmen in Grünland- und Waldböden der Schwäbischen Alb erfolgte im August 2020. Die Proben werden nun bodenmikrobiologisch auf Enzyme des C-, N- and P-Kreislaufes und auf die mikrobielle Abundanz und Gemeinschaftsstruktur (mittels Phospholipidfettsäureanalyse, PLFA) analysiert. Außerdem soll eine Charakterisierung der organischen Substanz, welche sich in den Mikrokosmen angesammelt hat, mittels MIRS (Infrarotspektroskopie) vorgenommen werden.

Ziel des Projekts ist es, die Abundanz und Funktion von Mikroorganismen an der Oberfläche von Mineralien zu verstehen, die durch unterschiedliche Landnutzungsintensität und Verfügbarkeit von adsorbierter organischer Substanz beeinflusst werden können.

Herkunft Proben: Schwäbische Alb, Hainich-Dün, Schorfheide-Chorin

Ökosystem: Grünland- und/oder Waldböden

Praxis: 100% Laboranalysen

Beginn: SoS 2021

Geeignet für B.Sc. / M.Sc.

Kontakt: Prof. Ellen Kandeler, kandeler@uni-hohenheim.de

Beschreibung: Mikroorganismen sind wichtige Akteure im terrestrischen Kohlenstoffkreislauf. Neben verschiedenen Umsetzungs- und Umwandlungsprozessen organischer Verbindungen ist hierbei der finale Schritt die Oxidation des C zu CO₂. Für ein umfassendes Verständnis des C-Kreislaufs ist es daher wichtig zu verstehen, aus welchen Quellen der veratmete C stammt und welche Bedingungen die CO₂-Produktion regulieren. Eine gängige Methode, um diese Zusammenhänge zu untersuchen, ist der Einsatz von ¹³C-markierten Substanzen in Laborexperimenten. Bislang wurde die CO₂-Produktion und der ¹³C-Gehalt des CO₂ aufwendig über die Bindung in NaOH bestimmt. Mit Hilfe eines ¹³CO₂-Analyzers kann diese Messung vereinfacht werden. Das am Institut vorhandene Gerät wurde bislang allerdings ausschließlich im Feld eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist es, der ¹³CO₂-Analyzer für den Einsatz in Laborexperimenten zu testen und einen entsprechenden experimentellen Aufbau zu etablieren. Am Ende soll, wenn möglich ein Laborexperiment als Anwendungsbeispiel durchgeführt werden.

Herkunft Proben: -

Ökosystem: -

Praxis: 100% Methodenentwicklung

Beginn: ab Januar 2020

Geeignet für B.Sc, M.Sc

Kontakt: Dr. Christian Poll; christian.poll@uni-hohenheim.de

Beschreibung: Die Einbringung von Pflanzenkohle in Ackerböden kann viele positive Effekte nach sich ziehen (Steigerung der C-Sequestrierung, des Wasserhaltevermögens, der Nährstoffversorgung etc.), jedoch besteht bei einer oberflächennahen Ausbringung von Pflanzenkohle in trockenen Phasen immer die Gefahr der Winderosion der leichten und kleinen Pflanzenkohlepartikel mit vermutlich gesundheitsgefährdenden Folgen für die Bevölkerung. Eine gezielte Ausbringung von Pflanzenkohle in tiefere Bodenschichten, welche nicht durch die wiederkehrende Bodenbearbeitung in der Landwirtschaft berührt werden, könnte mehrere Vorteile der Pflanzenkohle kombinieren und Risiken vermeiden. Ziel des Projekts ist ein Gewächshausversuch in Töpfen, bei dem eine Ackerfrucht (z.B. Sommerweizen) in einen Boden gepflanzt wird, der eine geringe Wasserhaltekapazität hat und zur Nitratauswaschung neigt. Die Pflanzenkohle wird hierbei in die Tiefe (ca. 30-40 cm) unterhalt der üblichen Pflugtiefe eingebracht und mit einer Variante ohne Pflanzenkohle verglichen. Während des Wachstums der Ackerfrucht werden sowohl die pflanzliche Entwicklung und Nährstoffversorgung, der Austrag von Nitrat ins Durchflusswasser, als auch die Emission von klimarelevanten Gasen erfasst.

Das Projekt findet in Kooperation mit Prof. Claudia Kammann (Uni Geisenheim) statt.

Ökosystem: Acker

Praxis: 70% Arbeit im Gewächshaus, 30% Laboranalysen

Beginn: ab März 2021

Geeignet für M.Sc. (in Teilen auch für BodExp und B.Sc.)

Kontakt: Dr. Sven Marhan; sven.marhan@uni-hohenheim.de

Beschreibung: Neuere Studien weisen auf das Potential von Gesteinsmehl aus Basalt zur C-Sequestrierung (Kohlenstoff-Speicherung) in Ackerböden hin. Allerdings ist dieses Potential stark abhängig von der Verwitterung des Gesteinsmehls. Für tropische Regionen konnte schon eine relevante Verwitterung gezeigt werden, in gemäßigten Breiten ist die Geschwindigkeit der Prozesse und somit das Potential zur C-sequestrierung bisher unbekannt. In dieser Arbeit soll in einem Versuch unter kontrollierten Bedingungen (Temperatur, Feuchte etc.) in Mikrokosmen die C-Sequestrierungsleistung von Gesteinsmehl in Ackerböden untersucht werden. Im Vergleich hierzu soll das Sequestrierungspotential von Biochar (Pflanzenkohle) alleine und in Kombination mit Gesteinsmehl untersucht werden.

Das Projekt findet in Kooperation mit Prof. Thilo Rennert (Uni Hohenheim, FG Bodenchemie) statt.

Ökosystem: Acker

Praxis: 40% Arbeit in der Klimakammer, 60% Laboranalysen

Beginn: ab März 2021

Geeignet für M.Sc. (in Teilen auch für BodExp und B.Sc.)

Kontakt: Dr. Sven Marhan; sven.marhan@uni-hohenheim.de

Beschreibung: Organischer Kohlenstoff (SOC) ist in tieferen Bodenschichten (Unterboden) oft viel älter als im Oberboden. Mehrere Mechanismen für den geringeren SOC Umsatz im Unterboden werden derzeit diskutiert. So könnte die geringere mikrobielle Besiedlung des Unterbodens im Vergleich zum Oberboden und somit die räumliche Trennung von SOC und Mikroorganismen ein Mechanismus sein. In diesem Projekt sollen Proben aus einem Experiment untersucht werden, in dem in zwei Bodentiefen (Ober- und Unterboden) eines Buchenwaldes sterilisierter Boden in 24 Well Platten ausgebracht wurde. Durch den Vergleich der Wiederbesiedlung des sterilen Bodens mit Mikroorganismen, die aus der Bodenschicht darüber stammen, soll zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach Ausbringung, die räumliche Verteilung und die Sukzession der Bodenmikroorganismen untersucht werden.

Die Fragestellung des Projekts lautet: Erfolgt die Besiedlung des Unterbodens in ähnlicher Geschwindigkeit und Intensität und mit ähnlicher räumlicher Verteilung wie im Unterboden, oder sind auch diese im Unterboden reduziert? Während der Kooperationspartner an der Uni Bochum die mikrobielle Aktivität (Atmung, Enzymaktivität) bestimmt, soll in dem Projekt in Hohenheim die mikrobielle Abundanz und Gemeinschaftsstruktur mittels DNA Isolierung und quantitativer PCR bestimmt werden.

Herkunft Proben: Recolonization Experiment (RECO)

Ökosystem: Wald

Praxis: 100% Laboranalysen

Beginn: ab April 2021

Geeignet für BodExp, B.Sc. und M.Sc.

Kontakt: Dr. Sven Marhan; sven.marhan@uni-hohenheim.de

Increasing atmospheric CO₂ concentrations and rising global temperatures are now well documented changes in the environment. Not only CO₂ but other greenhouse gases such as N₂O have also increased. The warming potential of N₂O is almost 300 times that of CO₂. It is therefore critical to understand the processes driving increasing N₂O emissions. Denitrification, through the activity of soil microbes, is the main biological process returning fixed nitrogen from soil and water to the atmosphere, optimally as N₂. Because incomplete denitrification leads to increased N₂O emissions, rather than N₂, understanding the controls on denitrifying microbial abundances is critical for understanding the regulation of N₂O to the atmosphere.The effects of elevated atmospheric CO₂ on the abundance and function of denitrifying bacteria in an undisturbed grassland were investigated.  Elevated CO₂ alters N₂O-producing soil processes indirectly through changes in the soil environment. Samples were collected from the University of Giessen Free Air Carbon dioxide Exchange site (GiFACE), where experimental soils have been exposed to enriched atmospheric CO₂ (+20%) since 1998. Soil cores were collected from ambient and enriched plots to a depth of 45 cm. Total microbial DNA was extracted from samples and quantified. The genes that encode for stepwise denitrification (narG, nirK, nirS, nosZ), nitrate reductase activity, and soil chemical properties (DOC, DON, nitrate, ammonium) were measured. Neither narG nor nirK showed a treatment effect. NirS showed a significant response, with lower abundance under elevated CO₂. The treatment effect on nosZ was less strong, but also significant and negative. Because nosZ is held by the same bacteria that possess nirK or nirS, reduction in nirS led to an additional reduction in nosZ abundance. Nitrate reductase activity showed a negative relationship to narG abundance. Soil chemical properties showed weak and varying treatment responses. Underlying soil conditions exerted a strong influence on all measurements with the exception of nitrate reductase activity.

Publiziert in Global Change Biology

The effect of litter on the degradation of MCPA (2-methyl-4-chlorophenoxyacetic
acid) in soil was investigated. Different amounts of litter (0, 0.3 g, and 0.6 g) were added to soils that were treated with three levels of the herbicide (0, 10, and 50 mg kg-1 soil). The treated soils were incubated in microcosms at 20°C for six weeks. Samples were taken after one, three, and six weeks of incubation. About 50% of the MCPA in the 10 mg kg-1 soil treatments was removed within one week of the incubation. Almost complete degradation of the herbicide occurred with the end of the incubation. No differences between the three litter amendments were observed. MCPA at the higher concentration had longer life in the soil, with only 31% of the initial amount was removed with the end of the experiment in the absence of litter. Litter addition increased the degradation rate with 70 and 80% of the herbicide were
degraded in the 0.3 and 0.6 g litter treatments, respectively. Signs of toxic effects of MCPA on soil bacteria were observed from the related PLFA tests, while fungi showed higher tolerability to the increase in MCPA levels. The degradation is believed to be dominated by fungal activity, and the soil microbial community tended to shift to more fungal dominant, as the bacterial-to-fungal ratio indicated.

Publiziert in Environmental Science and Pollution Research

In this field study, the effects of elevated soil temperature (+2.5 °C at 4 cm
depth) on availability and uptake of nitrogen, phosphorus,  sulphur, and potassium in winter oilseed rape (Brassica napus L. spp. Dimension) were analyzed. The study was conducted at the Hohenheim Climate Change experimental site in Stuttgart, Germany. On four plots with elevated and four plots with ambient soil temperature nutrient concentrations in soil and aboveground plant fractions, microbial biomass, organic carbon, and activities of acid and alkaline phosphatase and arylsulphatase in soil were analyzed at five sampling dates from March to July 2011. Sampling intervals were coordinated with phenological development stages (BBCH-code 19, 51, 65, 79, and 89). The plants were rated weekly for their phenological development and senescence behaviour. Overall, microbial biomass and enzyme activities were little affected by elevated temperature. However, oilseed rape plants showed accelerated phenological development when soil temperature was 2.5 °C above ambient levels. By comparing the results of arylsulphatase activity with the sulphur uptake of winter oilseed rape from measurements and literature, arylsulphatase was presumably
primarily of plant origin. Acid phosphatase was also primarily of plant origin, as comparisons with alkaline phosphatase activity, plant development, and literature suggested. Winter oilseed rape seemed to influence the availability of phosphate in soil directly, probably by root-excretion of organic acids. Microbial biomass and alkaline phosphatase activity were more influenced by soil moisture content than temperature. Total content of nutrients in the soil (nitrogen, organic carbon, sulphur) were not significantly affected by increased temperature. In contrast, the amount of plant available potassium and phosphate was
increased under elevated temperature. The results of the study show that climate warming will affect nutrient cycling in temperate agricultural cropping systems.

Der Einsatz von Pyrolyse- und HTC-Kohlen als Bodenzusatz bietet zum einen die Mög-lichkeit eine langfristige C-Sequestrierung in Böden zu erreichen und zum anderen die Bodenqualität und damit das Ertragspotential von insbesondere marginalen Standorten zu erhöhen. Pyrolyse- und HTC-Kohlen unterscheiden sich aufgrund der unterschiedlichen Herstellungsverfahren (Pyrolyse versus Hydrothermale Karbonisierung) deutlich in ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften. Es kann daher vermutet werden, dass die beiden Kohlen den Boden und die im Boden lebenden Mikroorganismen in unterschiedlicher Weise beeinflussen. In diesem Mikrokosmenversuch wurde daher Pyrolysekohle, HTC-Kohle (ungewaschen/gewaschen) und unkarbonisierte Miscanthusstreu, (Ausgangsmaterial der Kohlen, natürliche 13C-Anreicherung) mit einem sandigen Ackerboden vermischt (2 % w/w) als Kontrolle wurde der sandige Ackerboden ohne Bodenzusatz verwendet. Ein ein-heitlicher pF-Wert von 1,8 wurde eingestellt. Die Inkubation erfolgte in Mikrokosmen in einer Klimakammer bei 20 °C über 120 Tage. Treibhausgasemissionen wurden in regel-mäßigen Abständen bestimmt und daraus das Gesamttreibhauspotential (GTP) errechnet. Zusätzlich wurden an Tag 15, 30, 60 und 120 je vier Wiederholungen jeder Behandlung destruktiv beprobt und mittels biochemischen und molekularbiologischen Laboranalysen untersucht, um den Effekt der unterschiedlichen Bodenzusätze auf die Stoffkreisläufe (C und N) und auf die verschiedenen Organismengruppen festzustellen. Beide HTC-Kohlen (ungewaschen/gewaschen) und die Streu führten zu einer Steigerung der CO2-Emissionen. Ein Effekt auf die N2O- und CH4-Emissionen war dagegen nicht feststellbar. Die hohe Sta-bilität der Pyrolysekohle zeigte sich in sehr geringen CO2-Emissionen, damit wies die Py-rolyse-Behandlung das geringste GTP auf. Beide HTC-Kohlen und die Streu förderten die mikrobielle Biomasse deutlich. Folglich kam es in diesen Behandlungen zur N-Immobilisierung, was sich in geringen NO3--N-Gehalten widerspiegelte. Die Genkopien-zahl des pilzlichen ITS-Fragments stieg über die Versuchszeit deutlich in beiden Behand-lungen mit HTC-Kohlen an, eine Förderung der pilzlichen Organismen kann daher vermu-tet werden. Die 16S rRNA Genkopienzahl der Bakterien und Archaeen wurde dagegen anfänglich (Bakterien) bzw. an allen Terminen (Archaeen) insbesondere durch die unge-waschene HTC-Kohle reduziert, was auf eine Hemmung dieser Organismengruppen hin-deutet. Pyrolysekohle beeinflusste die Genkopienzahl nicht (Pilze) bzw. kaum (Archaeen). Die Genkopienzahl der Bakterien wurde durch die Zugabe von Pyrolysekohle eher redu-ziert.

Welchen Einfluß hat der Anbau von Jatropha curcas auf die Fruchtbarkeit und die Kohlenstoffvorräte von degradierten Böden der subhumiden Tropen? – Eine Freilanduntersuchung auf einer siebenjährigen Plantage in Madagaskar

Response of crop growth to climate change on the Swabian Alb: Simulations with GECROS and CERES

Simulation der Bodenwasserdynamik unter dem “footprint” einer Eddy-Kovarianz-Station im Kraichgau

Eddy covariance measurements of surface energy, water and carbon dioxide fluxes between a winter wheat stand and the atmosphere

Contribution of low frequency turbulent fluxes to energy balance closure at a winter wheat site in southwest Germany

Eddy covariance measurements over a maize field: the contribution of minor flux terms to the energy balance gap