Abschlussarbeiten

Die Abteilung Boden und Umwelt betreut ein umfangreiches Messnetz im Rahmen des Umweltmonitorings und befasst sich mit einem breiten bodenkundlichen Spektrum an Aufgaben und Projekten, die eine ideale Grundlage für Abschlussarbeiten (Bacheloarbeit / Masterarbeit) bieten.

Die Abschlussarbeiten werden gerne in Kooperation mit der jeweiligen Hochschule betreut. Eigene Ideen für Abschlussarbeiten werden gern unterstützt, sofern sie auch im Interesse der Abteilung sind. Bitte kontaktieren Sie hierfür die jeweiligen Ansprechpartner.

Aktuell bietet die Abteilung Boden und Umwelt folgende Themen für Abschlussarbeiten (B.Sc. / M.Sc) an:

Ziel

Die langfristige Entwicklung der Konsumption von atmosphärischem Methan in Waldböden der ICP Forest Level II Flächen in Baden Württemberg: Trends, Treiber und Betrag zur Treibhausgasbilanz.

Problemstellung und Arbeitshypothesen

CH4 stellt nach CO2 das wichtigste Treibhausgas für den  anthropogen verursachten Treibhauseffekt dar. Waldböden stellen generell eine wichtige Senke für atmosphärisches CH4 dar, können aber zeitweise bei anoxischen Bedingungen zur CH4-Quelle werden. Eine kürzlich erschienene Studie von Ni und Groffmann (2019) stellte fest, dass an dem bisher einzig bekannten langfristigen Monitoring-Standorten von CH4 -Flüssen in den USA eine substantielle Abnahme der CH4 Oxidation der Böden zu beobachten ist.

An der FVA liegen jedoch Bodengasprofile von 15-25 Jahren Messdauer vor, die eine Berechnung und Überprüfung der Entwicklung der Methansenke in Deutschland zulassen. Eine erste Überprüfung einzelner Standort zeigte, dass es keinen vergleichbaren Rückgang gab. Dieser ersten Eindruck soll nun überpüft werden.

Versuchsflächen und Arbeitsprogramm

Die FVA unterhält auf 13 Monitoring-Flächen in Baden Württemberg Bodengasmessungen, aus welchen die Methanflüsse (und andere Gase) abgeleitet werden können. Zur Validierung der abgeleiteten Werte sind der Besuch und die Messung der CH4-Flüsse mit einem Kammersystem notwendig. Die statistische Auswertung und Modellierung der langjährigen Zeitreihen auf den unterschiedlichen Standorten ermöglichen es, die langfristigen Trends und deren Treiber sowie den Betrag zur Treibhausgasbilanz zu ermitteln.

Anforderungen

Für die Gasflussmessungen ist zuverlässiges und genaues Arbeiten im Feld unerlässlich. Für die Datenauswertung ist der Umgang mit Datenauswertungsoftware (R, SAS, MATLAB) unerlässlich, kann aber mit guter Motivation auch währenddessen erlernt werden. Die Betreuung und Unterstützung in allen Arbeitsschritten ist sichergestellt (Martin Maier, Verena Lang).

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Hintergrund

Neueste Studien zeigen, dass Bäume über die Stammoberfläche nicht nur veratmetes CO2, sondern auch substanzielle Mengen an CH4 emittieren können. Hierbei kann es sich um Methan handeln, das vom Baum aus dem Boden weitergeleitet wird (Abb. 1), oder um Methan, das als Stoffwechselprodukt im Baum entsteht. Während dieses Phänomen vor allem von überfluteten oder staunassen Böden bekannt ist, so spielen gut belüftetete Standorte eine untergeordnete Rolle. Gerade von Fichten ist bekannt, dass sie von verschiedenen pilzlichen Erregern befallen sind, die potentiell zum Abbau des Holzes führen, wobei möglicherweise CH4 produziert und emittiert wird. Während über das prinzipielle Vorkommen dieses Phänomens inzwischen erste Grundlagen bekannt sind, so sind über die Häufigkeit und die generelle Relevanz wenig Informationen bekannt.

Problem

Insbesondere Fichten sind häufig von Kernfäulen betroffen, zum Beispiel 10-20 Prozent der in einer Studie erfassten Fichten in der Schweiz (Wunder & Bont, 2015). Inwiefern die verschiedene Fäulen zu CH4-Emissionen führen, und wieviel dies in Bezug auf die C-Sequestrierung der Wälder ausmachen kann, ist jedoch ungewiss.

Ansatz

Durch Beprobung von frisch geernteten Bäumen und Inkubation dieser Proben in aerober und anaerober Atmosphäre, soll das Emissionspotenzial im Labor gemessen werden. Dazu sollen der pilzliche oder
mikrobielle Erreger sowie der Zersetzungsgrad und andere Parameter wie Feuchte und Dichte erfasst werden. An zuvor ausgewählten, stehenden Bäumen sollen vor der Ernte und nach der Ernte (liegend) die Gasflüsse aus dem Stamm gemessen werden, die dann später mit den Messwerten der inkubierten Proben verknüpft werden sollen.

Zielsetzung

Mögliche holzzersetzende Pilze oder Bakterien sollen als Quellen von CH4-Emissionen aus dem lebenden Bäumen überprüft werden. Weiterhin soll die Übertragbarkeit einfacher Inkubationsmessungen von kleinen Proben und der Schätzung des Ausmaßes der Kernfäule für die Schätzung der Emissionen des stehenden Baumstammes getestet werden. Zudem sollen weitere Datengrundlagen zur Abschäzung des Kernfäuleanteils des stehenden Waldes recherchiert, und die Übertragbarkeit der CH4-Emssionschätzung auf diesen Datensatz überprüft werden.

Anforderungen

Das Interesse an Messverfahren, sowie die zuverlässige Arbeit im Labor sind Grundvoraussetzungen. Für die Datenauswertung wäre der Umgang mit Datenauswertungsoftware (R) wünschenswert. Dr. Martin Maier betreut die Arbeit an der FVA, eine Zusammenarbeit mit weiteren Kolleginnen und Kollegen an der FVA ist vorgesehen.

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Entwicklung, Fehleranalyse und Qualitätssicherung

Hintergrund

Wurzeln und viele Prozesse im Boden sind auf eine ausreichende Sauerstoffversorgung angewiesen. Atmosphärischer Sauerstoff gelangt größtenteils durch molekulare Diffusion in den Boden, vorausgesetzt eine durchgängige, luftgefüllte Porenstruktur ermöglicht einen ausreichenden Gasaustausch mit der Atmosphäre. Diese lässt sich mittels des Gasdiffusionskoeffizienten des Bodens (DS) erfassen. Zur Messung dieses Gasdiffusionskoeffizienten gibt es verschiedene Methoden im Labor und auch im Feld. 

Problem

Gängige 1-Kammermethoden zur Bestimmung des Diffusionskoeffizienten verwenden oft MikroGC zur Bestimmung von Tracergasen. Die GC-Technologie ist im Vergleich zu einfachen, schnellen Online-Sensoren wie es sie zum Beispiel für CO2 und O2 gibt, aufwändiger in der Unterhaltung und langsamer in der Messauflösung. CO2 und O2 werden aber von biologischen Prozessen in Böden während der Messung verbraucht beziehungsweise erzeugt. 

Ansatz

Die gleichzeitige Erfassung der CO2- und O2-Änderung bei der Anwendung einer 1-Kammermethode sollte es ermöglichen, sowohl den Diffusionskoeffizienten als auch die Respirationsrate einer Probe während der Messung zu erfassen. Die hohe Messauflösung verspricht gleichzeitig schnellere und bessere Messungen.

Zielsetzung

(Weiter-) Entwicklung einer bestehenden Messmethode des Diffusionskoeffizienten und der Respirationsrate an Bodenproben und Integration von schon vorgetesteten CO2- und O2-Sensoren. Als Referenz und Vergleich dienen hierbei bisherige Methoden an der FVA, Abteilung Boden und Umwelt (mittels Neon-Messung). Hierbei soll insbesondere Wert auf die Analyse der Unsicherheiten und die allgemeinen qualitätssichernden Standards gelegt werden. 

Arbeitsprogramm

Geeignete Stechzylinderbodenproben sowie plastifizierte Bodenproben für AQS-Zwecke sind vorhanden. Erste Vortests mit O2- und CO2-Sensoren verliefen erfolgreich. Die Sensoren sollen systematisch auf eventuelle Interferenzen mit Feuchte- und Temperaturveränderungen getestet werden und Vergleichsmessungen mit den verschiedenen Set-ups müssen durchgeführt und ausgewertet werden. 

Zur Berechnung der Diffusionskoeffizienten soll der Gastransport numerisch modelliert werden (Anleitung und Unterstützung sind gewährleistet). Besonderes Augenmerk soll hier auf der Entwicklung einer fehlersicheren, schnelleren Messroutine liegen. 

Anforderungen

Das Interesse an physikalischen Messverfahren, sowie die zuverlässige Arbeit im Labor sind Grundvoraussetzungen. Für die Datenauswertung wäre der Umgang mit Datenauswertungssoftware (R) wünschenswert, aber nicht zwingend notwendig und kann auch währenddessen erlernt werden. Laborerfahrung ist wünschenswert aber keine Grundvoraussetzung. Dr. Martin Maier betreut die Arbeit an der FVA, eine Anbindung an die Bodenökologie, Dr. Schack-Kirchner, ist vorgesehen. 

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Problemstellung und Hintergrund
Vielfältige Erfahrungen aus der Landwirtschaft belegen, dass der Einsatz von Biochar (Pflanzenkohle) und Terra Preta (hier verstanden als Gemisch von Pflanzenkohle mit unverkohltem organischem Material) positive Wirkung auf Böden und damit die Vitalität und Wuchsleistung von Pflanzen hat. Im Forstbereich gibt es demgegenüber bislang nur wenige praktische Erfahrungen mit dem Einsatz von Pflanzenkohle oder Terra Preta. In einem aktuell laufenden Feldversuch untersucht die FVA, ob der Einsatz von Biochar die Nährstoffausstattung und die Wasserhaltefähigkeit des Bodens nachhaltig verbessert und damit die Überlebensrate von Anpflanzungen erhöhen kann. In der Masterarbeit soll untersucht werden, wie sich die Wasserretention von Böden in Abhängigkeit von der Art und Menge der beigemischten Pflanzenkohle bzw. Terra Preta verändert.

Arbeitsprogramm
Hierfür werden an Spatenprofilen im Wurzelbereich der untersuchten Bäume sowie in den Zwischenräumen zwischen den Pflanzungen ungestörte Bodenproben (100 ml-Stechzylinder) in 10-14 cm und 30-34 cm Bodentiefe gewonnen. Neben den im Feld gewonnenen Proben werden zusätzlich verschiedene Substratmischungen aus dem Boden der Versuchsflächen und Biochar bzw. Terra Preta hergestellt, um den Effekt der Biochar bzw. Terra Preta auf die Wasserretention systematisch untersuchen zu können. An allen Proben wird im Labor die nutzbare Feldkapazität mittels Drucktopfmessungen bestimmt. Die Messdaten werden anschließend statistisch im Hinblick auf den Einfluss von Biochar/Terra Preta auf die Wasserretention der Substratmischungen ausgewertet.

Anforderungen
Für die Arbeit im Feld und im Labor ist ein sehr sorgfältiges und selbständiges Arbeiten unerlässlich. Bei der Auswertung der Messdaten sind gute Kenntnisse in R hilfreich, diese können aber auch im Rahmen der Masterarbeit ausgebaut werden. Die Betreuung und Unterstützung in allen Arbeitsschritten ist durch Mitarbeitende der Abteilung sichergestellt.

 

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Problemstellung und Hintergrund
Vielfältige Erfahrungen aus der Landwirtschaft belegen, dass der Einsatz von Biochar (Pflanzenkohle) und Terra Preta (hier verstanden als Gemisch von Pflanzenkohle mit unverkohltem organischem Material) positive Wirkung auf Böden und damit die Vitalität und Wuchsleistung von Pflanzen hat. Im Forstbereich gibt es demgegenüber bislang nur wenige praktische Erfahrungen mit dem Einsatz von Pflanzenkohle oder Terra Preta. In einem aktuell laufenden Feldversuch untersucht die FVA, ob der Einsatz von Biochar die Nährstoffausstattung und die Wasserhaltefähigkeit des Bodens nachhaltig verbessert und damit die Überlebensrate von Anpflanzungen erhöhen kann. Die Masterarbeit soll zu der Feldstudie beitragen, indem sie die Freisetzung von Nährstoffen aus der Biochar bzw. Terra Preta untersucht und damit auch eine Prognose der zeitlichen Andauer von Wirkeffekten ermöglicht.

Arbeitsprogramm
An verschiedenen Mischungen von Boden und Holzkohle und Terra Preta sollen Perkolationsversuche im Labor durchgeführt werden, mit Hilfe derer die Freisetzung von Nährstoffen aus den Substratmischungen untersucht werden soll. Hierfür werden verschiedene Substratmischungen aus Boden der zwei Versuchsflächen und Holzkohle bzw. Terra Preta hergestellt und naturnah in Plexiglaszylinder verfüllt. Durch eine schrittweise Bewässerung mit Niederschlagswasser wird ein Bodensickerwasserfluss generiert, der am unteren Zylinderende aufgefangen und anschließend bzgl. seiner chemischen Zusammensetzung analysiert wird. Mit Hilfe statistischer Auswertungen der Versuchsreihen soll analysiert werden, wie die Zusammensetzung des Substratgemischs die Bodenlösung beeinflusst und wie die Lösungsdynamik mit zunehmender beaufschlagter Gesamtniederschlagsmegne ist.

Anforderungen
Für die Arbeit im Labor ist ein sehr sorgfältiges und selbständiges Arbeiten unerlässlich. Bei der Auswertung der Messdaten sind gute Kenntnisse in R hilfreich, diese können aber auch im Rahmen der Masterarbeit ausgebaut werden. Die Betreuung und Unterstützung in allen Arbeitsschritten ist durch Mitarbeitende der Abteilung sichergestellt.

 

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