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:
Texturbestimmung mittels Laserdifraktometrie
Ziel
Entwicklung einer Transferfunktion zwischen Texturbestimmung mittels Laserdifraktometrie und Texturbestimmung mittels Sedimentationsverfahren.
Problem
Die Bodenart (auch Bodentextur oder Korngrößenverteilung) kann durch verschiedene Methoden bestimmt werden, wobei hierbei oft das Sedimentationsverfahren nach Köhn als Referenz verwendet wird. Ein moderneres Verfahren stellt die Texturbestimmung mittels Laserdifraktometrie dar. Jedoch basiert dieses optische Verfahren auf einer anderen physikalischen Grundlage und kann zu systematischen Abweichungen der Ergebnisse führen.
Hypothese
Die Ergebnisse der Texturbestimmung mittels Laserdifraktometrie und mittels Sedimentationsverfahren lassen sich durch empirische Transferfunktionen eng verknüpfen.
Arbeitsprogramm
An der Abteilung Boden und Umwelt wurde an der FVA mit einem Laserdifraktometriesystem gearbeitet, für welches eine erste Transferfunktion erstellt wurde (Trefz-Malcher et al. 2011). Ein verbessertes Nachfolgemodell (Fritsch Analysette 22 MicroTexc Plus) wurde inzwischen in Betrieb genommen; die Entwicklung einer Transferfunktion steht jedoch aus.
An über 100 Bodenproben wurde die Korngrößenverteilung im Sedimentationsverfahren nach Köhn bestimmt. Sie stehen als Referenzwerte zur Verfügung. Diese Proben sollen nun mittels Sieb und Lasermessung auf ihre Korngrößenverteilung hin untersucht werden, um so eine Datengrundlage für eine Übertragungsfunktion zu entwickeln.
Anforderungen
Das Interesse an physikalischen Messverfahren, die Bereitschaft zum Erlernen einfacher chemischer Verfahren sowie die zuverlässige Arbeit im Labor sind Grundvoraussetzungen. Für die Datenauswertung wäre der Umgang mit Datenauswertungsoftware (R) wünschenswert, aber nicht zwingend notwendig und kann auch währenddessen erlernt werden. Laborerfahrung ist wünschenswert, aber keine Grundvoraussetzung. Die Betreuung und Unterstützung in allen Arbeitsschritten ist innerhalb des Laborteams sichergestellt.
Waldböden als Methansenken (ACHTUNG: Dieses Thema ist bereits reserviert)
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).
Laborlehrpfad
Ziel
Entwicklung eines Laborlehrpfades für Besuchergruppen des Labors der Abteilung Boden und Umwelt der Forstlichen Versuchs- und Forschungsanstalt.
Hintergrund
Die Abteilung "Boden und Umwelt" befasst sich in Forschung und Beratung mit den boden- und pflanzenernährungskundlichen Grundlagen der Forst- und Waldwirtschaft. Waldböden sind Schnittstellen zahlreicher Stoffkreisläufe im Ökosystem Wald. Zur Untersuchung der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Waldböden und dem Ernährungszustand von Waldbäumen betreibt die Abteilung "Boden und Umwelt" ein eigenes umfangreiches Labor zur Untersuchung von Boden-, Wasser-, Luft- und Pflanzenproben.
Ziel und Motivation
Die Ergebnisse der oft komplexen und umfangreichen Untersuchungen des Labors der Abteilung
"Boden und Umwelt" finden Eingang in Publikationen (Waldzustandsbericht, wissenschaftliche
Artikel) und Infrastruktur- / Monitoringnetzwerke (ICP Forest) und unterstützen und ermöglichen die
Arbeit von Wissenschaftler/-innen. Auch gibt es immer wieder Besichtigungen des Labors durch
Besuchergruppen oder Fachkolleg/-innen.
Unser Ziel ist es, die Gestaltung des Labors durch Poster und Exponate didaktisch aufzubereiten und weiterzuentwickeln, ähnlich wie es von Lehrpfaden oder anderen Lehrinhalten bekannt ist. Eine teilweise Übertragung und Vorstellung des Laborlehrpfades wäre auch für die Homepage denkbar.
Arbeitsprogramm und Anforderungen
Das grundlegende Interesse an umweltanalytischen Fragestellungen und Methoden sollte vorhanden sein, um die entsprechenden Verfahren und Arbeitsschritte verorten zu können. Eine gute fachliche Betreuung ist hier gewährleistet.
Hauptaugenmerk liegt auf der Ausarbeitung der Zielgruppen, der didaktischen Entwicklung und des Aufbaus des Lehrpfades, sowie der Verortung im Kontext anderer vergleichbarer Mittel der Öffentlichkeitsarbeit und Umweltbildung.
CH4-Emissionen von kernfaulen Fichten?
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.
Vergleich verschiedener Messmethoden des Gasdiffusionskoeffizienten an Bodenproben
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.
Vergleich der Wasserhaushaltsmodelle RoGeR und LWF-Brook90
Ziel
Vergleich der Wasserhaushaltsmodelle RoGeR und LWF-Brook90 in ein bis zwei ausgewählten Untersuchungsgebieten Baden-Württembergs.
Hintergrund
Im Rahmen einen Projektes (IpsPro) an der FVA wurde das prozessbasierte, an der Uni Freiburg entwickelte Bodenwasserhaushaltsmodell RoGeR erstmals für die Modellierung größerer Waldflächen angewendet und dementsprechend angepasst und optimiert. Derzeitig wird es ferner in das frei verfügbare, warnkartenbasierte Borkenkäfer-Frühwarnsystem IpsRisk implementiert. Andererseits ist LWF-Brook90 ein seit längerem in der Forstwissenschaft (und auch an der FVA) etabliertes, prozessbasiertes Bodenwasserhaushaltsmodell, das auch gegenwärtig weiterentwickelt und optimiert wird. Die Modelle unterscheiden sich insbesondere bezüglich der Abbildung hydrologischer Prozesse im Boden sowie in der Vegetationsschicht und der notwendigen Parametrisierung der zugrundeliegenden Prozessgleichungen.
Fragestellung
In der Masterarbeit sollen beide Modelle hinsichtlich ihrer Eignung zur Abbildung des Wasserhaushalts von Wäldern verglichen werden und die Vor- und Nachteile sowie Grenzen der Anwendbarkeit herausgearbeitet werden.
Arbeitsprogramm
Im Rahmen der Arbeit kann auf bereits bestehende Modellierungen mit beiden Modellen zurückgegriffen werden. Für zwei Untersuchungsgebiete liegen vollständige Datensätze zu den Modelleingangsgrößen, den Modellparametern und den Modellergebnissen, sowie gemessene Größen des Wasserhaushalts vor. Diese sollen bei Bedarf durch zusätzliche eigene Modellierungen ergänzt werden. Der Fokus der Arbeit soll insbesondere auf dem Modellvergleich liegen. Hierbei sollen unter anderem Unterschiede in der modellierten Raum-Zeit-Dynamik sowie das Verhalten bei Extremereignissen und mittleren Systemzuständen herausgearbeitet werden. Dabei sollen bereits erworbene und auch neu zu erlernende Methoden angewendet werden.
Anforderungen
Für die gesamt Arbeit sind fortgeschrittene Kenntnisse in R (und gern auch Python) unerlässlich, die mit hoher Eigenmotivation währenddessen ausgebaut und teilweise erlernt werden können. Ein fundiertes hydrologisches Grundwissen und ein Grundverständnis ist eine wichtige Voraussetzung für den Umgang mit Wasserhaushaltsmodellen.