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:
Verbesserter Wasserrückhalt in Böden durch Biochar und Terra Preta (B.Sc.)
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.
Nährstofffreisetzung aus Biochar und Terra Preta (B.Sc.)
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.
Modellierung der Wirksamkeit von Maßnahmen zum dezentralen Wasserrückhalt in bewaldeten Einzugsgebieten (M.Sc.)
Problemstellung und Arbeitshypothesen:
Das forstliche Wegenetz ist eine wichtige Ursache für die Konzentration von Oberflächenabfluss in Wäldern. Wegebegleitgräben führen das abgeleitete Wegewasser sehr schnell unterliegenden Fließgewässern zu, wodurch sie zur Beschleunigung und Erhöhung von Hochwasserspitzen beitragen. Gleichzeitig wird dadurch auch der Anteil des Niederschlags, der in den Waldboden infiltrieren kann, reduziert. Ein dezentraler Rückhalt von Niederschlagswasser bzw. Oberflächenwasser kann dazu beitragen, die Hochwasserentstehung aus Waldgebieten abzumildern und zu verzögern und zugleich die Bodenwasserverfügbarkeit für Waldbestände verbessern.
Der steigende Anteil wassergebundener Wege hat in den letzten Jahren zu einer Erhöhung der Unterhaltungskosten für das forstliche Wegenetz geführt. Ursächlich hierfür ist häufig eine mangelhafte Ableitung des Wegewassers, unter anderem durch eine nicht optimale Platzierung von Dolen. Eine optimierte Ableitung des Wegewassers und eine gezielte Wiederversickerung in geeignete Waldbestände führen somit nicht nur zu den oben beschriebenen Verbesserungen des Gebietswasserhaushalts, sondern haben gleichzeitig auch ökonomische Relevanz, indem Erosionsschäden an Wegekörpern vermieden und Wegeunterhaltungskosten reduziert werden können.
Arbeitsprogramm
In einer Modellregion sollen Methoden für die Identifikation von Hotspots der Abflusskonzentration und für die Optimierung der Wegeentwässerung erarbeitet werden. Aufbauend auf eine vorhandene GIS-gestützte Analyse der Topographie und des Wegenetzes sollen zunächst Hotspots der Abflussentstehung und -konzentration identifiziert werden.
In ausgewählten Bereichen mit hoher Abflusskonzentration wird das Wegenetz im Hinblick auf eine optimierte Wegeentwässerung und Wiederversickerung von Wegewasser in angrenzende Waldbestände untersucht. Hierfür werden neben der kleinsträumigen Topographie auch die lokalen Bodeneigenschaften (Wasserinfiltrations- und -speicherkapazität) sowie die vorhandenen Waldbestände berücksichtigt. Verschiedene bauliche Lösungen zur Wegewasserableitung sollen mit Hilfe einer hydraulischen Modellierung (z.B. RoGeR, Steinbrich et al. 2016) im Hinblick auf deren hydraulische Wirksamkeit (Verringerung von Oberflächenabfluss auf den Wegekörpern, Erhöhung der Infiltration in den Waldbestand) verglichen werden.
Anforderungen an die Kandidat*innen
Modellierungskenntnisse, idealerweise mit hydraulischen Modellen, erforderlich. Gute Kenntnisse in R und einer GIS-Software (ArcGIS, QGIS) von Vorteil. Die Betreuung und Unterstützung in allen Arbeitsschritten ist sichergestellt.
Literatur
Steinbrich, A., Leistert, H., Weiler, M. (2016). Model-based quantification of runoff generation processes at high spatial and temporal resolution. Environmental Earth Sciences 75(21).
Abflusskonzentration entlang des forstlichen Wegenetzes im Bleichtal (B.Sc.)
Problemstellung und Hintergrund der Arbeit:
Das forstliche Wegenetz ist eine wichtige Ursache für die Konzentration von Oberflächenabfluss in Wäldern. Wegebegleitgräben führen das abgeleitete Wegewasser sehr schnell unterliegenden Fließgewässern zu, wodurch sie zur Beschleunigung und Erhöhung von Hochwasserspitzen beitragen. Gleichzeitig wird dadurch auch der Anteil des Niederschlags, der in den Waldboden infiltrieren kann, reduziert. Im Bleichtal (Gemeindewald Kenzingen und Herbolzheim) wurden und werden vielfältige Maßnahmen zum Rückhalt und zur dezentralen Versickerung von Wegewasser durchgeführt, mit Hilfe derer das Hochwasserrisiko und die Wegeerosion reduziert werden sollen. Im Rahmen der Bachelorarbeit sollen mit Hilfe einer GIS-Analyse des Wegenetzes Bereiche identifiziert werden, in denen die Wahrscheinlichkeit für hohe oberflächliche Abflussmengen besonders hoch ist und wo Maßnahmen zum Wasserrückhalt prioritär umgesetzt werden sollten.
Arbeitsprogramm
Das digital vorliegende forstliche Wegenetz im Bleichtal soll mit Hilfe von GIS-gestützten Analysen im Hinblick auf die mögliche Konzentration von Wegewasser analysiert werden. Hierfür wird zum einen die Wegetopographie bezüglich Wegegefälle und Wegelängen analysiert und zum anderen die Abflusskonzentration mit Hilfe hochauflösender Digitaler Geländemodelle untersucht. Durch die Verschneidung beider Datengrundlagen können Wegbereiche identifiziert werden, in denen die Wahrscheinlichkeit großer oberflächlicher Abflussmengen besonders hoch ist. Für ausgewählte Bereiche soll die GIS-basierte Identifikation durch eine Bewertung vor Ort (u.a. Aufnahme von Erosionsschäden, Dokumentation des Erhaltungszustands von Abschlagsrinnen, Wegegräben, Wegedurchlässen etc.) und in Gesprächen mit den zuständigen Revierleitern verglichen werden. Auf dieser Basis sollen Vorschläge für die Entschärfung der Abflusssituation erarbeitet werden (z.B. verbesserte Platzierung oder erhöhte Anzahl von Abschlagsrinnen und Wegedurchlässen).
Anforderungen an die Kandidat*innen
Grundkenntnisse in einer GIS-Software (ArcGIS, QGIS. Interesse an selbständigen Kartierarbeiten im Wald. Kontaktfreudigkeit für die Durchführung von Interviews mit Revierleitenden. Aus Gründen des Umwelt- und Klimaschutzes wird die Vor-Ort-Begutachtung mit Mountainbike bevorzugt. Die Betreuung und Unterstützung in allen Arbeitsschritten ist sichergestellt. Die Arbeiten erfolgen in enger Absprache mit der beteiligten unteren Forstbehörde.
Katalog von Maßnahmen zum dezentralen Wasserrückhalt im Wald (B.Sc.)
Problemstellung und Hintergrund der Arbeit:
Das forstliche Wegenetz ist eine wichtige Ursache für die Konzentration von Oberflächenabfluss in Wäldern. Wegebegleitgräben führen das abgeleitete Wegewasser sehr schnell unterliegenden Fließgewässern zu, wodurch sie zur Beschleunigung und Erhöhung von Hochwasserspitzen beitragen. Gleichzeitig wird dadurch auch der Anteil des Niederschlags, der in den Waldboden infiltrieren kann, reduziert. Ein dezentraler Rückhalt von Niederschlagswasser bzw. Oberflächenwasser kann dazu beitragen, die Hochwasserentstehung aus Waldgebieten abzumildern und zu verzögern und zugleich die Bodenwasserverfügbarkeit für Waldbestände verbessern.
Im Rahmen der Waldstrategie 2050 des Landes Baden-Württembergs soll der Wasserrückhalt in Wäldern gestärkt werden. Neben flächig wirksamen Maßnahmen des Waldumbaus und der Waldbewirtschaftung sollen hierfür kleine dezentrale Einrichtungen zur Speicherung und Wiederversickerung von Wasser (z.B. Versickerungsmulden oder -gräben) eingerichtet werden. In vielen Forstrevieren wurden solche Maßnahmen zum dezentralen Wasserrückhalt bereits durchgeführt. Eine umfassende Dokumentation der Maßnahmen liegt bislang jedoch nicht vor.
Arbeitsprogramm
Die im Bereich der öffentlichen Wälder bereits durchgeführten Maßnahmen sollen mit Hilfe einer Umfrage unter den Revierleitenden erfasst und katalogisiert werden. Zusammen mit einer Literaturstudie zu geeigneten Maßnahmen für den Wasserrückhalt soll ein Maßnahmenkatalog erarbeitet werden, in welchem die Maßnahmen im Hinblick auf ihre gewünschte Wirkung (Hochwasser-/Erosionsschutz), positive und negative sekundäre Wirkungen sowie die Umsetzungserfordernisse (u.a. Aufwand für Einrichtung und Wartung) beschrieben werden. Die Bewertung der Wirkung und Eignung der Maßnahmen soll dabei auch im Hinblick auf die unterschiedlichen Naturräume in Baden-Württemberg (Topographie, Böden, Geologie) eingeschätzt werden.
Anforderungen an die Kandidat*innen
Kontaktfreudigkeit für die Durchführung von Interviews mit Revierleitenden. Führerschein ist von Vorteil, um für einige der Maßnahmen auch eine Fotodokumentation anlegen zu können. Grundkenntnisse in einer GIS-Software (ArcGIS, QGIS) sind für die kartenmäßige Darstellung der Maßnahmen von Vorteil, können aber auch während der Arbeit erworben werden. Die Betreuung und Unterstützung in allen Arbeitsschritten ist sichergestellt.
Verbesserung der Wasserhaushaltseinschätzung auf der Waldfläche Baden-Württembergs - Validierung und Unsicherheitsanalysen landesweiter Bodendatensätze (M.Sc.)
Problemstellung und Hintergrund:
Waldböden sind in der Forstwirtschaft ein essenzieller Standortsfaktor und stehen daher im Fokus der wissenschaftlichen Arbeit an der FVA. Bodenphysikalische Eigenschaften beeinflussen Wasserspeicher- und Leitfähigkeit und dadurch maßgeblich den Wasserhaushalt eines Standorts. Bodendaten sind daher ein wichtiger Bestandteil von Wasserhaushaltsmodellierungen, welche an der FVA im Zeichen des Klimawandels für das Ziel einer trockenheitsresilienten Waldbewirtschaftung zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die realitätsnahe Abbildung des heterogenen und komplexen Systems „Boden“ ist jedoch gerade bei großflächigen Modellierungen in der Regel der größte Unsicherheitsfaktor. Die Masterarbeit soll durch eine vergleichende Analyse der verfügbaren Bodendatensätze zur Quantifizierung dieser Unsicherheit beitragen.
Arbeitsprogramm
An der FVA sind für Wasserhaushaltsuntersuchungen drei Bodendatensätze in Gebrauch: Die digitalen Karten der forstlichen Standortskartierung, die Bodenkarte der Geologischen Landesaufnahme (GeoLa), sowie über statistische Verfahren interpolierte Regionalisierungen von Profil- und Labordaten. Zusätzlich existiert in manchen Regionen ein umfangreicher Datensatz von im Feld erhobenen Bohrstockinformationen. Zu untersuchende Zielgrößen sind zunächst die bodenphysikalischen Eingangsparameter Textur und Skelettgehalt in verschiedenen Tiefenstufen, sowie die daraus ableitbare Wasserhaushaltsgröße der nutzbaren Feldkapazität. Mit Hilfe geostatistischer Auswertungen soll die Unsicherheit zwischen den potentiellen Eingangsdaten quantifiziert und somit langfristig die Qualität und Aussagekraft von Wasserhaushaltsmodellen verbessert werden.
Anforderungen an die Kandidatinnen
Kernaufgabe der Abschlussarbeit ist die umfassende Auswertung großer, bereits existierender Geodatensätze. Für die Datenauswertung und die Entwicklung skriptbasierter Auswertungsroutinen ist ein sicherer Umgang und die Motivation für ein intensives Arbeiten mit Datenauswertungsoftware (R, Python, MATLAB, o.ä.) unerlässlich. Gute Kenntnisse in Bodenkunde sind definitiv hilfreich. Erfahrung mit GIS-Software wie QGIS oder ArcGIS ist für Visualisierungszwecke ebenfalls von Nutzen. Die Betreuung und Unterstützung in allen Arbeitsschritten ist sichergestellt.
Gleicher Kartenausschnitt in Standortskartierung, GeoLa, Bodenregionalisierung und Bohrstockdatenbank (v.l.n.r.)
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Beeinflusst Totholz den Wasserhaushalt des Bodens? (B.Sc.)
Problemstellung und Arbeitshypothesen
Die Bindung von Kohlenstoff im Wald (C-Sequestrierung) ist essentiell für einen erfolgreichen Klimaschutz. Das Belassen von Totholz im Wald kann ein wichtiger Faktor für die erhöhte Speicherung von Kohlenstoff in Waldböden sein. Während sich eine Vielzahl von Studien mit der Zersetzung von Totholz beschäftigt, ist der Verbleib des aus dem Totholz freigesetzten und in den Boden transportierten Kohlenstoffs bisher wenig untersucht. Die Speicherdynamiken von Kohlenstoff im Boden sind unter anderem abhängig vom Bodenwasserhaushalt, der wiederum vom Totholz beeinflusst wird. Im Zuge dieser Abschlussarbeit soll daher der Wasserhaushalt unter Totholz im Vergleich zum nicht vom Totholz beeinflussten Boden modelliert werden.
Arbeitsprogramm
Im Projekt TotC (Steigerung der Kohlenstoffsequestrierung in Waldböden durch gezieltes Totholzmanagement) werden die Freisetzungs- und Transportprozesse von in Totholz gebundenem Kohlenstoff auf unterschiedlich stark von Totholz beeinflussten Untersuchungsflächen beobachtet. Unter anderem werden seit 1,5 Jahren kontinuierliche Messungen durchgeführt, um den Austrag gelöster Kohlenstoffverbindungen mit dem Bodensickerwasser abschätzen zu können. Hierfür werden Witterungsgrößen und Bodenfeuchten zeitlich hoch aufgelöst gemessen sowie Bodenwasserproben regelmäßig chemisch analysiert. Mit Hilfe des bisher erhobenen Datensatzes und unter Verwendung des forsthydrologischen Modells LWF-Brook90 soll der Wasserhaushalt modelliert und Unterschiede zwischen den verschiedenen Versuchsflächen analysiert werden.
Anforderungen an die Kandidat*innen
Für die Datenauswertung ist der Umgang mit Datenauswertungssoftware (R, SAS, MATLAB) unerlässlich, kann aber mit guter Motivation auch währenddessen erlernt werden. Eine gewisse Affinität für Datenhandling und für die hydrologische Modellierung sollten vorhanden sein. Die Betreuung und Unterstützung in allen Arbeitsschritten, insbesondere die gründliche Einweisung in das zu verwendende hydrologische Modell, sind sichergestellt.
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