SPP 2089 - Modellierung von Selbstorganisation in der Rhizosphäre

Alle Ressourcen, die Pflanzen aus dem Boden aufnehmen, gelangen durch die Rhizosphäre zur Wurzeloberfläche. Die Rhizosphäre ist der wurzelnahe Boden, der durch Wurzelaktivitäten beeinflusst wird. Dies führt insbesondere zu radiale Gradienten normal zur Wurzeloberfläche, die durch die Interaktionen zwischen den verschiedenen Komponenten (Boden, Wurzeln, Mikroorganismen, gelöste Stoffe) geprägt werden. Innerhalb des SPP 2089 wird die Rolle der Selbstorganisation bei der Entstehung der raumzeitlichen Muster in der Rhizosphäre untersucht. Das übergeordnete Ziel unseres Projektes ist es, das Zusammenspiel der Dynamiken von Wurzelarchitektur und radialen Gradienten verschiedener Rhizosphärenkomponenten durch Multiskalenmodellierung gleichzeitig zu untersuchen. Aus der Sicht der Wurzeln bedeutet Mehrskaligkeit, dass das 1D radialsymmetrische Einzelwurzelmodell für jedes einzelne Wurzelsegment mit einer viel höheren räumlichen Auflösung berechnet wird, als der Wasser- und Stofftransport auf der Wurzelsystemskala. Auf diese Weise können steile Rhizosphärengradienten mit verhältnismäßig niedrigen Rechenkosten erfasst werden. Für den Fall dass es notwendig ist, die Bodenstruktur in der Rhizosphäre explizit und nicht durch einen Darcy-Scale-Ansatz darzustellen, entwickeln wir ein Porennetzwerkmodell für die Rhizosphäre, das an ein Darcy-Modell des Bulkbodens gekoppelt ist. Dies ist unser Multiskalenansatz in Bezug auf den Boden. Wir implementieren unsere Rhizosphärenmodelle auf Basis des Wurzelarchitekturmodells CRootBox sowie des Simulators für Wasser- und Stofftransport in porösen Medien, DuMu^x. Die Parametrisierung und Evaluation der Modelle erfolgt in enger Zusammenarbeit mit anderen Projekten innerhalb des SPP, in denen vielfältige Daten gewonnen werden, wie zum Beispiel bildgebende Verfahren zur Erfassung von Wurzelarchitektur, Bodenstruktur, Wasser, Wurzelexsudate, Nährstoffe und mikrobielle Daten. Unsere Modelergebnisse werden zu einem verbesserten Verständnis über die Rhizosphäre als selbstorganisiertes System beitragen. Insbesondere wollen wir Parameterregime vorhersagen, in denen die verschiedenen Muster stabile, resiliente Systeme repräsentieren.

Prof. Dr.-Ing. Rainer Helmig

Katharina Heck (M.Sc.)

Prof. Dr. Andrea Schnepf
Forschungszentrum Jülich GmbH
Institut für Bio- und Geowissenschaften
Agrosphäre (IBG-3)

09/2018 - 08/2021