Ecohydrological modelling- Linking earthworms and preferential flow

BIOPORE - AIMS

Earthworms play a pivotal role in agro-ecosystem functioning by modulating soil structure that significantly influences soil hydraulic properties, organic matter dynamics, and plant growth. This project focuses on anecic earthworms like Lumbricus terrestris which create vertical semi-permanent burrows that function as preferential flow pathways. Preferential flow in macropores is a key process which strongly affects infiltration and may cause rapid transport of pesticides into depths of 80 to 150 cm where they experience a much slower degradation. Therefore, preferential transport is an environ­mental problem because the topsoil is bypassed, which has been originally thought to act as a filter to protect the subsoil and shallow groundwater. Assessing the environmental risk of pesticides in earth­worm burrows and how human management practise feedbacks on that risk requires the develop­ment of an integrated eco-hydrological model. This model allows predictions of i) the spatiotemporal distribution and population dynamics of anecic earth­worms, ii) the related pattern of connective preferential flow pathways (i.e., earthworm burrows), and iii) the space-time pattern of infiltration and travel depth distribution of solutes. This enables the understanding of how small-scale patterns regulate large-scale processes in rural landscapes and how feedbacks between earthworm engineering and transport characteristics affect the functioning of (agro-)ecosystems. We expect our final model to be applicable for catchment-scale risk assessment that may assist agro­chemical registration.

BIOPORE - PROJECT ZIELEN

Regenwürmer spielen eine herausragende Rolle in Agrarökosystemen, da sie die Bodenstruktur verändern und damit einen bedeutenden Einfluss auf bodenhydraulische Eigenschaften, Stoff­dynamik und Pflanzenwachstum haben. Besonders die vertikal ori­en­tierten, relativ stabilen Röhren von anözischen Regenwurmarten wie Lumbricus terrestris können als präferentielle Fliesswege in den Unter­grund dienen. Der Anteil der Pestizide, der durch schnellen Transport in solchen Makro­poren in den biologisch wenig aktiven Unterboden gelangt, spielt eine entscheidende Rolle für die Beurtei­lung der Umwelt- und Gewässerbelastung durch Pestizide. Bereits in einer Tiefe von 80–100 cm steigt beispielsweise der DT50 Wert von Isoproturon um mehr als eine Größenordnung an. Eine Bewertung des Risikos einer Grundwasserbelastung durch präferentiellen Transport auf der Feld- und Einzugsgebietsskala erfordert somit vor allem eine verlässliche Vorhersage über den Anteil eines Pestizids, der schnell in den Untergrund gelangt. Dies ist wiederum nur möglich, wenn die raumzeitliche Verteilung der Regenwurmröhren auf dieser Skala bekannt ist. Ziel des vorge­schlagenen Projekts ist daher die Entwicklung eines integrierten ökohydrologischen Modells, dass die Vorhersage a) der raumzeitlichen Verbreitung und Populationsdynamik von anözi­schen Regen­würmern, b) des durch Regenwurmgänge charakterisierten Musters präferen­tiel­ler Fliesswege sowie c) des raumzeitlichen Musters der Infiltration und der Transport­distanzen von Agro­chemikalien ermöglicht. Solche ein Modell liefert ein tieferes Verständnis darüber, wie kleinskalige Muster groß­skalige Prozesse in Agrarlandschaften regulieren können, und wie Rückkopplungen zwischen Regen­wurm­­aktivitäten und Transporteigenschaften die Funktionen von Agrarökosystemen beeinflussen. In praktischer Hinsicht erwarten wir, dass unser Modell zur Risikobewertung auf der Einzugs­gebietsskala einsetzbar ist und damit die Untersuchungen zur Pestizidzulassung unterstützt.