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The swelling of interparticulate hydrogels in soil and their contribution to soil structural stability and soil-water interactions

  • Organic substances play an essential role for the formation of stable soil structures. In this context, their physico-chemical properties, interactions with mineral soil constituents and soil-water interactions are particu-larly important. However, the underlying mechanisms contributing to soil particle cementation by swollen or-ganic substances (hydrogels) remains unclear. Up to now, no mechanistic model is available which explains the mechanisms of interparticulate hydrogel swelling and its contribution to soil-water interactions and soil structur-al stability. This mainly results from the lack of appropriate testing methods to study hydrogel swelling in soil as well as from the difficulties of adapting available methods to the system soil/hydrogel. In this thesis, 1H proton nuclear magnetic resonance (NMR) relaxometry was combined with various soil micro- and macrostructural stability testing methods in order to identify the contribution of hydrogel swelling-induced soil-water interactions to the structural stability of water-saturated and unsaturated soils. In the first part, the potentials and limitations of 1H NMR relaxometry to enlighten soil structural stabilization mechanism and vari-ous water populations were investigated. In the second part, 1H-NMR relaxometry was combined with rheologi-cal measurements of soil to assess the contribution of interparticulate hydrogel swelling and various polymer-clay interactions on soil-water interactions and soil structural stability in an isolated manner. Finally, the effects of various organic and mineral soil fractions on soil-water interactions and soil structural stability was assessed in more detail for a natural, agriculturally cultivated soil by soil density fractionation and on the basis of the experiences gained from the previous experiments. The increased experiment complexity in the course of this thesis enabled to link physico-chemical properties of interparticulate hydrogel structures with soil structural stability on various scales. The established mechanistic model explains the contribution of interparticulate hydrogels to the structural stability of water-saturated and unsaturated soils: While swollen clay particles reduce soil structural stability by acting as lubricant between soil particles, interparticulate hydrogel structures increase soil structural stability by forming a flexible polymeric network which interconnects mineral particles more effectively than soil pore- or capillary water. It was appar-ent that soil structural stability increases with increasing viscosity of the interparticluate hydrogel in dependence on incubation time, soil texture, soil solution composition and external factors in terms of moisture dynamics and agricultural management practices. The stabilizing effect of interparticulate hydrogel structures further in-crease in the presence of clay particles which is attributed to additional polymer-clay interactions and the incor-poration of clay particles into the three-dimensional interparticulate hydrogel network. Furthermore, the simul-taneous swelling of clay particles and hydrogel structures results in the competition for water and thus in a mu-tual restriction of their swelling in the interparticle space. Thus, polymer-clay interactions not only increase the viscosity of the interparticulate hydrogel and thus its ability to stabilize soil structures but further reduce the swelling of clay particles and consequently their negative effects on soil structural stability. The knowledge on these underlying mechanisms enhance the knowledge on the formation of stable soil structures and enable to take appropriate management practices in order to maintain a sustainable soil structure. The additionally out-lined limitations and challenges of the mechanistic model should provide information on areas with optimization and research potential, respectively.
  • Organische Substanzen spielen eine wichtige Rolle bei der Bildung von stabilen Bodenstrukturen. Dabei sind maßgeblich deren physikochemischen Eigenschaften, Wechselwirkungen mit der mineralischen Bodenphase und die daraus resultierende Boden-Wasser Interaktionen von Bedeutung. Dennoch weiß man nur wenig über zugrunde liegenden Mechanismen der Partikelverkittung durch organische Substanzen und inwieweit deren Quellung unter Bildung von interpartikulären Hydrogelen die bodenstrukturelle Stabilität beeinflusst. Bis heute existiert kein mechanistisches Model, dass deren Quellung im Boden beschreibt und daraus resultierende Boden-Wasser Interaktionen in Zusammenhang mit bodenstruktureller Stabilität bringt. Dies ist maßgeblich auf das Fehlen bzw. eine unzureichende Adaptierung geeigneter Testmethoden zur Erfassung von Quellungsprozessen interpartikulärer Hydrogele in Böden zurückzuführen. In der vorliegenden Dissertation wurde die 1H NMR Relaxometrie mit mikro- und makrostrukturellen Bodenstabilitätstests kombiniert um Boden-Wasser Interaktionen mit der strukturellen Stabilität wassergesättigter und ungesättigter, feuchter Böden zu verknüpfen. Der Erste Teil der Arbeit erfasste Potential und Grenzen der 1H-NMR Relaxometry zur Erfassung unterschiedlicher Wasserpopulationen und struktureller Stabilisierungsmechanismen Boden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die 1H-NMR Relaxometrie zur Untersuchung von Quellungsprozessen einer hydrogel-bildenden organischen Modelsubstanz in Modelböden unterschiedlicher Komplexität eingesetzt. Mittels der Kombination mit Bodenrheologie sollten die zugrundeliegenden Mechanismen identifiziert werden, die im Zusammenhang mit der strukturellen Bodenstabilität stehen. Im letzten Teil der Arbeit wurden die zuvor gesammelten Erkenntnisse auf einen humosen, landwirtschaftlichen Boden übertragen und die Effekte einzelner organischer und mineralischer Bo-denbestandteile auf Boden-Wasser-Interaktionen und bodenstrukturelle Stabilität mittels Dichtefraktionierung noch detaillierter erfasst. Die zunehmende Komplexität der Experimente ermöglichten eine Brücke zwischen den physikochemischen Eigenschaften interpartikulären Hydrogels und bodenstruktureller Stabilität zu schlagen und ein Modell für die zugrunde liegenden Prozesse für wassergesättigte und ungesättigte, feuchte Böden abzuleiten: Während gequollene Tonpartikel die Reibung zwischen Bodenpartikeln erniedrigen und somit die bodenstrukturelle Stabilität herabsetzen, zeigen gequollen Hydrogelstrukturen den gegenteiligen Effekt und erhöhen die bodenstrukturelle Stabilität. Dies ist zurückzuführen auf die Bildung eines flexiblen und viskosen Polymernetzwerkes, welches mineralische Bodenpartikel über weite Bereiche verbindet und eine deutlich höhere Stabilität als Poren- oder Kapillarwasser aufweist. Es zeigte sich zudem, dass die bodenstrukturelle Stabilität mit steigender Viskosität des interpartikulären Hydrogels zunimmt und dabei von der Inkubationszeit, Bodentextur, Zusammensetzung der Bodenlösung und externen Faktoren wie Bodenfeuchtedynamik und landwirtschaftliche Bewirtschaftungsweisen abhängt. Die stabilisierende Wirkung von interpartikulärem Hydrogel wird zusätzlich durch Tonpartikeln verstärkt, was maßgeblich aus Polymer-Ton-Interaktionen und der Aufnahme von Tonpartikeln in das Hydrogelnetzwerk resultiert. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die gleichzeitige Quellung von Hydrogelstrukturen und Tonpartikeln und der dabei vorhandenen Konkurrenz um verfügbares Wasser und freien Raum zu einer gegenseitigen Quellungshemmung führen. Somit erhöhen Polymer-Ton-Interaktionen nicht nur die Viskosität des interpartikulären Hydrogels und damit dessen Stabilisierungspotential, sondern erniedrigen zudem die Quellung von Tonpartikeln und damit deren negativen Effekte auf die bodenstrukturelle Stabilität. Das Wissen um diese zugrunde liegenden Prozesse erweitert das Verständnis zur Bildung stabiler Bodenstrukturen und ermöglicht das Ergreifen geeigneter, nachhaltiger Bodenbewirtschaftungsmaßnahmen. Die zudem aufgezeigten Limitierungen des mechanistischen Modells sollen Ansatzpunkte für weitere Forschungs- und Optimierungspotentiale aufzeigen.

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Metadaten
Author:Christian Buchmann
URN:urn:nbn:de:kola-16721
Referee:Gabriele Schaumann, Stephan Peth, Paul Hallett
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2018/07/06
Date of publication:2018/07/09
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2018/06/26
Release Date:2018/07/09
Tag:1H-NMR Relaxometry; Interparticulate hydrogel swelling; Rheometry; Soil physics; Soil structural stability
GND Keyword:Bodenchemie; Bodenphysik; Hydrogel
Number of pages:ix, 37 Seiten
Institutes:Fachbereich 7 / Institut für Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
BKL-Classification:43 Umweltforschung, Umweltschutz / 43.12 Umweltchemie
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