Wurzeln

Böden enthalten mehr als doppelt so viel Kohlenstoff wie momentan in der Atmosphäre vorhanden ist und die Einlagerung von Kohlenstoff in Böden geschieht primär über Pflanzenwurzeln. So befindet sich 30-95 % der pflanzlichen Biomasse im Wurzelsystem und der entscheidende Prozess des Kohlenstoffeintrags in den Boden, die Rhizodeposition, umfasst ca. die Hälfte der pflanzlichen Biomasseproduktion. Zudem nehmen Pflanzen über ihre Wurzeln Wasser und Nährstoffe aus dem Boden auf und spielen so eine elementare Rolle in Wasser-, Nährstoff-, und Kohlenstoffkreislauf. Trotz der unumstrittenen Bedeutung von Wurzeln in globalen Kreisläufen, sind wegen schwieriger Zugänglichkeit selbst zu Basisdaten wie Wurzellänge, Feinwurzelanteil, saisonaler Aktivität oder Wurzelwachstums- und Umsetzungsraten bislang nur fragmentarische Kenntnisse vorhanden. Ein besseres Verständnis dieser Parameter ist allerdings in verschiedensten Bereichen, z. B. in globalen Klimamodellen, in der Anpassung an den Klimawandel in Land- und Forstwirtschaft, oder auch zur Minderung von Klimarisiken wie Rutschungen, Erosion oder Überschwemmung, essentiell.

Für die oben genannten Aspekte sind vor allem die feinsten und kurzlebigsten Wurzeln verantwortlich und es gilt ihre Dynamiken genauer zu erforschen. So beeinflusst z. B. die saisonale Aktivität der Vegetation (=Phänologie) den globalen Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre und ist essentiell für die Abschätzung der globalen Kohlenstoffsenke. Die oberirdische Phänologie ist dabei vergleichsweise einfach zu erheben (visuell, Fernerkundung, etc.), über saisonale Unterschiede in der Aktivität von Pflanzen im Wurzelraum ist dagegen kaum etwas bekannt. Die Aktivitätsmuster können dabei deutlich (bis zu 50 %) von den oberirdischen Mustern abweichen. Neben den Aktivitätsphasen des Wurzelwachstums ist auch das Absterben von Wurzeln von hoher ökologischer Bedeutung. Die Lebensdauer von Wurzeln liegt zwischen wenigen Tagen für Wurzelhaare und Feinwurzeln bis vielen Jahrzehnten bis Jahrhunderten für grobe Stützwurzeln. Unter sich ändernden Umweltbedingungen (Global Change) könnte sich sowohl die Phänologie als auch die Lebensdauer von Wurzeln deutlich verschieben, was Implikationen auf den globalen Kohlenstoffkreislauf haben könnte.

Die Erforschung von Wurzeln ist traditionell äußerst arbeitsintensiv, da sie sich ‚versteckt‘ im Boden befinden. Am häufigsten sind destruktive Erhebungen von Wurzelbiomasse durch Auswaschen aus Bodenproben, wobei aber nur ca. 60 % der Biomasse erhoben wird, da gerade die wichtigen Feinwurzeln oft verloren gehen. Zudem erlaubt diese Methode keinen Einblick in die Wurzeldynamik über die Zeit, sondern immer nur eine kurze Momentaufnahme. Das mit Abstand wichtigste Werkzeug zur Erfassung der unterirdischen pflanzlichen Aktivität im Freiland sind deshalb sogenannte Minirhizotrone. Minirhizotrone sind durchsichtige Röhren, welche einmal in den Boden eingebracht, eine dauerhafte Beobachtung des Wurzelwachstums auf ihrer Außenseite über Bilder von Rohrscannern oder Kameras ermöglicht. Diese Beobachtung erfolgt nicht-destruktiv und kann daher beliebig oft und lange in der Zeit erfolgen, und ermöglicht so eine genaue Visualisierung und Messung von wichtigen Wurzel-Parametern (z. B. Wachstumsphänologie, -raten, Wurzelturnover). Bislang steht allerdings keine Methode zur Verfügung, welche eine automatische Digitalisierung der gewonnen Scans oder Bilder erlaubt. Dieser Schritt wird derzeit äußerst zeitintensiv und maximal semi-automatisch, also komplett menschlich überwacht, durchgeführt. Je nach Anzahl und Länge der Wurzeln kann die Bearbeitung eines einzigen Scans hier mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Diese Tatsache erklärt auch, warum es äußerst wenige zeitlich hoch aufgelöste und lange Messreihen zur Wurzeldynamik gibt. Auch räumliche Variation ist deswegen sehr schlecht untersucht. Das bedeutet, dass das größte Hindernis zur Bereitstellung von fundierten, zeitlich und räumlich hoch aufgelösten Daten zu Wurzeldynamiken die Digitalisierung der mit Minirhizotronen gewonnenen Bildern ist. Mit der hier angestrebten Automatisierung der Wurzellängenquantifizierung über Künstliche Intelligenz (DCNNs) ließe sich dieser Mangel beheben, und so ökologische und biogeochemische Fragen mit gesellschaftlicher Relevanz beantworten.

Mittels automatischer Digitalisierung könnten erstmals räumlich und zeitlich hoch aufgelöst Unterschiede in Wurzelwachstum und Lebensdauer der Wurzeln in verschiedenen Ökosystemen quantifiziert werden. Dieser Aspekt ist von fundamentaler Bedeutung für die Kohlenstoffbilanz eines Ökosystems und wird bislang auch in den aktuellen Modellen, die den gekoppelten Biosphäre-Atmosphäre Modellen des Weltklimarates (IPCC) unterliegen, gar nicht oder nur als black-box abgeschätzt. Eine raum-zeitlich hoch aufgelöste Analyse des Wurzelwachstums könnte darüber hinaus die nachhaltige Landwirtschaft befördern, indem Düngergaben auf die Aktivitätsperioden der Nutzpflanzen abgestimmt und damit die Effizienz der Düngung erhöht werden könnte. Bei der Erosionsbekämpfung, auch an Schutzanlagen wie Straßendämmen oder Deichen ist die permanente Durchwurzelung des Oberbodens von entscheidender Bedeutung. Die hier zu entwickelnden Methoden der hochaufgelösten und automatischen Digitalisierung des Wurzelwachstums können zu Optimierung von Artenzusammensetzung und Management an solch sensiblen Punkten beitragen. Räumlich und zeitlich hochaufgelöste Quantifizierung von Wurzellänge und Wurzellebensdauer ist von hoher Bedeutung für eine Vielzahl von ökologischen Fragestellungen mit gesellschaftlicher Relevanz (Kohlenstoffkreislauf und Klimawandel, nachhaltige Landwirtschaft, Erosionsschutz). Bislang fehlen diese Daten jedoch, da die Erhebung enorme Arbeitszeit beansprucht. Die hier zu entwickelnde automatische Digitalisierung der notwendigen Daten ist mit den heutigen mathematischen Algorithmen möglich und wird die Forschung in allen genannten Bereichen massiv befördern.

Das Verbundprojekt „DIG-IT!” wird durch den Europäischen Sozialfonds (ESF) und dem Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur des Landes Mecklenburg-Vorpommern gefördert.