Phosphorgehalt in Waldböden verschiedener Biodiversität und Landnutzung
Phosphor (P) ist ein essentieller Nährstoff für die photosynthetische Kohlenstoffassimilation und neben Stickstoff (N) das Element, welches die Primärproduktion limitieren kann. Aufgrund der N-Deposition und der damit verbundenen Veränderung der N:P-Verhältnisse in der Biomasse steigt die Bedeutung von P für das Pflanzenwachstum und die Biodiversität an. Trotz der Bedeutung von P als Nährstoff sind die Mechanismen der P-Freisetzung im Boden nicht komplett erforscht. In Waldböden spielt durch den hohen Anteil an organischen P (Po)-Vorräten in der organischen Auflage die Zersetzung von organischem Material als biologisch gesteuerter P-Freisetzungsprozess eine bedeutende Rolle bei der P-Versorgung von Organismen. Da die Gehalte an pflanzenverfügbarem anorganischen P (Pi) in den Böden meist gering sind, tragen Pflanzen und Bodenorganismen durch Exudation zur Freisetzung von Pi aus organischem Material bei.
Die Ergebnisse der vorangegangenen Untersuchungen durch DYNPHOS zeigen, dass die Gehalte von mikrobiellem Biomasse-P (Pmic) sich zwischen den Regionen unterscheiden und mit den P-Fraktionen sowohl in Wald- als auch Grünlandböden zusammenhängen. Während die Landnutzungsintensität großen Einfluss auf die einzelnen P-Fraktionen hat, scheint Pmic unabhängig von der Landnutzungsintensität zu sein. Der Vergleich zwischen hoher und geringer Pflanzendiversität zeigt eine höhere P-Ausnutzung bei höherer Diversität der Pflanzengesellschaften. Daher kann man sagen, dass v.a. in Ökosystemen mit höherer Pflanzendiversität die Konkurrenz um P zwischen Pflanzen und Mikroorganismen im Boden eine Bedeutung für die P-Versorgung der Pflanzen hat. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass in Wald- wie in Grünlandböden Pmic positiv mit Po korreliert. Dies beweist die Wichtigkeit von organischer Substanz als Substrat für den mikrobiellen Metabolismus.
Landnutzung in Wald- und auf Grünlandböden müssen so an den P-Kreislauf angepasst werden, dass der P-Verlust innerhalb des Ökosystems minimiert wird, gleichzeitig die P-Versorgung der Pflanze aber gewährleistet bleibt. Die Beurteilung der Effektivität der Landnutzung erfordert
- die Kenntnisse über Hauptmechanismen (kurzfristig), die zur P-Versorgung des Ökosystems beitragen,
- die Quantifizierung über welchen Zeitraum (mittelfristig) diese Mechanismen das P-Angebot garantieren können und
- die langfristige Bestimmung des Verhältnisses der Ein- und Austräge von P im ökosystemaren P-Kreislauf.
Im laufenden Projekt wollen wir daher folgende Fragen beantworten:
(1) Wie beeinflusst Landnutzung und Biodiversität kurzfristig die biologische in-situ P-Freisetzung in Waldböden?
(2) Welchen Effekt haben Landnutzung und Biodiversität auf die P-Ausnutzung und die mittelfristige biologische P-Freisetzung in Waldböden?
(3) Welche Schlussfolgerungen für das nachhaltige P-Management können von den langfristigen Budgets der ökosystemaren P-Einträge und P-Austräge bei unterschiedlicher Landnutzung und Biodiversität abgeleitet werden?
Die kurzfristige biologische P-Freisetzung wollen wir mit Zugabe von Gletscherwasser bestimmen, das eine andere Isotopensignatur aufweist als das Bodenwasser in den Exploratorien. Die enzymgesteuerte Hydrolyse von Phosphorsäureestern in der organischen Bodenmaterie ist mit dem Austausch von Sauerstoff (O) Atomen zwischen Phosphat und Umgebungswasser verbunden. Die Kinetik des Einbaus von Gletscherwasser (hoher Anteil von 16O an O-Atomen in H2O) in das freigesetzte Phosphatmolekül könnte daher für die Bestimmung der aktuellen Enzymaktivität genutzt werden.
Die P-Ausnutzung werden wir basierend auf der jährlichen Aufnahme von P durch die Pflanzen bezogen auf den potentiell verfügbaren P-Pool im Boden berechnen. Zusätzlich zur P-Ausnutzung wird die mittelfristige biologische P-Freisetzung untersucht.
Das langfristige P-Budget wird folgendermaßen berechnet:
wobei als Eintrag atmosphärische Deposition sowie Düngung und als Austrag Ernte, Auswaschung und Erosion von P berücksichtigt wird. Vorangegangene Berechnungen haben gezeigt, dass P-Budgets in den untersuchten Regionen negativ sind. Daher soll der Zeitraum bestimmt werden, bis zu dem die pflanzenverfügbaren P-Vorräte im Boden aufgebraucht sind. Ein wichtiger meist nicht beachteter Austrag von P im Wald ist der Holzschlag. Dafür werden wir Proben der Projektgruppe „Neighbor“ aus der vorangegangenen Phase aufarbeiten und im Fall unzureichender Probenmenge neues Probenmaterial nehmen. Weiterhin findet P-Austrag sowohl aus Wald- als auch aus Grünlandböden partikulär über Erosion statt, die ebenfalls quantifiziert werden soll.
ALT F (2012): The Phosphorus Cycle in Grassland and Forest Ecosystems of different Biodiversity and Management. Diss. Eberhard Karls Universität Tübingen.
ALT F, OELMANN Y, HEROLD N, SCHRUMPF M, WILCKE W (2011): Phosphorus partitioning in grassland and forest soils of Germany as related to land-use type, management intensity, and land use-related pH. J. Plant Nutr. Soil Sci., 174, 195-209.
ALT F, OELMANN Y, SCHÖNING I, WILCKE W (2013): Phosphate Release Kinetics in Calcareous Grassland and Forest Soils in Response to H+ Addition. Soil Sci. Soc. Am. J., 77, 2060-2070.
in cooperation with SCALEMIC: REGAN KM, NUNAN N, BOEDDINGHAUS RS, BAUMGARTNER V, BERNER D, BOCH S, OELMANN Y, OVERMANN J, PRATI D, SCHLOTER M, SCHMITT B, SORKAU E, STEFFENS M, KANDELER E, MARHAN S (2014): Seasonal controls on grassland microbial biogeography: Are they governed by plants, abiotic properties or both? Soil Biol. Biochem., 71, 21-30.
in cooperation with SOILAGG: BARTO KE, ALT F, OELMANN Y, WILCKE W, RILLIG MC (2010): Contributions of biotic and abiotic factors to soil aggregation across a land use gradient. Soil Biol. Biochem., 42, 2316-2324.
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