Verknüpfung von Landnutzungsintensität, biologischer Vielfalt, mikrobiellen Prozessen im Boden und organo-mineralischen Wechselwirkungen für ein mechanistisches Verständnis des Stickstoffumsatzes in Grünlandökosystemen
Die zunehmende Landnutzungsintensität zur Erzeugung von proteinreicherem Futter könnte direkt mit nachteiligen Auswirkungen auf die biologische Vielfalt und die Multifunktionalität von Grünlandökosystemen verbunden sein und die Stickstoffverluste in die Umwelt verstärken. Die Wechselwirkungen zwischen der Intensität der Landnutzung, der ober- und unterirdischen Artenvielfalt und dem Stickstoffkreislauf in Grünlandökosystemen sind jedoch noch nicht hinreichend erforscht, was gezielte Abhilfemaßnahmen verhindert. Durch eine interdisziplinäre Integration von mikrobieller Bodenökologie, kurzfristiger biogeochemischer N-Prozesse im System Pflanze-Boden-Mikroben und langfristiger physikochemischer Pfade der organischen N-Retention im Boden will BE_BioMon diese Wissenslücke durch die Verknüpfung von Messungen und Modellierung schließen.
Mit diesem ganzheitlichen Mess- und Modellierungsansatz erwarten wir ein verbessertes mechanistisches und funktionales Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Landnutzungsintensität, Biodiversität und dem Stickstoffkreislauf in Grünlandökosystemen als Grundlage für die Milderung von Umweltauswirkungen. Da es sich um ein neues Projekt handelt, freuen wir uns auf die Zusammenarbeit und den weiteren Austausch von Ideen mit allen Forschern der Biodiversitäts-Exploratorien.
Unser übergeordnetes Ziel ist es, das mechanistische Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Landnutzungsintensität und Biodiversität als Treiber des Stickstoffumsatzes im Grünland zu verbessern. Im Einzelnen sind unsere Ziele:
Z1: Bewertung der Auswirkungen der Landnutzungsintensität und der ober- und unterirdischen Biodiversität auf biotische und abiotische Prozesse der Dünger-N-Verteilung im System Pflanze-Boden-Mikroorganismen in Grünlandökosystemen.
Z2: Interpretation von Fingerabdrücken der Auswirkungen der Landnutzungsintensität auf den Stickstoffkreislauf im Grünland durch Kombination von vertikalen δ15N-Bodenprofilen, funktionellem Mikrobiom-Fingerprinting (Metagenomik) und Fraktionierung von organischem Stickstoff im Boden.
Z3: Synthese von Projektmessungen und bestehenden Daten der Biodiversitäts-Exploratorien, um ein prozessbasiertes biogeochemisches Ökosystem-Modell zu testen und weiterzuentwickeln.
Unsere übergreifende Hypothese lautet, dass die Auswirkungen der Landnutzungsintensität auf die Stickstoffkreislaufprozesse in Ökosystemen eng mit der ober- und unterirdischen Biodiversität verbunden sind, wobei die höchste Biodiversität und der schnellste Umsatz von Stickstoffeinträgen bei mittlerer Landnutzungsintensität zu verzeichnen sind und nur geringfügig durch standortspezifische Bedingungen beeinflusst werden. Genauer gesagt, stellen wir folgende Hypothesen auf:
H1: Mit abnehmender Landnutzungsintensität, steigendem C:N-Verhältnis und zunehmender Diversität heterotropher Mikroorganismen nimmt die mikrobielle N-Retention von Dünger-N-Einträgen zu, da eine Verlagerung vom Prozess der Nitrifikation hin zu anorganischer N-Immobilisierung stattfindet. Eine solche N-Assimilation durch ein hochdiverses Mikrobiom fördert die Bildung von POM- und MOM-N durch mikrobielle Nekromasse, die durch den Umsatz von Bodenaggregaten beeinflusst wird.
H2: δ15N im Boden steigt mit zunehmender Landnutzungsintensität aufgrund höherer Düngereinträge, höherer isotopischer Fraktionierung durch erhöhte Nitrifikations- und Denitrifikationsraten und abnehmender Abundanz, Diversität und Aktivität von diazotrophen Mikoorganismen. Folglich hat δ15N ein hohes Potenzial, als prozessintegrierende Benchmarkgröße für Ökosystemmodelle verwendet zu werden.
H3: Die Messungen der mikrobiellen Diversität/Aktivität, der räumlich-zeitlichen Dynamik der N-Pools und -Flüsse sowie der 15N-Isotopensignaturen werden eine verbesserte Prozessbeschreibung, Parametrisierung und Validierung eines prozessbasierten Modells ermöglichen. Das verbesserte Modell ist ein wesentliches Instrument für die raum-zeitliche Skalierung und die Bewertung der Auswirkungen der Landnutzungsintensität und der mikrobiellen/pflanzlichen Vielfalt auf den Stickstoffkreislauf und die Stickstoffverluste in den Grünlandparzellen der Biodiversitäts-Exploratorien.
In diesem Projekt verfolgen wir den Verbleib von Stickstoff aus organischem Dünger im System Pflanze-Boden-Mikroben mit Hilfe von stabilen 15N-Isotopen-Tracing-Techniken auf ausgewählten Parzellen aller drei Biodiversitäts-Exploratorien. Das aus diesen Feldexperimenten abgeleitete detaillierte Prozessverständnis in Verbindung mit Erkenntnissen zu Bodenmikrobiom und der Aggregatstruktur werden verwendet, um das Ökosystemmodell Landscape-DNDC weiterentwickeln, um letztlich die Modellierung der Auswirkungen der Landnutzungsintensität auf den Stickstoffkreislauf in Grünlandökosystemen auf Parzellen- und Landschaftsebene zu verbessern. In diesem Zusammenhang werden die natürlichen 15N-Isotopen-“Fingerabdrücke” in Bodenprofilen bis zu einer Tiefe von 1 m, die während der Bodenbeprobungskampagne im Jahr 2023 gewonnen werden, als unabhängige Benchmark-Daten für die Modellvalidierung dienen.
Wissenschaftliche Mitarbeiter:innen
