Phosphorus budgets in forest soils of differing diversity and land use

 

Previous project phase (2014 - 2017): DYNPHOS III

Scientific investigators:

Prof. Dr. Yvonne Oelmann

(Uni Tübingen)

 

Phosphorus (P) is an essential nutrient for photosynthetic carbon assimilation and besides nitrogen (N) the major element limiting terrestrial primary productivity. Because of N deposition and the associated shift in N:P ratios in biomass P has become increasingly important for plant growth and biodiversity. Despite knowledge on the importance of P for forest nutrition, mechanisms of P release have not yet been uncovered completely. Particularly in forests, decompositions of organic matter as a biologically-mediated P release process plays an important role in P nutrition because of the great organic P (Po) stocks in the organic layer. Because of the limited availability of inorganic P (Pi) in most soils, plants and soil organisms actively contribute to the release of Pi from soil organic matter by exudation of enzymes.

Results of the preceding DYNPHOS phase showed that microbial biomass P (Pmic) concentrations differed among study regions and were closely linked to P fractions in soil both in forests and grasslands. While land-use intensity had significant effects on several P fractions, Pmic seems to be insensitive to both forest and grassland management. Comparing high and low plant species richness, we already showed higher P exploitation by highly diverse plant communities. Therefore, particularly in ecosystems of high plant diversity the competition for P between plants and microbes in soil plays a role for plant P nutrition. Furthermore, Pmic correlated positively with total Po concentrations in both forest and grassland soil indicating the importance of organic matter as substrate for microorganism metabolism.

 

Objectives and Hypotheses


Management measures in grasslands and forests need to be adjusted to achieve tight P cycles by minimizing P losses from ecosystems while maintaining plant P nutrition. The evaluation of the effectiveness of management measures requires knowledge on the main mechanisms contributing to ecosystem P nutrition (short-term), the quantification of how long these mechanisms can guarantee P supply (medium-term) and the long-term perspective considering input and output fluxes of P as measure of tight P cycling in ecosystems.

 

Therefore, we want to answer the following questions:
(1)    How do management and biodiversity affect short-term, in-situ biological P release in forest soils?
(2)    Does the management and biodiversity effect on P exploitation and medium-term biological P release observed in grasslands hold for forests?
(3)    Which implications can be derived for sustainable P management from long-term P input/output budgets of ecosystems under different land use and of differing biodiversity?

 

Methods and Expected Outcomes


We will assess short-term biological P release by means of application of glacier water that differs in the isotopic signature as compared to soil water of the Exploratories. The enzyme-mediated hydrolysis of ester-bond P in soil organic matter is associated with an exchange of oxygen (O) atoms in phosphates with O atoms from ambient water. Therefore, the kinetics of the incorporation of glacier water (enriched in 16O) into released phosphate molecules might serve as a tool for assessing actual enzyme activity.

We will assess P exploitation based on yearly uptake of P by the vegetation related to the potentially available P pool. In addition to P exploitation, we will focus on medium-term biological P release.

We will calculate the long-term P budget:

considering atmospheric deposition and all types of fertilizer as input and harvested P, leaching and erosion as output. Preliminary calculations showed that the P budgets tend to be negative, so that we will calculate the time until the available P stocks will be exhausted. One important yet missing output is forest P stocks finally removed by felling trees. We will receive wood samples of tree species sampled by subproject Neighbor in the preceding funding phase which will be complemented by additional coring activities of our subproject in case of insufficient sample material. Another pathway of phosphorus loss for both forests and grasslands is in particulate forms, therefore, erosion will be estimated as well.

 

Results of the preceding phases

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.

To top

 

Phosphorus cycling in grasslands and forests of differing diversity and land use

Previous project phase (2011 - 2014)

 

 

Scientific investigators:

Prof. Dr. Yvonne Oelmann

(University Tübingen)

Phosphorus (P) is an essential nutrient for organism growth and for photosynthetic carbon assimilation and besides Nitrogen (N) the major element limiting terrestrial productivity. Particularly in managed ecosystems, the predicted P fertilizer scarcity calls for a comprehensive understanding of P transformation processes in soil. Results of the preceding DYNPHOS phase showed that increasing plant diversity decreased plant- available P concentrations in soil through increasing P exploitation at the Swabian Alb. It remains unclear if combined effects of land-use intensity and plant diversity on P transformation processes in soil will result in tight ecosystems P cycling and thus, requiring less fertilizer P while maintaining productivity.

 

Objectives and Hypotheses

The objective is to differentiate the effect of land-use intensity (LUI) and plant diversity on

  1. gross P mineralization,
  2. microbial biomass P, and
  3. dissolved P leaching (PO4-P and DOP)

in soil of all grassland and forest plots of the three Exploratories (n = 300).

Ziele und Hypothesen

Ziel ist, die Effekte der Landnutzungsintensität und Pflanzendiversität auf

    1. die Brutto-P-Mineralisation,
    2. mikrobielles Biomasse-P und
    3. gelöste P-Austräge (PO4-P und organischer P)

    auf den Grünland- und Waldflächen der 3 Experimentierplots (n = 300) zu untersuchen.

    Der Landnutzungsindex (LUI) wirkt sich unterschiedlich auf den P-Kreislauf aus, je nachdem ob es sich um ein Grünland- oder Waldökosystem handelt. Während hohe Landnutzungsintensität im Wald mit erhöhtem P-Entzug gekoppelt ist, wird dieser in Grünland durch Düngen (über-) kompensiert. Getrennt für Grünland- und Waldökosysteme sollen folgende Hypothesen getestet werden:

    Waldökosystem:

     1a. Ein hoher LUI reduziert das Pflanzenwachstum, die Blatt-P-gehalte und Wurzel-Exsudation. Die Brutto-P-Mineralisation korreliert daher negativ mit dem LUI.

     1b. Eine zunehmende Pflanzendiversität resultiert in einem ausgeglichenen Mikroklima und in erhöhter mikrobieller Aktivität. Dadurch wirkt sich die Pflanzendiversität bei vergleichbarem LUI positiv auf die Brutto-P-Mineralisation aus.

     2a. Ein hoher LUI bedingt eine Abnahme der Biomasse und dadurch eine Abnahme der Wurzelmasse und Wurzel-Exsudation im Boden. Daher hängen mikrobielles Biomasse-P mit dem LUI negativ zusammen.

     2b. Die Brutto-P-Mineralisation und damit verbunden die Biomasse nimmt mit der Pflanzendiversität zu. Demzufolge gilt: bei vergleichbarem LUI steigt das mikrobielle Biomasse-P mit der Pflanzendiversität.

     3a. Ein hoher LUI reduziert die P-Verfügbarkeit im Boden und damit nimmt der gelöste P-Austrag (PO4-P und organischer P) ab.

     3b. Aufgrund steigender P-Aufnahme durch die Pflanze und steigendem mikrobiellen Biomasse-P wirkt sich die Pflanzendiversität bei vergleichbarem LUI negativ auf den Austrag von PO4-P und gelösten organischen Phosphors (DOP) aus.

    Pflanzendiversität kann einen Beitrag zum Erhalt der gegenwärtigen P-Verfügbarkeit in Waldböden trotz zukünftig zunehmender P-Limitierung leisten.

    Grünland:

     1c. Ein hoher LUI zieht einen erhöhten N- (und P-) Eintrag in den Boden nach sich, somit nehmen Wurzelmasse und Wurzel-Exsudation sowie Brutto-P-Mineralisation ab.

     1d. Bei vergleichbarem LUI spiegeln sich die positiven Effekte des Mikroklimas und die Diversität des Substratabbaus in einer ansteigenden Brutto-P-Mineralisationsrate in hoch diversen Ökosystemen wider.

     2c. Hohe N- (und P-) Einträge im Falle eines hohen LUI führen zu einer Abnahme der mikrobiellen Biomasse. Daher nimmt der mikrobielle Biomasse-P mit steigendem LUI ab.

     2d.  Unter vergleichbarem LUI steht die steigende Brutto-P-Mineralisationsrate in hoch diversen Ökosystemen in Bezug zur steigenden mikrobiellen Biomasse.

     3c. Aufgrund des zunehmenden P-Eintrages und der abnehmenden mikrobiellen Biomasse-P forciert ein hoher LUI den PO4-P und DOP Austrag.

     3d. Bei vergleichbarem LUI führt Pflanzendiversität zu einer Abnahme des PO4-P und DOP Austrages aufgrund zunehmender Aufnahme durch die Pflanze und durch mikrobielle Biomasse.

    Dies bedeutet, dass Pflanzendiversität das Risiko des P-Austrages bei hohem LUI im Grünland reduzieren kann.

    To top

     

     

    Bisherige Arbeiten (2008 - 2011) DYNPHOS

    Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

    Prof. Dr. Wolfgang Wilcke

    (Universität Bern)

     

    Einführung

    Mit steigender Diversität nehmen die Gehalte an pflanzenverfügbaren Nährstoffen im Boden aufgrund einer effektiveren Ressourcennutzung der Pflanzen ab. Dieser Zusammenhang wurde für Stickstoff bereits mehrfach gezeigt. Zu anderen Nährstoffen, die möglicherweise ebenfalls das Pflanzenwachstum limitieren, wie z.B. Phosphor, fehlen solche Untersuchungen. Da in bewirtschafteten Systemen Diversität und Landnutzungsintensität bzw. –geschichte eng zusammenhängen, wird im Teilprojekt DYNPHOS der Einfluss dieser Faktoren auf den Phosphorkreislauf im Grünland und im Wald der Biodiversitätsexploratorien untersucht, um die Kontrollgrößen für die Nährstoffgehalte im Boden zu bestimmen.

     

    Ziele

    Unser Ziel ist die Trennung der Effekte von Diversität und Landnutzung auf:

    1. die Phosphorfraktionen im Boden
    2. den Phosphorkreislauf im Boden
    3. die Phosphorvorräte in den Pflanzen

    Außerdem planen wir den Einfluss der früheren Landnutzung über innovative Isotopenmethoden (?18O in PO4) zu bestimmen.

     

    Hypothesen

    1. Intensivere Landnutzung, die aufgrund von Düngung in der Regel mit einer höheren Nährstoffverfügbarkeit im Boden verknüpft ist, führt
      1. zu einer Verminderung des negativen Einfluss der Pflanzendiversität auf die Phosphorverfügbarkeit (organisch und anorganisch) im Boden und korrespondierend dazu
      2. zu einer Verminderung des positiven Einfluss der Pflanzendiversität auf die Phosphorvorräte in der oberirdischen Biomasse.

    2. Unter den Hauptquellen des Phosphates in der Bodenlösung (Lösung P-haltiger Minerale, Desorption, Mineralisierung von organischer Substanz) wird
      1. bei intensiverer Landnutzung der Anteil der leicht-löslichen, düngerbürtigen P-haltigen Minerale erhöht und damit der Einfluss der Pflanzendiversität - entsprechend Hypothese 1a - verringert und
      2. innerhalb einer Landnutzungsintensität (bei gleicher Nährstoffversorgung) mit steigender Pflanzendiversität durch die Stimulation der Mineralisierung von organischer Substanz der Anteil des mineralisierten Phosphates erhöht.

    3. Das Sauerstoffisotopensignal von Phosphat kann für die Unterscheidung verschiedener Phosphorquellen (Lösung von P-Mineralen, Desorption, Mineralisierung) herangezogen werden.

     


    Um diese Hypothesen zu belegen bestimmen wir die Phosphor-Vorräte in Böden und Pflanzen, die Phosphor-Freisetzung durch Lösung, Desorption und Mineralisierung, sowie ?18O in PO4 aus diesen drei Quellen

    To top