Phosphorgehalt in Waldböden verschiedener Biodiversität und Landnutzung

 

Bisherige Arbeiten (2014 - 2017): DYNPHOS III

 

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Yvonne Oelmann

Elisabeth Sorkau

(Uni Tübingen)

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.

 

Ziele und Hypothesen


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?

 

Methoden und erwartete Ergebnisse


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.

 

Ergebnisse der vorangegangenen Phasen

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.

Nach oben

Bisherige Arbeiten (2011 - 2014): DYNPHOS II

Der P-Kreislauf in Grünland- und Waldökosystemen verschiedener Biodiversität und Landnutzungsintensität

 

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Yvonne Oelmann

Elisabeth Sorkau

(Universität Tübingen)

Phosphor (P) ist neben Stickstoff (N) ein essentieller Nährstoff für das Organismenwachstum. Vor allem im Hinblick auf genutzte Ökosysteme und die vorausgesagte Erschöpfung der P-Dünger-Ressourcen sind Kenntnisse über die P-Transformationsprozesse im Boden von entscheidender Bedeutung. Ergebnisse des vorangegangenen Teilprojektes DYNPHOS haben gezeigt, dass auf der Schwäbischen Alb Pflanzendiversität die P-Verfügbarkeit im Boden durch effizientere Ausnutzung des Boden-P-Pools beeinflusst. Unklar bleibt aber, ob der kombinierte Einfluss von Landnutzungsintensität und Pflanzenartenzahl zu einem geschlossenen P-Kreislauf führt und damit einen geringeren P-Düngereinsatz bei gleichbleibender Produktivität ermöglicht.

 

 

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.

    SORKAU (2011), Schwäbische Alb
    SORKAU (2011), Schwäbische Alb

    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:

    WAHL (2011), Schwäbische Alb
    WAHL (2011), Schwäbische Alb

     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.

    Nach oben

     

     

    Bisherige Arbeiten (2008 - 2011) DYNPHOS

    Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

    Prof. Dr. Wolfgang Wilcke

    (Universität Bern)

    Dr. Fabian Alt (ehem. Doktorand)

    Elisabeth Sorkau

    (Universität Tübingen)

     

    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

    Nach oben