Der P-Kreislauf in Grünland- und Waldökosystemen verschiedener Biodiversität und Landnutzungsintensität
Wissenschaftliche Bearbeitung durch:
(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
- die Brutto-P-Mineralisation,
- mikrobielles Biomasse-P und
- 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.
Project DYNPHOS in phase 1 and 2:
Wissenschaftliche Bearbeitung durch:
(Universität Bern)
(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:
- die Phosphorfraktionen im Boden
- den Phosphorkreislauf im Boden
- die Phosphorvorräte in den Pflanzen
Außerdem planen wir den Einfluss der früheren Landnutzung über innovative Isotopenmethoden (?18O in PO4) zu bestimmen.
Hypothesen
- Intensivere Landnutzung, die aufgrund von Düngung in der Regel mit einer höheren Nährstoffverfügbarkeit im Boden verknüpft ist, führt
- zu einer Verminderung des negativen Einfluss der Pflanzendiversität auf die Phosphorverfügbarkeit (organisch und anorganisch) im Boden und korrespondierend dazu
- zu einer Verminderung des positiven Einfluss der Pflanzendiversität auf die Phosphorvorräte in der oberirdischen Biomasse.
- Unter den Hauptquellen des Phosphates in der Bodenlösung (Lösung P-haltiger Minerale, Desorption, Mineralisierung von organischer Substanz) wird
- bei intensiverer Landnutzung der Anteil der leicht-löslichen, düngerbürtigen P-haltigen Minerale erhöht und damit der Einfluss der Pflanzendiversität - entsprechend Hypothese 1a - verringert und
- innerhalb einer Landnutzungsintensität (bei gleicher Nährstoffversorgung) mit steigender Pflanzendiversität durch die Stimulation der Mineralisierung von organischer Substanz der Anteil des mineralisierten Phosphates erhöht.
- 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