Der Einfluss von Landnutzung und die zeitliche Dynamik von Steuerfaktoren auf die Biodiversität von Mikroorganismen im Methankreislauf von Acker, Grünland und Waldböden

Hintergrund

Böden können sowohl Senken als auch Quellen für das Treibhausgas Methan sein. In diesen Böden, leben methanproduzierende Mikroorganismen (Methanogene) und methan-verbrauchende Mikroorganismen (Methanotrophe). Die meisten gut durchlüfteten Böden wirken insgesamt als Methansenken, wobei die Aufnahmerate von der Landnutzung abhängt. Waldböden zeigen die höchste Aufnahme, gefolgt von Grünlandböden, während sie in intensiv bewirtschafteten Ackerböden am geringsten ist. Die Biodiversitäts-Exploratorien stellen einzigartige Langzeitdaten zur Biodiversität, Landnutzung und Klima bereit. Dies stellt eine einzigartige Gelegenheit dar, die Methansenkenfunktion in Böden und deren Wiederherstellung, sowie die Effekte einzelner Bewirtschaftungsmaßnahmen zu untersuchen.

Ziele

MetGrass II untersucht, wie eine Reduktion der Landnutzung zur Wiederherstellung der Methansenkenfunktion in land- und forstwirtschaftlich genutzten Böden beitragen kann. Im Fokus stehen Bewirtschaftungsmaßnahmen (Mulchen) und Bodenparameter (Kupfer), die die Methanaufnahme und die verantwortlichen Methanotrophen im Grünland beeinflussen. Zudem wird der Einfluss intensiver ackerbaulicher Nutzung auf das Methansenkenpotenzial und die daran beteiligten Bodenmikroorganismen analysiert. Mithilfe mikrobieller Langzeitdaten (15 Jahre) der Biodiversitäts-Exploratorien werden die Effekte von Landnutzungsintensität und Klimaveränderung auf methanbezogene Mikrobiome untersucht.

Hypothesen

H1 Die Wiederherstellung der Methansenkenfunktion in ehemals intensiv genutztem Grünland ist ein langfristiger Prozess. Wir erwarten, dass die Abundanz der Methanogenen weiter abnimmt, während ein geringere Bodendichte Methanotrophe fördert und die Methanoxidation erhöht, jedoch noch unter dem Niveau, historisch extensiver Referenzflächen bleibt.
H2 Eine Mulchschicht in Grünlandböden kann gegenläufige Effekte hervorrufen. Während der Mulch die Diffusion von atmosphärischem Methan und Sauerstoff verhindern kann, und damit die Methansenkenfuntion schwächt, kann die mikrobielle Zersetzung des Mulchs die mikrobielle Abundanz, auch die der Methanotrophen anregen und dadurch fördernd wirken.
H3 Ackerbauliche Nutzung reduziert die Methansenkenfunktion. Böden unbewirtschafteter Ackerrandstreifen sollten vergleichbare Aufnahmeraten wie die Böden von Grünland erreichen, während benachbarte Ackerflächen eine geringere Abundanz an Methanotrophen aufweisen.
H4 Verfügbares Kupfer im Boden ist für den enzymatischen Abbau von Methan essenziell. Böden mit hoher Kupferverfügbarkeit sollten höhere Methanoxidationsraten und mehr Methanotrophe aufweisen.
H5 Klimaänderungen wie Botentemperatur und Feucht und Änderungen der Landnutzungsintensität beeinflussen die Häufigkeit Methanotropher und Methanogener in Grünland- und Waldböden.

Methoden

Zur Quantifizierung der Abundanz Methanogener und Methanotropher werden funktionelle Genmarker mittels qPCR analysiert. Ihr Potenzial zur Methanbildung und -oxidation wird durch Bodeninkubationen bestimmt. Im REX1 Experiment untersuchen wir damit Effekte einer sechsjährigen Extensivierung von Grünland, auf zehn Grünlandflächen den Einfluss von Mulchschichten und wir vergleichen Böden von Äckern mit ihren angrenzenden Ackerrandstreifen.

Zusätzlich werden Kupferfraktionen mit unterschiedlicher Bioverfügbarkeit gemessen, um (a) Kupferpools zu identifizieren die die Biodiversität Methantropher beeinflussen und (b) gezielt Standorte für funktionelle Metagenomanalysen mittels Long-read-Sequenzierung auszuwählen. Um die langfristigen Effekte von Klima- und Landnutzungsänderungen zu untersuchen, werden anhand von archivierten Bodenproben funktionelle Genmarker untersucht.

Ergebnisse

In der vorangegangenen Förderphase (MetGrass 2023–2026) untersuchten wir Effekte einer dreijährigen Reduktion der Landnutzungsintensität (REX1) auf 45 Grünlandflächen, ergänzt durch 15 extensiv genutzte Referenzstandorte. Nach drei Jahren zeigte sich kein signifikanter Einfluss auf Methanoxidations- und -produktionspotenziale sowie auf die Abundanz methanotropher Genabundanzen (pmoA). Dagegen wiesen langfristig extensiv genutzte Flächen eine höhere Aufnahme von atmosphärischem Methan und größere Abundanzen von USCγ-Methanotrophen auf, was auf ein langfristiges Erholungspotenzial hindeutet. Gleichzeitig wurden eine verringerte Abundanz methanogener Gene (mcrA), eine geringere Bodendichte und ein höherer Wassergehalt beobachtet, günstige abiotische Voraussetzungen für die zukünftige Wiederherstellung der Methansenkenfunktion.