Einfluss von Landnutzung und Biodiversität auf Bodenfunktionen

Abbildung: Das Foto zeigt auf einem Labortisch eine runde hohe Metall-Schale, in der sich einundzwanzig zylindrische kleine Glas- oder Kunststoffbehälter mit weißen Schraubverschlüssen befinden. Die Behälter sind mit Bodenproben gefüllt. Neben den Behältern liegt ein Zettel in der Schale, auf dem handgeschrieben das Wort „ungemahlen“ steht.

Hintergrund

Böden tragen mit einer Vielzahl von wichtigen Leistungen zum Funktionieren der Ökosysteme bei. Böden sind Standort für Pflanzen. Daneben sind sie der Lebensraum für eine große Anzahl von Bodenorganismen. Sie spielen auch eine wichtige Rolle im Kohlenstoff- und Nährstoffkreislauf und sind ein wichtiger Humusspeicher. Die Bodeneigenschaften können daher die Artenvielfalt beeinflussen, und umgekehrt beeinflusst die Artenzusammensetzung die biogeochemischen Prozesse im Boden. Die Reaktion der biologischen Vielfalt und des Funktionierens der Ökosysteme auf die Intensivierung der Wald- und Grünlandbewirtschaftung wird daher von der Wechselwirkung zwischen abiotischen Bodeneigenschaften, Boden- und oberirdischen Organismen abhängen. Das Kernprojekt Boden liefert entscheidende Informationen über die abiotische Bodenumgebung und beobachtet ob sich Bodenfunktionen als Resultat von Landbewirtschaftung verändern. Unser besonderes Augenmerk gilt der Bildung, der Speicherung und dem Umsatz organischer Substanz im Boden, da diese eine zentrale Rolle für die Bodenfruchtbarkeit und die Eindämmung des Klimawandels spielt.

Ziele

Grundlegende Charakterisierung und Langzeitbeobachtung der Böden in den Biodiversitäts-Exploratorien und ihrer abiotischen Eigenschaften
Bestimmung von Bodenfunktionen die im Zusammenhang mit dem Kohlenstoff- und Nährstoffkreislauf stehen
Bestimmung des Streufalls und der Streuqualität in Wäldern
Archivierung von Boden- und Streuproben seit Projektbeginn

Forschungsfragen

Das Kernprojekt Boden unterstützt die Beantwortung der folgenden übergreifenden Forschungsfragen:

Wie wichtig sind abiotische Bodenbedingungen für die Gestaltung der ober- und unterirdischen biologischen Vielfalt?
Welche Auswirkungen hat die Intensivierung der Bewirtschaftung auf Ökosystemleistungen wie Nährstoffkreislauf und Kohlenstoffsequestrierung im Boden?
Gibt es potenzielle Wechselwirkungen zwischen den Auswirkungen der Bewirtschaftung auf Ökosystemleistungen und anderen Faktoren des globalen Wandels?
Welches sind die Mechanismen und Rückkopplungen, die die Bereitstellung von Ökosystemleistungen regulieren, und welche Rolle spielen dabei die ober- und unterirdischen Organismen und ihre Vielfalt?

Service

Alle Kernprojekte liefern wichtige Basisinformationen zu Landnutzung, Diversität und Ökosystemprozessen (Langzeitmonitoring). Diese werden den Teil-Projekten für die Erforschung detaillierterer Fragestellungen zur Verfügung gestellt.

Service für Forschungsprojekte der Biodiversitäts-Exploratorien:

Das Kernprojekt Boden erfasst Informationen über Bodeneigenschaften und bodenbezogene Ökosystemfunktionen auf allen 300 Experimentierflächen (EPs) der Biodiversitäts-Exploratorien

In jeder Projektphase der Biodiversitäts-Exploratorien (d.h. alle 3 Jahre) organisieren wir eine große koordinierte Bodenbeprobung, an der sich alle bodenbezogenen Projekte der Exploratorien beteiligen.
Alle teilnehmenden Gruppen arbeiten anschließend mit denselben homogenisierten Bodenproben. Seit 2011 werden der obere Horizont des Mineralbodens (0-10 cm) auf allen 300 EPs und die organische Auflage auf allen 150 Waldplots beprobt. Seit 2020 werden auch die neu eingerichteten Experimente im Wald und Grünland (FOX, REX, LUX) bodenkundlich beprobt. Im Jahr 2023 wird auch der Unterboden (10-20, 20-30, 30-50, 50-70, 70-100 cm) aller 150 Plots mit mittlerer Forschungsintensität beprobt.
Pflege des zentralen Bodenarchivs mit luftgetrockneten Proben von Mineralboden und organischer Auflage (gesammelt in 2006, 2008, 2011, 2014, 2017, 2021) und Blattstreu (seit 2015)
Beitrag zu Syntheseaktivitäten in den Biodiversitäts-Exploratorien. Das Kernprojekt Boden stellt nicht nur wichtige mit Daten zur Verfügung, um die Untersuchungsregionen der Biodiversitäts-Exploratorien zu charakterisieren, es erfasst auch wichtige Bodenfunktionen, die in Beziehung zum Kohlenstoff- und Nährstoffkreislauf stehen. Zusätzlich trägt es zur Synthese mit Boden-Expertise bei.

Experimentierplots (EPs)

Monitoring der Bodeneigenschaften anhand von Proben, die im Rahmen der koordinierten Bodenbeprobung entnommen werden (pH-Wert, Lagerungsdichte, Steingehalt, Wassergehalt, Wurzelgehalt, Tongehalt, organischer Kohlenstoff, anorganischer Kohlenstoff, Gesamtstickstoff, Gesamtschwefel, organischer Kohlenstoff- , Stickstoff und Schwefelvorrat im Boden)
Monitoring des oberirdischen Streufalls auf allen Waldflächen durch dreimaliges Leeren der Streufallen pro Jahr; Bestimmung des Streufalls von Ästen, Zweigen, Früchten und Blättern; CNS-Analysen der Blattstreu
Bestimmungvon extrazellulären Enzymen, die am Kreislauf von C, N, S und P beteiligt sind auf allen 150 Waldflächen (Beta-Glucosidase, N-Acetyl-beta-D-Glucosaminidase, Sulfatase, Phosphatase).
Bestimmung der mikrobiellen CO2 Fixierung auf allen 150 Waldflächen.

Pilotstudie auf ackerbaulich genutzten Flächen

Die langfristige Strategie der Biodiversitäts Exploratorien besteht darin, den Gradienten der Bewirtschaftungsintensität auf ackerbaulich genutzte Flächen auszudehnen. In der kommenden Phase werden Konzepte dafür entwickelt, wie die verschiedenen Arten der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung (z. B. verschiedene Formen der Bodenbearbeitung, verschiedene Fruchtfolgen usw.) in den Gesamtrahmen der Biodiversitäts Exploratorien einbezogen werden können. Daher werden in jeder Region 10 Pilotstandorte eingerichtet, an denen erste Bodenanalysen durchgeführt werden, die bei der endgültigen Gestaltung und Standortauswahl helfen sollen.

Experimente zur Aufschlüsselung der Effekte einzelner Landnutzungspraktiken im Wald und Grünland (FOX, REX/LUX)

Mit den Proben der FOX, REX und LUX Flächen die 2023 genommen werden, werden die gleichen Analysen durchgeführt wie mit den Proben der Experimentier-Flächen. Jedoch werden die Analysen auf 0-10 cm fokussiert, da dort zuallererst Effekte der Landnutzung zu erwarten sind.

Service-vergangener Phasen

Bodeninventur auf allen 3000 Grid plot (2006-2008)
Enzymaktivitäten in den gesamten Bodenprofilen ( 2008)
Bestimmung der Bodenatmung (Laborinkubationen) ( 2011)
Isotopensignal (14C/13C) von veratmetem CO2 ( 2011)
13C-Gehalt der organischen Bodensubstanz (2011)
Bestimmung der Bodentextur (2011)
Zersetzung von Wurzelstreu (2011)
Abbau 13C markierter Streu (2011)
Wurzelchemie (2011)
Wasserhaltevermögen (2011)
14C-Gehalt der Wurzeln (2011)
14C-Gehalt der organischen Bodensubstanz (2011, 2014, 2017)
Mineralisierung der organischen Substanz im Boden (Laborinkubationen) (2014)
Priming Effekte im Boden (2014)
Mikrobielle Biomasse (2014, 2021)
Akkumulation von Kohlenstoff an Bodenmineralen (2015)
Kationenaustauschkapazität (2017)
Nährstoffauswaschung (2017)
Bestimmung der Bodenatmung im Feld (2017)
Litter decomposition experiment with tea-bags (2021)

Publikationen

Forest Structure and Fine Root Biomass Influence Soil CO2 Efflux in Temperate Forests under Drought

Waldstruktur und Feinwurzelbiomasse beeinflussen den CO2-Ausstoß des Bodens Ausstoß in gemäßigten Wäldern unter Trockenheit

Apostolakis A., Schöning I., Michalzik B., Ammer C., Schall P., Hänsel F., Nauss T., Trumbore S., Schrumpf M. (2023): Forest Structure and Fine Root Biomass Influence Soil CO2 Efflux in Temperate Forests under Drought. Forests 14 (2), 411. doi: 10.3390/f14020411

Radiocarbon constraints reveal time scales of soil carbon persistence

Radiokohlenstoffbeschränkungen offenbaren Zeitskalen für die Persistenz von Kohlenstoff im Boden

Beem-Miller J. (2023): Radiocarbon constraints reveal time scales of soil carbon persistence. Dissertation, Leibniz Universität Hannover. doi: 10.15488/15420

Direct and plant community mediated effects of management intensity on annual nutrient leaching risk in temperate grasslands

Apostolakis A., Schöning I., Klaus V. H., Michalzik B., Bischoff W.- A., Boeddinghaus R. S., Bolliger R., Fischer M., Hölzel N., Kandeler E., Kleinebecker T., Manning P., Marhan S., Neyret M., Oelmann Y., Prati D., Kleunen M., Schwarz A., Schurig E., Schrumpf M. (2022): Direct and plant community mediated effects of management intensity on annual nutrient leaching risk in temperate grasslands. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 123, 83–104. doi: 10.1007/s10705-022-10209-1

Dark CO2 fixation in temperate beech and pine forest soils

Akinyede R., Taubert M., Schrumpf M., Trumbore S., Küsel K., (2022): Dark CO2 fixation in temperate beech and pine forest soils. Soil Biology and Biochemistry 165, 108526. doi: 10.1016/j.soilbio.2021.108526

Drivers of soil respiration across a management intensity gradient in temperate grasslands under drought

Apostolakis A., Schöning I., Michalzik B., Klaus V. H., Boeddinghaus R. S., Kandeler E., Marhan S., Bolliger R., Fischer M., Prati D., Hänsel F., Nauss T., Hölzel N., Kleinebecker T., Schrumpf M. (2022): Drivers of soil respiration across a management intensity gradient in temperate grasslands under drought. Nutrient Cycling in Agroecosystems 124, 101–116. doi: 10.1007/s10705-022-10224-2

Land use effects on carbon and nutrient fluxes in soils

Apostolakis A. (2022): Land use effects on carbon and nutrient fluxes in soils. Dissertation, University Jena

The dark side of primary production in temperate forest soils

Akinyede R. (2022): The dark side of primary production in temperate forest soils. Dissertation, University Jena

The ubiquitous soil verrucomicrobial clade “Candidatus Udaeobacter” shows preferences for acidic pH

Willms I. M., Bolz S. H., Yuan J., Krafft L., Schneider D., Schöning I., Schrumpf M., Nacke H. (2021): The ubiquitous soil verrucomicrobial clade “Candidatus Udaeobacter” shows preferences for acidic pH. Environmental Microbiology Reports 13 (6), 878-883. doi: 10.1111/1758-2229.13006

Effect of forest gaps on soil enzymatic activity and tea bag decomposition index in the Hainich-Dün Biodiversity Exploratory

Einfluss von Waldlücken auf die enzymatische Aktivität des Bodens und den Tea Bag Zersetzungsindex im Biodiversitätsexploratorium Hainich-Dün

Enyedi B. (2021): Effect of forest gaps on soil enzymatic activity and tea bag decomposition index in the Hainich-Dün Biodiversity Exploratory. Master thesis, University of Jena

Enzymaktivitäten in den Waldböden der Biodiversitäts-Exploratorien der Schwäbischen Alb und deren Reaktion auf Lochhiebe und Totholzanreicherung

Haugeneder L. (2021): Enzymaktivitäten in den Waldböden der Biodiversitäts-Exploratorien der Schwäbischen Alb und deren Reaktion auf Lochhiebe und Totholzanreicherung. Bachelor thesis, University Jena

Globally Abundant “Candidatus Udaeobacter” Benefits from Release of Antibiotics in Soil and Potentially Performs Trace Gas Scavenging

Die weltweit verbreiteten Bodenbakterien der Gruppe Candidatus Udaeobacter profitieren von der Freisetzung von Antibiotika

Willms I. M., Rudolph A. Y., Göschel I., Bolz S. H., Schneider D., Penone C., Poehlein A., Schöning I., Nacke H. (2020): Globally Abundant “Candidatus Udaeobacter” Benefits from Release of Antibiotics in Soil and Potentially Performs Trace Gas Scavenging. mSphere 5: e00186-20. doi: 10.1128/mSphere.00186-20

Distribution of Medically Relevant Antibiotic Resistance Genes and Mobile Genetic Elements in Soils of Temperate Forests and Grasslands Varying in Land Use

Verbreitung von medizinisch relevanten Antibiotikaresistenzgenen und mobilen genetischen Elementen in Wald- und Grünlandböden

Willms I. M., Yuan J., Penone C., Goldmann K., Vogt J., Wubet T., Schöning I., Schrumpf M., Buscot F., Nacke H. (2020): Distribution of Medically Relevant Antibiotic Resistance Genes and Mobile Genetic Elements in Soils of Temperate Forests and Grasslands Varying in Land Use. Genes 11 (2), 150. doi: 10.3390/genes11020150

Soil organic matter mineralization as driven by nutrient stoichiometry in soils under differently managed forest stands

Gan H. Y., Schöning I., Schall P., Ammer C., Schrumpf M. (2020): Soil organic matter mineralization as driven by nutrient stoichiometry in soils under differently managed forest stands. Frontiers in Forests and Global Change 3:99. doi: 10.3389/ffgc.2020.00099

Priming effect induced by different root exudate components in temperate forest soils

Protti Sánchez F. (2020): Priming effect induced by different root exudate components in temperate forest soils. Master thesis, University of Bayreuth

The Effects of Land Use and Management on Belowground Carbon and Nutrient Interactions

Gan H. Y. (2019): The Effects of Land Use and Management on Belowground Carbon and Nutrient Interactions. Dissertation, University Jena.

Unravelling the age of fine roots of temperate and boreal forests

Solly E., Brunner I., Helmisaari H.-S., Herzog C., Leppälammi-Kujansuu J., Schöning I., Schrumpf M., Schweingruber F., Trumbore S., Hagedorn F. (2018): Unravelling the age of fine roots of temperate and boreal forests. Nature Communications 9:3006. doi: 10.1038/S41467-018-05460-6

Carbon-nitrogen-interaction in the rhizosphere after addition of glukose and ammoniumnitrate

Kohlenstoff-Stickstoff-Interaktion in der Rhizosphäre nach Zugabe von Glukose und Ammoniumnitrat

Knolle F. (2017): Kohlenstoff-Stickstoff-Interaktion in der Rhizosphäre nach Zugabe von Glukose und Ammoniumnitrat. Bachelor Thesis thesis, Max-Planck Institute for Biogeochemistry Jena

Einfluss von Landnutzung und Standorteigen-schaften auf den oberirdischen Streueintrag

Berg J. (2016): Einfluss von Landnutzung und Standorteigen-schaften auf den oberirdischen Streueintrag. Bachelor thesis, University Jena

Einflüsse unterschiedlicher Bewirtschaftung auf Kohlenstoffkonzentrationen und Kohlenstoffvorräte in Waldböden der Biodiversitäts-Exploratorien Schorfheide-Chorin, Hainich-Dün und Schwäbische Alb

Zilensek F. L. (2016): Einflüsse unterschiedlicher Bewirtschaftung auf Kohlenstoffkonzentrationen und Kohlenstoffvorräte in Waldböden der Biodiversitäts-Exploratorien Schorfheide-Chorin, Hainich-Dün und Schwäbische Alb. Bachelor thesis, University Jena

No depth-dependence of fine root litter decomposition in temperate beech forest soils

Abbau von Wurzelstreu im Boden hängt in Buchenwäldern nicht von der Bodentiefe ab

Solly E., Schöning I., Herold N., Trumbore S., Schrumpf M. (2015): No depth-dependence of fine root litter decomposition in temperate beech forest soils. Plant and Soil 393 (1), 273-282. doi: 10.1007/s11104-015-2492-7

Soil property and management effects on grassland microbial communities across a latitudinal gradient in Germany

Einfluss von Standorteigenschaften und Grünlandbewirtschaftung auf mikrobielle Gemeinschaften in Böden

Herold N., Schöning I., Gutknecht J., Alt F., Boch S., Müller J., Oelmann Y., Socher S. A., Wilke W., Wubet T., Schrumpf M. (2014): Soil property and management effects on grassland microbial communities across a latitudinal gradient in Germany. Applied Soil Ecology 73, 41-50. doi: 10.1016/j.apsoil.2013.07.009

The importance of rock fragment density for the calculation of soil bulk density and soil organic carbon stock

Die Bedeutung der Gesteindichte für die Berechnung von Boden-Lagerungsdichten und Boden-Kohlenstoffvorräten

Mehler K., Schöning I., Berli M. (2014): The importance of rock fragment density for the calculation of soil bulk density and soil organic carbon stock. Soil Science Society of America Journal 78 (4), 1186-1191. doi: 10.2136/sssaj2013.11.0480

Factors controlling decomposition rates of fine root litter in temperate forests and grasslands

Der Abbau von Feinwurzeln im Boden

Solly E., Schöning I., Boch S., Kandeler E., Marhan S., Michalzik B. Müller J., Zscheischler J., Trumbore S. E., Schrumpf M. (2014): Factors controlling decomposition rates of fine root litter in temperate forests and grasslands. Plant and Soil 382 (1-2), 203-218. doi: 10.1007/s11104-014-2151-4.

Controls on soil carbon storage and turnover in German landscapes

Kohlenstoffspeicherung und Verweilzeiten von Kohlenstoff in Wald- und Grünlandböden

Herold N., Schöning I., Michalzik B., Trumbore S. E., Schrumpf M. (2014): Controls on soil carbon storage and turnover in German landscapes. Biogeochemistry 119 (1-3), 435-451. doi: 10.1007/s10533-014-9978-x

Vertical gradients of potential enzyme activities in soil profiles of European beech, Norway spruce and Scots pine dominated forest sites

Enzymaktivitäten in Waldböden werden vorwiegend durch Bodeneigenschaften bestimmt

Herold N., Schöning I., Berner D., Haslwimmer H., Kandeler E., Michalzik B., Schrumpf M. (2014): Vertical gradients of potential enzyme activities in soil profiles of European beech, Norway spruce and Scots pine dominated forest sites. Pedobiologia 57 (3), 181–189. doi: 10.1016/j.pedobi.2014.03.003

Variability of soil organic carbon stocks in managed forests on the national and regional scale

Grüneberg E. (2014): Variability of soil organic carbon stocks in managed forests on the national and regional scale. Dissertation, University Freiburg

The role of fine root litter for organic matter storage in soils

Solly E. (2014): The role of fine root litter for organic matter storage in soils. University Jena, Dissertation

Mean age of carbon in fine roots from temperate forests and grasslands with different management

Mittleres Kohlenstoffalter in Feinwurzeln von gemäßigten Wäldern und Grünländern mit unterschiedlicher Bewirtschaftung

Solly E., Schöning I., Boch S., Müller J., Socher S. A., Trumbore S. E., Schrumpf M. (2013): Mean age of carbon in fine roots from temperate forests and grasslands with different management. Biogeosciences 10, 4833-4843. doi: 10.5194/bg-10-4833-2013

Organic layer and clay content control organic carbon stocks in density fractions of differently managed German beech forests

Die Mächtigkeit der organischen Auflage und der Tongehalt bestimmen die Menge des in unterschiedlich bewirtschafteten Buchenwäldern gespeicherten Bodenkohlenstoffs

Grüneberg E., Schöning I. , Hessenmöller D., Schulze E.-D., Weisser W. W. (2013): Organic layer and clay content control organic carbon stocks in density fractions of differently managed German beech forests. Forest Ecology and Management 303, 1-10. doi: 10.1016/j.foreco.2013.03.014

Fine root productivity and C dynamics in temperate grasslands and forests with different land uses

Stolze K. (2013): Fine root productivity and C dynamics in temperate grasslands and forests with different land uses. Bachelor thesis, University Jena

Characterizing microbial activity in coniferous and deciduous forest soils

Schäfer F. (2013): Characterizing microbial activity in coniferous and deciduous forest soils. Bachelor thesis, University Jena

Land management and soil property effects on soil microbial communities and carbon storage in temperate forest and grassland systems

Herold N. (2013): Land management and soil property effects on soil microbial communities and carbon storage in temperate forest and grassland systems. Dissertation, University Jena

Causes of variation in mineral soil C content and turnover in differently managed beech dominated forests

Verweilzeit von Kohlenstoff in Böden unterschiedlich bewirtschafteter Buchenwälder

Schöning I., Grüneberg E., Sierra C.A., Hessenmöller D., Schrumpf M., Weisser W.W., Schulze E.-D.(2013): Causes of variation in mineral soil C content and turnover in differently managed beech dominated forests. Plant and Soil 370 (1-2), 625-639. doi: 10.1007/s11104-013-1654-8

Regional organic carbon stock variability: A comparison between depth increments and soil horizons

Regionale Variabilität der organischen Kohlenstoffvorräte: Ein Vergleich zwischen Tiefenstufen und Bodenhorizonten

Grüneberg E., Schöning I., Kalko E.K.V., Weisser W. W. (2010): Regional organic carbon stock variability: A comparison between depth increments and soil horizons. Geoderma 155 (3-4), 426-433. doi: 10.1016/j.geoderma.2010.01.002

Untersuchung lokaler Variationen von Kohlenstoffvorräten zur Beurteilung des potentiellen Einflusses von ausgelegtem Totholz

Baldeweg H. (2010): Untersuchung lokaler Variationen von Kohlenstoffvorräten zur Beurteilung des potentiellen Einflusses von ausgelegtem Totholz. Thesis, University Jena

Vergleich der Kohlenstoffvorräte der organischen Auflage und des Oberbodens von Buchen- und Edellaubholzwäldern im Naturraum Hainich-Dün-Hainleite

Türk M.-L. (2009): Vergleich der Kohlenstoffvorräte der organischen Auflage und des Oberbodens von Buchen- und Edellaubholzwäldern im Naturraum Hainich-Dün-Hainleite. Thesis, University Jena

Bodenkohlenstoffvorräte in verschiedenen Waldbewirtschaftungsintensitäten im Hainich

Mehler K. (2008): Bodenkohlenstoffvorräte in verschiedenen Waldbewirtschaftungsintensitäten im Hainich. Thesis, Max-Planck-Institute for Biogeochemistry Jena

Die sogenannten Kernprojekte der BE gingen aus dem Projekt zur Flächenauswahl und dem Aufbau der Exploratorien (2006-2008) hervor. Sie stellen seit 2008 die Infrastruktur bereit und erheben für alle Projekte wichtige Basisinformationen zu Landnutzung, Diversität und Ökosystemprozessen (Langzeitmonitoring). Zudem sie koordinieren projektübergreifende Aktivitäten wie etwa verschiedene Grossexperimente.