Verknüpfung von Landnutzungsintensität, Biodiversität, mikrobiellen Bodenprozessen und organisch-mineralischen Wechselwirkungen für ein mechanistisches Verständnis der gesamten Stickstoffbilanzen in Grünlandökosystemen

Hintergrund

Eine zunehmende Landnutzungsintensität (LUI) zur Erzeugung von mehr proteinreichem Futter steht in direktem Zusammenhang mit nachteiligen Auswirkungen auf die Biodiversität und Multifunktionalität von Grünlandökosystemen und führt zu umweltrelevanten Stickstoff (N)-Verlusten. Um die Auswirkungen der Landnutzungsintensität auf Veränderungen des N in organischer Bodensubstanz (SON) und des organischen Boden-Kohlenstoffs (SOC) sowie die Wechselwirkungen mit der mikrobiellen und pflanzlichen Biodiversität zu verstehen, ist ein bislang fehlendes mechanistisches Verständnis der gesamten Stickstoffbilanzen von Grünlandökosystemen erforderlich, das alle Stickstoffeinträge, interne Stickstoffumwandlungsprozesse und Stickstoffverluste umfasst. Während die Rolle des Stickstoffaustrags durch Pflanzen in dieser Bilanz relativ gut bekannt ist, bestehen derzeit folgende zentrale Unsicherheiten: (1) die gesamten gasförmigen Stickstoffverluste aus Düngemitteln, die nicht nur Ammoniakemissionen, sondern auch Stickstoffverluste durch Denitrifikation umfassen; (2) die Einflussfaktoren auf das Gleichgewicht zwischen der N-Retention in SON-Pools und der SON-Freisetzung durch Mineralisierung; sowie (3) die Mengen und Einflussfaktoren der Stickstoffeinträge durch biologische Stickstofffixierung in Abhängigkeit von der LUI. In BioMON II nutzen wir das 15N-Tracer-Experiment, das wir zuvor an allen Versuchsstandorten etabliert haben, als einzigartige Gelegenheit, diese Wissenslücken zu schließen und damit eine Grundlage für die Minderung der Umweltauswirkungen der Grünlandbewirtschaftung zu schaffen.

Ziele

Unser übergeordnetes Ziel ist es, ein mechanistisches Verständnis des Stickstoffumsatzes in Grünland zu erreichen, indem wir vollständige Stickstoffbilanzen für Grünland aufstellen in Abhängigkeit von der Landnutzungsintensität (LUI), der Abundanz und Diversität von Pflanzen und Mikroorganismen, dem Klima, den Bodeneigenschaften sowie der Dynamik der organischen Substanz im Boden (SON). Im Einzelnen lauten unsere konkreten Ziele wie folgt:

O1: Bewertung der Auswirkungen von LUI, Klima, Bodeneigenschaften und Mechanismen der Stabilisierung organischer Substanz, Pflanzenvielfalt sowie der Vielfalt von N-Umwandlung katalysierenden Mikroorganismen auf die Fünfjahres- Stickstoffbilanzen organischer Düngung. Somit sollen mechanistische Einblicke in die Retentions- und Umwandlungsprozesse von SON-Pools, die N-Pflanzenaufnahme sowie die Mengen und Pfade des Stickstoffverlusts ermöglicht werden (WP1).
O2.1: Bewertung der Auswirkungen der Extensivierung von Grünland auf die Wechselwirkungen zwischen Leguminosen, Boden und Mikroorganismen, die die Raten der biologischen Stickstofffixierung (BNF) und die Größe der damit verbundenen SON-Retentionspools bestimmen (WP2.1).
O2.2: Besseres Verständnis der Raten und Umsetzungspfade (im Zusammenhang mit der Dynamik der organischen Substanz in der Detritusphäre im Vergleich zur Rhizosphäre) von BNF-N bei hoher und niedriger LUI, der saisonalen Dynamik der BNF-Raten sowie deren Zusammenhänge mit der mikrobiellen Vielfalt und der Aktivität symbiotischer und frei lebender N-Fixierer (WP2.2).
O3: Zusammenführung der Projektmessungen aus beiden Projekt-Phasen mit BE-Daten, um die Mechanismen aufzudecken, die die Veränderungen der gesamten Stickstoffbilanz des Ökosystems unter verschiedenen LUI-Werten und Biodiversitätsbedingungen antreiben (WP3).

Hypothesen

H1: Die mittlere Verweildauer von Dünger-N in SON ist ein entscheidender Faktor für die Stickstoffaufnahme der Pflanzen und den Stickstoffhaushalt des Ökosystems, wobei kurze mittlere Verweildauern bei hohem LUI mit einer höheren mikrobiellen Aktivität und Mineralisierung bei niedrigeren C:N-Verhältnissen einhergehen, was zu hoher Produktivität und einem Abbau der SON-Pools führt.

H2.1: Eine kurzfristige Extensivierung über wenige Jahre wird die biologische Stickstofffixierung (BNF) nicht erhöhen, da die Mineralisierung von SON zu einer kontinuierlich hohen Stickstoffverfügbarkeit und Produktivität führt. Veränderungen in der Zusammensetzung der Knöllchengemeinschaft und der Größe des SON-Pools in POM sind frühe Indikatoren für die Auswirkungen der Extensivierung (WP2.1).

H2.2: Bei langfristig niedrigem LUI trägt die BNF aufgrund hoher Stickstoffeinträge erheblich zu positiven Stickstoffbilanzen im Boden bei. Die Wahl zwischen Mähen und Mulchen entscheidet über den Verlust von BNF-Stickstoff gegenüber der Stabilisierung von Detritus in den SOM-Pools. Bei hoher LUI wird die verminderte BNF-Effizienz von Leguminosen teilweise durch einen Wechsel von symbiotischen zu frei lebenden N₂-fixierenden Bakterien kompensiert, begleitet von einem Übergang von einer unvollständigen Denitrifikation (symbiotische N-Fixierer) zu einer vollständigen Denitrifikation (frei lebende N-Fixierer), wodurch das Verhältnis von N₂-Emissionen zu N₂O-Emissionen sinkt (WP 2.2).

H3: Die zugrunde liegenden Mechanismen, die die Stickstoffbilanz erklären, unterscheiden sich je nach LUI, Bodeneigenschaften und Regionen. Dabei sind Messungen der mikrobiellen Aktivität in Verbindung mit Prozessraten und SON-Pool-Fraktionen bessere Prädiktoren als die mikrobielle Abundanz, der Gesamtstickstoffgehalt und der Bodentyp (WP 3).

Methoden

In diesem Projekt verfolgen wir den Verbleib von Stickstoff aus organischen Düngemitteln im System Pflanze-Boden-Mikroorganismen mithilfe von 15N-Stabilisotopen-Tracerverfahren auf ausgewählten Parzellen aller drei Biodiversitäts-Exploratorien. Dazu verfolgen wir verschiedene Stickstoffquellen aus Düngemitteln (Hofdünger, Gülle) sowie BNF-N und deren Umwandlung durch biotische und abiotische Prozesse, um deren Verteilung auf die Stickstoffaufnahme durch Pflanzen, gasförmige und hydrologische Stickstoffverluste sowie die mikrobielle Stickstoffretention und die anschließende Speicherung in und Freisetzung aus organischen Stickstoffpools über einen Zeitraum von bis zu fünf Jahren zu bewerten. Dazu gehört die Analyse der Dynamik von Abundanz, Diversität und Aktivität der Mikroben, die wesentliche Schritte der Umwandlung organischer und anorganischer Stickstoffverbindungen katalysieren, sowie der Verweildauer des Stickstoffs in verschiedenen organischen Boden-Stickstoffpools.

Unser neuartiges Rahmenmodell des Stickstoffkreislaufs (N) integriert die Dynamik von biologischem, mineralischem und organischem N in landwirtschaftlichen Böden bei unterschiedlicher Landnutzungsintensität. Dies ermöglicht ein mechanistisches Verständnis von bewirtschaftungsbedingten Verschiebungen der N-Bindung, und zwar (a) als in partikulärer organischer Substanz und an Mineraloberflächen gebundener N, (b) als mikrobielle N-Retention in Form einer „mikrobiellen Stickstoffpumpe“ sowie (c) als biologische N-Fixierung in Abhängigkeit von der Aktivität symbiotischer, frei lebender oder assoziativer Bakterien. WP 1, 2, 3: zentrale Unsicherheiten, die von den jeweiligen Arbeitspaketen in Biomon II behandelt werden.

Ergebnisse

Ergebnisse und Schlussfolgerungen aus der Phase I von BE_BioMON

Die aus dem 15N-Dünger-Tracing an allen Versuchsstandorten gewonnenen mechanistischen Erkenntnisse erbrachten ein neues Paradigma für den Stickstoffkreislauf in Grünland:

In organisch gedüngten Grünlandflächen wird der Boden gedüngt, nicht die Pflanze: Nur ca. 10 % des Dünger-Stickstoffs werden von den Pflanzen aufgenommen, während der Rest entweder von Bodenmikroben immobilisiert und anschließend in der organischen Bodensubstanz stabilisiert wird oder über gasförmige Wege verloren geht.
Daher stammt der Großteil der Stickstoffaufnahme durch die Pflanzen (>90 %) nicht aus kürzlich ausgebrachtem Dünger, sondern hauptsächlich aus mineralisiertem organischem Stickstoff im Boden.
Auch die Häufigkeit und Aktivität von Nitrifikation im Boden hängt stark von den Eigenschaften des organischen Stickstoffs im Boden ab, insbesondere von mineralgebundenem organischem Stickstoff.
Die gasförmigen Stickstoffverluste nach organischer Düngung nehmen an allen drei Explortoratorien mit zunehmender Landnutzungsintensität stark zu, während eine extensive Bewirtschaftung mit Stallmist Stickstoffverluste in die Umwelt weitgehend verhindert.
Das Risiko gasförmiger Stickstoff-Verluste und negativer N-Bilanzen steigt mit sinkendem C:N-Verhältnis des Bodens. Insbesondere für Böden mit einem C:N-Verhältnis im Oberboden von <11 empfehlen wir daher ein besonders effizientes Stickstoffmanagement.

Darüber hinaus haben wir das Potenzial des δ15N-Werts im Gesamtboden als Indikator für die bisherige Bewirtschaftungsgeschichte eingegrenzt. Durch die Analyse der δ15N-Veränderungen zwischen 2011 und 2023 an allen Exploratorien konnten wir isotopische Fingerabdrücke einer extensiven Bewirtschaftung (Veränderung des δ15N-Werts um +0,1 ± 0,2 ‰ pro Jahrzehnt) von denen einer intensiven Bewirtschaftung (Veränderung des δ15N-Werts um +0,5 ± 0,1 ‰ pro Jahrzehnt) unterscheiden. Angesichts dieser langsamen Veränderungen ist δ15N ein integrativer Indikator für die langfristige Bewirtschaftungsgeschichte über mehrere Jahrzehnte hinweg und nicht nur über einzelne Jahre. Interessanterweise sanken die SON-Konzentrationen an allen drei Versuchsstandorten bei hohem, nicht jedoch bei niedrigem LUI, wobei steigende δ15N-Werte bei hohem LUI Stickstoffverluste widerspiegelten.