Mikrobielle Besiedlungsstrategien und Ressourcennutzung in Grünlandböden mit unterschiedlicher Landnutzungsintensität

 

Projektphase 2014 - 2020

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Ellen Kandeler

Dr. Sven Marhan

(Uni Hohenheim)

 

Hintergrund

In diesem Projekt werden klein- und großräumige Einflüsse der Landnutzungsintensität auf das Vorkommen und die Funktionen von Bodenmikroorganismen in Grünlandböden untersucht. Das aktuelle Projekt baut auf den Ergebnissen der drei vorherigen Phasen aus der Zeit von 2008–2017 auf. In diesen stellten Untersuchungen auf einer Skala von 10 x 10 m einen Einfluss von Landnutzungsintensität auf die räumliche Verteilung von Bodenmikroorganismen fest. Hierbei zeigte sich, dass räumliche Unterschiede von Bodenmikroorganismen nur auf einer kleineren (< 12 cm) oder nächst größerer Skala (> 10 m) herbeigeführt werden. Entsprechend dieser Ergebnisse untersucht das aktuelle Projekt (Laufzeit 2017–2020) die Verteilung und Funktion von Bodenmikroorganismen auf kleinstem Raum, sowie auf regionaler Ebene.

 

Die Forschungsarbeit befasst sich mit vier Schwerpunkten:

  1. Besiedlung neuer Oberflächen (Minerale, organo-mineralische Komplexe und Wurzeln) durch Mikroorganismen.
  2. Aufteilung der Nahrungsressourcen zwischen Bakterien und Pilzen in der Detritusphäre (Streuabbauschicht) und der Rhizosphäre (Wurzelumgebung).
  3. Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaft auf Veränderungen der Nutzungsintensität der Grünlandflächen auf regionaler Ebene.
  4. Einfluss von bodenphysikochemischen Parametern auf die mikrobielle Gemeinschaft in Grünlandböden mit unterschiedlicher Nutzungsintensität.

Untersuchungsgrundlage der ersten beiden Schwerpunkte sind mit Mineralien befüllte Ringe (= Mineralkerne), die an der Ober- und Unterseite mit einer feinen Gaze (50 µm Porengröße) verschlossen sind. Hierdurch wird das Eindringen von Pflanzenwurzeln verhindert, jedoch Pilzen und Bakterien eine ungehinderte Besiedlung der Mineralien ermöglicht.

Durch das Einbringen von einem Mineral-Wurzelgemisch wird die Nutzungsschnelligkeit von neuen und bestehenden Nahrungsquellen zwischen Bakterien, Pilzen und Pflanzen untersucht. Hierbei werden Mineralien mit isotopisch markierten (13C und 15N) Pflanzenwurzeln vom Wiesen- Knäuelgras und Deutschen Weidelgras (Dactylis glomerata und Lolium perenne) vermischt und auf den Versuchsflächen vergraben.

Mit Hilfe dieser sogenannten isotopischen Markierungen wird es uns ermöglicht genaue Einblicke in Nährstoffkreisläufe, Besiedlungsstrategien und Nahrungsnetze von Bodenmikroorgansimen und Pflanzen zu erlangen. Vereinfacht ausgedrückt können wir hierdurch im Boden feststellen: Wer zu welchem Zeitpunkt kommt und wer von wem gefressen wird.

Die Versuchsflächen für die Experimente befinden sich alle auf der Schwäbischen Alb und die Mineralkerne werden in einer Bodentiefe von maximal 8 cm auf 5 Grünlandflächen mit einer hohen und auf 5 Grünlandflächen mit einer niedrigen Landnutzungsintensität vergraben.

Um genaue Aussagen über zeitliche Abfolgen von Besiedlung und Nahrungsnutzung treffen zu können, wurden die Mineralkerne in einer zeitlichen Abfolge von 1, 3, 6, 12 und 30 Monaten wieder entnommen und analysiert.

Im dritten Schwerpunkt wird auf regionaler Ebene untersucht, ob und wie die mikrobiellen Lebensgemeinschaften auf kurzfristige Veränderungen in der Grünlandnutzung reagieren. Im Rahmen zweier großer Probennahmekampagnen wurden jeweils im Mai 2011 und 2014 Bodenproben der obersten 15 cm von 150 Grünlandflächen in allen drei Exploratorien (Schwäbische Alb, Hainich-Dün und Schorfheide Chorin) genommen. Durch die Beprobung identischer Flächen im Abstand von drei Jahren können Rückschlüsse auf den Einfluss von Probenahmezeitpunkt, Region und Landnutzungsintensität auf kurz- und langfristige Effekte gezogen und die folgenden Fragen beantwortet werden:

1.    Welche Veränderungen der Bodenmikrobiologie fanden zwischen den Jahren 2011 und 2014 statt?
2.    Welche dieser Veränderungen sind auf Änderungen in der Landnutzungsintensität zurückzuführen?
3.    Gibt es kurz- und langfristige Effekte der Landnutzungsintensität auf die mikrobielle Lebensgemeinschaft und ihre Funktion in Grünlandböden?

Im vierten Schwerpunkt vertiefen sich unsere Untersuchungen in das bereits gewonnene Wissen über den Einfluss der Landnutzung auf den Lebensraum von Bodenmikroorganismen, der in Abhängigkeit von physikalischen und chemischen Bodeneigenschaften über die Zeit besiedelt wird. Hierzu analysieren wir die Zusammenhänge zwischen den physikalischen Lebensraumbedingungen (Porenraum des Bodens) und den Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Protozoen).

 

Kooperation

Zusätzlich zu unseren Kernanalysen kooperieren wir intensiv mit den folgenden Projekten und Experimenten, bei denen wir analytische, personelle und interpretatorische Zuarbeit leisten und/oder erhalten:

Dazu findet intensiver Informationsaustausch mit den Projekten:

statt.

Bodenmikrobengemeinschaft in Grünländern - Biogeographie auf lokaler und regionaler Skala

Projektphase 2011 - 2014


Ziele

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Ellen Kandeler

Dr. Sven Marhan

(Universität Hohenheim, Stuttgart)

1. Pflanzengemeinschaftszusammensetzung und Saisonalität in der Ressourcenaufteilung – Untersuchung auf Plotebene

2. Klima, Bodenbeschaffenheit, Geologie zeigen stärkere Effekte als Landnutzungsintensität auf der regionalen Skala
 

Methoden

1. Erfassung der räumlichen Muster über die Saison
Biogeochemische Bodeneigenschaften, Altlasten, metabolisches Profil von DOC, PLFA, Ergosterol, Häufigkeit von Bakterien, Archaea, Pilzen, Denitrifizierer, Enzymaktivitäten (C, N, P kreislauf), Geostatistik
Zusammenarbeit mit Exploratorienprojekten:

  • Pflanzengemeinschaftszusammensetzung, oberird. Biomasse (zentrales Projekt Botanik)
  • Archaea und bakterielle Nitrifizierer, Stickstofffixierer (InDiLaNi, Schloter)
  • Ascomyzeten, Basidomyceten, Mykorrhizapilze im Boden (zentrales Projekt Boden Biotik, Buscot, Wubet)
  • Protozoen (NanoFauna, Bonkowski)
  • Mykorrhizapilze in Wurzeln, Wurzelbiomasse (AMFroots, Hempel)
  • Acidobakterien (ProFIL, Overmann, Friedrich)


2. Beprobung der 50 Grünland EPs
Untersuchung der Denitrifizierer, Enzymaktivitäten (C, N, P kreislauf), PLFA, Ergosterol, biogeochemische Bodeneigenschaften

 

 

Einfluss von Landnutzungsintensität auf die räumliche Verteilung und Funktion von Bodenmikroorganismen

Projektphase 2008 - 2011

 

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Ellen Kandeler

Dr. Sven Marhan

Dr. Christian Poll

(Universität Hohenheim, Stuttgart)

Ziel des Projektes war, den Einfluss der Grünlandlandnutzung auf die funktionelle Diversität von Bodenmikroorganismen in den drei Exploratorien zu untersuchen. Der C- und N-Kreislauf als Schlüsselprozesse terrestrischer Ökosysteme steht hierbei im Vordergrund. Unsere Hypothese ist, dass Grünland unterschiedlicher Nutzungsintensität anhand von generellen mikrobiellen Parametern klassifiziert werden kann. Hierfür wird ein Fuzzy Modell eingesetzt, das auf 1200 Referenzdaten basiert, welche innerhalb der letzten 20 Jahre in ganz Europa erhoben wurden. Anschließend wurde die Enzymaktivität als Maß mikrobieller Aktivität im C- und N-Kreislauf mittels Geostatistik intensiver untersucht.

 

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