Konzepte der ÖkologiePflanzen und Böden

• Bodensysteme und die Basisinteraktionen• Symbolsprachen und Konzeptmodelle• Reduktion komplexer Systeme zu

Schlüsselprozessen, Schlüsselpools• Ebenen der Veränderung in Böden• Strategien der Pflanzen und Nachhaltigkeit

von Agrikultur

Interaktionen zwischen Pflanzen, Bödenund Boden(micro)organismen

Definitionen 1 Bodenökologie, Bioaktivität und Gasstoffwechsel

Bodenökologie

Rhizosphäre Durchwurzelter Bodenraum, s.s. von der Wurzel direkt beeinflußter Boden.Rhizoplane Wurzeloberfläche, von Organismen besiedelt.Rhizospährenorganismen An der Wurzeloberfläche lebende Organismen.Rhizodeposition Deposition organischer fester und gelöster Substanz durch Wurzeln in den Boden.Wurzelexudation Sekretion gelöster organischer Substanz durch die Wurzel.Bioaktivität Aktuelle meßbare metabolische Aktivität lebender Organismen oder Exoenzyme.Biomasse In g oder g C angegebene Masse lebender oder in Lysis befindlicher Organismen.Potentielle Bioaktivität Maximale induzierbare Bioaktivität.Abundanz Häufigkeit der Individuen einer Art.Diversität Anzahl vorhandener Arten.Relative Bedeutung Dominanz einzelner Arten bezogen auf Abundanz und Bioaktivität.Poolgrößen Mengen einzelner Metaboliten .Flüsse Umsatzraten einzelner Metaboliten.Energiefluss Translokation Potetieller Chemische Energie wie etwa ATP.Materialfluss Translokation von Substanz, s.s. potentieller Biosubstrate.Residenzzeit Verweilzeit einer Substanz in einem System.Turnoverzeit Zeitraum der vollständigen Rezyklierung einer Substanz in einem System.Source_Quelle Energie bzw. KohlenstoffquelleSink_Senke Ort, an dem eine Substanz bzw. Energie immobilisiert wird.

Definitionen 2 Bodenbiologische Methoden

Bodenatmung, CO2

Bodenluft Im Bodenlückenraum befindliche Luft, u.a. CO2.

CO2- Entwicklung Im Boden gebildetes biogenes und abiogenes CO2.

Bodenatmung (BR) Summe der biogenen CO2 Entwicklung, auch Grundatmung oder Basale Respiration.Wurzelatmung Von den Wuzeln abgegebene CO2 Menge.Mikrobielle Atmung Von Mikroorganismen abgegebene CO2 Menge.SIR Mit C und N Substraten induzierte Bodenatmung.Initial point of respiratory response Zeitpunkt des Überganges von Bodenluftmessung zu Respirationsmessung.Response RESP Differenz von SIR – BR.Response % Basalatmung RESP in Prozent der Basalatmung.Biomassezuwachs Vergrößerung des RESP in mg CO2 pro kg Boden und Stunde im linearen Bereich.Biomasse-C Nach Anderson /Domsch aus SIR berechnete Biomasse C- Menge.Respiratorischer Quotient Gramm Biomasse-C pro g Basalatmungs-C.

Methoden zur Bestimung “mikrobieller Biomasse”

Infrarotspectroskopie Messung der IR Absorption (Absorptionsspektren) einer Substanz.IRGA Infrarot Gasanalyse ( URAS... Ultrarotabsorptionschreiber) der Bodenluft.Isermeyer CO2 Erfassung durch Laugenabsorption und Rücktitration.Anderson/Domsch Biomasse -C Berechnung nach SIR.Fumigation/Extraktion Extraktion des Biomasse-C oder N nach Chloroform Fumigation.Isoenzymaktivitäten Ermittlung des maximalen Substratumsatzes eines Bodens.Direktzählung Färbung und Auszählung im Mikroskop.

Microhabitate im Boden

Lückenraum-system:

Wasser

Luft

Schleime

Staunässe(anaerobe Zonen)

Rhizosphäre

Bodenpartikel(Carbonate)

Basisinteraktionen, Mesokosmenversuch, mechanistisch

XorgXdetr

Xmin

PflanzenMESOFAUNA

Bakt.Pilze

atm. Export

Auswaschung

Cyano-bacteria

atm. Import

Organismen-migration

SteuerungMaterial/Energie

VegetationSubstrates(Sugars, Amino Acids,Organic Acids)

Microbial Activity(Soil Enzymes)

Gas Exchange(N2O, CO2 , CH4 , C2H2)

Microbial Biodiversity(PLFA)

E- AbflußEnergiequelle Regler Passiver Speicher

Konsument

Steuerkreis

Lastkreis

Xorg....organisch geb. N/CXmin....remineralisierter N/C

Nach H.T.Odum, 1971

POM....particulate org. matterDOM....dissolved org. matter

MESOFAUNA

Xmin

Xorg

Pflanzen

SteuerungMaterial/Energie

Migration

Auswaschung

atm. Exportatm. Import

Cyano-Bakt

Basisinteraktionen, nach Odum

N- Turnover im Boden

MESOFAUNA

Pflanzen

DOM

POM

MiO

NH4

NO3

N2 N2ONOxN2

GC/HPLC

CHN

Urease

N-Fixierung

Denitrifikation

Nitrifikation Nitratreduktase

Urease

Desaminierung A

Desaminierung B

Protease

h

NH4+

NO3-

Urease

N atmosph.

BR, SIR

PLANT

POM

DOM

Rhizodeposition,Litter Feedback

Mass TransferSteering influence

MESOFAUNA MiO

Free Amino Acids

Protease

N-Turnoverin Soils

MESOFAUNA

Pflanzen

DOM

POM

MiO

Smin

S- Turnover im Boden DMS

Ionentausch

Arylsulfatase

H2S

MESOFAUNA

Pflanzen

DOM

POM

MiO

P- Turnover im Boden

Pmin

Phosphatase

Fumigation

Ionentausch

MESOFAUNA

Pflanzen

DOM

POM

Cmin

MiO

C- Turnover im BodenCHN

XylanaseCellulase

GC/HPLC

Hmus

ß-GlucosidaseSaccharase

URAS

SIR

CHN

CO2 Methan

DOM

POM

Cmin

MiO

CO2

PLANT

h

Xylanase

Rhizodeposition,Litter

Feedback

Mass TransferSteering influence

Dehydrogenase

BR, SIR

Free Sugars and Amino Acids

MESOF

Cellulase

C-Turnoverin Soils

pH

DOM

POM

italic....

normal...

ureides urease activity ammonia

protease activity microbial biomass

leaching

mesofaunagrazing

grazing litter

mass transfer

activity

poolinfluence

Vedder B., Kampichler C., Bachmann G., Bruckner A. & Kandeler E. (1996): Impact of faunal complexity on microbial biomass and N turnover in field mesocosms from a spruce forest soil.

Biology and Fertility of Soils 22, 22-30

Mesofauna and Mesocosms

MiOCO2

additional (RESP)

investigated system

inhibition

substrate enzymeN/C -

pH

enzyme activation / inhibitionenzyme induction / repressionabundance changediversificationadaptationslong term effects (succession)

mass flow

influence

stimulatingor inhibitingeffects:

basal (BR)original pool

supplement

Mikrobielle Aktivität und Biomasse

PFLANZE

h

ParticulateOrganicMatter

DissolvedOrganicMatter

Mikro-organismen

Karbonat

CO2

Rhizodeposition: Pflanzen geben organisches Material an den Boden ab.

Freie Zucker: Rhizodeposition,Abbautätigkeit von Mikroorganismen.

Steigerung der mikrobiellen Aktivität: Grundatmung.

Karbonat: aus Grundgestein oder aus CO2, das im Wasser Kohlensäure bildet.

Rhizodeposition Strategies of Plant Species

high biomass production

- keeping a reserve for remineralisation by slow decomposers (K-strategy)

high exudation of low molecular weight organic substances

- quick substrates for fast remineralizing microorganisms (R- strategy)

Combinations (extremes) and their impact on ecosystems

high biomass and high exudation high turnover, steady state or shift?

high biomass and low exudation steady state, slow shift of biodiversity

low biomass and high exudation quick depletion of nutrients, degradation?

low biomass and low exudation steady state, slow turnover rates

Asparagine induced Respiration (URAS)

0

20

40

60

80

100

120

0 90 180 270 360 450 540 630 720 810 900 990

Time (min)

mg

CO

2 / k

g FG

*h

Maniok

Sugar Cane

Maniok and Sugar Cane (BIOLOG-Test using Asparagine)

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 840 1200 1440 2400 2670 3000 4320Time (min)

µg T

PF

/ mL

Sugar Cane

Maniok

Substrate activation, induction, resource limitation

Remin

RootShoot

MiO SIR

Ext EnzUrease

KI+_pH

H2O

NH4

FertilizerWater

Rice Soil System

WRCKEC

Litter