Nährstoffe und ihr Umsätzeim Pflanze-Boden System

Vorlesungsteil SS 05

Einleitung

Microhabitate im Boden

Lückenraum-system:

Wasser

Luft

Schleime

Staunässe(anaerobe Zonen)

Rhizosphäre

Bodenpartikel(Carbonate)

Rhizosphäre s.s

Definitionen

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.

Konzeptmodelle

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

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

Nährstoffstrategien und Funktionskreisläufe

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.

CO2 Sink: Free Sugars in Plant and Soil

Bulk soil

Rhizosphere

Soil Partikels(Carbonates)

glucose and other free sugars in 1 kg soil: an average 20 to 200 mg

glucose and other free sugars in plants:an average of 2 -10 mg g DM -1

standing crop of grasses on 1 kg soil:an average of 10 -20 g DM

free sugars in the standing crop on 1 kg soil:an average of 20 -200 mg

transfer rates ?

Soil Respiration2-200 mg CO2 h-1

exportleachingmigration

Root Biomass

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

MgCO3

Mg ++

Ca++

Boden

Luft

Grundwasser

1

2

3

Harnstoff- und Kohlensäure- Kreislauf

MiO

Biomasse

CO(NH2)2

NH2

H2O

H2CO3

CO2

CO2

MesoF

pH

DOM

POM

italic....

normal...

ureides urease activity ammonia

protease activity microbial biomass

leaching

mesofaunagrazing

grazing litter

mass transfer

activity

poolinfluence

Harnstoff, Urease und pH-Wert

Methoden

1 2 4 8 16T% 50 25 12,5 6,25 3,125T 0,5 0,25 0,125 0,063 0,031log T -0,30 -0,60 -0,90 -1,20 -1,51E (A) 0,30 0,60 0,90 1,20 1,51

II

T0

II

T0

100 %

log logII

n II

d0 0 1

E T I

In

IId

d d

log log log0

0

E c d E I

Id

log

0

II

c d

0

10

I I c d 0 10

...Lambert 1760 ...Beer

.... Lambert Beer` sches Gesetz

d

Konzentration und Lichtschwächung

Diodenarray-Detector(512 Dioden1,25 nm pro Diode)

Gitter

Spalt

Strahlenvereiniger

Verschluß

Linse

Deuterium-Lichtquelle

Wolfram-Lichtquelle

Spalt

ProbeLinse

DIODENARRAY- SPEKTRALPHOTOMETER

Mikroplattenphotometer, Enzymtests (Urease)VollprobenBlindproben

Kal

ibra

tions

reih

en

Reines Lösungsmittel (A.demin.)

Reagenzienleerwerte

V = konstant!

„Fraunhofersche Linien“Absorptionslinien

Emissionslinien

Sichtbares Licht

Sonnenspektrum

Temperatur und Licht

Flammenphotometrie, Atomabsorption

Thermische Ionisation

Thermische Dissoziation

AAS - Meßbedingungen

noch nicht ...

nicht mehr!

Entropie

Tem

pera

tur

Position Sample ID Abs Conc y´ = kx + d y'

A 1 Kalibrationspunkt 1 1 2 k = 1,80 1,6

B 1 Kalibrationspunkt 2 2 3 d = -0,2 3,4

C 1 Kalibrationspunkt 3 3 5 r = 0,9938837 5,2

D 1 Kalibrationspunkt 4 4 7 Factor Abs Conc 7

E 1 Kalibrationspunkt 5 5 9 1 1 1,6 8,8

F 1 Copy this formula to column D -0,2

G 1 to calculate the y ́values! -0,2

H 1 -0,2

linear calibration curve

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6

Auswertung (Rechnung) über Kalibrationskurve

Berechnungsbeispiel: Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)

AngabenTrockenmasse ist 20 % der Frischmasse10 mL 4 % iger Urextrakt (Einwaage 0,4g)Verdünnung 1: 50 (1+ 49)Kalibrationsgerade der AAS: y = kx + d.... y = 8x + 0MG von Ca (2-wertig): 40,078g

SchrittWert ( Zwischenergebnis) Beispiel Einheit Operation Zweck1 AAS Meßwert: Absorption des Analysates 0,49625 Abs, E | * k + d Ausrechnung durch Einsetzen in Kalibrationsgerade2 AAS Ergebnis: Konzentration des Analysates 3,97 mg L-1 | * 50 Rückrechnung auf 1 L unverdünnten Extrakt3 Masse in einem L unverdünnten Extraktes 198,5 mg | / 1000 Rückrechnung auf 1 mL unverdünnten Extrakt4 Masse in einem mL unverdünnten Extraktes 0,1985 mg | * 10 Rückrechnung auf Gesamtvolumen des Extraktes5 Masse im unverdünnten Extrakt 1,985 mg | / 0,4 Rückrechnung auf Einwaage6 Masse im Gramm Pflanzenpulver 4,9625 mg g-1 | / 20,039 Umrechnung von Masse auf Equivalentmenge7 Eqivalentmenge im Gramm Pulver 0,24764 mVal g-1 | * 1000 Umrechnung von mVal auf µVal8 Eqivalentmenge im Gramm Pulver 247,642 µVal g-1 | / 20 *80 Umrechnung von Bezugsgröße TM auf FW

Eqivalentmenge im mL Frischwasser 990,568 µVal mL-1

Abstraktion zu Formel(n): =+[Meßwert]*8*50/1000*10/[EW]/20,039*1000/[%TM]* [%FW]

-----> Testen, Plausibilitätscheck !!!!!!

Excel: Probe Meßwert EW [%TM]* [%FW] Ca µVal g-1 Ca µVal mL-11 Formel 1 Formel 223

Berechnungen in Excel

Eluent

Pumpe

Einspritzventil

Trennsäule

Detektor- elektrochemisch- photometrisch

Flüssigkeitschromatographie

Derivatisierung

Derivatisierung

Wiederholung

Interpretation der Ergebnisse

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

basins of attraction

system elasticity

system stability

presentecosystem

future ecosystem

TemperatureFertilizer

Rhizodeposition

ecosystem succession due toland use ?

worst case:degradation

Stability of Soil Systems

system resilience

soil property (Soil aggregate stability)

ener

gy n

eede

d to

cha

nge

soil

prop

ertie

s

Remin

RootShoot

MiO SIR

Ext EnzUrease

KI+_pH

H2O

NH4

FertilizerWater

Rice Soil System

WRCKEC

Litter