Konzepte der Ökologie Pflanzen und Böden. Bodensysteme und die Basisinteraktionen Symbolsprachen und Konzeptmodelle Reduktion komplexer Systeme zu Schlüsselprozessen,

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1 Konzepte der Ökologie Pflanzen und Böden

2 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, Böden und Boden(micro)organismen

3 Definitionen 1Bodenökologie, Bioaktivität und Gasstoffwechsel Bodenökologie RhizosphäreDurchwurzelter Bodenraum, s.s. von der Wurzel direkt beeinflußter Boden. RhizoplaneWurzeloberfläche, von Organismen besiedelt. RhizospährenorganismenAn der Wurzeloberfläche lebende Organismen. RhizodepositionDeposition organischer fester und gelöster Substanz durch Wurzeln in den Boden. WurzelexudationSekretion gelöster organischer Substanz durch die Wurzel. BioaktivitätAktuelle meßbare metabolische Aktivität lebender Organismen oder Exoenzyme. BiomasseIn g oder g C angegebene Masse lebender oder in Lysis befindlicher Organismen. Potentielle BioaktivitätMaximale induzierbare Bioaktivität. AbundanzHäufigkeit der Individuen einer Art. DiversitätAnzahl vorhandener Arten. Relative BedeutungDominanz einzelner Arten bezogen auf Abundanz und Bioaktivität. PoolgrößenMengen einzelner Metaboliten. FlüsseUmsatzraten einzelner Metaboliten. EnergieflussTranslokation Potetieller Chemische Energie wie etwa ATP. MaterialflussTranslokation von Substanz, s.s. potentieller Biosubstrate. ResidenzzeitVerweilzeit einer Substanz in einem System. TurnoverzeitZeitraum der vollständigen Rezyklierung einer Substanz in einem System. Source_QuelleEnergie bzw. Kohlenstoffquelle Sink_SenkeOrt, an dem eine Substanz bzw. Energie immobilisiert wird.

4 Definitionen 2Bodenbiologische Methoden Bodenatmung, CO 2 BodenluftIm Bodenlückenraum befindliche Luft, u.a. CO 2. CO 2 - EntwicklungIm Boden gebildetes biogenes und abiogenes CO 2. Bodenatmung (BR)Summe der biogenen CO 2 Entwicklung, auch Grundatmung oder Basale Respiration. WurzelatmungVon den Wuzeln abgegebene CO 2 Menge. Mikrobielle AtmungVon Mikroorganismen abgegebene CO 2 Menge. SIRMit C und N Substraten induzierte Bodenatmung. Initial point of respiratory responseZeitpunkt des Überganges von Bodenluftmessung zu Respirationsmessung. Response RESPDifferenz von SIR – BR. Response % BasalatmungRESP in Prozent der Basalatmung. BiomassezuwachsVergrößerung des RESP in mg CO 2 pro kg Boden und Stunde im linearen Bereich. Biomasse-CNach Anderson /Domsch aus SIR berechnete Biomasse C- Menge. Respiratorischer QuotientGramm Biomasse-C pro g Basalatmungs-C. Methoden zur Bestimung “mikrobieller Biomasse” InfrarotspectroskopieMessung der IR Absorption (Absorptionsspektren) einer Substanz. IRGAInfrarot Gasanalyse ( URAS... Ultrarotabsorptionschreiber) der Bodenluft. IsermeyerCO 2 Erfassung durch Laugenabsorption und Rücktitration. Anderson/DomschBiomasse -C Berechnung nach SIR. Fumigation/ExtraktionExtraktion des Biomasse-C oder N nach Chloroform Fumigation. IsoenzymaktivitätenErmittlung des maximalen Substratumsatzes eines Bodens. DirektzählungFärbung und Auszählung im Mikroskop.

5 Microhabitate im Boden Lückenraum- system: Wasser Luft Schleime Staunässe (anaerobe Zonen) Rhizosphäre Bodenpartikel (Carbonate)

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9 Basisinteraktionen, Mesokosmenversuch, mechanistisch Xorg Xdetr Xmin Pflanzen MESOFAUNA Bakt. Pilze atm. Export Auswaschung Cyano- bacteria atm. Import Organismen- migration Steuerung Material/Energie

10 Vegetation Substrates (Sugars, Amino Acids, Organic Acids) Microbial Activity (Soil Enzymes) Gas Exchange (N 2 O, CO 2, CH 4, C 2 H 2 ) Microbial Biodiversity (PLFA)

11 E- Abfluß Energiequelle ReglerPassiver Speicher Konsument Steuerkreis Lastkreis Xorg....organisch geb. N/C Xmin....remineralisierter N/C Nach H.T.Odum, 1971 POM....particulate org. matter DOM....dissolved org. matter

12 MESOFAUNA Xmin Xorg Pflanzen Steuerung Material/Energie Migration Auswaschung atm. Export atm. Import Cyano- Bakt Basisinteraktionen, nach Odum

13 N- Turnover im Boden MESOFAUNA Pflanzen DOM POM MiO NH4 NO3 N2 N2O NOx N2 GC/HPLC CHN Urease N-Fixierung Denitrifikation Nitrifikation Nitratreduktase Urease Desaminierung A Desaminierung B Protease

14 N atmosph. BR, SIR PLANT POM DOM Rhizodeposition, Litter Feedback Mass Transfer Steering influence MESOFAUNA MiO FreeAmino Acids Protease N-Turnover in Soils

15 MESOFAUNA Pflanzen DOM POM MiO Smin S- Turnover im Boden DMS Ionentausch Arylsulfatase H2S

16 MESOFAUNA Pflanzen DOM POM MiO P- Turnover im Boden Pmin Phosphatase Fumigation Ionentausch

17 MESOFAUNA Pflanzen DOM POM Cmin MiO C- Turnover im Boden CHN Xylanase Cellulase GC/HPLC Hmus ß-Glucosidase Saccharase URAS SIR CHN CO2 Methan

18 h Xylanase Rhizodeposition, Litter Feedback Mass Transfer Steering influence Dehydrogenase BR, SIR Free Sugars and Amino Acids MESOF Cellulase C-Turnover in Soils

19 pH DOM POM italic.... normal... ureides urease activity ammonia protease activity microbial biomass leaching mesofauna grazing litter mass transfer activity pool influence 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

20 MiO CO 2 additional (RESP) investigated system inhibition substrate enzyme N/C - pH enzyme activation / inhibition enzyme induction / repression abundance change diversification adaptations long term effects (succession) mass flow influence stimulating or inhibiting effects: basal (BR) original pool supplement Mikrobielle Aktivität und Biomasse

21 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 CO 2, das im Wasser Kohlensäure bildet.

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23 Time (min) mg CO 2 / kg FG *h Maniok Sugar Cane Maniok and Sugar Cane (BIOLOG-Test using Asparagine) 0 2000 4000 6000 8000 10000 0840120014402400267030004320 Time (min) µg TPF / mL Sugar Cane Maniok Substrate activation, induction, resource limitation

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25 Remin Root Shoot MiO SIR Ext Enz Urease KI + _pH H2OH2O NH4 Fertilizer Water Rice Soil System WRC KEC Litter