Nährstoffe und ihr Umsätze im Pflanze-Boden System Vorlesungsteil SS 05

Einleitung

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

Rhizosphäre s.s

Definitionen

Definitionen 1 Bodenökologie, Bioaktivität und Gasstoffwechsel 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. Kohlenstoffquelle Sink_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

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

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

N-Turnover in Soils BR, SIR PLANT Urease Free Amino Acids Protease h n NH 4 + NO 3 - Urease N-Turnover N atmosph. PLANT in Soils Rhizodeposition, Litter Feedback Free Amino Acids POM DOM Protease BR, SIR MESOFAUNA MiO Steering influence Mass Transfer

Nährstoffstrategien und Funktionskreisläufe

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.

Sink: Free Sugars in Plant and Soil CO Sink: Free Sugars in Plant and Soil 2 standing crop of grasses on 1 kg soil: glucose and other free sugars in plants: an average of 10 -20 g DM an average of 2 -10 mg g DM -1 Soil Partikels Soil Respiration 2-200 mg CO2 h-1 free sugars in the standing crop on 1 kg soil: (Carbonates) an average of 20 -200 mg Rhizosphere export leaching transfer rates ? Bulk soil migration Root Biomass glucose and other free sugars in 1 kg soil: an average 20 to 200 mg

CO2 CO2 H2O NH2 H2CO3 CO(NH2)2 Biomasse Luft MesoF Boden MiO Mg Ca Harnstoff- und Kohlensäure- Kreislauf Biomasse Luft CO2 CO2 MesoF Boden H2O MiO NH2 3 H2CO3 Mg ++ 2 Ca ++ CO(NH2)2 MgCO3 1 Grundwasser

Harnstoff, Urease und pH-Wert urease activity ureides ammonia pH microbial biomass protease activity DOM POM leaching mass transfer grazing mesofauna italic.... activity normal... pool grazing influence litter

Methoden

Konzentration und Lichtschwächung

DIODENARRAY- SPEKTRALPHOTOMETER Strahlenvereiniger Gitter Linse Linse Wolfram- Probe Lichtquelle Spalt Spalt Verschluß Diodenarray- Deuterium- Detector Lichtquelle (512 Dioden 1,25 nm pro Diode)

Mikroplattenphotometer, Enzymtests (Urease) Vollproben Blindproben Reagenzienleerwerte Kalibrationsreihen Reines Lösungsmittel (A.demin.) V = konstant!

„Fraunhofersche Linien“ Absorptionslinien Sichtbares Licht Sonnenspektrum „Fraunhofersche Linien“ Absorptionslinien Emissionslinien

Temperatur und Licht

Flammenphotometrie, Atomabsorption

AAS - Meßbedingungen nicht mehr! Thermische Ionisation Temperatur Thermische Dissoziation noch nicht ... Entropie

Auswertung (Rechnung) über Kalibrationskurve Position Sample ID Abs Conc y´ = kx + d y' A 1 Kalibrationspunkt 1 1 2 k = 1,80 1,6 linear calibration curve B 1 Kalibrationspunkt 2 2 3 d = -0,2 10 3,4 C 1 Kalibrationspunkt 3 3 5 r = 0,9938837 8 5,2 D 1 Kalibrationspunkt 4 4 7 Factor Abs Conc 6 7 E 1 4 Kalibrationspunkt 5 5 9 1 1 1,6 8,8 2 F 1 Copy this formula to column D -0,2 G 1 to calculate the y´ values! 2 4 6 -0,2 H 1 -0,2

Berechnungen in Excel

Flüssigkeitschromatographie Wiederholung Flüssigkeitschromatographie Derivatisierung Trennsäule Pumpe Detektor - elektrochemisch - photometrisch Eluent Einspritzventil Derivatisierung

Interpretation der Ergebnisse

Mikrobielle Aktivität und Biomasse inhibition pH supplement N/C - additional (RESP) MiO substrate CO2 enzyme original basal (BR) pool enzyme activation / inhibition mass flow stimulating enzyme induction / repression abundance change or inhibiting influence diversification effects: adaptations long term effects (succession) investigated system

Stability of Soil Systems ecosystem succession due to land use ? Temperature Fertilizer Rhizodeposition energy needed to change soil properties future ecosystem present worst case: ecosystem degradation system stability system resilience system elasticity basins of attraction soil property (Soil aggregate stability)

Water Fertilizer Shoot Litter Root H2O NH4 MiO SIR Remin WRC KEC Ext Enz Urease KI+_pH Rice Soil System