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Forschergruppe (FOR) 5315: Humusauflage: Funktionsweise, Dynamik und Vulnerabilität im Wandel, Teilprojekt: Bodenfauna als Steuergröße für die Architektur von organischen Auflagen

Bodentiere sind wichtige Steuergrößen für die Struktur und Dynamik der Humusauflage von Waldböden. Wir setzen moderne Methoden ein um zu untersuchen, welche Boden-Detritivoren-Taxa zur Verarbeitung von Waldstreumaterial beitragen. Die Analyse natürlicher Schwankungen von stabilen Isotopenverhältnissen, die Analyse von Lipiden und Aminosäuren in Detritivoren in Kombination mit Markierungsansätzen und experimentellen Manipulationen wird es ermöglichen, ihre Rolle bei der Bildung und Dynamik von Waldböden in bisher nicht erreichter Genauigkeit zu verstehen. Wir werden uns auf drei Detritivoren der Meso- (Collembola, Oribatida, Enchytraeidae) und Makrofauna (Lumbricidae, Diplopoda, Isopoda) konzentrieren. Entsprechend dem Gesamtkonzept der Forschergruppe werden 12 Standorte untersucht, die von Buchen dominiert werden, aber mit Ahorn und Fichte durchsetzt sind. Das Projekt umfasst drei Arbeitspakete: In Arbeitspaket 1 werden wir die Energie-Kanäle durch die wichtigsten Detritivoren-Taxa in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Nährstoffstatus der Waldbestände untersuchen. Als Grundlage des Nahrungsnetzes werden mikrobielle Gemeinschaften mit Hilfe von Phospholipid-Fettsäure-Markern untersucht. Die trophischen Nischen der Detritivoren werden durch natürliche Variationen stabiler Isotope sowie durch die Komponenten-spezifische Aminosäureanalyse untersucht. In Verbindung mit Messungen der Körpergröße wird die Kanalisierung basaler Ressourcen (Streu, Bakterien, Pilze) in Detritivoren-Taxa in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Nährstoffstatus der Waldbestände bestimmt.In Arbeitspaket 2 werden Mesokosmen, die es ermöglichen, den Zugang von Meso- und Makrofauna zu manipulieren, verwendet, um die langfristigen Auswirkungen dieser Detritivorengilden auf die Bildung und Dynamik von Humusauflagen von Waldböden zu bewerten. Die Verwendung von 13C- und 15N-markierter Streu wird es ermöglichen, die Verarbeitung von Streumaterial durch Detritivoren und deren Verteilung im Waldboden zu verfolgen. Komponenten-spezifische Fettsäureanalysen werden Aufschluss über die Wege geben, auf denen Streumaterial von Detritivoren aufgenommen wird, sowie über die langfristigen Auswirkungen der wichtigsten Detritivoren-Taxa auf die Dynamik von Humusauflagen von Waldböden in Abhängigkeit von Temperatur und Nährstoffstatus der Waldbestände. In Arbeitspaket 3 werden wir die Rolle detritivorer Bodentiere für die räumliche Verbreitung von Streumaterialien untersuchen. Die Verwendung von 15N-markierter Streu und die Messung ihrer Aufnahme durch detritivore Taxa wird Aufschluss über die horizontale und vertikale Ausbreitung von Streumaterialien und ihre zeitliche Dynamik geben. Insgesamt wird das vorgeschlagene Projekt neue Einblicke in die Funktionsweise von Boden-Detritivoren-Gemeinschaften und ihre Rolle bei der Bildung und Dynamik von Humusauflagen von Waldböden sowie ihre Variation mit der Temperatur und dem Nährstoffstatus von Waldbeständen ermöglichen.

Forschergruppe (FOR) 5315: Humusauflage: Funktionsweise, Dynamik und Vulnerabilität im Wandel, Teilprojekt: Wechselbeziehung zwischen biochemischen und physikochemischen Eigenschaften von Humusauflagen: Einfluss von SOM-Mineral-Assoziation und Interaktion

Entgegen der weit verbreiteten Auffassung enthält der Auflagehumus von Waldböden neben der organischen Bodensubstanz (OBS) oft beträchtliche Anteile an anorganischen (Mineral)Komponenten. Wichtige physikochemische Auflagehumus-Eigenschaften wie Menge und Art der Minerale, räumliche Anordnung von OBS und Mineralen sowie Ausmaß und Art der OBS-Mineral-Assoziation werden wahrscheinlich durch Standortfaktoren (Nährstoffversorgung, Klima) gesteuert und durch Bodenmikroorganismen, Bodenfauna und Wurzeln vermittelt. Andererseits beeinflussen die physikochemischen Eigenschaften des Auflagehumus wahrscheinlich dessen biochemische Eigenschaften (z.B. funktionelle C-Gruppen, Umsetzungszustand der OBS, Nährstoffgehalt) und die Bereitstellung wichtiger Ökosystemleistungen (z.B. C-Sequestrierung, Wasser- und Nährstoffspeicher) durch Humusauflagen sowie ihre Anfälligkeit gegenüber Klimaerwärmung. In Projekt P3 werden diese Fragen durch Kombination eines beobachtenden Ansatzes mit einem experimentellen Ansatz untersucht. Gemeinsames Kernelement beider Ansätze ist die Anwendung einer neuen Dichtefraktionierungsmethode, die eine Unterscheidung und Quantifizierung von nicht-mineralassoziierter und mineralassoziierter OBS in Auflagehumus-Proben ermöglicht. Im beobachtenden Ansatz werden die Auswirkungen der Standortfaktoren Klima und P-Versorgungszustand auf Menge und Art der OBS-Mineral-Assoziationen im Auflagehumus und wichtige biochemische Auflagehumus-Eigenschaften quantifiziert. Dazu werden die 12 FOR 5315-Untersuchungsstandorte mit unterschiedlichen Kombinationen von Klima und P-Versorgungszustand bzw. geologischem Ausgangssubstrat untersucht und miteinander verglichen. Eine enge Zusammenarbeit mit anderen FOR 5315-Projekten (v.a. P2, P6, P7) ermöglicht die Identifizierung und Quantifizierung der Rolle von Baumwurzeln, Bodenfauna- und Mikroorganismengemeinschaften sowie standortspezifischer C- und N-Transformationen in der Humusauflage. Der experimentelle Ansatz basiert auf einer intensiven Zusammenarbeit mit den Projekten P2 und P6. Dabei werden an allen Untersuchungsstandorten Auflagehumus-Mesokosmen, welche in unterschiedlichen Varianten die Aktivität von Wurzeln, Makro- oder Mesofauna jeweils entweder zulassen oder verhindern, 0,5 und 1 Jahr nach ihrer Installation untersucht. Mit den oben beschriebenen Methoden werden die jeweiligen Auswirkungen von Wurzel-, Makrofauna- und Mesofauna-Aktivität auf die Bildung von OBS-Mineral-Assoziationen und damit verbundene Veränderungen biochemischer OBS-Eigenschaften sowie des Umsatzes von auf der Humusauflage oberflächig ausgebrachter isotopenmarkierter Streu (13C, 15N) in verschiedenen Auflagehumus-Horizonten und OBS-Fraktionen bewertet. Auf der Basis der neu erzielten Erkenntnisse wird in P3 ein umfassendes Konzept der OBS-Mineral-Assoziation in Humusauflagen in Abhängigkeit von standortspezifischen Mineral-Eintrags- und Transformationsprozessen (Bioturbation, Wurzelaktivität, SOM-Mineralisierung) entwickelt.

Die unbekannte Stöchiometrie der mikrobiellen Biomasse des Bodens und ihre potentielle Nutzung - C:N:P:et al

Damit Ökosystemdienstleistungen, die beispielsweise der Bodenfruchtbarkeit und -gesundheit dienen, mit einer hohen Rate erbracht werden können, ist eine größere und aktivere mikrobielle Biomasse (MB) im Boden von Vorteil. Die MB wird häufig über die Chloroform-Fumigation-Extraktion von Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Phosphor (P) bestimmt und diese drei Elemente weisen eine homöostatische Stöchiometrie auf. Mikroorganismen bestehen jedoch aus mehr als diesen drei Elementen und jene anderen spielen wichtige Rollen in Zellfunktionen, Wachstum, und Ökosystemdienstleistungsbezogenen Aktivitäten. Aber deren Stöchiometrie in der MB ist nicht bekannt. Gemäß dem Minimumgesetz werden Wachstum und Aktivität durch jene Nährstoffe begrenzt, die im Verhältnis zur benötigten Menge die geringste Verfügbarkeit aufweisen. Allerdings hat sich die Erkenntnis durchgesetzt, dass Co-Limitierung dominiert. Andererseits können einige Elemente wie Mangan andere wie beispielsweise Magnesium, Eisen und Zink substituieren. Das Verhältnis von C zu anderen Elementen als N und P, das für Wachstum und Aktivität im Boden benötigt wird, ist nicht bekannt. Kürzlich haben wir eine Chloroform-Fumigation-Extraktionsmethode zur Analyse weiterer MB-Elemente optimiert. Mit dieser Methode soll die MB in Bodenvarianten aus zwei Langzeitdüngeexperimenten und ihren Korngrößenfraktionen untersucht werden. Während sich erstere in ihrem Nährstoffstatus durch die verschiedenen Düngungevarianten unterscheiden, unterscheiden sich letztere durch die Diversität der Mineralien und die Qualität assoziierter organischer Bodensubstanz. In Inkubationsexperimenten sollen des Weiteren Elemente in mehreren Konzentrationsstufen zugeführt werden. Durch diese Herangehensweisen soll die Hypothese getestet werden, dass im Gegensatz zu C:N:P Elemente, die substituiert werden können, eine flexible Stöchiometrie aufweisen. Die Untersuchungen beinhalten die Messung von Bodenatmung und Enzymaktivitäten. Mittels Schrotschusssequenzierung sollen funktionelle Gene analysiert werden, die mit den Elementen in Beziehung stehen wie jene, die für Metalloproteine codieren. Es soll überprüft werden, ob das Wissen über die Stöchiometrie bioverfügbarer und MB-Elemente genutzt werden kann, um Wachstum und Aktivität der Mikroorganismen zu erhöhen. Die Ergebnisse dieses Projekts geben Einsicht in den stöchiometrischen Phänotyp der MB des Bodens jenseits von C, N und P. Dieses Wissen zusammen mit jenem über bioverfügbare Elemente soll Interessengruppen ermöglichen, die mikrobielle Gemeinschaft des Bodens durch spezifische Elementzugabe in spezifischen Konzentrationen so zu behandeln, dass Bodenfruchtbarkeit und -gesundheit sowie entsprechend Ökosystemdienstleistungen des Bodens erhöht werden.

Entkopplung ober- und unterirdischer Prozesse des Streuabbaus und Auswirkungen auf die Stabilisierung der organischen Bodensubstanz mit zunehmender Trockenheit

Trockengebiete bedecken große Teile der Landoberfläche und obwohl die Böden in Trockengebieten nur geringe Gehalte an organischem Kohlenstoff (OC) aufweisen, speichern sie einen erheblichen Teil der globalen OC-Vorräte im Boden. Derzeit ist es aber nicht möglich, die Auswirkungen der durch den Klimawandel prognostizierten Ausdehnung der Trockengebiete auf die Vorräte an OC im Boden vorherzusagen. Steigende Trockenheit beeinflusst die Prozesse des ober- und unterirdischen Streuabbaus und der Stabilisierung der organischen Bodensubstanz unterschiedlich. Es ist wenig bekannt über die Folgen zunehmender Trockenheit auf abiotische Prozesse des Streuabbaus wie Foto- und thermische Degradation sowie über Stabilisierungsprozesse der SOM, d. h. Aggregierung und Bildung von mineral-assoziierter organischer Substanz (MAOM) aus Blatt- und Wurzelstreu. Im Projekt werden wir einen einzigartigen Niederschlagsgradienten in Israel (gleiches Ausgangssubstrat) nutzen und die Hypothese testen, dass zunehmende Trockenheit zu einer zunehmenden Entkopplung der Mechanismen führt, die für den ober- und unterirdischen Streuabbau sowie für die Stabilisierung von SOM verantwortlich sind. Wir gehen davon aus, dass zunehmende Trockenheit den Abbau der Wurzelstreu stärker beeinflusst als den Abbau der Blattstreu. Des Weiteren nehmen wir an, dass zunehmender Niederschlag die Bildung von MAOM insbesondere aus Wurzelstreu fördert, während zunehmende Trockenheit einen höheren Anteil der Aggregierung an der SOM-Stabilisierung nach sich zieht. Wir werden den Streuabbau und die Stabilisierung von SOM untersuchen, indem wir 13C-markierte Streu (Spross, Wurzeln) einer einjährigen krautigen Pflanze entlang des Trockenheitsgradienten ausbringen. Den Einfluss der räumlichen Heterogenität der Vegetationsbedeckung wird berücksichtigt durch das Einbeziehen von Flächen unter sowie zwischen Sträuchern. Die Verwendung stabiler Isotope ermöglicht es uns, sowohl den Streuabbau als auch die Prozesse der SOM-Stabilisierung unter möglichst natürlichen Bedingungen entlang des Gradienten zu quantifizieren. Gemessene 13CO2-Flüsse im Feld werden mit den Informationen zum Einbau des 13C-Tracers in Fraktionen der SOM (gewonnen durch Dichtefraktionierung), EPS und der Aggregatstabilität kombiniert. Dies wird es ermöglichen, die SOM-Stabilisierungsmechanismen in Abhängigkeit der Trockenheit und der Vegetationsbedeckung zu erfassen. Die Ermittlung des Streuabbaus im Gelände wird mit Laborexperimenten kombiniert, um die Bedeutung abiotischer Prozesse für den Streuabbau zu quantifizieren. Unser komplementärer Ansatz wird ein umfassendes Bild über die Steuerung des Streuabbaus und der SOM-Stabilisierung in (semi)ariden Klimazonen ermöglichen. Dies wird die Grundlagen verschiedene Modellierungsansätze (Boden-C, Erdsystem) in ariden und semiariden Regionen bei zunehmender Trockenheit entscheidend verbessern.

Forschergruppe (FOR) 5315: Humusauflage: Funktionsweise, Dynamik und Vulnerabilität im Wandel, Teilprojekt: Wasserspeicherung und Wasserumverteilung in der Humusauflage beeinflusst die Perkolation, Verdunstung und DOM Flüsse

Humusauflagen (FF) sind hydrologisch hoch relevant, sind jedoch nur ein teilweise erforschter Nexus zwischen Niederschlag, Stammfluss, Verdunstung und Infiltration in den Boden. Vor allem aufgrund seiner sich zeitlich ändernden Eigenschaften in bezüglich Mächtigkeit, physikalischen Eigenschaften und Benetzungseigenschaften, und der weitgehend unbekannten räumlichen und zeitlichen Muster. Die Gesamtauswaschung von gelöster organischer Substanz (DOM) oder gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) aus dem FF in den Boden ist relevant, um die Kohlenstoffbilanz des FF zu beschreiben. Dieses Projekt wird die räumlichen und zeitlichen Muster der Wasserflüsse im FF auf verschiedenen Skalen im Detail untersuchen und seine Form und Struktur mit den hydrologischen Prozessen in Verbindung bringen. Dies wird durch den Einsatz eines neuen Grid-Lysimeters erreicht, mit dem auch kontinuierliche In-situ-Messungen von DOM im Sickerwasser möglich sind sowie neuartige Experimente mit Benetzungsmitteln und Farbtracern. Aber auch die größeren räumlichen Muster der FF-Mächtigkeit, -Typ, -Vegetation und anderen Eigenschaften werden gemessen und analysiert. Wir werden zum ersten Mal die räumliche und zeitliche Variabilität mit den Flüssen von DOM/DOC sowie Rückkopplungsmechanismen zur Atmosphäre in Verbindung bringen. Dies ist umso relevanter, wenn man kurz- und langfristige Veränderungen des FF aufgrund des Klimawandels und Veränderungen in der Zusammensetzung der Baumarten einschließlich Auswirkungen von Dürren oder wärmeren Temperaturen betrachtet. Die Rolle von P1 in der FF-RU besteht darin, die hydrologischen Eigenschaften und Dienstleistungen von FF und ihre zentrale Rolle in Wasser- und Nährstoffflüssen zu verstehen sowie den Input für ökologische Modellierungen und eine Vielzahl von Basisdatensätze zu liefern.

Sonderforschungsbereich (SFB) 1357: MIKROPLASTIK - Gesetzmäßigkeiten der Bildung, des Transports, des physikalisch-chemischen Verhaltens sowie der biologischen Effekte: Von Modell- zu komplexen Systemen als Grundlage neuer Lösungsansätze; MICROPLASTICS - Understanding the mechanisms and processes of biological effects, transport and formation: From model to complex systems as a basis for new solut, Teilprojekt A06: Mikroplastik in der Rhizosphäre von Nutzpflanzen - Wirkung auf physikalische, chemische und mikrobiologische Prozesse im Boden

A06 beschäftigt sich im SFB 1357 mit den Auswirkungen von chemisch komplexen und umweltrelevanten Mikroplastik (MP)-Partikel im System Boden-Mikroben-Pflanze mit speziellem Fokus auf Änderungen der Bodenaggregation, der Bodenchemie und der Bodenmikrobiologie in der Rhizosphäre von Nutzpflanzen. Aufbauend auf die 1. Förderperiode (FP) adressiert das Teilprojekt die Frage, welche Eigenschaften von umweltrelevantem MP zu Veränderungen in der Rhizosphäre führen und wie sich diese auf die entsprechenden Pflanzen wie Mais und Erdbeeren auswirken. Dabei legt das Teilprojekt verstärkt Wert auf den Vergleich von konventionellem MP mit bioabbaubaren Kunststoffen, deren Wirkung auf die Bodenchemie und die Bodenmikrobiologie erheblich größer sein könnten. Aus der 2. FP werden zudem Erkenntnisse erwartet, die zur ökotoxikologischen Bewertung von MP für Mikroorganismen in Böden und daher indirekt für Pflanzen beitragen. In einem SFB-übergreifendem Bodenmesokosmen-Experiment werden Fragestellungen aus den Projektbereichen A, B und C im Rahmen der Querschnittsthemen „Migration-Expositionswahrscheinlichkeit“ und „Effekte-Alterung“ an der Schnittstelle Boden untersucht.

Auftaueffekte auf bodenorganischen Kohlenstoff in Permafrost-Mooren

Permafrost-Moore sind Hotspots organischer Kohlenstoff-Vorräte. Das Auftauen von Permafrostböden fördert die Mineralisation des bodenorganischen Kohlenstoffs (SOC). Es besteht jedoch große Unsicherheit hinsichtlich der SOC-Verluste bzw. der SOC-Akkumulation in aufgetauten Permafrost-Mooren. Bislang wurde die SOC-Bilanz auftauendender Permafrost-Moore in nur sehr wenigen Regionen untersucht. Aus bisherigen Studien ist bekannt, dass die SOC-Bilanz sehr variable ist und Prognosen für auftauende Permafrost-Moore unsicher sind. Permafrost-Moore der Finnmark, der nördlichsten Provinz Norwegens, tauen derzeit schnell auf. SOC-Verluste und rezente SOC-Zuwächse wurden in den Permafrost-Mooren dieser Region bisher nicht quantifiziert. Wir werden in dieser Region Standorte untersuchen, die durch Thermokarst tief und durch aktive Schichtvertiefung oberflächennah aufgetaut sind. Bei der oberflächennahen Schichtvertiefung durch partielles Auftauen und Entwässerung entstehen oxidative Bedingungen, die den mikrobiellen SOC-Abbau fördern. Thermokarst mit anoxischen Bedingungen bildet sich, wenn das gesamte Bodenprofil auftaut, absinkt und mit Wasser gefüllt wird. Verschiedene Ansätze werden zur Quantifizierung der SOC-Verluste durch Auftauen verfolgt. Wir werden in-situ SOC-Mineralisationsraten verschiedener Torfschichten durch Messung von CO2-Emissionen und deren 14C-Signaturen quantifizieren. Diese Ergebnisse liefern Belege für die SOC-Mobilisierung beider Auftauregime in Permafrost-Mooren. Wir erwarten, dass Moore, die oberflächennah aufgetaut sind, aktuell höhere SOC-Verluste aufweisen als Thermokarst. Darüber hinaus werden Bodenkerne aus beiden Auftauregimen entnommen, i) um die Entwicklung der Torfakkumulation durch pflanzliche Makrofossilien und 14C-Datierung zu charakterisieren, ii) um SOC-Vorräte zu quantifizieren, iii) um Humifizierungsgrade der organischen Substanz zu charakterisieren und iv) um das Mineralisationspotenzial für SOC und gelösten organischen Kohlenstoff (DOC) zu bestimmen. Wir erwarten i) geringere SOC-Vorräte, ii) höhere Humifizierungsgrade, iii) geringere SOC- und DOC-Mineralisierungspotenziale und eine geringere mikrobielle Kohlenstoffnutzungs-Effizienz in Thermokarstmooren aufgrund der vorangegangenen SOC-Mineralisierung im Vergleich zu intakten Permafrost-Mooren. Schließlich werden rezente SOC-Akkumulationsraten durch 210Pb-Datierung bestimmt. Wir gehen davon aus, dass sich in Thermokarstmooren in jüngster Zeit SOC angereichert hat, die vorhergehende SOC-Verluste durch Auftauen teilweise kompensieren. Wir werden verschiedene Thermokarstmoore untersuchen, um zu überprüfen, ob die SOC-Akkumulationsrate nach dem Auftauen mit dem Grad der Bodenabsenkung zusammenhängt. Die Bilanzierung der SOC-Verluste und der SOC-Akkumulation sowie der Mineralisationspotenziale in den verschiedenen Auftauregimen kann einen wertvollen Beitrag zur Verbesserung von Prognosen zur zukünftigen Entwicklung von SOC-Vorräten in Permafrost-Regionen leisten.

Extraktion von Aluminium und Eisen aus organischer Assoziation im Boden - Entwicklung einer neuer selektiven Methode

Im Zuge der Bodenentwicklung werden Metallionen beispielsweise des Aluminiums (Al) und Eisens (Fe) frei, die mit organischer Bodensubstanz (OBS) reagieren können. Wechselwirkungen zwischen Metallkationen und OBS, die zur Stabilisierung der OBS führen, d.h. zur Verlangsamung des Abbaus im Boden, sind seit langem bekannt. Die Wechselwirkungen in sauren Böden durch Adsorption von Al und Fe an funktionelle Gruppen der OBS sowie ihre Ausfällung mit OBS führen zur Bildung von organischen Assoziationen der Metalle. Metalle in organischen Assoziationen werden durch Oxalat gelöst, das allerdings auch Metalle in weiteren mineralischen Bindungsformen freisetzt. Aktuelle Studien zeigen, dass insbesondere die Gehalte oxalatlöslichen Aluminiums die Gehalte an organischem Kohlenstoff im Boden miterklären können. Trotz der Bedeutung der Metalle in organischer Assoziation gibt es bisher keine selektive Methode ihrer Extraktion. Das beantragte Projekt zielt darauf ab, ein Verfahren zu entwickeln, das die selektive und vollständige Extraktion von Al und Fe in organischer Assoziation und die quantitative und qualitative Charakterisierung der mit Al assoziierten OBS ermöglicht. Dazu wird eine zu entwickelnde Extraktion mit Fluorid bei pH 6,5 in ein sequentielles Extraktionsschema integriert, das Al bzw. Fe aus organischer Assoziation sowie gering kristallinen Fe-Oxiden und Aluminosilikaten separat extrahiert. Vor der Übertragung auf Böden wird die Fluorid-basierte Extraktion mit organischen Modellassoziaten und Referenzmineralen hinsichtlich Selektivität und Vollständigkeit überprüft. Anschließend werden Bodenproben, in denen erhöhte Gehalte von Al und Fe in organischer Assoziation zu erwarten sind, nach diesem Schema extrahiert. Die Proben werden Horizonten von reference soil groups der WRB-Klassifikation entstammen, in die metall-organische Assoziationen transportiert wurden (Podzols, Luvisols), in denen sie sich in situ bilden (Andosols, Cambisols) bzw. sie sich aufgrund von Redoxprozessen bilden (Gleysols, Stagnosols). Je nach pedogenem Milieu werden variable Gehalte an Metallen und OBS in den Assoziationen erwartet, sowie variable Beiträge von Metallen in organischer Assoziation zu den Gehalten oxalatlöslicher Metalle als Summenparameter. Die OBS, die aus Bindungen mit Al extrahiert wird, wird spektroskopisch und thermisch charakterisiert. Auch hier werden Unterschiede nach pedogenem Milieu erwartet, z.B. größere Anteile niedermolekularer Säuren in Podzols als in Andosols mit höheren Anteilen aromatischer OBS. Das Projekt soll nicht nur eine selektive Extraktionsmethode für Al und Fe in organischer Assoziation in Böden leisten, sondern auch die Charakterisierung einer bislang nicht selektiv zugänglichen OBS-Fraktion. Die gewonnenen Daten haben grundlegende pedogenetische Bedeutung und können, bei Anwendung auf größere Probenkollektive, in Modelle zur Erklärung der Steuerung der Gehalte organischen Kohlenstoffs im Boden implementiert werden.

Funktionelle Differenzierung von arbuskulären Mykorrhizapilzen im Ober- vs. Unterboden: beherbergen Unterböden Eigenschaften zur Nährstoffgewinnung, die eine nachhaltige Landwirtschaft unterstützen?

Monokulturen und ineffiziente Ressourcennutzung, begleitet von Bodendegradation und Verlust der biologischen Vielfalt in konventionell bewirtschafteten Agrarsystemen, stellen eine Herausforderung für eine stabile Nahrungsmittelproduktion dar. Um die Nahrungsmittelproduktion zu sichern, ohne die Gesundheit und Funktionalität der Agrarökosysteme (weiter) zu gefährden, sind nachhaltige Strategien erforderlich. Arbuskuläre Mykorrhizapilze (AMF) sind die am weitesten verbreiteten Symbionten unter den Nutzpflanzen. Die meisten Studien zum Nutzen der AMF für die Pflanzenproduktion konzentrieren sich jedoch auf den Oberboden, d. h. die dünne Pflugschicht in konventionell bewirtschafteten Systemen. Das Potenzial von AMF in Unterböden (d.h. dem Mineralboden unterhalb der Pflugschicht) wird nur selten untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass Unterböden spezifische AMF-Arten beherbergen können, von denen man annimmt, dass sie sich in ihren Eigenschaften und Funktionalität von den Arten im Oberbodens unterscheiden. Das Hauptziel dieses Projekts ist eine funktionelle Differenzierung der AMF-Gemeinschaften im Ober- und Unterboden hinsichtlich ihrer Strategien zur Nährstoffakquise und -allokation. Das Projekt zielt auf die Beantwortung der Frage ab, (i) ob Unterböden AMF-Gemeinschaften mit funktionellen Eigenschaften beherbergen, die sich von denen der AMF-Gemeinschaften im Oberbodens unterscheiden oder sogar vielfältiger sind, und (ii) ob diese Eigenschaften für eine nachhaltige Bewirtschaftung von Nutzen sein können. Die DNA Amplikon Sequenzierung und Metatranskriptomanalyse von AMF-Gemeinschaften, die mit Pflanzen verschiedener funktioneller Pflanzengruppen assoziiert sind, erlaubt eine erste Bewertung der funktionellen Vielfalt von AMF Unterbodengemeinschaften. Dies beruht auf der Annahme einer merkmalsbasierten Partnerwahl zwischen Pflanze und Pilz. Zur weiteren funktionellen Charakterisierung wird die Aufnahme und der Transfer von leicht verfügbarem N und K durch AMF Gemeinschaften mit Hilfe von 15N-angereicherten Verbindungen sowie Spurenelementen untersucht, die bei der Nährstoffaufnahme als K-Analoga agieren. Die Anregung der N- und P-Mobilisierung aus organischem Material durch AMF-Gemeinschaften wird unter Verwendung von zweifach isotopisch markiertem (15N, 33P) Pflanzenbiomasse untersucht. Durch 13CO2-Pulsmarkierung der Wirtspflanzen wird die Kohlenstoffallokation der Pflanzen in verschiedene AMF-Gemeinschaften analysiert. Dadurch sollen Erkenntnisse über das Potenzial von Unterböden als Reservoir für funktionell vielfältige AMF-Gemeinschaften und deren Potenzial zur Verbesserung der Nährstoffverwertung in Agrarsystemen gewonnen werden. Das Projekt wird damit zur Klärung der Frage beitragen, ob eine angemessene Bewirtschaftung des Unterbodens geeignet ist, die funktionelle Vielfalt von AMF oder sogar gezielt bestimmte funktionelle Eigenschaften von AMF in landwirtschaftlichen Systemen zu fördern, um die Nahrungsmittelproduktion zu stabilisieren.

Der Einfluss der Mykorrhizatypen und der Diversität der Bäume auf die Stabilisierung des Kohlenstoffs im Boden

Böden speichern große Mengen an Kohlenstoff (C) in der organischen Bodensubstanz (OBS), die durch Einschluss in Aggregate oder Bindung an Oberflächen von Mineralen vor mikrobieller Zersetzung geschützt ist. Je nachdem, welche Fraktion der OBS betrachtet wird, sind die Quellen sehr unterschiedlich. Während die partikuläre organische Substanz hauptsächlich aus Pflanzenresten besteht, stammt die mineralassoziierte organische Substanz größtenteils aus mikrobiellen Rückständen. In Wälder der gemäßigten Zonen spielt zudem die Symbiose zwischen Bäumen und Pilzen, die Mykorrhiza, eine wichtige Rolle für die C-Speicherung im Boden. Wälder, die von Bäumen mit Ektomykorrhiza (ECM) dominiert werden, weisen höhere C-Vorräte auf, verglichen mit Wäldern mit arbuskulärer Mykorrhiza (AM). Diese C-Vorräte sind jedoch weniger stabilisiert und das Verhältnis der partikulären zur mineralassoziierten OBS ist in ECM Wäldern höher als in AM Wäldern. Ein mechanistisches Verständnis der Faktoren und Prozesse, durch die die verschiedenen Mykorrhizatypen die partikuläre und die mineralassoziierte OBS beeinflussen, fehlt jedoch bislang. Wir nehmen an, dass der Mykorrhizatyp die Rhizodeposition beeinflusst, insbesondere die Vielfalt der Metabolite und die Dynamik des C-Eintrags, und dadurch ein Schlüsselfaktor für die C-Speicherung im Boden ist. Unsere Hypothese ist, dass in AM-dominierten Wäldern ein geringer, aber kontinuierlicher Eintrag von hochdiversen Rhizodepositen die mikrobiellen Gemeinschaften fördert, die dann zu einer erhöhten C-Stabilisierung in Form von mineralassoziierter OBS beitragen. Im Gegensatz dazu fördert ein unregelmäßiger und hoher C-Eintrag, bei gleichzeitiger Unterdrückung saprotropher Pilze (Gadgil Effekt), die Akkumulation der partikulären OBS in ECM Wäldern. Um die Hypothesen dieses Gemeinschaftsprojekts zu prüfen, werden wir auf ein etabliertes Experiment zur Diversität von Bäumen, bei dem die Häufigkeit von Mykorrhizatypen manipuliert wird, zurückgreifen. Dieses wird durch innovative Experimente im Labor und modernste Methoden, wie die Markierung mit stabilen Isotopen, die Identifizierung mittels Biomarkermolekülen und die Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie, kombiniert. Das vorgeschlagene Projekt wird zu einem umfassenden Verständnis der durch den Mykorrhizatyp bedingten Mechanismen des C-Umsatzes in Wäldern der gemäßigten Breiten beitragen. Dadurch wird es möglich, künftige Veränderungen der C-Vorräte in Waldökosystemen besser vorherzusagen und neue Waldbewirtschaftungsstrategien zu entwickeln, um die C-Speicherung im Boden zu erhalten oder sogar zu erhöhen.

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