090430 Organische Substanz · – hydrophobic interactions with clay surface – long-term...
Transcript of 090430 Organische Substanz · – hydrophobic interactions with clay surface – long-term...
1
Fragen
• Was versteht man unter GPP, NPP, NEP, NBP und NEE?• Wie sieht ein Jahresgang für GPP, Reco und NEE aus?
Welche Unterschiede bestehen zwischen einem Buchenwald und einem Kartoffelacker?
• Welche Faktoren bestimmen die Kohlenstoffbilanz vonÖkosystemen?
• Wie ist organische Substanz in Böden definiert?• Welche Pflanzenteile werden schnell, welche langsam
abgebaut? Warum?
2
Litter decomposition – Three phases
Cotrufo et al., in Schulze et al., 2002, Fig. 3.3.4
3
Soil organisms
Soil organisms
Bodenflora< 0,02 mm
Megafauna> 20 mm
Makrofauna2-20 mm
Mesofauna0,2-2 mm
Mikrofauna0,02-0,2 mm
5
Decomposers in the soil Organismus Regenwurm Fadenwürmer Milben Bakterien Pilze
Größe 9-30 cm 0.3-1.5 mm 0.2-0.3 mm 0.0001- 0.0005 mm
Hyphen: mehrere Meter
Lebensspanne 3-6 Jahre ? 6-12 Monate Teilung alle 20 min
unbestimmt
Population 300/m² 30 Mio./m² 600000/m² 1x1015/m² 20000km/m²
Aktivität Bioturbation, Fragmentierung, Aggregatbildung, Durchmischung von organischer Substanz und Mineralpartikeln
fressen Mikrofauna, verteilen Bakterien, Mineralisation
Fragmentierung, Verbesserung der Bodenstruktur
Mineralisation, chemischer Umbau
Mineralisation, chemischer Umbau
6
Decomposition under anaerobic conditions
1. Fermentation / Gärung• Der Energiegewinnung dienende Stoffwechselprozesse in derem Zuge
organische Verbindungen oxidiert werden
• Beispiel: Alkoholische Gärung, Milchsäuregärung
• Im Gegensatz zur Atmung bei der Zucker vollständig zu CO2 und H2O
mineralisiert werden, enthalten die Abbauprodukte der Gärung noch
Energie (z.B. Ethanol, Acetat) und können weiter abgebaut werden
• Endprodukte der Gärung sind Ausgangssubstrate für die
Methanogenese im Zuge der anaeroben Nahrungskette (z.B. aus
Acetat oder H2 und CO2)
Fritsche 1998
7
Decomposition under anaerobic conditions
2. Anaerobe Atmung• Effektivere Nutzung der im Substrat enthaltenen Energie als bei der
Gärung
• Als Wasserstoffakzeptoren dienen statt O2 beispielsweise
NO3- (Nitratatmung) → N2 / N2O
SO42- (Sulftatmung) → H2S
CO2 (Carbonatatmung) → CH4 (Methanogenese)
Insgesamt: weniger biologische Aktivität, langsamerer
Abbau, selektive Anreicherung bestimmter Substanzen wie
Lignin, Bildung von organischen Säuren, Alkoholen sowie
den Gasen CH4, H2S und N2O
8
Fragen
• Wie beeinflusst die Makro- und Mesofauna die Geschwindigkeit des Abbaus von organischer Substanz?
9
Stabilization of soil organic matter
Steppe Wald
10
Soil carbon content
The organic matter content of soils
depends on:
• chemical recalcitance of organic matter
• spatial inaccessibility
• interactions with surfaces and metal ions
• Recycling of C by microorganisms
• the amount and quality of litter input
• environment factors favouring orreducing microbial activity
• other factors affecting C decomposition
11
StabilizationStabilization and and mobilisationmobilisation of of SoilSoil organicorganic mattermatter
chulze & Freibauer 2005
Streu, Tote Organismen
CO2CH4
Stabilisierung von C Mobilisierung von COrganischer C
Aktiv:leicht abbaubar
Passiv:schwer abbaubarhydrophobgeschützt
•Schwere Abbaubarkeit•Einschluss in Aggregaten•Assoziation mit Tonmineralen•Komplexierung mit Metallen•Recycling durch MOs
•Zerstörung von Aggregaten•Streuabbau•Mineralisation•Veränderung der Umwelt-bedingungen durch Mensch und Klima
Bedingungen, die C-Anreicherung begünstigen•geringe biologische Aktivität•kalte, saure Böden•hydrologische Extreme•hoher Tongehalt
Auswaschung von•partikulärem organischem C•gelöstem organischem CC-Anreicherung:
Input > OutputStabilisierung > Mobilisierung
CO2, CH4
12
Chemical recalcitrance
rapid decomposition slower decomposition
Recalcitrance: some organic soil components are less decomposable due to their chemical structure
• monomersglucose, amino acids
• complex structures includinghydolysable bondings(ester, glycoside, peptide)proteins, cellulose…
• polymershydrocarbons (cellulose…)
• complex structures witharomatic rings, long chainswith C-C-bondings (alkanes)lignin, fats, waxes
13
Chemical recalcitrance
Humic substance ?C H O N
Former theory: humic substances generate from partly decomposedplant material e.g. by spontaneouspolycondensation, but there is fewevidence for this reaction
→ maybe supramolecularassociations (hydorgen bonding, hydrophobic interactions) rather than macromolecules (Piccolo 2002)
14
Black carbonCharred organic matter
turnover time in soils : 500-10 000 y(estimate, faster in the presence ofeasily available energy sources)
Chemical recalcitrance
Schmidt et al. 2000
All known types and forms of carbon in the soil are potentially degradable by microbes!
15
Spatial inaccessibility of organic matter for decomposers
Processes that reduce OM accessibility include:
• Occlusion of organic matter by aggregation
• Inclusion within phyllosilicates
• Hydrophobicity of OM
16
C stabilization by interactions with clay minerals
Haider 1996
17
Stabilization due to interactions with mineral surfaces
• Strong organo-mineralbondings:– ion bondings– hydrogen bridges– dipol bondings
(via –O–)– hydrophobic interactions with
clay surface– long-term stabilization
P polysaccharide fragmentsTM clay mineral
P
Tonmineral
M+
18
Organo mineral complexes
Possible reasons for the stability of OM attached to surfaces:• cannot be incorporated into microorganisms as long as it is bound• conformational change of adsorbed organic molecules
makes them unavailable for enzymes• enzymes themselves get sorbed and thus immobilized at the surface of
clays
Important minerals for OM sorption in the soil• clay minerals with a high surface area• especially active Al and Fe-oxides and hydroxides• Allophane
19
Podzol Bs Ferralsol A Phaeozem A Andosol A Vertisol A Cambisol Bw
OC
[g
kg-1
]
0
50
100
150
200
OM <1.6 Mg m-3
Mineral-bonded OM
Clay minerals + gibbsiteGoethite / haematiteFerrihydriteNon-crystalline Al phases Allophane
Estimated sorption capacity
OM stored in soil total clay
610 g kg–1
170 g kg–1
230 g kg–1680 g kg–1
180 g kg–1
estimation based on data from various sources
70 g kg–1
adopted from Klaus Kaiser (2005)
Organo mineral complexes
20Jones DL & Edwards AC (1998) Soil Biol. Biochem. 30, 1895–1998
Incubation of dissolved 14C-citrate in presence of mineral phases
61%
83%
70%
99%
sorption[% initial C]
decomposition[% sorbed C]
~65%
~25%
12%
1%
control
illite
kaolinite
subsoil clay
Fe(OH)3
Organo mineral complexes
~76%
21
C Stabilization due to interactions with mineral surfaces
Schöning 2005
< 40 y old
730 y old
In particle size fractions, the oldest carbon is found in the clay fraction.
22
Guggenberger & Kaiser 2003
Stabilization due to interactions with mineral surfaces?
23
Stabilization of organic matter in soil aggregates
Baldock 2002
24
Aggregate hierarchy
• Macroaggregates: stabilized by polysaccharides, roots and hyphae
• Microaggregates: stabilized by persistent organic binding agents and sesquioxides.
• Microaggregates can form in macroaggregates• Only macroaggregates are affected by land
management.
Six et al., 2004
Primary Particles(<20 µm)
Microaggregates(20-250 µm)
Macroaggregates(>250 µm, often >2 mm)
25
Protection of organic matter in aggregates
Reasons for organic matter protection inside aggregates:
• reduced access for microbes (and also their predators)
• reduced diffusion of enzymes into aggregates
• restricted aerobic decomposition due to reduced diffusionof oxygen into aggregates
→ Pore size distribution is important
26
Life cycle of an aggregate in the soil
27
Earthworms enhance aggregation
0
10
20
30
40
50
60
>2000 250–2000 53–250 <53
Agg
rega
te d
ryw
eigh
t[%
]
pure soilsoil plus residuesoil plus residue plus earthworms
Bossuyt, H. et al. 2004
28
Aggregate formation in soils
The multiplicity of interactions and feedbacks betweenthe five major factors influencing aggregate formationand stabilization.
J. Six et al. 2004
29
C mineralization in soil aggregates
Haider 1996
30
Carbon retention by recycling within soil microorganisms
Biosphere
Atmosphere
primary biomass(litter)
secondarybiomass
(microorganisms)
degradation
degradation
degradation
SOMDOC
Pedosphere
31
Relevance of individual storage mechanisms and time scales
>100Ecosystems with fireCharcoal
>100All soils?Humic polymers
1-10 yForest floor, A-horizonsPlant litter and microbial products
Time scaleRelevant in soil types and horizons
1. Recalcitrance
Adopted from v. Lützow et al. 2006
32
> 100topsoilIncapsulation in organicmacromolecules
>100Acid soils?Intercalation within phyllosilicates
10-100Loamy and clayey soilsMicroaggregates
1-10 yLoamy and clayey soilsMacroaggregates
Time scaleRelevant in soil types and horizons
2. Spatial inaccessibility
Adopted from v. Lützow et al. 2006
Relevance of individual storage mechanisms and time scales
33
>100Acid or calcerous soils (Ca2+ orFe3+) or soils containing heavymetals
Interactions between metal ions and organic molecules (complexation)
>100Acid soils with oxidesCa2+ or Fe3+
probably all soils
Ligand exchangepolyvalent cation bridgesweak interactions
Time scaleRelevant in soil types and horizons
3. Interaction with surfaces and metal ions
Adopted from v. Lützow et al. 2006
Relevance of individual storage mechanisms and time scales
34
Fragen
1. Woraus besteht organische Substanz im Boden?
2. Welche Organismengruppen haben welche Funktion im Abbauprozess?
3. Wie unterscheiden sich aerober und anaerober Abbau?
4. Wie wird organische Substanz im Boden stabilisiert?- kurzfristig- mittelfristig- langfristig
35
Nitrogen Cyclingin Terrestrial Ecosystems
36
Contents
• Basics– pH– Redox reactions
• Nitrogen Forms• Nitrogen Stocks
– organisms– chemical forms
• Nitrogen Turnover– N2 fixation– N-nutrition of plants– N turnover processes in soils
• Plant N metabolism & N fertilization
37
Basics: pH
• Definition:– pH = -lg [H+]
– pH < 7 saure Lösung
– pH = 7 neutrale Lösung
– pH > 7 alkalische / basische Lösung
• z.B. Auto-Dissoziation von Wasser
Protonendonator / Protonenakzeptor
2 H2O → H3O+ + OH-
• Um wieviel ist eine Lösung mit pH = 4 saurer als eine
mit pH 6?
38
Redox-Reaktionen
• Definition: Redoxreaktion (Reduktions-Oxidations-Reaktion):chemische Reaktion, bei der ein Reaktionspartner Elektronen aufden anderen überträgt.Elektronenabgabe = OxidationElektronenaufnahme = Reduktion
• Bei einer Redoxreaktion reagiert ein Stoff A, der Elektronen abgibt(Elektronendonator, Reduktionsmittel) mit mindestens einem StoffB, der diese Elektronen aufnimmt (Elektronenakzeptor,Oxidationsmittel):
Oxidation: Stoff A gibt als Reduktionsmittel ein Elektron ab.A → A+ + e-
Reduktion: Das Elektron wird vom Oxidationsmittel B aufgenommen.B + e- → B-
Redoxreaktion: Stoff A gibt ein Elektron an Stoff B ab.A + B → A+ + B-
Wik
iped
ia
39
N Forms
• Inert– N2 not available to organisms –
only N2 fixation– N2O available to some microbes
under anaerobic conditions
• Reactive– organic N forms, depending on bondings– gases: NH3, NO, NO2 (NOx), NOy
– salt ions: NH4+, NO3
-
40
• Plants– amino acids, amino sugars, nucleins: -NH2
• Soil– >90% organic (cf. plants, microbes)– 10% mineral:
• NH4+ (exchangeable, fixed)
• NO3-
– Variable dominance of N forms depending onpH, climate, organisms
N Forms in the Biosphere
dominant mineral formvery rapid fluxes!
R-C-CNH2
OOH O
HH
H
H
HOHOH
OH
NH2
CH2OH
41
N stocks in soils
42
Frage
• In welchen Formen liegt mineralischer Stickstoff in den folgenden Ökosystemen (Böden) vor:
– Waldböden– Moore– Ackerböden– Savannen
43
Global N stocks and fluxes [Tg N]
3,900,000,000
3,500
95,000 – 140,000
N-Fixierungdurch Blitze
<3 – 5 (NOx)
20 (NOx)80 (NH3,fertilizer)
MenschlicheAktivitäten
10040
Biologische N-Fixierung
<200 Denitrifikation(N2, N2O)
1200
N-Eintrag in Biosphäre40% natürlich60% anthropogen
36 Flüsse30 15
110
Biologische N-Fixierung
11Grundwasser
Schlesinger 199710
Sedimentation
8000
44
Nitrogen Dynamicsin Terrestrial Ecosystems
45
Biological N fixation
• N2-fixing bacteria– free living cyanobacteria
– Symbionts with fungi (lychens)
– Symbionts with higher plants (legumes, Alnus) – requires energy and electrons from organic matter
Fe-Mo-Enzym, 960 kJ mol-1 NN2 + 18H+ + 8e- + 16ATP
2NH4+ + H2 + 16ADP + 16Pi
• Supply of plants with amino acids
46
Typical biological N fixation rates
• non-symbiotic N fixation: <50 kg N/ha/year• symbiotic N fixation: 75-300 kg N/ha/year
lichens, blue- kg N/ha/yrgreen algae 10-100
temperatelegumes 100-200
bacteria, C4-plants,tropical legumes 100-200
blue-greenalgae 30-120
temperatelegumes 100-200
lichens, blue-green algae 10-100
47
N dynamics in ecosystems
Nitrat, Ammonium
Konkurrenz um Substrat
48
N mineralisation
49
N mineralisation
• 2. Nitrification (NH4+ NO3
-)– Inhibited in acidic and cold conditions– Aerobic process
50
Denitrification
• NO3- N2O N2
• Facultative anaerobic process• Inhibited by oxygen
51Davidson et al. 2000
Nitrification and denitrification
52
Frage
• Warum wird Nitrat leichter als Ammonium aus Böden ausgewaschen?