1. Der C-Transfer zwischen Pflanze und Boden

2. Kurfristige und längerfristige Reaktionenvon Pflanzen und Rhizosphäre

3. Unterschiedliche Wirkungstärke von erhöhtemCO2 auf unterschiedlichen Böden

4. Die Langzeitwirkungen: ein Nährstoffungleichgewicht entsteht

Biodiversitäten ändern sich

Fallbeispiel erhöhtes CO2

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 Respiration

exportleachingmigration

Root Biomass

Longitudinal Section89

cm

24,4

cm

1,6

cm30

cm

30 c

m1

cm2

cm

51 c

m, 2

1 cm

12 cm

55 cm

9,25

cm

19,5 cm 7,5 cm1,

5 cm

10 c

m

14,375 cm

Cross SectionSoilcompartment

13C steady state labelling: Begasungskammer

© Gert Bachmann, Thomas Franz

13C steady state labelling: the gas circuits

Channel SwitchingUnit

Sample1-6

Ref10 M KOH

CO2

ValveCO2

CO2 - Control H2O - Control

Measurement

0 ppm CO2 - Supply

PumpMass-flowmeter

Pump

H2O°C

ValveH2O

Pump IRGA13 CO2

IRGA12 CO2© Gert Bachmann, Thomas Franz

Abschätzen von Transferraten durch 13C labelingsoil respiration

0

100

200

300

400

500

600

700

0 5 10 15 20 25 30time [h] after labeling

ppm

CO

2

ae

13C in the soil air

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25 30time [h] after labeling

ppm

13C

O2

ae

ambient: 350 mgL-1 CO2

elevated: 750 mgL-1 CO2

Von besonderem Interesse: C- Flüsse zwischen den Kompartimenten

Blatt

StielAchse

Wurzel

RhizosphäreBoden

1

2

3

4

5

67

CO2

CO2

Sproßraum

Bodenkammer

Knöll.

CO2

14,8

9,8

38,8

0,8

4,4

7,113,8

12,4

22,4

42,62,1

4,5

4,89,2

9,3

5,4/

72,262,3

76,766,7

81,573,8

90,787,6

100100

? ?

14,822,4

9,85,4

Flüsse ambient

Flüsse elevated

Pools ambient

Pools elevated

8

CO2?

Wurzel

-40

-30

-20

-10

0

13C

Vollprobe gedüngt

Leerprobe ungedüngt

Sproß

-40

-30

-20

-10

0

13C

Vollprobe gedüngt

Leerprobe ungedüngt

Hypothese:Pflanzen nehmen Kohlenstoff fakultativauch aus dem Boden auf

Vollproben mit 13C markierter Glucose im Gießwasser gedüngt

pH

Karbonat im Boden kann bei erhöhtem CO2

ansteigen.carbonate accumulation at elevated CO2

0,002,004,006,008,00

10,0012,0014,0016,0018,0020,00

bulk soil rhizosphere

mg

g so

il-1

ae

temporal changes of bulk soil pH under Trifolium r.subjected to elevated CO2

6

6,5

7

7,5

8

H20_3 months H20_6 months KCl_3 months KCl_6 months

soil

pH ambientelevated

after 3 months of cultivation

n = 5EB: SE

Liebig´s "law of the minimum" (1855)

morphological changes after 6 months

ambient CO2

elevated CO2

Trifolium r.

Trifolium r. symptoms of cation deficiency

ambient elevated

Leaves of white clover with symptoms of Mg deficiency*

* Werner Bergmann: Farbatlas der Ernährungsstörungen bei Kulturpflanzen, Fischer V. Jena

hv

DOMorg. A

Fauna

Urease Aktivitytot.N

CO2

BacteriaCO3

- -

KI ++

KICO3

Fungi

POMNod.Bac .

N2

= Producer = Storage = Consumer

hypothetical model for Trifolium r. on alkaline soil

= Mass tranfer= Regulator

Shoot

Root

hv

DOM

Fauna

Urease Activity

N

CO2

CO3--Mg ++

MgCO3

Bacteria

Fungi

POM

= Mass transfer= Regulator

Hypothetical Model for Lolium p. on alkaline Soil

= Producer = Storage = Consumer

Root

BIOLOG2D Graph 7

X Data

0 20 40 60 80 100

Y D

ata

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0stunden vs l-asp stunden vs citrat stunden vs l-malat stunden vs a-keto Col 108 vs Col 109 Col 114 vs Col 115 Col 117 vs Col 118 Col 120 vs Col 121

hours of incubation

abso

rban

ce (T

TF)

2D Graph 4

X Data

0 20 40 60 80 100

Y D

ata

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

stunden vs l-asp stunden vs citrat stunden vs l-malat stunden vs a-keto Col 108 vs Col 109 Col 114 vs Col 115 Col 117 vs Col 118 Col 120 vs Col 121

sugars amino acids

ambient CO2 elevated CO2

of organic acids

aspartatecitrate l-malatea-ketoglutarate

f=y0+a/(1+exp(-(x-x0)/b))

0,000,200,400,600,801,001,201,401,60

Control20m

5m 3m 1m 20cm4,50

4,70

4,90

5,10

5,30

5,50

5,70

5,90

Ca_HClMg_HClK_HClpH

pHSNACE (natural CO2 wells at Maribor)

"Mofeta Strmec ditch "

0,001,002,003,004,005,006,007,008,00

Ditchcontrol

15m

Ditch 4mDitch 1m DitchGround

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

Ca_HClMg_HClpHK_HCl

mg g soil DW-1 mg g soil DW-1

Ditch Ground:1.41 % CO3 -C

low WRChigh WRC

Agrosol transsect

DehydroDeaminase

PhosphatasUrease

Cellulase

13C

C_ges

SIR

BRthrser

glualaval leu Glycerin

Glucose

Trehalose

-4,7 -2,7 -0,7 1,3 3,3 5,3-2,9

-0,9

1,1

3,1

5,1

Component 1 (53,1 %)

Com

pone

nt 3

(10,

6 %

)ICAT-Hauptkomponenten

RNE

RE

RNK

RK

BK

BNEBNK

BE

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

3 4 5 6 7 8 9

%carbonate%C%SIR%DOM%BR%d13C%Urease

% in

crea

se

pH

ICAT-Birmensdorf, FACE-Eschikon, SACE-Nenzlingen 1996-98

Soil pH determines strength of CO2 Effects

CO2

CO2

H2CO3

H2O

CaCO3

MgCO3

Mg++

Ca++

soil

air

ground water

1

2

3

cation pools and sinks at elevated CO2

plant biomass

carbonates

range of probable systems

elasticity

stability

recent ecosystem(neutral pH)

environmental influences:temperature

CO2

rhizodeposition

May elevated carbon dioxyde lead topersistent modifications of ecosystems?

cation deficientsystem(acidic)

resilience

soil properties: (pH, water holding capycity)

ener

gy n

eede

d fo

r per

man

ent c

hang

es

carbonate- adapted ecosystem(alkaline)

Schlussfolgerungen:

Beurteilung von Kohlenstoff- transferraten erfordert längere Beobachtungszeiträume und Markierungsexperimente

Pflanzen können einer CO2- induzierten Alkalinisierung vonBöden gegensteuern, aber nur für eine beschränkte Zeit

Der Effekt von erhöhtem CO2 auf Vegetationen und Bödenhängt großteils von edaphischen Faktoren ab. (WRK, SAS, pH, KAK)

Erhöhtes CO2 führt langfristig wohl in allen Böden zu einer relativen Kationenmangelsituation.