Jun.-Prof. Sandra Spielvogel spielvogel@uni-koblenz.de

1

1. Wie verändert sich das Monomermuster von Cutin und Suberin aus

Kobresia pygmaeaim Laufe des Abbaus. Das Tibetische Hochland ist durch weit verbreitete alpine Weideflächen charakterisiert. Insbesondere

die Kobresia pygmaea-dominierten Grasländer sind dabei an den Beweidungsdruck durch Yaks sehr gut

angepasst. Kobresia pygmaea bildet einen ausgeprägten Wurzelfilz aus, welcher den Boden vor

Degradation schützt. Allerdings führen derzeit Siedlungsprogramme zu Ungleichheiten in der

Beweidungsintensität, mit Überweidung in der Nähe der Dörfer und abnehmenden Beweidungsdruck

abseits der Ortschaften. Dies hat Veränderungen der floristischen Gemeinschaft zur Folge, welche

ihrerseits Menge und Eintragspfad (oberirdische Streu versus Wurzelstreu) der organischen Substanz

in den Boden beeinflussen. Modifikationen in Menge und Herkunft der Kohlenstoffallokation in den

Boden können z.B. mittels Isotopenmarkierungs-experimenten erfasst werden.

Zäunungs- und Beweidungsausschlussexperiment in Xinghai (Fotos:G.Guggenberger, Leibniz-Universität Hannover)

Eine alternative Methode bieten Biomarker bzw. Biomarkermuster an, welche spezifisch für

verschiedene Pflanzen bzw. Pflanzenteile (z.B. Spross versus Wurzel) sind. Vorangegangene Arbeiten

haben gezeigt, dass Cutin- und Suberin-Monomermuster aus Wurzel- und Sprossmaterial geeignet sind,

den Beitrag oberirdischer vs. unterirdischer Biomasse zur organischen Bodensubstanz in Abhängigkeit

der Beweidung abzuschätzen.

Stratifizierte Entnahme von Bodenproben (Foto: G.Guggenberger, Leibniz-Universität Hannover)

Die Verwendung von Biomarkermustern zur Rekonstruktion des Beitrages oberirdischer vs.

unterirdischer Biomasse zum Kohlenstoffpool des Bodens setzt jedoch nicht nur unterschiedliche

Jun.-Prof. Sandra Spielvogel spielvogel@uni-koblenz.de

2

Biomarkermuster in den verschiedenen Pflanzenteilen voraus, sondern auch, dass diese Muster während

des Abbaus der organischen Bodensubstanz erhalten bleiben.

Im Rahmen der geplanten Abschlussarbeit sollen Laborinkubationsversuche mit Kobresia pygmaea

durchgeführt werden um die Veränderung des Cutin- und Suberinmusters in den abgestorbenen

Pflanzenteilen und im Boden in Abhängigkeit von verschiedenen Feuchteregimes zu verfolgen.

Hierfür sollen folgende Versuche durchgeführt werden:

• Laborinkubation von Wurzel- und Sprossmaterial von Kobresia pygmaea bei 60% und 30%

Wasserhaltekapazität.

• Messung der Cutin und Suberingehalte sowie deren Zusammensetzung über die Zeit.

• Identifikation monomerspezifischer Umsatzraten.

Mittels dieser Analysen sollen folgende Hypothesen geklärt werden:

• Im Laufe der Degradation von Cutinen und Suberinen reichern sich diejenigen Monomere an, die im

„Zentrum“ des Makromoleküls lokalisiert sind (di- und tri-Hydroxyfettsäuren). Andere Monomere

reichern sich tendenziell ab.

• Trotzdem bleibt das Pattern der „Core-Monomere“ erhalten und erlaubt die Unterscheidung zwischen

Cutinen und Suberinen auch bei fortgeschrittenem Abbaugrad.

• Bei 60% WHK verändert sich das Monomermuster schneller als bei 30% WHK.

Jun.-Prof. Sandra Spielvogel spielvogel@uni-koblenz.de

3

2. Einfluss von Landnutzung und Biodiversität auf die Zusammensetzung

und Stabilität der organischen Bodensubstanz entlang eines

Klimagradienten am Mt. Kilimandscharo (Möglichkeit zur Anfertigung zweier

gekoppelte Abschlussarbeiten).

Um den Einfluss von Klima- und Landnutzungsänderungen auf die Biodiversität und Ökosystemstabilität

am Mt. Kilimanjaro zu verstehen ist es notwendig, die biotischen und abiotischen Faktoren zu kennen,

welche die Kohlenstoff- und Nährstoffflüsse in diesem Ökosystem steuern. Das geplante

Abschlussprojekt konzentriert sich hierbei auf die Zusammensetzung und den Abbaugrad der

organischen Substanz, die den wichtigsten Kohlenstoffspeicher im System darstellt. Zu diesem Zweck

soll der Beitrag leicht abbaubarer Kohlenverbindungen (hydrolysierbare Neutralzucker) vs. schwerer

abbaubarer Kohlenstoffverbindungen (Cutin/Suberin und Lignin) zum Kohlenstoffpool entlang eines

Höhen- und Landnutzungsgradienten in verschiedenen Bodentiefen bestimmt werden und mit der

Biodiversität und den Klimabedingungen in Beziehung gesetzt werden. Mittels Dichtefraktionierung

(evtl. Aggregatfraktionierung) soll der Beitrag pflanzlicher und mikrobieller Kohlenstoffverbindungen

zu SOC-Pools mit unterschiedlichen Umsatzraten ermittelt werden (Abschlussarbeit 1).

Blick auf den Mt. Kilimandscharo (Quelle: http://www.uni-goettingen.de)

Darüber hinaus soll der Abbau des pflanzlichen Materials entlang des Landnutzungs- und

Klimagradienten durch Bestimmung des Abbaugrads von hydrolysierbaren Neutralzuckern,

Cutinen/Suberinen und Lignin in den Proben eines „Litterbag-Experiments“ entlang des Klima- und

Landnutzungsgradienten genauer untersucht werden (Kooperation mit Projekt 7) und mit der

Zusammensetzung der mikrobiologischen und makrobiologischen Zersetzergemeinschaft (bestimmt

durch Projekt 7) in Beziehung gesetzt werden (Abschlussarbeit 2).

Jun.-Prof. Sandra Spielvogel spielvogel@uni-koblenz.de

4

CambicAndosol am Mt. Kilimandscharo (Foto: Y. Kuzyakov, Georg-August-Universität Göttingen)

Hierfür sollen folgenden Versuche durchgeführt werden:

• Messung der Neutralzucker, Cutin, Suberin und Ligningehalte in den Pflanzen und Bodenproben des

Klima- und Landnutzungsgradienten

• Messung der Neutralzucker, Cutin, Suberin und Ligningehaltein den Dichtefraktionen der Bodenproben.

• Messung der Neutralzucker, Cutin, Suberin und Ligningehalte in den Proben des „Litterbag-

Experiments“.

Mittels dieser Analysen sollen folgende Hypothesen geklärt werden:

• Zusammensetzung und Abbaugrad des organischen Materials verändern sich entlang des Klima- und

Landnutzungsgradienten.

• Das Muster der hydrolysierbaren Lipide im Boden weist unter Systemen höherer pflanzlicher

Biodiversität ebenfalls eine höhere Diversität auf.

• Die Dominanz unterschiedlicher Makro- und Mikrozersetzergemeinschaften resultiert in

unterschiedlichen „Zersetzungsmustern“ des OM (Litterbag-Exp.)

Jun.-Prof. Sandra Spielvogel spielvogel@uni-koblenz.de

5

3. Spät-Quartäre Verschiebung der Baumgrenze am Mt. Kilimandscharo

Im späten Quartär verschob sich die Baumgrenze am Mt. Kilimandscharo mehrere Male aufgrund der

Klimaverschiebungen aber auch im Zusammenhang mit großflächigen Brandereignissen. Seesedimente,

Moorböden und überlagerte Böden sollen genutzt werden die historische Vegetations- und

Klimaentwicklung am Mt. Kilimandscharo zu rekonstruieren und daraus zukünftige Entwicklungen im

Rahmen der globalen Erwärmung ableiten zu können.

Verlagerung der Baumgrenze am Mt. Kilimandscharo (Quelle: Universität Bayreuth, http://www.unep.org)

Die geplante Arbeit findet in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Behling (Department of Palynology and

Climate Dynamics, Universität Göttingen) statt, die die historische Vegetationsentwicklung anhand von

Pollenanalysen rekonstruiert.

Jun.-Prof. Sandra Spielvogel spielvogel@uni-koblenz.de

6

Probennahme im Urwald des Mt. Kilimandscharo

Ziel der Abschlussarbeit ist es, geeignete molekulare Proxys zu identifizieren um die Verschiebungen

der Baumgrenze am Mt. Kilimandscharo zu rekonstruieren und mit historischen Klimaänderungen aber

auch mit großflächigen Brandereignissen in Beziehung zu setzen.

Hierfür sollen folgenden Versuche durchgeführt werden:

• Analyse der Pattern von Tanninen, Cutinen, Suberinen und extrahierbaren Lipiden der dominierender

Pflanzenarten.

• Bestimmung des Patterns von Tanninen, Cutinen, Suberinen und extrahierbaren Lipiden in den Proben

der Seesedimente, Moorböden und begrabenen Horizonten.

• BPCA-Analyse an ausgewählten Proben zum Nachweis von Vegetationsbränden.

Mittels dieser Analysen sollen folgende Hypothesen geklärt werden:

• Mit Hilfe des Patterns von Tanninen, Cutinen, Suberinen und extrahierbaren Lipiden in den Sediment-

und Bodenproben lassen sich historische Verschiebungen der Baumgrenze am Mt. Kilimandscharo

rekonstruieren.

• Die molekularen Proxys sind „ortsfester“ als die ebenfalls zur Rekonstruktion früherer

Vegetationsgesellschaften verwendeten Pollen (werden nicht mit dem Wind verlagert). Insbesondere

Suberin, das nur in Wurzeln vorkommt zeichnet sich durch eine hohe „Ortsgenauigkeit“ aus. Daher

können frühere Vegetationsgrenzen mit Hilfe der molekularen Proxys genauer gezogen werden.

• Die Verwendung der molekularen Proxys erlaubt eine Vegetationsrekonstruktion auch noch in

Horizonten/Schichten die keine Pollen mehr enthalten.

Jun.-Prof. Sandra Spielvogel spielvogel@uni-koblenz.de

7

4. Kohlenstoffinput und –umsatz in Bioporen Bodenkohlenstoff ist einer der wichtigsten Kohlenstoffspeicher weltweit und stellt damit eine

Schlüsselgröße im globalen Kohlenstoffhaushalt dar. Kaum beachtet wurde bisher die Rolle von

Unterböden (>30 cm Tiefe) für die Kohlenstoffspeicherung. Unklar ist z.B. nach wie vor die quantitative

Bedeutung von Kohlenstoff, der auf verschiedenen Eintragswegen in den Unterboden gelangt.

Insbesondere die Bedeutung von Bioporen für den Eintrag von C in den Unterboden ist noch nicht

geklärt.

Bioporen im Unterboden

Jun.-Prof. Sandra Spielvogel spielvogel@uni-koblenz.de

8

Im geplanten Abschlussprojekt sollen die molekularen Muster der extrahierbarer Lipide, der

hydrolysierbarer Lipide (Cutin/Suberin) und des Lignins genutzt werden um zwischen Bioporen die von

Wurzeln und solchen die von Regenwürmern über-/geformt wurden zu unterscheiden und ihren Beitrag

zum Eintrag von C in den Unterboden unter Pflanzen mit unterschiedlichem Wurzelsystem

abzuschätzen.

Hierfür sollen folgenden Versuche durchgeführt werden:

• Sequentielle Analyse des Patterns von extrahierbaren Lipiden, Cutin-, Suberin- und Lignin in

Pflanzenwurzeln und Regenwurmfacies zur Identifikation charakteristischer Muster.

• Bestimmung der Muster von Lipiden, Cutin-, Suberin- und Lignin in den Bodenproben von Bioporen und

im bioporenfreien, umgebenden Boden.

Mittels dieser Analysen sollen folgende Hypothesen geklärt werden:

• Mit Hilfe des Patterns von extrahierbaren Lipiden, Cutin-, Suberin- und Lignin können Bioporen, die von

Wurzeln geformt wurden von Regenwurmröhren unterschieden werden.

• Mit Hilfe der Cutinverteilung (Verwendung von 13C markiertem Pflanzenmaterial; 13C-Cutin = Marker für

oberirdische Biomasse) in Regenwurmröhren kann die Bedeutung der Einbringung oberirdischer

Biomasse durch Würmer unter verschiedenen Fruchtfolgen für den C-Pool des Unterbodens

abgeschätzt werden.

Jun.-Prof. Sandra Spielvogel spielvogel@uni-koblenz.de

9

5. Vorräte und Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz entlang

einer Landnutzungssequenz von natürlichem Regenwald bis zu

Palmölplantagen in Sumatra Der Gehalt an organischem Kohlenstoff (OC) stellt ein wichtiges Maß der Bodenfruchtbarkeit dar. Dies

gilt insbesondere für die tiefgründig verwitterten Böden tropischer Regenwälder. Zwei

ineinandergreifende Prozesse können in den Böden intakter Regenwälder Sumatras die Anreicherung von

OC im (Unter-)boden begünstigen: 1) Der schnelle Abbau von abgestorbenem Pflanzenmaterial an der

Bodenoberfläche und in den obersten Bodenhorizonten unter feucht-warmen Bedingungen führt zur

Produktion großer Mengen an gelöstem organischem Material (DOM) und somit zu einer raschen

Verlagerung von löslichen Kohlenstoffverbindungen im Boden. 2) Hohe Gehalte an Fe3+ and Al3+-Oxiden

in den tiefgründig verwitterten Böden stehen als Sorbenten für den freigesetzen OC zur Verfügung.

Hypothese: Entlang der Transformationssequenz verändert sich die Menge und Zusammensetzung des eingetragenen

organischen Materials.

Das geplante Abschlussprojekt basiert auf der Annahme, dass sich sowohl Qualität als auch Menge des

in den Boden eingetragenen DOM entlang einer Transformationssequenz von natürlichem Regenwald

über „Jungle Rubber Plantagen“ bis hin zu herkömmlichen Gummi- und Palmölplantagen verändern. Ziel

der Abschlussarbeit ist es, mittels Analyse einer Sequenz von Biomarkern Menge, Zusammensetzung

und Abbaugrad des organischen Materials in der Auflage und im Boden entlang einer

Landnutzungssequenz aus natürlichem Regenwald, „Jungle Rubber Plantagen“, Gummi- und

Palmölplantagen zu untersuchen und mit der Menge und Qualität des produzierten DOM in Beziehung zu

setzen.

Jun.-Prof. Sandra Spielvogel spielvogel@uni-koblenz.de

10

Palmölplantage in Sumatra

Hierfür sollen folgenden Versuche durchgeführt werden:

• Analyse von Menge und Abbaugrad von extrahierbaren Lipiden, Cutin-, Suberin-, Lignin und

Neutralzuckern in Streu und Böden entlang der Landnutzungssequenz.

• Fraktionierung des DOM in hydrophiles DOM (HiDOM) und hydrophobes DOM (HoDOM).

Mittels dieser Analysen sollen folgende Hypothesen geklärt werden:

• Entlang der Landnutzungssequenz von natürlichem Regenwald über „Jungle Rubber Plantagen“ zu Gummi-

und Palmölplantagen nimmt die Menge des in den Boden eingetragenen OC ab und der Abbaugrad des OC

steigt an.

• Dadurch verändert sich die Qualität des DOM im Boden. Die relative Menge an HiDOM nimmt ab,

während der prozentuale Anteil desHoDOM am gesamten DOM ansteigt.

Jun.-Prof. Sandra Spielvogel spielvogel@uni-koblenz.de

11

6. Sorptionsprozessevon gelöstem organischem Material und

Aggregatstabilität in Böden Sumatras entlang einer

Landnutzungssequenz von natürlichem Regenwald bis zu Palmölplantagen Die Bildung von Aggregaten leistet einen wesentlichen Beitrag zur Strukturbildung von Böden und zur

Stabilisierung organischer Substanz (“physikalische Stabilisierung). Mikroaggregate (63–250 µm)

stellen hierbei die kleinste strukturbildende Einheit in Böden dar. Maßgeblich für die Bildung von

Mikroaggregaten in Böden sind Sorptionsprozesse (Adsorption und Präzipitation) von organischem

Material (OM) an Mineralen und umgekehrt, wodurch weitere Reaktionen mit Mineralen oder OM

stattfinden können.

REM Aufnahmen unterschiedlicher Eisenoxide (Quelle:K. Kaiser, R. Mikutta, G. Guggenberger (2007) SoilSci. Soc. Am. J.)

Das geplante Abschlussprojekt basiert auf der Annahme, dass sich sowohl Qualität als auch Menge des

in den Boden eingetragenen gelöstem organischem Material (DOM) entlang einer

Transformationssequenz von natürlichem Regenwald über „Jungle Rubber Plantagen“ zu Gummi- und

Palmölplantagen verändern. Es wird davon ausgegangen, dass die relative Menge an hydrophilem DOM

(HiDOM) abnimmt, während der prozentuale Anteil von hydrophobem DOM (HoDOM) am gesamten DOM

ansteigt. Dies könnte einen maßgeblichen Einfluss auf Zusammensetzung des OM in den Aggregaten

aber auch auf die Aggregatstabilität und damit die Mineralisierung des OM haben.

Jun.-Prof. Sandra Spielvogel spielvogel@uni-koblenz.de

12

Umbric Acrisol in Sumatra

Um dies zu testen, sollen Aggregatstabilität und Zusammensetzung des OM in Mikro-aggregaten von

Böden entlang einer Landnutzungssequenz von natürlichem Regenwald über „Jungle Rubber Plantagen“ zu

Gummi- und Palmölplantagen in Sumatra untersucht werden.

Hierfür sollen folgenden Versuche durchgeführt werden:

• Aggregatfraktionierung der Böden entlang der Landnutzungssequenz

• Selektive Auflösung der Bindemittel der (Mikro-)aggregate der verschiedenen Aggregatgrößenklassen

(v.a. Fe- und Al-Oxide). Bestimmung der C und N Gehalte im Rückstand

• Analyse der chemischen Zusammensetzung des OM in den verschiedenen Aggregatgrößenklassen.

Mittels dieser Analysen sollen folgende Hypothesen geklärt werden:

• Entlang der Landnutzungssequenz von natürlichem Regenwald über „Jungle Rubber Plantagen“ zu Gummi-

und Palmölplantagen verändert sich die Menge und Zusammensetzung des in Aggregaten gebundenen

Kohlenstoffs.

• Darüber hinaus verändert sich die Aggregatstabilität.

Jun.-Prof. Sandra Spielvogel spielvogel@uni-koblenz.de

13

7. Rekonstruktion der historischen Vegetationszusammensetzung und –

dynamik in früheren Regenwaldregionen Sumatras mit Hilfe

molekularer Marker

Ein großer Teil des früheren Regenwaldes in Sumatra wurde im Holozän durch menschliche Aktivität

überformt und z.T. in landwirtschaftliche Nutzfläche umgewandelt. Dies zieht enorme Konsequenzen im

Hinblick auf verschiedenste Ökosystemdienstleistungen und im Hinblick auf die Biodiversität der

betroffenen Flächen nach sich. Bisher ist jedoch wenig über die Entwicklung und Dynamik der

Regenwaldtransformation Sumatras imHolozän bekannt. Die frühere Ausdehnung unterschiedlicher

Vegetationsformen bleibt bislang weitgehend spekulativ.

Pollen unterschiedlicher Pflanzen im Untersuchungsgebiet(Quelle:H. Behling, Georg-August-Universität Göttingen)

Für ein umfassendes Verständnis der gegenwärtigen Entwicklung und Dynamik in den Regenwaldregionen

Sumatras sind integrierende Studien notwendig, mittels derer die vergangenen

Vegetationstransformationen mit historisch überlieferten Ereignissen (Waldbrände, Klimaänderungen,

Landnutzung) in Verbindung gebracht werden können. Ziel der geplanten Abschlussarbeit ist es daher,

die historische Regenwaldtransformation in den zentralen Untersuchungsgebieten Sumatras mittels

molekularer Marker zu rekonstruieren.

Jun.-Prof. Sandra Spielvogel spielvogel@uni-koblenz.de

14

Die geplante Arbeit findet in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Behling (Department of Palynology and

Climate Dynamics, Universität Göttingen) statt, die die Vegetations-entwicklung im Holozän in den

Regenwaldgebieten Sumatras anhand von Pollenanalysen rekonstruiert.

Gummigewinnung in Sumatra

Hierfür sollen folgenden Versuche durchgeführt werden:

• Analyse des Patterns von Tanninen, Cutinen, Suberinen und extrahierbaren Lipiden der

dominierendenrezenten Vegetationsformen (natürlicher Regenwald, „Jungle Rubber Plantage“, Gummi-

und Palmölplantage).

• Bestimmung des Patterns von Tanninen, Cutinen, Suberinen und extrahierbaren Lipiden in den Proben

überlagerter Bodenprofile und Sedimente.

Mittels dieser Analysen sollen folgende Hypothesen geklärt werden:

• Mit Hilfe des Patterns von Tanninen, Cutinen, Suberinen und extrahierbaren Lipiden in den Sediment-

und Bodenproben lassen sich historische Vegetationsgesellschaften/Landnutzungssysteme

rekonstruieren.

• Die molekularen Proxys sind „ortsfester“ als die ebenfalls zur Rekonstruktion früherer

Vegetationsgesellschaften/Landnutzungssysteme verwendeten Pollen (werden nicht mit dem Wind

verlagert). Insbesondere Suberin, das nur in Wurzeln vorkommt zeichnet sich durch eine hohe

„Ortsgenauigkeit“ aus.

• Die Verwendung der molekularen Proxys erlaubt eine Landnutzungsrekonstruktion auch noch in

Horizonten/Schichten, die keine Pollen mehr enthalten.