Konzepte der Ökologie Pflanzen und Böden. Bodensysteme und die Basisinteraktionen Symbolsprachen...
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Konzepte der ÖkologiePflanzen und Böden
• Bodensysteme und die Basisinteraktionen• Symbolsprachen und Konzeptmodelle• Reduktion komplexer Systeme zu
Schlüsselprozessen, Schlüsselpools• Ebenen der Veränderung in Böden• Strategien der Pflanzen und Nachhaltigkeit
von Agrikultur
Interaktionen zwischen Pflanzen, Bödenund Boden(micro)organismen
Definitionen 1 Bodenökologie, Bioaktivität und Gasstoffwechsel
Bodenökologie
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. KohlenstoffquelleSink_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.
Microhabitate im Boden
Lückenraum-system:
Wasser
Luft
Schleime
Staunässe(anaerobe Zonen)
Rhizosphäre
Bodenpartikel(Carbonate)
Basisinteraktionen, Mesokosmenversuch, mechanistisch
XorgXdetr
Xmin
PflanzenMESOFAUNA
Bakt.Pilze
atm. Export
Auswaschung
Cyano-bacteria
atm. Import
Organismen-migration
SteuerungMaterial/Energie
VegetationSubstrates(Sugars, Amino Acids,Organic Acids)
Microbial Activity(Soil Enzymes)
Gas Exchange(N2O, CO2 , CH4 , C2H2)
Microbial Biodiversity(PLFA)
E- AbflußEnergiequelle Regler Passiver Speicher
Konsument
Steuerkreis
Lastkreis
Xorg....organisch geb. N/CXmin....remineralisierter N/C
Nach H.T.Odum, 1971
POM....particulate org. matterDOM....dissolved org. matter
MESOFAUNA
Xmin
Xorg
Pflanzen
SteuerungMaterial/Energie
Migration
Auswaschung
atm. Exportatm. Import
Cyano-Bakt
Basisinteraktionen, nach Odum
N- Turnover im Boden
MESOFAUNA
Pflanzen
DOM
POM
MiO
NH4
NO3
N2 N2ONOxN2
GC/HPLC
CHN
Urease
N-Fixierung
Denitrifikation
Nitrifikation Nitratreduktase
Urease
Desaminierung A
Desaminierung B
Protease
h
NH4+
NO3-
Urease
N atmosph.
BR, SIR
PLANT
POM
DOM
Rhizodeposition,Litter Feedback
Mass TransferSteering influence
MESOFAUNA MiO
Free Amino Acids
Protease
N-Turnoverin Soils
MESOFAUNA
Pflanzen
DOM
POM
MiO
Smin
S- Turnover im Boden DMS
Ionentausch
Arylsulfatase
H2S
MESOFAUNA
Pflanzen
DOM
POM
MiO
P- Turnover im Boden
Pmin
Phosphatase
Fumigation
Ionentausch
MESOFAUNA
Pflanzen
DOM
POM
Cmin
MiO
C- Turnover im BodenCHN
XylanaseCellulase
GC/HPLC
Hmus
ß-GlucosidaseSaccharase
URAS
SIR
CHN
CO2 Methan
DOM
POM
Cmin
MiO
CO2
PLANT
h
Xylanase
Rhizodeposition,Litter
Feedback
Mass TransferSteering influence
Dehydrogenase
BR, SIR
Free Sugars and Amino Acids
MESOF
Cellulase
C-Turnoverin Soils
pH
DOM
POM
italic....
normal...
ureides urease activity ammonia
protease activity microbial biomass
leaching
mesofaunagrazing
grazing litter
mass transfer
activity
poolinfluence
Vedder B., Kampichler C., Bachmann G., Bruckner A. & Kandeler E. (1996): Impact of faunal complexity on microbial biomass and N turnover in field mesocosms from a spruce forest soil.
Biology and Fertility of Soils 22, 22-30
Mesofauna and Mesocosms
MiOCO2
additional (RESP)
investigated system
inhibition
substrate enzymeN/C -
pH
enzyme activation / inhibitionenzyme induction / repressionabundance changediversificationadaptationslong term effects (succession)
mass flow
influence
stimulatingor inhibitingeffects:
basal (BR)original pool
supplement
Mikrobielle Aktivität und Biomasse
PFLANZE
h
ParticulateOrganicMatter
DissolvedOrganicMatter
Mikro-organismen
Karbonat
CO2
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.
Rhizodeposition Strategies of Plant Species
high biomass production
- keeping a reserve for remineralisation by slow decomposers (K-strategy)
high exudation of low molecular weight organic substances
- quick substrates for fast remineralizing microorganisms (R- strategy)
Combinations (extremes) and their impact on ecosystems
high biomass and high exudation high turnover, steady state or shift?
high biomass and low exudation steady state, slow shift of biodiversity
low biomass and high exudation quick depletion of nutrients, degradation?
low biomass and low exudation steady state, slow turnover rates
Asparagine induced Respiration (URAS)
0
20
40
60
80
100
120
0 90 180 270 360 450 540 630 720 810 900 990
Time (min)
mg
CO
2 / k
g FG
*h
Maniok
Sugar Cane
Maniok and Sugar Cane (BIOLOG-Test using Asparagine)
0
2000
4000
6000
8000
10000
0 840 1200 1440 2400 2670 3000 4320Time (min)
µg T
PF
/ mL
Sugar Cane
Maniok
Substrate activation, induction, resource limitation
Remin
RootShoot
MiO SIR
Ext EnzUrease
KI+_pH
H2O
NH4
FertilizerWater
Rice Soil System
WRCKEC
Litter