Akkumulation, Transformation und Stabilisierung von organischem Stickstoff entlang eines mineralogischen Bodengradienten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Organische Substanz (OM) ist die wichtigste Quelle bioverfügbaren Stickstoffs (N), jedoch ist Bedeutung funktional unterschiedlicher OM-Fraktionen für den N-Kreislauf nur wenig verstanden. Dieses Projekt prüfte die Bedeutung mineral-organischer Assoziationen für die Akkumulation, Transformation und Bioverfügbarkeit von organischem N (ON) in Böden entlang einer Chronosequenz unter Regenwaldvegetation im gemäßigten Klima Neuseelands. War pedogenes Fe und Al in jungen Böden (<1 kyr) noch vornehmlich in metall-organischen Komplexen gebunden, verschob sich dies in intermediären (1-12 kyr) und alten Böden zu Gunsten schwachkristalliner Fe- und Al-Phasen bzw. kristalliner Fe-Oxide. Aufgrund fortschreitender Mineralverwitterung bildete sich eine komplexe Assemblage an verschiedenen Tonmineralen. Diese mineralogischen Veränderungen modifizierten jedoch nur in geringem Ausmaß die Vorräte an OC und ON. Der dominierende Anteil des ON war in allen Böden mit der Mineralphase assoziiert (95 ± 5% des Gesamt-N). Röntgenphotoelektronenspektroskopie und Biomarkerdaten (Aminosäuren, Aminozucker) zeigten, dass sich diese Fraktion vornehmlich aus proteinogener organischer Substanz (Aminosäuren) als auch aus vorrangig pilzbürtigen Aminozuckern zusammensetzt. Obgleich sich die mineralogischen Veränderungen wenig differenzierend auf die OM-Zusammensetzung auswirken, induzieren diese jedoch deutliche Muster an potentiellen Enzymaktivitäten sowohl auf Horizont- als auch Pedonskala. Protease-, Urease- als auch Phosphataseaktivitäten waren durch Interaktion mit vornehmlich schwachkristallinen Fe- und Al-Phasen herabgesetzt, wobei dies für die Aminopeptidasen nicht beobachtet wurde. Ähnlich zu den Enzymaktivitäten bewirkte die variierende mineralogische Ausstattung auch eine unterschiedliche Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften, insbesondere im Hinblick auf Archaeen und Bakterien (qPCR und Pyrosequenzierung). Inkubationsexperimente mit Feinerdefraktionen unter oxischen Bedingungen für 90 Tage zeigten eine positive Netto-N-Mineralisation in den untersuchten mineralischen Oberböden, wobei ON in den Unterböden aufgrund starker Mineral-ON-Interaktionen kaum bioverfügbar war. In detaillierteren Mesokosmenexperimenten mit mineral-assoziierter OM wurde für 125 Tage der Einfluss des Redoxregimes, des Bodenalters (mineralogische Ausstattung) sowie der Substrat- / Nährstoffverfügbarkeit (Cellulose, Phosphat) auf den N- Umsatz geprüft. Daten zur N-Mineralisation sowie funktionellen N-bezogenen Genen (qPCR) bestätigten, dass mineral-assoziierter N eine wichtige bioverfügbare N-Quelle für Mikroorganismen darstellt. Der Umsatz dieser Fraktion wird vorrangig durch das Redoxregime des Bodens gesteuert (oxisch vs. anoxisch), wobei auch mineralogische Bodeneigenschaften (Fe- und Al-Oxide und Tongehalt) modifizierend auf den N-Umsatz je nach betrachtetem N-Substrat (ON, NH4+, NO3-) einwirken. Im Gegensatz dazu war der Umsatz des mineralgebundenen N weitgehend unabhängig von der Versorgung mit leicht verfügbaren Kohlenstoffverbindungen (Cellulose) und Phosphat. Die vorgelegten Studien belegen, dass mineralgebundener ON in mineralischen Oberböden eine bioverfügbare Fraktion bereithält. In Unterböden verhindert eine weitgehende Stabilisierung durch Minerale die Freisetzung und mikrobielle Nutzung des gebundenen Stickstoffs. Zusammenfassend ist festzustellen, dass mineralassoziierter ON eine wichtige, bislang jedoch wenig betrachtete Quelle zur Ökosystemversorgung mit N darstellt. Die Ausschöpfung dieses N-Pools bleibt dabei jedoch auf C-reiche Oberböden beschränkt, da sich hier der stabilisierende Einfluss der Bodenminerale weniger bemerkbar macht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2014) Mineralogical impact on long-term patterns of soil nitrogen and phosphorus enzyme activities. Soil Biology and Biochemistry 68, 31-43
Turner S, Schippers A, Meyer-Stüve S, Guggenberger G, Gentsch N, Dohrmann R, Condron LM, Eger A, Almond PC, Peltzer DA, Richardson SJ, Mikutta R
