Biogenic silicon in agricultural landscapes (BiSiAL): Quantification, qualitative characterization, and importance for Si balances of agricultural biogeosystems

• Applicant: Dr. Daniel Puppe
• Subject Area: Soil Sciences
• Term: from 2018 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 397529835

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Das Projekt BiSiAL erbrachte wichtige Erkenntnisse bezüglich der Effekte des Strohrecyclings auf die langfristige Si-Verfügbarkeit in agrarisch genutzten Böden und der physikochemischen Eigenschaften von Phytolithen. Das Strohrecycling stellte sich als effektive und umweltfreundliche Methode zur langfristigen Verbesserung der Verfügbarkeit an pflanzenverfügbarem Si in Agrarböden heraus. Durch das Strohrecycling kann die Si-Versorgung von Ackerkulturen gesichert und somit deren natürliche Resilienz gegenüber Stressbedingungen (z.B. Trockenheit oder Pilzbefall) erhöht werden. Unter Berücksichtigung einer möglichen langfristigen C-Speicherung in agrarischen Böden mittels Stroh- Phytolithen gewinnt das Strohrecycling zusätzlich an Bedeutung für eine moderne nachhaltige Landwirtschaft. Mit der im durchgeführten Projekt erprobten Kombination mikro- und spektroskopischer Methoden zur Analyse von Phytolithen hat der Antragsteller die Grundlagen geschaffen, das Potential der C-Sequestrierung in Agrarlandschaften detailliert auszuloten. Darüber hinaus sind die veröffentlichten Erkenntnisse zu den Mechanismen der Auto-Fluoreszenz von Phytolithen auch für archäologische, paläobotanische und ökologische Untersuchungen von großer Relevanz. Die Menge an pflanzenverfügbarem Si im Boden des Langzeitfeldversuchs V140 konnte durch das Strohrecycling deutlich gesteigert werden und erreichte bereits nach einigen Jahrzehnten Werte, die aus ungestörten Ökosystemen bekannt sind. Dieses erfreuliche (wenn auch nicht ganz unerwartete) Ergebnis zeigt den langfristigen Aufbau eines phytogenen Si-Pools im Boden, der als Quelle für das pflanzenverfügbare Si dient. Als beachtlich ist die Stabilität einiger funktioneller Gruppen (z.B. C-O, N- H, C=O, C=C) der organischen Bestandteile von Phytolithen einzustufen, die sogar nach Extraktion der Phytolithe aus Pflanzenproben (inkl. einer Behandlung mit H2O2 und HNO3 zur Oxidation organischen Materials) und anschließender sechsstündiger Erhitzung der extrahierten Phytolithe bei 600°C detektierbar waren. Dies verdeutlicht eindrücklich das Potential einer C-Sequestrierung in Böden mittels Phytolithen. Beim rbb24-Inforadio gab es im September 2020 ein Interview mit Jörg Schaller (Leiter der ZALF-AG Silizium-Biogeochemie) und dem Antragsteller zu Si in Agrarlandschaften.

Publications

• Physicochemical surface properties of different biogenic silicon structures: Results from spectroscopic and microscopic analyses of protistic and phytogenic silica. Geoderma, 330, 212-220.
  Puppe, Daniel & Leue, Martin
  
• Review on protozoic silica and its role in silicon cycling. Geoderma, 365, 114224.
  Puppe, Daniel
  
• Crop straw recycling prevents anthropogenic desilication of agricultural soil–plant systems in the temperate zone – Results from a long-term field experiment in NE Germany. Geoderma, 403, 115187.
  Puppe, Daniel; Kaczorek, Danuta; Schaller, Jörg; Barkusky, Dietmar & Sommer, Michael
  
• Heat improves silicon availability in mineral soils. Geoderma, 386, 114909.
  Schaller, Jörg & Puppe, Daniel
  
• Silicon Cycling in Soils Revisited. Plants, 10(2), 295.
  Schaller, Jörg; Puppe, Daniel; Kaczorek, Danuta; Ellerbrock, Ruth & Sommer, Michael
  
• Silicon in the Soil–Plant Continuum: Intricate Feedback Mechanisms within Ecosystems. Plants, 10(4), 652.
  Katz, Ofir; Puppe, Daniel; Kaczorek, Danuta; Prakash, Nagabovanalli B. & Schaller, Jörg
  
• Spatial patterns of aboveground phytogenic Si stocks in a grass-dominated catchment – results from UAS-based high-resolution remote sensing. Biogeosciences, 18(18), 5163-5183.
  Wehrhan, Marc; Puppe, Daniel; Kaczorek, Danuta & Sommer, Michael
  
• Auto-Fluorescence in Phytoliths—A Mechanistic Understanding Derived From Microscopic and Spectroscopic Analyses. Frontiers in Environmental Science, 10.
  Puppe, Daniel; Leue, Martin; Sommer, Michael; Schaller, Jörg & Kaczorek, Danuta
  
• Peatland degradation in Asia threatens the biodiversity of testate amoebae (Protozoa) with consequences for protozoic silicon cycling. Geoderma, 420, 115870.
  Qin, Yangmin; Puppe, Daniel; Li, Hui; Li, Hongkai; Mazei, Yuri; Tsyganov, Andrey N.; Man, Baiying; Huang, Xianyu; Gu, Yansheng & Xie, Shucheng
  
• Silicification patterns in wheat leaves related to ontogeny and soil silicon availability under field conditions. Plant and Soil, 477(1-2), 9-23.
  Schaller, Jörg; Puppe, Daniel; Busse, Jaqueline; Paasch, Silvia; Katz, Ofir; Brunner, Eike; Kaczoreck, Danuta & Sommer, Michael