Räumliche Muster der Bildung organischer Bodensubstanz im Unterboden: Einfluss der Nährstoffverfügbarkeit auf die Bildung und Dynamik mikrobieller Hotspots
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Präferentielle Fließwege (FP) beeinflussen die räumliche Verteilung von Wasser, Substraten und Nährstoffen im Boden. Daher kommt es in FP zu einer Ausbildung mikrobieller Hotspots mit erhöhtem Kohlenstoffumsatz im Vergleich zum benachbarten Matrixboden (MA). Dies ist vor allem im Unterboden bedeutsam, wo frische Einträge selten und nur sehr lokal verfügbar auftreten. Daher ist der Matrixboden stärker von Nährstoffmangel betroffen als Fließwege, was zu einem höheren Anteil an dormanten Mikroorganismen führt und somit geringere C-Umsatzraten im Vergleich zum FP erreicht werden. Um den C-Umsatz und die Nährstofflimitierungen in Fließwegen und Matrixböden zu untersuchen, führten wir ein Feldexperiment durch, bei dem drei SUBSOM-Observatorien in einem sandigen Boden eines Buchenwaldstandorts mit einem Tracer (Brilliant blue) bewässert wurden (20 mm h-1 über 10 Stunden), durch den die Wasserflüsse in den Unterboden sichtbar wurden. Es wurden Bodenproben aus FP und MA in verschiedenen Tiefen entnommen und auf mikrobielle und extrazelluläre Enzymaktivitäten (EEA), Substrat- und Nährstoffbegrenzungen sowie die räumliche Ausdehnung der Fließwegeffekte analysiert. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Anzahl der mikrobiellen Hotspots im oberen Unterboden (15-27 cm) im Vergleich zu tieferen Unterbodenregionen (80-92 cm) geringer (38% weniger) und die Ausdehnung kleiner (75% kleiner) war. Die Stimulierung der mikrobiellen Aktivität durch Substrat- und Nährstoffzugaben war in beiden Tiefen in den Nicht-Hotspot-Bereichen größer als in den Hotspots selbst. Dormante Mikroorganismen in Nicht-Hotspot-Bereichen wurden durch C- und Nährstoffzugaben stärker aktiviert als Organismen in den Hotspots. Betrachtet man das FP-System, wurde deutlich, dass FP in allen Tiefen höhere Wassergehalte als MA-Proben aufwiesen. Der organische Kohlenstoffgehalt war nur in FP-Böden unterhalb von 80 cm Tiefe höher. Die EEA war in den FP-Böden in allen Tiefen außer 50-80 cm im Vergleich zu MA- Böden höher. Die Analyse der Nährstofflimitierung zeigte keinen signifikanten Unterschied zwischen FP- und MA-Böden, obwohl P-Limitierung im gesamten Profil vorhanden waren und C- und N-Limitierungen in tieferen Bodenregionen zunahmen. Substrat- und Nährstoffzugaben führten zu positivem Priming in 0-30 cm Tiefe in sowohl FP- als auch MA-Böden, mit einem stärkeren Effekt in MA-Böden. In 110-160 cm Tiefe wurde negatives Priming bei fast allen Substrat- und Nährstoffzugaben festgestellt, mit einem stärkeren Effekt in FP- im Vergleich zu MA-Böden, was auf das Vorhandensein einer mikrobiellen Gemeinschaft hinweist, die besser an leicht verfügbare Substrate angepasst ist was durch einen höheren Anteil an Actinobacteria und Acidobacteria in MA-Böden im Vergleich und einem größeren Vorkommen von β-Proteobacteria im Fließwegsystem deutlich wurde. Die Unterschiede im mikrobiellen C-Umsatz und der Nährstoffaufnahme waren entlang der Bodenprofile zwischen Fließweg- und Matrixboden nicht stark ausgeprägt. Bereiche mit erhöhten Wasserflüssen zeigten eine negative Korrelation mit Kohlenstoff- und Nährstoffgehalten, möglicherweise induziert durch Auswaschung oder Verdünnung in tieferen Bodenregionen in Fließwegsystemen. Zusammenfassend zeigten die Studien, dass FP nicht als exklusive Nährstoff- und Substrathotspots identifiziert werden konnten, die die mikrobiellen Habitatbedingungen im Boden begünstigen und ihre Substrat- und Nährstoff-Limitierungen in Unterbodenregionen im Vergleich zu MA aufheben. Die starke Interaktion der Wasserflussintensität und des umgebenden Bodens der Fließwege erlaubte möglicherweise keine ausgeprägte Kohlenstoff- und Nährstoffakkumulation in diesem sandigen Boden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Response of soil microbial enzyme activity to substrate and nutrient additions on undisturbed forest top-and subsoil. Eurosoil 2021 (online)
Theresa Reinersmann (PhD), Bernd Marschner & Stefanie Heinze
-
Follow the way – A tracer approach to elucidate microbial C-turnover in flow pathways in the subsoil. Deutsche Boden kundliche Gesell schaftstagung Trier (2022)
Stefanie Heinze (PI), Theresa Reinersmann & Bernd Marschner
-
Going deep - Microbial C-turnover in flow path and matric subsoil (Oral presentation). 22nd World Con gress of Soil Sci ence (Glasgow, GB; 2022)
Stefanie Heinze (PI) & Bernd Marschner
-
Hotspots of the underground – Spatial distribu tion of enzyme activities along preferential flow paths in a subsoil. (Poster). 22nd World Con gress of Soil Sci ence (Glasgow, GB; 2022)
Theresa Reinersmann (PhD), Bernd Marschner & Stefanie Heinze
-
Impact of substrate and nutrient additions on soil microbial activity of undisturbed top- and subsoil samples (Oral presentation). Deutsche Boden kundliche Gesell schaftstagung Trier (2022)
Theresa Reinersmann (PhD), Bernd Marschner & Stefanie Heinze
-
Different nutritional controls of microbial activity in flow paths and matrix soil (Oral presentation). Deutsche Boden kundliche Gesell schaftstagung Halle an der Saale (2023)
Theresa Reinersmann (PhD), Michael Herre, Bernd Marschner & Stefanie Heinze
-
Limitation in the Underground – Einfluss von Nährstoff- und Substratzugaben auf den mikro biellen C-Umsatz im Unterboden (Poster). Deutsche Boden kundliche Gesell schaftstagung Halle an der Saale (2023)
Tom Escher (Student), Bernd Marschner, Michael Herre, Theresa Reinersmann & Stefanie Heinze
-
Limitation in the Underground – Einfluss von Nährstoff- und Substratzugaben auf den mikrobiellen C-Umsatz im Unterboden (Poster)
Tom Escher, Bernd Marschner, Michael Herre, Theresa Reinersmann & Stefanie Heinze
-
Soil Enzyme Activity Response to Substrate and Nutrient Additions on Undisturbed Forest Subsoil Samples. Soil Systems, 7(2), 57.
Reinersmann, Theresa; Herre, Michael; Marschner, Bernd & Heinze, Stefanie
