Veränderungen der Lipidzusammensetzung und der Isotopie von Lipiden in Pflanzen und Böden unter erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentration (FACE)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsprojektes ‚Veränderungen der Lipidzusammensetzung und der Isotopie von Lipiden in Pflanzen und Böden unter erhöhter atmosphärischer CO2 Konzentration (FACE)‘ wurden mehrere FACE Experimente auf die Gehalte und molekulare Zusammensetzung von Lipiden in Pflanzen und Böden untersucht. Das Spektrum der Experimente rechte vom Hohenheimer Mini-FACE Experiment, einem landwirtschaftlichen Experiment zur Konkurrenz von Weizenpflanzen und Ackerunkräutern, über die ebenfalls landwirtschaftlich geprägte Braunschweiger FACE Experimente bis hin zum Schweizer Canopy Crane Projekt, bei dem ein 100 Jahre alter Waldes einer erhöhten CO2 Konzentration ausgesetzt wurde. Ziele der Untersuchungen war die Bestimmung des Effekts einer veränderten CO2 Konzentration auf die Lipidzusammensetzung in Pflanzen und Böden, sowie unterschiedlichen Dichtefraktionen im Boden, in denen auch der Umsatz von Lipiden untersucht werden sollte. Entgegen den Erwartungen konnten in den meisten Fällen kein signifikanter Einfluss der CO2 Konzentration auf die Lipidsignatur ermittelt werden. Jedoch führte die Nutzungsänderung eines Graslands zu einem Acker zu Beginn des Hohenheimer Experiments zu deutlichen molekularen Veränderungen im Boden und Dichtefraktionen. Eine deutliche Abnahme von Lipiden nach dem Nutzungswechsel wurde verzeichnet. In den Dichtefraktionen erfolgte nach dem Nutzungswechsel nur ein äußerst geringer Eintrag frischer Biomasse in die leichten Fraktionen (fPOM und oPOM1.6). Dieser geringe Biomasseeintrag führte auch dazu, dass in den leichten Dichtefraktionen die Anteile des ersetzten Kohlenstoffs bis zum Experimentende rückläufig waren und im Falle der Alkane als eine Substanzklasse der Lipide sogar gegen 0% tendierten. Für schwerere Dichtefraktionen (oPOM2.0 und Mineral) nahm der Anteil ersetzten Kohlenstoffs bis zum Experimentende sowohl für den Gesamtkohlenstoff als auch für die Alkane zu. Die Umsatzzeit des Gesamtkohlenstoffs war mit 40 Jahren nach 5 Jahren Versuchsdauer vergleichbar mit anderen Experimenten. Der Umsatz der Alkane bewegte sich ebenfalls in einem mit anderen Experimenten vergleichbaren Rahmen. In den Dichtefraktionen nahmen die Umsatzzeiten erwartungsgemäß mit einer zunehmenden Dichte sowohl für Gesamtkohlenstoff als auch Alkane zu. Während nach dem Nutzungswechsel eine deutliche Abnahme des Gehalts an Gesamtkohlenstoff und Lipiden im Boden verzeichnet werden konnte, stabilisierten sich am Ende des Experiments die Zahlen wieder. Für den Stickstoff ist allerdings eine deutliche Gehaltszunahme zu verzeichnen in dem anfänglich sehr stickstoffarmen Boden. Dies ist mit der Düngung seit Beginn des Experiments zu begründen. Darüber hinaus wurde für den Stickstoff im Gesamtboden und den meisten Dichtefraktionen eine Umsatzzeit von 60-80 Jahren ermittelt, d.h. dass er deutlich länger im Boden verweilt als Kohlenstoff. Darüber hinaus wurde untersucht, inwieweit sich Nutzungswechsel und CO2 Konzentration auf Biomarker für Archaeen auswirken. Während kein CO2-Effekt zu beobachten war, bedeutete der Nutzungswechsel eine Veränderung in der Abundanz der Archaeen-Biomarker und auch eine Modifikation deren Verteilungsmuster. Im Schweizer Canopy Crane Projekt wurden ebenfalls Umsatzzeiten ermittelt, die generell mit zunehmender Bodentiefe sowohl für Gesamtkohlenstoff als auch Carbonsäuren als ein weiterer Vertreter der Lipide zunehmen und betragen z.T. deutlich über 100 Jahre. Dabei sind beide Umsatzzeiten durchaus miteinander vergleichbar, was sich von anderen Standorten wie Grasland oder Acker unterscheidet. Desweiteren wurde an diesem Standort untersucht, ob sich die infolge der modifizierten CO2 Konzentration veränderte Wassernutzungseffizienz in den Isotopensignaturen (δ2H) von Carbonsäuren wiederspiegelt. Während in der Blattbiomasse der Baumkrone eine 2H Anreicherung von 15 ‰ ergab, betrug die Anreicherung im Boden immerhin noch 5 ‰. Somit führt die veränderte Wassernutzungseffizienz zu einer Anreicherung von 2H im System Boden-Pflanze, was jedoch an anderen Standorten noch zu verifizieren ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2009. Lipid turnover and changes in lipid signatures in a deciduous forest under elevated CO2 concentration. 24th International Meeting on Organic Geochemistry, 06.-11. Sep. 2009, Bremen, Germany, 366
Neugebauer CF, Siegwolf RTW & Wiesenberg GLB
- 2009. Lipid turnover, changes in lipid signatures and water-use-efficiency in a deciduous forest under elevated atmospheric CO2 concentration. Universität Bayreuth, 88 Seiten
Neugebauer CF
- 2010. Agricultural modifications affect glycerol dialkyl glycerol tetraether (GDGT) membrane lipid concentration and distribution in the short term. Organic Matter Stabilization and Ecosystem Functions, 19.-23. Sep. 2010, Presqu´ile de Giens, France, 93
Wiesenberg GLB, Peterse F, Schouten S, Hopmans EC & Sinninghe Damsté JS
- 2010. Source determination of lipids in bulk soils and soil density fractions after four years of wheat cropping. Geoderma 156, 267-277
Wiesenberg GLB, Dorodnikov M & Kuzyakov Y
- 2011. C and N in soil organic matter fractions under elevated atmospheric CO2: turnover vs. stabilization. Soil Biology & Biochemistry 43, 579-589
Dorodnikov M, Kuzyakov Y, Fangmeier A & Wiesenberg GLB
- 2011. Turnover and stabilization of organic carbon and plant derived alkanes in soil density fractions. EGU General Assembly 2011, 03-08. Apr. 2011, Vienna, Austria
Wiesenberg GLB, Dorodnikov M, Kuzyakov Y & Fangmeier A
