Bodenbiologie im Referenzmessnetz der Nationalen Bodenbeobachtung NABO

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1 Forum für Wissen 203: 7 7 Bodenbiologie im Referenzmessnetz der Nationalen Bodenbeobachtung NABO Anna-Sofia Hug, Andreas Gubler, Franco Widmer 2, Beat Frey 3, Hansruedi Oberholzer 4, Peter Schwab und Reto Meuli Agroscope Reckenholz-Tänikon ART, Nationale Bodenbeobachtung, Reckenholzstrasse 9, CH-046 Zürich, 2 Agroscope Reckenholz-Tänikon ART, Molekulare Ökologie, Reckenholzstrasse 9, CH-046 Zürich 3 WSL Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Rhizosphären Prozesse, Zürcherstrasse, CH-903 Birmensdorf 4 Agroscope Reckenholz-Tänikon ART, Bodenfruchtbarkeit /Bodenschutz Viele für den Menschen wichtige Bodenfunktionen, wie der Abbau von organischem Material, die Stickstofffixierung oder die Grundwasserfilterung sind unter anderem abhängig von den im Boden lebenden Organismen. Bodenlebewesen reagieren sehr sensibel auf Veränderungen ihres Lebensraumes. Um frühzeitig Hinweise auf schädliche Veränderungen im System Boden zu erhalten ist es für die Nationale Bodenbeobachtung NABO von grossem Interesse, bodenbiologische Parameter routinemässig in ihr Messprogramm aufzunehmen. Basierend auf den Erkenntnissen von bereits durchgeführten bodenbiologischen Untersuchungen der NABO und internationalen Richtlinien, wurde im Frühjahr 202 damit begonnen, an 30 Standorten des NABO-Referenzmessnetzes die bodenmikrobiologischen Parameter mikrobielle Biomasse (bestimmt mit den Methoden Fumigation-Extraktion und Substratinduzierte Respiration), Basalatmung und DNS-Menge zu messen. Diese klassischen mikrobiologischen Bestimmungsmethoden werden dabei von der sich rasch entwickelnden molekulargenetischen Analytik ergänzt. Diese auf der DNS basierenden Methoden eröffnen neue Möglichkeiten in der Erforschung der Diversität von Bodenorganismen und deren Funktionen und weisen für die Bodendauerbeobachtung grosses Potential auf. Dieser Beitrag stellt das Messkonzept sowie erste Resultate der Beprobung vom Frühjahr 202 vor. Einleitung Seit 94 betreiben die Bundesämter für Umwelt (BAFU) und Landwirtschaft (BLW) gemeinsam das Nationale Bodenbeobachtungsprogramm (NABO). Dieses basiert auf dem Umweltschutzgesetz (USG 93) und der damals noch geltenden Verordnung über Schadstoffe im Boden (VSBo 96). Zurzeit wird im landesweiten NABO-Referenzmessnetz die Belastung des Bodens mit anorganischen und organischen Schadstoffen an über 00 Standorten in fünfjährigen Beprobungszyklen überwacht. Mit der Ablösung der VSBo (96) durch die Verordnung über Belastungen des Bodens (VBBo ), die neu neben chemischen auch physikalische und biologische Bodenbelastungen berücksichtigt, wurde der gesetzliche Auftrag für das Bodenmonitoring ausgeweitet. Neben den gesetzlichen Vorgaben haben sich in den vergangenen Jahren auch der ökologische, wirtschaftliche und politische Rahmen der Umweltbeobachtung geändert. So wird auch die Bodenbeobachtung mit neuen Fragestellungen konfrontiert und neue Themenfelder wie Biodiversität, Klimawandel oder Landnutzungsänderungen sind in den Vordergrund getreten. Um das Messnetz den neuen Rahmenbedingungen anzupassen, hat sich die NABO zum Ziel gesetzt, bodenbiologische Messgrössen als Routineparameter in ihr Messprogramm aufzunehmen.. Bedeutung der Boden lebewesen Oberstes Ziel der VBBo ist der langfristige Erhalt der Bodenfruchtbarkeit (VBBo ). Die Bodenfruchtbarkeit kann mit der Fähigkeit des Bodens umschrieben werden, mit der er durch seine physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften in der Lage ist, verschiedenste Funktionen wie etwa die Produktions-, Regulierungs- oder Lebensraumfunktion («ecosystem services») zu erfüllen. Das Ökosystem Boden liefert somit in verschiedensten Bereichen die Grundlage für das Fortbestehen der Menschheit, wobei die Bodenorganismen mit ihren vielfältigen Funktionen (Abbau von organischen Material, Stickstofffixierung, Grundwasserfilterung, Bioremediation usw.) einen entscheidenden Beitrag dazu leisten. Der Wert der «ecosystem services», der weltweit durch Bodenlebewesen bereitgestellt wird, wird auf rund,542 Milliarden US$ pro Jahr geschätzt (FAO 202). Das Bundes-Bodenschutzgesetz Deutschlands etwa verlangt explizit die nachhaltige Sicherung der natürlichen Funktionen des Bodens (BBodSchG ). Auch die Schweizer Bodenpolitik des BAFU basiert auf den lebenswichtigen Bodenfunktionen (BAFU 20)..2 Bodenbiologische Parameter in der NABO Wie zahlreiche Studien belegen, reagieren Bodenlebewesen sensibel auf Veränderungen ihres Lebensraumes (Hartmann et al. 2006; Frey et al. 2006; Frey et al. 2009; Dequiedt et al. 20; Frey et al. 20; Thomsen et al. 202). Aus diesem Grund können bodenbiologische Parameter als Indikatoren genutzt werden, um Veränderungen des Systems Boden frühzeitig zu erkennen. Um die Messergebnisse an NABO-Standorten umfassend zu interpretieren, sind Kenntnisse über

2 72 Forum für Wissen 203 biologische Bodeneigenschaften für die NABO unabdingbar. Für die Standorte des NABO-Referenzmessnetzes sind Standorteigenschaften (Textur, Gehalt organischer Kohlenstoff, ph oder Landnutzung) sowie die stoffliche Belastung mit Schwermetallen und organischen Schadstoffen (PAK und PCB) bekannt. Darüber hinaus werden im Rahmen des indirekten Monitorings (NABO-Flux) an ausgewählten NABO-Standorten die Stoffflüsse (P und N) anhand der Bewirtschaftungsangaben der Landwirte erfasst (Keller et al. 2005; Della Peruta et al. 203). Diese Daten können wiederum für die Interpretation der Messergebnisse von bodenbiologischen Untersuchungen verwendet werden und umgekehrt. Bisherige Untersuchungen Im Rahmen des Projektes «Langzeitbeobachtung von physikalischen und biologischen Bodeneigenschaften» (LAZBO) wurde während sechs Jahren die Eignung ausgewählter Parameter für die Langzeitbeobachtung physikalischer und biologischer Eigenschaften von Böden beurteilt (Schwab et al. 2006). Zudem wurde in den Jahren 2004/2005 von Oberholzer et al. (2007) an 59 NABO-Standorten eine einmalige Zustandserhebung bodenmikrobiologischer Kennwerte vorgenommen. Im Rahmen dieser Projekte wurden bodenmikrobiologische Parameter wie die mikrobielle Biomasse, bestimmt mit den Methoden «Substratinduzierte Respiration» (SIR) und «Chloroform- Fumigations-Extraktion» (FE), die Basalatmung sowie N-Mineralisierung im aeroben Brutversuch gemessen. Diese Parameterauswahl basierte auf den Empfehlungen der Arbeitsgruppe «Vollzug Bodenbiologie» (VBB) der Schweiz (VBB, BSA 2009). In der Zustandserhebung von 2004/2005 wurden zudem bestehende Referenzwertmodelle zur Beurteilung der mikrobiellen Biomasse (SIR) für Acker- und Graslandstandorte überprüft (Oberholzer et al. 2007). Environmental Assessment of Soil for Monitoring 2 Ecological Function and Biodiversity Indicators in European Soils Neue Messmethoden für die Bodenbiologie Neben diesen klassischen Bestimmungsmethoden für bodenmikrobiologische Eigenschaften eröffnet der Fortschritt in der molekulargenetischen Analytik neue Möglichkeiten in der Erforschung der Diversität von Bodenorganismen und deren Funktionen. Anhand von DNS-Extrakten aus Bodenproben kann einerseits die Erbsubstanz der Organismen im Boden quantifiziert werden. Die DNS-Menge wird in der Literatur auch als Biomassenindikator diskutiert (Hartmann et al. 2005; Dequiedt et al. 20). Andererseits ermöglicht die molekulargenetische Analytik auch qualitative Aussagen über die Zusammensetzung bzw. die Diversität von mikrobiellen Lebensgemeinschaften. Dazu werden bestimmte mikrobielle Markergene aus den DNS-Extrakten isoliert und eine grosse Anzahl von DNS- Sequenzen (bis zu Millionen mittels «massive parallel sequencing») dieser Markergene ermittelt und miteinander verglichen. Von der Diversität dieser Markergene lassen sich dann Rückschlüsse auf die Diversität der Mikroorganismen ziehen. Dies im Gegensatz zur mikrobiellen Biomasse, bestimmt mit den Methoden FE oder SIR, die Aussagen über die Quantität der Biomasse, nicht jedoch über deren Zusammensetzung zulassen. Einige Länder wenden molekularbiologische Methoden bereits in der Bodendauerbeobachtung an. Frankreich hat im Rahmen seines Dauerbeobachtungsprogrammes (Réseau de Mesures de la Qualité des Sols) die DNS aus Bodenproben von allen 0 Standorten des Messnetzes extrahiert, quantifiziert und das Resultat kartographisch dargestellt (Dequiedt et al. 20). Im Rahmen des «Countryside Survey» wurde in England an 000 Standorten die Zusammensetzung der Bodenbakterien mit molekularbiologischen Methoden bestimmt (Fingerprint Methode mittels t-rflp) und deren biogeographische Verteilung kartographisch erfasst (Griffiths et al. 20). Die Niederlande untersuchen im Rahmen ihres Dutch Soil Quality Network (DSQN) die mikrobielle Diversität und wenden im Rahmen des Projekts BISQ (Biological Indicator of Soil Quality) Methoden der gene- tischen Diagnostik an (Rutgers et al. 2009). Auch die europäische ENVAS- SO -Initiative empfiehlt mikrobielle Parameter in ein Bodendauerbeobachtungsprogramm zu implementieren, die Aussagen über die genetische und funktionelle Diversität von Bakterien und Pilzen zulassen (Kibblewhite et al. 200). Im EU-Projekt EcoFINDERS 2 wird der molekularen Technik bei der Untersuchung von Organismen in der Bodendauerbeobachtung ebenfalls gros se Bedeutung beigemessen (Faber et al. 203). Im Ausblick wird das Potential der molekulargenetischen Analytik für die Bodendauerbeobachtung noch ausführlicher diskutiert (Kap. 4.4)..3 Das Projekt NABObio2_3 Im Rahmen des Projektes NABObio2_3 sollen in den Jahren 202 und 203 an 30 NABO-Referenzmessstandorten Aussagen über den Zustand bodenbiologischer Eigenschaften gemacht und die erforderlichen methodischen Kriterien für eine Dauerbeobachtung festgelegt werden. Aufgrund der Resultate der Erhebungen 202 und 203 werden () Zusammenhänge zwischen biologischen Eigenschaften und weiteren Bodeneigenschaften, Standorteigenschaften (z.b. Klima, Niederschlag) sowie Bewirtschaftungstypen (Düngungsregime) ausgewertet, (2) die Qualitätskriterien für eine Dauerbeobachtung (Standortpräzision, Standortwiederholpräzision, Referenzierung) quantifiziert und (3) Zusammenhänge zwischen den klassischen (FE, SIR) und molekularbiologischen Methoden (DNS-Extraktion und -Quantifizierung) zur Bestimmung der mikrobiellen Biomasse untersucht. Mit NABObio2_3 soll die Basis für den Start einer Zeitreihe von bodenbiologischen Parametern in der NABO gelegt werden (vgl. auch Kap. 4.4). Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit Franco Widmer (Gruppe Molekulare Ökologie) und H.R. Oberholzer (Gruppe Bodenfruchtbarkeit / Bodenschutz) der Agroscope Reckenholz- Tänikon ART und B. Frey (Gruppe Rhizos phären Prozesse) der Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL durchgeführt.

3 Forum für Wissen Methoden 2. Standortauswahl Die Untersuchungen erfolgen an zehn Ackerbau-, zehn Grasland- und zehn Waldstandorten des NABO-Referenzmessnetzes (vgl. Abb. ). Die Ackerbau- und Graslandstandorte lassen sich in intensiv und extensiv genutzte Standorte unterteilen. Bei der Auswahl der Waldstandorte werden die Waldtypen Laub-, Misch- und Nadelwald unterschieden (vgl. Tab. ). Um für die Interpretation der Ergebnisse eine möglichst gute Datenlage zu haben, wurde bei der Auswahl der Ackerbau- und Graslandstandorte darauf geachtet, dass diese wenn möglich auch Bestandteil des NABO-Flux-Programms sind. Alle ausgewählten Waldstandorte sind auch Teil des Nitrate- Leaching-Projekts Probenahme Die Probenahme, -aufbereitung und -lagerung erfolgt gemäss den Referenzmethoden der Eidg. Landw. Forschungsanstalten (FAL, FAW, RAC, ). Um die Bedingungen den Anforderungen des Projektes NABObio2_3 anzupassen, wurden dabei folgende Punkte modifiziert: Um die Dauerbeobachtungsflächen der NABO-Referenzmessstandorte vor zu intensiver Störung zu schützen, werden die Proben für bodenbiologische Untersuchungen auf einer Fläche entnommen, die direkt angrenzend an der regulären NABO-Referenzmessfläche liegt. Die Fläche beträgt ebenfalls 0 0 m (vgl. Abb. 2). Stichprobenzahl: 3 Mischproben aus Einstichen pro Standort (mit Hohlmeisselbohrer, 2,5 cm ø). Dieses Vorgehen lehnt sich an internationale Untersuchungen an, die mindestens 5 Einstiche für eine Mischprobe empfehlen (Lischer et al. 200, Wagner et al. 200). Bei der Ersterhebung im Frühjahr 202 (und jedes dritte darauffolgende Jahr) wird pro Standort eine vierte Mischprobe jeweils aus dem 4. Qua-dranten als Referenzprobenmaterial genommen (in Abb. 2 rot markiert). Beprobungstiefen: 0 bis 20 cm für Grasland-, Ackerland- und Waldstandorte Wenn möglich sollen die Proben zu folgendem Zeitpunkt entnommen werden (vgl. Schwab et al. 2006): im Frühjahr nachdem die Böden aufgetaut und nicht mehr wassergesättigt sind vor Beginn der Bodenerwärmung (je nach Höhenlage unterschiedlich) vor Vegetationsbeginn und der ersten N-Düngung vor einer Bodenbearbeitung oder Weidegang Zur Bestimmung des Raumgewichts der Feinerde sowie des Wassergehaltes wird mit der Humax-Schlagsonde (4, cm ø) in den Ecken der Fläche jeweils im 4. Quadranten eine Volumenprobe (Zylinderproben, 0 bis 20 cm) entnommen. Abb.. Ausgewählte NABO-Referenzmessstandorte für das Projekt NABObio2_3 (als Rhomben dargestellt). 3 Im Rahmen des Projektes «Nitrate Leaching under changed climate conditions and forest management» interessiert die Frage, wie sich der Stickstoffsättigungsgrad der LWF-Flächen (Langfristige Waldökosystemforschung) aufgrund der erhöhten Stickstoffeinträge verändert hat (Waldner et al. 200).

4 74 Forum für Wissen 203 Tab.. Bodeneigenschaften und Nutzung der beprobten NABO-Referenzmessstandorte. a CaCO3 = Kalk; b C org = Organischer Kohlenstoff; c RG FE = Raumgewicht Feinerde, zusammen mit dem Skelettgehalt in der NABO-Fünfterhebung bestimmt (Gubler et al. in Vorbereitung); n.b. = nicht bestimmt. Nutzung NABO-Standort m ü. M. Nutzung: Intensiv / Extensiv Ackerbau Grasland Laubwald Mischwald Nadelwald Bodentyp (gemäss FAL) ph CaCO3 a (CaCl2) % Bodenkenngrössen 0 20 cm C org b % Ton % Schluff % RG FE c g/cm 3 Schleitheim / Milten SH 545 I Braunerde 6, 2, 2, , Vallon FR 439 I Braunerde-Gley 6, 0,2 2, 43 46, 0,0 54 Zuzwil BE 557 I Braunerde 6,0 0,0,3 2 35,4 3,4 95 Coldrerio TI 336 I Braunerde 5, 0,0,7 2 3,2 4,9 02 Vouvry VS 379 I Fluvisol 6,5,5,3 6 60, 0,6 2 Leuggern / Etzwil AG 465 E Braunerde-Pseudogley 5,3 0,, 4 34,2 3, Oensingen SO 450 E Braunerde-Pseudogley 5,4 0,0 2, , 0,0 6 Etoy VD 435 E Braunerde 5,3 0,0,4 9 45,3 2,0 77 Paspels GR 30 E Phäozem 6, 0,0 2,6 5,0 4, 7 Klarsreuti TG 559 E Braunerde 5,2 0,0, , 3,7 Aadorf / Tänikon TG 537 I Braunerde 6,2 0,9 3, ,0 2,6 30 Ebikon / Dottenberg LU 5 I Saure Braunerde 5,0 0, 2, 20 33,0 2,3 33 Mollis GL 43 I Fahlgley 5,9 0,0 3, , 0,2 35 Le Cerneux-Péquignot NE 093 I Braunerde 5,6 0,0 3,5 2 49,0 0,0 69 Attalens / Rombuet FR I Braunerde 5, 0,0 3, ,9 5,9 6 Grindelwald / Itramen BE 95 E Braunpodsol 3,9 0,0 6,5 50 0,7 0,0 37 Ependes FR 735 E Braunerde 5,9 0,0 2,7 9 35,,7 4 Kyburg-Buchegg SO 464 E Braunerde-Gley 4,9 0,0 2, , 0,0 49 Unterschächen UR 00 E Braunerde 4,6 0,0 5, , 4, 70 Disentis GR 05 E Braunerde 5,5 0,0 3, ,9,3 Rothenfluh BL 695 Rendzina 6,6 2,0 4, ,6 5, 27 Jussy / Les Grands Bois GE 505 Pseudogley 4,4 0,0 2,7 24 5,0,0 Bettlach / Bettlachstock SO 065 Braunerde 5,4 0,2 3, , 0,0 92 Novaggio / Cima Pianca TI 00 Humus-Eisenpodsol 3,9 0,0,7 n.b. n.b. 0,4,7 7 Oberstammheim ZH 5 Braunderde 5, 0,0 2, ,9 4,0 Langenthal / Riedhof BE 5 Parabraunerde 3,7 0,0 4, ,9 0,0 45 Alpthal / Erlentobel SZ 0 Fahlgley 5, 0,0 3, n.b. n.b. 0,2 0,0 47 Davos / Seehornwald GR 655 Humus-Eisenpodsol 3,3 0,0,6 n.b. n.b. 0,3 5,0 73 Alvaneu GR 560 Regosol 4,9 0,0 5, ,7,2 Visp / Albulawald VS 30 Braunerde 5,5 0,0 5, ,6 3,7 Skelett Vol.% Abb. 2. Schema für Probenahme der Flächenmischproben für NABObio2_3. Die Proben aus den Quadranten bis 3 ergeben die Mischproben. Das Probenmaterial aus den 4. Quadranten wird als Referenzprobenmaterial verwendet. 2.3 Messgrössen Basierend auf den Erkenntnissen des LAZBO-Projekts (Schwab et al. 2006) und der Zustandsuntersuchung 2004/2005 (Oberholzer et al. 2007) werden klassische mikrobielle Parameter wie die mikrobielle Biomasse (SIR und FE) und die Basalatmung bestimmt (vgl. Tab. 2). Ergänzt werden diese mit Methoden der molekulargenetischen Analytik (DNS-Menge). Weiter werden wichtige Parameter wie der ph-wert, das CN-Verhältnis usw. gemessen (vgl. Tab. 2). Raumgewicht Feinerde Das Raumgewicht Feinerde entspricht der Masse der Feinerde (Fraktion 2 mm) bezogen auf das Bodenvolumen (kg TS dm 3 ). Das Raumgewicht Feinerde ist einerseits abhängig von den Standorteigenschaften (Anteil organische Substanz, Körnung, Textur, Verdichtung, usw.), andererseits variiert es über die Zeit in Abhängigkeit der Bodenfeuchtigkeit (Quellungs- und Schrumpfungsprozesse). Zudem können die gemessenen (gewichtsbezogenen) Werte der mikrobiellen Biomasse (SIR und FE), der Basalatmung und der DNS-Menge durch Multiplikation mit dem Raumgewicht Feinerde auf das Bodenvolumen (dm 3 ) bezogen werden. Die Bestimmung des Raumgewichts Feinerde verbessert die Vergleichbarkeit zwischen den verschiedenen Erhebungen und Standorten. Zum Beispiel weisen insbesondere Böden

5 Forum für Wissen mit viel organischer Substanz durch ihr tiefes Raumgewicht Feinerde oft sehr hohe gewichtsbezogene Werte auf. Bezogen auf das Bodenvolumen relativieren sich die hohen Werte jedoch (vgl. auch das Beispiel im Kap. 3.3). Zusammen mit der Information des Skelettgehalts ermöglicht das Raumgewicht Feinerde zudem eine ökologische Betrachtungsweise der Messergebnisse (vgl. Tab. ). So kann beispielsweise ein hohes Raumgewicht Feinerde Hinweise auf anaerobe Verhältnisse geben. Das Raumgewicht Feinerde wird im Referenzmessnetz der NABO seit 2003 routinemässig bestimmt. 2.4 Referenzierung der Messwerte Für die Dauerbeobachtung ist die bestmögliche Eliminierung von methodischen Fehlern zwischen den Bestimmungen von Bodeneigenschaften verschiedener zeitlicher Erhebungen eine zentrale Voraussetzung. Dies wird mit einer Referenzierung der gemessenen Werte durch zeitgleich gemessene Bodenproben aus früheren Erhebungen (=Referenzmaterial) angestrebt. In diesem Projekt wird eine standortbezogene Referenzierung der Biomasse(SIR und FE)- und Basalatmungs-Werte vorgenommen. Die Korrektur der Messwerte erfolgt für jeden Standort aufgrund der mittleren Messabweichung zur Ersterhebung der tiefgekühlt gelagerten Referenzproben ( 20 C). Pro Standort und Jahr ergibt dies einen spezifischen Korrekturwert. Die Messwerte werden absolut referenziert, das heisst der Korrekturwert wird dem gemessenen Wert addiert bzw. subtrahiert (Ammann 200; Oberholzer und Weisskopf 200). 3 Erste Ergebnisse und Diskussion Die folgenden Ergebnisse stammen von Messungen der Proben aus dem Frühjahr 202. Aussagen über eine mögliche Entwicklung der Messgrössen über die Zeit werden erst möglich, wenn die Resultate der Erhebung vom Frühjahr 203 vorhanden sind. Über die beschriebene Referenzierungsmethode können zu diesem Zeit- punkt ebenfalls noch keine Aussagen gemacht werden. 3. Raumgewicht Feinerde Tab. 2. Im Projekt NABObio2_3 aufgenommene Parameter. Parameter Bezeichnung Einheit Methode Mikrobielle Biomasse Biomasse (SIR) mg C mik kg TS B-BM-HM Substratinduzierte Respiration mg C mik dm 3 Mikrobielle Biomasse,3 Chloroform-Fumigations- Extraktionsmethode Raumgewicht Feinerde (g cm 3 ) 2,0,5,0 0,5 0,0 46 Ackerbau, intensiv Ackerbau, extensiv Biomasse (FE) Von den 30 untersuchten Standorten weisen Ackerbaustandorte mit einem Mittelwert von,6 g cm 3 tendenziell höhere Werte für das Raumgewicht Feinerde auf als Grasland- und Waldstandorte (Mittelwert 0,94 bzw. 0,69 g cm 3, Abb. 3). Dies entspricht den Erwartungen, da Ackerbaustandorte weniger organische Substanz enthalten (Mittelwert Corg: Ackerbau:,9 %, Grasland: 3, %, Wald: 7,2 %, vgl. Tab.) und mechanisch bearbeitet werden. Sehr geringe Werte zeigen die Standorte 45, 47 und 92. Diese drei Standor- Grasland, intensiv Grasland, extensiv Abb. 3. Raumgewicht Feinerde (Mittelwert und Standardabweichung von jeweils vier Zylinderproben, 4, cm ø, 0 20 cm) der 30 beprobten Standorte. Horizontale Linien: Gruppenmittelwerte mit Standardabweichung (gestrichelt) mg C mik kg TS mg C mik dm B-BM-FE Basalatmung,3 mg C CO2 kg TS h B-BA-IS mg C CO2 l h DNS-Menge 2,3 DNS-Menge mg DNS kg TS PicoGreen mg DNS dm 3 ph ph ph CaCl 2 C/N-Verhältnis 4 C/N Trockenveraschung Raumgewicht Feinerde 4 RG FE g cm 3 Wassergehalt Feinerde 4 WG FE g g gravimetrisch Bodentemperatur ( 5 cm/ B.temp. C 5cm) 4 Lufttemperatur 4 L.temp C Messungen durch H.R. Oberholzer, Agroscope (Ackerbau- und Graslandstandorte) 2 Messungen durch F. Widmer, Agroscope (Ackerbau- und Graslandstandorte) 3 Messungen durch B. Frey, WSL (Waldstandorte) 4 Messungen durch NABO, Agroscope (Ackerbau-, Grasland-, Waldstandorte) 92 Laubwald Mischwald Nadelwald

6 76 Forum für Wissen 203 mg C milk kg TS (Fumigation Extraktion) mg C milk dm 3 (Fumigation Extraktion) Ackerbau, intensiv Ackerbau, extensiv Ackerbau, intensiv Ackerbau, extensiv Grasland, intensiv Grasland, extensiv 77 7 Grasland, intensiv Grasland, extensiv Laubwald Mischwald Nadelwald Abb. 4. Gewichtsbezogene C mik -Gehalte pro Standort (Mittelwert und Standardabweichung der 3 Mischproben, Messwerte bestehen aus zwei Messwiederholungen). Ausserhalb des gezeigten Wertebereichs: Standort 45: 7727 mg C mik kg TS (Standardabweichung: 600 mg C mik kg TS). Horizontale Linien: Gruppenmittelwerte mit Standardabweichung (gestrichelt) Laubwald Mischwald Nadelwald Abb. 5. Volumenbezogene C mik -Gehalte pro Standort (Mittelwert und Standardabweichung der 3 Mischproben, Messwerte bestehen aus zwei Messwiederholungen). Horizontale Linien: Gruppenmittelwerte mit Standardabweichung (gestrichelt). Var. Koeff. innerhalb Standort 50 % 40 % 30 % 20 % 0 % Raumgew. Feinerde 50 % 40 % 30 % 20 % 0 % 0 % 0 % Acker Grasland Wald Acker Grasland Wald Abb. 6. Box-Plots der Variationskoeffizienten (Standardabweichung der Proben eines Standortes dividiert durch deren Mittelwert) für das Raumgewicht Feinerde und C mik - Gehalte bestimmt mit Fumigation-Extraktion (FE) nach Landnutzung C mik (FE) volumenbezogen te enthalten mehr als 0 Prozent Corg. Waldstandorte sind innerhalb ihrer Nutzungsgruppe heterogener als die übrigen Standorte und weisen Werte zwischen 0,24 g cm 3 (Standort 45) und, g cm 3 (Standort 27) auf (vgl. auch Abb. 6). 3.2 Mikrobielle Biomasse (Fumigation-Extraktion) Exemplarisch für die untersuchten bodenbiologischen Messgrössen werden hier die Gehalte für den mikrobiellen Kohlenstoff (C mik -Gehalte) gezeigt und besprochen. Diese wurden mit der Fumigation-Extraktionsmethode bestimmt. In Abbildung 4 sind die Gehalte auf die Trockensubstanz der Feinderde bezogen dargestellt (mg C mik kg TS). In Abbildung 5 werden diese auf das Bodenvolumen beziehungsweise Raumgewicht Feinerde bezogen (mg C mik dm 3 ). Ackerbaustandorte weisen mit einem Mittelwert von 790 mg C mik dm 3 tiefere C mik -Gehalte auf als Grasland- und Waldstandorte (500 bzw. 520 mg C mik dm 3, Abb. 5). Die Wertebereiche überlappen sich jedoch und die Streuung innerhalb der Gruppen (insbesondere bei Waldstandorten, vgl. auch Abb. 6) ist gross. Auch in anderen Bodendauerbeobachtungsprogrammen, die bereits bodenbiologische Parameter aufnehmen, konnte ein Einfluss der Nutzungsgruppe (Ackerbau, Grasland oder Wald) auf die mikrobielle Biomasse nachgewiesen werden (Rutgers et al. 2009; Griffiths et al. 20; Dequiedt et al. 20). Die Nutzungsintensität der Grasland- und Ackerbaustandorte (intensiv oder extensiv) hat keinen Einfluss auf die C mik -Gehalte. Beispielsweise werden die Graslandstandorte und 33 intensiv genutzt und weisen bezogen auf ihr Volumen die grössten C mik - Gehalte auf. Die Graslandstandorte 49 und 6 wiederum werden extensiv genutzt und weisen dennoch sowohl innerhalb der Grasland- als auch verglichen mit den Ackerbaustandorten die zweithöchsten Gehalte auf. Bei den Ackerbaustandorten wird der Standort intensiv genutzt, im Gegensatz zum Standort 77, der extensiv genutzt wird. Beide Standorte weisen ähnlich hohe C mik -Gehalte auf (Abb. 5). Dies

7 Forum für Wissen deckt sich nicht mit Ergebnissen des DOK 4 -Versuchs in Therwil oder anderer Studien, wo eine eindeutige Abhängigkeit der Biomasseparameter vom Bewirtschaftungssystem festgestellt wurde (Widmer et al. 2006; Peacock et al. 200). Laubwaldstandorte zeigen mit einem Mittelwert von 266 mg C mik dm 3 tendenziell höhere C mik -Gehalte als Misch- (Mittelwert: 95 mg C mik dm 3 ) und Nadelwälder (Mittelwert: 54 mg C mik dm 3 ). Geringere mikrobielle Biomassen in Nadelwäldern haben auch Dequiedt et al. (20) in Untersuchungen innerhalb des französischen Bodendauerbeobachtungsprogrammes gefunden. 3.3 Heterogenität der Wald standorte Der Vergleich der Variationskoeffizienten pro Standort (Standardabweichung des Standortes / Mittelwert des Standortes) zeigt, dass Waldstandorte heterogener als die übrigen Standorte sind (vgl. Abb. 6). Die Variationskoeffizienten der Ackerbau- und Graslandstandorte liegen für das Raumgewicht Feinerde mehrheitlich unter 0 Prozent, während die Waldstandorte einen Variationskoeffizient zwischen 0 und 20 Prozent zeigen. Waldstandorte weisen auch heterogenere C mik -Gehalte als die übrigen Standorte auf. Es scheint deshalb plausibel, dass die grösseren Streuungen bei den Waldstandorten durch die kleinräumigere Variabilität der Standorte (vgl. Variationskoeffizienten Raumgewicht Feinerde, Abb. 6) oder aber durch die Probenahme (bei Waldstandorten Probenahme über verschiedene Horizonte) bedingt sind. Beide Faktoren können zu heterogenem Probenmaterial führen. 3.4 Vergleich gewichts- vs. volumenbezogene Werte Die gemessenen C mik -Gehalte wurden sowohl auf das Gewicht (Menge pro kg TS) als auch auf das Volumen (Menge pro dm 3 ) bezogen (vgl. Kap. 3.2). In 4 Vergleich von biologisch-dynamisch (D), organisch-biologisch (O) und konventionell (K) angebauten Ackerkulturen. Im Projekt NABObio2_3 weisen die DNS-Werte verglichen mit den C mik - Werten (FE und SIR) und Basalatmung eine grössere Streuung auf. Dies gilt vor allem für die Graslandstandorte, 33 und 4 und die Laubwaldstandorte 7, 27 und 42 (vgl. Abb. ). Die DNS-Extraktion und -Quantifizierung wurde unmittelbar nach den Probenahmen durchgeführt, wobei die Zeit zwischen Probenahme und Fixierung im DNS-Extraktionspuffer auf 4 Stunden festgelegt wurde. Die Messungen mittels Fumigation-Extraktion sowie substratinduzierte Respiration wurden während mehrerer Wochen durchgeführt (gekühlte Lagerung der Proben bei 4 C). Ein Vergleich von zeitgleich gemessenen Werten (d. h. keine unterschiedliche Lagerungsdauer für verschiedene Methoden) der mikrobiellen Biomasse (bestimmt mit den Methodiesem Kapitel sollen die zwei Herangehensweisen verglichen werden. Bezogen auf das Gewicht weist der Waldstandort 45 im Vergleich zu den übrigen Standorten einen sehr hohen C mik -Gehalt von 7727 g C mik kg TS auf (Abb. 4). Gleichzeitig hat dieser ein geringes Raumgewicht Feinerde von 0,24 g cm 3. Wird der C mik -Gehalt nun auf das Bodenvolumen bezogen, liegt dieser im Bereich der übrigen Waldstandorte (55 mg C mik dm 3 ). Beim Waldstandort 27 befindet sich der gewichtsbezogene C mik -Gehalt innerhalb des Wertebereichs aller Waldstandorte. Der Standort hat ein hohes Raumgewicht Feinerde von, g cm 3. Bezogen auf das Volumen weist der Standort 27 im Vergleich zu den anderen Standorten dann einen auffällig hohen C mik -Gehalt von 3477 mg C mik dm 3 auf. Diese Gegenüberstellung (mg C mik kg TS vs. mg C mik dm 3 ) verdeutlicht den Einfluss der Bezugseinheit auf die Interpretation der Ergebnisse. So sind beispielsweise die Unterschiede zwischen den Nutzungsgruppen Ackerbau, Grasland und Wald bei den gewichtsbezogenen Werten ausgeprägter als bei den volumenbezogenen. Werden die C mik -Gehalte auf das Volumen bezogen, unterscheiden sich die Mittelwerte der Grasland- und Waldstandorte um 20 mg C mik dm 3. Dies im Gegensatz zu den gewichtsbezogenen Gehalten, wo sich die Mittelwerte um 530 mg C mik kg TS unterscheiden (Abb. 4 und 5). 3.5 Vergleichbarkeit der verschiedenen Messmethoden Die für das Projekt NABObio2_3 erhobenen Messgrössen (Biomasse (FE und SIR), Basalatmung und DNS- Menge) zeigen in der Verteilung der Messwerte alle ein ähnliches Muster. So weisen Ackerbaustandorte tendenziell tiefere Werte auf als Graslandund Waldstandorte. Grasland- und Waldstandorte lassen sich anhand der hier aufgenommenen Parameter nicht voneinander unterscheiden. Die Resultate der vier verwendeten Methoden zeigen relativ hohe Korrelationen (vgl. Abb. 7). Die geringste Korrelation besteht mit 0,67 zwischen der Basalatmung und der DNS-Menge, ansonsten werden Korrelationen von 0,7 oder höher gefunden. Ähnlich hohe Korrelationskoeffizienten wurden auch in der Zustandserhebung 04/05 von Oberholzer et al. (2007) beobachtet. Die festgestellten Korrelationen der Messwerte lassen den Schluss zu, dass die Messgrössen eine gewisse Redundanz aufweisen und deren Anzahl für das Messprogramm der NABO reduziert werden könnte (vgl. auch Kap. 4.4). 4 Ausblick 4. Weitere Auswertungen Nach Abschluss der zweiten Erhebung im Frühjahr 203 sind weitere Auswertungen geplant, etwa um den Einfluss der Bodeneigenschaften oder der Bewirtschaftungsintensität auf die mikrobiellen Parameter genauer zu untersuchen. Vorhandene Nährstoffangaben (P und N) der Standorte aus dem NABO-Flux-Programm sollten dabei weitere aufschlussreiche Informationen liefern. Weiter können mit den von Oberholzer et al. (2007) entwickelten Referenzwertmodellen die zu erwartenden Werte für die Biomasse (SIR) der Ackerbaustandorte überprüft werden. 4.2 Methodische Abklärungen

8 7 Forum für Wissen C mik SIR ,75 0, ,7 C mik FE 0,76 0, Basalatmung ,67 DNS Menge ,4 0,,2,6 den FE und SIR), der Basalatmung und DNS-Menge könnte Hinweise geben, ob die Streuung analytisch bedingt ist oder ob diese durch die unterschiedliche Lagerungsdauer der Proben vor der Analyse hervorgerufen wird. Waldstandorte weisen eine grössere Streuung der C mik -Gehalte pro Standort auf als Ackerbau- und Graslandstandorte (vgl. Abb. 6). Von Interesse wäre, ob die Beprobung über verschiedene Horizonte (Auflage, Ah- Horizont, B-Horizont) verantwortlich für die Streuung der Messwerte pro Standort ist. Entscheidend könnte auch sein, dass das Material von Waldböden grundsätzlich (d. h. auch innerhalb der Horizonte) heterogener und deshalb für die Analytik messtechnisch schwieriger ist. Die kleinräumige Variabilität der Standorte könnte ebenfalls eine Rolle spielen, dürfte im Vergleich zu den vorherigen Punkten aber weniger wichtig sein. Die Variabilität sollte durch die Flächenmischproben grösstenteils ausgeglichen werden. Abb. 7. Streudiagramme und Korrelationskoeffizienten nach Spearman der mikrobiellen Biomasse (C mik -SIR und C mik -FE), Basalatmung und DNS-Menge. (Alle Werte sind volumenbezogene Gehalte. Nummer: Standortnummer; rot: Ackerbau, grün: Grasland, schwarz: Wald. C mik -SIR wurde für Waldstandorte nicht bestimmt.) DNS Menge (mg dm 3 ) Ackerbau, intensiv Ackerbau, extensiv Grasland, intensiv Grasland, extensiv 0,4 0,,2,6 Laubwald Mischwald Nadelwald Abb.. Volumenbezogene DNS-Gehalte pro Standort (Mittelwert und Standardabweichung der 3 Mischproben. Horizontale Linien: Gruppenmittelwerte mit Standardabweichung (gestrichelt) Standardisierung der Methoden Neben der regelmässigen Beobachtung von Bodeneigenschaften ist es eine weitere Aufgabe der NABO, Methoden zu erarbeiten, die standardisiert im Vollzug eingesetzt werden können. Für die klassischen mikrobiellen Messgrössen wie die mikrobielle Biomasse (bestimmt mit den Methoden FE oder SIR) oder Basalatmung bestehen bereits Referenz- beziehungsweise ISO-standardisierte Methoden, die auch auf internationaler Ebene angewendet werden (FAL, FAW, RAC ; Philippot et al. 202). Die molekulargenetische Analytik stellt ein relativ junges und sich rasch entwickelndes Feld in der Bodendauerbeobachtung dar. Anstrengungen im Hinblick auf eine Standardisierung der Verfahren sind deshalb noch notwendig. Insbesondere bei den neuesten molekularbiologischen Methoden des»massive parallel sequencing («next generation sequencing»), welche die Erfassung der mikrobiellen Diversität im Boden zulassen, sollte durch die Verwendung von standardisierten Methoden auch die projekt- und grenzüberschreitende Vergleichbarkeit der Resultate angestrebt werden (Philippot et al. 202). Das im

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