Anaerobe Zersetzung von Reisstroh in einem gefluteten Reisboden auf den Philippinen. von. Martin,U.+, H.-u.N~u~*,+H.w. ~char~enseel und P.M.

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1 + Universität Mitteilgn. Dtsch. Bodenkundl. Gesellsch., 23, (1985) Anaerobe Zersetzung von Reisstroh in einem gefluteten Reisboden auf den Philippinen von + Martin,U.+, H.-u.N~u~*,+H.w. ~char~enseel und P.M.Becker Einleitung: In d a letzten 20 Jahren sind in den Ländern des gemäßigten Klimabereichs zahlreiche Abbauversuche mit radioaktiv markierter organischer Substanz durchgeführt worden. Ober den Abbau in tropischen und subtropischen Klimagebieten liegen dagegen bisher sehr wenig Arbeiten vor und von diesen wenigen sind die meisten zudem Laborverniche. Uns sind nur zwei Abbauversuche unter Feldbedingungen bekannt. Der eine wurde von Sauerbeck und Gonzales in Costa Rica, der andere von Jenkinson und Ayanaba in Nigeria durchgeführt. Dabei zeigte sich, daß der Abbau in seinem Verlauf dem des gemäßigten Klimas sehr ähnlich ist und sich von diesem hauptsächlich in der.geschwindigkeit unterscheidet.sowoh1 die Versuche in Nigeria als auch in Costa Rica wurden ausschließlich unter aeroben Bodenverhäl tnissen durchgeführt. Ein großer Teil der tropf schen Böden wird jedoch für den gefluteten Reisanbau genutzt. Vergleichbare Versuche fiir anaerobe Böden fehlen bislang. Versuchsbeschreibunr Unser Versuch wurde sia Internationalen Reisforschungsinstitut, Los Bai'ios, Philippinen, durchgeführt. Zielsetzungen unseres Vorhabens waren die Erstellung einer allgemeinen Abbaukurve für Reisstroh in iiberfluteten Böden unter möglic.hst natiirlichen Bedingungen sowie Aufschliisselung des Cl&- Verlustes in Methan und Kohlendioxid. Außerdem wollten wir Kenntnisse über die Tiefendynaniik gewinnen. Der Boden des Versuchsfeldes ist als Tropaquept anzusprechen und weist in den oberen 2Ocm einen ph von 5.53, 2.23% C, 0,21% N und eine KAK.von meq/100g auf. Hamburg, Ordinariat fiir Bodenkunde, Von-Melle-Park 10,2000 Hatnburg 13 *Internationales Reisf orschungsinstitut, Los Bafios, Laguna, Philippinen

2 Das verwendete Reisstroh wurde von uns selbst hergestellt, indem wir junge Reispflanzen der Sorte IR 36 in einer C14- haltigen Atmosphäre aufzogen. Es besaß einen Kohlenstoffgehalt von 40% und eine spezifische Aktivität von 36.7 pc/gc. Der Abbauversuch wurde in PVC-Rohren von 50cm Länge und 20cm 0 durchgeführt, die in den gefluteten Maahas-Clay eingelassen wurden. Das Reisstroh wurde in der Bodenschicht von 5-10cm Tiefe eingearbeitet, in Beträgen, die 5 to/ha entsprechen.in jedem Rohr wurden vier Saugkerzen installiert - in den Tiefen von 0-5, 5-10, und 15-20cm - und es wurde in regelmäßigen Abständen Bodenlösung entnommen und auf Gesamtaktivität sowie Beträge und Radioaktivität des gelösten Kohlendioxids und Methans hin analysiert.für die Bestimmung der Gesamtaktivität der Bodenlösung wurde direkt im Feld jeweils lml Bodenlösung in ein Szintillationsgläschen mit Instagel pipettiert, sofort ins Labor gebracht und im Szintillationsspektrometer (Packard 460 D) gemessen.für die Messung der Gase wurden jeweils Ca. 50ml Bodenlösung gezogen und in kleinen, mit Stickstoff gefüllten Plastikflaschen ins Labor gebracht. Dort wurde die Bodenlösung in der Hochvakuumlinie entgast und Methan und Kohlendioxid aufgrund ihrer unterschiedlichen Siedepunkte voneinander getrennt.in den ersten Wochen nach Einbringen des Strohs wurden außerdem Aliquote der Bodenläaung gaschromatographisch auf niedermolekulare Fettsäuren hin untersucht. Da nur irrelevante Spuren (N lppm) auftraten, wurden diese Analysen frühzeitig abgesetzt. Daneben wurden alle drei Monate Badenproben aus den verschiedenen Tiefen entnommen zur Bestimmung von organischem Kohlenstoff und seiner spezifischen Aktivität sowie deren Verteilung in den verschiedenen Humusfraktionen.Außerdem wurden regelmäßig Temperatur, ph und Redoxpotential gemessen. Der ph-wert lag die gesamte Zeit über im Neutralbereich, das Redoxpotential zwischen 50 und 100 mv und die Temperatur (gemessen An den oberen 10cm 2 bet~g in den ersten fünf Wochen um 35 C, später um 30 C. Ergebnisse und Diskussion: Die wichtigsten Endprodukte des organischen Substanzabbaus unter anaeroben Bedingungen sind Kohlendioxid und Methan. Abb. 1 zeigt, welche Anteile diese beiden Gase am Abbau des markierten Strohs während der ersten drei Monate besitzen. Der weitaus größte Teil, nämlich 74% wird als Methan abgebaut, und die Produktion des Methans geschieht sehr gleichmäßig über den ganzen gemessenen Zeitraum, während Kohlendioxid hauptsächlich während des ersten Monats gebildet wird und später nur noch einen sehr kleinen Anteil an der Gesamtzersetzungsrate hat. Diese Ergebnisse decken sich sehr gut mit denen von Tsutsuki, der in einem Inhbationsversuch nach einer Abbauzeit von acht Wochen ebenfalls 74 i Methan und 26 X Kohlendioxid erhielt.

3 Methan wird erst als Endprodukt der anaeroben Gärung gebildet. Methanbildende Bakterien sind selbst nicht in der Lage, Zucker, Proteine, Zellulose oder Hemizellulose direkt zu verwerten, sondern sind auf die Stoffwechselprodukte einer primären Mikroflora angewiesen. Diese Metabolite, die vorwiegend aus kurzkettigen Fettsäuren und Alkoholen bestehen, sind vorübergehend im Bodenwasser gelöst, und der Verlauf des Abbaus läßt sich daher auch recht gut über die Aktivität der Bodenlösung charakterisieren. Abb. 2 zeigt die Aktivitäten der in der Bodenlösung gelösten Kohlenstoffverbindungen im Inkubationsrohr bis zu einer Tiefe von 20cm - gemessen an den jeweiligen Tagen der Probennahmen. Die Menge des gelösten C-14 erreicht ihr axirnum in der zweiten Woche nach Einbringen des Strohs und fällt dann zunächst relativ schnell, nach sechs Wochen langsamer wieder ab. Dabei sind die Aktivitäten in den verschiedenen Tiefen recht unterschiedlich. (~bb. 3) Auffällig ist, daß die Aktivität in 5-10cm Tiefe - d.h. im Einbringungshorizont - durchweg sehr gering ist, d,h. die gebildeten Verbindungen werden sehr schnell verlagert - in den ersten zwei Wochen vorwiegend nach oben, darnach verstärkt in die Tiefe. ifbereinstimmcnd hiermit ist die allgemeine Abbaurate in den ersten Tagen em Höchsten und nfmnt dann exponentiaf ab. In den ersten zwei Wochen werden 11% des markierten Strohs abgebaut. Abb. 4 zeigt den Abbauverlauf während des ersten Jahres nach Einbringen des Strohs. Nach drei Monaten sind noch 54% des eingebrachten Strohs vorhanden, nach Verlauf eines Jahres nur noch 10%. Mit einer Abbaurate von 902 nach einem Jahr liegen die von uns ermittelten Ergebnisse durchaus im Bereich der für aerobe tropische Böden angegebenen Werte. Bislang wurde allgemein angenommen, daß - ebenso wie im gemäßigten Klima - auch in den Tropen der Abbau unter anaeroben Bedingungen langsamer sei als unter aeroben. Diese Erkenntnis ist-aber nicht empirisch gewonnen worden, sondern wird meist davon hergeleitet, daß die anaeroben Bakterien eine uesentlich niedrigere Energieausbeute als aerobe Mikroorganismen besitzen. Dies bedeutet aber auch, da8 anaerobe Bakterien viel mehr Substrat unisetzen müssen, um dieselbe Energie zu gewinnen und daß eine große Menge von Stoffwechselprodukten gebildet wird, die von der sekundären Mikroflora weiter umgesetzt werden müssen. Hier mag der entscheidende Unterschied in der anaeroben Kohlenstoffumsetzung zwischen gemäßigten und tropischen Klimabedingungen liegen. Bei niedrigen Temperaturen werden die Metabolite nicht schnell genug umgesetzt, sie werden angereichert und verlangsamen dadurch den gesamten Abbauprozeß, während bei hohen Temperaturen eine schnelle Weiterverarbeitung in die Endprodukte erfolgt.

4 Literaturhinweise: Jenkinson,D. S. and A. Ayanaba, 1977: Decomposition of Carbon-14 labeled plant material under tropical conditions. Soil Sci. SOC. Am. J., Vo1.41, 1977 Sauerbeck,D.R. and M.A.Gonzales, 1977: Field decomposition of C-14-labeled plant residues in different soils of Germanv end Costa Rica. in International Symposium on Soil Organic Matter Studies, sponsored by F~O/IAEA/Agrochimica (Braunschweig, 1976) Anaerobic decomposition of organic matter in submerged soils. A terminal report submitted to the International Rice Research Institute, Los BaZos, Philippines.

5 Abb. 1: Abbau von C-18-markiertem Reisstroh als Methan und Kohlendioxid Abb. 2: C-14-Aktivität der Bodenli3sung

6 Zeit CTageJ Abb. 3: C-14-Aktivität der Bodenlösung in Abhängigkeit von Zeit und Tiefe Zeit CBonateJ Abb. 4: Abbau von C-14-markiertem Reisstroh