Boden als Lebensraum. Dr. Thomas Caspari

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1 Boden als Lebensraum Dr. Thomas Caspari

2 Themenübersicht Der globale Kohlenstoffkreislauf Die organische Substanz des Bodens Streuzersetzung Humusformen Bodenorganismen

3 Der globale Kohlenstoffkreislauf Quelle: basin/tutorial/gifs_2/ccycle.html globaler C-Vorrat der Böden ist wichtiger Pool Verhalten bei Klimaveränderungen?!

4 Der globale Kohlenstoffkreislauf Globale zusätzliche CO 2 -Freisetzung aus Bodenhumus bei drei Szenarien der globalen Temperaturerhöhung Temperaturanstieg C CO 2 aus org. Bodensubstanz g % vom Boden-C % des CO 2 aus fossilen Brennstoffen (heute) % des CO 2 in der Atmosphäre (heute) nach JENKINSON, D.S., ADAMS, D.E., WILD, A. (1991): Nature 351,

5 Die organische Substanz des Bodens Org. Substanz ( Humus ) abgestorbene pflanzliche und tierische Stoffe + deren Umwandlungsprodukte (ca. 85% der Biomasse) L Of Auflagehumus Streustoffe nur schwach umgewandelt Humine alkaliunlöslich Huminstoffe stark umgewandelt Fulvo-/Huminsäuren alkalilöslich Oh Ah Bv Mineralbodenhumus Einige Essentials in der Übersicht: Nahrungsgrundlage für Mikroorganismen Bausteine: Monosaccharide ( Cellulose), Phenylpropane ( Lignin) Reaktive Gruppen: -OH, α-amino-gruppen, aromat. Bindungen chemische Eigenschaften: Säuren, ph-abhängige Ladung, hohe KAK entscheidend für die Bodenstruktur (stabiles Gefüge) hohe Wasserbindungskapazität: 3-5 fache des Eigengewichtes!

6 Die organische Substanz des Bodens Fließgleichgewicht aus C-Zufuhr (Kohlenhydrate, Lignin, Eiweiße) und C-Abfuhr (CO 2 bei vollständiger Mineralisierung). Organische Substanz als +/- kontinuierlicher Strom energiehaltiger Kohlenstoffverbindungen durch den Boden.

7 Die Streuzersetzung Input: Was? Blätter, abgestorbene Pflanzen & Tiere, Wurzelnekromasse, Wurzeldeposition (Exsudate etc.), organische Düngung. Wieviel? Streuanfall leicht ermittelbar; Stoffabgabe durch Wurzeln experimentell kaum zu bestimmen. Faustregel: unterirdischer = oberirdischer Streuanfall. Was würde geschehen, wenn die gesamte Streumenge unverändert bliebe?

8 Die Streuzersetzung Phasen des Streuabbaus: 1. Absterbephase: Rückzug wichtiger Nährstoffe aus den Blättern und Nadeln; Zunahme der Mikroorganismenpopulationen am absterbenden Blatt Bodenkontakt 2. Auswaschphase: H 2 O-lösliche Spaltprodukte (Zucker, Peptide, Aminosäuren, org. Säuren) werden freigesetzt; Rascher Anstieg der Mikroorganismen 3. Zerkleinerungsphase: Mechanische Zerteilung, Umwandlung und Durchmischung durch Primärkonsumenten wie z.b. Regenwürmer, Enchyträen, Arthropoden; Maximal 10% der Energie werden genutzt Nahrungsgrundlage für kleinere Lebewesen 4. Mikrobielle Phase: Abbau des org. Materials durch enzymatische Aktivitäten von saprophytischen Mikroorganismen (Bakterien, Pilze) Umwandlung zu anorg. Endprodukten (CO 2, H 2 O, NH 4+ ) Mineralisierung Umwandlung zu neuen organischen Zwischenprodukten Humifizierung

9 Die Streuzersetzung Organische Ausgangssubstanz Umsetzungsprodukte Mineralstoffe Kohlenhydrate > 50% M Anorganische Endprodukte: CO 2, H 2 O, NH 4 +, NO 3 - Ionen der Elemente: P, S, Ca, K, Mg, Fe Lignin N-haltige Stoffe Fette,Wachse, Gerbstoffe u.a % < 20% H Huminstoffe M = Mineralisierung H = Humifizierung nach Schröder (1992)

10 Die Streuzersetzung Quelle: Eisenbeis/Wichard Atlas zur Biologie der Bodenarthropoden

11 Die Streuzersetzung Quelle: Eisenbeis/Wichard Atlas zur Biologie der Bodenarthropoden

12 Die Streuzersetzung Faktoren der Streuzersetzung Bodenreaktion ( ph ): Günstige Bedingungen für Bakterien von ph 5,5-7,0; Mit abnehmendem ph dominieren zunehmend Pilze Temperatur: Mikrobielle Umsätze sind stark temperaturabhängig; Eine Temperatursteigerung um 10 C bewirkt eine Zunahme der mikrobiellen Aktivität um den Faktor 2-3 Wasserversorgung: Bakterien leben i.d.r. in Wasserfilmen; Bei H 2 O-Mangel geht die mikrobielle Aktivität allgemein zurück oder es werden Spezialisten gefördert O 2 -Versorgung/CO 2 -Entsorgung: Die leistungsfähigsten Zersetzer sind Aerobier; Negativ wirken sich hohe Wassersättigung, starke Bodenverdichtung/-versiegelung aus Zerkleinerung/Turbation: Fehlt die Makrofauna (z.b. Lumbriciden), wird die Streu nicht für den mikrobiellen Angriff vorbereitet; Wichtig ist die Zerkleinerung bei gleichzeitiger Vermengung mit Schleimstoffen und mineralischen Partikeln Substrateigenschaften: Während C der Energiegewinnung dient, benötigen Mikroorganismen viel N zum Aufbau ihrer Körpersubstanz wichtig ist das C/N-Verhältnis der Streu! enges C/N-Verh.: (Holunder, Erle, Robinie) sehr schneller Abbau mittleres C/N-Verh.: (Hasel, Linde, Ahorn, Birke) Abbau noch gut möglich weites C/N-Verh.: >40 (Eiche, Fichte, Kiefer, Lärche) weniger gut bis schwer zersetzbar

13 Humusformen Je nach Ausprägung dieser Faktoren, entstehen unterschiedliche Humusformen im Boden. Es existieren 3 Grundtypen: Rohhumus, Moder und Mull. Rohhumus C/N>27 C/P>600 schwer abbaubare Streu tiefe Temperaturen hohe Niederschläge L- Lage Of- Lage Oh- Lage Mineralboden (Ah) Moder C/N=18-29 C/P= Zwischenform, aus Laubwaldstreu auf nährstoffarmen Böden unter kühl-feuchtem Klima L- Lage Of- Lage Oh- Lage Mineralboden (Ah) Mull C/N=10-17 C/P<200 unter günstigen Abbau- und Klimabedingungen L- Lage Mineralboden (Ah) F-Mull: Of-Horizont ganzjährig zu beobachten (= Modermull ) L-Mull: Of-Horizont fehlt völlig

14 Humusformen

15 Bodenorganismen Die Gesamtheit der im Boden lebenden Organismen wird Edaphon genannt. Eine grundsätzliche Einteilung erfolgt in Bodenflora (Bakterien, Pilze, Algen, unterirdische Pflanzenorgane) und Bodenfauna (z.b. Nematoden, Mollusken, Arthropoden). Eine weitere Einteilung des Edaphons erfolgt nach der Körpergröße in Mikroflora/-fauna, Meso-, Makround Megafauna. Klassifikation von Bodenorganismen aufgrund ihrer Körpergröße sowie Poren- und Partikeldurchmesser Quelle: Gisi - Bodenökologie

16 Bodenorganismen Ernährungsweisen Die vorkommenden Stoffwechseltypen sind sehr vielfältig. Eine grobe Einteilung wird möglich, wenn man die Energie- und Kohlenstoffquelle eines Organismus betrachtet. In Bezug auf die Energiequelle wird unterschieden zwischen Organismen, die Sonnenenergie nutzen (phototroph) und denen, die chemische Energie nutzen (chemotroph). Als Kohlenstoffquelle (Aufbau von Kohlenstoffverbindungen) werden entweder organische Verbindungen (heterotroph) oder CO 2 (autotroph) verwendet. photoautotroph (Energie: Licht; C-Quelle: CO 2 ); Photosynthese betreibende Organismen (Pflanzen, Algen, Cyanobakterien) chemoautotroph: (Energie: Oxidation reduzierter Verbindungen; C-Quelle: CO 2 ); z.b. Nitrosonomas, Nitrobacter, Thiobacillus photoheterotroph: (Energie: Licht; C-Quelle: org. Substanz); im Boden unbedeutend chemoheterotrop: (Energie und Kohlenstoff aus org. Substanz); Ernährungsform aller Pilze, Tiere und einiger Prokaryoten Eine weitere Unterscheidung erfolgt nach dem Verhältnis zum Sauerstoff in Aerobier (benötigen Sauerstoff als Elektronenakzeptor) Anaerobier (verwenden andere oxidierte Verbindungen als Elektronenakzeptor

17 Bodenorganismen Übersicht: Ernährungstypen von Bodenorganismen und Bodenprozesse