Claudia Frank Nitrifikation und N-Mineralisation in sauren und Dolomit-gekalkten Nadelwaldböden im Fichtelgebirge Dissertation aus dem Institut für Mikrobiologie der Universität Bayreuth Mai 1996 gefördert aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) Vorhaben-Nr. PT BEO 51-0339476 A und B Bayreuther Forum Ökologie Band 36 /1996 ISSN 0944-4122
INHALTSVERZEICHNIS Seite 1. EINLEITUNG 1 1.1 Definition der Nitrifikation 1 1.2 Chemolithoautotrophe Nitrifikation - Organismen und Stoffwechsel 1 1.3 Heterotrophe Nitrifikation - Organismen und Stoffwechsel 3 1.4 Nitrifikation in sauren Böden 1.5 Bedeutung der Nitrifikation in sauren Waldböden 5 1.6 Ziele der Arbeit 7 v 4 2. UNTERSUCHUNGSSTANDORTE IM FICHTELGEBIRGE 9 2.1 Lage und Waldbild 9 2.2 Klima und Immissionssituation 10 2.3 Geologie und Boden 12 3. MATERIAL UND METHODEN 14 3.1 Probennahme, Aufbereitung und Lagerung 14 3.2 Messung bodenphysikalischer Parameter 14 3.2.1 Trockengewicht und gravimetrischer Wassergehalt 14 3.2.2 Maximale Wasserhaltekapazität 15 3.2.3 Wasserpotential 16 3.2.4 Bodentemperatur 16 3.3 Messung bodenchemischer Parameter, 16 3.3.1 ph-wert 16 3.3.2 Anorganische Stickstoffverbindungen 17 3.3.2.1 Extraktion von Ammonium, Nitrit und Nitrat 17 3.3.2.2 Entfernung löslicher Huminstoffe 17 3.3.2.3 Analyse von Ammonium, Nitrit und Nitrat 18 3.3.2.4 Berechnung der Konzentrationen an Ammonium-, Nitrit- und Nitrat-Stickstoff 19 3.3.3 Bestimmung der lonenkonzentration in wässrigen Bodenextrakten 19 3.3.3.1 Herstellung wässriger Bodenextrakte 19 3.3.3.2 Bestimmung des Komplexierungsgrades von Kationen 19 3.3.3.3 lonenanalyse 20 3.3.4 C/N-Verhältnis 20 3.4 Messung von Säuerstoff 20 3.5 Behandlung von Streu- und Mineralbodenproben 21 3.5.1 Erhöhung des ph-wertes im Boden 21 3.5.2 Einstellung des Wassergehaltes 21 3.5.3 Einstellung des Wasserpotentials 22
3.5.4 Supplementierung mit Stickstoffverbindungen und anderen chemischen Zusätzen 22 3.5.5 Hemmung der Ammoniummonooxygenase mit Ethin 22 3.6 Messung der Netto-Ammonifikation und Netto-Nitrifikation 23 3.6.1 Netto-Ammonifikation und Netto-Nitrifikation in gestörten Bodenproben im Laborversuch 24 3.6.2 Netto-Ammonifikation und Netto-Nitrifikation in ungestörten Bodenproben im Freilandversuch 27 3.6.3 Berechnung der Stickstoffgehalte auf die Fläche 28 3.7 Bestimmung des Nitratverbrauchs 29 3.8 Bestimmung der Populationsdichte chemolithoautotropher Nitrifikanten 30 3.8.1 Verdünnungs-, Ammoniumoxidations- und Nitritoxidationsmedium 30 3.8.2 Bestimmung der wahrscheinlichsten Zellzahl chemolithoautotropher Nitrifikanten 31 3.8.3 Qualitativer Nachweis von Nitrit und Nitrat 32 3.9 Herstellung von Ethin 32 3.10 Statistische und mathematische Analysen 32 3.11 Chemikalien 33 4. ERGEBNISSE 34 4.1 Charakterisierung der Untersuchungsstandorte 34 4.1.1 Bodenphysikalische und bodenchemische Parameter 34 4.1.2 Netto-Ammonifikation und Netto-Nitrifikation 39 4.2 Jahreszeitlicher Verlauf der Netto-Ammonifikation und Netto-Nitrifikation sowie der Bodenparameter 40 4.2.1 Jahreszeitlicher Verlauf der Aktivitäten sowie der Bodenparameter in der Streu 41 4.2.2 Jahreszeitlicher Verlauf der Aktivitäten sowie der Bodenparameter im Mineralboden 48 4.2.3 Zusammenhänge zwischen den N-Mineralisationsaktivitäten und Bodenparametern 51 4.2.3.1 Zusammenhänge zwischen den Aktivitäten und Bodenparametern in der Streu 52 4.2.3.2 Zusammenhänge zwischen den Aktivitäten und Bodenparametem im Mineralboden 55 4.3 Regulationsfaktoren der Netto-Nitrifikation in sauren und Dolomit-gekalkten Nadelwaldböden im Fichtelgebirge 57 4.3.1 ph-wert 57
4.3.1.1 Abhängigkeit der Netto-Nitrifikation vom ph-wert der Streu 57 4.3.1.2 Reaktion der Nitrifikation nach Neutralisation der Streu mit verschiedenen Agenzien 60 4.3.1.3 Einfluß des ph-wertes auf die Netto-Nitrifikation im Mineralboden 63 4.3.1.4 Einfluß der Inkubationsdauer auf die Nitrifikation in saurer und neutralisierter Nadelstreu 65 4.3.2 Substratverfügbarkeit 66 4.3.2.1 Wirkung verschiedener Substrate auf die Nitrifikation 67 4.3.2.2 Einfluß von Ammonium auf die Nitrifikation im Mineralboden 68 4.3.2.3 Einfluß von Kohlenstoffquellen und Ammonium auf die Nitrifikation 70 4.3.3 Temperatur -- 74 4.3.4 Wasserpotential und Wassergehalt 77 4.4 Regulationsfaktoren der Netto-Ammonifikation und Netto-N- Mineralisation in sauren und Dolomit-gekalkten Nadelwaldböden im Fichtelgebirge 79 4.4.1 ph-wert und Ammonium 79 4.4.2 Temperatur 83 4.4.3 Wasserpotential und Wassergehalt 85 4.5 Vergleich der Netto-N-Mineralisationsaktivitäten aus Freiland- und Laborversuchen sowie der Versuch einer Simulation der Aktivitäten unter Freilandbedingungen 87 4.6 Differenzierung nitrifizierender Aktivitäten in saurer und Dolomit-gekalkter Nadelstreu 94 4.6.1 Hemmung der Ammoniumoxidation mit Ethin 94 4.6.2 Differenzierung zwischen pro- und eukaryotischer Nitrifikationsaktivität 95 4.6.3 Populationsdichte chemolithoautotropher Nitrifikanten 98 4.7 Nitratverbrauch in saurer und Dolomit-gekalkter Nadelstreu 100 5. DISKUSSION 102 5.1 Vertikale Verteilung der Nitrifikation und N-Mineralisation saurer und Dolomit-gekalkter Nadelwaldstandorte 102 5.2 Steuerung der Nitrifikation in sauren und Dolomit-gekalkten Nadelwaldböden durch unterschiedliche Effektoren 104 5.2.1 Steuerung der Nitrifikation in der Streu 104 5.2.1.1 ph-wert 104 5.2.1.2 Substratverfügbarkeit 108 5.2.1.3 Temperatur 112 5.2.1.4 Wasserpotential 113
5.2.1.5 Modell zur Regulation der Nitrifikation und Ammonifikation bei niedrigen und hohen ph-werten 114 5.2.2 Steuerung der Nitrifikation im Mineralboden 116 5.3 Analyse der nitrifizierenden Mikroflora in saurer und Dolomit-gekalkter Nadelstreu 117 5.4 Einfluß verschiedener Regulationsfaktoren auf die jahreszeitlichen Verläufe der N-Mineralisationsaktivitäten 121 5.4.1 Netto-Nitrifikation 121 5.4.2 Netto-Ammonifikation und Netto-N-Mineralisation 123 5.5 Vergleich modellierter N-Mineralisationsaktivitäten mit Freilandaktivitäten 125 5.6 Bewertung der Nitrifikationsaktivitäten 127 6. ZUSAMMENFASSUNG 129 7. SUMMARY 132 8. LITERATURVERZEICHNIS 134 9. ANHANG