Es wird die Vertragsart "Ackerlebensraum" dargestellt. Diese bezieht sich auf alle Ackerflächen auf Mineralböden (also nicht auf Moor- und Anmoorstandorten).
Es wird die Vertragsart "Ackerlebensraum" dargestellt. Diese bezieht sich auf alle Ackerflächen auf Mineralböden (also nicht auf Moor- und Anmoorstandorten).
Monokulturen und ineffiziente Ressourcennutzung, begleitet von Bodendegradation und Verlust der biologischen Vielfalt in konventionell bewirtschafteten Agrarsystemen, stellen eine Herausforderung für eine stabile Nahrungsmittelproduktion dar. Um die Nahrungsmittelproduktion zu sichern, ohne die Gesundheit und Funktionalität der Agrarökosysteme (weiter) zu gefährden, sind nachhaltige Strategien erforderlich. Arbuskuläre Mykorrhizapilze (AMF) sind die am weitesten verbreiteten Symbionten unter den Nutzpflanzen. Die meisten Studien zum Nutzen der AMF für die Pflanzenproduktion konzentrieren sich jedoch auf den Oberboden, d. h. die dünne Pflugschicht in konventionell bewirtschafteten Systemen. Das Potenzial von AMF in Unterböden (d.h. dem Mineralboden unterhalb der Pflugschicht) wird nur selten untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass Unterböden spezifische AMF-Arten beherbergen können, von denen man annimmt, dass sie sich in ihren Eigenschaften und Funktionalität von den Arten im Oberbodens unterscheiden. Das Hauptziel dieses Projekts ist eine funktionelle Differenzierung der AMF-Gemeinschaften im Ober- und Unterboden hinsichtlich ihrer Strategien zur Nährstoffakquise und -allokation. Das Projekt zielt auf die Beantwortung der Frage ab, (i) ob Unterböden AMF-Gemeinschaften mit funktionellen Eigenschaften beherbergen, die sich von denen der AMF-Gemeinschaften im Oberbodens unterscheiden oder sogar vielfältiger sind, und (ii) ob diese Eigenschaften für eine nachhaltige Bewirtschaftung von Nutzen sein können. Die DNA Amplikon Sequenzierung und Metatranskriptomanalyse von AMF-Gemeinschaften, die mit Pflanzen verschiedener funktioneller Pflanzengruppen assoziiert sind, erlaubt eine erste Bewertung der funktionellen Vielfalt von AMF Unterbodengemeinschaften. Dies beruht auf der Annahme einer merkmalsbasierten Partnerwahl zwischen Pflanze und Pilz. Zur weiteren funktionellen Charakterisierung wird die Aufnahme und der Transfer von leicht verfügbarem N und K durch AMF Gemeinschaften mit Hilfe von 15N-angereicherten Verbindungen sowie Spurenelementen untersucht, die bei der Nährstoffaufnahme als K-Analoga agieren. Die Anregung der N- und P-Mobilisierung aus organischem Material durch AMF-Gemeinschaften wird unter Verwendung von zweifach isotopisch markiertem (15N, 33P) Pflanzenbiomasse untersucht. Durch 13CO2-Pulsmarkierung der Wirtspflanzen wird die Kohlenstoffallokation der Pflanzen in verschiedene AMF-Gemeinschaften analysiert. Dadurch sollen Erkenntnisse über das Potenzial von Unterböden als Reservoir für funktionell vielfältige AMF-Gemeinschaften und deren Potenzial zur Verbesserung der Nährstoffverwertung in Agrarsystemen gewonnen werden. Das Projekt wird damit zur Klärung der Frage beitragen, ob eine angemessene Bewirtschaftung des Unterbodens geeignet ist, die funktionelle Vielfalt von AMF oder sogar gezielt bestimmte funktionelle Eigenschaften von AMF in landwirtschaftlichen Systemen zu fördern, um die Nahrungsmittelproduktion zu stabilisieren.
Fließgewässerbegleitende Feuchtgebiete sind wichtige Quellen für gelösten organischen Kohlenstoff (DOC) im Gebietsabfluss. Während der letzten Jahrzehnte stiegen in vielen nördlichen Einzugsgebieten die DOC Konzentrationen im Abfluss, mit Folgen für die Gewässergüte und Kohlenstoffspeicherung in den Gebieten. Mögliche Ursachen der DOC Trends werden derzeit intensiv diskutiert. In Böden ist organischer Kohlenstoff (C) häufig mit Oxiden/Hydroxiden des Eisens (Fe) assoziiert, was C unter oxischen Bedingungen immobilisiert. Unter anoxischen Bedingungen kann C durch reduktive Auflösung der Fe-Phasen und/oder eine redoxbedingte Erhöhung des pH remobilisiert werden. Diese Vorgänge wurden zwar im Labor - vor allem für Mineralböden - untersucht, jedoch ist die Bedeutung für organisch geprägte Böden sowie die DOC-Dynamik im Gebietsabfluss noch weitestgehend unklar. Wir führen dies auf mangelnde Untersuchungen zurück, welche diese Prozesse in Einzugsgebieten von der DOC-Quelle bis ins Gewässernetz mit geeigneten experimentellen und Modelltechniken verfolgen. Ziel des Projektes ist daher ein Prozessverständnis der Interaktionen von DOC, Fe und pH für Einzugsgebiete zu entwickeln, die durch einen wesentlichen Anteil gewässerbegleitender Feuchtgebiete geprägt sind. Die zentrale Hypothese ist, dass der mobilisierbare DOC-Pool in gewässerbegleitenden organischen Böden hauptsächlich durch Redoxprozesse beeinflusst wird, insbesondere durch Fe-Reduktion sowie durch redoxbedingte Änderungen des pH. Wir postulieren einen Zusammenhang der DOC-Dynamik im Gebietsabfluss und der Änderung der Grundwasserstände/Bodentemperaturen in den Feuchtgebieten, weil letztere die Redoxbedingungen maßgeblich beeinflussen. Im Projekt wird ein kombinierter Ansatz verfolgt, mit (A) experimentellen Untersuchungen entlang von Transekten aus den Feuchtgebieten bis ins Gewässer, wobei molekulare DOC Signaturen als Tracer für Mobilisierungsprozesse verwendet werden und (B) der Anwendung von neueren Methoden zur Detektion kausaler Wechselwirkungen aus Monitoringdaten. Das Projekt ist vorwiegend im Krycklan Einzugsgebiet in Nordschweden geplant, für das lange Zeitreihen sowie eine sehr gute Infrastruktur existieren. Das Prozesswissen aus Krycklan soll mit Hilfe von Bayes'schen Netzen auf deutsche Einzugsgebiete übertragen werden, wo komplementäre Studien durchgeführt werden und Kooperationen bestehen. Das 3-jährige Forschungsprojekt soll mit einem Doktorand*innen in einer Kooperation der Uni Münster, der Berliner Hochschule für Technik (BHT), des UFZ Leipzig/Magdeburg, der Schwedischen Uni für Agrarwissenschaften in Umeå und der Uni Bayreuth durchgeführt werden. Während die/er Doktorand*in für die experimentellen und die Laboruntersuchungen zuständig ist, obliegen PI Selle (BHT) die Modellierungsarbeiten und die Übertragung der Erkenntnisse aus Schweden auf deutsche Einzugsgebiete; gemeinsam wird schließlich eine Integration und Synthese von Projektergebnissen erreicht.
Störungen wie Trockenheit oder Sturm, welche zum Verlust des Kronendachs führen, verändern mikroklimatische Bedingungen und damit die Streuumsetzung und den Kohlenstoffkreislauf in Waldökosystemen. Ein Nadelöhr der Streuumsetzung ist der Abbau von Lignin, der nicht nur durch Mikroorganismen, sondern auch abiotisch unter dem Einfluss von Sonnenstrahlung und Wärme erfolgt. Gerade in gestörten Waldökosystemen Mitteleuropas können Quantität und Qualität der organischen Bodensubstanz durch abiotischen Ligninabbau und seiner synergistischen Wirkungen maßgeblich beeinflusst werden. Hierzu ist bislang jedoch wenig bekannt. Um den Einfluss des fehlenden Kronendachs auf die Streuumsetzung auf Störungsflächen im Wald zu erkennen und zu quantifizieren, werden wir folgende Hypothesen testen: (H1) Der abiotische Abbau des Lignins nimmt mehr mit der Lichtintensität als mit der Temperatur und abnehmender Feuchte zu. (H2) Beim abiotischen Abbau des Lignins entstehen Abbauprodukte, die stärker depolymerisiert sind als Abbauprodukte der Rotfäule und weniger funktionelle Sauerstoffgruppen enthalten als Abbauprodukte der Weißfäule. (H3) Abiotischer Ligninabbau in der Humusauflage begünstigt Bakterien gegenüber Pilzen, und fördert die Produktion von gelöster organischer Substanz reich an depolymerisierten und desoxygenierten Ligninverbindungen. (H4) Geht also das Kronendach verloren, führt verstärkter Lichtintensität und die damit einhergehende abiotische Depolymerisierung und Desoxygenierung dazu, dass organische Substanz, die aus der Humusauflage in den Mineralboden gelangt, für Mikroorganismen schlechter abbaubar ist und eine geringere Affinität zu Bodenmineralen aufweist. Wir werden diese Hypothesen testen, indem wir zunächst in Laborinkubationsexperimenten mit Modellsubstanzen sowie Fichten- und Buchenstreu unter kontrollierten Licht-, Feuchte- und Temperaturbedingungen und unter Nutzung standardisierter mikrobieller Inokula die abiotischen Abbauraten sowie die entstehenden Ligninabbauprodukte mittels wässrige Extrakte, Kupferoxid-Oxidation sowie Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und bestimmen. Außerdem wir in diesen Inkubationsexperimenten die Reaktion von Pilzen und Bakterien auf den abiotischen Abbau mittels Analyse von Zersetzungsart, Phospholipidfettsäuren sowie mikrobiellem Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor bestimmt. Weiter werden wir in Fichtenmischbeständen entlang eines Störungsgradienten im Nationalpark Schwarzwald die in-situ-Transformation von 13C-markierter Buchenstreu untersuchen. Während einer gleichzeitigen zweijährigen Inventur in diesen Fichtenmischbeständen werden außerdem Indikatoren abiotischen Abbaus sowie die Reaktivität und Stabilität der organischen Bodensubstanz erfasst. In der Gesamtschau werden die Ergebnisse unseres Projekts es ermöglichen den abiotischen Ligninabbau zu quantifizieren und somit seine Bedeutung für die Entstehung und Stabilität der organischen Bodensubstanz auf Störungsflächen im Wald zu ermitteln.
Es wird oft angenommen, dass geringe Umsatzraten der Humusauflage (FF) mit der Immobilisierung von Nährstoffen in der organischen Substanz einhergehen. Dies steht im Gegensatz zu der allgemeinen Hypothese von FOR 5315, wonach dicke Humusauflagen eine Art Anpassung an die geringe Nährstoffversorgung durch den Mineralboden darstellen. In unserem Projekt untersuchen wir, unter welchen Bedingungen ein langsamer Umsatz der Humusauflage von Vorteil für Bäume sein könnte. Unser Ziel ist es, festzustellen, welche Prozesse die Bedeutung des FF für die Baumernährung im Vergleich zum mineralischen Oberboden steuern. Wir testen die Hypothesen, dass (1) an nährstoffarmen Standorten der Umsatz von C geringer ist als der von P und N, (2) die Beimischung von Mineralien zu FF-Material und die anschließende Bildung von SOM-Mineral-Assoziationen den Pool an organisch gebundenem P+N und an leicht mobilisierbarem P+N verringert, und (3) dass FF bei Fichte (Picea abies) stärker zur N- und P-Aufnahme beiträgt als bei Ahorn (Acer pseudoplatanus), während Buche (Fagus sylvatica) über die Standorttypen hinweg plastischer ist: ähnlich wie Ahorn auf reichen Standorten und ähnlich wie Fichte auf armen Standorten. Um unsere Hypothesen zu prüfen, werden wir die Mobilisierungskinetik der Makronährstoffe aus FF- und A-Horizonten mit Hilfe der Bodendialyse untersuchen. Wir werden den neuartigen Ansatz von „Streu- und OF-Bags“ mit Beimischung der jeweiligen Mineralien anwenden und wir werden die Mobilisierung von N aus markierter Streu im Mesokosmos-Ansatz für die drei Baumarten analysieren. Die Installation von markierten Mesokosmen unter den kontrollierten Bedingungen eines Baumartenexperiments wird unsere Analysen ergänzen. In Zusammenarbeit mit den Partnern der FOR werden wir in der Lage sein, den Einfluss der mikrobiellen Gemeinschaft, der Wurzel-Mykorrhiza-Exsudate und der Bodenfauna auf die Mobilisierung von Nährstoffen aus der FF zu untersuchen. Unter Einbeziehung all unserer Ergebnisse werden wir Informationen über die Rolle der FF für die Ernährung von Buche, Ahorn und Fichte in Abhängigkeit der Jahrestemperatur. Mit der Synthese unseres Projekts werden wir einen Beitrag zu der RU-Querschnittsfrage leisten. Wir werden klären unter welchen Bedingungen und für welche Baumarten eine längere Verweildauer von Nährstoffen in FF von Vorteil ist.
Die Humusauflage im Wald (HA) bildet die Grenze zwischen Mineralboden und Atmosphäre. Die Eigenschaften der HA bestimmen die Nährstoffkonzentration und -qualität sowie die Verfügbarkeit von Sauerstoff und Wasser. Die Nährstoffumsetzung durch Mikroorganismen in der HA wird durch die Nährstoffstöchiometrie und der Operonstruktur Prozess-beteiligter Gene bestimmt. Nährstoffverfügbarkeit und Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften sind eng miteinander verknüpft. Veränderungen in der Temperatur wirken sich auf die Nährstoffverfügbarkeit und Struktur der HA aus, also auch auf die taxonomische und funktionelle Zusammensetzung von mikrobiellen Gemeinschaften. Ziel unseres Projektes ist es, die Wechselwirkung zwischen abiotischen HA-Eigenschaften und der Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften unter verschiedenen P- und Temperaturregimen zu verstehen. Wir stellen die Hypothesen auf, dass die Qualität und Quantität der organischen Bodensubstanz, der Wurzelexsudate und die Nährstoffstöchiometrie (C, N, P, Kationen) das mikrobielle Potenzial zur Umwandlung von Stickstoff und Phosphor beeinflussen sowie die Interaktion mit anderen Biota (Pilze, Fauna und Bäume). Eine räumliche Korrelation zwischen Bakterien und Nährstoffen ist wahrscheinlich. Um diese Hypothesen zu prüfen, werden wir verschiedene experimentelle und analytische Ansätze kombinieren. Zuerst werden wir die wichtigsten Akteure und Prozesse des mikrobiellen N- und P-Umsatzes identifizieren. Dazu werden wir Proben der HA und des Mineralbodens von 12 Buchen-dominierten Standorten, entlang eines P und T-Gradienten vergleichen. Zusätzlich untersuchen wir die Rhizosphäre von Buche, Ahorn und Fichte an drei Standorten mit unterschiedlicher P-Verfügbarkeit. Zur Identifikation der Langzeitanpassungen werden wir einen metagenomischen Ansatz verwenden. Anschließend werden qPCR-basierte Analysen durchgeführt, um die dominanten Schlüsselakteure unter verschiedenen Bedingungen zu quantifizieren. Darüber hinaus werden wir die Besiedlung der Wurzeln durch Bakterien, die am P-Umsatz in der HA und Mineralböden beteiligt sind, mit Hilfe von CARD-FISH untersuchen. Mit Hilfe experimenteller Ansätze verwenden wir die Bedeutung verschiedener Faktoren testen: (i) Bedeutung der Bodenmineralien für die mikrobiellen P-Akquirierungsstrategien im Rahmen eines Streu/OF-Beutel-Experiments, bei dem zusätzliche primäre und sekundäre Mineralien zur Streu oder OF-Material hinzugefügt werden. (ii) Die Interaktion von Fauna und Mikroorganismen in der HA wird im Rahmen eines Fauna-Ausschluss-Experiments untersucht. Um die Operonstrukturen von P-Genen zu rekonstruieren werden wir zusätzlich Bakterien isolieren, die an der Solubilisierung von mineralisch gebundenem P im Streu/OF-Beutel-Experiment beteiligt sind. Basierend auf den verschiedenen Ansätzen, werden wir in der Lage sein, die Hauptfaktoren für den mikrobiellen Abbau der organischen Substanz in der HA unter sich ändernden Umweltbedingungen zu identifizieren.
Die Humusauflage (FF) ist die Schnittstelle zwischen den ober- und unterirdischen Teilen von Waldökosystemen. Sie bietet Lebensraum für eine Vielzahl von Organismen, dient als Saatbett und Wurzelraum für die Vegetation und fungiert als Drehscheibe des Ökosystems, an dem organische Substanz, Nährstoffe, Wasser und Klimagase gespeichert, absorbiert und umgewandelt werden. Die Eigenschaften von FF spiegeln daher komplexe Wechselwirkungen zwischen biotischen und abiotischen Ökosystemkomponenten wider, insbesondere solche, die mit dem Mikroklima und der Nährstoffversorgung zusammenhängen. Eine Auswirkung der Klimaerwärmung auf die FF und die damit verbundenen Ökosystemleistungen ist vor allem in den gemäßigten Regionen wahrscheinlich, wo kleine Änderungen der Kontrollvariablen eine Verschiebung von Wäldern, in denen die organische Schicht dominiert, zu Wäldern, in denen der Mineralboden dominiert, bewirken können. Unsere Forschungsgruppe (FOR) konzentriert sich auf die Analyse der kausalen Zusammenhänge zwischen Kontrollvariablen, Eigenschaften und Ökosystemleistungen von FFs. Diese Zusammenhänge ermöglichen (i) die Erfüllung bestimmter Funktionen durch den FF im Vergleich zum mineralischen Oberboden, (ii) eine Bewertung der Anfälligkeit von FF unter der Klimaerwärmung und (iii) die Verwendung von FF-Eigenschaften als Indikatoren für die Bereitstellung von Ökosystemleistungen unter gegebenen klimatischen Bedingungen und Eigenschaften des Mineralbodens. Diese Ziele orientieren sich an der Gesamthypothese der FOR: Die Waldbodeneigenschaften europäischer Buchenwälder werden durch Anpassungen der Organismen an den Nährstoffstatus der Böden geprägt. Der Einfluss der Klimaerwärmung auf die FF-basierten Ökosystemleistungen hängt von den Wechselwirkungen mit diesen Anpassungen ab. Dieser konzeptionelle Rahmen wird durch spezifische Hypothesen von 11 Einzelprojekten in enger Zusammenarbeit umgesetzt, wobei der Schwerpunkt auf kombinierten Phosphor- (P) und Temperatureinflüssen in europäischen Buchenwäldern (Fagus sylvatica) in Mischung mit Fichte (Picea abies) und Bergahorn (Acer pseudoplatanus) liegt. Zwölf Untersuchungsstandorte ermöglichen die Untersuchung der interaktiven Wirkungen von Lufttemperatur und P-Gehalt der Böden. An diesen Standorten werden wir 13C-, 15N- und 2H-Experimente zur Markierung von Streu durchführen, um Prozesse zu verfolgen und zu quantifizieren, und wir werden diese in den Kontext der Nährstoff-, Kohlenstoff- und Wasserdynamik stellen. Ergänzt werden unsere Forschungsarbeiten durch Baumsaatexperimente und Analysen der mikrobiellen Gemeinschaften, Nahrungsnetze der Bodenfauna sowie wurzel- und mykorrhizabedingten Prozessen. Zeitreihenanalysen vorhandener Daten und ökologische Modellierung werden das Prozessverständnis, das up-scaling und die Abschätzung von Szenarien unterstützen.
Waldböden zeichnen sich u.a. durch ihre organische Auflage mit scharfen vertikalen Gradienten der Materialzusammensetzung und Morphologie aus. Der Aufbau der Humusauflage mit Übergang zum Mineralboden wird in der Boden- und Standortkartierung als Humusform klassifiziert. Die Humusform Moder im Buchenwald z.B. zeigt unter geschichteten Blattfragmenten unterschiedlichen Zersetzungsgrades eine Lage feinkrümeliger, stark humifizierte Reste der Aktivität der Bodenfauna über dem Mineralboden. Der innere Aufbau kontrolliert die Durchlässigkeit für Gase, Wasser und Nährstoffe zwischen der Atmosphäre und dem Mineralboden. Die Konnektivität der Humusauflage hat somit entscheidenden Einfluss auf die Stoffflüsse in Waldökosystemen aber die Datenverfügbarkeit dazu ist gering und Transferfunktionen kaum vorhanden. Auf den 12 Versuchsstandorten der Forschungsgruppe wollen wir mit einer innovativen mikrotopografisch-fotogrammetrischen Methode eine Brücke zwischen der Bestimmung der Humusform im Gelände und bodenphysikalischen Laboranalysen schlagen. Mit den hochaufgelösten digitalen Oberflächenmodellen können wir Dicke, zum Volumen und zur inneren Struktur der Lagen der Humusauflage präzise berechnen. Wir werden zwei Typen der mikrotopografischen Plots einrichten. Erstens, permanente 50*50 cm Plots zur wiederholten Oberflächenanalyse über 3 Jahre. Hier erhalten wir Daten zur saisonalen Volumen- und Oberflächendynamik. Zweitens 20*20 cm Plots, bei denen Oberflächenmodelle aller Lagen der Humusauflage durch sukzessives absammeln ermittelt werden. Durch Differenzbildung erhalten wir auch die genauen Volumina des Probematerials. Mit natürlich gelagerten Proben werden Wasserhaushaltsparameter, Ionen- und Gasdiffusivität im Labor gemessen. Außerdem werden Tiefenprofile der Konzentrationen von CO2, N2O, und CH4 bestimmt. Durch die Einbringung von Glasplatten mit Eisenoxidbeschichtung über einige Wochen werden vertikale Muster der reduktiven Mobilisierung erfasst. Beide Methoden erlauben eine ökologische Interpretation von bodenphysikalischen Eigenschaften im Hinblick auf Wasser- und Gashaushalt wie z.B. die Freisetzung von gelöstem organischem Kohlenstoff oder der Treibhausgasaustausch. Auf der Basis des Standes des Wissens und in enger Zusammenarbeit mit den Partnern der Forschungsgruppe wollen wir folgende Hypothesen testen: (1) Scharfe Übergänge zwischen den Lagen sowie grob strukturierte Element erzeugen kapillare Barrieren (2) In der Folge verringerter kapillarer Durchlässigkeiten enstehen starke saisonale Kontraste im Hinblick auf Wassersättigung und Belüftung (3) Der innere Aufbau der Humusauflage variiert saisonal mit entsprechenden Folgen für die Konnektivität. Diese Dynamik kann mit mikrotopografischen Methoden erfasst werden. (4) Humusauflagen geringer Konnektivität zeichnen sich durch kleinräumiges Auftreten von reduktiver Eisenmobilisierung aus, was zu Mobilisierung von gelöstem organischem Kohlenstoff und erhöhten N2O und CH4 Konzentrationen führt.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 1036 |
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|---|---|
| Daten und Messstellen | 901 |
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