Nährstoffe und ihr Umsätzeim Pflanze-Boden System
Vorlesungsteil SS 05
Einleitung
Microhabitate im Boden
Lückenraum-system:
Wasser
Luft
Schleime
Staunässe(anaerobe Zonen)
Rhizosphäre
Bodenpartikel(Carbonate)
Rhizosphäre s.s
Definitionen
Definitionen 1 Bodenökologie, Bioaktivität und Gasstoffwechsel
Bodenökologie
Rhizosphäre Durchwurzelter Bodenraum, s.s. von der Wurzel direkt beeinflußter Boden.Rhizoplane Wurzeloberfläche, von Organismen besiedelt.Rhizospährenorganismen An der Wurzeloberfläche lebende Organismen.Rhizodeposition Deposition organischer fester und gelöster Substanz durch Wurzeln in den Boden.Wurzelexudation Sekretion gelöster organischer Substanz durch die Wurzel.Bioaktivität Aktuelle meßbare metabolische Aktivität lebender Organismen oder Exoenzyme.Biomasse In g oder g C angegebene Masse lebender oder in Lysis befindlicher Organismen.Potentielle Bioaktivität Maximale induzierbare Bioaktivität.Abundanz Häufigkeit der Individuen einer Art.Diversität Anzahl vorhandener Arten.Relative Bedeutung Dominanz einzelner Arten bezogen auf Abundanz und Bioaktivität.Poolgrößen Mengen einzelner Metaboliten .Flüsse Umsatzraten einzelner Metaboliten.Energiefluss Translokation Potetieller Chemische Energie wie etwa ATP.Materialfluss Translokation von Substanz, s.s. potentieller Biosubstrate.Residenzzeit Verweilzeit einer Substanz in einem System.Turnoverzeit Zeitraum der vollständigen Rezyklierung einer Substanz in einem System.Source_Quelle Energie bzw. KohlenstoffquelleSink_Senke Ort, an dem eine Substanz bzw. Energie immobilisiert wird.
Definitionen 2 Bodenbiologische Methoden
Bodenatmung, CO2
Bodenluft Im Bodenlückenraum befindliche Luft, u.a. CO2.
CO2- Entwicklung Im Boden gebildetes biogenes und abiogenes CO2.
Bodenatmung (BR) Summe der biogenen CO2 Entwicklung, auch Grundatmung oder Basale Respiration.Wurzelatmung Von den Wuzeln abgegebene CO2 Menge.Mikrobielle Atmung Von Mikroorganismen abgegebene CO2 Menge.SIR Mit C und N Substraten induzierte Bodenatmung.Initial point of respiratory response Zeitpunkt des Überganges von Bodenluftmessung zu Respirationsmessung.Response RESP Differenz von SIR – BR.Response % Basalatmung RESP in Prozent der Basalatmung.Biomassezuwachs Vergrößerung des RESP in mg CO2 pro kg Boden und Stunde im linearen Bereich.Biomasse-C Nach Anderson /Domsch aus SIR berechnete Biomasse C- Menge.Respiratorischer Quotient Gramm Biomasse-C pro g Basalatmungs-C.
Methoden zur Bestimung “mikrobieller Biomasse”
Infrarotspectroskopie Messung der IR Absorption (Absorptionsspektren) einer Substanz.IRGA Infrarot Gasanalyse ( URAS... Ultrarotabsorptionschreiber) der Bodenluft.Isermeyer CO2 Erfassung durch Laugenabsorption und Rücktitration.Anderson/Domsch Biomasse -C Berechnung nach SIR.Fumigation/Extraktion Extraktion des Biomasse-C oder N nach Chloroform Fumigation.Isoenzymaktivitäten Ermittlung des maximalen Substratumsatzes eines Bodens.Direktzählung Färbung und Auszählung im Mikroskop.
Konzeptmodelle
E- AbflußEnergiequelle Regler Passiver Speicher
Konsument
Steuerkreis
Lastkreis
Xorg....organisch geb. N/CXmin....remineralisierter N/C
Nach H.T.Odum, 1971
POM....particulate org. matterDOM....dissolved org. matter
MESOFAUNA
Xmin
Xorg
Pflanzen
SteuerungMaterial/Energie
Migration
Auswaschung
atm. Exportatm. Import
Cyano-Bakt
Basisinteraktionen, nach Odum
h
NH4+
NO3-
Urease
N atmosph.
BR, SIR
PLANT
POM
DOM
Rhizodeposition,Litter Feedback
Mass TransferSteering influence
MESOFAUNA MiO
Free Amino Acids
Protease
N-Turnoverin Soils
Nährstoffstrategien und Funktionskreisläufe
PFLANZE
h
ParticulateOrganicMatter
DissolvedOrganicMatter
Mikro-organismen
Karbonat
CO2
Rhizodeposition: Pflanzen geben organisches Material an den Boden ab.
Freie Zucker: Rhizodeposition,Abbautätigkeit von Mikroorganismen.
Steigerung der mikrobiellen Aktivität: Grundatmung.
Karbonat: aus Grundgestein oder aus CO2, das im Wasser Kohlensäure bildet.
CO2 Sink: Free Sugars in Plant and Soil
Bulk soil
Rhizosphere
Soil Partikels(Carbonates)
glucose and other free sugars in 1 kg soil: an average 20 to 200 mg
glucose and other free sugars in plants:an average of 2 -10 mg g DM -1
standing crop of grasses on 1 kg soil:an average of 10 -20 g DM
free sugars in the standing crop on 1 kg soil:an average of 20 -200 mg
transfer rates ?
Soil Respiration2-200 mg CO2 h-1
exportleachingmigration
Root Biomass
Rhizodeposition Strategies of Plant Species
high biomass production
- keeping a reserve for remineralisation by slow decomposers (K-strategy)
high exudation of low molecular weight organic substances
- quick substrates for fast remineralizing microorganisms (R- strategy)
Combinations (extremes) and their impact on ecosystems
high biomass and high exudation high turnover, steady state or shift?
high biomass and low exudation steady state, slow shift of biodiversity
low biomass and high exudation quick depletion of nutrients, degradation?
low biomass and low exudation steady state, slow turnover rates
MgCO3
Mg ++
Ca++
Boden
Luft
Grundwasser
1
2
3
Harnstoff- und Kohlensäure- Kreislauf
MiO
Biomasse
CO(NH2)2
NH2
H2O
H2CO3
CO2
CO2
MesoF
pH
DOM
POM
italic....
normal...
ureides urease activity ammonia
protease activity microbial biomass
leaching
mesofaunagrazing
grazing litter
mass transfer
activity
poolinfluence
Harnstoff, Urease und pH-Wert
Methoden
1 2 4 8 16T% 50 25 12,5 6,25 3,125T 0,5 0,25 0,125 0,063 0,031log T -0,30 -0,60 -0,90 -1,20 -1,51E (A) 0,30 0,60 0,90 1,20 1,51
II
T0
II
T0
100 %
log logII
n II
d0 0 1
E T I
In
IId
d d
log log log0
0
E c d E I
Id
log
0
II
c d
0
10
I I c d 0 10
...Lambert 1760 ...Beer
.... Lambert Beer` sches Gesetz
d
Konzentration und Lichtschwächung
Diodenarray-Detector(512 Dioden1,25 nm pro Diode)
Gitter
Spalt
Strahlenvereiniger
Verschluß
Linse
Deuterium-Lichtquelle
Wolfram-Lichtquelle
Spalt
ProbeLinse
DIODENARRAY- SPEKTRALPHOTOMETER
Mikroplattenphotometer, Enzymtests (Urease)VollprobenBlindproben
Kal
ibra
tions
reih
en
Reines Lösungsmittel (A.demin.)
Reagenzienleerwerte
V = konstant!
„Fraunhofersche Linien“Absorptionslinien
Emissionslinien
Sichtbares Licht
Sonnenspektrum
Temperatur und Licht
Flammenphotometrie, Atomabsorption
Thermische Ionisation
Thermische Dissoziation
AAS - Meßbedingungen
noch nicht ...
nicht mehr!
Entropie
Tem
pera
tur
Position Sample ID Abs Conc y´ = kx + d y'
A 1 Kalibrationspunkt 1 1 2 k = 1,80 1,6
B 1 Kalibrationspunkt 2 2 3 d = -0,2 3,4
C 1 Kalibrationspunkt 3 3 5 r = 0,9938837 5,2
D 1 Kalibrationspunkt 4 4 7 Factor Abs Conc 7
E 1 Kalibrationspunkt 5 5 9 1 1 1,6 8,8
F 1 Copy this formula to column D -0,2
G 1 to calculate the y ́values! -0,2
H 1 -0,2
linear calibration curve
0
2
4
6
8
10
0 2 4 6
Auswertung (Rechnung) über Kalibrationskurve
Berechnungsbeispiel: Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)
AngabenTrockenmasse ist 20 % der Frischmasse10 mL 4 % iger Urextrakt (Einwaage 0,4g)Verdünnung 1: 50 (1+ 49)Kalibrationsgerade der AAS: y = kx + d.... y = 8x + 0MG von Ca (2-wertig): 40,078g
SchrittWert ( Zwischenergebnis) Beispiel Einheit Operation Zweck1 AAS Meßwert: Absorption des Analysates 0,49625 Abs, E | * k + d Ausrechnung durch Einsetzen in Kalibrationsgerade2 AAS Ergebnis: Konzentration des Analysates 3,97 mg L-1 | * 50 Rückrechnung auf 1 L unverdünnten Extrakt3 Masse in einem L unverdünnten Extraktes 198,5 mg | / 1000 Rückrechnung auf 1 mL unverdünnten Extrakt4 Masse in einem mL unverdünnten Extraktes 0,1985 mg | * 10 Rückrechnung auf Gesamtvolumen des Extraktes5 Masse im unverdünnten Extrakt 1,985 mg | / 0,4 Rückrechnung auf Einwaage6 Masse im Gramm Pflanzenpulver 4,9625 mg g-1 | / 20,039 Umrechnung von Masse auf Equivalentmenge7 Eqivalentmenge im Gramm Pulver 0,24764 mVal g-1 | * 1000 Umrechnung von mVal auf µVal8 Eqivalentmenge im Gramm Pulver 247,642 µVal g-1 | / 20 *80 Umrechnung von Bezugsgröße TM auf FW
Eqivalentmenge im mL Frischwasser 990,568 µVal mL-1
Abstraktion zu Formel(n): =+[Meßwert]*8*50/1000*10/[EW]/20,039*1000/[%TM]* [%FW]
-----> Testen, Plausibilitätscheck !!!!!!
Excel: Probe Meßwert EW [%TM]* [%FW] Ca µVal g-1 Ca µVal mL-11 Formel 1 Formel 223
Berechnungen in Excel
Eluent
Pumpe
Einspritzventil
Trennsäule
Detektor- elektrochemisch- photometrisch
Flüssigkeitschromatographie
Derivatisierung
Derivatisierung
Wiederholung
Interpretation der Ergebnisse
MiOCO2
additional (RESP)
investigated system
inhibition
substrate enzymeN/C -
pH
enzyme activation / inhibitionenzyme induction / repressionabundance changediversificationadaptationslong term effects (succession)
mass flow
influence
stimulatingor inhibitingeffects:
basal (BR)original pool
supplement
Mikrobielle Aktivität und Biomasse
basins of attraction
system elasticity
system stability
presentecosystem
future ecosystem
TemperatureFertilizer
Rhizodeposition
ecosystem succession due toland use ?
worst case:degradation
Stability of Soil Systems
system resilience
soil property (Soil aggregate stability)
ener
gy n
eede
d to
cha
nge
soil
prop
ertie
s
Remin
RootShoot
MiO SIR
Ext EnzUrease
KI+_pH
H2O
NH4
FertilizerWater
Rice Soil System
WRCKEC
Litter