Dyckmans, Jens

Helfrich, Mirjam

Jacobs, Anna

Ludwig, Bernard

Rauber, Rolf

German

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1Auswirkung der Bodenbearbeitung auf Mineralisierung und Stabilisierung orga-nischer Substanz – ein Mikrokosmenver-suchAnna Jacobs1*, Mirjam Helfrich1,2, Jens Dyckmans3, Rolf Rauber4, Bernard Lud-wig1EinleitungUm nachhaltige Fruchtbarkeit und Ressour-censchonung  zu  gewährleisten,  sowie  den Energieeinsatz zu reduzieren, werden redu-zierte  Bodenbearbeitungspraktiken  in  der ökologischen Landwirtschaft  vielfach disku-tiert.  Ein  vorangegangener  Feldversuch zeigte  höhere  Konzentrationen  an  organi-scher  Substanz (OS)  und mikrobieller  Bio-masse,  sowie  ein  vermehrtes  Vorkommen wasserstabiler Makroaggregate und minera-lisch-assoziierter OS in reduziert bearbeite-ten Böden (Kreiselegge bis 5 cm Tiefe = RB) im Vergleich zu einem konventionellen Bear-beitungssystem  (KB)  (Jacobs  et  al.  2009). Welche  Mechanismen  für  Unterschiede  in Abbau und Speicherung von OS verantwort-lich sind,  ist  nicht  hinreichend geklärt  (vgl. Six et al. 2000, Miura et al. 2008, Jacobs et al. 2009). Um die anfänglichen Abbau- und Speichermechanismen untersuchen zu kön-nen,  wurde  ein  Mikrokosmenversuch,  der die verschiedenen Bearbeitungssysteme si-mulierte,  angelegt.  Hauptfragestellung  war hierbei, zu welchen Anteilen frisch eingear-beitetes  Maisstroh -  im Hinblick auf  Unter-schiede zwischen den beiden Bearbeitungs-varianten  –  mineralisiert,  in  die  mikrobielle Biomasse inkorporiert oder aggregiert wird.Material und MethodenUnterschiedlich  bearbeitete  Böden  wurden von der  Versuchsfläche "Hohes Feld“   bei Göttingen  (schluffige  Parabraunerde)  ent-nommen. Seit 1967 wird diese Fläche diffe-renziert  bearbeitet:  (i)  „konventionell“  mit Wendepflug bis zu 25 cm Tiefe (KB) und (ii) „reduziert“  mit  einer  Kreiselegge  bis  5  cm Tiefe  (RB). Eine  detaillierte  Standortbe-schreibung  findet  sich  in  Jacobs  et  al. (2009). Die  Bodenentnahme  erfolgte  jeweils  aus dem Horizont, der von der Bearbeitung be-einflusst wurde (KB: 25 cm; RB: 5 cm). Der Boden  wurde luftgetrocknet  und  auf <250 µm zerkleinert, um alle Makroaggrega-te zu zerstören. Als OS wurde getrocknetes, 1 Universität Kassel, Fachgebiet Umweltchemie, Nordbahnhofstr. 1a, 37213 Witzenhausen; *ajacobs@uni-kassel.de2 Johann Heinrich von Thünen-Institut, Institut für Agrarrelevante Klimaforschung, Bundesallee 50, 38116 Braunschweig3 Universität Göttingen, Büsgeninstitut, Kompetenz-zentrum Stabile Isotope, Büsgenweg 2, 37077 Göttin-gen4Universität Göttingen, Abteilung Pflanzenbau, Von-Siebold-Str. 8, 37075 GöttingenTagungsbeitrag zu: Jahrestagung der DBGKom. IITitel der Tagung: Böden – eine endliche Res-sourceVeranstalter: DBG, September 2009, BonnBerichte der DBG (nicht begutachtete online Publi-kation); http://www.dbges.de2gehäckseltes (250-1000 µm) Maisblattstroh (15N angereichert, 13C natürliche Abundanz) verwendet. Pro Mikrokosmos wurde ca. 1 kg Boden in Gläser (1,5 l) eingefüllt. Eine Lage-rungsdichte von 1 g cm-3  simulierte hierbei die Feldbedingungen direkt nach der Bear-beitung. Die Einarbeitungstiefe der OS wur-de entsprechend den Feldbedingungen vari-iert:  (i) KB Boden mit 6,2 g OS (entspricht 2,6 g C g-1 Boden) homogen über den ge-samten  Mikrokosmos  verteilt  (KBMais),  (ii) RB Boden mit 6,2 g OS auf das oberste Drit-tel des  Mikrokosmos  beschränkt  (RBMais). Zusätzlich wurden für beide Böden Kontroll-Mikrokosmen angelegt:  (iii)  KBKontrolle und (iv)  RBKontrolle.  Die  Inkubation  erfolgte  bei 15°C und 60% der maximalen Wasserhalte-kapazität für 28 Tage.CO2-Emissionen  wurden  kontinuierlich  ge-messen, sowie die 13C-Markierung des CO2 an zusätzlichen Gasproben an den Tagen 1, 2, 3, 6, 9, 14 und 27. Nach 3, 8, 14 und 28 Tagen Inkubation wurden 4 Mikrokosmen je-der  Variante  aus  dem  laufenden  Versuch entnommen und im oberen Drittel untersucht auf mikrobiellen C (Cmik), maisbürtigen Cmik (Helfrich  et  al.  2008)  und  neu  gebildete, wasserstabile  Makroaggregate (John  et  al. 2005), sowie C und maisbürtigen C in den Makroaggregaten (Helfrich et al. 2008).ErgebnisseDie RB-Mikrokosmen zeigten einen höheren Anfangspeak  an  CO2-Emission  (Abbil-dung 1). Im weiteren Verlauf der Inkubation glichen sich die Emissionen an. Nach 28 Ta-gen  Inkubation  war  die  kumulative  CO2-Emission, bedingt durch den stärkeren An-fangspeak, aus den RB-Mikrokosmen signifi-kant  höher,  als  aus  den  KB-Mikrokosmen: RBMais:  1751  ±  5  mg CO2-C  kg-1 Boden; KBMais: 1699  ±  13  mg CO2-C  kg-1 Boden (Mittelwerte ± Standardfehler; n = 4). Jedoch wurde in der RB-Variante signifikant  weni-ger Mais mineralisiert: RBMais: 44,8 ± 0,3%; KBMais: 49,4 ± 0,6%.Die  mikrobielle  Biomasse,  gemessen  als Cmik-Konzentration,  der  beiden  Böden  un-terschied sich bereits vor Beginn der Inkuba-tion:  Die  Cmik-Konzentrationen der  RB-Bö-den waren höher als diejenigen der KB-Bö-den (Tabelle  1).  Im Verlauf  der  Inkubation zeigten  die  Kontroll-Mikrokosmen (RBKontrolle;  KBKontrolle)  kaum Veränderung (Daten  nicht  gezeigt).  Die  Mais-Varianten zeigten deutliche Unterschiede in den Cmik-Abbildung 1: CO2-Emissionen während 28-tägi-ger Inkubation für konventionell (KB) und redu-ziert (RB) bearbeitete Mikrokosmen (n = 4).3Konzentrationen:  Während  die  gesamte Cmik-Konzentration  der  RBMais-Mikrokos-men einer stärkeren Dynamik unterlag, zeig-ten die KBMais-Mikrokosmen deutlich stärke-re Anstiege an maisbürtigem Cmik  (Tabelle 1). Nach 28 Tagen Inkubation war,  anteilig vom eingearbeiteten Mais-C, in den RBMais-Mikrokosmen geringfügig mehr Mais-C in die mikrobielle Biomasse inkorporiert.Die Neubildung von Makroaggregaten war in den  RBMais-Mikrokosmen  deutlich  stärker, als in der KBMais-Variante (Tabelle 1). Unter Einbeziehung  der  jeweiligen  Ausbeute  an Makroaggregaten war  die  Menge an mais-bürtigem C, der pro kg Boden in den Makro-aggregaten stabilisiert  war,  in  den RBMais-Mikrokosmen stets höher, als in den KBMais-Mikrokosmen.  Auch  der  Einschluss  von maisbürtigem C in Makroaggregate, anteilig vom  eingearbeitetem  Mais-C,  war  in  der RBMais-Variante höher (Tabelle 1).SchlussfolgerungenAlle  hier  erhobenen  Parameter  zeigten einen Anstieg in der ersten Inkubationswo-che,  gefolgt  von  einem  Rückgang.  Diese Reaktion auf die Wiederbefeuchtung und die Einarbeitung von Maisblattstroh war in den RBMais-Mikrokosmen stets stärker als in der KB-Variante.  Ursache hierfür  ist  vermutlich die höhere Cmik-Anfangskonzentration. Dies führte  jedoch  nicht  zu  höheren  Verlusten von  zugefügtem  Mais-C  durch  Mineralisie-rung in der RBMais-Variante.  Der Anteil  an Mais-C, der im Laufe der Inkubation in Ma-kroaggregaten stabilisiert und somit vor mi-krobiellem Abbau  geschützt  wurde,  war  in den RBMais-Mikrokosmen höher. Bei der In-korporation  von  Mais-C  in  die  mikrobielle Biomasse  zeigte  die  KBMais-Variante  eine höhere  Dynamik,  sowie  eine  leicht  höhere Inkorporation  anteilig  am  zugefügten Mais-C.Tabelle 1: Mikrobieller C (Cmik), maisbürtiger Cmik und Mais-C inkorporiert in mikrobielle Biomasse  (anteilig vom eingearbeiteten Mais-C); sowie Menge neu gebildeter, wasserstabiler  Makroaggregate,  in Makroaggregaten gespeicherter Mais-C (bezogen auf 1 kg Boden) und in Makroaggregaten gespei-cherter Mais-C (anteilig vom eingearbeiteten Mais-C) im oberen Drittel der Mikrokosmen für RB- und KB-Varianten; Mittelwerte und Standardfehler (n = 4).Unterschiedliche Buchstaben kennzeichnen signifikante Unterschiede (ρ ≤ 0,05) innerhalb eines Para-meters.KB RB KB RB KB RB KB RB KB RB KB RB0 72 (nd) 127 (nd) 10 (nd) 47 (nd)381428Inkubations-zeit (Tage)Cmik gesam t(µg g-1 Boden)Mais-Cmik(µg g-1 Boden)Mais-C inkorporiert(%)Makroaggregate(g 100 g-1 Boden)Mais-C in Makroaggregaten(g kg-1 Boden)Mais-Caggregiert(%)194 (12)a 529 (29)b 117 (9))a 335 (35)b 4 (0)a 4 (0)a 6 (3)a 3 (0)a 0,2 (0,1)a 0,2 (0,1)a 8 (4)a 3 (2)a232 (20)a 602 (19)b 148 (21)a 432 (14)b 6 (1)a 5 (0)a 10 (1)a 42 (3)b 0,7 (0,1)a 2,7 (0,2)b 27 (2)a 34 (3)a212 (1)a 487 (10)b 132 (6)a 353 (9)b 5 (0)a 4 (0)a 7 (3)a 27 (3)b 0,4 (0,1)a 2,3 (0,2)b 14 (3)a 29 (3)b172 (2)a 369 (15)b 109 (3)a 242 (10)b 4 (0)a 3 (0)b 7 (3)a 29 (8)b 0,5 (0,0)a 1,7 (0,1)b 18 (1)a 21 (2)a4Im  Inkubationsverlauf  wies  die  Partitionie-rung  des  Mais-C  in  den  KB-Mikrokosmen einen Trend in Richtung der labilen Fraktio-nen  (Mineralisierung  und  mikrobielle  Bio-masse) auf. In der RB-Variante erfolgte hin-gegen mehr physikalische Stabilisierung und somit eine Verlangsamung des Abbaus. Die-se  anfänglichen  Unterschiede  können  für den weiteren Abbauverlauf und für die lang-fristige Speicherung der OS eine entschei-dende Rolle spielen.LiteraturHelfrich, M., Ludwig, B., Potthoff, M., Flessa, H. 2008. Effect of litter quality and soil fungi on  macroaggregate  dynamics  and  associ-ated  partitioning  of  litter  carbon  and  nitro-gen. Soil Biol. Biochem. 40 (7), 1823-1835.Jacobs, A., Rauber, R., Ludwig, B. 2009. Im-pact of reduced tillage on carbon and nitro-gen storage of two Haplic Luvisols after 40 years. Soil Tillage Res. 102, 158-164.John, B., Yamashita, T., Ludwig, B., Flessa, H.,  2005.  Storage  of  organic  carbon  in aggregate and density fractions of silty soils under different types of land use. Geoderma 128, 63-79.Miura, F., Nakamoto, T., Kaneda, S., Okano, S.,  Nakajima,  M.,  Murakami,  T.  2008.  Dy-namics of soil biota at different depths under two  contrasting  tillage  practices.  Soil  Biol. Biochem. 40 (2), 406-414.Six, J., Elliott, E.T., Paustian, K., 2000. Soil macroaggregate turnover and microaggreg-ate  formation:  A  mechanism  for  C sequestration  under  no-tillage  agriculture. Soil Biol. Biochem. 32, 2099-2103.DanksagungUnser  Dank  gilt  folgenden  Personen:  H. Gehrke, S. Hanisch, R. Kolenics, R. Langel, M. Luda, T. Rebholz, M. Rode, A. Sawallisch und J. Schmidt.Dieses Projekt wird gefördert von der Deut-schen  Forschungsgemeinschaft  (GRK 1397/1).

Auswirkung der Bodenbearbeitung auf Mineralisierung und Stabilisierung organischer Substanz – ein Mikrokosmenversuch

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