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WP 3: Boden-Mikrobiom, bodenbiogeochemische Prozesse und Biosphäre-Atmosphäre-Hydrosphäre-Austausch umweltrelevanter Spurenstoffe

Abbildung 1: Enzymatische Aktivität der Phosphatasen in transplantierten Mesokosmen von Esterberg an den drei Standorten Esterberg (CC0), Graswang (CC1) und Fendt (CC2)
Abbildung 2: Quantifizierung von Schlüsselprozessen und -organismengruppen des N-Kreislaufs (quantitative PCR auf Markergene; DNA-Level) (im Frühjahr) in transplantierten Mesokosmen von Esterberg an den drei Standorten Esterberg (CC0), Graswang (CC1) und Fendt (CC2) beiintensiver oder extensiver Bearbeitung. (A) Abundanz der Ammoniak-oxidierende Bakterien (amoA AOB) und (B) Abundanz der N2-fixierenden Mikroorganismen (nifH)

Boden-Mikrobiom: Sowohl der Klimawandel als auch Landnutzungs- und Managementänderungen verändern biogeochemische Kreisläufe von C, N und P mit potenziell negativen Auswirkungen auf die wichtigsten Bodenfunktionen. Unsere Untersuchung des N und P-Kreislaufs zeigte, dass die Wechselwirkung von Klimawandel und Landnutzungsintensität dazu führen kann, dass sich Nährstoffkreisläufe verschieben.

Was den P-Umsatz betrifft, so scheint es, dass die Abundanz der meisten funktionellen Gene bei intensiver Bewirtschaftung und starkem Klimawandel zurückgegangen ist. Ausgehend von den Enzymmessungen stellte sich jedoch heraus, dass die verbliebenen Mikroben, die am Umsatz von organischem P beteiligt sind, unter intensivem Management mit zunehmendem Klimawandel hochaktiv sind und somit ein Risiko einer Abnahme des organischen P-Pools besteht (Abbildung 1).

Beim N-Umsatz zeigte sich, dass bei den verpflanzten Mesokosmen die Nitrifikation bei der intensiven Bewirtschaftung durch die Düngergabe angetrieben wird, während bei extensiver Bearbeitung ein erhöhter Eintrag über die Stickstofffixierung angenommen werden kann. Die Mesokosmen ohne Klimabehandlung zeigten ein gegensätzliches Muster. Das Potential den gedüngten Stickstoff in Nitrat umzuwandeln war dort geringer (Abbildung 2).

Abbildung 3: N-Mineralisierung in Graswang (links) und Graswang versetzt nach Fendt (rechts)

Bodenbiogeochemische Prozesse und Biosphäre-Atmosphäre-Hydrosphäre Austausch umweltrelevanter Stoffe: Grünlandböden in allen Höhenlagen (Graswang, Rottenbuch, Fendt) zeichnen sich durch nur geringe umweltrelevante Austräge von Lachgas (N2O) und Stickstoff mit dem Sickerwasser aus, was auf eine dominierende Rolle der N-Aufnahme durch die Pflanzen sowie auch der mikrobiellen Immobilisierung im Boden zurückzuführen ist. Klimawandel führt zu einer signifikant erhöhten N-Mineralisierung (Abbildung 3), die verstärkt das Pflanzenwachstum fördert, aber nur unter wasser- und damit wachstumslimitierenden Bedingungen zu leicht erhöhten N2O Emissionen und N Austrägen mit dem Sickerwasser führt.

Aufgrund der pedogenen und klimatischen Voraussetzungen ist N2 an Stelle von N2O in der Denitrifikation das dominierende Endprodukt, was dazu führt, dass N2 Verluste generell eine wichtige Größe in der N Bilanz der untersuchten Grünlandökosysteme darstellen, und hier auch signifikant höhere Emissionen durch den Klimawandel auftreten. Zudem konnte erstmals gezeigt werden, dass Frost-Tau-Ereignisse, die unter Klimawandelbedingungen aufgrund verringerter Schneebedeckung zunehmen dürften, nicht nur zu N2O- sondern auch zu (quantitativ viel größeren) N2-Puls-Emissionen führen. Die Kooperation zwischen KIT und HMGU, also die Kombination biogeochemischer Prozessstudien mit molekularbiologischer Analyse der Abundanz und Aktivität involvierter Mikroorganismen, erwies sich als großer Gewinn für das funktionale Verständnis der ökosystemaren N-Umsetzungen unter sich ändernden Klima- und Managementbedingungen.