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Zusammenfassung Band 53

Roth, Phillip J.(2012): Umsatz und Alterung von organischem Stickstoff während 2000-jähriger Reis- und 700-jähriger Nicht-Reis-Bodenentwicklung
Bonner Bodenkundl. Abh. 53 218 S., 28 Abb., 19 Tab. Bonn 2012

 

Zusammenfassung

Reisböden akkumulieren organische Substanz. Gleichzeitig ist aber die Pflanzenverfügbarkeit von Stickstoff (N) gering. Ziel meiner Arbeit war es, den Kreislauf von organischem Bodenstickstoff (SON) in Reisböden besser zu verstehen, wobei ich folgende Hypothesen aufstellte: Langfristiger Reisanbau (i) fördert die Akkumulation von N in organischer Form, vor allem in pilzlichen und bakteriellen Zellwandrückständen, (ii) verlangsamt den Umsatz von peptidgebundenen Aminosäuren, sodass Alterung von Proteinen auftritt, (iii) begünstigt eine langfristige Sequestration von N in verkohlter organischer Substanz und (iv) reduziert den kurzfristigen Umsatz von N aus rhizogener organischer Substanz. Ich untersuchte eine Chronosequenz von Böden einer Landgewinnungsebene in der Bucht von Hangzhou (Provinz Zheijang, China), die zwischen 0 und 2000 Jahren mit einer Reis- Nicht-Reis Fruchtfolge bewirtschaftet wurde und Böden unter bis zu 700-jähriger kontinuierlicher Nicht-Reisnutzung. Proben aus dieser Chronosequenz untersuchte ich auf SON-Gehalte sowie auf verschiedene Biomarker: Aminozucker für mikrobielle Rückstände, Aminosäure-Enantiomere für gealterten N, Benzol-Polycarbonsäuren für verkohltes organisches Material und stabile Isotope für Unterschiede im Umsatz von Kohlenstoff (C) und N. Um den kurzfristigen Umsatz von rhizogener organischer Substanz zu erfassen, wurde ein Mikrokosmos-Experiment mit über 13CO2-markiertem Reis durchgeführt. Die 13C Markierung verfolgte ich dann über zwei Wochen in der gesamten organischen Bodensubstanz (SOM) sowie in einzelnen Aminosäure-Enantiomeren.
Die Ergebnisse zeigten, dass (i) nach der Landgewinnung Reis- und Nicht-Reisböden SON mit einer Rate von 61 und 77 kg ha–1a–1 akkumulierten. Beide Systeme erreichten ein Vorratsgleichgewicht: Reisböden nach 172 Jahren (10,7 t N ha–1), Nicht-Reisböden nach 110 Jahren (8,1 t N ha–1). Aminozuckeranalysen zeigten, dass ein signifikanter Teil des SON (0,3 t Aminozucker-N ha–1) in mikrobiellen Zellwandrückständen gebunden war. Die Akkumulation von N war insgesamt auf die Anfangsphase des Reisanbaus beschränkt und der Anteil von pilzlichen und bakteriellen Rückständen änderte sich weder mit der Bewirtschaftungszeit noch war er unterschiedlich zwischen den Anbausystemen. Unterhalb der Pflugsohle stiegen die Gehalte der bakteriellen- im Vergleich zu denen der pilzlichen Rückstände allerdings an.
(ii) Peptidgebundene Aminosäuren machten zwischen 30 und 46% des N im Oberboden aus, 20–30% waren nicht hydrolysierbarer N und die restlichen 10–20% (vor allem Peptide) wurden zwar hydrolysiert, aber nicht zu einzelnen Monomeren aufgespalten. Peptid-Vorräte nahmen nach der Landgewinnung rapide ab, stiegen jedoch unter Reisbewirtschaftung wieder mit jährlich 16 kg N ha–1 an. Auch hier stellte sich ein Konzentrationsgleichgewicht ein (2,7 t Aminosäure-N ha–1), allerdings erst nach 203 Jahren. Die Gleichgewichtskonzentration in Nichtreisböden wurde schneller erreicht (nach 65 Jahren), lag aber auf einem niedrigeren Niveau (1,5 t N ha–1). Gleiche Anteile von D-Alanin und Muraminsäure deuteten darauf hin, dass mikrobielle Zellwände als intakte Makromoleküle im Boden erhalten blieben. Weiterhin zeigten mit der Profiltiefe zunehmende Gehalte von D-Lysin und D-Asparaginsäure langfristig gealterte Peptide im Unterboden an. Das Anbausystem hatte jedoch keinen Einfluss auf die Razemisierungsraten dieser Aminosäuren. Erstaunlicherweise zeigten die Reisböden niedrigere δ15N Werte als die Nicht-Reisböden, was ich auf einen höheren Eintrag von N durch die bakterielle Fixierung von Luft-N sowie auf relativ niedrigere N-Verluste durch ein engeres N-Recycling zurückführte.
Zum Reisanbau gehört typischerweise auch die Verbrennung von Reisstroh. Tatsächlich (iii) reicherten sich verkohlte Rückstände (black carbon = BC) in den Reisoberböden bis zu einem Vorratsgleichgewicht von 13 t BC ha–1 (nach 307 Jahren) an. Da der Anteil des BC am gesamten organischen Kohlenstoff aber bei nur 14% lag und das C/N Verhältnis in der Reisstrohkohle weit war, nahm ich an, dass Kohle-N nicht für eine langfristige Zunahme von stabilem N in Reisböden verantwortlich war. Insgesamt folgerte ich, dass eher kurzfristige mikrobielle Umsatzprozesse als eine langfristige Festlegung in stabilen N-Strukturen für die SON-Akkumulation verantwortlich sein müssen.
Eine Schlüsselrolle beim kurzfristigen N-Umsatz kommt der Rhizodeposition zu. Das Mikrokosmos-Experiment (iv) zeigte, dass rhizogene organische Substanz vor allem über die Peptid-Fraktion (Aufenthaltszeit der Markierung 1–7 Tage) schnell in den SON-Kreislauf aufgenommen wurde. Trotzdem blieb, vor allem im älteren Reisboden, ein signifikanter Teil der Markierung über den gesamten Versuchszeitraum (16 Tage) in der SOM erhalten.
Insgesamt zeigten die Daten, dass SON in Reisböden zwar akkumuliert, diese Anbausysteme aber keine endlose Senke für SOM darstellen. Diese Akkumulation, eher durch verringerte Bioverfügbarkeit als durch intrinsische N-Stabilität hervorgerufen, ist vor allem auf den Reis-Oberboden beschränkt, wohingegen mittelfristig ein nicht unerheblicher Teil des Unterboden-N anscheinend nicht am N-Kreislauf teilnimmt. Diese zunehmende Entkopplung von N-Umsatz im Ober- und Unterboden wird vermutlich durch den reduzierten Transport von SOM und die verminderte Durchwurzelung der verdichteten Pflugsohle ausgelöst und trägt somit zur Erklärung der generell niedrigen Pflanzenverfügbarkeit von N in Reis-Ökosystemen bei.

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