voss05

Nährstoffe und ihr Umsätze
im Pflanze-Boden System
Vorlesungsteil SS 05
Einleitung
Microhabitate im Boden
Lückenraumsystem:
Bodenpartikel
(Carbonate)
Wasser
Luft
Schleime
Rhizosphäre
Staunässe
(anaerobe Zonen)
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. Kohlenstoffquelle
Sink_Senke
Ort, an dem eine Substanz bzw. Energie immobilisiert wird.
Definitionen 2
Bodenbiologische Methoden
Bodenatmung, CO2
Bodenluft
CO2- Entwicklung
Bodenatmung (BR)
Wurzelatmung
Mikrobielle Atmung
SIR
Initial point of respiratory response
Response RESP
Response % Basalatmung
Biomassezuwachs
Biomasse-C
Respiratorischer Quotient
Im Bodenlückenraum befindliche Luft, u.a. CO2.
Im Boden gebildetes biogenes und abiogenes CO2.
Summe der biogenen CO2 Entwicklung, auch Grundatmung oder Basale Respiration.
Von den Wuzeln abgegebene CO2 Menge.
Von Mikroorganismen abgegebene CO2 Menge.
Mit C und N Substraten induzierte Bodenatmung.
Zeitpunkt des Überganges von Bodenluftmessung zu Respirationsmessung.
Differenz von SIR – BR.
RESP in Prozent der Basalatmung.
Vergrößerung des RESP in mg CO2 pro kg Boden und Stunde im linearen Bereich.
Nach Anderson /Domsch aus SIR berechnete Biomasse C- Menge.
Gramm Biomasse-C pro g Basalatmungs-C.
Methoden zur Bestimung “mikrobieller Biomasse”
Infrarotspectroskopie
IRGA
Isermeyer
Anderson/Domsch
Fumigation/Extraktion
Isoenzymaktivitäten
Direktzählung
Messung der IR Absorption (Absorptionsspektren) einer Substanz.
Infrarot Gasanalyse ( URAS... Ultrarotabsorptionschreiber) der Bodenluft.
CO2 Erfassung durch Laugenabsorption und Rücktitration.
Biomasse -C Berechnung nach SIR.
Extraktion des Biomasse-C oder N nach Chloroform Fumigation.
Ermittlung des maximalen Substratumsatzes eines Bodens.
Färbung und Auszählung im Mikroskop.
Konzeptmodelle
Steuerkreis
Lastkreis
Energiequelle E- Abfluß
Konsument
Nach H.T.Odum, 1971
Regler
Passiver Speicher
Xorg....organisch geb. N/C
Xmin....remineralisierter N/C
POM....particulate org. matter
DOM....dissolved org. matter
Basisinteraktionen, nach Odum
atm. Import
Pflanzen
atm. Export
Xorg
Migration
MESOFAUNA
CyanoBakt
Xmin
Auswaschung
Material/Energie
Steuerung
hn
N-Turnover
in Soils
N atmosph.
PLANT
Rhizodeposition,
Litter
Feedback
POM
Free Amino Acids
DOM
Protease
BR, SIR
MESOFAUNA
MiO
NH 4+
Urease
NO3Steering influence
Mass Transfer
Nährstoffstrategien und
Funktionskreisläufe
CO 2
hn
PFLANZE
P articulate
Organic
M atter
Rhizodeposition: Pflanzen
geben organisches
Material an den Boden ab.
Freie Zucker:
Rhizodeposition,
Abbautätigkeit von
Mikroorganismen.
D issolved
Organic
M atter
Mikroorganismen
Steigerung der mikrobiellen Aktivität:
Grundatmung.
Karbonat
Karbonat: aus Grundgestein
oder aus CO2, das im Wasser
Kohlensäure bildet.
CO Sink: Free Sugars in Plant and Soil
2
glucose and other free sugars-1in plants:
an average of 2 -10 mg g DM
standing crop of grasses on 1 kg soil:
an average of 10 -20 g DM
Soil Partikels
(Carbonates)
Soil Respiration
2-200 mg CO2
h-1
free sugars in the standing crop on 1 kg soil:
an average of 20 -200 mg
Rhizosphere
Bulk soil
export
leaching
migration
Root Biomass
glucose and other free sugars in 1 kg soil:
an average 20 to 200 mg
transfer rates ?
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
Harnstoff- und Kohlensäure- Kreislauf
Biomasse
Luft
CO2
MesoF
NH2
H2O
CO2
Boden
MiO
H2CO3
2
CO(NH2)2
MgCO3
3
Mg ++
Ca++
1
Grundwasser
Harnstoff, Urease und pH-Wert
urease activity
ureides
ammonia
pH
microbial biomass
protease activity
DOM
POM
leaching
mass transfer
grazing
mesofauna
italic....
activity
normal... pool
grazing
litter
influence
Methoden
Konzentration und Lichtschwächung
I
T
I0
I
 100  %T
I0
T%
T
log T
E (A)
1
2
50
25
0,5 0,25
-0,30 -0,60
0,30 0,60
4
8
16
12,5 6,25 3,125
0,125 0,063 0,031
-0,90 -1,20 -1,51
0,90 1,20 1,51
 I
 I0 
E   log Td   log   n  log 
 I d
 I0  d
 I
 I
log   n  log 
 I0  d
 I0  1
 I
E   log 
 I0  d
d
...Lambert 1760
E     c  d ...Beer
I
 10   cd
I0
I  I0  10
   cd
.... Lambert Beer` sches Gesetz
DIODENARRAY- SPEKTRALPHOTOMETER
Strahlenvereiniger
Gitter
Linse
Probe
Spalt
Linse
WolframLichtquelle
Spalt
Verschluß
DiodenarrayDetector
(512 Dioden
1,25 nm pro Diode)
DeuteriumLichtquelle
Mikroplattenphotometer, Enzymtests (Urease)
Kalibrationsreihen
Reagenzienleerwerte
Vollproben
Blindproben
Reines Lösungsmittel (A.demin.)
V = konstant!
Sichtbares Licht
Sonnenspektrum
„Fraunhofersche Linien“
Absorptionslinien
Emissionslinien
Temperatur und Licht
Flammenphotometrie, Atomabsorption
AAS - Meßbedingungen
nicht mehr!
Temperatur
Thermische Ionisation
Thermische Dissoziation
noch nicht ...
Entropie
Auswertung (Rechnung) über Kalibrationskurve
Position
A1
B1
C1
D1
E1
F1
G1
H1
Sample ID
Abs
Conc
y´ = kx + d
y'
Kalibrationspunkt 1
1
2
k=
1,80
Kalibrationspunkt 2
2
3
d=
-0,2
10
3,4
Kalibrationspunkt 3
3
5
r=
0,9938837
8
5,2
Kalibrationspunkt 4
4
7
Kalibrationspunkt 5
5
9
Factor
1
Abs
1
1,6
linear calibration curve
Conc
1,6
Copy this formula to column D
to calculate the y´ values!
6
7
4
8,8
2
-0,2
0
0
2
4
6
-0,2
-0,2
Berechnungen in Excel
Berechnungsbeispiel: Atomabsorptionsspektrometrie (AAS)
Angaben
Trockenmasse ist 20 % der Frischmasse
10 mL 4 % iger Urextrakt (Einwaage 0,4g)
Verdünnung 1: 50 (1+ 49)
Kalibrationsgerade der AAS: y = kx + d.... y = 8x + 0
MG von Ca (2-wertig): 40,078g
Schritt Wert ( Zwischenergebnis)
Beispiel
1 AAS Meßwert: Absorption des Analysates
0,49625
2 AAS Ergebnis: Konzentration des Analysates
3,97
3 Masse in einem L unverdünnten Extraktes
198,5
4 Masse in einem mL unverdünnten Extraktes 0,1985
5 Masse im unverdünnten Extrakt
1,985
6 Masse im Gramm Pflanzenpulver
4,9625
7 Eqivalentmenge im Gramm Pulver
0,24764
8 Eqivalentmenge im Gramm Pulver
247,642
Eqivalentmenge im mL Frischwasser
990,568
Abstraktion zu Formel(n):
Einheit Operation Zweck
Abs, E | * k + d Ausrechnung durch Einsetzen in Kalibrationsgerade
mg L-1 | * 50
Rückrechnung auf 1 L unverdünnten Extrakt
mg
| / 1000 Rückrechnung auf 1 mL unverdünnten Extrakt
mg
| * 10
Rückrechnung auf Gesamtvolumen des Extraktes
mg
| / 0,4
Rückrechnung auf Einwaage
mg g-1 | / 20,039 Umrechnung von Masse auf Equivalentmenge
mVal g-1 | * 1000 Umrechnung von mVal auf µVal
µVal g-1 | / 20 *80 Umrechnung von Bezugsgröße TM auf FW
µVal mL-1
=+[Meßwert]*8*50/1000*10/[EW]/20,039*1000/[%TM]* [%FW]
----->
Excel:
Probe
Testen, Plausibilitätscheck !!!!!!
Meßwert EW [%TM]* [%FW] Ca µVal g-1 Ca µVal mL-1
1
Formel 1 Formel 2
2
3
Wiederholung
Flüssigkeitschromatographie
Derivatisierung
Pumpe
Trennsäule
Detektor
- elektrochemisch
- photometrisch
Eluent
Einspritzventil
Derivatisierung
Interpretation der
Ergebnisse
Mikrobielle Aktivität und Biomasse
inhibition
pH
N/C substrate
supplement
MiO
enzyme
original
pool
mass flow
influence
additional (RESP)
CO
basal (BR)
stimulating
or inhibiting
effects:
2
enzyme activation / inhibition
enzyme induction / repression
abundance change
diversification
adaptations
long term effects (succession)
investigated system
energy needed to change soil properties
Stability of Soil Systems
ecosystem succession due to
land use ?
Temperature
Fertilizer
Rhizodeposition
worst case:
degradation
future ecosystem
present
ecosystem
system resilience
system stability
system elasticity
basins of attraction
soil property (Soil aggregate stability)
Water
Fertilizer
Shoot Litter
Root
H2O
MiO SIR
Remin
NH4
WRC
Ext Enz
Urease
Rice Soil System
KI+_pH
KEC