Bioporen im Unterboden von landwirtschaftlichen Böden

Dipl-Geoökol. Callum C. Banfield, Doktorand in der Abteilung Ökopedologie der gem. Zonen, AG Kuzyakov im Projekt DFG KU 1184/29

Einleitung: Bioporen im Unterboden von landwirtschaftlichen Böden
Durch Wurzelwachstum und Regenwürmer entstandene Gänge, sog. Bioporen, gelten aufgrund des Eintrags organischer Substanz als hotspots mikrobieller Aktivität, d.h. erhöhte Enzymaktivitäten und mikrobielle Biomasse. Dies bewirkt ein Beschleunigen der Nährstoffmobilisation. Weiterhin gelangen Wurzeln in Bioporen schneller in den Unterboden, welcher global als Kohlenstoffsenke und Nährstoffquelle im organischen Landbau diskutiert wird. Gerade in Trockenperioden bietet ein schnelles Wachstum in den Unterboden weitere Wasserresourcen.
Aus dem organischen Landbau stammt die Diskussion gezielt Vorfrüchte mit Pfahlwurzeln anzubauen, welche nicht nur große Mengen organischer Substanz über Rhizodeposition abgeben, sondern auch Bioporen erzeugen, in denen dann Folgefrüchten die o.g. und weitere Vorteile nutzen können. Untersuchungen bisher haben ergeben, dass das Wurzelsystem von Vorfrüchten deutlich die Anteile von Grob-, Mittel- und Feinwurzeln der Nachfrüchte beeinflussen. Demzufolgen nutzen Hauptfrüchte also Vorfrucht-Wurzelkanäle.
Es sind aber noch keine quantitativen Daten zur Bioporen-Nutzung bisher vorhanden, da die zweifelsfreie Bestimmung der Bioporen-Herkunft und Genese äußerst fehlerbehaftet ist. Zur Beurteilung der Relevanz von Bioporen auf Feldebene sind solche Daten aber zwingend notwendig.

Projekt 1: Methoden-Entwicklung: Kopplung von 14C mit 137Cs
Radionuklide mit β Zerfall in Kombination mit Bildgebung (Phosphor-Imaging) bieten ein hochauflösendes und einfach handzuhabendes Werkzeug zur Visualisation der o.g. diskutierten Prozesse.
Hintergrund: Wurzeln geben Photosynthese-Produkte über Rhizodeposition in den Wurzelraum ab. Nach 14CO2-Markierung können 14C-Rhizodeposite über den β Zerfall visualisiert werden. Damit wird auch trivialerweise die Lokalisation der Wurzel bekannt. β Strahler wie 14C mit verhältnismäßig geringen maximalen Zerfallsenergien können durch geschickt gewählte Abschirmung vollständig abgeschirmt werden, wobei aber ein großer Teil des β Zerfalls von Radionukliden mit höheren Zerfallsenergie-Maxima nicht abgeschirmt würde, wie etwa 137Cs.
Pflanzen von zwei unterschiedlichen Wurzelsystemen wurden jeweils mit 137CsCl über Blattaufnahme markiert, sowie nach einigen Tagen einer 14CO2 Atmosphäre ausgesetzt.
Beide Radionuklide wurden in den Wurzelraum abgegeben und ihre Verteilung repräsentiert die der Wurzeln. Phosphor-Imaging wurde an Bodenschnitten durchgeführt: Ohne Abschirmung werden 14C und 137Cs gemeinsam visualisiert. In einem zweiten Imaging wurde 14C vollständig abgeschirmt und so nur 137Cs visualisiert. Mittels Bildbearbeitung kann nur das 137Cs-Signal vom Gesamt-Signal abgezogen werden, d.h. zwei separate Datensätze zur Verteilung von 137Cs und 14C werden gewonnen.
Mit diesen kann nur die räumliche Übereinstimmung von 137Cs- und 14C-Punkten bestimmt werden. Bei Einsatz in einer Fruchtfolge würde eine Kongruenz bedeuten, dass diese Biopore durch eine Hauptfrucht genutzt würde. Weiterhin erlaubt er Ansatz mithilfe eines Lichtfotos die Nuklid-abhängige Ausdehnung der Rhizosphere zu beschreiben.


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Projekt 2: Quantitative Bestimmung der Wiedernutzung von Wurzelbioporen


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16 ungestörte Unterbodensäulen wurden im Feld entnommen, mit Wegwarte oder Phacelia bepflanzt und diese mit 137Cs über Blattgabe markiert. Nach Simulation eines Winters zur Verrottung der Wurzeln und Erzeugung der Bioporen wird in der zweiten Vegetationsperiode eine Folgefrucht angebaut und diese mit 14C markiert.
Mit dem Ansatz aus Projekt 1 wird dann die quantiative Nutzung von Bioporen durch Hauptfrüchte in unterschiedlichen Tiefen bestimmt.


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Leaf-feeding in Aktion


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Trennung der beiden Radionuklide mit Abschirmung