Carbon Turnover in Subsoil Hotspots: Are Biopores more than Voids?

Der Boden unterhalb der Pflugsohle in Agrarökosystemen (Unterboden) stellt eine potentiell sehr bedeutsame, aber wenig gezielt genutzte Kohlenstoffsenke und Nährstoffquelle dar. Bevor Kohlenstoff (C) gezielt im Unterboden sequestriert werden kann, muss der C-Umsatz in diesem Teil des Bodens grundlegend verstanden werden. Mutmaßlich findet der größte Teil des mikrobiellen C-Umsatzes in eng begrenzten Volumina (‚Hotspots‘) wie Bioporen statt. Das sind Makroporen geformt durch anözische Regenwürmer oder Pfahlwurzeln. Deren Porenwände sind stark angereichert an organischer Substanz (OS) von Wurzeldetritus oder Regenwurmkot, und sind damit bevorzugte Habitate für Mikroorganismen im Unterboden, sowie Nährstoffreservoirs. Weiterhin erlauben Bioporen eine schnellere Durchwurzelung in den Unterboden und Zugang zu Unterbodenressourcen wie Nährstoffe und Wasser. Bioporenwände von Regenwurmgängen von Lumbricus terrestris L. (nativ oder nach sechs Monaten Aktivität) und Wurzelporen von der Gemeinen Wegwarte (Cichorium intybus L.) unterhalb der Pflugsohle (45–105 cm Tiefe) einer Normparabraunende auf Löss wurden auf ihre bislang wenig bekannte biochemische Zusammensetzung untersucht: Biomarkergehalte für mikrobielle Biomasse, Aktivität, funktionale Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft in Zusammenschau mit der Charakterisierung der OS und ihrem Abbaugrad. Mutmaßlich steuert die Bioporenart (Wurzel-bürtig, Regenwurm-bürtig, gemischte Genese) diese biochemischen Parameter und damit den C-Umsatz in den Bioporen. Zwei Jahre nach dem Absterben von Wegwarte-Wurzeln war der C-Gehalt in den Wurzelporen 2.5-fach höher als im Bulk-Boden und damit die mikrobielle Biomasse 7-fach erhöht. Die Biomarkergehalte normiert auf den organischen Bodenkohlenstoffgehalt waren in Wurzelporen nur in wenigen Fällen (z.B. Lignin-Phenole, Suberin-bürtige Lipide) höher als im Bulk-Boden. Enzymaktivitiäten, die den Abbau komplexerer Substrate katalysieren, waren ebenfalls deutlich erhöht. Ein engeres C/N-Verhältnis, ein höherer δ13C-Wert (beide relativ zu Regenwurmporen) und Umsatzmarker (z.B. Lignin-Oxidationsgrad), die ähnlich hoch wie im Bulk-Boden waren, legten einen fortgeschrittenen Abbau des Wurzeldetritus nahe. Die mikrobielle Gemeinschaft spiegelte die ‚alte‘ OS wider: mehr Biomarker für Gram-positive Bakterien und Aktinobakterien als in den Regenwurm-beeinflussten Poren wurden bestimmt. Der molekulare Fingerabdruck der mikrobiellen Gemeinschaft der Wurzelporen unterschied sich deutlich von den Fingerabdrücken der Regenwurm-Bioporen, aber nicht vom Bulk-Boden. Die Inkubation von Regenwürmern in Wurzelporen für sechs Monate führte zur höchsten OS-Akkumulation unter den drei Bioporen-Typen. Regenwürmer überprägten die Biomarker-Signatur des Wurzeldetritus innerhalb von sechs Monaten. Relativ zum Bulk-Boden erhöhten die großen Mengen wenig degradierter Streu den C-Gehalt um 200%, die mikrobielle Biomasse (MBC) 30-fach und induzierten die höchsten Enzymaktivitäten. Fast alle Biomarker-Gehalte waren gegenüber dem Bulk-Boden erhöht, und nur die Kombination aus C-reichem Wurzeldetritus und Regenwurmaktivität führte zu einer deutlich unterschiedlichen Zusammensetzung des OS-Pools relativ zum Bulk-Boden (Biomarkergehalte normiert auf Bodenkohlenstoffgehalt). Durch häufigen Streueintrag und mutmaßlich den Einfluss von L. terrestris baute die mikrobielle Gemeinschaft vor allem die eher bioverfügbaren Bestandteile der OS ab, z.B. wurde Lignin weniger stark umgesetzt als Hemizellulosen, sodass weniger verfügbare Bestandteile der Streu (Lignin, Suberin) relativ akkumulierten. Die mikrobielle Gemeinschaft wurde von der hohen Kohlenstoffverfügbarkeit, u.a. im Regenwurmdarm, stark beeinflusst, da mehr Marker für schnell wachsende Destruenten einfacherer OS gefunden wurden (Gram-negative Bakterien) als im Bulk-Boden. Die mikrobielle Gemeinschaft war nach sechs Monaten Regenwurmaktivität nicht von den nativen Regenwurmporen (> 2.5 Jahre Aktivität) zu unterscheiden. Das Hauptmerkmal der nativen Regenwurmporen war der regelmäßige Streueintrag über mehrere Jahre. Diese Langzeit-Aktivität führte zu 200% höheren C-Gehalten, was die mikrobielle Biomasse und Enzymaktivitäten in ähnlicher Weise wie in den inkubierten Regenwurmporen ansteigen ließ. Die OS in den nativen Regenwurmporen war am wenigsten stark degradiert unter den Bioporen — bei hoher mikrobieller Aktivität und Biomasse. Demzufolge war die mikrobielle Gemeinschaft an die regelmäßige Zufuhr einfacher abzubauender Substrate angepasst. Insgesamt führte die Bioporengenese und OS-Akkumulation dazu, dass die Substratdiversität in den Bioporen um 30% erhöht wurde. Der molekulare Fingerabdruck der OS (auf Basis aller identifizierten Substanzen) unterschied sich nicht zwischen den Bioporen, aber zwischen den Bioporen und dem Bulk-Boden. Bioporen sind somit Habitate mit stark erhöhten Nährstoffmengen und Umsatzraten im Vergleich zum restlichen Unterboden. Die N, P und S-Gehalte waren in Bioporenwänden mindestens 100% erhöht gegenüber dem Bulk-Boden. Aus der Sicht der Agrarwissenschaften stellen Bioporen mutmaßlich pflanzenverfügbare Nährstoffreservoirs dar, die weiterhin den Zugang zu Unterbodenressourcen sicherstellen. Folglich sollten Feldfrüchte von einer Durchwurzelung der Bioporen profitieren. Die Bioporennutzung konnte bislang nicht poren-spezifisch bestimmt werden — trotz der potenziellen Relevanz der Bioporen für die Pflanzenernährung und den C-Eintrag in den Unterboden. Zur Bestimmung der Bioporennutzung wurde zum ersten Mal in der bodenkundlichen Forschung eine 137Cs-Blattmarkierung eingesetzt. Nach 137Cs-Gabe wird der unterirdisch verlagerte Teil der Aktivität beim Absterben der Wurzeln freigesetzt und markiert aufgrund der starken Sorption an die Bodenmatrix die entstehende Biopore. Mittels 137Cs/14C-Doppelmarkierung und selektiver Abschirmung des 14C bei der Bildgebung konnten Vorfrucht-Bioporen (137Cs) nach einem Jahr Verrottung von Hauptfrucht-Wurzeln (14C) unterschieden, sowie die Bioporennutzung (137Cs + 14C) bestimmt werden. Die 137Cs-Blattgabe wurde zeitgleich kombiniert mit einer 15N-Blattgabe, um die Wiederfindung von 15N im Weizenspross zu ermitteln und damit den Vorfrucht-Effekt auf Weizen. Weizen (Triticum aestivum L.) durchwurzelte in einer Fruchtfolge bis zu 75% der Vorfrucht-Bioporen von Cichorium intybus L. und Phacelia tanacetifolia Benth., das heißt 3-fach mehr als stochastisch erwartet. Der Vorfrucht-Stickstoff wurde bis in 60 cm Tiefe verlagert. Nach Phacelia war die Sprossbiomasse signifikant erhöht, aber nicht der N-Gehalt. Damit wirken Bioporen positiv auf Folgefrüchte. Beide Vorfrüchte erzeugten Bioporen mit gleichen geometrischen Eigenschaften nach 12 Wochen Anbau, was ebenso identische Wurzelsystem-Eigenschaften von Weizen bewirkte. Obwohl Weizen zu einem Großteil in Bioporen wurzelte, nahm er nicht bevorzugt den isotopisch markierten Vorfrucht-Stickstoff auf. Die Bioporen-Nutzung war aber positiv mit dem Stickstoffgehalt von Weizen korreliert. Sehr wahrscheinlich basiert die positive, direkte Wirkung der Bioporen hinsichtlich der Pflanzenernährung auf verschiedenen Nährstoffen, das heißt. nicht auf Vorfrucht-Stickstoff, sondern auf der Langzeitakkumulation von Nährelementen in der Bioporenwand wie etwa K und P. Bioporen sind nicht nur Pfade für große Mengen wenig abgebauter Streu in den Unterboden zwecks Kohlenstoffsequestration, sondern auch direkte Nährstoffreservoirs, die die Pflanzenernährung unterstützen können. Der Anbau von pfahlwurzelnden Zwischenfrüchten und ein Regenwurm-freundliches Management (zum Beispiel reduzierte Bodenbearbeitung) erschließen den Unterboden in Fruchtfolgen und unterstützen die Pflanzenernährung.The soil below the ploughed horizon of cropland, i.e. the subsoil, could be a large sink for carbon (C) and a valuable source of mineral-bound nutrients. C dynamics in subsoils need to be thoroughly understood to enable successful C sequestration in C-unsaturated subsoils. C turnover in the subsoil predominantly occurs in hotspots such as biopores, i.e. macropores induced by anecic earthworms or deep-rooting tap-roots. The OM in biopore walls induces preferred habitats for microorganisms as they become enriched in root detritus and earthworm faeces. Microbial action can mobilise these nutrients for future plant nutrition. This thesis consists of seven studies addressing the roles of different biopore types for C turnover and their relevance for nutrient cycling. Wall material of earthworm biopores (Lumbricus terrestris L.), root biopores of Cichorium intybus L. and their combination (‘earthworm-incubated biopores’) was sampled from 45–105 cm depth of a Haplic Luvisol and analysed for nutrient contents, microbial biomass, enzyme activities, microbial community composition and the composition of the organic matter and its decomposition state. The fate of the root biomass was evident two years after root death: C contents were 2.5 times higher in root biopores than in bulk soil and concomitantly increased were microbial biomass and enzyme activities of C and N cycle. The contributions of most plant biomarkers to the soil organic carbon (SOC) pool were equal to the bulk soil, except for lignin and suberin suggesting a late decomposition stage. The narrow C/N ratio, increased δ13C (relative to earthworm biopores) and turnover proxies like the lignin side-chain oxidation confirmed this. The microbial community composition reflected the ‘old’ root organic matter (OM): more phospholipid-derived fatty acids (PLFAs) of Gram-positive bacteria and actinobacteria, i.e. decomposers of residual C, were found than in the earthworm biopores. The microbial community fingerprint in root biopores was different from the earthworm-influenced biopores. Combining two C sources by incubating earthworms into root biopores made the largest impact on C contents and OM composition. Earthworms imported large amounts of weakly degraded OM and increased C contents by 200% and MBC (~ 30 times) relative to bulk soil. Weakly processed OM input by earthworms increased substrate richness by 30% relative to bulk soil. Among the biopores, earthworms induced the strongest increase in enzyme activities and nutrient cycling. Biopore formation generally had a low impact on the SOC composition — except for the large combined root and shoot-C input by root detritus and earthworms, which genuinely modified the SOC composition in the earthworm-incubated biopores. After six months of earthworm activities in former root biopores, the biomarker signature was overridden. More readily available OM was preferentially degraded as lignin underwent less turnover than hemicelluloses in both earthworm-influenced biopore types. The microbial community reflected the higher C availability and the gut effects of L. terrestris: more PLFAs indicating fast-growing decomposers of readily available C (Gram-negative bacteria) were found than in root biopores. The microbial community in the earthworm-incubated biopores was not distinguishable from the native earthworm biopores after six months. The native earthworm biopores received repeated inputs of fresh OM for at least 2.5 years. This long-term activity of earthworms increased C contents by 200% relative to the bulk soil, i.e. slightly less than the combination of root detritus and earthworms. Like in the earthworm-incubated biopores, this boosted microbial biomass and increased enzyme activities. The OM in native earthworm biopores underwent the least turnover of all biopores — despite high microbial biomass and activity. This fact suggests regular C inputs and a microbial community adapted to frequently supplied, readily available OM. As a result of OM inputs, biopore walls were at least 100% enriched in nutrients like N, available P and S relative to bulk soil. Increased enzyme activities in all biopore walls suggest that these nutrients are available to crops. Therefore, from an agricultural point of view, biopores provide plant-available nutrients and improved access to subsoil resources. Crops may only benefit from these nutrients by rooting in biopores. However, biopore re-use — the master variable governing their potential agricultural relevance — has never been quantified up to now due to a lack of methods. For the first time in soil science, 137Cs was used as a tracer for hotspot formation, making use of its strong sorption to the soil matrix and β- decay allowing visualisation of biopores. A new dual radionuclide (137Cs+ 14C) labelling and two-step imaging approach (with selective shielding of 14C to separate the signals) allows identification of biopores (137Cs), roots (14C) and biopore re-use (137Cs + 14C). 137Cs labelling was combined with 15N labelling to introduce pre-crop 15N simultaneously. Two pre-crops (tap-rooted C. intybus and fibrous P. tanacetifolia) induced similar biopores regarding their physical properties within one season of cover cropping. Subsequently, rhizosphere properties of the main crop wheat (T. aestivum L.) were not altered by the pre-crops. Pre-crop biopores were re-used by 200% more wheat roots than stochastically expected. Pre-cops allocated N down to 60 cm soil depth. Biopore re-use was positively correlated with the TN content of the wheat shoots, but wheat did not preferentially take up pre-crop 15N. Positive effects of pre-crops are 1) presumably based on several nutrients and N is not the key nutrient and 2) are very likely long-term effects from a long-term nutrient reservoir established in the biopores. In conclusion, biopores —irrespective of their formation — were not only shown to be often-used pathways for C into the subsoil but also medium-term nutrient pools. Agricultural practices that promote biopore formation in subsoils are therefore highly relevant for C allocation into the subsoils and nutrient turnover