Dynamik des spezifisch gebundenen Ammoniums unter Einfluss der Fruchtfolge und der Wurzelarchitektur landwirtschaftlicher Nutzpflanzen

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Beitrag des im Unterboden spezifisch gebundenen Ammoniums (spez. geb. NH₄⁺) für die Stickstoffernährung von Nutzpflanzen zu erfassen. Dazu wurden Einflussfaktoren untersucht, die für die spezifische Bindung bzw. Mobilisierung von NH₄⁺ relevant sind. Besondere Aufmerksamkeit galt hierbei der Bedeutung der Bioporen bzw. dem Wurzelsystem (homorhiz vs. allorhiz) der angebauten Nutzpflanzen.<br /> Um den Gehalt an spez. geb. NH₄^-N in Böden zu bestimmen wurde eine neue Methode entwickelt. In Feldversuchen wurden während der Vegetationsperioden 2010 und 2011 monatlich Proben aus dem Ober- (0-45 cm) und Unterboden (45-75 cm und 75-105 cm) aus Parzellen mit unterschiedlichen Fruchtfolgen gezogen, um die Dynamik des spez. geb. NH₄⁺ während der Vegetationsperiode zu dokumentieren. Hierbei variierten Vor- und Hauptfrüchte mit jeweils unterschiedlicher Wurzelarchitektur.<br /> Der Gehalt an spez. geb. NH₄⁺ unterlag in den ersten Monaten nur geringen Veränderungen, während in der generativen Phase eine verstärkte Mobilisierung beobachtet wurde. Nach der Abreife stieg der Gehalt wieder auf das Ausgangsniveau an. Nach Rohrschwingel konnte unter Raps eine höhere Mobilisierung an spez. geb. NH₄⁺ festgestellt werden als unter Gerste. Nach Luzerne war dieser Unterschied nicht zu erkennen.<br /> In einem weiteren Versuch wurden unter Raps und Gerste (60 cm Bodentiefe) spezielle Diffusionstaschen platziert. Sie enthielten Boden, dessen Tonmineralzwischenschichten mit ¹⁵NH₄⁺ markiert waren. Am Ende der Vegetationsperiode wurde überprüft, inwieweit der Boden in den Taschen an spez. geb. ¹⁵NH₄⁺ verarmt wurde.<br /> Unter beiden Pflanzenarten konnte eine deutliche Freisetzung an spez. geb. NH₄⁺ festgestellt werden, unter dem allorhizen Raps war diese allerdings signifikant höher als unter der homorhizen Gerste.<br /> Um zu überprüfen, ob organische Substanz vom Oberboden in den Unterboden transportiert und nach dessen Mineralisierung als NH₄⁺ spezifisch gebunden wird, wurde im folgenden Versuch 15 Nmarkierte Luzerne auf der Bodenoberfläche ausgebracht. Nach 5 und 15 Monaten wurde im Bulk-Boden und in den Auskleidungen der Bioporen des Unterbodens der Gehalt an spez. geb. ¹⁵NH₄-N bestimmt. Zudem wurden nach den 15 Monaten Aufwuchsproben genommen, um festzustellen, ob die Pflanzen dem Unterboden ¹⁵N entzogen haben.<br /> In den Bioporen konnte in allen drei untersuchten Tiefen spez. geb. ¹⁵NH₄⁺ gefunden werden, d.h. organisch gebundener N der ¹⁵N-Luzerne wurde in tiefere Bodenschichten verlagert, dort mineralisiert und als ¹⁵NH₄⁺ spezifisch gebunden. Im Folgejahr wurde eine Abnahme des Gehaltes an spez. geb. ¹⁵NH₄⁺ im Unterboden festgestellt und in den angebauten Pflanzen ¹⁵N nachgewiesen.<br /> Um den Einfluss von K⁺ und Ca₂⁺ auf die Verfügbarkeit des spez. geb. NH₄⁺ zu untersuchen, wurde Boden mit ¹⁵NH₄⁺ markiert und mit K⁺ und/oder Ca₂⁺ gedüngt. In speziellen, mit Luzerne bepflanzten Versuchsgefäßen waren die Wurzeln durch eine Gaze von Boden getrennt. In definierten Abständen von der Wurzeloberfläche (Gaze) wurde nach 49-tägiger Wachstumsperiode der Gesamtgehalt an spez. geb. NH_4-N und dessen ¹⁵N-Anteil ermittelt.<br /> Es konnte bestätigt werden, dass K⁺ die Tonmineralzwischenschichten kontrahiert, so dass im Vergleich zur Kontrolle weniger spez. geb. NH₄⁺ freigesetzt wurde. Eine Wirkung von Ca₂⁺+ war nicht eindeutig festzustellen.<br /> In einem Gefäßversuch wurde ¹⁵NH₄⁺ bzw. ¹⁵NO₃^- in jeweils 5 bzw. 50 cm Tiefe appliziert, um Aussagen über deren Verlagerung zu machen und um festzustellen, ob NO₃^- zu NH₄⁺ reduziert und dann in die Tonmineralzwischenschichten eingelagert wird.<br /> Sowohl nach Applikation von ¹⁵NH₄⁺ als auch von ¹⁵NO3₃^- konnte spez. geb. ¹⁵NH₄⁺ im Boden nachgewiesen werden. Somit konnte gezeigt werden, dass NO₃^-- bis zum NH₄⁺ reduziert und anschließend spezifisch gebunden wird.

<strong>Dynamics of non-exchangeable ammonium influenced by crop rotation and root architecture of agricultural crops</strong><br /> The objective of the thesis was to determine the contribution of non-exchangeable ammonium (NH₄⁺) in the subsoil to the N-nutrition of crops. For that, relevant influencing factors of the fixation and mobilization of NH₄⁺ were investigated. Particular emphasis was put on the impact of biopores of the pre-crop and the root architecture (fibrous root system vs. taproot system) of growing crops. To determinate the content of non-exchangeable NH₄-N in soils a new method was developed.<br /> To evaluate the dynamics of non-exchangeable NH₄⁺ during a growing season, soil samples were taken monthly in field trials from the topsoil and subsoil in the years 2010 and 2011. The sampling was conducted on plots with different crop rotations in which pre-crops and main-crops with different root architecture varied. During the first months of the growing seasons the content of non-exchangeable NH₄⁺changed only in a small range. However, during the vegetative phase of the crops an increase of the mobilization was observed. After ripeness the content of non-exchangeable NH₄⁺rose up to the starting content. After fescue, the mobilization was higher under oilseed rape with as compared to barley. This could not be observed after alfalfa.<br /> In a further investigation special soil-holders were placed underneath oilseed rape and barley. The interlayers of the clay minerals of the soil in the soil-holders were labeled with ¹⁵NH₄⁺. At the end of the growing season the degree of depletion of non-exchangeable ¹⁵NH₄⁺ of the soil was detected. Until the end of the growing season significant amounts of non-exchangeable ¹⁵NH₄⁺were released underneath both plant species. However, the mobilization underneath oilseed rape was higher than underneath barley.<br /> To investigate, whether soil organic matter from the topsoil is mineralized after translocation into deeper soil horizons and the NH₄⁺ ions are fixed in the interlayers of clay minerals, ¹⁵N-labeled alfalfa was spread to the soil surface. After 5 and 15 months, samples from bulk-soil and the coating of the biopores were taken to investigate the content of non-exchangeable ¹⁵NH₄⁺. After 15 months also the crops were harvested and their 15N uptake from the subsoil was determined. Non-exchangeable ¹⁵NH₄⁺ was found in the biopores at all sampling depths showing that the organic N of the ¹⁵N-alfalfa transferred in deeper soil horizons, was mineralized and ¹⁵NH₄⁺ fixed in the interlayers of the clay minerals. After 15 months the content of non-exchangeable ¹⁵NH₄⁺ in the subsoil was reduced and ¹⁵N could be detected in the crops.<br /> To determine the influence of K⁺ and Ca₂⁺ on the mobilization of non-exchangeable NH₄⁺ soil was labeled with ¹⁵NH₄⁺ and fertilized with K⁺ and/or Ca₂⁺. Alfalfa was planted in special pots, where the roots were separated from the soil by gauze. After 49 days of growing, the total amount of non-exchangeable NH₄-N and the percentage of ¹⁵NH₄-N were determined in defined distances to the root surface. It could be confirmed that K⁺ contracts the interlayers of the clay minerals. Compared to the control less non-exchangeable NH₄⁺ was released. An obvious effect of Ca₂⁺ could not be found.<br /> To investigate, if ¹⁵NH₄⁺ and ¹⁵NO₃^- were displaced in deeper soil horizons and ¹⁵NO_3^- gets reduced to ¹⁵NH₄⁺ followed by fixation in the interlayers of clay minerals, ¹⁵NH₄⁺ and ¹⁵NO_3^-, respectively, were applied in a pot experiment in 5 and 50 cm soil depth, respectively. Non-exchangeable ¹⁵NH₄-N could be determined after application of both ¹⁵NH₄⁺ and ¹⁵NO₃^-. Hence it could be verified that ¹⁵NO₃^- was reduced to ¹⁵NH₄⁺ and fixed in the interlayers of the clay minerals.