Organic potatoes for processing

Drei Feldversuche auf zwei Standorten (DFH: 51°4, 9°4’, BEL: 52°2’, 8°08’) wurden in den Jahren 2002 bis 2004 durchgeführt, um den Einfluss der Vorfrucht, des Vorkeimens, der N- und K-Düngung und der Sorte auf Nährstoffverfügbarkeit, Gesamt- und sortierte Knollenerträge sowie die Qualität von Kartoffeln und deren Eignung für die industrielle Verarbeitung zu Pommes frites und Chips zu untersuchen. Bestimmt wurden die N- und K-Verfügbarkeit im Boden, die N- und K-Aufnahme von Kraut und Knollen, gesamte Frisch- und Trockenmasseerträge, sortierte Frischmasseerträge für die Verarbeitung, sowie die Gehalte der Knollen an Trockensubstanz und reduzierenden Zuckern. In einer sensorischen Prüfung wurden Qualitätsparameter von Pommes frites (Aussehen/Farbe, Textur und Geschmack/Geruch) bewertet, die gewichtet in einen Qualitätsindex eingingen. Die Qualität der Chips wurde maschinell durch den L-Wert (Helligkeit) des Produktes quantifiziert. Der Gehalt des Bodens an mineralisiertem Nitrat-Stickstoff hing von der Vorfrucht und dem Jahr ab. Nach Erbsen wurden zum Auflaufen der Kartoffeln in den Versuchsjahren 2003 und 2004 (187 und 132 kg NO3-N ha-1) die höchsten NO3-N-Werte in 0-60 cm Boden gemessen verglichen mit Kleegras (169 bzw. 108 kg NO3-N ha-1 oder Getreide (112 kg bzw. 97 kg NO3-N ha-1), obgleich die Differenz nicht in allen Fällen signifikant war. Entsprechend wurden nach Erbsen die höchsten Knollen-Frischmasseerträge (414 und 308 dt ha-1) geerntet. Dasselbe galt für die Trockenmasserträge, was belegt, dass der Trockensubstanzgehalt der Knollen bei verbesserter N-Versorgung nicht im selben Maße sinkt, wie der Frischmasseertrag steigt. Das Vorkeimen der Pflanzknollen führte zu einer rascheren phänologischen Entwicklung im Jugendstadium der Pflanze, beschleunigter Trockenmassebildung des Krautes und einer früheren Einlagerung von Assimilaten vom Kraut in die Knollen. Obwohl die positive Wirkung des Vorkeimens auf den Gesamtertrag bis Ende Juli (+ 26 in 2003 bzw. 34 dt ha-1 in 2004) im Jahr ohne Krautfäuleepidemie von den nicht vorgekeimten Varianten bis zur Endernte im September kompensiert wurde, konnte in diesem Jahr durch Vorkeimen dennoch ein erhöhter Ertragsanteil (+ 12%) der besonders nachgefragten Übergrößen (>50 mm für Pommes frites) erzielt werden. Die durchschnittliche Knollenmasse reagierte positiv auf Vorkeimen (+ 5,4 g), Sortenwahl (Sorte Agria) und ein erhöhtes N-Angebot (Leguminosenvorfrucht). Generell wurde deutlich, dass die Knollengesamterträge unter den Bedingungen des Ökologischen Landbaus (geringe bis mittlere Nährstoffversorgung, verkürzte Vegetationsdauer) sehr stark vom Anbaujahr abhängen. Die Ergebnisse belegen jedoch, dass organisch-mineralische N-K-Düngung den sortierten Ertrag an Knollen für die Verarbeitung signifikant erhöht: Höchste Gesamt- und sortierte Knollenfrischmasseerträge wurden nach kombinierter N (Horngrieß) und mineralischer K- (Kaliumsulfat) Gabe erzielt (348 dt ha-1 im Durchschnitt von 2002-2004). Im Gegensatz dazu kann eine Wirkung von Stallmist auf den Ertrag im Jahr der Ausbringung nicht unbedingt erwartet werden. Steigende Erträge nach Stallmistdüngung wurden lediglich in einem von drei Versuchsjahren (+58 dt ha-1) festgestellt und ließen sich eher auf eine K- als eine N-Wirkung zurückführen. Die Ergebnisse belegen, dass die Sortenwahl eine entscheidende Rolle spielt, wenn die Kartoffeln für die industrielle Verarbeitung zu den oben genannten Produkten angebaut werden. Insgesamt kann festgestellt werden, dass Kartoffelknollen aus ökologischen Anbauverfahren ausreichend hohe Trockensubstanzgehalte aufweisen, um für die Verarbeitung zu Pommes frites (>19%) geeignet zu sein und ohne dass dadurch die Konsistenz des Endproduktes gefährdet würde. Der Trockensubstanzgehalt der Referenzsorte für Chips, „Marlen“, unterschritt das in der Literatur geforderte Minimum für Chips von 23% lediglich, wenn die kombinierte Horngrieß-Kaliumsulfatdüngung zur Anwendung kam. Die Trockensubstanzgehalte der Knollen konnten durch Vorkeimen signifikant gesteigert werden und der Effekt war besonders groß (+1.2% absolut) in dem Jahr mit frühem Auftreten der Krautfäule (Phytophthora infestans), d.h. verkürzter Vegetationszeit. Die Knollen-Trockensubstanzgehalte waren in zwei von drei Experimenten nach Lagerung höher (+0.4 und 0.5% absolut) als noch zur Ernte. Sorten der sehr frühen und frühen Reifegruppe wiesen den größten relativen Anstieg der Gehalte an reduzierenden Zuckern (Glukose und Fruktose) während der Lagerung auf. Den mittelfrühen Sorten „Agria“ und „Marena“ hingegen kann aufgrund des von ihnen erreichten höchsten Qualitätsstandards (Pommes frites) zur Ernte eine sehr gute Eignung für die Bedingungen des Ökologischen Landbaus unterstellt werden. Die durchgehend beste Chipseignung wies die mittelfrühe Referenzsorte „Marlen“ auf. Insgesamt konnte nachgewiesen werden, dass durch gezielte Sortenwahl der Trockensubstanzgehalt und die Konzentration reduzierender Zucker, sowie die Qualität der Endprodukte (Pommes frites und Chips) gezielt beeinflusst werden kann. Im Gegensatz dazu haben acker- und pflanzenbauliche Maßnahmen wie Düngung, Wahl der Vorfrucht und Vorkeimen der Pflanzknollen einen eher geringen Einfluss. Dementsprechend sollte der Landwirt versuchen, durch die Wahl der Sorte den hohen Anforderungen der Industrie an die Rohware gerecht zu werden.

Ionization potentials and radii of atoms and ions of element 104 (unnilquadium) and of hafnium (2+) derived from multiconfiguration Dirac-Fock calculations

Multiconfiguration relativistic Dirac-Fock (MCDF) values have been computed for the first four ionization potentials (IPs) of element 104 (unnilquadium) and of the other group 4 elements (Ti, Zr, and Hf). Factors were calculated that allowed correction of the systematic errors between the MCDF IPs and the experimental IPs. Single "experimental" IPs evaluated in eV (to ± 0.1 eV) for element 104 are: [104(0),6.5]; [104( 1 + ),14.8]; [104(2 + ),23.8]; [104(3 + ),31.9]. Multiple experimental IPs evaluated in eV for element 104 are: [(0-2+ ),21.2±0.2]; [(0-3+ ),45.1 ±0.2]; [(0-4+ ),76.8±0.3].Our MCDF results track 11 of the 12 experimental single IPs studied for group 4 atoms and ions. The exception is Hf( 2 + ). We submit our calculated IP of 22.4 ± 0.2 eV as much more accurate than the value of 23.3 eV derived from experiment.

Effects of fertilizer type and rate on partitioning of soil organic matter into pools of different stability

Type and rate of fertilizers influence the level of soil organic carbon (Corg) and total nitrogen (Nt) markedly, but the effect on C and N partitioning into different pools is open to question. The objectives of the present work were to: (i) quantify the impact of fertilizer type and rate on labile, intermediate and passive C and N pools by using a combination of biological, chemical and mathematical methods; (ii) explain previously reported differences in the soil organic matter (SOM) levels between soils receiving farmyard manure with or without biodynamic preparations by using Corg time series and information on SOM partitioning; and (iii) quantify the long-term and short-term dynamics of SOM in density fractions and microbial biomass as affected by fertilizer type and rate and determine the incorporation of crop residues into labile SOM fractions. Samples were taken from a sandy Cambisol from the long-term fertilization trial in Darmstadt, Germany, founded in 1980. The nine treatments (four field replicates) were: straw incorporation plus application of mineral fertilizer (MSI) and application of rotted farmyard manure with (DYN) or without (FYM) addition of biodynamic preparations, each at high (140 – 150 kg N ha-1 year-1; MSIH, DYNH, FYMH), medium (100 kg N ha-1 year-1; MSIM, DYNM, FYMM) and low (50 – 60 kg N ha-1 year-1; MSIL, DYNL, FYML) rates. The main findings were: (i) The stocks of Corg (t ha-1) were affected by fertilizer type and rate and increased in the order MSIL (23.6), MSIM (23.7), MSIH (24.2) < FYML (25.3) < FYMM (28.1), FYMH (28.1). Stocks of Nt were affected in the same way (C/N ratio: 11). Storage of C and N in the modelled labile pools (turnover times: 462 and 153 days for C and N, respectively) were not influenced by the type of fertilizer (FYM and MSI) but depended significantly (p ≤ 0.05) on the application rate and ranged from 1.8 to 3.2 t C ha 1 (7 – 13% of Corg) and from 90 to 140 kg N ha-1 (4-5% of Nt). In the calculated intermediate pool (C/N ratio 7), stocks of C were markedly higher in FYM treatments (15-18 t ha-1) compared to MSI treatments (12-14 t ha-1). This showed that differences in SOM stocks in the sandy Cambisol induced by fertilizer rate may be short-lived in case of changing management, but differences induced by fertilizer type may persist for decades. (ii) Crop yields, estimated C inputs (1.5 t ha-1 year-1) with crop residue, microbial bio¬mass C (Cmic, 118 – 150 mg kg-1), microbial biomass N (17 – 20 mg kg-1) and labile C and N pools did not differ significantly between FYM and DYN treatments. However, labile C increased linearly with application rate (R2 = 0.53) from 7 to 11% of Corg. This also applied for labile N (3.5 to 4.9% of Nt). The higher contents of Corg in DYN treatments existed since 1982, when the first sampling was conducted for all individual treatments. Contents of Corg between DYN and FYM treatments con-verged slightly since then. Furthermore, at least 30% of the difference in Corg was located in the passive pool where a treatment effect could be excluded. Therefore, the reported differences in Corg contents existed most likely since the beginning of the experiment and, as a single factor of biodynamic agriculture, application of bio-dynamic preparations had no effect on SOM stocks. (iii) Stocks of SOM, light fraction organic C (LFOC, ρ ≤ 2.0 g cm-3), light fraction organic N and Cmic decreased in the order FYMH > FYML > MSIH, MSIL for all sampling dates in 2008 (March, May, September, December). However, statistical significance of treatment effects differed between the dates, probably due to dif-ferences in the spatial variation throughout the year. The high proportion of LFOC on total Corg stocks (45 – 55%) highlighted the importance of selective preservation of OM as a stabilization mechanism in this sandy Cambisol. The apparent turnover time of LFOC was between 21 and 32 years, which agreed very well with studies with substantially longer vegetation change compared to our study. Overall, both approaches; (I) the combination of incubation, chemical fractionation and simple modelling and (II) the density fractionation; provided complementary information on the partitioning of SOM into pools of different stability. The density fractionation showed that differences in Corg stocks between FYM and MSI treatments were mainly located in the light fraction, i.e. induced by higher recalcitrance of the organic input in the FYM treatments. Moreover, the use of the combination of biological, chemical and mathematical methods indicated that effects of fertilizer rate on total Corg and Nt stocks may be short-lived, but that the effect of fertilizer type may persist for longer time spans in the sandy Cambisol.

Mikrobielle Nutzung von Ernteresten in Bodensäulen und Litterbags

Die vorliegende Arbeit untersuchte die Einflüsse der Bodenart und Einarbeitungstiefe von Streu auf die mikrobielle Nutzung und ihren Abbau. Anhand einer Kohlenstoffsequestrierung wurde die Verlagerung streubürtigen Kohlenstoffes in die Fraktionen CO2-C, SOC, extrahierbaren Kohlenstoff, Cmik und POM-C betrachtet. Aufgrund der Analyse der δ13C-CO2 Werte der Bodenrespiration, im Rahmen der Sequestrierung des streubürtigen Kohlenstoffes, war der Anteil der streubürtigen Bodenrespiration und somit die gesamte, zu erwartende Bodenrespiration bekannt. Durch die, bei der Kohlenstoffsequestrierung, ermittelten Werte konnte eine Plausibilitätsprüfung an vier Methoden zur Erfassung der Bodenrespiration, auf ihre Genauigkeit und mögliche Artefakte hin, durchgeführt werden. Des Weiteren wurden in einem anschließenden Freilandversuch unter subtropischen Bedingungen die Einflüsse verschiedener Dünger und Feldfrüchte, in Abhängigkeit der Streuqualität, auf den Streuabbau und die mikrobielle Besiedelung hin untersucht. Im ersten Versuch (Kapitel 3), wurde anhand eines Säulenversuches der Einfluss der Einarbeitungstiefe, in Anhängigkeit der Bodenart, auf den Streuabbau untersucht. Dieses ist von großer Bedeutung, da auf landwirtschaftlich genutzten Flächen Streu und so genannte "Grüne Dünger" durch den Einsatz unterschiedlicher Bodenbearbeitungssysteme, wie z.B. der Kreiselegge oder dem Wendepflug, in unterschiedliche Tiefen eingearbeitet werden. Die Verlagerung streubürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes per Pilzhyphen, über eine Distanz von bis zu 20 cm wurde innerhalb dieser Arbeit das erste Mal gezeigt. Bisherige Studien zeigten einzig einen Transport von streubürtigem Kohlenstoff per Pilzhyphen, über eine kurze Distanz von der Detritussphäre in den angrenzenden Boden. Der höhere Anteil streubürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes innerhalb der von der Streuschicht weiter entfernten Schichten im sandigen Boden, im Vergleich zum lehmigen Boden zeigte, dass das feine Porenvolumen des lehmigen Bodens den Transport Streubürtigen Kohlenstoffes per Pilzhyphen grundsätzlich behindert. Diese Annahme wurde durch die stärkere Abnahme des Anteils streubürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes, mit zunehmender Entfernung zur Streuschicht, im lehmigen Boden im Vergleich zum sandigen Boden unterstützt. Es ist davon auszugehen, dass der sandige Boden zusätzlich durch die höhere Porosität eine erhöhte Sauerstoffdurchlässigkeit und somit, in den tieferen Schichten bessere Wachstumsbedingungen für Mikroorganismen bietet als der lehmige Boden. Durch die Ausbreitung substratbürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes wurde im sandigen Boden mehr streubürtiger Kohlenstoff durch Mikroorganismen inkorporiert als im lehmigen Boden. Ein weiterer Grund für die geringere Verlagerung von streubürtigem Kohlenstoff in die mikrobielle Biomasse des lehmigen Bodens ist wahrscheinlich der bessere physikalische Schutz durch den höheren Tonanteil. Durch die Einarbeitung der Streu stieg in allen Ansätzen der Gehalt an Ergosterol, welcher ein wesentlicher Indikator für die Präsenz saprotropher Pilze ist. Besonders stark ausgeprägt war der Anstieg des Ergosterolgehaltes, sowie des Ergosterol / mikrobielle Biomasse C – Quotienten, wenn Streu in die untere Schicht (15 - 20 cm) ein-gearbeitet wurde. Diese tiefenspezifischen Unterschiede wurden bisher in noch keinem weiteren Versuch beobachtet und können auf die Entwicklung unterschiedlicher pilzlicher Gemeinschaften zurück zu führen sein. Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass pilzliche Nekromasse in den oberen Bodenschichten schneller umgesetzt wird und somit bei der Ergosterolbestimmung nicht mit erfasst wird. Da der Umsatz der pilzlichen Nekromasse im porösen sandigen Boden, aufgrund der höheren Sauerstoffverfügbarkeit und des geringeren physikalischen Schutzes, vermutlich höher ist als im lehmigen Boden, wird diese Annahme durch den im sandigen Boden geringeren Gehalt an mikrobiellen Kohlenstoff unterstützt. Wie erwartet, überstieg die Mineralisation der Streu im sandigen Boden die der im lehmigen Boden. Jedoch anders als erwartet, unterschied sich die Mineralisation in Abhängigkeit der Einarbeitungstiefe, mit einer erhöhten Mineralisation bei Einarbeitung der Streu in 0 - 5 cm Tiefe, einzig im sandigen Boden. Die Berechnung des Ertragskoeffizienten zeigte, dass die Substratsnutzungseffizienz der Mikroorganismen im sandigen Boden signifikant geringer war als die im lehmigen Boden. Die Zugabe von Streu führte in beiden Böden, verstärkt jedoch im lehmigen Boden, zu einem positiven Priming Effekt, der in beiden Bö-den stärker ausgeprägt war, als Streu in 0–5 cm Tiefe eingearbeitet wurde. Trotz Abnahme der SOC-bürtigen mikrobiellen Biomasse stieg die Mineralisation des SOC stark an. Es ist anzunehmen, dass extrazelluläre Enzyme wie Cellulase und Lignin modifizierende Enzy-me, produziert von saprotrophen Pilzen, zum Abbau von Cellolose und Lignin der Streu, zum Teil sehr effizient SOC abbauen. Im zweiten Versuch (Kapitel 4) wurde anhand des gleichen Säulenversuches (Versuch 1; Kapitel 3) der Einfluss der Entfernung von CO2-hot-spots im Boden zur Bodenoberfläche, in Abhängigkeit der Bodenart, auf vier verschiedene Methoden zur Erfassung der Bodenrespiration betrachtet. Zusätzlich wurde durch eine Plausibilitätsprüfung anhand der Kohlenstoffbilanz, basierend auf der in Versuch 1 durchgeführten Kohlenstoffsequestrierung, die Genauigkeit der vier Methoden in Abhängigkeit der Bodenart überprüft. Für beide Ansätze mit sandigem Boden zeigen IR und PAS eine deutliche Überschätzung der mit NaOH und GC bestimmten Bodenrespiration. Die Überschätzung durch IR ist dabei auf die durch die dynamische Haube verursachten Turbulenzen und deren Auswirkungen auf den porösen sandigen Boden zurück zu führen. Bei geringen Respirationsraten, wie bei der Kontrolle, zeigt die Messung mittels IR trotz Turbulenzen, verursacht durch den Ventilator der Haube, keine Überschätzung. Die Überschätzung durch PAS hingegen kann nicht auf Turbulenzen, verursacht durch die dynamische Haube, zurück geführt werden, da bei den Analysen mit PAS und GC identische Hauben, höher und größer als bei IR, eingesetzt wurden und die Bodenrespiration durch GC nicht überschätzt wurde. Im Gegensatz zu beiden sandigen Ansätzen überschätzt IR die Bodenrespiration im lehmigen Boden nicht. NaOH hingegen unterschätzt die Bodenrespiration, wenn Streu in 15-20 cm Tiefe des lehmigen Bodens eingearbeitet ist. Dieses ist dadurch zu erklären, dass, bedingt durch die geringere Porosität sowie das höhere Wasserhaltevermögen und dem daraus resultierenden geringeren Luft gefüllten Porenvolumen, die Diffusion von CO2 im lehmigen Boden langsamer ist als im sandigen Boden. Nach Absorption des CO2 der Haubenluft diffundiert das CO2 des CO2-hot-spots in 15-20 cm Tiefe, entlang des Diffusionsgradienten, aufgrund des Diffusionswiderstandes in lehmigen Boden langsamer zur Oberfläche als im sandigen Boden oder wenn der CO2-hot-spot direkt unter der Bodenoberfläche liegt. Da bei der Messung mit der dynamischen Haube diese nur kurz auf der Fläche verbleibt, beeinflusst der Diffusionsgradient diese Messungen nicht. Hinzukommt, dass bei den Messsystemen, die in Kombination mit der dynamischen Haube eingesetzt werden, im Gegensatz zur Absorption durch Lauge keine CO2 Abreicherung stattfindet und die Diffusion von CO2 aus dem Boden über lange Zeit bis zu hohen CO2 Konzentration in der Haube linear bleibt. Alle drei mit einer dynamischen Haube kombinierten Methoden zeigen mit Korrelations-koeffizienten zwischen 0,90 und 0,93 starke Korrelationen mit NaOH. Während PAS die Bodenrespiration im Verhältnis zu NaOH immer überschätzt, tritt eine Überschätzung durch GC nur bei Mineralisationsraten unter 500 mg m-2 h-1 und für IR bei Mineralisations-raten über 40 mg m-2 h-1 ein. Die Plausibilitätsprüfung zeigt, dass für sandigen Boden, mit NaOH und GC eine sehr exakte Wiederfindung von Kohlenstoff erreicht wird, wohingegen IR und PAS in der Wiederfindung von Kohlenstoff bei deutlich über 100 % liegen. Für den lehmigen Boden hingegen ist nach Entfernung der CO2-hot-spots zur Bodenoberfläche zu differenzieren. Befindet sich der CO2-hot-spot direkt unter der Bodenoberfläche ist die Wiederfindung von Kohlenstoff für NaOH, GC und IR sehr exakt. Befindet sich der CO2-hot-spot jedoch in 15-20 cm Tiefe, ist die Wiederfindung des Kohlenstoffes durch NaOH deutlich unter 100 %. Die Wiederfindung durch PAS liegt sowohl für den sandigen als auch für den lehmigen Boden immer deutlich über 100 %. Im dritten Versuch (Kapitel 5), wurde anhand eines Litterbag-Versuches im Norden des Omans, der Einfluss verschiedener Dünger und Feldfrüchte auf den Abbau von Streu auf landwirtschaftlich genutzten Flächen in Abhängigkeit der Streuqualität betrachtet. Bei dem Großteil bisheriger Streuabbauversuche, unter gemäßigten und subtropischen Klimaten, stand der Abbau von Streu im Wald im Fokus der Betrachtung. Die wenigen Versuche zum Streuabbau auf landwirtschaftlich genutzten Flächen beschränken sich auf die gemäßigten Klimate. Wohingegen der Abbau von Streu, sowie der Einfluss von Dünger und Feldfrucht unter subtropischen Bedingungen, zum ersten mal mit der vorliegenden Arbeit fokussiert wurde. Der Verlust an organischem Material war verglichen mit Versuchen un-ter gemäßigten Klimaten, bei allen vier Streuarten, generell hoch. Der höhere Abbau von Luzernen- und Maisstreu im Vergleich zu Raps- und Weizenstreu ist auf Unterschiede der Streuqualität zurückzuführen. Neben der Verwertbarkeit durch Mikroorganismen beeinflusst die Streuqualität zusätzlich die "Schmackhaftigkeit" der Streu für Organismen der Mesofauna. Wodurch ein selektiver Transport und/oder Grazing von Mikroorganismen stattfindet. Der geringere Abbau der Luzernenstreu verglichen mit Maisstreu jedoch ist nicht auf die Streuqualität sondern auf die geringere mikrobielle Besiedelung der Luzernenstreu während der Versuchszeit zurückzuführen. Der Unterschied im Grad der mikrobiellen Besiedelung kann durch die erhobenen Daten nicht erklärt werden. Es ist jedoch davon auszugehen, dass Leguminosen Substanzen wie z.B. Polyphenole enthalten, welche die mikrobielle Biomasse und im Besonderen die pilzliche Biomasse in beachtlichem Umfang inhibitieren. Ebenso wenig ist der höhere Abbau von Weizenstreu verglichen mit Rapsstreu durch die Streuqualität zu begründen. Eine mögliche Erklärung für den geringeren Abbau der Rapsstreu kann ihr hoher Aluminium Gehalt sein. Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass die Rapsstreu organische Substanzen wie Glucosinolate enthält, welche den mikrobiellen Streuabbau inhibitieren. Während der Hemicellulosegehalt am Ende des Versuches nicht durch die Streuqualität beeinflusst war, zeigten Cellulose und Lignin quali-tätsabhängige Effekte. Der stärkere Abbau von Cellulose bei Luzernen- und Maisstreu ist auf den anfänglich höheren Stickstoffgehalt zurückzuführen, wodurch die Produktion und Aktivität von Cellulose degradierenden Enzymen, wie Exo-Cellulase, Endo-Cellulase und Xylanase, anstieg. Es ist davon auszugehen, dass die Differenzen im Celluloseabbau von Luzernen- und Maisstreu im Vergleich zu Raps- und Weizenstreu, neben Unterschieden im anfänglichen Stickstoffgehalt, auf den höheren Schutz von Cellulose durch Lignin in Raps- und Weizenstreu zurückzuführen sind. Während der initial geringe Stickstoffgehalt den Ligninabbau in Raps- und Weizenstreu unterstützt, ist die relative Anreicherung von Lignin in Luzernen- und Maisstreu hingegen auf den initial hohen Stickstoffgehalt zurückzuführen. Dem entgegen hat die Zusammensetzung weiterer Nährstoffe einen sehr geringen Effekt. Es ist jedoch möglich, dass stärkere Effekte durch den Eintrag von Boden in die Litterbags durch Organismen der Mesofauna, Wurzelwachstum oder physikalische Verlagerung überdeckt werden. Während unter organische Düngung, die pilzliche Biomasse ansteigt, fördert der leicht verfügbare Stickstoff der mineralischen Düngung die Bildung bakterieller Biomasse. Der höher Gehalt an pilzlicher Biomasse unter organischer Düngung zeigte keinen generellen Effekt auf den Abbau von Kohlenstoff. Er führte jedoch zu einer Veränderung in der Streuzusammensetzung. Die verringerte Abnahme bzw. verstärkte Zunahme der Nährstoffgehalte bei organischer Düngung ist durch den Eintrag dünger-bürtiger Nährstoffe, im Besonderen durch die verstärkte Bildung pilzlicher Hyphen in die Litterbags hinein, zu erklären. Trotz höherer Gehalte an pilzlicher Biomasse war der Ligningehalt am Ende des Versuches unter organischer Düngung höher als unter mineralischer Düngung. Diese ist auf den Eintrag düngerbürtiger Pilze zurückzuführen, welche eine geringere Lignindegradierungseffizienz aufweisen. Der Einfluss der Feldfrucht auf den Streuabbau äußert sich durch höhere Gehalte mikrobieller und im Besonderen pilzlicher Biomasse, und durch geringere Gehalte an N, P, Ca, Na und K in, im Litterbag verbleiben-der Streu, unter dem Anbau von Mohrrüben. Der Anstieg der pilzlichen Biomasse führt, ebenso wie bei der organischen Düngung zu keinem generellen Anstieg der Kohlenstoffdegradation, zeigt jedoch einen selektiven Effekt auf den Abbau von Cellulose. Der Einfluss, sowohl auf die mikrobielle Biomasse, als auch auf den Nährstoffgehalt, zeigt die Bedeutung der Unterschiede im Wurzelwachstum, der Rhizodeposition sowie des Nährstoffbedarfs in Abhängigkeit der Feldfrucht. Trotz großer Unterschiede der Streuarten im anfänglichen Gehalt mikrobieller Biomasse war dieser am Ende des Versuches für alle Streuarten identisch. Dieses war Folge eines starken Anstiegs der pilzlichen Biomasse bei Luzernen- und Maisstreu sowie einer Abnahme der pilzlichen Biomasse bei Raps- und Weizenstreu, welche zuvor noch nicht beobachtet wurde. Dieses macht den Einfluss der anfänglichen mikrobiellen Biomasse auf deren Entwicklung während des Streuabbauprozesses im Boden deutlich. Es ist anzunehmen, dass ein Teil der anfänglichen pilzlichen Biomasse der Raps- und Weizenstreu, welche sich unter gemäßigten Klimaten entwickelte, unter subtropischen Bedingungen nicht überlebensfähig war. Generell war der Streuabbau durch Pilze dominiert. Es zeigte sich jedoch, dass Unterschiede im Pflanzenmaterial einen Einfluss auf die bakterielle Biomasse hatten, Unterschiede in Düngung und Feldfrucht hingegen die pilzliche Biomasse und die bakterielle Biomasse beeinflussten.

Effects of different tillage treatments on labile soil organic matter pools and stabilization processes

An improved understanding of soil organic carbon (Corg) dynamics in interaction with the mechanisms of soil structure formation is important in terms of sustainable agriculture and reduction of environmental costs of agricultural ecosystems. However, information on physical and chemical processes influencing formation and stabilization of water stable aggregates in association with Corg sequestration is scarce. Long term soil experiments are important in evaluating open questions about management induced effects on soil Corg dynamics in interaction with soil structure formation. The objectives of the present thesis were: (i) to determine the long term impacts of different tillage treatments on the interaction between macro aggregation (>250 µm) and light fraction (LF) distribution and on C sequestration in plots differing in soil texture and climatic conditions. (ii) to determine the impact of different tillage treatments on temporal changes in the size distribution of water stable aggregates and on macro aggregate turnover. (iii) to evaluate the macro aggregate rebuilding in soils with varying initial Corg contents, organic matter (OM) amendments and clay contents in a short term incubation experiment. Soil samples were taken in 0-5 cm, 5-25 cm and 25-40 cm depth from up to four commercially used fields located in arable loess regions of eastern and southern Germany after 18-25 years of different tillage treatments with almost identical experimental setups per site. At each site, one large field with spatially homogenous soil properties was divided into three plots. One of the following three tillage treatments was carried in each plot: (i) Conventional tillage (CT) with annual mouldboard ploughing to 25-30 cm (ii) mulch tillage (MT) with a cultivator or disc harrow 10-15 cm deep, and (iii) no tillage (NT) with direct drilling. The crop rotation at each site consisted of sugar beet (Beta vulgaris L.) - winter wheat (Triticum aestivum L.) - winter wheat. Crop residues were left on the field and crop management was carried out following the regional standards of agricultural practice. To investigate the above mentioned research objectives, three experiments were conducted: Experiment (i) was performed with soils sampled from four sites in April 2010 (wheat stand). Experiment (ii) was conducted with soils sampled from three sites in April 2010, September 2011 (after harvest or sugar beet stand), November 2011 (after tillage) and April 2012 (bare soil or wheat stand). An incubation study (experiment (iii)) was performed with soil sampled from one site in April 2010. Based on the aforementioned research objectives and experiments the main findings were: (i) Consistent results were found between the four long term tillage fields, varying in texture and climatic conditions. Correlation analysis of the yields of macro aggregate against the yields of free LF ( ≤1.8 g cm-3) and occluded LF, respectively, suggested that the effective litter translocation in higher soil depths and higher litter input under CT and MT compensated in the long term the higher physical impact by tillage equipment than under NT. The Corg stocks (kg Corg m−2) in 522 kg soil, based on the equivalent soil mass approach (CT: 0–40 cm, MT: 0–38 cm, NT: 0–36 cm) increased in the order CT (5.2) = NT (5.2) < MT (5.7). Significantly (p ≤ 0.05) highest Corg stocks under MT were probably a result of high crop yields in combination with reduced physical tillage impact and effective litter incorporation, resulting in a Corg sequestration rate of 31 g C-2 m-2 yr-1. (ii) Significantly higher yields of macro aggregates (g kg-2 soil) under NT (732-777) and MT (680-726) than under CT (542-631) were generally restricted to the 0-5 cm sampling depth for all sampling dates. Temporal changes on aggregate size distribution were only small and no tillage induced net effect was detectable. Thus, we assume that the physical impact by tillage equipment was only small or the impact was compensated by a higher soil mixing and effective litter translocation into higher soil depths under CT, which probably resulted in a high re aggregation. (iii) The short term incubation study showed that macro aggregate yields (g kg-2 soil) were higher after 28 days in soils receiving OM (121.4-363.0) than in the control soils (22.0-52.0), accompanied by higher contents of microbial biomass carbon and ergosterol. Highest soil respiration rates after OM amendments within the first three days of incubation indicated that macro aggregate formation is a fast process. Most of the rebuilt macro aggregates were formed within the first seven days of incubation (42-75%). Nevertheless, it was ongoing throughout the entire 28 days of incubation, which was indicated by higher soil respiration rates at the end of the incubation period in OM amended soils than in the control soils. At the same time, decreasing carbon contents within macro aggregates over time indicated that newly occluded OM within the rebuilt macro aggregates served as Corg source for microbial biomass. The different clay contents played only minor role in macro aggregate formation under the particular conditions of the incubation study. Overall, no net changes on macro aggregation were identified in the short term. Furthermore, no indications for an effective Corg sequestration on the long term under NT in comparison to CT were found. The interaction of soil disturbance, litter distribution and the fast re aggregation suggested that a distinct steady state per tillage treatment in terms of soil aggregation was established. However, continuous application of MT with a combination of reduced physical tillage impact and effective litter incorporation may offer some potential in improving the soil structure and may therefore prevent incorporated LF from rapid decomposition and result in a higher C sequestration on the long term.

Der Einfluss organischer Düngung auf die mikrobielle Biomasse und deren Residuen in unterschiedlichen Nutzungssystemen

Die Gabe von organischem Dünger beeinflusst die Menge und die Zusammensetzung der organischen Substanz im landwirtschaftlich genutzten Boden. Dies wirkt sich auch auf den Umfang der mikrobiellen Biomasse im Boden und ihrer Gemeinschaftsstruktur aus. Diese Arbeit beschäftigte sich mit der Untersuchung von mineralischer und organischer Düngung auf die der mikrobiellen Gemeinschaft im Oberboden, Unterboden und unter subtropischen Bedingungen. Der Fokus der Arbeit lag zum einen in der Bestimmung der physiologischen Substratnutzungsdiversität der mikrobiellen Gemeinschaft, zum anderen in der Untersuchung der mikrobiellen Biomasse und deren Residuen nach organischer Düngung. Es konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass das Substratnutzungsmuster der mikrobiellen Gemeinschaft sich signifikant zwischen langfristiger Rottemistdüngung und mineralischer Düngung unterscheidet. Diese Trennung wurde hauptsächlich durch die erhöhte Mineralisation von Kohlenhydraten und Aminosäuren gesteuert. Auch wurden der Boden pH-Wert und der Gehalt an organischer Substanz im Boden als Hauptmechanismen für die Unterscheidung der Düngevarianten identifiziert. Wenn auch die multi-SIR Methode keine Effekte von biodynamischen Präparaten auf die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft zeigen konnte, so war eine Trennung zwischen den Düngeintensitäten bei Rottemistdüngung mit biodynamischen Präparaten und mineralischer Düngung möglich. In Bezug dazu war die multi-SIR Methode empfindlicher, als die Bestimmung der mikrobiellen Biomasse oder des organischen Kohlenstoffs im Boden. Ergänzend dazu wurde der Substratnutzungsdiversitätsindex nach langjähriger mineralischer Düngung gegenüber der Rottemistdüngung verringert. Dies könnte auf eine Verminderung der Bodenfruchtbarkeit hindeuten. Auch wurde untersucht, inwieweit die Düngung mit Rottemist die Speicherung des organischen Materials (SOC und N) im Unterboden, einem weltweit bedeutenden C-Speicher, beeinflusst. Ein steigendes C/N-Verhältnis ging einher mit einer Verringerung der mikrobiellen Residualmasse am gesamten organischen Kohlenstoff mit der Tiefe. Langfristige organische Düngung führte zu einer Erhöhung des Verhältnisses pilzlicher zu bakterieller Residuen im Oberboden und steigerte den Gehalt an bakteriellen Residuen im Unterboden gegenüber mineralischer Düngung. Da keine Steigerung des gesamten organischen Kohlenstoffs im Unterboden vorliegt, kann eine Erhöhung des mikrobiellen Umsatzes im Unterboden bei organischer Düngung vermutet werden. Daneben sank das Verhältnis der pilzlichen zu bakteriellen Residuen von 2,6 im Oberboden auf 2,1 im Unterboden. Weitere Untersuchungen sind hier noch nötig, um die Rolle von mikrobiellen Residuen im Unterboden zu zeigen. Des Weiteren wurden die Auswirkungen von mit Aktivkohle und Tanninen angereichertem Ziegenkot auf die mikrobielle Biomasse, ihre Residuen und des organischem Kohlenstoff im Boden untersucht. Die Applikation der Aktivkohle sowie der Tannine erfolgte als Futterzusatz und direkt auf dem Feld. Nach zweijähriger Versuchsdauer unter subtropischen Bedingungen stieg die mikrobielle Biomasse im Boden nach organischer Düngung am stärksten an, gefolgt von den mikrobiellen Residuen und dem organischen Kohlenstoff. Der Anteil des Ergosterols an der gesamten mikrobiellen Biomasse deutete darauf hin, dass der Boden durch einen hohen Gehalt an saprotrophischen Pilzen gekennzeichnet war. Eine Dominanz der bakteriellen Residualmasse lässt einen schnellen Abbau der pilzlichen Residuen vermuten. Auch hatte die Aktivkohle einen positiven Einfluss auf die organische Bodensubstanz und die Zugabe von Tanninen erhöhte den extrahierbaren Stickstoff im Boden. Doch gab es keine Effekte durch die unterschiedlichen Applikationsmethoden auf dem Versuchsfeld. Es wurde gezeigt, dass die organische Düngung sich positiv auf die Bodenqualität auswirkt. Nicht nur das physiologische Profil der mikrobiellen Gemeinschaft wird verändert, sondern auch die mikrobiellen Residuen im gesamten Bodenprofil (0 – 100 cm) werden durch organische Düngung im Vergleich zur mineralischen Düngung erhöht. Die Rolle der mikrobiellen Biomasse und ihrer Residuen als Anzeiger für die Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur wurde in der vorliegenden Arbeit dargestellt. Dies zeigt einmal mehr, dass diese als Indikator für Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur herangezogen werden können. Speziell in Nutzungssystemen mit einem schnellen Umsatz der organischen Substanz, wie unter ariden subtropischen Bedingungen, bildet die Bestimmung der mikrobiellen Biomasse und ihrer Residuen eine Möglichkeit, die Dynamik der mikrobiellen Biomasse und der organischen Substanz durch Düngung zu dokumentieren.

Effects of tillage intensity on soil C, N, and P pools with different stability

Es ist bekannt, dass die Umsatzdynamik der organischen Substanz von der Bodenbearbeitungsintensität abhängt. Bis jetzt sind nur wenige Daten zum Einfluss der Bearbeitungsintensität und des Zwischenfruchtanbaus auf C-, N-, und P-Dynamik im Ober- (0-5 cm Tiefe) und Unterboden (5-25 cm Tiefe) von Lössböden verfügbar. Hauptziele dieser Arbeit waren die (i) Quantifizierung des Einflusses von verschiedenen langzeitig durchgeführten Bearbeitungssystemen auf labile, intermediäre, und passive C- und N-Pools; (ii) Quantifizierung des Einflusses dieser Systeme auf P-Fraktionen mit unterschiedlicher Verfügbarkeit für die Pflanzenaufnahme; (iii) Quantifizierung des Einflusses des Zwischenfruchtanbaus in Verbindung mit einer unterschiedlichen Einarbeitungstiefe der der Zwischenfrüchte auf mineralisierbares C und N. Die Ergebnisse des 1. und 2. Teilexperiments basieren auf Untersuchungen von 4 Langzeitfeldexperimenten (LFE) in Ost- und Süddeutschland, die zwischen 1990 und 1997 durch das Institut für Zuckerrübenforschung angelegt wurden. Jedes LFE umfasst 3 Bearbeitungssysteme: konventionelle Bearbeitung (CT), reduzierte Bearbeitung (RT) und Direktsaat (NT). Die Ergebnisse des 3. Teilexperiments basieren auf einem Inkubationsexperiment. Entsprechend den Hauptfragestellungen wurden folgende Untersuchungsergebnisse beschrieben: (i) Im Oberboden von NT wurden höhere labile C-Vorräte gefunden (C: 1.76 t ha-1, N: 166 kg ha-1), verglichen mit CT (C: 0.44 t ha-1, N: 52 kg ha-1). Im Gegensatz dazu waren die labile- C-Vorräte höher im Unterboden von CT mit 2.68 t ha-1 verglichen zu NT mit 2 t ha-1 und RT mit 1.87 t ha-1. Die intermediären C-Vorräte betrugen 73-85% der gesamten organischen C-Vorräte, intermediäre N-Vorräte betrugen 70-95% des Gesamt-N im Ober- und Unterboden und waren vielfach größer als die labilen und passiven C- und N-Vorräte. Nur im Oberboden konnte ein Effekt der Bearbeitungsintensität auf die intermediären N-Pools mit höheren Vorräten unter NT als CT festgestellt werden. Die passiven C- und N-Pools waren eng mit den mineralischen Bodeneigenschaften verbunden und unabhängig vom Bearbeitungssystem. Insgesamt hat sich gezeigt, dass 14 bis 22 Jahre durchgängige Direktsaatverfahren nur im Oberboden zu höheren labilen C- und N-Vorräten führen, verglichen zu konventionellen Systemen. Dies lässt eine tiefenabhängige Stärke der Dynamik der organischen Bodensubstanz vermuten. (ii) Die Konzentration des Gesamt-P (Pt) im Oberboden war höher in NT (792 mg kg-1) und ~15% höher als die Pt-Konzentration in CT (691 mg kg 1). Die Abnahme der Pt-Konzentration mit zunehmender Bodentiefe war höher in NT als in CT. Dies gilt auch für die einzelnen P-Fraktionen, ausgenommen der stabilsten P-Fraktion (residual-P). Generell hatte das Bearbeitungssystem nur einen kleinen Einfluss auf die P-Konzentration mit höheren Pt-Konzentrationen in Böden unter NT als CT. Dies resultiert vermutlich aus der flacheren Einarbeitung der Pflanzenreste als in CT. (iii) Im Zwischenfruchtexperiment war der Biomassezuwachs von Senf am höchsten und nimmt in der Reihenfolge ab (oberirdischer Ertrag in t / ha): Senf (7.0 t ha-1) > Phacelia (5.7 t ha-1) > Ölrettich (4.4 t ha-1). Damit war potentiell mineralisierbares C und N am höchsten in Böden mit Senfbewuchs. Kumulative CO2- und N2O-Emissionen während der Inkubation unterschieden sich nicht signifikant zwischen den Zwischenfruchtvarianten und waren unabhängig von der Verteilung der Pflanzenreste im Boden. Die kumulativen ausgewaschenen mineralisierten N (Nmin)-Vorräte waren in den brachliegenden Böden am höchsten. Die Nmin-Vorräte waren 51-72% niedriger in den Varianten mit Zwischenfrucht und Einarbeitung verglichen zur Brache. In den Varianten ohne Einarbeitung waren die Nmin-Vorräte 36-55% niedriger verglichen zur Brache. Dies weißt auf einen deutlichen Beitrag von Zwischenfrüchten zur Reduzierung von Nitrat-Auswaschung zwischen Winter und Frühjahr hin. Insgesamt führte reduzierte Bearbeitung zu einer Sequestrierung von C und N im Boden und der Zwischenfruchtanbau führte zu reduzierten N-Verlusten. Die P-Verfügbarkeit war höher unter Direktsaat verglichen zur konventionellen Bearbeitung. Diese Ergebnisse resultieren aus den höheren Konzentrationen der OS in den reduzierten, als in den konventionellen Systemen. Die Ergebnisse zeigen deutlich das Potential von reduzierter Bearbeitung zur Sequestrierung von intermediärem C und N zur Reduzierung von klimarelevanten Treibhausgasen. Gleichzeitig steigen die Konzentrationen an pflanzenverfügaren P-Gehalten. Zwischenfrüchte führen auch zu einem Anstieg der C- und N-Vorräte im Boden, offensichtlich unabhängig von der Zwischenfruchtart.

Microbial response to restoration of tantalite mine soils in western Rwanda

Artisanal columbite-tantalite (coltan) mining has had negative effects on the rural economy in the great Lakes region of Africa through labor deficits, degradation and loss of farmland, food insecurity, high cost of living, and reduced traditional export crop production alongside secondary impacts that remotely affect the quality of air, water, soil, plants, animals, and human wellbeing. The situation is multifaceted and calls for a holistic approach for short and long-term mitigation of such negative effects. This study focuses on the effects of mine land restoration on soil microbiological quality in the Gatumba Mining District of western Rwanda. Some coltan mine wastelands were afforested with pine and eucalyptus trees while farmers directly cultivated others due to land scarcity. Farmyard manure (FYM) is the sole fertilizer applied on the wastelands although it is insufficient to achieve the desired crop yields. Despite this, several multi-purpose plants such as Tithonia diversifolia, Markhamia lutea, and Canavalia brasiliensis thrive in the area and could supplement FYM. The potential for these “new” amendments to improve soil microbial properties, particularly in the tantalite mine soils was investigated. The specific objectives of the study were to: (a) evaluate the effects of land use on soil microbial indices of the tantalite mine soils; (b) investigate the restorative effects of organic amendments on a Technosol; and (c) estimate the short-term N and P supply potential of the soil amendments in the soils. Fresh soils (0-20 cm) from an unmined native forest, two mine sites afforested with pine and eucalyptus forests (pine and eucalyptus Technosols), an arable land, and two cultivated Technosols (Kavumu and Kirengo Technosols) were analyzed for the physicochemical properties. Afterwards, a 28-day incubation (22oC) experiment was conducted followed by measurements of mineral N, soil microbial biomass C, N, P, and fungal ergosterol contents using standard methods. This was followed by a 12-week incubation study of the arable soil and the Kavumu Technosol amended with FYM, Canavalia and Tithonia biomass, and Markhamia leaf litter after which soil microbial properties were measured at 2, 8, and 12 weeks of incubation. Finally, two 4-week incubation experiments each were conducted in soils of the six sites to estimate (i) potential mineralizable N using a soil-sand mixture (1:1) amended with Canavalia and goat manure and (ii) P mineralization mixtures (1:1) of soil and anion exchange resins in bicarbonate form amended with Tithonia biomass and goat manure. In study one, afforestation increased soil organic carbon and total N contents in the pine and eucalyptus Technosols by 34-40% and 28-30%, respectively of that in the native forest soil. Consequently, the microbial biomass and activity followed a similar trend where the cultivated Technosols were inferior to the afforested ones. The microbial indices of the mine soils were constrained by soil acidity, dithionite-extractable Al, and low P availability. In study two, the amendments substantially increased C and N mineralization, microbial properties compared with non-amended soils. Canavalia biomass increased CO2 efflux by 340%, net N mineralization by 30-140%, and microbial biomass C and N by 240-600% and 240-380% (P < 0.01), respectively after four weeks of incubation compared with the non-amended soils. Tithonia biomass increased ergosterol content by roughly 240%. The Kavumu Technosol showed a high potential for quick restoration of its soil quality due to its major responses to the measured biological parameters. In study three, Canavalia biomass gave the highest mineralizable N (130 µg g-1 soil, P < 0.01) in the Kavumu Technosol and the lowest in the native forest soil (-20 µg g-1 soil). Conversely, the mineralizable N of goat manure was negative in all soils ranging from -2.5 µg N g-1 to -7.7 µg N g-1 soil except the native forest soil. However, the immobilization of goat manure N in the “cultivated soils” was 30-70% lower than in the “forest soils” signifying an imminent recovery of the amended soils from N immobilization. The mineralization of goat manure P was three-fold that of Tithonia, constituting 61-71% of total P applied. Phosphorus mineralization slightly decreased after four weeks of incubation due to sulfate competition as reflected in a negative correlation, which was steeper in the Tithonia treatment. In conclusion, each amendment used in this research played a unique role in C, N, and P mineralization and contributed substantially to microbial properties in the tantalite mine soils. Interestingly, the “N immobilizers” exhibited potentials for P release and soil organic carbon storage. Consequently, the combined use of the amendments in specific ratios, or co-composting prior to application is recommended to optimize nutrient release, microbial biomass dynamics and soil organic matter accrual. Transport of organic inputs seems more feasible for smallholder farmers who typically manage small field sizes. To reduce acidity in the soils, liming with wood ash was recommended to also improve P availability and enhance soil biological quality, even if it may only be possible on small areas. Further, afforestation with mixed-species of fast-growing eucalyptus and legume or indigenous tree species are suggested to restore tantalite mine wastelands. It is emphasized most of this research was conducted under controlled laboratory conditions, which exclude interaction with environmental variables. Also fine fractions of the amendments were used compared with the usual practice of applying a mixture of predominantly coarser fractions. Therefore, the biological dynamics reported in the studies here may not entirely reflect those of farmers’ field conditions.