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Digitalisierte Handschrift 2 Ms. theol. 58 der Universitätsbibliothek Kassel, Landes- und Murhardsche Bibliothek der Stadt Kassel. Helmarshausen, 12.Jh., 3. Viertel. Pergament, 166 Bl., 28,5x20,5. Ausführliche Beschreibung s. Wiedemann, Konrad: Manuscripta theologica : die Handschriften in Folio. Wiesbaden : Harrassowitz, 1994. http://www.manuscripta-mediaevalia.de/hs/katalogseiten/HSK0372_b080_jpg.htm

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.

Effects of tillage on processes of organic matter sequestration

To increase the organic matter (OM) content in the soil is one main goal in arable soil management. The adoption of tillage systems with reduced tillage depth and/or frequency (reduced tillage) or of no-tillage was found to increase the concentration of soil OM compared to conventional tillage (CT; ploughing to 20-30 cm). However, the underlying processes are not yet clear and are discussed contradictorily. So far, few investigations were conducted on tillage systems with a shallow tillage depth (minimum tillage = MT; maximum tillage depth of 10 cm). A better understanding of the interactions between MT implementation and changes in OM transformation in soils is essential in order to evaluate the possible contribution of MT to a sustainable management of arable soils. The objectives of the present thesis were (i) to compare OM concentrations, microbial biomass, water-stable aggregates, and particulate OM (POM) between CT and MT soils, (ii) to estimate the temporal variability of water-stable aggregate size classes occurring in the field and the dynamics of macroaggregate (>250 µm) formation and disruption under controlled conditions, (iii) to investigate whether a lower disruption or a higher formation rate accounts for a higher occurrence of macroaggregates under MT compared to CT, (iv) to determine which fraction is the major agent for storing the surplus of OM found under MT compared to CT, and (v) to observe the early OM transformation after residue incorporation in different tillage systems simulated. Two experimental sites (Garte-Süd and Hohes Feld) near Göttingen, Germany, were investigated. Soil type of both sites was a Haplic Luvisol. Since about 40 years, both sites receive MT by a rotary harrow (to 5-8 cm depth) and CT by a plough (to 25 cm depth). Surface soils (0-5 cm) and subsoils (10-20 cm) of two sampling dates (after fallow and directly after tillage) were investigated for concentrations of organic C (Corg) and total N (N), different water-stable aggregate size classes, different density fractions (for the sampling date after fallow only), microbial biomass, and for biochemically stabilized Corg and N (by acid hydrolysis; for the sampling date after tillage only). In addition, two laboratory incubations were performed under controlled conditions: Firstly, MT and CT soils were incubated (28 days at 22°C) as bulk soil and with destroyed macroaggregates in order to estimate the importance of macroaggregates for the physical protection of the very labile OM against mineralization. Secondly, in a microcosm experiment simulating MT and CT systems with soil <250 µm and with 15N and 13C labelled maize straw incorporated to different depths, the mineralization, the formation of new macroaggregates, and the partitioning of the recently added C and N were followed (28 days at 15°C). Forty years of MT regime led to higher concentrations of microbial biomass and of Corg and N compared to CT, especially in the surface soil. After fallow and directly after tillage, a higher proportion of water-stable macroaggregates rich in OM was found in the MT (36% and 66%, respectively) than in the CT (19% and 47%, respectively) surface soils of both sites (data shown are of the site Garte-Süd only). The subsoils followed the same trend. For the sampling date after fallow, no differences in the POM fractions were found but there was more OM associated to the mineral fraction detected in the MT soils. A large temporal variability was observed for the abundance of macroaggregates. In the field and in the microcosm simulations, macroaggregates were found to have a higher formation rate after the incorporation of residues under MT than under CT. Thus, the lower occurrence of macroaggregates in CT soils cannot be attributed to a higher disruption but to a lower formation rate. A higher rate of macroaggregate formation in MT soils may be due to (i) the higher concentrated input of residues in the surface soil and/or (ii) a higher abundance of fungal biomass in contrast to CT soils. Overall, as a location of storage of the surplus of OM detected under MT compared to CT, water-stable macroaggregates were found to play a key role. In the incubation experiment, macroaggregates were not found to protect the very labile OM against mineralization. Anyway, the surplus of OM detected after tillage in the MT soil was biochemically degradable. MT simulations in the microcosm experiment showed a lower specific respiration and a less efficient translocation of recently added residues than the CT simulations. Differences in the early processes of OM translocation between CT and MT simulations were attributed to a higher residue to soil ratio and to a higher proportion of fungal biomass in the MT simulations. Overall, MT was found to have several beneficial effects on the soil structure and on the storage of OM, especially in the surface soil. Furthermore, it was concluded that the high concentration of residues in the surface soil of MT may alter the processes of storage and decomposition of OM. In further investigations, especially analysis of the residue-soil-interface and of effects of the depth of residue incorporation should be emphasised. Moreover, further evidence is needed on differences in the microbial community between CT and MT soils.

Organische Düngung und reduzierte Bodenbearbeitung als Steuerungsfaktoren für die C-, N-, P- und S-Speicherung von Mikroorganismen

In dieser Arbeit wurden zum einen die Auswirkungen mineralischer und organischer Düngung und zum anderen der Einfluss reduzierter Bodenbearbeitung (Kreiselegge) im Vergleich zum Einsatz des Wendepfluges auf die Nährstoffspeicherung der mikrobiellen Biomasse untersucht. Dabei wurde deutlich, dass sowohl organische Düngung als auch die reduzierte Bodenbearbeitung zu einer Erhöhung des organischen Kohlenstoffs (Corg), des Stickstoff-Gesamtgehalts (N) und des mikrobiellen Biomasse Kohlenstoffs (Cmik) und Stickstoffs (Nmik) führten. Der Einsatz organischer Dünger wies darüber hinaus höhere Gehalte an Schwefel (S) auf, während der Einsatz der Kreiselegge auch den mikrobiellen Biomasse Phosphor (Pmik) gegenüber der Pflugvariante erhöhte. Des Weiteren zeigten die Untersuchungen des pilzlichen Biomarkers Ergosterol einen signifikant höheren Gehalt mit mineralischer Düngung plus Strohrückführung und beim Einsatz des Wendepfluges im Vergleich zu organischer Düngung und reduzierter Bodenbearbeitung. Dies führte sowohl bei mineralischer Düngung als auch bei dem Einsatz des Wendepfluges zu einem signifikant höheren Ergosterol/Cmik-Quotienten, der bei hohen Werten auf einen höheren Anteil saprotropher Pilze an der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft schließen lässt. Im Zusammenhang mit der Möglichkeit saprotropher Pilze, ihre Schwefelinkorporation um 130% zu steigern, zeigten sich höhere Gehalte des mikrobiellen Schwefels unter mineralischer Düngung und des Einsatzes des Wendepflugs, bei denen der Anteil saprotropher Pilze erhöht war. Dies führte zu einem geringeren C/Smik-Quotienten, der somit als Maß für eine Veränderung der mikrobiellen Gemeinschaft herangezogen werden kann. Des Weiteren ließ sich feststellen, dass trotz eines erhöhten Pilzanteils an der mikrobiellen Gemeinschaft unter Pflugbearbeitung und mineralischer Düngung die Substratnutzungseffizienz, die durch Pilze gewöhnlich erhöht wird, hier nicht gesteigert wurde. Somit lässt sich festhalten, dass sowohl organische Düngung als auch der Einsatz der Kreiselegge mit reduzierter Bodenbearbeitung zu einer Erhöhung Bodenfruchtbarkeit erhaltender Messgrößen, wie Corg, N, Cmik und Nmik führten. Das Bodenmaterial beider Langzeitversuche wurde nach den Laboruntersuchungen mit flüssigem Stickstoff schockgefroren und anschließend gefriergetrocknet, um mittels Nahinfrarot Spektroskopie (NIRS) und unterschiedlichen Berechnungsverfahren die Bodeneigenschaften vorherzusagen. Die Messgrößen des pH-Werts, Corg, N, P, S, K, Mg, Mn, Fe, Al wurden mit NIRS in einer exzellenten Vorhersagegüte bestimmt, während die Vorhersage von Cmik, Nmik und dem Ergosterol/Cmik-Quotienten nur zu einer annähernd quantitativen Bestimmung führte. Die unterschiedlichen Berechnungen mittels Kreuzvalidierung und separater Kalibrierung/Validierung zeigten zwar, dass die Kreuzvalidierung zu einer höheren Anzahl erfolgreich vorhergesagter Parameter führte, diese jedoch nicht zur Erstellung einer Kalibrationsdatenbank herangezogen werden kann, da hier nur eine geschlossene Population betrachtet wird. Die unterschiedlichen Selektionsverfahren zeigten nur einen geringen Einfluss auf die Vorhersagegenauigkeit. Während die Aufteilung des Datensatzes in einen kleineren, homogeneren Datensatz der einzelnen Standorte zu keiner besseren Vorhersagegüte im Vergleich zum Gesamtdatensatz führte. Daher bleibt festzuhalten, dass NIRS vor allem für die Vorhersage der Grundmessgrößen wie Corg, den Gesamtgehalten und Cmik und Nmik Einsatz finden kann, während für die erfolgreiche Vorhersage für weitere mikrobielle Biomasse-Parameter noch Forschungsbedarf besteht, wie z.B. zur Probenvorbereitung.

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 Feeding Regimes on the Digestibility and Faecal Excretion of Nitrogen, Soluble Carbohydrates and Fibre Fractions in Water Buffaloes kept under Subtropical Conditions

In the course of the ‘Livestock Revolution’, extension and intensification of, among others, ruminant livestock production systems are current phenomena, with all their positive and negative side effects. Manure, one of the inevitable secondary products of livestock rearing, is a valuable source of plant nutrients and its skillful recycling to the soil-plant interface is essential for soil fertility, nutrient - and especially phosphorus - uses efficiency and the preservation or re-establishment of environmentally sustainable farming systems, for which organic farming systems are exemplarily. Against this background, the PhD research project presented here, which was embedded in the DFG-funded Research Training Group 1397 ‘Regulation of soil organic matter and nutrient turnover in organic agriculture ’ investigated possibilities to manipulate the diets of water buffalo (Bubalus bubalis L.) so as to produce manure of desired quality for organic vegetable production, without affecting the productivity of the animals used. Consisting of two major parts, the first study (chapter 2) tested the effects of diets differing in their ratios of carbon (C) to nitrogen (N) and of structural to non-structural carbohydrates on the quality of buffalo manure under subtropical conditions in Sohar, Sultanate of Oman. To this end, two trials were conducted with twelve water buffalo heifers each, using a full Latin Square design. One control and four tests diets were examined during three subsequent 7 day experimental periods preceded each by 21 days adaptation. Diets consisted of varying proportions of Rhodes grass hay, soybean meal, wheat bran, maize, dates, and a commercial concentrate to achieve a (1) high C/N and high NDF (neutral detergent fibre)/SC (soluble carbohydrate) ratio (HH), (2) low C/N and low NDF/SC ratio (LL); (3) high C/N and low NDF/SC ratio (HL) and (4) low C/N and high NDF/SC (LH) ratio. Effects of these diets, which were offered at 1.45 times maintenance requirements of metabolizable energy, and of individual diet characteristics, respectively, on the amount and quality of faeces excreted were determined and statistically analysed. The faeces produced from diets HH and LL were further tested in a companion PhD study (Mr. K. Siegfried) concerning their nutrient release in field experiments with radish and cabbage. The second study (chapter 3) focused on the effects of the above-described experimental diets on the rate of passage of feed particles through the gastrointestinal tract of four randomly chosen animals per treatment. To this end, an oral pulse dose of 683 mg fibre particles per kg live weight marked with Ytterbium (Yb; 14.5 mg Yb g-1 organic matter) was dosed at the start of the 7 day experimental period which followed 21 days of adaptation. During the first two days a sample for Yb determination was kept from each faecal excretion, during days 3 – 7 faecal samples were kept from the first morning and the first evening defecation only. Particle passage was modelled using a one-compartment age-dependent Gamma-2 model. In both studies individual feed intake and faecal excretion were quantified throughout the experimental periods and representative samples of feeds and faeces were subjected to proximate analysis following standard protocols. In the first study the organic matter (OM) intake and excretion of LL and LH buffaloes were significantly lower than of HH and HL animals, respectively. Digestibility of N was highest in LH (88%) and lowest in HH (74%). While NDF digestibility was also highest in LH (85%) it was lowest in LL (78%). Faecal N concentration was positively correlated (P≤0.001) with N intake, and was significantly higher in faeces excreted by LL than by HH animals. Concentrations of fibre and starch in faecal OM were positively affected by the respective dietary concentrations, with NDF being highest in HH (77%) and lowest in LL (63%). The faecal C/N ratio was positively related (P≤0.001) to NDF intake; C/N ratios were 12 and 7 for HH and LL (P≤0.001), while values for HL and LH were 11.5 and 10.6 (P>0.05). The results from the second study showed that dietary N concentration was positively affecting faecal N concentration (P≤0.001), while there was a negative correlation with the faecal concentration of NDF (P≤0.05) and the faecal ratios of NDF/N and C/N (P≤0.001). Particle passage through the mixing compartment was lower (P≤0.05) for HL (0.033 h-1) than for LL (0.043 h-1) animals, while values of 0.034 h-1 and 0.038 h-1 were obtained for groups LH and HH. At 55.4 h, total tract mean retention time was significantly (P≤0.05) lower in group LL that in all other groups where these values varied between 71 h (HH) and 79 h (HL); this was probably due to the high dietary N concentration of diet LL which was negatively correlated with time of first marker appearance in faeces (r= 0.84, P≤0.001), while the dietary C concentration was negatively correlated with particle passage through the mixing compartment (r= 0.57, P≤0.05). The results suggest that manure quality of river buffalo heifers can be considerably influenced by diet composition. Despite the reportedly high fibre digestion capacity of buffalo, digestive processes did not suppress the expression of diet characteristics in the faeces. This is important when aiming at producing a specific manure quality for fertilization purposes in (organic) crop cultivation. Although there was a strong correlation between the ingestion and the faecal excretion of nitrogen, the correlation between diet and faecal C/N ratio was weak. To impact on manure mineralization, the dietary NDF and N concentrations seem to be the key control points, but modulating effects are achieved by the inclusion of starch into the diet. Within the boundaries defined by the animals’ metabolic and (re)productive requirements for energy and nutrients, diet formulation may thus take into account the abiotically and biotically determined manure turnover processes in the soil and the nutrient requirements of the crops to which the manure is applied, so as to increase nutrient use efficiency along the continuum of the feed, the animal, the soil and the crop in (organic) farming systems.

Gaseous and leaching losses of carbon and nitrogen in irrigated organic farming of a coastal oasis in Oman

In der Dissertation wurden die Effekte verschiedener C/N-Verhältnisse und verschiedener Verhältnisse von strukturellen zu löslichen Kohlenhydraten (NDF/SC) von Dung, der in bewässerten Gemüsekulturen im Norden Omans appliziert wurde, untersucht. Im auf sandigen Böden durchgeführten Experiment wurden zwei Büffeldungvarianten zum einen mit einem C/N-Verhältnis von 19 und einem NDF/SC-Verhältnis von 17 (ORG1) und zum anderen mit einem C/N-Verhältnis von 25 und einem NDF/SC-Verhältnis von 108 (ORG2) verwendet. Das relevante faktorielle Anbausystem war eine zweijährige Rotation, bestehend aus Rettich gefolgt von Blumenkohl und Karotte. Eine signifikante Zunahme der Erträge, des Sproßdurchmessers und der Pflanzenhöhe von Blumenkohl (P<0,001) sowie der Konzentration von Askorbinsäure in den Wurzeln von Rettich (P<0,01) mit erhöhter Verfügbarkeit von N, P und K von ORG2 über ORG1 bis hin zur Mineraldünger-Kontrollbehandlung (MIN) konnte festgestellt werden. Innerhalb von 260 Tagen wurden für die gesamte Anbauperiode mit einem photoakustischen Infrarot-Multigasmonitor und einer damit verbundenen Haube bodenbürtige Gasemissionen gemessen. Die errechneten Nettobilanzen zeigten Überschüsse von N und P, welche von Defiziten für K begleitet waren. Die Kohlenstoff Nettobilanzen waren während des Untersuchungszeitraums negativ oder nicht konsistent. Die Ergebnisse zeigen, dass unter extremen klimatischen Bedingungen bewässerter sandiger Böden organische Kultivierung zuerst durch den Kohlenstoffgehalt von Dung und Boden und erst dann durch die applizierten Mengen an N, P und K limitiert wird. Es konnte festgestellt werden, dass Gasemissionen den größten Teil der N und C Verluste von bewässerten sandigen Böden im Norden Omans darstellen. Die Reduzierung von Treibhausgasen und Sickerverlusten sollte weiterhin im Fokus zukünftiger Untersuchungen stehen, um zur Entwicklung von nachhaltigen organischen Anbausystemen im Oman und anderen ariden tropischen Ländern beizutragen.

Fütterungsbedingte mikrobielle Zusammensetzung von Rinderkot und deren Einfluss auf Gasemissionen und N-Mineralisierung im Boden

Um die Nährstoffeffizienz im Boden zu erhöhen und klimarelevante Gasemissionen zu minimieren, sind quantitative Informationen zu den C- und N-Fraktionen im Kot sowie deren Mineralisierungspotential nötig. Da über die Hälfte des fäkalen N mikrobiell gebunden ist, sind Methoden zur Bestimmung der mikrobiellen Kotqualität hilfreich. Ziele der ersten Publikation waren die Anwendung der CFE-Methode zur Bestimmung der mikrobiellen Biomasse in Rinderkot, Ergosterolbestimmung als Marker für die pilzliche Biomasse und Aminozuckernachweis zur Analyse der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur (pilzliches Glucosamin und bakterielle Muramin-säure). Mit Hilfe der CFE-Methode sollten lebende Mikroorganismen im Kot, inklusive Bakterien, Pilze und Archaeen, erfasst werden. Verschiedene Extraktionsmittel wurden für diese Methode getestet, um stabile Extrakte und reproduzierbare mikrobielle Biomasse-C- und -N-Gehalte zu erhalten. Der Einsatz von 0.05 M CuSO4 als Extraktionsmittel löste vorherige Probleme mit der Extraktion CHCl3-labiler N-Komponenten und sorgte für stabile Kotextrakte. Die Methoden wurden in einem Kotinkubationsexperiment bei 25 °C verglichen. Mikrobielle Parameter zeigten dynamische Charakteristika und mögliche Verschiebungen innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft. Im Kot von Färsen betrug das mittlere C/N-Verhältnis 5,6 und der mittlere Cmik/Corg-Quotient 2,2%, das Verhältnis von Ergosterol zum mikrobiellen Biomasse-C war 1,1‰. Ergosterol und Aminozuckeranalyse ergaben einen signifikanten Pilzanteil von über 40% des mikrobiellen Gesamt-C. Für die Analyse mikrobieller Parameter in Rinderkot erwiesen sich alle getesteten Methoden als geeignet. Diese wurden für die folgenden Fütterungsversuche weiter unabhängig voneinander angewendet und verglichen. Die zweite Publikation verglich eine N-defizitäre (ND) und eine ausgeglichene N-Bilanz (NB) bei der Fütterung von Milchkühen unter Berücksichtigung der Kot-inhaltsstoffe, der mikrobiellen Parameter und der Verdaulichkeit. Unterschiede zwischen Individuen und Probennahmetagen wurden ebenfalls miteinbezogen. Mittlerer mikrobieller Biomasse-C- und -N-Gehalt war 37 bzw. 4,9 mg g-1 TM. Der Pilzanteil lag diesmal bei 25% des mikrobiellen Gesamt-C. Die Fütterung zeigte signifikante Effekte auf die Kotzusammensetzung. Das fäkale C/N-Verhältnis der NB-Fütterung war signifikant niedriger als bei ND. Gleiches gilt für das C/N-Verhältnis der mikrobiellen Biomasse mit jeweils 9.1 und 7.0 für ND und NB. Auch die Verdaulichkeit wurde durch die Fütterung beeinflusst. Unverdauter Futterstickstoff, Faserstoffe (NDF) und Hemi-cellulose waren in der ND-Behandlung signifikant erhöht. Einige Parameter zeigten nur einen Einfluss der Probennahmetage, mit den angewendeten Methoden gelang jedoch der eindeutige Nachweis der Fütterungseffekte auf mikrobielle Parameter im Rinderkot, wobei sich die Fütterung in nur einer Variable unterschied. Weitere Fütterungseinflüsse auf die Kotqualität wurden schließlich auch für Rinder unterschiedlicher Leistungsstufen erforscht. Hier waren die Unterschiede in der Fütterung wesentlich größer als in den vorhergehenden Experimenten. Der Kot von Färsen, Niederleistungs- und Hochleistungskühen sowie dessen Einfluss auf N2O-Emissionen, N-Mineralisierung und pflanzliche N-Aufnahme wurden untersucht. Die Färsenfütterung mit geringem N- und hohem ADF-Anteil führte zu pilzdominiertem Kot. Besonders im Vergleich zum Kot der Hochleistungskühe war der Gehalt an mikrobiellem Biomasse-C niedrig, in Verbindung mit einem breiten mikrobiellen C/N-Verhältnis und hohem Ergosterolgehalt. Eingemischt in Boden zeigte Färsenkot die niedrigste CO2-Produktion und höchste N-Immobilisierung sowie niedrigste N2O-Emissionen während einer 14-tägigen Inkubation bei 22 °C. In einem 62-Tage-Gefäßversuch mit Welschem Weidelgras waren der Trocken-masseertrag und die pflanzliche Stickstoffaufnahme in den Färsenbehandlungen am niedrigsten. Die Stickstoffaufnahme durch die Pflanzen korrelierte positiv mit der Stickstoffkonzentration im Kot und negativ mit dem Rohfasergehalt, aber auch negativ mit dem C/N-Verhältnis der mikrobiellen Biomasse und dem Verhältnis von pilzlichem zu bakteriellem C. Mikrobielle Parameter im Kot zeigten einen größeren Zusammen-hang mit der pflanzlichen Stickstoffaufnahme als die mikrobiellen Bodenparameter.

Matter fluxes in mountain oases of Al Jabal Al Akhdar, Oman

Since 1970 when Sultan Qaboos bin Said Al Said took over power from this father, agriculture in Oman has undergone major transformations as a consequence of rapid population and economic growth. In this process groundwater extraction has dramatically increased to meet domestic and agricultural needs. Recently, the agro-ecosystem of ancient mountain oases of Oman have received greater attention as interest has grown to understand the causes of their often millennia old sustainable productivity. Particularly little is known about the carbon (C) and nutrient turnover in these intensive landuse systems. This is partly due to the difficulties to measure such processes in the often remote fields. To fill the existing gap of knowledge, field studies were conducted in five oases at different altitudes of Al Jabal Al Akhdar, the highest agricultural area in Oman, to determine C and nutrient fluxes as well as nutrient use efficiencies for two different cropping systems as affected by temperature, irrigation, and manure quality. The results of this study indicated that water scarcity as a result of low precipitation and an increase in urban water consumption is a major threat to the sustainability of agriculture in these oases. Optimizing the use of irrigation water is a major challenge for agriculture in these oases, particularly given ever increasing competition for this most limiting resource. Traditionally, farmers of these oases adapt to variation of irrigation water supply by minimizing the growing area of annual crops, leaving these areas uncultivated through drought seasons (Luedeling and Buerkert 2008). In this study, a remarkable reduction in annual crop area was observed in 2009 for all oases. Our results suggested that water scarcity as a result of low precipitation and the increase in urban water consumption cause such changes in land use. The data also underline the intensive C and nutrient turnover in the man-made irrigated agroecosystems and confirmed the importance of the large manure quantities applied continuously to the terraces as a key factor responsible for sustainable soil productivity. To trace the fate of C and plant nutrients that are released from the large amount of manure applied by oasis farmers, more detailed studies under controlled conditions, using isotope signatures, would be needed.

Application of biogas slurries from energy crops to arable soils and their impact on carbon and nitrogen dynamics

The use of renewable primary products as co-substrate or single substrate for biogas production has increased consistently over the last few years. Maize silage is the preferential energy crop used for fermentation due to its high methane (CH4) yield per hectare. Equally, the by-product, namely biogas slurry (BS), is used with increasing frequency as organic fertilizer to return nutrients to the soil and to maintain or increase the organic matter stocks and soil fertility. Studies concerning the application of energy crop-derived BS on the carbon (C) and nitrogen (N) mineralization dynamics are scarce. Thus, this thesis focused on the following objectives: I) The determination of the effects caused by rainfall patterns on the C and N dynamics from two contrasting organic fertilizers, namely BS from maize silage and composted cattle manure (CM), by monitoring emissions of nitrous oxide (N2O), carbon dioxide (CO2) and CH4 as well as leaching losses of C and N. II) The investigation of the impact of differences in soil moisture content after the application of BS and temperature on gaseous emissions (CO2, N2O and CH4) and leaching of C and N compounds. III) A comparison of BS properties obtained from biogas plants with different substrate inputs and operating parameters and their effect on C and N dynamics after application to differently textured soils with varying application rates and water contents. For the objectives I) and II) two experiments (experiment I and II) using undisturbed soil cores of a Haplic Luvisol were carried out. Objective III) was studied on a third experiment (experiment III) with disturbed soil samples. During experiment I three rainfall patterns were implemented including constant irrigation, continuous irrigation with periodic heavy rainfall events, and partial drying with rewetting periods. Biogas slurry and CM were applied at a rate of 100 kg N ha-1. During experiment II constant irrigation and an irrigation pattern with partial drying with rewetting periods were carried out at 13.5°C and 23.5°C. The application of BS took place either directly before a rewetting period or one week after the rewetting period stopped. Experiment III included two soils of different texture which were mixed with ten BS’s originating from ten different biogas plants. Treatments included low, medium and high BS-N application rates and water contents ranging from 50% to 100% of water holding capacity (WHC). Experiment I and II showed that after the application of BS cumulative N2O emissions were 4 times (162 mg N2O-N m-2) higher compared to the application of CM caused by a higher content of mineral N (Nmin) in the form of ammonium (NH4+) in the BS. The cumulative emissions of CO2, however, were on the same level for both fertilizers indicating similar amounts of readily available C after composting and fermentation of organic material. Leaching losses occurred predominantly in the mineral form of nitrate (NO3-) and were higher in BS amended soils (9 mg NO3--N m-2) compared to CM amended soils (5 mg NO3--N m-2). The rainfall pattern in experiment I and II merely affected the temporal production of C and N emissions resulting in reduced CO2 and enhanced N2O emissions during stronger irrigation events, but showed no effect on the cumulative emissions. Overall, a significant increase of CH4 consumption under inconstant irrigation was found. The time of fertilization had no effect on the overall C and N dynamics. Increasing temperature from 13.5°C to 23.5°C enhanced the CO2 and N2O emissions by a factor of 1.7 and 3.7, respectively. Due to the increased microbial activity with increasing temperature soil respiration was enhanced. This led to decreasing oxygen (O2) contents which in turn promoted denitrification in soil due to the extension of anaerobic microsites. Leaching losses of NO3- were also significantly affected by increasing temperature whereas the consumption of CH4 was not affected. The third experiment showed that the input materials of biogas plants affected the properties of the resulting BS. In particular the contents of DM and NH4+ were determined by the amount of added plant biomass and excrement-based biomass, respectively. Correlations between BS properties and CO2 or N2O emissions were not detected. Solely the ammonia (NH3) emissions showed a positive correlation with NH4+ content in BS as well as a negative correlation with the total C (Ct) content. The BS-N application rates affected the relative CO2 emissions (% of C supplied with BS) when applied to silty soil as well as the relative N2O emissions (% of N supplied with BS) when applied to sandy soil. The impacts on the C and N dynamics induced by BS application were exceeded by the differences induced by soil texture. Presumably, due to the higher clay content in silty soils, organic matter was stabilized by organo-mineral interactions and NH4+ was adsorbed at the cation exchange sites. Different water contents induced highest CO2 emissions and therefore optimal conditions for microbial activity at 75% of WHC in both soils. Cumulative nitrification was also highest at 75% and 50% of WHC whereas the relative N2O emissions increased with water content and showed higher N2O losses in sandy soils. In summary it can be stated that the findings of the present thesis confirmed the high fertilizer value of BS’s, caused by high concentrations of NH4+ and labile organic compounds such as readily available carbon. These attributes of BS’s are to a great extent independent of the input materials of biogas plants. However, considerably gaseous and leaching losses of N may occur especially at high moisture contents. The emissions of N2O after field application corresponded with those of animal slurries.

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.

Effects of grassland conversion and tillage intensities on soil microbial biomass, residues and community structure

Agricultural intensification has a strong impact on level of soil organic matter (SOM), microbial biomass stocks and microbial community structure in agro-ecosystems. The size of the microbial necromass C pool could be about 40 times that of the living microbial biomass C pool in soils. Due to the specificity, amino sugar analysis gives more important information on the relative contribution of fungal and bacterial residues to C sequestration potential of soils. Meanwhile, the relationship between microbial biomass and microbial necromass in soil and its ecological significance on SOM are not fully understood and likely to be very complex in grassland soils. This thesis focuses on the effects of tillage, grassland conversion intensities and fertilisation on microbial biomass, residues and community structure. The combined analyses of microbial biomass and residue formation of both fungi and bacteria provided a unique opportunity to study the effect of tillage, grassland conversion and fertilisation on soil microbial dynamics. In top soil at 0-30 cm layer, a reduction in tillage intensity by the GRT and NT treatments increased the accumulation of saprotrophic fungi in comparison with the MBT treatment. In contrast, the GRT and NT treatments promoted AMF at the expense of saprotrophic fungi in the bottom soil layer at 30-40 cm depth. The negative relationship between the ergosterol to microbial biomass C ratio and the fungal C to bacterial C ratio points to the importance of the relationship between saprotrophic fungi and biotrophic AMF for tillage-induced changes in microbial turnover of SOC. One-season cultivation of winter wheat with two tillage events led to a significant loss in SOC and microbial biomass C stocks at 0-40 cm depth in comparison with the permanent grassland, even 5 years after the tillage event. However, the tillage induced loss in microbial biomass C was roughly 40% less in the long-term than in the short-term of the current experiment, indicating a recovery process during grassland restoration. In general, mould board tillage and grassland conversion to maize monoculture promoted saprotrophic fungi at the expense of biotrophic AMF and bacteria compared to undisturbed grassland soils. Slurry application promoted bacterial residues as indicated by the decreases in both, the ergosterol to microbial biomass C ratio and the fungal C to bacterial C ratio. In addition, the lost microbial functional diversity due to tillage and maize monoculture was restored by slurry application both in arable and grassland soils. I conclude that the microbial biomass C/S ratio can be used as an additional indicator for a shift in microbial community. The strong relationships between microbial biomass and necromass indices points to the importance of saprotrophic fungi and biotrophic AMF for agricultural management induced effects on microbial turnover and ecosystem C storage. Quantitative information on exact biomass estimates of these two important fungal groups in soil is inevitably necessary to understand their different roles in SOM dynamics.

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.

Der Einfluss veränderter Wintertemperaturverläufe auf die mikrobielle C und N Nutzung aus Ernterückständen und die Überlebensrate pilzlicher Phytopathogene

Die vorliegende Dissertation wurde im Rahmen des vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur geförderten Forschungsverbundes „KLIFF – Klimafolgenforschung in Niedersachsen“ an der Universität Kassel im Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften im Fachgebiet Bodenbiologie und Pflanzenernährung angefertigt. Die Arbeit wurde von der Universität Kassel gefördert und ist mit dem DFG-Graduiertenkolleg 1397 assoziiert.