Biomassebildung und Nährstoffaneignungsvermögen der Wurzeln in experimentellen Grünlandbeständen mit unterschiedlicher Pflanzenartenzusammensetzung

Titelangaben

Reuter, Andreas:
Biomassebildung und Nährstoffaneignungsvermögen der Wurzeln in experimentellen Grünlandbeständen mit unterschiedlicher Pflanzenartenzusammensetzung.
Bayreuth , 2005 . - (BayCEER-online ; 2 )
( Dissertation, 2005 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

Volltext

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Abstract

In der Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen der Pflanzenartenzusammensetzung experimenteller Grünlandbestände und für das Nährstoffaneignungsvermögen relevanten morphologischen Wurzeleigenschaften untersucht. Des Weiteren wurde der Einfluss der Pflanzenartenzusammensetzung auf die Biomassebildung und den Nährstoffgehalt der Wurzeln analysiert, um den Eintrag von Kohlenstoff in den Boden und die Zirkulation mineralischer Nährelemente im Boden abzuschätzen. Die Untersuchungen fanden an Grünlandbeständen unterschiedlicher Zusammensetzung von Pflanzenarten (2 bis 8 Arten) und funktionellen Typen von Pflanzen (niedrigwüchsige Gräser, hochwüchsige Gräser, Rosettenpflanzen, hohe stängelbeblätterte Krautige) statt. Des Weiteren wurden auch die Mykorrhizierung und das Stickstoffaufnahmevermögen der Wurzeln untersucht. Die morphologischen Wurzeleigenschaften unterschieden sich deutlich je nach Bestandeszusammensetzung, Untersuchungsjahr, Jahreszeit und Bodentiefe. Wurzellängendichte, durchschnittlicher Wurzeldurchmesser und spezifische Wurzellänge wurden in erster Linie von spezifischen Effekten dominanter Arten bestimmt. Ein Einfluss der Pflanzenartenvielfalt und der funktionellen Typen von Pflanzen konnte nicht nachgewiesen werden. Auch die Mykorrhizierung der Wurzeln in Grünlandbeständen wurde in erster Linie von spezifischen Wurzeleigenschaften der bestandsbildenden Pflanzenarten beeinflusst. Interspezifische Wechselwirkungen scheinen eine untergeordnete Rolle zu spielen. Der Anteil mykorrhizierter Wurzellänge war positiv mit der Wurzellängendichte korreliert. Die Stickstoffaufnahme eines Pflanzenbestandes aus unterschiedlichen Bodentiefen wurde nicht von der Anzahl an Arten oder funktionellen Gruppen bestimmt, sondern vermutlich von den artspezifischen Leistungsfähigkeiten der Wurzeln. Die Stickstoffaufnahme einer bestimmten Art und die Konkurrenzkraft dieser Art bezüglich der Stickstoffaufnahme aus verschiedenen Bodentiefen variierten dabei je nach Wurzelkonkurrenz durch benachbarte Arten. Interspezifische Wechselwirkungen durch unterschiedliche Tiefenverteilung der Wurzeln spielten hier vermutlich eine entscheidende Rolle. Zur Beurteilung der Konkurrenzkraft scheint eine Einteilung der funktionellen Typen auf der Basis von morphologischen Wurzeleigenschaften demnach besser geeignet als die hier vorgenommene Einteilung nach morphologischen Sprosscharakteristika. Die potenzielle Stickstoffaufnahmefähigkeit der Wurzeln wurde ebenfalls in erster Linie durch die spezifischen Eigenschaften der im Bestand vorkommenden Arten beeinflusst. Schnitt der oberirdischen Biomasse und Jahreszeit hatten dagegen keinen Einfluss auf die Stickstoffaufnahmekapazität der Wurzeln. Selbst während der Vegetationspause im Winter blieb das Potenzial zur Nitrataufnahme erhalten. Untersuchungsjahr, Jahreszeit und Bestandeszusammensetzung hatten einen deutlichen Einfluss auf die Bildung pflanzlicher Biomasse. Die Bildung von Spross- und Wurzelbiomasse war im ersten Untersuchungsjahr deutlich höher als im zweiten, was auf witterungsbedingte Änderungen der Abundanz einzelner Arten zurückzuführen war. Dies deutet darauf hin, dass die Biomassebildung und somit der Ertrag von Grünlandsystemen in erster Linie von spezifischen Eigenschaften dominanter Arten bestimmt werden. Wurzelumsatz und Kohlenstoffeintrag in den Boden durch Wurzelstreu waren positiv mit dem Grasanteil in der Sprossbiomasse korreliert. Diese Beziehung fiel jedoch – den gesamten Untersuchungszeitraum betrachtet – deutlicher aus als bei ausschließlicher Betrachtung des letzten Untersuchungsjahres. Da sich die Abundanz der einzelnen Arten jedoch im Verlauf des Experiments änderte, scheinen die untersuchten Parameter in erster Linie durch artspezifische Eigenschaften beeinflusst zu werden. Die Akkumulation von Kohlenstoff im Boden war – über den gesamten Untersuchungszeitraum gerechnet – in den grasdominierten Beständen etwas niedriger als in den von dikotylen Kräutern dominierten Beständen. Eine erhöhte SOM-Zersetzungsrate aufgrund artspezifischer Einflüsse auf die Mikroflora im Boden könnte hierbei eine Rolle spielen. Die Akkumulation von Kalium, Magnesium und Phosphor in den Wurzeln war bei den in der ersten Hälfte des Experiments vom Gras Holcus lanatus dominierten Beständen geringer als in den übrigen Beständen. Die interne Zirkulation dieser Nährelemente wird offenbar von Effekten dominanter Arten bestimmt. In der vorliegenden Arbeit konnten keine konsistenten Zusammenhänge zwischen der Anzahl an Pflanzenarten oder an funktionellen Gruppen in einem Bestand und den untersuchten Parametern nachgewiesen werden. Vielmehr zeigten in erster Linie artspezifische Effekte dominanter Arten einen deutlichen Einfluss auf verschiedene Ökosystemfunktionen. Basis für künftige Untersuchungen zum Einfluss der Pflanzenartenzusammensetzung auf Ökosystemfunktionen sollte deshalb eine gezielte Definition von morphologischen und physiologischen Attributen von Pflanzenarten sein.

Abstract in weiterer Sprache

The aim of this work was to investigate the impacts of plant species composition of experimental grassland stands on root characteristics which are important for nutrient acquisition and nutrient retention in grasslands. Furthermore, the implications of stand composition on root biomass production and nutrient content of roots were investigated for assessment of carbon sequestration and circulation of mineral nutrients in the soil. The investigations were performed in experimental grassland stands differing in composition of plant species (from 2 to 8 species) and plant functional types (low grasses, high grasses, rosette herbs, and stem-leaved herbs). Further nutritional aspects were covered by investigations of arbuscular mycorrhizal fungal (AMF) infection of the roots and by determination of nitrate uptake. Morphological root properties were affected by stand composition, the year of the investigations, the season and soil depths. Root length density, mean root diameter, and specific root length were predominantly determined by specific effects of dominant plant species. No effects of plant species richness and plant functional types could be found. AMF infection of root biomass was not affected by stand composition (species richness or plant functional types). It was predominantly affected by specific root properties of dominating plant species. The percentage of root length colonised was positively correlated with root length density. The nitrogen uptake of grassland stands from different soil depths was not affected by plant species richness and plant functional types. Differences were rather due to specific nitrogen uptake efficiencies. The nitrogen uptake and the competitive ability concerning nitrogen uptake of several plant species seem to be affected by root competition. Obviously, interspecific interactions due to different rooting depths played an important role. To assess the competitive ability concerning the use of nutrient sources in the soil, a classification of plant functional types regarding morphological root properties seems to be suitable rather than the classification based on morphological shoot properties used in the present study. The potential nitrogen uptake capacity of roots (NUC; measured as 15N enrichment in roots after incubation of root-containing soil cores in a 15N containing Calcium nitrate solution) was determined at five different points of time and was affected by species-specific properties. On the contrary, NUC was not affected by season and harvest of shoot biomass. Astonishingly, even despite of frosty periods NUC maintained during winter months. There was a distinct effect of the investigation time (first or second year), the season and the stand composition on the plant biomass production. Production of shoot and root biomass was significantly higher in the first year than in the second year. This seemed to be a consequence of the change of the species’ contribution to biomass production due to climatic factors. This could be an evidence that biomass production and thus the yield of grasslands is predominantly determined by specific properties of dominant plant species (e. g. growth performance or response to climatic factors) and not by plant species richness and plant functional types. Root turnover and carbon input into the soil through root detritus were positively correlated with the grass contribution to the shoot biomass. This correlation was stronger when it was calculated for the whole investigation period of three years than only for the last year. Since the abundance of some species changed during the second year, the weaker correlation of the last year could be an evidence that root turnover and carbon input through decaying roots are predominantly influenced by specific properties of several plant species. The accumulation of carbon in the soil was – calculated for the whole period of examination – slightly lower in the grassland stands dominated by grass species than in the stands dominated by dicotyledonous herbs. This difference could be due to an increased SOM decomposition rate, caused by species specific influences on soil microflora. Grassland stands dominated by Holcus lanatus during the first half of the experiment showed a higher accumulation of potassium, magnesium, and phosphorus in roots than the other grassland stands. This result seems to be evident for effects of dominant plant species on internal circulation of mineral nutrients in the soil. In the present work, consistent interrelationships between plant species richness and plant functional types and the investigated parameters could not be demonstrated. In the first instance, species specific properties affected the investigated ecosystem functions. A more tightly focused definition of morphological and physiological attributes on concrete questions should be the basis of future investigations on the influence of stand composition on ecosystem functioning.