Band 82:
Wang, Y. (2021): Phosphorous cycling in soils as affected by nutrient additions. 204 S., 15,- €
Kurzfassung Band 82
Wang, Y. (2021): Phosphorous cycling in soils as affected by nutrient additions. 204 S.
Kurzfassung
Als limitierender Nährstoff für das Pflanzenwachstum ist Phosphor (P) in Böden meist in stabilen Formen und tieferen Bodenhorizonten vorhanden. Die Zugabe von Nährstoffen kann die Aufnahme und das Recycling von P sogar aus dem Unterboden begünstigen durch die Stimulierung von Wurzel- und Enzymaktivitäten. Die Strategien der P-Aufnahme könnten allerdings von der Gesamt-P-Versorgung abhängig sein. Ich habe daher untersucht, inwieweit die Nutzung stabiler P- und Unterboden-P-Ressourcen durch Düngung landwirtschaftlicher Böden modifiziert werden kann, und diese Ergebnisse dann mit der P-Akquise nach Nährstoffzugabe in Waldböden mit hoher oder niedriger P-Versorgung verglichen. Insbesondere untersuchte ich, (i) wie sich die langfristige Zugabe von P- und Kalk und damit von Kalzium (Ca) auf die P-Dynamik in landwirtschaftlich genutzten Ober- und Unterböden, auswirkte, und verglich diese Ergebnisse mit ii) Effekten der langfristigen Zugabe von Kohlenstoff (C)- und Stickstoff (N). Zur Aufklärung der Mechanismen untersuchte ich abschließend im Labor iii) die Rolle der mikrobiellen Aktivität für die P-Mobilisierung und -Umsetzung nach C- und N-Zugaben in Acker- und Waldböden.
Ich beprobte (i) drei Langzeitdüngungsversuche (Dahlem, Dikopshof und Thyrow, >100 Jahre) mit NK- (oder keiner), NKP-, NKCa- und NKPCa-Düngung bis zu einer Tiefe von 1 m. Weiterhin sammelte ich (ii) Bodenproben bis zu einer Tiefe von 1 m aus dem Langzeitdüngungsversuch Rauischholzhausen (angelegt 1984) mit drei Behandlungen mit organischer Düngung (kein organischer Dünger, Stallmist und organisch-mineralischer Dünger), jeweils gepaart mit 0, 100 und 200 kg ha-1 year-1 mineralischer N-Düngung (N0, N100 und N200). Schließlich (iii) inkubierte ich Ober- und Unterböden von Acker- und Waldstandorten mit hohem und niedrigem P-Status für 16 Wochen, jeweils mit Zugaben von labilem C, mineralischem N oder beidem; eine Behandlung ohne Nährstoffzugaben diente als Kontrolle. Um Hotspots des P-Recyclings im Boden zu visualisieren, wurden zwei Acker- und Waldoberböden mit Zugabe von CN und 18O-markiertem Wasser nach der Inkubation mit Nanoskala-Sekundärionen-Massenspektrometrie (NanoSIMS) analysiert. Die Vorräte in den P-Fraktionen des Bodens wurden durch sequentielle Extraktion der Bodenproben bestimmt. Diese sequentiellen P-Fraktionen umfassen Anionenaustauscherharz-, NaHCO3-, NaOH-, HCl- und Residual-P-Pools, welche Informationen über die jeweilige potentielle P-Verfügbarkeit für Pflanzen aus labilen und leicht extrahierbaren Pools bis hin zu stabileren Pools liefern. Darüber hinaus analysierte ich die Sauerstoff-Isotopenzusammensetzung von mit 1M HCl-extrahierbarem Phosphat (δ18ΟP), um das langfristigen P-Recycling im Boden zu erfassen. Dies ist möglich, da intensive biologischer Aktivität, insbesondere durch das intrazelluläre Enzym Pyrophosphatase, einen Isotopenaustausch zwischen Bodenphosphat und Wasser katalysiert, welcher die δ18ΟP-Werte des Bodens in Richtung des Gleichgewichtswertes der Isotopenverteilung verschiebt. Diese Daten verglich ich nschließlich mit Messungen zur Bodenatmung und zur Aktivität der sauren Phosphatase, um den biologischen P-Umsatz im Boden zu bewerten.
Ich fand heraus, dass (i) langfristige P-Düngung die P-Vorräte im Boden in allen Fraktionen erhöhte, während Kalkung und Ca-Zugabe die NaHCO3-Pi (Pi: anorganisches P) und NaOH-Pi-Vorräte im Boden verringerten. Sowohl P- als auch Ca-Zugaben erhöhten die HCl-Pi-Vorräte im Ober- und Unterboden. Außerdem näherten sich die δ18ΟP-Werte bei Volldüngung dem erwarteten δ18ΟP-Gleichgewichtswert an, insbesondere im Unterboden. Folglich verbesserte die Düngung das biologische P-Recycling, und dies sogar im Unterboden. Die (ii) Zugabe von organischer Substanz (OM) und mineralischem N verringerte dagegen den austauschbaren und NaHCO3-extrahierbaren P-Vorrat im Oberboden, was ich auf eine N-stimulierte P-Aufnahme zurückführte. Die mineralische N-Düngung erhöhte auch den Vorrat des austauschbaren sowie NaHCO3- und NaOH-extrahierbarem P im oberen Unterboden (30-50 cm), was einen P-Eintrag durch Wurzeln und das verstärkte biologische P-Recycling in verschiedenen Bodentiefen widerspiegelt. In Folge lagen die δ18ΟP-Werte im Unterboden näher an den erwarteten Gleichgewichtswerten wenn der Boden mit mineralischem N gedüngt wurde im Vergleich zu Varianten in denen dieser mineralische N-Eintrag fehlte. Das Inkubationsexperiment bestätigte schließlich, dass (iii) sowohl C als auch N das biologische P-Recycling in Unterböden von Acker- und Waldstandorten begrenzen. Diese Schlussfolgerung wurde durch eine erhöhte Aktivität der sauren Phosphatase nach CN-Zugabe sowie durch eine 18O-Anreicherung in P-reichen Mikrohotspots im Boden untermauert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl anorganische als auch organische Düngung das biologische P-Recycling in Acker- und Waldböden beschleunigten. Erhöhtes biologisches P-Recycling fand bis in den Unterboden statt, während überschüssiger Dünger-P mit Ca ausfiel. Effizientes P-Recycling wird also durch verschiedene Elemente ko-limitiert. Für eine effiziente Verwertung der P-Ressourcen sind daher Multinährstoffzugaben neben der Erhaltung eines optimalen pH-Wertes unerlässlich, und zwar sowohl im Ober- als auch im Unterboden von Wald- und Ackerflächen.
Abstract Band 82
Wang, Y. (2021): Phosphorous cycling in soils as affected by nutrient additions. 204 S.
Abstract
As a limiting nutrient for plant growth, phosphorus (P) in soils is mostly present in stable bonding forms and deeper soil layers. Nutrient additions may favor soil P acquisition and cycling from these bonding forms and subsoil due to the stimulation of root and enzyme activities, but P acquisition strategies may vary depending on the overall P supply level. I evaluated to which extent the utilization of stable P and subsoil P resources can be modified by fertilization of agricultural soils. I then compared these findings to P acquisition following nutrient inputs to forest soils with high or low P supply. In particular I tested (i) the effect of long-term P fertilization and calcium (Ca) additions with lime on P stocks and P cycling in agricultural top- and subsoil, as well as (ii) the effect of long-term carbon (C) and nitrogen (N) additions on respective agricultural soil P dynamics. Finally, I elucidated (iii) how C and N additions modify P cycling and subsoil P availability in agricultural and forest soils.
I sampled (i) three long-term fertilization trials (Dahlem, Dikopshof and Thyrow, >100 years) with NK (or none), NKP, NKCa and NKPCa fertilization treatments to a depth of 1 m. Further, I (ii) collected soil samples to a depth of 1 m from the long-term fertilization trial Rauischholzhausen (established in 1984) with three organic matter addition treatments (no organic fertilizer, farmyard manure and organo-mineral fertilizer), each paired with 0, 100 and 200 kg ha-1 year-1 mineral N fertilization (N0, N100 and N200). Finally, I (iii) incubated agricultural and forest top- and subsoils with high and low P status for 16 weeks with single and combined additions of available C and mineral N; zero nutrient additions served as control. To visualize hotspots of soil P cycling, two agricultural and forest topsoils with CN and 18O-labelled water addition were analyzed with Nano-scale Secondary Ion Mass Spectrometry (NanoSIMS) after 16 weeks of incubation. P stocks in soil P fractions were determined by sequential extraction of resin-, NaHCO3-, NaOH-, HCl- and residual P pools, known to provide information on different potential P availability for plants. Moreover, I analyzed the oxygen isotopic composition of 1M HCl extractable phosphate (δ18ΟP). This allowed to assess long-term soil P cycling, because under intensive biological activity, especially by the intracellular enzyme pyrophosphatase, isotopic exchange between soil phosphate and water shifts soil δ18ΟP values towards an equilibrium value. Finally, I related these data to measurements of soil respiration and acid phosphatase activity.
I found that (i) long-term P fertilization increased soil P stocks in all fractions, while liming and Ca addition decreased the stocks of inorganic soil P pools (Pi) in the NaHCO3- and NaOH-fraction. The P and Ca additions increased HCl-Pi stocks in both top- and subsoil. Also, δ18ΟP values in the fully fertilized treatment approached the expected equilibrium δ18ΟP value, especially in the subsoil. Hence, fertilization enhanced biological P cycling even in the subsoil in comparison with the treatments that received only P or Ca addition or no fertilization at all. Besides, I found that (ii) organic matter (OM) addition and mineral N input decreased soil resin- and NaHCO3-P stocks in the topsoil. I attributed these findings to N-stimulated P uptake. The mineral N fertilization also increased stocks of resin-, NaHCO3-, and NaOH-extractable P in the upper subsoil (30-50 cm), reflecting the input of root-derived P followed by intense biological P cycling at different soil depths. Hence, also the subsoil δ18ΟP values were closer to expected equilibrium values in soil fertilized with mineral N than in the treatments without mineral N inputs. The soil incubation experiment finally confirmed that (iii) both C and N were limiting P cycling in agricultural and forest subsoils. This conclusion was substantiated by elevated soil acid phosphatase activity in the CN treatments, as well as by 18O enrichment in hotspots of P-rich microsites.
In summary, both inorganic and organic fertilization accelerated soil P cycling in agricultural and forest soils. Elevated biological P cycling even extended into subsoil, whereas excess fertilizer P was precipitated with Ca addition. I conclude that efficient P cycling was co-limited by different elements; hence, besides optimum pH, multi-nutrient inputs are essential for an efficient utilization of P in both top- and subsoil of forest and agricultural sites.