Ein Modell für Stickstoff- und Kohlenstoffumsätze im Boden von Agrarökosystemen unter besonderer Berücksichtigung der Variabilität der mikrobiellen Aktivität

Onigkeit, Janina

Mikroorganismen spielen eine zentrale Rolle für die Mobilisierung und Immobilisierung von Nährstoffen im Boden. Je nach Umweltbedingungen variiert die Geschwindigkeit der mikrobiellen Stoffdurchsätze in Agrarböden sowohl zeitlich als auch räumlich sehr stark. Um das gesamte Spektrum von sehr schnellen Durchsätzen bis hin zu Überdauerungsumsätzen bei ungünstigen Umweltbedingungen, wie z.B. Nährstoffmangel, abbilden zu können, wird im Modell SIMULAT-NC die mikrobielle Aktivität als eine übergeordnete Steuervariable eingeführt. Sie ist in Abhängigkeit von Witterungsbedingungen und Nährstoffverfügbarkeit formuliert und wirkt sowohl auf die Wachstums- als auch die Sterberate der heterotrophen Mikroorganismen des Bodens. Außerdem steuert sie die Mineralisierungs-/Immobilisierungsraten sowie die Denitrifikationsraten. Das heißt, es wird zwischen einer mikrobiellen Aktivität unter aeroben und unter anaeroben Bedingungen unterschieden. In SIMULAT-NC werden auch Nitrifikation und die Sorption/Desorption von Ammonium in der Bodenmatrix abgebildet. Die Simulation von Laborexperimenten zeigt, dass SIMULAT-NC in der Lage ist, sowohl einen schnellen Abbau von Substrat, als auch das mikrobielle Überdauern in Mangelsituationen abzubilden. Die Simulation eines unter Freilandbedingungen gewonnen Datensatzes mit einer Modellversion, die in das Ökosystemmodell SIMULAT integriert ist, ergibt eine sehr gute Abbildung der Nitrat- und Ammoniumkonzentrationen im Bodenprofil. Die Simulation liefert außerdem deutliche Hinweise darauf, dass im betrachteten Boden nach einer Düngung mit mineralischem Stickstoff nicht die mikrobielle Immobilisierung, sondern die Ammoniumfixierung in der Bodenmatrix für eine schnelle Immobilisierung von Stickstoff verantwortlich sein kann.

Microorganisms play a central role in mobilising and immobilising nutrients in agricultural soils. The microbial turnover rates vary strongly with time and space. In order to cover the whole spectrum of turnover rates from very fast substrate utilisation to slow maintenance turnover under unfavourable conditions such as a lack of substrate, we introduced the microbial activity as a control variable in the new model SIMULAT-NC. In this model microbial activity depends on the availability of carbon and nitrogen substrate and on weather conditions. It controls the growth rate as well as the death rate of heterotrophic soil microorganisms. Additionally, the rates of mineralization, immobilization and denitrification are affected by the activity state of soil microorganisms. SIMULAT-NC distinguishes between microbial activity under aerobic and under anaerobic soil conditions. Beside processes driven by the heterotrophic microbial population the model considers nitrification and ammonium fixation. The simulation of laboratory experiments shows that the model is able to reflect the very fast decay of organic substrates as well as microbial maintenance under conditions of substrate scarcity. The simulation of an experiment under outdoor conditions gave very good results for nitrate and ammonia concentrations in the soil profile. The simulation also provided a clear hint that ammonium fixation instead of microbial nitrogen immobilisation could be responsible for the fast immobilisation of large amounts of nitrogen after the application of mineral nitrogen fertilizer.

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Onigkeit, Janina: Ein Modell für Stickstoff- und Kohlenstoffumsätze im Boden von Agrarökosystemen unter besonderer Berücksichtigung der Variabilität der mikrobiellen Aktivität. 2005.

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