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Online in situ Messungen der CO2-Konzentration in Böden in Abhängigkeit von Eschenwurzeln (Fraxinus excelsior L.)
Ann-Catrin Fender, Christoph Flucke, Dirk Gansert
Abteilung Pflanzenökologie und Ökosystemforschung, Universität Göttingen, Deutschland
Wurzelinduzierte zeitliche und räumliche Veränderungen der CO2-Konzentration sind von großer Bedeutung für die Biogeochemie von Böden und damit für ihr Potenzial zur Langzeitspeicherung von Kohlenstoff. Wir untersuchten die Auswirkungen von Eschenwurzeln (Fraxinus excelsior L.) auf die CO2- und O2-Konzentrationen im Waldboden unter konstanten Feuchte - und Temperaturbedingungen im Labor. Mit chemisch-optischen Sensoren und Überwachungssystemen von PreSens haben wir CO2- und O2-Konzentrationen in der Rhizosphäre und in 25 mm Abstand von den Wurzeln im Boden gemessen. Weiterhin wurde die Feinwurzelatmung durch simultane Messungen des O2-Verbrauchs und der CO2-Produktion, die im Mittel bei 20 °C Bodentemperatur 19 μmol CO2 g-1 dw s-1 erreichte, abgeschätzt. Überraschenderweise zeigten unsere Ergebnisse eine höhere CO2-Konzentration im Boden als in der Rhizosphäre.
Die Wurzelatmung von Pflanzen spielt eine wichtige Rolle bei der biotischen CO2-Produktion von bis zu 71 % des CO2-Austrittes aus Böden (Lee et al., 2003). Der Anteil der Pflanzenwurzeln am gesamten CO2-Austritt aus Böden zeigt je nach Pflanzenart und Phänologie eine breite Spanne; CO2 hat einen breiten Reaktionsbereich je nach Umweltfaktoren. Änderungen der CO2-Konzentration finden in einem kleinen räumlichen Maßstab statt, können jedoch weitreichende Folgen haben. Daher ist die Untersuchung der räumlichen und zeitlichen Dynamik von CO2 in der Rhizosphäre, einem biotischen und metabolischen Hotspot in Wurzelböden, von großer Bedeutung. In einer Laborstudie untersuchten wir die Auswirkungen von Eschenfeinwurzeln auf die CO2-Konzentration im Boden mit Eschenbäumchen und natürlichen Böden aus dem Hainich-Nationalpark. Die Auswirkungen unterschiedlicher Wurzelabschnitte (Wurzelspitzen gegenüber differenzierte Teile) auf die CO2-Konzentration im Boden wurden mit chemisch-optischen CO2-Sensoren und dem pCO2 mini von PreSens untersucht, was eine Online-Überwachung ermöglichte. Tagesverlaufsmuster von CO2-Freisetzung und CO2-Gradienten entlang der Wurzeln und in den Boden hinein konnten nachgewiesen werden. Weiterhin ermittelten wir die Respirationsraten mit Hilfe von Mikrozentrifugenröhrchen, die um intakte wachsende Wurzeln herum angebracht wurden.
Nicht-Invasive Messung von CO2- und O2-Konzentrationen in Böden
Wir pflanzten Eschenjungbäumchen (Fraxinus excelsior L.) in 8 Split-Root Rhizotrons (jeweils 2 Pflanzen pro Rhizotron), die mit homogenisiertem, schluffigem Oberbodenmaterial (jeweils 16 dm3 Bodenvolumen) gefüllt waren. Vor Beginn der Versuche, bildeten sich die Wurzeln in den Rhizotrons bei konstanter Bodentemperatur (20 °C) und konstanten Feuchtigkeitsbedingungen (20 % gravimetrischer Wassergehalt) für ein Jahr lang aus. Die Bodentemperatur wurde nahe an den Stellen der Gaskonzentrationsmessungen durch NTC-Thermistoren (Epcos, Deutschland) gemessen und in Intervallen von 15 Minuten protokolliert (CR1000-Datenlogger kombiniert mit zwei AM416-Relais-Multiplexern, Campbell Scientific Inc., USA). Die CO2- und O2-Konzentrationen wurde mit chemisch-optischen CO2- und O2-Sensoren (PreSens GmbH, Deutschland) gemessen. Wir klebten die CO2-sensitive Sensorfolie mit Siliconkautschuk (A07 Elastosil RTV 1, Wacker Silicones, Deutschland) auf eine optische Polymerfaser von 2 mm Durchmesser. Die Kalibrierung der CO2-Sensoren wurde in einer wassergesättigten Gasphase bei 20 °C durchgeführt, indem 12 Kalibrierungspunkte von 0 bis 1.000.000 ppm CO2 eingestellt wurden. Ein Infrarot-CO2-Gasanalysator (Li 820-CO 2 -Analysator, Li-Cor Inc., USA) wurde verwendet, um die ermittelten CO2-Konzentrationen zu referenzieren. CO2- und O2-Konzentrationen wurden gleichzeitig an den Wurzelspitzen und entlang vollständig differenzierter Wurzelsegmente (18,5 bis 50,5 cm hinter der Wurzelspitze) gemessen. Messungen der Gaskonzentrationen begannen sechs Stunden nach der Installation der Sensoren (Äquilibrierungszeit) und wurden für mindestens 24 Stunden in Intervallen von 5 Minuten durchgeführt. Die Atmungsrate der Wurzeln wurde durch Messung der CO2- und O2-Konzentrationsänderungen von fünf eingeschlossenen Feinwurzelsegmenten (1,5 ml Mikrozentrifugenröhrchen) über drei Stunden ermittelt.
Veränderung des CO2- und O2-Gehalts durch Wurzeln
Bei ausdifferenzierten Wurzeln (19 cm hinter der Wurzelspitze, Abb. 1 und 2) konnte über den Tagesverlauf keine Veränderung der Gaskonzentrationen nachgewiesen werden, während CO2-Konzentrationen an den Wurzelspitzen starke Schwankungen, mit höheren Konzentrationen während der Nacht, zeigten (max. [CO2] nachts: 875 μmol l-1 im Vergleich zu Minimum [CO2] am Tag: 321 μmol l-1). Die CO2-Konzentrationen in der Nähe der Wurzelspitzen (320 - 436 μmol CO2 l-1) waren häufig höher als entlang der anatomisch ausdifferenzierten Feinwurzeln (111 - 130 μmol CO2 l-1; Abb. 1 und 2). Außerdem zeigten unsere Messungen niedrigere CO2- und O2-Konzentrationen in der Nähe der Wurzeloberfläche, an der Wurzelspitze und an älteren Teilen der Wurzel. Die Auswirkungen der Bodentemperatur spiegelten sich in der Variation der O2-Konzentration wider, während die CO2-Konzentration nahezu unbeeinflusst blieb. Aufgrund der experimentellen Bedingungen variierte die Bodentemperatur in den Rhizotrons bei Messungen an den Wurzelspitzen nur geringfügig von 19,1 bis 19,7 °C und bei Messungen an differenzierten Wurzeln von 19,2 bis 20,3 °C, was auf eine Gesamtvariation von lediglich 1,2 °C hinweist. Daher schienen die O2-Sensoren gegenüber thermischen Veränderungen noch empfindlicher zu sein als die CO2-Sensoren. Bei der Bestimmung der Wurzelatmungsrate konnten wir gleichzeitig eine O2-Abnahme und einen CO2-Anstieg in Wurzelsegmenten messen, die von Mikrozentrifugenröhrchen umschlossen waren (Abb. 3). Wir ermittelten einen Anstieg des [CO2] von 79 auf 2.806 μmol l-1, während [O2] von 11.01 auf 10.19 mmol l-1 sank. Die mittlere berechnete CO2-Produktion von fünf Wurzelsegmenten betrug 19,14 ± 8,33 nmol g-1 dw s-1. Der mittlere O2-Verbrauch betrug 37,07 ± 8,40 nmol g-1 dw s-1.
Zusammenfassung
In dieser Studie wurden überraschenderweise niedrigere CO2-Konzentrationen in der Nähe der Wurzeloberfläche gemessen, als im Boden in 25 mm Abstand von der Wurzel. Dies deutet auf eine ausgeprägte räumliche Heterogenität von CO2 in bewurzelten Böden hin, die mit chemisch-optischen CO2-Sensoren quantitativ untersucht werden kann. Ein wesentlicher methodischer Vorteil besteht darin, dass diese CO2-Sensoren das Gasgleichgewicht und die Gasbilanz eines bestimmten Systems während der Untersuchung nicht beeinträchtigen. Daher können wir bestätigen, dass störungsfreie Messungen von CO2- und O2-Konzentrationen in der Gasphase von feuchten Bodenkompartimenten mittels chemisch optischer CO2- und O2-Sensoren von PreSens eine gute Methode zur Online-Überwachung von Kohlenstoff- und Sauerstoffflüssen in Wurzelböden sind.
Referenzen
[1] Lee M, Nakane K, Nakatsubo T, Koizumi H, 2003, Seasonal changes in the contribution of root respiration to total soil respiration in a cool-temperate deciduous forest, Plant and Soil 255, p. 311 - 318