Biological and Biochemical Transformation of Nutrients in Agricultural Soils of Yucatan, Mexico
Biologische und Biochemische Transformation der Nährstoffe in landwirtschaftlich genutzten Böden in Yukatan, Mexiko
von Adriana José Campos González
Datum der mündl. Prüfung:2008-01-31
Erschienen:2008-03-26
Betreuer:Prof. Dr. Holm Tiessen
Gutachter:Prof. Dr. Juan Jimenez Osornio
Gutachter:PD Dr. Martin Worbes
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Name:campos_gonzalez.pdf
Size:737.Kb
Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
The soils of the Yucatan Peninsula in Mexico, which are subject to diverse kinds of agricultural practices, have shown over time a decline in their fertility. The climate of the region (semi-arid) with scarce rainfall, rain in a concentrated short period, and a high mean temperature, play an important role in the soil processes and nutrient cycling. In addition, the high heterogeneity of the soils, where some of them present high organic matter content, does not allow a good diffusion of nutrients and limits their availability to the plants. Generally, in semi-arid ecosystems some nutrients are limiting and available to plant in short pulses following precipitation. Studies have shown that water input stimulates nutrient mineralization from accumulated organic mater. However, in a study carried out by Shang and Tiessen (2003) in Yucatan the hydrophobicity of some soil types with high organic matter content was observed, which affects water retention and consequently limits nutrient release. This thesis was focussed on the evaluation of the soil's biological and biochemical characteristics involved in the nutrients transformation processes in the Yucatan Peninsula, which could contribute to understand the ecosystem functioning and to improve their management. Therefore, soil biological and biochemical indicators under different land uses systems and soil types were determined. Decomposition process, soil fauna (abundance and diversity), soil respiration, contribution of bacteria and fungi to the soil respiration, microbial biomass and enzyme activities were measured in order to evaluate the biological processes associated to the C-cycle. The study was carried under field conditions and artificial wetting in laboratory to asses the seasonal effect and the influence of soil moisture, respectively. Additionally, it was performed an incubation experiment upon artificial wetting to evaluate the potential source of the nutrients (N, P) through measures of enzyme activities. The main results of this research show that in general the rain and the moisture had a positive effect on the biological, microbiological and biochemical characteristics of soils. Decomposition process showed an increase and kept high rates during the rainy season, confirming that the rainfall has a strong effect. However, the soil fauna was another factor that determined the process, where termites and ants have high influence on it. Regarding biochemical characteristics, alkaline phosphatase and β glucosidase were found as potential indicators of activity due to under optimal moisture levels these enzymes showed the highest capacity of source of nutrient in the soil. The effect of the land uses was also detected on the microbiological and biochemical characteristics. It is important to highlight that both, field- and artificial wetting- conditions, the forest soils showed always the highest values compared to homegardens and milpa. Fungi play a greater role in the soil respiration, indicating that they could have a high influence on the decomposition processes in the different land uses but principally in the forests, where the litter input enriched the soil, and allow possibly an high immobilization of nutrients in their biomass. In general, milpa and homegardens showed similar characteristics and lower soil microbial biomass and activities in these systems were reported. The decrease in the microbial and biochemical parameters was attributed to the continuous remove of organic material in the soils. Thus, it is reflected in a negative effect on soil biological and biochemical processes that could be reflected in the productivity of these systems. Similarly, the black soils had higher values due to their high organic C content, which correlated with microbial and biochemical characteristics. Therefore, it stated the importance of the organic matter as soil chemical property and their effect and relationship with the biological and biochemical characteristics. Finally, the results of the incubation experiment help to understand the soil biological processes considering the influence of the moisture and the impact of the different land uses in the peninsula, which show a potential of nutrient that might be liberated only when the moisture conditions are optimal. This could contribute to understanding the functioning of the systems and maybe to develop a better management based on the water control.
Keywords: Biological and Biochemical Transformation; Land Uses; Karstic Soils; Yucatan
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Die Böden der Yukatan-Halbinsel in Mexiko
haben im Laufe der Zeit einen Rückgang der Fruchtbarkeit. Grund
hierfür sind die landwirtschaftlichen Praktiken. Das Klima der
Region (semi-ariden) mit einem konzentriert kurzen Regenzeitraum
und eine hohe mittlere Temperatur spielen eine wichtige Rolle in
den Bodenprozessen und dem Nährstoffkreislauf. Darüber hinaus gibt
es Böden mit hoher Heterogenität, wovon einige von ihnen einen
hohen Anteil an organischem Material besitzen. Diesen Böden ist es
nicht möglich eine gute Diffusion von Nährstoffen den Pflanzen zur
Verfügung zu stellen. Generell sind einige Nährstoffe durch die
Verfügbarkeit und durch kurze Niederschlagsintervalle in
semi-ariden Ökosystemen begrenzt. Studien haben gezeigt, dass die
Wasserzugabe die Nährstoff-Mineralisierung von organischem
kumuliertem Material stimuliert. Doch in einer Studie, die von
Shang und Tiessen (2003) in Yukatan, wurde die Hydrophobie von
Bodenarten mit hohen organischen Stoffen, die Wasserretention und
die Grenzen der Nährstoff-Freisetzung beobachtet. Diese Arbeit
konzentriert sich auf die Bewertung der Boden-biologischen und
biochemischen Eigenschaften sowie
Nährstoff-Transformationsprozesse. Sie sollen einen Beitrag zum
Verständnis der Funktionsweise des Ökosystems der Yukatan-Halbinsel
und zur Verbesserung deren Verwaltung dienen. Aus diesem Grund
wurden im Boden biologische und biochemische Indikatoren unter
Berücksichtigung verschiedenartiger Bodennutzungen und Bodentypen
bestimmt. Zersetzung, Bodenfauna, Bodenatmung, Beitrag der
Bakterien und Pilze im Bereich der Bodenatmung, mikrobielle
Biomasse und Enzym-Aktivitäten wurden im Hinblick auf die Bewertung
der biologischen Prozesse im Zusammenhang mit dem C-Kreislauf
ebenso bestimmt. Die Studie wurde nacheinander unter
Feldbedingungen und Befeuchtung im Labor durchgeführt, die die
saisonalen Effekte und den Einfluss der Bodenfeuchte, darstellen.
Darüber hinaus wurde durch ein Experiment die Inkubation der
Befeuchtung, die potenzielle Quelle von Nährstoffen (N, P), durch
Messung der Enzym-Aktivitäten bewertet. Die wichtigsten Ergebnisse
dieser Forschung zeigen, dass im Allgemeinen der Regen und die
Feuchtigkeit einen positiven Effekt auf die biologischen,
mikrobiologische und biochemischen Eigenschaften der Böden hatten.
Zersetzungsprozesse während der Regenzeit zeigten einen höheren
Anstieg und, bestätigten, dass die Niederschläge eine starke
Wirkung haben. Ein weiterer Faktor sind Termiten und Ameisen, die
einen hohen Einfluss auf den Zersetzungsprozess haben. Im Rahmen
der biochemischen Eigenschaften, der alkalischen Phosphatase und
β-Glucosidase wurden diese als potenzielle Indikatoren ermittelt.
Dabei wurde die höchste Kapazität der Quelle der Nährstoffgehalt im
Boden durch Aktivität aufgrund von Feuchtigkeit unter optimalen
Niveau dieser Enzyme aufgezeigt. Der Effekt der Bodennutzung wurde
auch bei den mikrobiologischen und biochemischen Eigenschaften
festgestellt. Es ist wichtig zu betonen, dass die Waldböden bei
Feld- sowie Befeuchtungsbedingungen die höchsten Werte im Vergleich
zu homegardens und milpa zeigten. In den Wäldern spielen Pilze
hauptsächlich eine größere Rolle in den Bodenatmung, was darauf
hinweist, dass sie über einen hohen Einfluss auf den
Zersetzungsprozess bei verschiedener Bodennutzung haben. Dabei
dient der Streu-Input auf dem Boden als Nährstoff (Immobilisierung)
für die Pilzbiomasse. Der Rückgang der mikrobiellen und
biochemischen Parameter in milpa und homegardens war zurückzuführen
auf das kontinuierliche Entfernen von organischem Material aus den
Böden. Dies spiegelt sich in einem negativen Effekt in der
Produktivität dieses Ökosystems wieder. Auch die schwarzen Böden
hatten aufgrund ihrer hohen organischen C-Gehalte höhere Werte, die
mit den mikrobiellen und biochemischen Eigenschaften korrelierte.
Somit bestätigt sich die Wichtigkeit des organischen Materials
bezüglich der chemischen Eigenschaften des Bodens und ihre
Auswirkungen sowie die Beziehung zu den biologischen und
biochemischen Eigenschaften. Abschließend werden die Ergebnisse des
Inkubations-Experiments zu verstehen helfen, dass durch die
Optimierung der Bodenfeuchtigkeit ein Potenzial von Nährstoffen zur
Bodennutzung in Yukatan zur Verfügung gestellt werden kann. Diese
Wasserzugabe könnte dazu beitragen, ein Verständnis zur
Funktionsweise des Ökosystems zu entwickeln, bei besserer
Verwaltung der Wasserressourcen.
Schlagwörter: Boden-biologischen und biochemischen Eigenschaften; Nährstoff-Transformations; Bodennutzung; Karstiksboden; Yukatan