Rolle der biologischen N2-Fixierung von Baumleguminosen im östlichen Amazonasgebiet, Brasilien
Anwendung der 15N natural abundance Methode
von Antje Thielen-Klinge
Datum der mündl. Prüfung:1997-05-29
Erschienen:2002-04-05
Betreuer:Prof. Dr. Paul Vlek
Gutachter:Prof. Dr. Gerhard Wolf
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Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
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Kernfrage der Arbeit war, ob die 15N natural abundance Methode (15NNAM) für die Abschätzung der N2-Fixierungsleistung von Baumleguminosen und ihrer N-Akkumulation in jungen Sekundärvegetationen über die biologische N2-Fixierung in tropischen Brachesystemen mit Brandrodung angewendet werden kann. Dazu wurde das 15N-Vorkommen in Brachevegetationen der Bragantina-Region, östliches Amazonasgebiet, hinsichtlich der Variabilität der [Gamma]15N-Werte in Boden und Pflanze, [Gamma]15N der pflanzenverfügbaren N-Quelle und Fraktionierungsprozesse in der Pflanze untersucht. [Gamma]15N der Böden: Der Boden umfasste [Gamma]15N-Werte von +2.9 in den obersten 5cm bis zu +7.7 in 1m Bodentiefe. Von 1m bis 6m Tiefe nimmt der [Gamma]15N-Wert wieder bis auf +2.5 ab. Die [Gamma]15N-Werte korrelierten mit dem Tongehalt, der Basensättigung und den Magnesiumkonzentrationen des Bodens. Ein Hinweis auf die Entstehung negativer [Gamma]15N-Werte des mineralisierten N im Boden lieferte der mit Hilfe des [Gamma]15Nblatt von Tapirira guianensis über den [Beta]-Faktor errechnete [Gamma]15N-Werte für das pflanzenverfügbare N von durchschnittlich -2.55. Bis in 40cm Bodentiefe konnte ein Einfluss der Leguminosen auf die [Gamma]15N-Werte des Bodens festgestellt werden, der jedoch nur in 10% der Fälle signifikant war. Generell war ein Infektionspotential" von Rhizobium in den Böden der jungen Sekundärvegetation bis in tiefere Bodenschichten (3m) vorhanden. Knöllchen an Wurzeln von Baumleguminosen wurden bis in 40cm Tiefe gefunden. [Gamma]15N-Unterschiede zwischen verschiedenen Standorten der Untersuchungsregion konnten nur vereinzelt signifikant nachgewiesen werden. Im Boden eines Primärwaldes lagen die [Gamma]15N-Werte durchschnittlich 2 Einheiten höher als im Boden der Sekundärvegetation. In der organischen Auflage des Bodens der Sekundärvegetation fanden sich die gleichen Tendenzen in ausgeprägterem Maße wie im Mineralboden wieder, also negative [Gamma]15N -Werte, die unter N2-fixierenden Leguminosen ½ bis 1 Einheit niedriger waren als unter der nicht N2-fixierenden Vegetation. Die N-Gehalte der Auflage sind jedoch unter den Leguminosen höher. [Gamma]15N in der Vegetation: In der Sekundärvegetation waren in den Blättern [Gamma]15N-Werte zwischen -4 und +6 zu finden, wobei der durchschnittliche [Gamma]15N-Wert bei -0.83 lag. Neue Blätter zeigten ½ Einheit negativere [Gamma]15N-Werte als die alten Blätter. Die [Gamma]15N-Werte der alten Blätter streuten im Durchschnitt stärker als die der neuen. Die Differenz zwischen Blättern der Leguminosen und nicht N2-fixierenden Referenzpflanzen war in den neuen Blättern größer. Bei allen weiteren Fragestellungen wurden daher nur noch die neuen Blätter berücksichtigt. Die Arten Abarema jupunba, Inga heterophylla, Inga thibaudiana, Banara guianensis, Lacistema pubescens, Tapirira guianensis und Vismia guianensis wurden auf die räumliche Variabilität ihrer [Gamma]15N-Werte untersucht. Die Streuung der Blattwerte innerhalb eines Standortes war artenabhängig. Die Leguminosen zeigten grundsätzlich eine geringere Streuung als die nicht N2-fixierenden Arten. Ihre [Gamma]15N-Werte reichten von +1.10 bis -0.94. Die Nicht-Leguminosen zeigten Werte von -4 bis +3.5. Die %N- und 15N-Muster der einzelnen Arten über die verschiedenen Standorte und Jahreszeiten ermöglichte die Unterteilung der Arten in drei Gruüüen: Die Leguminosen, die eine geringe inner- und zwischenstandörtliche sowie zeitliche Streuung und hohe N-Gehalte aufwiesen; die nicht N2-fixierenden Arten wie Tapirira guianensis, Mabea angustifolia, Vismia guianensis und Myrcia sylvatica, die stärker streuten, aber doch konstant negative [Gamma]15N-Werte auf allen Standorten und den meisten probezeitpunkten zeigten; die nicht N2-fixierenden Arten, deren [Gamma]15N-Werte nahe 0 oder positiv waren und stark streuten. Der Zeitpunkt der größten Differenz und geringsten innerartlichen Streuung der [Gamma]15N-Werte zwischen nicht-fixierenden und fixierenden Arten war der Monat Oktober. Dieser Monat ist daher als Probezeitpunkt für die Anwendung der 15NNAM zu wählen. Neben Ähnlichkeiten in räumlichen und zeitlichen %N/15N-Muster der Leguminosen und Referenzpflanzen wurden Ähnlichkeiten der pflanzeninternen [Gamma]15N-Muster für die Auswahl geeigneter Referenzpflanzen herangezogen. Das [Gamma]15N-Muster beispielsweise der Nichtleguminose Tapirira guianensis entsprach im Wesentlichen dem von Abarema jupunba. Als nicht N2-fixierende Referenzpflanzen für die Berechnung der N2-Fixierungsleistung wurden daher insbesondere Tapirira guianensis, Mabea angustifolia, Vismia guianensis und eingeschränkt Myrcia sylvatica herangezogen. Sie wiesen eine durchschnittliche negative Differenz von 2 [Gamma]15N-Einheiten zu den Leguminosen, gleiche zeitliche Veränderungen der Blatt-15N-Muster, und eine gleiche Fraktionierung von 15 N innerhalb einer Pflanze (nur für Tapirira guianensis ermittelt) auf. Im Primärwald waren die durchschnittlichen [Gamma]15N-Werte bis zu 8 Einheiten höher als in der Sekundärvegetation der Bragantina-Region. Im Gegensatz zu der jungen Sekundärvegetation konnten im Primärwald keine Unterschiede zwischen Leguminosen und Referenzpflanzen gefunden werden, was auf das Fehlen der BNF der Bäume dieser Vegetation schließen lässt. Insgesamt erscheinen die [Gamma]15N-Werte in der hier untersuchten Vegetation dergestalt zu sein, dass Berechnungen der N2-Fixierungaseffektivität sinnvoll durchzuführen sind. Quantifizierung der BNF durch Baumleguminosen des östlichen Amazonasgebietes Zur Bestimmung der %Ndfa (% Nitrogen derived from atmosphere) musste der Blatt-[Gamma]15N-Wert einer Leguminose bekannt sein, die ihren gesamten Stickstoff ausschließlich aus der Luft bezogen hatten. Es wurden [Gamma]15N-Werte von +0.42 für die 10monatige, in N-freier Nährlösung angezogene A-Pflanze Abarema jupunba und +0.71 für die 12monatige Abarema cochleatum bestimmt. Für die drei untersuchten Leguminosen wurden Fixierungsraten von 15 bis 75 % bestimmt. Es zeichnete sich keine Saisonalität ab. Abarema jupunba bezog in allen Monaten mit Ausnahme des Februars (32%) zwischen 64 und 75% (durchschnittlich 65%) ihres Stickstoffs aus der Luft, Inga thibaudiana zwischen 39 und 66% (durchschnittlich 51%), Inga heterophylla zwischen 15 und 61% (durchschnittlich 40%). Bei diesen Berechnungen lag der Standardfehler immer über + 11% Ndfa, der durchschnittliche Standardfehler betrug + 22% Ndfa. Aufgrund der geringen Wertedifferenzen und der hohen Streuung der [Gamma]15N-Werte ist mit den bisher genutzten Referenzpflanzen also nur eine semi-quantitative Bestimmung der N2-Fixierungsleistung gelungen. Über den Zusammenhang zwischen der Basalfläche (cm2) als Merkmal für die Größe eines Baumes, dem Gesamt_n (ohne Wurzeln) einer Baumleguminose und ihten %Ndfa wurde die über BNF fixierte N-Menge des Baumes geschätzt. Mit Daten aus Biomasseerhebungen von Sekundärvegetationen der Bragantina-Region wurde die N-Akkumulation auf alle Baumleguminosen eines Bestandes hochgerechnet, wobei der Streufall nur sehr ungenau und die Auswaschung der Nährstoffe aus den Blättern nicht mit in die Kalkulationen einbezogen wurden. Die N-Akkumulation über BNF betrug 0.1 kg N ha-1 für eine 1jährige Sekundärvegetation, für eine 7jährige Brach wurden 24 kg N ha-1, für eine 10jährige Brache 47 kg N ha-1 errechnet.