Microbiological indicators for quality of soils at various stages of degradation in the forest-savanna-transition zone, south-western Nigeria

Abstract

Der Begriff Bodenqualität ist zu einem zentralen Konzept erhoben worden, welches die Untersuchung und Integrierung der Wechselbeziehungen und Funktionen von biologischen und physikalischen Bodeneigenschaften im Rahmen des nachhaltigen Landbaus bzw. - managements umfaßt. Zur Umsetzung dieses Konzeptes müssen geeignete quantitative Kriterien und Methoden zur Abschätzung der Qualität eines Bodens entwickelt und eingeführt werden. Ein sogenanntes "Minimum Data Set" wurde bereits aufgestellt und grundlegende bodenchemische und physikalische Parameter aufgenommen. Jedoch sind bisher nur wenige biologische Aspekte der Bodenqualität in dieses Konzept integriert worden, so daß die Identifikation der noch unbekannten biologischen Indikatoren von größter Bedeutung ist. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mikrobiologische und biochemische Bodenparameter auf deren Eignung als Indikatoren für Bodenqualität und -produktivität zu prüfen. Weiterhin sollten solche Bioparameter identifiziert werden, die durch langjähriges Management beeinflußt wurden. Die Degradation eines Bodens wurde anhand der Nutzungsgeschichte und deren Auswirkung auf die Bodenqualität und -fruchtbarkeit definiert. Ein mittels Kontrollen von langjährigen Experimenten aufgestellter Degradationsindex wurde eingesetzt, um drei selektierte Standorte, die sich hinsichtlich der Dauer und Intensität des Landbaus unterscheiden, zu evaluieren. Verbesserte Brachemanagementsysteme wurden auf ihr Potential als "low-input"-Anbausysteme im Vergleich zu Flächen ohne Brachemanagement untersucht. Die Versuchsflächen befanden sich auf der Versuchsfarm des "International Institute of Tropical Agriculture" (IIT A) in Südwestnigeria. Wie schon erwähnt wurden drei Standorte untersucht, die sich hinsichtlich ihrer Bodendegradierung und Landnutzungsgeschichte unterschieden. Die nicht degradierte Westbank 3-Fläche ( I) wurde 1989 nach Abholzung von Sekundärwald in Kultur genommen. Drei simultane Brachemanagementsysteme mit Mais/Maniok-Mischanbau wurden berücksichtigt natürlicher Aufwuchs der Sekundärvegetation, "Alley cropping" mit Leucaena [Leucaena leucocephala (Lam.) de Wit] und Pueraria als Bodenbedecker (pueraria phaseoloides). Der degradierte D 2- Standort (2) wurde von 1980 bis 1985 für Züchtungsversuche benutzt und ist seit 1986 unter Nutzung zweier "Alley cropping"-Systeme -Leucaena und Senna fienna siamea unter Nutzung zweier "Alley cropping"-Systeme -Leucaena und Senna f)'enna siamea (Lam). Irwin&Barneby] mit Mais/Vigna (Vigna unguiculata ssp. unguiculata) in Rotation Der am stärksten degradierte Westbank 1-Standort (3) wurde 1979 in Kultur genommen und war fur 10 Jahre unter intensiver und maschineller Nutzung. Von 1989 bis 1993 wurden Baum- und Krautbrachesysteme eingeführt, um ihre Fähigkeit zur biologischen Verbesserung von degradierten Alfisolen zu untersuchen. Im Jahr 1993 wurde ein Drittel der Flächen gerodet und mit Mais/Maniok-Mischanbau kultiviert. Die untersuchten Brachesysteme waren Pueraria, Leucaena, Senna und natürlicher Aufwuchs der spontanen Vegetation. Der permanente Anbau ohne verbessertes Brachemanagement wurde auf allen Flächen als Kontrollvariante verwendet. Von April 1993 bis Oktober 1994 wurden alle 6 Wochen randomisierte Bodenproben der Tiefen 0-5 cm und 5-10 cm gezogen. Die Beprobung der "Alleycropping"-Flächen mit Leucaena und Senna auf D 2 und WB 1 erfolgte entlang der Heckenreihen und in der M itte zwischen zwei Heckenreihen ("interrow"). Die Bodenproben wurden auf Trockenraumdichte, Textur, gravimetrische Feuchte, pH, austauschbare basische Kationen, verschiedene anorganische und organische Phosphorfraktionen, Gesamtkohlenstoff- und stickstoff, mikrobielle Biomasse, saure und alkalische Phosphatase-, ß-Glucosidase- und Proteaseaktivität untersucht. Die Charakterisierung der Standorte und ihre Degradationseinstufung wurde anhand der Kontrollvariante (permanenter Anbau) vorgenommen. Es zeigte sich für ( I) WB 3 : moderater Maisertrag, hoher Gehalt an bodenorganischer Substanz, geringer Boden-P-Status und niedrige Aktivität der sauren Phosphatase, hoher Gehalt an mikrobieller Biomasse als auch hohe alkalische Phosphatase- und Proteaseaktivität; (2) D 2 war charakterisiert durch hohen Maisertrag, geringen Gehalt an bodenorganischer Substanz, hohen Phosphorgehalt, geringe mikrobielle Biomasse und niedrige alkalische Phosphatase- und Proteaseaktivität. Charakteristisch fur (3) WB I war der geringe Maisertrag, geringer Gehalt an bodenorganischer Substanz, geringer anorganischer Phosphorgehalt, hoher organischer Phosphorgehalt in 0-5 cm Tiefe, hohe saure Phosphataseaktivität, geringe mikrobielle Biomasse und niedrige alkalische Phosphatase- und Proteaseaktivität. Die Unterschiede im Maisertrag zwischen den beiden degradierten Standorten D2 und W B 1 wurden hauptsächlich durch den anorganischen Phosphorgehalt (Br! ay-l) in beiden untersuchten Bodentiefen und den organischen Phosphorgehalt in 5-10 cm Tiefe verursacht. Unterschiede bezüglich der mikrobiologischen Bodeneigenschaften wurden vor allem durch die Aktivität der alkalischen Phosphatase hervorgerufen. Der Einfluß der unterschiedlichen Landnutzungssysteme mit verbessertem Brachemanagement auf die Bodengradierung der jeweiligen drei Standorte war wie folgt: (1) auf WB 3 war Leucaena für die Verbesserung der Bodenbedingungen weniger effektiv als Pueraria. Von den chemischen Bodeneigenschaften wurde nur der Gehalt an Gesamtstickstoff und von den mikrobiologischen Eigenschaften die Aktivität der ß-Glucosidase und saure Phosphatase (1994 in den obersten 5 cm) im Vergleich zum permanenten Mischanbau von Mais und Maniok nachhaltig verbessert. Außer bei den Parametern Maisertrag, pH, austauschbare basische Kationen und anorganischer Phosphor wirkte sich Pueraria am nachhaltigsten bei den restlichen gemessenen chemischen und mikrobiologischen Bodenparamet! er aus: (2) Leucaena- "Alley cropping" am Standort D2 unterschied sich nicht bezüglich des Maisertrages und der chemischen und mikrobiologischen Bodeneigenschaften von der permanenten Rotation mit Mais und Vigna. Senna war vergleichsweise effizienter als Leucaena, da der Gesamtkohlenstoff, die mikrobielle Biomasse, die alkalische Phosphatase- und Proteaseaktivität während der ersten Anbausaison und die ?-Glucosidasekativität sowohl während der ersten (in beiden Bodentiefen) als auch während der zweiten Anbausaison (oberste 5 cm) erhöht wurden, wohingegen sich der Maisertrag nicht von der Kontrolle unterschied; (3) auf dem am stärksten degradierten Westbank 1-Standort brachten Pueraria und der natürliche Aufwuchs der Sekundärvegetation keine Verbesserung gegenüber der Kontrolle. Von den gemessenen Parametern erhöhten sie gegenüber der Kontrolle lediglich den Gesamtkohlenstoff- und stickstoffgehalt, ebenfalls den pH unter dem natürlichen Aufwuchs. Die für 4 Jahre mit Leucaena be! pflanzte Behandlung wies hingegen eine signifikante Erhöhung des Maisertrages (P=10%), des Gesamtgehaltes an C und N, des pH-Wertes und des Gehaltes an austauschbaren basichen Kationen auf. Die mikrobielle Biomasse sowie die alkalische Phosphatase- bzw. ß-Glucosidaseaktivität wurden in den obersten 5 cm erhöht, während die Proteaseaktivität nur während der ersten Anbausaison in 0-5 cm Tiefe gesteigert worden ist. Der größte Erfolg hinsichtlich der Verbesserung der Bodenproduktivität- und fruchtbarkeit wurde durch die gepflanzte Sennabrache erzielt. Hierbei wurden die Parameter Maisertrag, pH, Gesamtkohlenstoff- und stickstoff, austauschbare basische Kationen, anorganischer Phosphor (Bray-I, erste Anbausaison), organischer Phosphor (NaOH-extrahierbar), mikrobielle Biomasse (0-5 cm) und alkalische Phosphatase-, ß-Glucosidase- und Proteaseaktivität (erste Anbausaison und Trockenzeit in 5-10 cm Tiefe) im Vergleich zur Kontrolle signifikant erhöht. Geeignete Bodenqualitätsindikator! en sollten: 1.) auf dem jeweiligen Standort die vorrangigen Einflußgrößen einer nachhaltigen Bewirtschaftung widerspiegeln, 2.) meßbar gegenüber einer definierbaren Bezugsgröße sein, 3.) zwischen zeitlichen und räumlichen Unterschieden differenzieren können und 4.) die Ursache/Wirkungs-Wechselbeziehungen reflektieren. Diese Voraussetzungen für Bodenqualitätsindikatoren erfüllten von den untersuchten mikrobiologischen Parametern sowohl die mikrobielle Biomasse als auch die alkalische Phosphatase- und ß-Glucosidaseaktivität, die sich als besonders sensitiv bzw. geeignet erwiesen. Anhand einer Hauptkomponentenanalyse konnte gezeigt werden, daß unter den gegebenen Bedingungen hauptsächlich (I. Faktor) die von der organischen Substanz im Boden abhängige Nährstoffdynamik über 80% der Gesamtvarianz innerhalb des Datensatzes erklären konnte. Die Parameter mikrobielle Biomasse, ß-Olucosidase- und alkalische Phosphataseaktivität sind mit der Dynamik der organischen Substanz im Boden eng! verbunden.Weiterhin waren die mikrobielle Biomasse und die alkalische Phosphataseaktivität am stärkstep mit dem ersten Hauptfaktor korreliert; aber auch die ß- Glucosidaseaktivität hatte eine Faktorladung über 0.8. Der zweite Faktor wurde als die Phosphor-Dynamik interpretiert. Durch Auftragen von sogenannten Faktorwerten gegen beide Hauptkomponenten in einem Koordinatensystem wurde die Differenzierung zwischen den Flächen und Behandlungen erleichtert. Die verschiedenen Landnutzungssysteme ("Alley cropping", Pueraria als Bodenbedecker, bepflanzte Brache und permanenter Anbau [Kontrolle] aus Langzeitversuchen), der drei Standorten mit unterschiedlichem Degradierungsgrad konnten durch diese Indikatoren differenziert bzw. beurteilt werden. Von den untersuchten Bodenenzymen war die ß-Glucosidaseaktivität ein sensibler Indikator, um den Einfluß verbesserter Brachesysteme ("Alley cropping"", Pueraria als Bodenbedecker und bepflanzte Brache auf die Degradierung einer Fläche abzuschä! tzen. Darüber hinaus war die Bestimmung der ß-Glucosidaseaktivität sensibler als die Bestimmung vom Gesamtkohlenstoff, um Unterschiede zwischen den Behandlungen aufzuzeigen. Die Aktivitätsbestimmung der alkalischen Phosphatase war hingegen sensibler als die Messung der mikrobiellen Biomasse, um sowohl die Standorte zu charakterisieren und ihren Degradierungsgrad zu bestimmen als auch den Eintluß verbesserter Brachesysteme auf die Degradierung eines Bodens zu beurteilen. Die Schwankungen in der Aktivität über die Zeit waren nicht so ausgeprägt wie die stark variierende mikrobielle Biomasse. Da beide Enzyme mit der mikrobiellen Biomasse eng korrelierten, spiegeln sie die metabolische Aktivität der mikrobiellen Biomasse in unterschiedlichen Langzeitsystemen wider. Darüber hinaus war die Aktivität der Enzyme vergleichsweise einfach zu bestimmen. Sowohl die saure Phosphatase- als auch die Proteaseaktivität zeigten keinen eindeutigen Verlauf in den verschiedenen Landnutzungssystemen und waren auch nur schwach mit den Nährstoffkreisläufen des Bodens korreliert. Dies zeigte sich stärker für die saure Phosphatase als für die Protease. Folglich wurden beide Enzyme unter den gegebenen Bedingungen am IIT A, Nigeria als weniger geeignete und sensible Indikatoren betrachtet, um die Qualität eines Bodens abzuschätzen. Die Tiefe der Probenahme für die Bestimmung der mikrobiellen Biomasse und alkalischen Phosphatase- und ß.Glucosidaseaktivität sollte auf die obersten 5 cm beschränkt werden, da durch die günstigeren Bedingungen (Substratverftigbarkeit, Feuchtegehalt des Bodens) in den Behandlungen mit Minimalbodenbearbeitung die stärksten Unterschiede in der obersten Bodenschicht auftreten. Der Zeitpunkt der Probenahme für die mikrobielle Biomasse sollte während der Regenzeit erfolgen, wohingegen die Probenahme für beide Enzyme zeitlich nicht begrenzt ist. Geeignete Indikatoren sollten hinsichtlich lokal definierbarer Meßgrößen oder Standards bestimmbar sein. Demzufolge wurden obere und untere Grenzwerte vorgeschlagen, da der Übergang von nachhaltig zu nicht nachhaltig graduell und nicht abrupt verläuft. Der untere Grenzwert ("baseline") für die vorgeschlagenen mikrobiellen Indikatoren kann von den Kontrollflächen (permanenter Anbau) der Langzeitversuche abgeleitet werden. Ein Vergleich von landwirtschaftlich genutzten Flächen mit ungestörtem Sekundärwald als oberer Richtwert ist nicht geeignet, da ackerbauliche Nutzungssysteme nicht so geschlossene Nährstoffkreisläufe aufweisen, wie sie in ungestörten Sekundärwäldern vorkommen. Deshalb können obere Richt- oder Grenzwerte für nicht degradierte Flächen von der Pueraria-Behandlung (Bodenbedecker) der Westbank 3-Fläche abgeleitet werden, wohingegen als oberer Richtwert fur degradierte Flächen die Senna-Brache auf Westbank 1 geeignet ist. Da Pueraria sich positivauf dem nicht degradierten Westbank 3-Standort aber nicht auf dem stark degradierten Westbank I-Standort auswirkte, kann als Schlußfolgerung gesagt werden, daß Pueraria eine Nachhaltigkeitskultur ("maintenance crop") ist. Demgegenüber steht Senna, die auf den degradierten Standorten zur Verbesserung beitrug, wobei die Auswirkungen stärker auf WB I als auf D 2 waren. Demzufolge ist Senna eine Restaurationskultur ("restoration crop").