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Boden als (biologische) Ressource
für die Bioökonomie
Prof. Dr. Florian Wichern
Bodenkunde und Pflanzenernährung, Fakultät Life Sciences
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Vortragsübersicht • Was ist Boden?
• Bodenfunktionen, Bodendegradation und
Funktionsverlust
• Die Rolle des Bodenlebens
• Beispiele aus unserer Forschung
• Erhalt von Bodenfunktionen
• Boden als Quelle biologischer Ressourcen
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Vielfalt der Böden in Deutschland Bodenprofile verschiedener Bodentypen
Pararendzina Regosol Parabraunerde Pseudogley Humusgley Erdniedermoor
Quelle: Jakobs et al. 2018, Thünen Institut 3
Objekt wissenschaftlicher Untersuchungen mit ästhetischem Wert. Aber keine nachwachsende Ressource!
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Was ist Boden?
Atmosphäre
Bio-sphäre
Lithosphäre
Hydro-sphäre
Durchdringungssphäre
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Was ist Boden?
Gasphase
Festphase Flüssigphase
Boden besteht aus drei Phasen Anteile abhängig von diversen Umweltfaktoren Zeitlich und räumlich variabel
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25 %
25 %
5 %
45 %
Air
Water
Organic
Mineral
Feststoffe des Bodens
Porenraum
Luft Wasser
Minerale
Humus/ Organik
Was ist Boden?
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Vortragsübersicht • Was ist Boden?
• Bodenfunktionen, Bodendegradation und
Funktionsverlust
• Die Rolle des Bodenlebens
• Beispiele aus unserer Forschung
• Erhalt von Bodenfunktionen
• Boden als Quelle biologischer Ressourcen
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Bodenfunktionen
Boden als • Standort für Pflanzen und Ertragsfaktor (auch für NaWaRo) • Habitat für Bodenorganismen • Wasseraufnahme, Filterung und Speicherung • Nährstoffspeicher und Puffersystem, C-speicher • Archiv menschlicher Aktivität • Standort für antropogene Infrastruktur • Schutzwürdiges Umweltmedium • …
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Quelle: UBA 2018, Umwelt und Landwirtschaft 9
NaWaRo Produktion abhängig von funktionierenden Böden
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Bodenfunktionen sind durch die Bodennutzung beeinträchtigt
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Staunässe nach Starkregenereignis Reduzierte Infiltration Reduzierte Perkolation
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Verschlämmung und Erosion nach Starkregen Reduzierte Infiltration Reduzierte Aggregatstabilität 11
Stresszunahme durch Extremwetterereignisse
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Trockenstress in Getreide insb. im Vorgewende Reduzierte Wasserspeicherfähigkeit Reduzierte Durchwurzelungstiefe
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Stresszunahme durch Extremwetterereignisse
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Humus verbindet
Humus verbindet die Mineralphase, fördert Aggregatbildung und Aggregatstabilität und schafft Poren für Wasser, Luft und Organismen
13 Quelle: LFL Bayern, https://www.lfl.bayern.de/iab/boden/094487/index.php, letzter Zugriff 10.11.2019
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Vortragsübersicht • Was ist Boden?
• Bodenfunktionen, Bodendegradation und
Funktionsverlust
• Die Rolle des Bodenlebens
• Beispiele aus unserer Forschung
• Erhalt von Bodenfunktionen
• Boden als Quelle biologischer Ressourcen
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…ein winziger Bestandteil des Bodens mit großer Wirkung.
25 %
25 %
5 %
45 %
Air
Water
Organic
Mineral
Feststoffe des Bodens
Porenraum
Das Bodenleben …
Luft Wasser
Minerale
Humus/ Organik
1-6% des Humus-C sind Bodenorganismen
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• Hohe Diversität der Organismen und ihrer Funktionen • Mikroorganismen dominieren • Viele „gute“, wenige „schlechte“ (für Pflanzen, Tiere, …) • Biomasse vor allem im durchwurzelten Oberboden • Rhizosphäre als Hotspot der Pflanzen-Mik-Interaktionen
Der belebte Boden
Quelle: Bodenatlas, 2015 16
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CO2
Mikrobielle Nekromasse Dauerhumus
Mikrobielle Biomasse
Pflanzenreste Kohlenstoffinput
Humusaufbau durch Mikroorganismen
Zeit 17
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Vortragsübersicht • Was ist Boden?
• Bodenfunktionen
• Bodendegradation und Funktionsverlust
• Die Rolle des Bodenlebens
• Beispiele aus unserer Forschung
• Erhalt von Bodenfunktionen
• Boden als Quelle biologischer Ressourcen
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Kurzfristige Förderung des Bodenlebens durch Pflanzenreste und Rindermist (Dr. Rafiqul Islam)
Gefördert durch:
19
Kontrolle Rindermist Reisstroh Reisstroh-Rindermist
Mik
robi
elle
r C (m
g kg
-1 B
oden
)
a a b b
Wichern et al. (in preparation)
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Reduktion von Salzstress für Mikroorganismen durch Pflanzenreste und Rindermist (Dr. Rafiqul Islam)
Gefördert durch:
20
Kontrolle Rindermist Reisstroh Reisstroh-Rindermist Kum
ulie
rte B
oden
atm
ung
(mg
CO
2-C
g-1
Bod
en)
a a
b
d
a a
c
e
Wichern et al. (in preparation)
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Gefördert durch:
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Reduzierung der Bioverfügbarkeit von Schwer-metallen durch Zugabe von Frass (Charlotte Schlößer)
Mehlwurm (Meal) (Tenebrio molitor)
Soldatenfliegenlarve (BSF) (Hermetia illucens)
Getreideschimmelkäferlarve (Buff) (Alphitobius diaperinus)
Watson et al. (in preparation)
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Gefördert durch:
22
Reduzierung der Bioverfügbarkeit von Schwer-metallen durch Zugabe von Frass (Charlotte Schlößer)
Mehlwurm (Meal) (Tenebrio molitor)
Soldatenfliegenlarve (BSF) (Hermetia illucens)
Getreideschimmelkäferlarve (Buff) (Alphitobius diaperinus)
Watson et al. (in preparation)
de
abc
e
abc
cd
Mik
robi
elle
r C (m
g kg
-1 B
oden
)
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Gefördert durch:
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Förderung des Bodenlebens durch Zugabe von Insekten-Frass (Ausscheidungen, Futterreste) (Dr. Conor Watson)
e d d
c
b b
Mehlwurm (Meal) (Tenebrio molitor)
Soldatenfliegenlarve (BSF) (Hermetia illucens)
Getreideschimmelkäferlarve (Buff) (Alphitobius diaperinus)
b
a a
Watson et al. (in preparation)
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Gefördert durch:
24
Förderung des Bodenlebens durch Zugabe von Insekten-Frass (Dr. Conor Watson)
e d
c
b b
a
Mehlwurm (Meal) (Tenebrio molitor)
Soldatenfliegenlarve (BSF) (Hermetia illucens)
Getreideschimmelkäferlarve (Buff) (Alphitobius diaperinus)
b b b
Watson et al. (in preparation)
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Wie ist der Nährstoffbedarf von Mikroorganismen für eine optimale Funktion?
Gefördert durch:
Quelle: Verband der chemischen Industrie
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Wackett et al. (2004)
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Mikrobieller C, N und P im Boden (Sanja Schwalb, Michael Hemkemeyer)
Gefördert durch:
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Schwalb et al. (in preparation)
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Mikrobielles V, Mo, Mn und Fe (µg mg-1 Cmik) (Sanja Schwalb, Michael Hemkemeyer)
Gefördert durch:
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Schwalb et al. (in preparation) Ermöglicht die Mikronährstoffapplikation eine bessere Funktion der Bodenmikroorganismen?
Bodenernährung Pflanzenernährung
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Regionale Stoffflussanalysen (Bernou van der Wiel)
van der Wiel et al. 2019, Journal of Resources, Conservation and Recycling: X, Vol. 3, 100014 28
Gefördert durch:
…zur Erfassung der Biomasse- und Nährstoffverfügbarkeit für die Pflanzen- und Bodenernährung.
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Vortragsübersicht • Was ist Boden?
• Bodenfunktionen
• Bodendegradation und Funktionsverlust
• Die Rolle des Bodenlebens
• Beispiele aus unserer Forschung
• Erhalt von Bodenfunktionen
• Boden als Quelle biologischer Ressourcen
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Effekte von Rhizosphärenbakterien auf das Pflanzenwachstum von Mais (Dr. Elsorra Idris)
Gefördert durch:
• Bodenproben aus der Rhizosphäre 15 unterschiedlicher Pflanzen aus
dem Sudan und Saudi-Arabien
• Isolierung, Charakterisierung und Kultivierung von Mikroorganismen aus
den Böden (112 Bakterienstämme)
• Vermehrung Gram-positiver Bakterienstämme (9)
• Test der Bakterienstämme (Zellen/Zellsuspension) an Mais (Zea mays
L.) und Weizenpflanzen (Triticum aestivum L.) in steriler Nährlösung
• Evaluation des Sproß- und Wurzelwachstums der Pflanzen
• Messung der Indol-3-Essigkonzentration (IAA) in den Filtraten
30
Idris et al. (in preparation)
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Effekte von Rhizosphärenbakterien auf das Pflanzenwachstum von Mais (Dr. Elsorra Idris)
Gefördert durch:
Kulturfiltrat (CF) E2_m2
Kontrolle Kontrolle Kulturfiltrat (CF) E3_rp10
31 Idris et al. (in preparation)
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Effekte von Rhizosphärenbakterien auf das Pflanzenwachstum von Mais (Dr. Elsorra Idris)
Nachweis des Pflanzenwachstum stimulierenden Auxins (Pflanzenhormon) Indol-3-Essigsäure (IAA) in E3_rp10 aber nicht in E2_m2
Gefördert durch:
32 Idris et al. (in preparation)
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Zusammenfassung
• Boden als Basis der Produktion nachwachsender Rohstoffe • Zentrale Rolle von Bodenmikroorganismen für wichtige
Bodenfunktionen und die Pflanzenproduktion • Landnutzung und veränderte klimatische Bedingungen gefährden
Bodenfunktionen • Humusaufbau mittels Zugabe organischer Substanz (Pflanzen,
Kompost, Stallmist) fördert Bodenfunktionen • Regionale Biomasse-Kreislaufwirtschaft und Nährstoffrückführung
für die Bodenernährung erforderlich • Boden als Quelle (mikro)biologischer Ressourcen mit großem
Potenzial für die Bioökonomie
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Ein Dank an Team und Förderer
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!