Online in situ Messungen der CO₂-Konzentration in B?den in Abh?ngigkeit von Eschenwurzeln (Fraxinus excelsior L.)

Wurzelinduzierte zeitliche und r?umliche Ver?nderungen der CO₂-Konzentration sind von gro?er Bedeutung für die Biogeochemie von B?den 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 ?berwachungssystemen von PreSens haben wir CO₂- und O₂-Konzentrationen in der Rhizosph?re 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, abgesch?tzt. ?berraschenderweise zeigten unsere Ergebnisse eine h?here CO₂-Konzentration im Boden als in der Rhizosph?re.

Die Wurzelatmung von Pflanzen spielt eine wichtige Rolle bei der biotischen CO₂-Produktion von bis zu 71 % des CO₂-Austrittes aus B?den (Lee et al., 2003). Der Anteil der Pflanzenwurzeln am gesamten CO₂-Austritt aus B?den zeigt je nach Pflanzenart und Ph?nologie eine breite Spanne; CO₂ hat einen breiten Reaktionsbereich je nach Umweltfaktoren. ?nderungen der CO₂-Konzentration finden in einem kleinen r?umlichen Ma?stab statt, k?nnen jedoch weitreichende Folgen haben. Daher ist die Untersuchung der r?umlichen und zeitlichen Dynamik von CO² in der Rhizosph?re, einem biotischen und metabolischen Hotspot in Wurzelb?den, von gro?er Bedeutung. In einer Laborstudie untersuchten wir die Auswirkungen von Eschenfeinwurzeln auf die CO₂-Konzentration im Boden mit Eschenb?umchen und natürlichen B?den 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-?berwachung erm?glichte. 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 Mikrozentrifugenr?hrchen, die um intakte wachsende Wurzeln herum angebracht wurden.

Nicht-Invasive Messung von CO₂- und O₂-Konzentrationen in B?den

Wir pflanzten Eschenjungb?umchen (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 wasserges?ttigten 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 vollst?ndig differenzierter Wurzelsegmente (18,5 bis 50,5 cm hinter der Wurzelspitze) gemessen. Messungen der Gaskonzentrationen begannen sechs Stunden nach der Installation der Sensoren (?quilibrierungszeit) und wurden für mindestens 24 Stunden in Intervallen von 5 Minuten durchgeführt. Die Atmungsrate der Wurzeln wurde durch Messung der CO₂- und O₂-Konzentrations?nderungen von fünf eingeschlossenen Feinwurzelsegmenten (1,5 ml Mikrozentrifugenr?hrchen) über drei Stunden ermittelt.

Ver?nderung des CO₂- und O₂-Gehalts durch Wurzeln

Bei ausdifferenzierten Wurzeln (19 cm hinter der Wurzelspitze, Abb. 1 und 2) konnte über den Tagesverlauf keine Ver?nderung der Gaskonzentrationen nachgewiesen werden, w?hrend CO₂-Konzentrationen an den Wurzelspitzen starke Schwankungen, mit h?heren Konzentrationen w?hrend 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 N?he der Wurzelspitzen (320 - 436 μmol CO₂ l^-1) waren h?ufig h?her als entlang der anatomisch ausdifferenzierten Feinwurzeln (111 - 130 μmol CO2 l^-1; Abb. 1 und 2). Au?erdem zeigten unsere Messungen niedrigere CO₂- und O₂-Konzentrationen in der N?he der Wurzeloberfl?che, an der Wurzelspitze und an ?lteren Teilen der Wurzel. Die Auswirkungen der Bodentemperatur spiegelten sich in der Variation der O₂-Konzentration wider, w?hrend 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 Ver?nderungen 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 Mikrozentrifugenr?hrchen umschlossen waren (Abb. 3). Wir ermittelten einen Anstieg des [CO₂] von 79 auf 2.806 μmol l^-1, w?hrend [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 N?he der Wurzeloberfl?che gemessen, als im Boden in 25 mm Abstand von der Wurzel. Dies deutet auf eine ausgepr?gte r?umliche Heterogenit?t von CO₂ in bewurzelten B?den 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 w?hrend der Untersuchung nicht beeintr?chtigen. Daher k?nnen wir best?tigen, dass st?rungsfreie 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-?berwachung von Kohlenstoff- und Sauerstoffflüssen in Wurzelb?den 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