Si im Boden: Pflanzenverfügbarkeit und biotische Lösung

Obwohl viele Pflanzen Silizium (Si) stark in ihrer Biomasse anreichern, ist Si kein essentieller Pflanzennährstoff, sondern ist nützlich, um die Auswirkungen von Umweltstressfaktoren (Pflanzenkrankheiten, Schädlingsfraß, Trockenheit, Schwermetalltoxizität) abzumildern. Nach der Aufnahme von Si und seiner Verlagerung in den Sproß wird Si in den Blättern durch Transpiration aufkonzentriert, fällt aus und bildet amorphe SiO2 Körper, sogenannte Phytolithe. Diese Phytolithe werden in abgestorbenem Pflanzenmaterial und Ernterückständen in den Boden zurückgebracht, wo sie zusammen mit amorphem, aus der Bodenlösung gefälltem SiO2 den Hauptteil des pflanzenverfügbaren Si bilden. Durch den Export von Phytolithen vom Feld mit der Ernte und Ernterückständen (Stroh), und durch erhöhte Erosionsraten, hat die Landwirtschaft einen starken Einfluss auf pflanzenverfügbares Si im Boden und auf den terrestrischen Si-Zyklus. Obwohl es momentan einen starken Forschungsschwerpunkt am Si-Zyklus im Boden gibt (z.B. globaler biogeochemischer Si Kreislauf, landwirtschaftlicher Einfluss auf pflanzenverfügbares Si), sind viele Aspekte der Interaktion von Boden und Pflanzen hinsichtlich Si unzureichend erforscht. Das gilt besonders für die Si Biogeochemie in Böden der temperaten Region, und für den Einfluss von Lebewesen wie Pflanzen(wurzeln) und Regenwürmern auf lösliches Si in Böden. Es ist von immenser Bedeutung, diese Wissenslücken zu schließen um sinkende Erträge und Erntequalität zu verhindern, um die Nachhaltigkeit der landwirtschaftlichen Produktion in zu Zukunft zu erhöhen, und um den terrestrischen und globalen Si-Kreislauf zu schliessen. Deshalb zielt dieses Projekt darauf ab, (1) innovative, Senken- basierte Extraktionsmethoden in Kombination mit Element- und Isotopenfingerprinting zu verwenden, um die pflanzenverfügbare Si-Fraktion und ihre Quelle im Boden, und (2) die Effekte von Wurzelexudaten und (3) Regenwürmer auf die Löslichkeit und Pflanzenverfügbarkeit von Si im Boden zu bestimmen. 1

Silizium (Si) ist kein essentieller Pflanzennährstoff, trägt aber bei vielen Pflanzen zur Linderung von Umweltstressoren (z. B. Krankheiten, Dürre) bei. Nach der Aufnahme und dem Transport in den Spross wird Si in den Blättern konzentriert, und fällt dort als amorphe SiO2-Körper, "Phytolithe", aus. Diese Phytolithen werden über abgestorbenes Pflanzenmaterial und Ernterückstände in den Boden zurückgeführt. Zusammen mit bodengebundenem amorphem SiO2 bilden sie die wichtigste pflanzenverfügbare Si-Fraktion im Boden. Durch den Export von Si von landwirtschaftlichen Flächen in Ernterückständen (Stroh) und erhöhte Bodenerosion hat die Landwirtschaft einen starken Einfluss auf das pflanzenverfügbare Si im Boden. Obwohl derzeit ein starker Forschungsschwerpunkt auf der Si-Dynamik im Boden liegt, sind viele Aspekte der Si-Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Boden noch nicht gut verstanden. Dies gilt insbesondere für die Si-Biogeochemie von Böden der gemäßigten Region und für den Einfluss von Bodenorganismen wie Pflanzenwurzeln und Regenwürmern auf labile Si-Fraktionen im Boden und die Si-Pflanzenverfügbarkeit. Daher zielte dieses Projekt darauf ab, (1) die Auswirkungen von Landnutzung und Bodenbewirtschaftung auf den pflanzenverfügbaren Si-Anteil im Boden besser zu verstehen und die Auswirkungen von (2) Wurzelexsudaten (von den Wurzeln in den Boden abgegebene Substanzen) und (3) der Regenwurmaktivität auf die Si-Lösung und die Pflanzenverfügbarkeit im Boden zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass der pflanzenverfügbare Si-Gehalt in landwirtschaftlichen Böden erhebliche Schwankungen aufweist. Die Siliziumverfügbarkeit wird durch viele Faktoren beeinflusst, wie z. B. den Gehalt an Kalk, Ton und amorphem Si, die Landnutzung (Grünland/Ackerland) und Bodenbewirtschaftungsmaßnahmen wie Phosphordüngung und Ernterückstandsmanagement. Darüber hinaus scheinen Bodenorganismen die Si-Verfügbarkeit im Boden zu erhöhen. Mehrere wichtige Wurzelausscheidungssubstanzen erhöhten die Si-Löslichkeit von Böden und Bodenmineralen erheblich. Wir haben jedoch nicht beobachtet, dass Wurzeln in Böden mit sehr geringer Si-Verfügbarkeit Exsudate auscheiden, was darauf hindeutet, dass Pflanzen die Si-Löslichkeit im Boden nicht aktiv erhöhen, wie dies bei einigen essentiellen Nährstoffen der Fall ist. Die Verdauung von Boden durch Regenwürmer, ein häufiges Fressverhalten dieser Tiere, erhöhte die Löslichkeit von Si im Boden auch. Während dies in unseren Experimenten die pflanzliche Si-Aufnahme von Pflanzen nicht erhöhte, könnte eine kontinuierliche Regenwurmaktivität in natürlichen Ökosystemen mit hoher Regenwurmdichte zur Si-Verfügbarkeit für Pflanzen beitragen. Die Aktivität von Bodenorganismen spielt daher offenbar eine Rolle beim Si-Kreislauf im Boden. Siliziumdüngung wird zunehmend als Maßnahme zur Verbesserung der Stresstoleranz von Pflanzen diskutiert, insbesondere in einem sich erwärmenden Klima. Im Anschluss an dieses Projekt haben das Projektteam und kooperierenden Wissenschaftler und Landwirte bereits weitere Studien zur physiologischen Rolle von Si im Pflanzenstoffwechsel sowie zur praxisorientierten Entwicklung und Erprobung von Si-Düngemitteln und Düngesystemen begonnen. Die Ergebnisse dieses Projekts liefern dafür, und sicher auch für weitere Folgeprojekte eine wertvolle Wissensbasis.