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Effects of earthworms on stabilisation and mobilisation of soil organic matter

Marhan, Sven :
Effects of earthworms on stabilisation and mobilisation of soil organic matter.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Effects of earthworms on stabilisation and mobilisation of soil organic matter
Language: English
Abstract:

The majority of the soil macrofauna biomass in temperate terrestrial ecosystems comprises earthworms. Mainly anecic earthworm species, such as Lumbricus terrestris, contribute significantly to organic matter turnover by ingesting and fragmenting large quantities of litter and incorporating it into the mineral soil. Endogeic species, such as Octolasion tyrtaeum, turn over large quantities of mineral soil and induce major structural changes in soil with important consequences for soil development. Earthworms are major drivers of the decomposition of plant litter in many terrestrial ecosystems but knowledge of the factors influencing mobilisation and stabilisation of soil organic matter in soils processed by earthworms is incomplete. This study investigates the role of different factors which influence the effects of earthworms on soil organic matter stability. Six experiments were performed studying the effects of (1) sand on the microbial community structure and (2) the stability of organic matter in casts of L. terrestris; (3) the quality of the litter and (4) the availability of deeper mineral on the effects of O. tyrtaeum on C and N stabilisation; (5) of O. tyrtaeum on the mobilisation of stable carbon pools and (6) of size and quality of the soil organic matter pool on O. tyrtaeum. (1) The effects of the availability of sand particles on changes of the microbial community structure of forest soils processed by the anecic earthworm L. terrestris were studied. The analysis of phospholipids fatty acid profiles (PLFAs) was used to differentiate microbial communities in the bulk as well as in particle size fractions of soil and casts. Comminution of litter during the gut passage through earthworms increased the biomass and activity of fungi in the silt fraction. Soil organic matter in the coarse and fine sand fraction primarily is decomposed by fungi. Incorporation of litter into these fractions by the earthworms increased the biomass of fungi. Organic matter of forest soil is stabilised in cast aggregates of L. terrestris, predominantly by increasing the soil organic matter content in the clay fraction where it becomes protected against microbial attack. By mechanical disruption of casts physically protected soil organic matter becomes available for microbial decay. (2) The effects of sand on the decomposition of soil organic matter in arable and forest soils were compared with those in ageing casts of L. terrestris. Increasing sand content increased carbon mineralisation in soil but also enhanced the palatability and comminution of litter by L. terrestris. In soils with high clay content sand affected the decomposition of organic matter only little, however, in general sand stimulated carbon mineralisation in soil and earthworm casts. The results suggest that soil characteristics, such as the clay content and nutrient concentrations determine whether organic matter is stabilised or mobilised in casts of earthworms. (3) The influence of the quality of litter materials on the effects of the endogeic earthworm O. tyrtaeum on C and N mineralisation from arable and forest soil was studied. Effects of O. tyrtaeum varied with the type and the quality of the litter added; N immobilisation of low quality litter is counteracted by the earthworms. Low quality litter facilitates O. tyrtaeum probably by a continuous supply of easily available carbon. Carbon mineralisation was little whereas nitrogen mobilisation and immobilisation was strongly affected by the litter type and interaction with earthworms. (4) The role of O. tyrtaeum and the availability of deeper mineral soil on the process of C, N and lignin mineralisation was analysed. Intimate mixing of organic material with deeper mineral soil, which functioned as a C-unsaturated inorganic matrix, during the gut passage of O. tyrtaeum increased the stability of carbon in the casts. In the long-term the pool of stabilised carbon increases slightly until the mineral matrix of the soil is saturated due to mixing of soil and organic matter by endogeic earthworms. This ultimately leads to the formation of organic rich mull soils. (5) The ability of O. tyrtaeum to mobilise stable pools of soil organic matter was investigated. The results suggest that endogeic earthworms contribute to the mobilisation of old carbon pools in soil but further experiments are necessary to finally proof this conclusion. (6) The effects of the size and quality of the soil organic matter pool on the growth of juvenile O. tyrtaeum were studied. The results showed that labile organic matter pools in arable soil are essential for soil microorganisms as well as for endogeic earthworms. Earthworms and soil microorganisms compete for food resources derived from labile organic matter pools. The amount and origin of soil organic matter in arable soils is crucial for the establishment of endogeic earthworm populations and their activity beneficially feeds back to nutrient mineralisation and therefore to soil fertility and plant productivity.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ein Großteil der Biomasse der Bodenmakrofauna in gemäßigten Regionen der Erde wird von Regenwürmern gebildet. Vor allem Regenwurmarten mit anözischer Lebensweise, wie Lumbricus terrestris, tragen durch Fraß und Grabtätigkeit erhebliche Mengen an Laubstreu in den Mineralboden ein, während endogäisch lebende Arten, wie Octolasion tyrtaeum, große Mengen an Mineralboden umsetzen. Durch die umfangreiche Durchmischung der oberen Mineralbodenhorizonte spielen vor allem endogäische Regenwürmer eine wichtige Rolle bei der Bodenbildung. In vielen terrestrischen Ökosystemen wird ein Großteil des jährlichen Streuabbaus durch Regenwürmer beeinflusst, bislang ist jedoch unklar inwieweit dies zu einer Mobilisierung oder Stabilisierung der organischen Bodensubstanz führt. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Einflussfaktoren untersucht, welche die Rolle von Regenwürmern auf die Stabilität der organischen Bodensubstanz beeinflussen können. Hierzu wurden sechs Experimente durchgeführt. Es wurde der Einfluss von Sand auf die mikrobielle Gemeinschaft (1) und die Stabilität der organischen Substanz (2) in Kotaggregaten von L. terrestris untersucht, weiterhin der Einfluss der Qualität der Streu (3) und der Verfügbarkeit von unterem Mineralboden (4) auf die Effekte von O. tyrtaeum auf die organische Bodensubstanz, sowie die Fähigkeit von O. tyrtaeum stabile C-Pools zu mobilisieren (5), und der Einfluss der Größe und Qualität des Pools an organischer Bodensubstanz auf O. tyrtaeum (6).(1) In diesem Experiment wurde die Auswirkung der Verfügbarkeit von Sand während der Darmpassage auf die mikrobielle Gemeinschaft in Kotaggregaten von L. terrestris untersucht. Die Analyse von Phospholipid-Fettsäure-Mustern (PLFA) von intakten Aggregaten und Korngrößenfraktionen diente zur Unterscheidung der mikrobiellen Gemeinschaften des Regenwurmkotes und der des Bodens. Die verstärkte Zerkleinerung der Streu während der Darmpassage führte zu einer Erhöhung der pilzlichen Biomasse in der Schluff-Fraktion. In der Grobsand- und Feinsand-Fraktion enthaltene Streu wird vor allem durch Pilze abgebaut. In diesen Fraktionen war die pilzliche Biomasse durch die verstärkte Inkorporation der Streu durch L. terrestris erhöht. Die organische Substanz in Regenwurmkotaggregaten wird überwiegend in der Ton-Fraktion stabilisiert, vermutlich bedingt durch eine verringerte Zugänglichkeit für Mikroorganismen. Durch eine mechanische Zerstörung der Kotaggregate wird der Abbau der darin eingeschlossenen organischen Substanz wieder erhöht. (2) In einem Inkubationsexperiment wurden die Effekte von Sand auf die C-Mineralisation in Boden- und Kotaggregaten von L. terrestris eines Acker- und eines Waldbodens untersucht. Die Erhöhung der Sandkonzentration führte zu einem Anstieg der C-Mineralisation, jedoch auch zur verstärkten Aufnahme und Zerkleinerung der Streu durch L. terrestris. Im Allgemeinen war die C-Mineralisation unter dem Einfluss von Sand erhöht, wobei der mobilisierende Effekt von Sand im tonreicheren Waldboden geringer war. Die Ergebnisse zeigen, dass die Stabilität der organische Bodensubstanz im Regenwurmkot entscheidend von dem Ton-Gehalt des Bodens und der Konzentration an verfügbaren Nährstoffen abhängt. (3) Die Effekte der Streuqualität in Verbindung mit O. tyrtaeum auf die Mineralisierung von C und N wurden in zwei Experimenten mit Acker- bzw. Waldboden untersucht. Der Einfluss von O. tyrtaeum auf die N-Mineralisation variierte mit der Art und Qualität der Streu; die Regenwürmer wirkten hierbei einer N-Immobilisierung im Boden durch stickstoffarme Streu entgegen. Die Biomasse von O. tyrtaeum wurde durch Streu von geringer Qualität gefördert, was vermutlich auf einer erhöhten Verfügbarkeit von C-Ressourcen beruhte. Im Vergleich zur N-, war die C-Mineralisation nur gering durch das Zusammenwirken von Regenwürmern und Streu unterschiedlicher Qualität beeinflusst. (4) Der Einfluss von O. tyrtaeum auf die Mineralisierung von C, N und Lignin wurde im Hinblick auf die Verfügbarkeit von unterem Mineralboden untersucht. Die enge Verbindung von organischem Material mit der Matrix des unteren Mineralbodens während der Regenwurmdarmpassage erhöhte die Stabilität des Kohlenstoffs im Regenwurmkot. Der untere Mineralboden fungiert hierbei als C-ungesättigte Matrix. Der Gehalt an stabilisierter organischer Substanz dürfte vermutlich solange ansteigen, bis die mineralische Matrix durch die durchmischende Funktion der Regenwürmer gesättigt ist. Dieser Prozess der Durchmischung und Anreicherung wird mit der Zeit zur Entstehung von Mullböden mit hohem organischem Gehalt führen. (5) In diesem Experiment wurde die Fähigkeit von O. tyrtaeum untersucht stabile Pools der organischen Bodensubstanz zu mobilisieren. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass engogäische Regenwürmer stabile Kohlenstoff-Pools mobilisieren können; weitere Experiments sind jedoch erforderlich zur Verifizierung dieser Vermutung. (6) In diesem Experiment wurde der Einfluss der Qualität und Größe des Pools an organischer Bodensubstanz auf das Wachstum von juvenilen O. tyrtaeum untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl für Mikroorganismen als auch für endogäische Regenwürmer das Vorhandensein eines labilen Pools an organischer Bodensubstanz essentiell ist. Regenwürmer und Bodenmikroorganismen konkurrieren um diese Nahrungsquelle. Der organische Gehalt des Bodens und vor allem die Verfügbarkeit von C-Quellen ist entscheidend für die Etablierung endogäischer Regenwurmpopulationen, welche die Nährstoff-Verfügbarkeit erhöhen und sich somit positiv auf Bodenfruchtbarkeit und Pflanzenproduktion auswirken.German
Uncontrolled Keywords: Lumbricidae, organische Bodensubstanz
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Lumbricidae, organische BodensubstanzGerman
Decomposition, Soil organic matter, EarthwormEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:50
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000479
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4796
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Scheu, Prof. Dr. Stefan and Schwabe-Kratochwil, Prof. Dr. Angelika
Advisors: Scheu, Prof. Dr. Stefan
Refereed: 25 May 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/479
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