BodenMikrobiom: Bodenmikrobiome und wichtige Ökosystemleistungen – ein Pilotprojekt

Projektleitung

Elisabeth Schwaiger

Forschungseinrichtung

Umweltbundesamt GmbH

Projektnummer

101549

Projektlaufzeit

-

Finanzierungspartner

Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus

Allgemeine Projektinformationen

Schlagwörter (deutsch)

Boden, Mikrobiom, Ökosystemleistungen, Trockenheit

Titel, Abstract, Schlagwörter (englisch)

Titel (englisch)

Soil Microbiome and Important Ecosystem Services – a Pilot Study

Abstract (englisch)

Durch den Klimawandel nehmen aktuell die trockenen Perioden zu, wobei vor allem der Sommer – die Hauptvegetationszeit vieler landwirtschaftlich bedeutender Kulturen – betroffen ist. Auf anhaltende Trockenheit folgt oftmals Starkregen. Die großen Wassermengen können dann von den ausgetrockneten Böden nicht mehr aufgenommen werden, wodurch bedeutende Wassermengen für die Landwirtschaft verloren gehen und überdies Schäden durch Bodenerosion und Überflutungen angerichtet werden. Die Wasserhaltefähigkeit eines Bodens sichert bedeutende Ökosystemleistungen, wie landwirtschaftliche Erträge und die Trinkwasserversorgung der Bevölkerung. An der Bereitstellung der vielfältigen Ökosystemleistungen des Bodens sind die darin enthaltenen Mikroorganismen maßgeblich beteiligt. Während deren Rolle in den Nährstoffumsetzungen bereits sehr gut erforscht ist, gilt dies für andere Ökosystemprozesse in weit geringerem Ausmaß. Das vorrangige Ziel des geplanten Projektes ist es daher, das Zusammenspiel zwischen Bodenmikrobiom, chemisch-physikalischen Bodenfaktoren und Ökosystemleistungen (wie Ertrag) am Beispiel der Trockenheit in den Fokus der Forschung zu stellen.
Um die genannten Ziele zu erreichen, werden Untersuchungen im Freiland und im Glashaus unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Neben klassischen chemisch-physikalischen Bodenanalysen werden die Mikrobiome mittels Hochdurchsatzsequenzierung charakterisiert. Umfassende bioinformatische und statistische Auswertungen ermöglichen schlussendlich das Erkennen von Zusammenhängen zwischen den unterschiedlichen Faktoren. Diese Erkenntnisse bilden die Basis für weiterführende Forschungen und für gezielte Maßnahmen zur Verbesserung der Trockenresistenz gängiger landwirtschaftlicher Kulturpflanzen, insbesondere beim Mais.
Die Miteinbeziehung von SchülerInnen landwirtschaftlicher Schulen, LandwirtInnen und Kammern sowie Informationsveranstaltungen für ein interessiertes Fachpublikum dienen der Bewusstseinsbildung zur Bedeutung des Mikrobioms für die vielfältigen Ökosystemleistungen des Bodens.

Projektziele

Im Flachland Österreichs werden große Anteile der Fläche landwirtschaftlich genutzt. Neben der Sicherung der Ernährung der Bevölkerung und des Ertrags für die Landwirte erbringen Ackerböden viele darüber hinausgehende Ökosystemleistungen (ÖSL), wie Erosionsschutz und Sicherung der Trinkwasserversorgung. In einem anthropozentrischen Ansatz sind ÖSL Leistungen der Natur die dem menschlichen Wohlbefinden dienen.
Aufgrund seiner übergreifenden Perspektive legt das ÖSL-Konzept in besonderer Weise eine strategische Zusammenarbeit des Bodenschutzes mit dem Gewässer-, Klima- und Naturschutz dar. Auf diese Weise kann ein multifunktionaler Flächenschutz realisiert werden.
Das Konzept der Ökosystemleistungen bietet die Chance, Bodenfunktionen und damit auch die zugrundeliegenden Bodeneigenschaften mit dem Wohlergehen des Menschen in Beziehung zu setzen.
ÖSL umfassen beispielsweise:
• Produktionsfunktion: Landwirtschaftliche Produktion, ...
• Regulierungsfunktion: Hochwasserschutz, Grundwasserschutz, CO2 -Speicherfähigkeit, Erosionsschutz
• Kulturelle Funktion: Erholungsleistung (Landschaftsvielfalt…)

Um diese ÖSL zur Verfügung zu stellen müssen die Bodenfunktionen (= Kapazität/Potenzial des Ökosystems ausreichend Ökosystemleistungen hervorzubringen) intakt sein.

Die Bedeutung von Mikrobiomen, wie z.B. für die menschliche Gesundheit, findet zunehmend Berücksichtigung bei der Diagnose bzw. Behandlung verschiedener Krankheiten sowie auch Wahrnehmung in der breiten Öffentlichkeit. Medien wie Tageszeitungen, Radio oder TV berichten von neuesten Studienergebnissen, während die Bedeutung von Mikrobiomen in der Umwelt noch wenig Beachtung findet. Wie im menschlichen (oder tierischen) Darmtrakt sind auch Böden und Pflanzen von hoch diversen Mikrobiomen besiedelt, die für die Aufrechterhaltung von wichtigen Ökosystemleistungen verantwortlich sind. Ebenso wichtig ist die Bedeutung von Mikrobiomen für die landwirtschaftliche Produktion, Mikroorganismen sind verantwortlich für Stoffkreisläufe und sind für die Nährstoffverfügbarkeit unabdingbar. Mikroorganismen tragen auch wesentlich zur Stresstoleranz von Pflanzen und Pathogenabwehr bei. Wird das Bodenmikrobiom geschädigt werden die Pflanzen geschwächt und der Humus verarmt was beispielsweise Erosion nach sich ziehen kann. Das schwächt in weiterer Folge Fähigkeit des Bodens Nahrungsmittel zu produzieren. Die Klimakrise verschärft diese Situation. Somit ist der Erhalt von Mikrobiomen und deren Funktionen in Böden essenziell, ebenso wie deren Berücksichtigung und Verbesserung in der landwirtschaftlichen Praxis. Die Gründüngung ist mittlerweile in vielen landwirtschaftlichen Kulturen gängige Praxis, da deutlich positive Effekte auf verschiedene Bodenfunktionen erkannt worden sind. Die Gründüngung beeinflusst jedoch auch das Mikrobiom im Boden und kann somit zur Unterdrückung bodenbürtiger Krankheiten beitragen [1].
Ein wichtiges Ziel des Projektes ist daher, anhand einer Pilotstudie Zusammenhänge zwischen dem Bodenmikrobiom und ausgewählten ÖSL im Maisanbau zu erkennen. Damit soll eine umfassendere Bewertung der zahlreichen Funktionen landwirtschaftlicher Böden möglich gemacht werden. In weiterer Folge trägt eine möglichst umfassende Bewertung von Böden zum gezielten Schutz von Flächen dar, die für bestimmte ÖSL relevant sind.
Zudem ist es das Ziel dieser Pilotstudie, die Bedeutung von Boden-Mikrobiomen für LandwirtInnen und eine breite Öffentlichkeit zu demonstrieren und zielgruppenorientierte Empfehlungen zur Berücksichtigung der Potenziale der Boden-Mikrobiome für die ÖSL zu geben. Eine genauere Kenntnis der durch Gründüngung bewirkten Bodenprozesse und Veränderungen im Bodenmikrobiom kann in Zukunft als weiteres Argument zur vermehrten Anwendung der Gründüngung genutzt werden. Es ist geplant LandwirtInnen sowie SchülerInnen in die Studie aktiv miteinzubeziehen (\"farmer / citizen science\"), sowie die Studie verschiedenen relevanten Stakeholdern vorzustellen.
Für die Sicherstellung eines erfolgreichen Ablaufs wird mit Beauftragung der Pilotstudie eine Begleitgruppe eingerichtet. Ziel ist es dabei offenes und konstruktives Feedback einzuholen. Bei der Einrichtung der Begleitgruppe steht eine VertreterIn der AGES, Abteilung für Bodengesundheit und Pflanzenernährung, sowie Gabriele Berg, TU Graz, zur Verfügung. Die konkrete Zusammensetzung der Begleitgruppe, geplant aus VertreterInnen des BMLRT, AGES, BFW und TU Graz, wird nach Beauftragung in Absprache mit dem Auftraggeber ausgewählt.

Die Bearbeitung der Pilotstudie erfolgt in folgenden Arbeitspaketen:

AP1: Bodenmikrobiome und Trockenstress
Die Studie basiert auf schon vorhandenen Informationen zu landwirtschaftlichen Böden in Österreich, und wird durch biologische Daten ergänzt, die in Versuchen die Bedeutung von Mikrobiomen für die Stresstoleranz von Pflanzen aufzeigen sollen. Der Fokus soll auf Klimawandel und dadurch bedingte vermehrte Trockenheit in ausgewählten Hauptanbaugebieten liegen. Als Versuchspflanzen wird der Mais getestet, der in Österreich eine wichtige Kulturpflanze darstellt, und dessen Anbau und Ertragssicherheit durch die zunehmende Trockenheit gefährdet sind. Auf einem überwiegenden Teil der Flächen werden nach der Ernte Zwischenfrüchte angebaut, um Nährstoffverluste und Bodenerosion zu verhindern. Diese Maßnahme hat auch einen Einfluss auf das Mikrobiom im Boden. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern werden vier Flächen ausgewählt, wo im Herbst 2021 Flächen mit und ohne Zwischenfrucht angelegt werden.

AP2: Umweltbewertungen
Dieses AP stellt die Wirkungen der Bodenmikrobiome in der Umwelt/Natur dar (wie unterstützen sie die Aufrechterhaltung der Bodenfunktionen). Es wird die Bedeutung von Bodenmikrobiomen auf die Bereitstellung von ÖSL des Bodens abgeleitet. Der Boden spielt eine wesentliche Rolle für die Bereitstellung von ÖSL. Ziel ist es offen zu legen, welche Auswirkungen Bodenmikrobiome auf Bodeneigenschaften und -prozesse sowie in weiterer Folge auf die durch den Boden bereitgestellten ÖSL haben.
Aufbauend auf den Ergebnissen der in AP1 erhobenen Parameter werden ausgewählte ÖSL mittels Indikatoren erfasst und bewertet (qualitativ; bei vorhanden Daten auch quantitativ). Die ÖSL werden auf der Basis von Götzl et al. (2011), einem Bericht des Umweltbundesamtes ausgewählt und umfassen jedenfalls produzierende, regulatorische und kulturelle Leistungen (siehe oben).

AP3: Disseminierungsaktivitäten
Das Ziel dieses Arbeitspakets ist es das Bewusstsein und Wissen hinsichtlich der Bedeutung von Bodenmikrobiomen für Landwirtschaft und Umwelt zu verbessern und zu schärfen. Hierbei werden die fachlichen Inhalte aus AP1 und AP2 für verschiedene Formate an Veranstaltungen zielgruppengerecht aufbereitet und präsentiert.

1. Vukicevich, E., et al., Cover crops to increase soil microbial diversity and mitigate decline in perennial agriculture. A review. Agronomy for Sustainable Development, 2016. 36(3): p. 48.

Praxisrelevanz

Bodenmikrobiome haben das Potenzial Verbesserungen in der landwirtschaftlichen Produktion zu ermöglichen und die Bereitstellung von Ökosystemleistungen zu unterstützen. Durch verstärktes Wissen über diese Potenziale und deren Berücksichtigung in der Bewirtschaftung von landwirtschaftlichen Flächen können Ertragsminderungen, z.B. durch Trockenstress, reduzierte Nährstoffbereitstellung oder Pathogene, aber auch der Einsatz von Düngemitteln und Pflanzenschutzmitteln reduziert werden. Weitere Ökosystemleistungen wie die Speicherung von Kohlenstoff, Bereitstellung von Trinkwasser oder Speicherung von Wasser können unterstützt werden und in ihrem Wert verbessert werden.
Die Vermittlung von Wissen über Bodenmikrobiome in landwirtschaftlichen Schulen, aber auch die Verbreitung der Projektergebnisse an die Öffentlichkeit wird die Nutzung der Potenziale im Sinne der Ernährungssicherheit und der Anpassung an den Klimawandel erhöhen.
Die Bedeutung des Themas für die Landwirtschaft wird auch durch die neue EU-Mission \"Soil Health and Food\" unterstrichen.
Das Projekt wird auch zum European Joint Project SOIL (H2020), das ein Kernprojekt dieser neuen EU-Mission ist, einen Beitrag für eine klimafreundliche und nachhaltige landwirtschaftliche Bodenbewirtschaftung liefern.

Berichte

Abschlussbericht , 30.06.2023

Kurzfassung

Das Bodenmikrobiom ist sehr wichtig für die Bereitstellung bzw. den Erhalt der Bodenfunktionen und kann als Haupttreiber für viele Ökosystemleistungen (ÖSL) angesehen werden, da die zugrundeliegenden Prozesse hauptsächlich durch Bakterien, Pilze, Archaeen, Protisten oder Algen katalysiert werden. für die Pilotstudie wurden vier repräsentative Maisflächen in Ober- und Niederösterreich beprobt, um die Effekte der Zwischenbegrünung sowie stark reduzierter mikrobieller Diversität auf die Resilienz von Mais gegenüber Trockenstress zu untersuchen. Es wurden Bodenuntersuchungen der Freilandlandflächen zur Bodenchemie und zum Bodenmikrobiom durchgeführt. Im Glashaus wurden Maispflanzen Trockenstress ausgesetzt. Ein Teil des Bodens wurde zudem einer Gammabestrahlung ausgesetzt, um die bodenbürtige Biodiversität zu reduzieren. Die chemischen Bodenuntersuchungen zeigten keinen eindeutigen Unterschied zwischen begrünten und unbegrünten Freilandflächen, der Gehalt an labilem Kohlenstoff ist jedoch durch die Zwischenbegrünung angestiegen. Der Vergleich mit den Begrünungsvarianten zeigte kaum eindeutige Unterschiede im Bodenmikrobiom. Der Grund dafür liegt im relativ kurzen Untersuchungszeitraum. In vielen, auch über längere Zeiträume durchgeführten Untersuchungen konnte jedoch gezeigt werden, dass der Pflanzenbewuchs von großer Bedeutung für das Bodenmikrobiom ist. Im Glashausversuch wurden in der oberirdischen und unterirdischen Biomasse der Maispflanzen keinerlei Unterschiede zwischen den beiden Begrünungsvarianten festgestellt. Hingegen haben erwartungsgemäß die Trockenstressperioden zu einem kümmerlichen Wachstum und einer deutlichen Reduktion der Biomasse geführt. Auf den gammabestrahlten Böden zeigten sich am Ende des Versuches auch starke Biomasseverluste. Das bedeutet, dass ein Boden mit stark eingeschränkter mikrobieller Biodiversität bei Pflanzen einen ähnlichen Stress bewirkt wie Wassermangel, da offensichtlich wichtige Gruppen von Mikroorganismen fehlen, die für die Pflanzenentwicklung bedeutsam sind. Wichtig sind Bodenbewirtschaftungsstrategien die die Artenvielfalt im Boden fördern. Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein tiefgreifendes Verständnis der Faktoren erforderlich, welche die Struktur, Funktion und Aktivität des Bodenmikrobioms beeinflussen. Entsprechend war die Wissensvermittlung war ein weiterer Schwerpunkt dieser Pilotstudie. Ziel war es, über unterschiedliche Kanäle und Formate Wissen über das Bodenmikrobiom aufzubauen

Berichtsdateien

Endbericht_Bodenmikrobiome_30062023.pdf

Abstract (deutsch)

Das Bodenmikrobiom ist sehr wichtig für die Bereitstellung bzw. den Erhalt der Bodenfunktionen und kann als Haupttreiber für viele Ökosystemleistungen (ÖSL) angesehen werden, da die zugrundeliegenden Prozesse hauptsächlich durch Bakterien, Pilze, Archaeen, Protisten oder Algen katalysiert werden.

für die Pilotstudie wurden vier repräsentative Maisflächen in Ober- und Niederösterreich beprobt, um die Effekte der Zwischenbegrünung sowie stark reduzierter mikrobieller Diversität auf die Resilienz von Mais gegenüber Trockenstress zu untersuchen. Es wurden Bodenuntersuchungen der Freilandlandflächen zur Bodenchemie und zum Bodenmikrobiom durchgeführt. Im Glashaus wurden Maispflanzen Trockenstress ausgesetzt. Ein Teil des Bodens wurde zudem einer Gammabestrahlung ausgesetzt, um die bodenbürtige Biodiversität  zu reduzieren.

Die chemischen Bodenuntersuchungen zeigten keinen eindeutigen Unterschied zwischen begrünten und unbegrünten Freilandflächen, der Gehalt an labilem Kohlenstoff ist jedoch durch die Zwischenbegrünung angestiegen.

Der Vergleich mit den Begrünungsvarianten zeigte kaum eindeutige Unterschiede im Bodenmikrobiom. Der Grund dafür liegt im relativ kurzen Untersuchungszeitraum. In vielen, auch über längere Zeiträume durchgeführten Untersuchungen konnte jedoch gezeigt werden, dass der Pflanzenbewuchs von großer Bedeutung für das Bodenmikrobiom ist.

Im Glashausversuch wurden in der oberirdischen und unterirdischen Biomasse der Maispflanzen keinerlei Unterschiede zwischen den beiden Begrünungsvarianten festgestellt. Hingegen haben erwartungsgemäß die Trockenstressperioden zu einem kümmerlichen Wachstum und einer deutlichen Reduktion der Biomasse geführt. Auf den gammabestrahlten Böden zeigten sich am Ende des Versuches auch starke Biomasseverluste. Das bedeutet, dass ein Boden mit stark eingeschränkter mikrobieller Biodiversität bei Pflanzen einen ähnlichen Stress bewirkt wie Wassermangel, da offensichtlich wichtige Gruppen von Mikroorganismen fehlen, die für die Pflanzenentwicklung bedeutsam sind. Wichtig sind Bodenbewirtschaftungsstrategien die die Artenvielfalt im Boden fördern. Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein tiefgreifendes Verständnis der Faktoren erforderlich, welche die Struktur, Funktion und Aktivität des Bodenmikrobioms beeinflussen. Entsprechend war die Wissensvermittlung war ein weiterer Schwerpunkt dieser Pilotstudie. Ziel war es, über unterschiedliche Kanäle und Formate Wissen über das Bodenmikrobiom aufzubauen

Abstract (englisch)

The soil microbiome is important for providing and maintaining soil functions and is the main driver for many ecosystem services, as bacteria, fungi, archaea or algae are the main drivers of the underlying processes.

For the present pilot study, four representative maize plots in Upper and Lower Austria were sampled to investigate the effects of catch crops and greatly reduced microbial diversity on the resilience of maize to drought stress. Soil chemistry and soil microbiome tests of the field plots were carried out. Maize plants were grown in pots in the glasshouse and exposed to drought stress. Part of the soil was also exposed to gamma radiation to further reduce soil biodiversity.

Soil chemistry showed no clear difference between revegetated and non-vegetated field plots, but labile carbon content increased due to intercropping. An increase in labile carbon through catch crops seems plausible, as root exudates and dead plant material are found first in the labile carbon pool.

The comparison with the greening variants showed hardly any clear differences in the soil microbiome. The reason for this lies in the relatively short study period. However, many studies conducted over longer periods of time have shown that plant cover is of great importance for the soil microbiome. 

In the glasshouse trial, no differences were found in the above-ground and below-ground biomass of the maize plants between the two greening variants. On the other hand, as expected, the periods of drought stress led to poor growth and a significant reduction in biomass. The gamma-irradiated soils also showed strong biomass losses at the end of the trial. This means that a soil with severely reduced microbial biodiversity causes a similar stress in plants (maize) as a lack of water. A wide range of environmental factors, soil texture, inter-vegetation and drought stress were found to alter the soil microbiome.

For the communities of bacteria and archaea, a significant reduction in α-diversity was observed by irradiating part of the soil. Interestingly, drought stress has only a minor influence on the community of fungi, bacteria and archaea.

Management strategies for soils need to be developed that promote soil biodiversity. To achieve this goal, an in-depth understanding of the factors that influence the structure, function and activity of the soil microbiome is required. Thus knowledge transfer was also an important component of this pilot study . 

Autor/innen

Elisabeth Schwaiger, Markus Gorfer, Barbara Birli, Manuela Bürgler, Barbara Färber, Sigbert Huber, Peter Tramberend

Anhang_7.1_Poster.pdf

Abstract (deutsch)

Das Bodenmikrobiom ist sehr wichtig für die Bereitstellung bzw. den Erhalt der Bodenfunktionen und kann als Haupttreiber für viele Ökosystemleistungen (ÖSL) angesehen werden, da die zugrundeliegenden Prozesse hauptsächlich durch Bakterien, Pilze, Archaeen, Protisten oder Algen katalysiert werden.

für die Pilotstudie wurden vier repräsentative Maisflächen in Ober- und Niederösterreich beprobt, um die Effekte der Zwischenbegrünung sowie stark reduzierter mikrobieller Diversität auf die Resilienz von Mais gegenüber Trockenstress zu untersuchen. Es wurden Bodenuntersuchungen der Freilandlandflächen zur Bodenchemie und zum Bodenmikrobiom durchgeführt. Im Glashaus wurden Maispflanzen Trockenstress ausgesetzt. Ein Teil des Bodens wurde zudem einer Gammabestrahlung ausgesetzt, um die bodenbürtige Biodiversität zu reduzieren.

Die chemischen Bodenuntersuchungen zeigten keinen eindeutigen Unterschied zwischen begrünten und unbegrünten Freilandflächen, der Gehalt an labilem Kohlenstoff ist jedoch durch die Zwischenbegrünung angestiegen.

Der Vergleich mit den Begrünungsvarianten zeigte kaum eindeutige Unterschiede im Bodenmikrobiom. Der Grund dafür liegt im relativ kurzen Untersuchungszeitraum. In vielen, auch über längere Zeiträume durchgeführten Untersuchungen konnte jedoch gezeigt werden, dass der Pflanzenbewuchs von großer Bedeutung für das Bodenmikrobiom ist.

Im Glashausversuch wurden in der oberirdischen und unterirdischen Biomasse der Maispflanzen keinerlei Unterschiede zwischen den beiden Begrünungsvarianten festgestellt. Hingegen haben erwartungsgemäß die Trockenstressperioden zu einem kümmerlichen Wachstum und einer deutlichen Reduktion der Biomasse geführt. Auf den gammabestrahlten Böden zeigten sich am Ende des Versuches auch starke Biomasseverluste. Das bedeutet, dass ein Boden mit stark eingeschränkter mikrobieller Biodiversität bei Pflanzen einen ähnlichen Stress bewirkt wie Wassermangel, da offensichtlich wichtige Gruppen von Mikroorganismen fehlen, die für die Pflanzenentwicklung bedeutsam sind. Wichtig sind Bodenbewirtschaftungsstrategien die die Artenvielfalt im Boden fördern. Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein tiefgreifendes Verständnis der Faktoren erforderlich, welche die Struktur, Funktion und Aktivität des Bodenmikrobioms beeinflussen. Entsprechend war die Wissensvermittlung war ein weiterer Schwerpunkt dieser Pilotstudie. Ziel war es, über unterschiedliche Kanäle und Formate Wissen über das Bodenmikrobiom aufzubauen

Abstract (englisch)

The soil microbiome is important for providing and maintaining soil functions and is the main driver for many ecosystem services, as bacteria, fungi, archaea or algae are the main drivers of the underlying processes.

For the present pilot study, four representative maize plots in Upper and Lower Austria were sampled to investigate the effects of catch crops and greatly reduced microbial diversity on the resilience of maize to drought stress. Soil chemistry and soil microbiome tests of the field plots were carried out. Maize plants were grown in pots in the glasshouse and exposed to drought stress. Part of the soil was also exposed to gamma radiation to further reduce soil biodiversity.

Soil chemistry showed no clear difference between revegetated and non-vegetated field plots, but labile carbon content increased due to intercropping. An increase in labile carbon through catch crops seems plausible, as root exudates and dead plant material are found first in the labile carbon pool.

The comparison with the greening variants showed hardly any clear differences in the soil microbiome. The reason for this lies in the relatively short study period. However, many studies conducted over longer periods of time have shown that plant cover is of great importance for the soil microbiome.

In the glasshouse trial, no differences were found in the above-ground and below-ground biomass of the maize plants between the two greening variants. On the other hand, as expected, the periods of drought stress led to poor growth and a significant reduction in biomass. The gamma-irradiated soils also showed strong biomass losses at the end of the trial. This means that a soil with severely reduced microbial biodiversity causes a similar stress in plants (maize) as a lack of water. A wide range of environmental factors, soil texture, inter-vegetation and drought stress were found to alter the soil microbiome.

For the communities of bacteria and archaea, a significant reduction in α-diversity was observed by irradiating part of the soil. Interestingly, drought stress has only a minor influence on the community of fungi, bacteria and archaea.

Management strategies for soils need to be developed that promote soil biodiversity. To achieve this goal, an in-depth understanding of the factors that influence the structure, function and activity of the soil microbiome is required. Accordingly, knowledge transfer was also an important component of this pilot study.

Autor/innen

Elisabeth Schwaiger, Markus Gorfer, Barbara Birli, Manuela Bürgler, Barbara Färber, Sigbert Huber, Peter Tramberend

Anhang_7.2_Lehrmaterialien.pdf

Abstract (deutsch)

Das Bodenmikrobiom ist sehr wichtig für die Bereitstellung bzw. den Erhalt der Bodenfunktionen und kann als Haupttreiber für viele Ökosystemleistungen (ÖSL) angesehen werden, da die zugrundeliegenden Prozesse hauptsächlich durch Bakterien, Pilze, Archaeen, Protisten oder Algen katalysiert werden.

für die Pilotstudie wurden vier repräsentative Maisflächen in Ober- und Niederösterreich beprobt, um die Effekte der Zwischenbegrünung sowie stark reduzierter mikrobieller Diversität auf die Resilienz von Mais gegenüber Trockenstress zu untersuchen. Es wurden Bodenuntersuchungen der Freilandlandflächen zur Bodenchemie und zum Bodenmikrobiom durchgeführt. Im Glashaus wurden Maispflanzen Trockenstress ausgesetzt. Ein Teil des Bodens wurde zudem einer Gammabestrahlung ausgesetzt, um die bodenbürtige Biodiversität zu reduzieren.

Die chemischen Bodenuntersuchungen zeigten keinen eindeutigen Unterschied zwischen begrünten und unbegrünten Freilandflächen, der Gehalt an labilem Kohlenstoff ist jedoch durch die Zwischenbegrünung angestiegen.

Der Vergleich mit den Begrünungsvarianten zeigte kaum eindeutige Unterschiede im Bodenmikrobiom. Der Grund dafür liegt im relativ kurzen Untersuchungszeitraum. In vielen, auch über längere Zeiträume durchgeführten Untersuchungen konnte jedoch gezeigt werden, dass der Pflanzenbewuchs von großer Bedeutung für das Bodenmikrobiom ist.

Im Glashausversuch wurden in der oberirdischen und unterirdischen Biomasse der Maispflanzen keinerlei Unterschiede zwischen den beiden Begrünungsvarianten festgestellt. Hingegen haben erwartungsgemäß die Trockenstressperioden zu einem kümmerlichen Wachstum und einer deutlichen Reduktion der Biomasse geführt. Auf den gammabestrahlten Böden zeigten sich am Ende des Versuches auch starke Biomasseverluste. Das bedeutet, dass ein Boden mit stark eingeschränkter mikrobieller Biodiversität bei Pflanzen einen ähnlichen Stress bewirkt wie Wassermangel, da offensichtlich wichtige Gruppen von Mikroorganismen fehlen, die für die Pflanzenentwicklung bedeutsam sind. Wichtig sind Bodenbewirtschaftungsstrategien die die Artenvielfalt im Boden fördern. Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein tiefgreifendes Verständnis der Faktoren erforderlich, welche die Struktur, Funktion und Aktivität des Bodenmikrobioms beeinflussen. Entsprechend war die Wissensvermittlung war ein weiterer Schwerpunkt dieser Pilotstudie. Ziel war es, über unterschiedliche Kanäle und Formate Wissen über das Bodenmikrobiom aufzubauen

Abstract (englisch)

The soil microbiome is important for providing and maintaining soil functions and is the main driver for many ecosystem services, as bacteria, fungi, archaea or algae are the main drivers of the underlying processes.

For the present pilot study, four representative maize plots in Upper and Lower Austria were sampled to investigate the effects of catch crops and greatly reduced microbial diversity on the resilience of maize to drought stress. Soil chemistry and soil microbiome tests of the field plots were carried out. Maize plants were grown in pots in the glasshouse and exposed to drought stress. Part of the soil was also exposed to gamma radiation to further reduce soil biodiversity.

Soil chemistry showed no clear difference between revegetated and non-vegetated field plots, but labile carbon content increased due to intercropping. An increase in labile carbon through catch crops seems plausible, as root exudates and dead plant material are found first in the labile carbon pool.

The comparison with the greening variants showed hardly any clear differences in the soil microbiome. The reason for this lies in the relatively short study period. However, many studies conducted over longer periods of time have shown that plant cover is of great importance for the soil microbiome.

In the glasshouse trial, no differences were found in the above-ground and below-ground biomass of the maize plants between the two greening variants. On the other hand, as expected, the periods of drought stress led to poor growth and a significant reduction in biomass. The gamma-irradiated soils also showed strong biomass losses at the end of the trial. This means that a soil with severely reduced microbial biodiversity causes a similar stress in plants (maize) as a lack of water. A wide range of environmental factors, soil texture, inter-vegetation and drought stress were found to alter the soil microbiome.

For the communities of bacteria and archaea, a significant reduction in α-diversity was observed by irradiating part of the soil. Interestingly, drought stress has only a minor influence on the community of fungi, bacteria and archaea.

Management strategies for soils need to be developed that promote soil biodiversity. To achieve this goal, an in-depth understanding of the factors that influence the structure, function and activity of the soil microbiome is required. Accordingly, knowledge transfer was also an important component of this pilot study.

Autor/innen

Elisabeth Schwaiger, Markus Gorfer, Barbara Birli, Manuela Bürgler, Barbara Färber, Sigbert Huber, Peter Tramberend