Dabei ist die C-Akkumulation im gesamten Tiefenprofil bei Weide und Pappel gering-fügig gegenüber dem Jahr 2010 reduziert. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit den Untersuchungsergebnissen von BONDE et al. (1992), DAVIDSON und ACKERMANN
(1993), MOTAVALLI et al. (2002) und MANN (1986). Die genannten Autoren bestätigen in ihren Untersuchungen eine schnelle Abnahme des Kohlenstoffs in den ersten Jahren nach dem Umbruch, gefolgt von einer langsameren Abbaurate der organischen Boden-substanz nach mehreren Versuchsjahren. Auch TÖNSHOFF et al. (2013 b) bestätigen ei-nen Corg-Verlust ein Jahr nach der Rückführung von KUP in eine landwirtschaftliche Nutzung. Die Autoren führen die C-Verluste aus den labilen Pools des Bodens, der mikrobielle Biomasse sowie der Makroaggregate zurück.
5.3 Bodenbiologische Parameter
Streuakku-mulation erhöhte Basalrespirationen in der Oberkrume nachgewiesen werden. In analo-ger Weise zum organischen und mikrobiellen Kohlenstoffgehalt nimmt die Basal-atmung unter den Gehölzen mit zunehmender Bodentiefe kontinuierlich ab und folgt dabei der vertikalen Verteilung an organischer Substanz im Boden.
Nach dem Umbruch der Kurzumtriebsplantage im Jahr 2010 konnten unter den ehe-maligen Varianten Weide und Pappel signifikant verringerte Basalatmungen in 0-5 cm Bodentiefe festgestellt werden. Die Werte für die Basalatmung folgen damit den Ergeb-nissen der mikrobiellen Biomasse. Dabei wird deutlich, dass mit abnehmender mikro-bieller Biomasse die Atmungsaktivität sinkt und somit auch die Zersetzungsprozesse langsamer ablaufen können. Die Basalatmung ist in 10-20 cm Bodentiefe unter der vormaligen Weide- und Pappelnutzung infolge der Zerkleinerung und Einarbeitung der Wurzelstöcke erhöht. Die Zunahme der Basalatmungsrate in der Mittelkrume kann aber auch auf die Bodenverdichtung zurückgeführt werden, die aus den hohen Wasser-gehalten zum Zeitpunkt der Fräsung und der anschließenden Bodenbearbeitung resultierte (KAISER 1992). Die weitestgehend homogenisierende Wirkung des Pfluges ein Jahr nach dem Umbruch (2011) bewirkt, dass die Basalatmung in der Tiefenstufe von 0-10 cm und im gesamten Tiefenprofil der ehemaligen Gehölzvarianten nahezu unverändert bleibt.
Mikrobielle Biomasse
Die Versuchsergebnisse im Energiepark Bad Lauchstädt belegen vier Jahre nach der Aufforstung (KUP 2004) signifikant erhöhte Corg-Gehalte in 0-5 cm Bodentiefe für Weide im Vergleich zur Ackernutzung. Bei der Pappel sind in der Oberkrume zu die-sem Zeitpunkt noch keine Veränderungen im Corg-Gehalt messbar. Weitaus deutlichere Veränderungen im Vergleich zum organischen Kohlenstoff konnten beim Anbau beider Gehölzarten durch eine signifikante Zunahme der mikrobiellen Biomasse-Gehalte in der Oberkrume im Vergleich zur Ackernutzung festgestellt werden. Dies unterstreicht, dass die mikrobielle Biomasse sensitiv auf kurzfristige Veränderungen im Boden reagiert (POWLSON und JENKINSON 1981, POWLSON et al. 1987) und somit frühzeitige Progno-sen über die Entwicklung der Humusdynamik nach einer Nutzungsänderung liefern kann. Somit weist die mikrobielle Biomasse die kürzesten Umsetzungszeiten unter den Bestandteilen der organischen Substanz im Boden auf und reagiert lange bevor sich Änderungen in Menge und Gehalt an organischer Substanz im Boden abzeichnen (POWLSON et al. 1987). Dabei wird die Umsatzrate der mikrobiellen Biomasse durch das Substratangebot bestimmt. Hierbei übernehmen die Regenwürmer eine bedeutende
Funktion. Sie verteilen oberflächlich abgelegte Blattrückstände im Bodenprofil und be-einflussen dadurch die mikrobielle Aktivität und den mikrobiell gebunden Kohlenstoff (STOCKFISCH 1997). Die Streuzersetzung findet dabei vorwiegend im Ah- Horizont statt und verläuft rasch (AG BODENKUNDE 2005). EHRMANN und VOLLMER (1997) bestäti-gen, dass große Regenwurmpopulationen (> 50g Biomasse m-²), wie sie unter Weide und Pappel am Standort Bad Lauchstädt anzutreffen waren, einen besonders schnellen Humusabbau bewirken. Die Bedeutung der organischen Bodensubstanz als primäre Ressource für das Bodenleben wurde durch eine signifikant positive Korrelation mit dem mikrobiellen Kohlenstoff bereits von verschiedenen Autoren beschrieben (DUTZLER-FRANZ 1977, BECK 1984 b, DILLY und MUNCH 1997) und kann mit den eigenen Ergebnissen bestätigt werden. Nach GRIMM und WIRTH (1995) lassen die zum Teil deutlichen Veränderungen im mikrobiellen Biomasse-C und entsprechend geringe-ren Veränderungen im Corg-Gehalt vier Jahre nach der Erstaufforstung (2004) aber keine enge Korrelation erwarten. Dagegen führt die Anreicherung von organischer Boden-substanz neun (2009) und 16 Jahre nach Versuchsbeginn in Bad Lauchstädt bzw. Dorn-burg zu einer weitaus engeren signifikante Beziehungen zwischen dem Corg-Gehalt und der mikrobiellen Biomasse.
Die signifikante Zunahme des mikrobielle Biomasse-C in der Oberkrume unter Weide, Pappel, Birke und Robinie im Vergleich zur Referenzfläche Acker an den Standorten Bad Lauchstädt und Dornburg neun (KUP 2009) bzw. 16 Jahre nach Versuchsbeginn bestätigt weitestgehend die Ergebnisse von MAKESCHIN (1994), ZORNOZA et al. (2009), KAHLE et al. (2010), MAO undZENG (2010 a) und PELLEGRINO et al. (2011). Die hohen Anteile des Biomasse-C sprechen für eine größere biologische Verfügbarkeit der organischen Substanz und weisen meist auf einen großen Biomassepool hin. GROCHOLL
(1991) führt die Anreicherung von mikrobieller Biomasse in der Oberkrume v.a. auf die Akkumulierung von leicht umsetzbarer organischer Substanz, in Form von heißwasser-löslichem Kohlenstoff, zurück. Da durch das frische Pflanzenmaterial ein hoher Input an leicht verfügbaren Nährstoffen erfolgt, ist ein Anstieg der Biomasse von Organis-men, die auf diese Nahrung spezialisiert sind, denkbar (LENZ 1999). Mit zunehmender Bodentiefe bildet sich unter den Gehölzen in Bad Lauchstädt und Dornburg im Unter-schied zum Ackerland ein deutlicher Tiefengradient des Cmik-Gehaltes heraus. Die Tiefenfunktion ist in analoger Weise zum organischen Kohlenstoff-Gehalt auf den Ver-bleib der Blattstreu auf der Fläche und die unterlassene Bodenbearbeitung zurück-zuführen. Damit werden die Ergebnisse von BODE und BLUME (1995) bestätigt, die in-folge fehlender Bodenbearbeitung in Unterböden deutlich geringere Besiedlungsdichten
nachweisen konnten, da die organische Substanz nicht in tiefere Bodenschichten verteilt wird. Auch EMMERLING et al. (2003) beschreibt die Differenzierung der bodenmikro-biologischen Parameter in der Ober- und Unterkrume als ein typisches Phänomen der fehlenden Bodenbearbeitung. Das Tiefenprofil der mikrobiellen Parameter eines Bodens stellt ein sicheres Zeichen für das Voranschreiten und die Intensität des Bodenbildungs-prozesses dar (MACHULLA 2000).
Die Rückwandlung der Kurzumtriebsplantage (Umbruch) in Ackerland wirkt sich auf die mikrobielle Biomasse im Boden aus. Unmittelbar nach dem Umbruch (2010) nimmt die mikrobielle Aktivität im Oberboden der ehemaligen Weide- und Pappelnutzung ab.
Diese Beobachtung deckt sich mit den Ergebnissen einer Vielzahl an Autoren (BASU
und BEHERA 1993, HENROT und ROBERTSON 1994, PRASAD et al. 1994). Im Gegensatz dazu ist die mikrobielle Biomasse unter der ehemaligen Weide- und Pappelvariante trotz ungünstiger Trockenrohdichte und gesättigter Wasserleitfähigkeit in 10-20 cm Bodentiefe infolge der Zerkleinerung und Einarbeitung der Wurzelstöcke erhöht.
SCHOLZ et al. (2009) bestätigt einen kurzfristigen Anstieg der biologischen Aktivität im Boden, die mit einer verstärkten Freisetzung von Kohlenstoff verbunden ist. Nach ANGERS et al. (1993) fördert die intensive Bodenbearbeitung die mikrobielle Aktivität in den tieferen Bodenschichten, während bei Verzicht auf eine Bodenbearbeitung die mikrobielle Biomasse in 0-10 cm Bodentiefe im Vergleich zu konventionell bewirt-schafteten Flächen signifikant erhöht ist. Ein Jahr nach dem Umbruch (2011) führt der Einsatz des Pfluges zur Durchmischung des Bodenkörpers und damit zu einer stärkeren Verteilung der Wurzel- und Ernterückstände. Infolge der wendenden Bodenbearbeitung wird die organische Substanz und die damit für die Enzymaktivität entscheidende mik-robielle Biomasse bis 30 cm Bodentiefe homogen verteilt. Ähnliche Ergebnisse be-schreibt VAN CAPELLE et al. (2012) bei der Auswertung von verschiedenen internatio-nalen Versuchen.
Cmik/Corg-Verhältnis
Bei der Ackernutzung im Energiepark Bad Lauchstädt hat sich mit den Jahren, aufgrund der stabilen Cmik/Corg-Quotienten im Krumenbereich (0-30 cm), ein Humusgleichge-wicht eingestellt (SCHMITT 2007). Auch die unteren Bodenschichten wurden durch das tiefe Unterpflügen der Erntereste mit organischer Substanz versorgt. Dagegen bewirkte der Verzicht auf tiefwendende Bodenbearbeitung unter Weide und Pappel (KUP 2004) an den Standorten Bad Lauchstädt und Dornburg eine Differenzierung zwischen 0-5 cm Bodentiefe und den unteren Bodenschichten (10-20, 20-30 cm). Die hohen Cmik-Gehalte
in der Oberkrume, bedingt durch den großen C-Input in Form von frischem Pflanzen-material, führten unter den Bäumen zu einem erhöhten Cmik/Corg-Quotienten. Der große Quotient deutet auf eine bessere mikrobielle Verfügbarkeit der organischen Substanz für die Bodenmikroflora hin (LAVAHUN et al. 1993,JOERGENSEN 1995, SCHMITT 2007).
Ab 5 cm Bodentiefe lässt der Boden unter den schnellwachsenden Baumarten niedrigere Cmik/Corg-Quotienten sowohl am Standort Bad Lauchstädt als auch in Dornburg erkennen. Ein abnehmendes Cmic/Corg-Verhältnis mit zunehmender Bodentiefe steht im Einklang mit den Forschungsresultaten von HAYNES (1999). Das geringe Cmik/Corg-Verhältnis lässt auf eine Aufzehrung der leicht abbaubaren organischen Ver-bindungen schließen. Demnach weist der niedrige Quotient auf einen geringen Anteil an leicht verfügbaren organischem Material am Gesamtgehalt organischer Bodensubstanz hin.
Bereits ein Jahr nach dem Umbruch (2011) ist das Cmik/Corg-Verhältnis unter den ehe-maligen Weide- und Pappelvarianten mit der Referenz vergleichbar, so dass sich mit den Jahren ein Humusgleichgewicht einstellen kann.
Metabolischer Quotient
Die landwirtschaftlich genutzte Fläche (Referenz) am Standort Bad Lauchstädt ist in den Jahren 2004 und 2009 durch eine insgesamt homogene Verteilung des Metaboli-schen Quotienten in allen 5 Tiefenstufen gekennzeichnet. Der jährlich wiederkehrende Pflugeinsatz in der Fruchtfolge führt zur Durchmischung des Bodenkörpers und zu einer stärkeren Verteilung der Ernterückstände. Die organische Bodensubstanz wurde dabei bis in 30 cm Bodentiefe eingearbeitet und so den Mikroorganismen zugänglich ge-macht. Mit Werten zwischen 4,2 und 5,9 µg CO2-C g-1 Cmik h-1 (Jahr 2004) kann von einer effizienten Substrat- und Energienutzung durch die Mikroorganismen ausgegan-gen werden (SCHMITT 2007).
Für die Energiegehölze lassen sich neun (KUP 2009) und 16 Jahre nach Versuchs-beginn an den Standorten Bad Lauchstädt bzw. Dornburg nur in den oberen 5 cm Bodentiefe niedrigere metabolische Quotienten im Vergleich zur Referenz feststellen.
Die niedrigen Quotienten in der Oberkrume deuten auf eine erhöhte Syntheseleistungen der Mikroflora (höhere Effizienz der C-Assimilation = Baustoffwechsel) bei relativ geringer Mineralisationsleistung hin (GROCHOLL 1991, SCHMITT 2007). Eine Vielzahl an Autoren fanden einen höheren Metabolischen Quotienten unter Ackerböden als in natürlichen Böden (ANDERSON und DOMSCH 1990, ZELLES et al. 1994, ALVAREZ et al.1995, 2007, ANANYEVA et al. 2008). Mit zunehmender Bodentiefe steigen die qCO2
unter Weide (Bad Lauchstädt, Dornburg), Pappel (Bad Lauchstädt, Dornburg) und Birke (Dornburg) an. Die Ergebnisse stehen im Einklang mit den Forschungsresultaten von MACHULLA (2000), wonach der qCO2 mit der Tiefe zunehmen kann. Die ins-besondere in den Unterkrumen unter den Energiegehölzen aufgetretenen hohen Meta-bolischen Quotienten lassen eine verstärkte Umsetzung in Richtung Mineralisation (Energiestoffwechsel der Mikroorganismen) vermuten (GROCHOLL 1991, SCHMITT
2007) und auf eine starke Belastung der mikrobiellen Biomasse schließen. Als Ursache dafür kann die verminderte Durchlüftung in dem verdichteten Boden diskutiert werden, denn eine Verringerung des Porenvolumens stellt eine Belastung für die Mikro-organismen dar (KAISER 1992), bei der folglich immer weniger Mikroorganismen über-leben. Die hohen Metabolischen Quotienten können aber auch auf eine ineffiziente Substratnutzung durch die Mikroorganismen zurückgeführt werden. Dies würde bedeu-ten, dass die Mikroorganismen bei den angebauten Energiehölzern einen größeren Anteil der zur Verfügung stehenden Kohlenstoffverbindungen zur Aufrechterhaltung ihres Stoffwechsels verbrauchen und dementsprechend einen höheren Anteil an C-Verbindungen zu CO2 veratmen. Demnach wäre besonders unter Korbweide am Standort Bad Lauchstädt (KUP 2009) und Dornburg (KUP 2009) das Substratangebot für die Mikroorganismen ungünstig.
Die Rückwandlung der KUP in Ackernutzung hat unmittelbar nach dem Umbruch (2010) noch keinen Einfluss auf das Verhältnis von mikrobieller Respiration zur Bio-masse unter den ehemaligen Gehölzvarianten. Bereits ein Jahr nach dem Umbruch (2011) der ehemaligen Weide- und Pappelvarianten sind die qCO2 mit der Referenz vergleichbar. Die niedrigen Metabolischen Quotienten deuten auf eine effiziente mikro-bielle Umsatzleistung hin.
Enzymaktivitäten
Die enzymatischen Reaktionen stehen unter dem Einfluss verschiedener chemischer Bodeneigenschaften, zu denen u. a. der pH-Wert und der Humusgehalt im Boden zählt.
Zur Charakterisierung der biologischen Aktivität der Energieholzversuche Bad Lauch-städt und Dornburg wurde der Zelluloseabbau mit Hilfe der β-Glucosidaseaktivität sowie der hydrolytische Abbau komplexer stickstoffhaltiger Verbindungen mit Hilfe des Bodenenzyms Arginin-Ammonifikation bestimmt.
Die vorgestellten Untersuchungsergebnisse belegen für die KUP Bad Lauchstädt in den Jahren 2004 und 2009 und die KUP Dornburg signifikant erhöhte ß-Glucosidase- und Arginin-Gehalte im Oberboden der schnellwachsenden Gehölze im Vergleich zur
Ackernutzung. Die hohen Enzymaktivitätswerte in der Oberkrume der Bäume deuten auf ein stabiles System und hohen Umsatzleistungen, die auf einer Aktivitätssteigerung der Mikroorganismen beruhen, hin (BÖHM et al. 1991). Ausschlaggebend dabei ist die Anreicherung von leicht verfügbarer organischer Substanz im Oberboden unter KUP aufgrund der fehlenden Bodenbearbeitung. Auch GROCHOLL (1991) gelangte bei der Auswertung älterer Dauerversuche zu dieser Feststellung. Eine weitere Ursache ist in den engen positiven Wechselwirkungen zwischen der mikrobiellen Biomasse, dem or-ganischen Kohlenstoff und den Enzymaktivitäten zu sehen. Signifikant korrelative Bindungen zwischen der ß-Glucosidase und dem mikrobiellen Biomasse-C wurden bereits von TAYLOR et al. (2002) und LANGER undKLIMANEK (2006) beschrieben. Eine Vielzahl von Autoren (LANDGRAF undKLOSE 2002, TAYLOR et al. 2002, TURNER et al.
2002, LANGER und KLIMANEK 2006) weisen in einzelnen Versuchen auch auf eine signifikant positive Korrelation zwischen der ß-Glucosidase und dem organischen Koh-lenstoff hin. Nach den Forschungsresultaten von ACOSTA-MARTINEZ et al. (2003), die Enzymaktivitäten in landwirtschaftlich genutzten Böden in Texas (USA) untersuchten, besteht eine Korrelation der Enzymaktivitäten mit der organischen Bodensubstanz, sowie ein wechselseitiger Zusammenhang der Enzyme untereinander. Als Grund dafür sind die Bestandesabfälle und Ernterückstände, die auf der Bodenoberfläche verbleiben, zu nennen. Ebenso beeinflussen Wurzeln und Vegetationsdecke durch aktive Ausschei-dung von Enzymen den Enzymgehalt des Bodens (DUTZLER-FRANZ 1990).
Da mit zunehmender Bodentiefe die mikrobielle Biomasse sinkt, konnten auch in den tieferen Bodenschichten geringere Enzymaktivitäten festgestellt werden. Somit ergibt die Messung der Bodenenzyme unter Weide und Pappel vier (KUP 2004) bzw. neun (KUP 2009) Jahre nach Versuchsbeginn einen deutlich ausgeprägten Tiefengradienten.
Ab 10 cm Bodentiefe konnten auch unter den schnellwachsenden Bäumen im Energie-holzversuch Dornburg (KUP 2009) ein Rückgang der biologischen Aktivität beobachtet werden, so dass die tieferen Bodenschichten durch geringere Enzymaktivitäten charakterisiert waren. EKENLER undTABATABAI (2003), die die Veränderung der mik-robiellen Biomasse und β-Glucosidaseaktivitäten in verschiedenen Bodenbearbeitungs-systemen („no till“ und „chisle plow“) untersuchten, bestätigen dass die ß-Glucosidaseaktivität in 0-5 cm signifikant höher ist als in 0-15 cm Bodentiefe. Auch DUTZLER-FRANZ (1977) stellte fest, dass nur in den obersten 30 cm nennenswerte En-zymgehalte vorliegen. Die Autoren SCHINNER und SONNLEITNER (1996) sowie GISI et al. (1997) begründen den Rückgang der bodenbiologischen Prozesse mit schlechteren Luftverhältnissen und ein Mangel an Nahrung in der Unterkrume (SCHMITT et al. 2010).
Auffällig ist, dass die Weide in allen beprobten Bodentiefen durch die geringste Gluco-sidaseaktivität gekennzeichnet ist. Nach TISCHER et al. (2006) kann es sich hierbei even-tuell um eine Hemmung bestimmter Mikroorganismen durch die Wurzelexsudate der Weide handeln.
Die Enzymaktivität im Boden reagiert schneller auf Veränderungen im Produktionssys-tem als in der organischen Bodensubstanz sichtbar wird (DORAN und PARKIN 1996,
MASTO et al. 2006). So ist bereits unmittelbar nach dem Umbruch (2010) die ß-Glucosidaseaktivität in 0-10 cm Bodentiefe unter den ehemaligen Weide- und Pappelvarianten deutlich reduziert. Die Autoren ACOSTA-MARTÍNEZ et al. (2008),
ULRICH et al. (2010) und BONANOMI et al. 2011 stellten ebenfalls niedrigere ß-Glucosidase-Gehalte in konventionell bewirtschafteten Böden im Vergleich zu no-tillage Böden fest. Die genannten Autoren führen die niedrige Enzymaktivität auf die Bodenbearbeitung und Bewirtschaftungsumstellung zurück. Weiterhin resultieren die geringeren Enzymaktivitäten im Boden aus der verringerten mikrobiellen Biomasse
im Boden nach der Rückwandlung der Fläche in Ackerland. Die geringe ß-Glucosidaseaktiviät in den gefrästen Böden deutet wahrscheinlich auf einen negativen
Einfluss der ackerbaulichen Nutzung auf die Dynamik der organischen Bodensubstanz hin (SOTOMAYOR-RAMÍREZet al. 2009). Aufgrund hoher Wassergehalte zum Zeitpunkt der Fräsung im Jahr 2010 und anschließender Bodenbearbeitung ist der Boden in 10-30 cm Bodentiefe verdichtet. Die Enzymaktivität nimmt in dieser Tiefe aufgrund schlechterer Luftverhältnisse ab. Ein Jahr nach der Rückwandlung (2011) der Fläche in Ackerland konnten bis in eine Tiefe von 30 cm hohe Arginin-Ammonifikationsgehalte nachgewiesen werden. Aufgrund der besseren Belüftung des Bodens nach der Pflug-bearbeitung steigen die Aktivitätswerte an. Dies steht im Einklang mit den Ergebnissen von ULRICH et al. (2008). Infolge der wendenden Bodenbearbeitung wird die organische Substanz und die damit für die Enzymaktivität entscheidende mikrobielle Biomasse bis in 30 cm Bodentiefe homogen verteilt.