Bodenbiologie im Referenzmessnetz der Nationalen Bodenbeobachtung NABO
Anna-Sofia Hug1, Andreas Gubler1, Franco Widmer2, Beat Frey3, Hansruedi Oberholzer4, Peter Schwab1 und Reto Meuli1
1 Agroscope Reckenholz-Tänikon ART, Nationale Bodenbeobachtung, Reckenholzstrasse 191, CH-8046 Zürich, anna.hug@agroscope.admin.ch
2 Agroscope Reckenholz-Tänikon ART, Molekulare Ökologie, Reckenholzstrasse 191, CH-8046 Zürich
3 WSL Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Rhizosphären Prozesse, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf
4 Agroscope Reckenholz-Tänikon ART, Bodenfruchtbarkeit /Bodenschutz
Viele für den Menschen wichtige Bodenfunktionen, wie der Abbau von organi- schem Material, die Stickstofffixierung oder die Grundwasserfilterung sind unter anderem abhängig von den im Boden lebenden Organismen. Bodenlebewesen reagieren sehr sensibel auf Veränderungen ihres Lebensraumes. Um frühzeitig Hinweise auf schädliche Veränderungen im System Boden zu erhalten ist es für die Nationale Bodenbeobachtung NABO von grossem Interesse, bodenbiologi- sche Parameter routinemässig in ihr Messprogramm aufzunehmen. Basierend auf den Erkenntnissen von bereits durchgeführten bodenbiologischen Untersuchun- gen der NABO und internationalen Richtlinien, wurde im Frühjahr 2012 damit begonnen, an 30 Standorten des NABO-Referenzmessnetzes die bodenmikro- biologischen Parameter mikrobielle Biomasse (bestimmt mit den Methoden Fumigation-Extraktion und Substratinduzierte Respiration), Basalatmung und DNS-Menge zu messen. Diese klassischen mikrobiologischen Bestimmungsme- thoden werden dabei von der sich rasch entwickelnden molekulargenetischen Analytik ergänzt. Diese auf der DNS basierenden Methoden eröffnen neue Mög- lichkeiten in der Erforschung der Diversität von Bodenorganismen und deren Funktionen und weisen für die Bodendauerbeobachtung grosses Potential auf.
Dieser Beitrag stellt das Messkonzept sowie erste Resultate der Beprobung vom Frühjahr 2012 vor.
1 Einleitung
Seit 1984 betreiben die Bundesämter für Umwelt (BAFU) und Landwirt- schaft (BLW) gemeinsam das Natio- nale Bodenbeobachtungsprogramm (NABO). Dieses basiert auf dem Umweltschutzgesetz (USG 1983) und der damals noch geltenden Verordnung über Schadstoffe im Boden (VSBo 1986). Zurzeit wird im landesweiten NABO-Referenzmessnetz die Belas- tung des Bodens mit anorganischen und organischen Schadstoffen an über 100 Standorten in fünfjährigen Bepro- bungszyklen überwacht. Mit der Ablö- sung der VSBo (1986) durch die Ver- ordnung über Belastungen des Bodens (VBBo 1998), die neu neben chemi- schen auch physikalische und biologi- sche Bodenbelastungen berücksichtigt, wurde der gesetzliche Auftrag für das Bodenmonitoring ausgeweitet. Neben den gesetzlichen Vorgaben haben sich
in den vergangenen 25 Jahren auch der ökologische, wirtschaftliche und politi- sche Rahmen der Umweltbeobachtung geändert. So wird auch die Bodenbe- obachtung mit neuen Fragestellungen konfrontiert und neue Themenfelder wie Biodiversität, Klimawandel oder Landnutzungsänderungen sind in den Vordergrund getreten. Um das Mess- netz den neuen Rahmenbedingungen anzupassen, hat sich die NABO zum Ziel gesetzt, bodenbiologische Mess- grössen als Routineparameter in ihr Messprogramm aufzunehmen.
1.1 Bedeutung der Boden lebewesen
Oberstes Ziel der VBBo ist der lang- fristige Erhalt der Bodenfruchtbar- keit (VBBo 1998). Die Bodenfrucht- barkeit kann mit der Fähigkeit des Bodens umschrieben werden, mit der
er durch seine physikalischen, chemi- schen und biologischen Eigenschaften in der Lage ist, verschiedenste Funk- tionen wie etwa die Produktions-, Re- gulierungs- oder Lebensraumfunktion («ecosystem services») zu erfüllen. Das Ökosystem Boden liefert somit in ver- schiedensten Bereichen die Grundla- ge für das Fortbestehen der Mensch- heit, wobei die Bodenorganismen mit ihren vielfältigen Funktionen (Abbau von organischen Material, Stickstoff- fixierung, Grundwasserfilterung, Bio- remediation usw.) einen entscheiden- den Beitrag dazu leisten. Der Wert der «ecosystem services», der weltweit durch Bodenlebewesen bereitgestellt wird, wird auf rund 1,542 Milliarden US$ pro Jahr geschätzt (FAO 2012).
Das Bundes-Bodenschutzgesetz Deutschlands etwa verlangt explizit die nachhaltige Sicherung der natürlichen Funktionen des Bodens (BBodSchG 1998). Auch die Schweizer Bodenpoli- tik des BAFU basiert auf den lebens- wichtigen Bodenfunktionen (BAFU 2011).
1.2 Bodenbiologische Parameter in der NABO
Wie zahlreiche Studien belegen, rea- gieren Bodenlebewesen sensibel auf Veränderungen ihres Lebensraumes (hartmann et al. 2006; Frey et al. 2006;
Frey et al. 2009; deQuiedt et al. 2011;
Frey et al. 2011; thomsen et al. 2012).
Aus diesem Grund können boden- biologische Parameter als Indikato- ren genutzt werden, um Veränderun- gen des Systems Boden frühzeitig zu erkennen. Um die Messergebnisse an NABO-Standorten umfassend zu interpretieren, sind Kenntnisse über
tischen Diagnostik an (rutgers et al.
2009). Auch die europäische ENVAS- SO1-Initiative empfiehlt mikrobiel- le Parameter in ein Bodendauerbeob- achtungsprogramm zu implementieren, die Aussagen über die genetische und funktionelle Diversität von Bakterien und Pilzen zulassen (kiBBLeWhite et al.
2008). Im EU-Projekt EcoFINDERS2 wird der molekularen Technik bei der Untersuchung von Organismen in der Bodendauerbeobachtung ebenfalls gros se Bedeutung beigemessen (FaBer
et al. 2013). Im Ausblick wird das Poten- tial der molekulargenetischen Analytik für die Bodendauerbeobachtung noch ausführlicher diskutiert (Kap. 4.4).
1.3 Das Projekt NABObio12_13 Im Rahmen des Projektes NABO- bio12_13 sollen in den Jahren 2012 und 2013 an 30 NABO-Referenzmess- standorten Aussagen über den Zustand bodenbiologischer Eigenschaften ge- macht und die erforderlichen metho- dischen Kriterien für eine Dauerbe- obachtung festgelegt werden. Auf- grund der Resultate der Erhebungen 2012 und 2013 werden (1) Zusammen- hänge zwischen biologischen Eigen- schaften und weiteren Bodeneigen- schaften, Standorteigenschaften (z.B.
Klima, Niederschlag) sowie Bewirt- schaftungstypen (Düngungsregime) ausgewertet, (2) die Qualitätskriterien für eine Dauerbeobachtung (Standort- präzision, Standortwiederholpräzision, Referenzierung) quantifiziert und (3) Zusammenhänge zwischen den klassi- schen (FE, SIR) und molekularbiologi- schen Methoden (DNS-Extraktion und -Quantifizierung) zur Bestimmung der mikrobiellen Biomasse untersucht. Mit NABObio12_13 soll die Basis für den Start einer Zeitreihe von bodenbiologi- schen Parametern in der NABO gelegt werden (vgl. auch Kap. 4.4).
Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit Franco Widmer (Gruppe Moleku- lare Ökologie) und H.R. Oberholzer (Gruppe Bodenfruchtbarkeit / Boden- schutz) der Agroscope Reckenholz- Tänikon ART und B. Frey (Gruppe Rhizos phären Prozesse) der Eidg. For- schungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL durchgeführt.
Neue Messmethoden für die Boden biologie
Neben diesen klassischen Bestim- mungsmethoden für bodenmikrobio- logische Eigenschaften eröffnet der Fortschritt in der molekulargeneti- schen Analytik neue Möglichkeiten in der Erforschung der Diversität von Bodenorganismen und deren Funktio- nen. Anhand von DNS-Extrakten aus Bodenproben kann einerseits die Erb- substanz der Organismen im Boden quantifiziert werden. Die DNS-Men- ge wird in der Literatur auch als Bio- massenindikator diskutiert (hart-
mann et al. 2005; deQuiedt et al. 2011).
Andererseits ermöglicht die moleku- largenetische Analytik auch qualita- tive Aussagen über die Zusammen- setzung bzw. die Diversität von mikro- biellen Lebensgemeinschaften. Dazu werden bestimmte mikrobielle Mar- kergene aus den DNS-Extrakten iso- liert und eine grosse Anzahl von DNS- Sequenzen (bis zu Millionen mittels
«massive parallel sequencing») dieser Markergene ermittelt und miteinan- der verglichen. Von der Diversität die- ser Markergene lassen sich dann Rück- schlüsse auf die Diversität der Mikro- organismen ziehen. Dies im Gegensatz zur mikrobiellen Biomasse, bestimmt mit den Methoden FE oder SIR, die Aussagen über die Quantität der Bio- masse, nicht jedoch über deren Zusam- mensetzung zulassen.
Einige Länder wenden molekular- biologische Methoden bereits in der Bodendauerbeobachtung an. Frank- reich hat im Rahmen seines Dauer- beobachtungsprogrammes (Réseau de Mesures de la Qualité des Sols) die DNS aus Bodenproben von allen 2150 Standorten des Messnetzes ext- rahiert, quantifiziert und das Resultat kartographisch dargestellt (deQuiedt
et al. 2011). Im Rahmen des «Coun- tryside Survey» wurde in England an 1000 Standorten die Zusammenset- zung der Bodenbakterien mit moleku- larbiologischen Methoden bestimmt (Fingerprint Methode mittels t-RFLP) und deren biogeographische Vertei- lung kartographisch erfasst (griFFiths
et al. 2011). Die Niederlande untersu- chen im Rahmen ihres Dutch Soil Qua- lity Network (DSQN) die mikrobielle Diversität und wenden im Rahmen des Projekts BISQ (Biological Indicator of Soil Quality) Methoden der gene- biologische Bodeneigenschaften für
die NABO unabdingbar. Für die Stand- orte des NABO-Referenzmessnetzes sind Standorteigenschaften (Textur, Gehalt organischer Kohlenstoff, pH oder Landnutzung) sowie die stoffli- che Belastung mit Schwermetallen und organischen Schadstoffen (PAK und PCB) bekannt. Darüber hinaus wer- den im Rahmen des indirekten Moni- torings (NABO-Flux) an ausgewählten NABO-Standorten die Stoffflüsse (P und N) anhand der Bewirtschaftungs- angaben der Landwirte erfasst (keLLer
et al. 2005; deLLa Peruta et al. 2013).
Diese Daten können wiederum für die Interpretation der Messergebnisse von bodenbiologischen Untersuchun- gen verwendet werden – und umge- kehrt.
Bisherige Untersuchungen
Im Rahmen des Projektes «Langzeit- beobachtung von physikalischen und biologischen Bodeneigenschaften»
(LAZBO) wurde während sechs Jah- ren die Eignung ausgewählter Parame- ter für die Langzeitbeobachtung physi- kalischer und biologischer Eigenschaf- ten von Böden beurteilt (schWaB et al.
2006). Zudem wurde in den Jahren 2004/2005 von oBerhoLZer et al. (2007) an 59 NABO-Standorten eine einmali- ge Zustandserhebung bodenmikrobio- logischer Kennwerte vorgenommen.
Im Rahmen dieser Projekte wurden bodenmikrobiologische Parameter wie die mikrobielle Biomasse, bestimmt mit den Methoden «Substratinduzierte Respiration» (SIR) und «Chloroform- Fumigations-Extraktion» (FE), die Basalatmung sowie N-Mineralisierung im aeroben Brutversuch gemessen.
Diese Parameterauswahl basierte auf den Empfehlungen der Arbeitsgrup- pe «Vollzug Bodenbiologie» (VBB) der Schweiz (VBB, BSA 2009). In der Zustandserhebung von 2004/2005 wur- den zudem bestehende Referenzwert- modelle zur Beurteilung der mikrobi- ellen Biomasse (SIR) für Acker- und Graslandstandorte überprüft (oBer-
hoLZer et al. 2007).
1 Environmental Assessment of Soil for Monitoring
2 Ecological Function and Biodiversity Indicators in European Soils
2 Methoden 2.1 Standortauswahl
Die Untersuchungen erfolgen an zehn Ackerbau-, zehn Grasland- und zehn Waldstandorten des NABO-Referenz- messnetzes (vgl. Abb. 1). Die Acker- bau- und Graslandstandorte lassen sich in intensiv und extensiv genutz- te Standorte unterteilen. Bei der Aus- wahl der Waldstandorte werden die Waldtypen Laub-, Misch- und Nadel- wald unterschieden (vgl. Tab. 1). Um für die Interpretation der Ergebnis- se eine möglichst gute Datenlage zu haben, wurde bei der Auswahl der Ackerbau- und Graslandstandorte dar- auf geachtet, dass diese wenn möglich auch Bestandteil des NABO-Flux-Pro- gramms sind. Alle ausgewählten Wald- standorte sind auch Teil des Nitrate- Leaching-Projekts3.
2.2 Probenahme
Die Probenahme, -aufbereitung und -lagerung erfolgt gemäss den Refe-
renzmethoden der Eidg. Landw. For- schungsanstalten (FAL, FAW, RAC, 1998). Um die Bedingungen den Anforderungen des Projektes NABO- bio12_13 anzupassen, wurden dabei folgende Punkte modifiziert:
– Um die Dauerbeobachtungsflächen der NABO-Referenzmessstandorte vor zu intensiver Störung zu schützen, werden die Proben für bodenbiologi- sche Untersuchungen auf einer Fläche entnommen, die direkt angrenzend an der regulären NABO-Referenzmess- fläche liegt. Die Fläche beträgt eben- falls 10 × 10 m (vgl. Abb. 2).
– Stichprobenzahl: 3 Mischproben aus 25 Einstichen pro Standort (mit Hohlmeisselbohrer, 2,5 cm ø). Dieses Vorgehen lehnt sich an internationa- le Untersuchungen an, die mindes- tens 15 Einstiche für eine Mischpro- be empfehlen (Lischer et al. 2001, Wagner et al. 2001). Bei der Erster- hebung im Frühjahr 2012 (und jedes dritte darauffolgende Jahr) wird pro Standort eine vierte Mischprobe jeweils aus dem 4. Qua-dranten als Referenzprobenmaterial genommen (in Abb. 2 rot markiert).
– Beprobungstiefen: 0 bis 20 cm für Grasland-, Ackerland- und Walds- tandorte
– Wenn möglich sollen die Proben zu folgendem Zeitpunkt entnommen werden (vgl. schWaB et al. 2006):
– im Frühjahr nachdem die Böden aufgetaut und nicht mehr wasser- gesättigt sind
– vor Beginn der Bodenerwärmung (je nach Höhenlage unterschied- lich)
– vor Vegetationsbeginn und der ersten N-Düngung
– vor einer Bodenbearbeitung oder Weidegang
– Zur Bestimmung des Raumgewichts der Feinerde sowie des Wassergehal- tes wird mit der Humax-Schlagsonde (4,8 cm ø) in den Ecken der Fläche jeweils im 4. Quadranten eine Volu- menprobe (Zylinderproben, 0 bis 20 cm) entnommen.
Abb. 1. Ausgewählte NABO-Referenzmessstandorte für das Projekt NABObio12_13 (als Rhomben dargestellt).
3 Im Rahmen des Projektes «Nitrate Leaching under changed climate conditions and forest management» interessiert die Frage, wie sich der Stickstoffsättigungsgrad der LWF-Flächen (Langfristige Waldökosystemforschung) aufgrund der erhöhten Stickstoffeinträge verändert hat (WaLdner et al. 2010).
2 mm) bezogen auf das Bodenvolumen (kg TS dm–3). Das Raumgewicht Fein- erde ist einerseits abhängig von den Standorteigenschaften (Anteil organi- sche Substanz, Körnung, Textur, Ver- dichtung, usw.), andererseits variiert es über die Zeit in Abhängigkeit der Bodenfeuchtigkeit (Quellungs- und Schrumpfungsprozesse). Zudem kön- nen die gemessenen (gewichtsbezoge- nen) Werte der mikrobiellen Biomasse (SIR und FE), der Basalatmung und der DNS-Menge durch Multiplika- tion mit dem Raumgewicht Feinerde auf das Bodenvolumen (dm3) bezogen werden. Die Bestimmung des Raum- gewichts Feinerde verbessert die Ver- gleichbarkeit zwischen den verschiede- nen Erhebungen und Standorten. Zum Beispiel weisen insbesondere Böden 2.3 Messgrössen
Basierend auf den Erkenntnissen des LAZBO-Projekts (schWaWaW B et al.
2006) und der Zustandsuntersuchung 2004/2005 (oBerhoLZer et al. 2007) werden klassische mikrobielle Para- meter wie die mikrobielle Biomasse (SIR und FE) und die Basalatmung bestimmt (vgl. Tab. 2). Ergänzt werden diese mit Methoden der molekular- genetischen Analytik (DNS-Menge).
Weiter werden wichtige Parameter wie der pH-Wert, das CN-Verhältnis usw.
gemessen (vgl. Tab. 2).
Raumgewicht Feinerde
Das Raumgewicht Feinerde entspricht der Masse der Feinerde (Fraktion ≤ Abb. 2. Schema für Probenahme der Flä-
chenmischproben für NABObio12_13. Die Proben aus den Quadranten 1 bis 3 ergeben die Mischproben. Das Probenmaterial aus den 4. Quadranten wird als Referenzpro- benmaterial verwendet.
Tab. 1. Bodeneigenschaften und Nutzung der beprobten NABO-Referenzmessstandorte. aCaCO3 = Kalk; bCorg = Organischer Kohlenstoff;
cRG FE = Raumgewicht Feinerde, zusammen mit dem Skelettgehalt in der NABO-Fünfterhebung bestimmt (guBLeret al. in Vorbereitung);
n.b. = nicht bestimmt.
Bodenkenngrössen 0–20 cm Nutzung NABO-Standort m ü.M. Nutzung:
Intensiv / Extensiv
Bodentyp (gemäss FAL)
pH (CaCl2)
CaCO3a
% Corgb
% Ton
%
Schluff
%
RG FEc g/cm3
Skelett Vol.%
Ackerbau
25 Schleitheim / Milten SH 545 I Braunerde 6,8 2,8 2,4 59 30 0,9 1.0
46 Vallon FR 439 I Braunerde-Gley 6,8 10,2 2,8 43 46 1,1 0,0
54 Zuzwil BE 557 I Braunerde 6,0 0,0 1,3 12 35 1,4 3,4
95 Coldrerio TI 336 I Braunerde 5,8 0,0 1,7 21 38 1,2 4,9
102 Vouvry VS 379 I Fluvisol 6,5 8,5 1,3 6 60 1,1 0,6
28 Leuggern/Etzwil AG 465 E Braunerde-Pseudogley 5,3 0,1 1,8 14 34 1,2 3,1
63 Oensingen SO 450 E Braunerde-Pseudogley 5,4 0,0 2,0 36 45 1,1 0,0
68 Etoy VD 435 E Braunerde 5,3 0,0 1,4 19 45 1,3 2,0
77 Paspels GR 830 E Phäozem 6,1 0,0 2,6 18 51 1,0 4,8
87 Klarsreuti TG 559 E Braunerde 5,2 0,0 1,7 24 44 1,1 3,7
Grasland
1 Aadorf/Tänikon TG 537 I Braunerde 6,2 0,9 3,9 35 34 1,0 2,6
30 Ebikon/Dottenberg LU 635 I Saure Braunerde 5,0 0,1 2,8 20 33 1,0 2,3
33 Mollis GL 431 I Fahlgley 5,9 0,0 3,8 33 55 0,8 0,2
35 Le Cerneux-Péquignot NE 1093 I Braunerde 5,6 0,0 3,5 28 49 1,0 0,0
69 Attalens/ Rombuet FR 818 I Braunerde 5,8 0,0 3,3 26 37 0,9 5,9
6 Grindelwald / Itramen BE 1915 E Braunpodsol 3,9 0,0 6,5 25 50 0,7 0,0
37 Ependes FR 735 E Braunerde 5,9 0,0 2,7 19 35 1,1 1,7
41 Kyburg-Buchegg SO 464 E Braunerde-Gley 4,9 0,0 2,4 24 34 1,1 0,0
49 Unterschächen UR 1100 E Braunerde 4,6 0,0 5,7 33 27 0,8 4,1
70 Disentis GR 1105 E Braunerde 5,5 0,0 3,6 13 37 0,9 11,3
Laubwald
8 Rothenfluh BL 695 Rendzina 6,6 2,0 4,9 14 72 0,6 5,1
27 Jussy / Les Grands Bois GE 505 Pseudogley 4,4 0,0 2,7 24 51 1,0 1,0
62 Bettlach / Bettlachstock SO 1065 Braunerde 5,4 0,2 3,7 31 52 0,8 0,0
92 Novaggio/Cima Pianca TI 1080 Humus-Eisenpodsol 3,9 0,0 11,7 n.b. n.b. 0,4 8,7 Misch- wald
7 Oberstammheim ZH 581 Braunderde 5,1 0,0 2,9 28 35 0,9 4,0
18 Langenthal/Riedhof BE 525 Parabraunerde 3,7 0,0 4,1 19 52 0,9 0,0
Nadelwald
45 Alpthal/Erlentobel SZ 1180 Fahlgley 5,8 0,0 13,1 n.b. n.b. 0,2 0,0
47 Davos/Seehornwald GR 1655 Humus-Eisenpodsol 3,3 0,0 18,6 n.b. n.b. 0,3 5,0
73 Alvaneu GR 1560 Regosol 4,9 0,0 5,0 21 22 0,7 11,2
99 Visp / Albulawald VS 830 Braunerde 5,5 0,0 5,1 12 45 0,6 3,7
mit viel organischer Substanz durch ihr tiefes Raumgewicht Feinerde oft sehr hohe gewichtsbezogene Werte auf.
Bezogen auf das Bodenvolumen rela- tivieren sich die hohen Werte jedoch (vgl. auch das Beispiel im Kap. 3.3).
Zusammen mit der Information des Skelettgehalts ermöglicht das Raumge- wicht Feinerde zudem eine ökologische Betrachtungsweise der Messergebnisse (vgl. Tab. 1). So kann beispielsweise ein hohes Raumgewicht Feinerde Hinwei- se auf anaerobe Verhältnisse geben.
Das Raumgewicht Feinerde wird im Referenzmessnetz der NABO seit 2003 routinemässig bestimmt.
2.4 Referenzierung der Messwerte Für die Dauerbeobachtung ist die best- mögliche Eliminierung von methodi- schen Fehlern zwischen den Bestim- mungen von Bodeneigenschaften ver- schiedener zeitlicher Erhebungen eine zentrale Voraussetzung. Dies wird mit einer Referenzierung der gemesse- nen Werte durch zeitgleich gemesse- ne Bodenproben aus früheren Erhe- bungen (=Referenzmaterial) ange- strebt. In diesem Projekt wird eine standortbezogene Referenzierung der Biomasse(SIR und FE)- und Basalat- mungs-Werte vorgenommen. Die Kor- rektur der Messwerte erfolgt für jeden Standort aufgrund der mittleren Mess- abweichung zur Ersterhebung der tief- gekühlt gelagerten Referenzproben (–20 °C). Pro Standort und Jahr ergibt dies einen spezifischen Korrekturwert.
Die Messwerte werden absolut refe- renziert, das heisst der Korrekturwert wird dem gemessenen Wert addiert bzw. subtrahiert (ammann 2010; oBer-
hoLZer und WeisskoPF 2010).
3 Erste Ergebnisse und Diskussion
Die folgenden Ergebnisse stammen von Messungen der Proben aus dem Frühjahr 2012. Aussagen über eine mögliche Entwicklung der Messgrös- sen über die Zeit werden erst mög- lich, wenn die Resultate der Erhebung vom Frühjahr 2013 vorhanden sind.
Über die beschriebene Referenzie- rungsmethode können zu diesem Zeit-
Abb. 3. Raumgewicht Feinerde (Mittelwert und Standardabweichung von jeweils vier Zylin- derproben, 4,8 cm ø, 0–20 cm) der 30 beprobten Standorte. Horizontale Linien: Gruppen- mittelwerte mit Standardabweichung (gestrichelt).
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
Raumgewicht Feinerde (g cm−3 )
25 46
54
95 102
28 63
68
77 87
1 30
33 35 69
6 37
41 49 70
8 27
62
92 718
45 47 73
99
Ackerbau, intensiv Ackerbau, extensiv
Grasland, intensiv
Grasland, extensiv Laubwald Mischwald Nadelwald Tab. 2. Im Projekt NABObio12_13 aufgenommene Parameter.
Parameter Bezeichnung Einheit Methode
Mikrobielle Biomasse1 Substratinduzierte Respiration
Biomasse (SIR) mg Cmik kg–1 TS mg Cmik dm–3
B-BM-HM
Mikrobielle Biomasse1,3 Chloroform-Fumigations- Extraktionsmethode
Biomasse (FE) mg Cmik kg–1 TS
mg Cmik dm–3 B-BM-FE
Basalatmung1,3 mg CCO2 kg–1 TS h–1
mg CCO2 l–1 h–1
B-BA-IS DNS-Menge2,3 DNS-Menge mg DNS kg–1 TS
mg DNS dm–3
PicoGreen
pH pH pH CaCl2
C/N-Verhältnis4 C/N Trockenveraschung
Raumgewicht Feinerde4 RG FE g cm–3
Wassergehalt Feinerde4 WG FE g g–1 gravimetrisch
Bodentemperatur (–5 cm/
–15cm)4
B.temp. °C
Lufttemperatur4 L.temp °C
1 Messungen durch H.R. Oberholzer, Agroscope (Ackerbau- und Graslandstandorte)
2 Messungen durch F. Widmer, Agroscope (Ackerbau- und Graslandstandorte)
3 Messungen durch B. Frey, WSL (Waldstandorte)
4 Messungen durch NABO, Agroscope (Ackerbau-, Grasland-, Waldstandorte) punkt ebenfalls noch keine Aussagen
gemacht werden.
3.1 Raumgewicht Feinerde
Von den 30 untersuchten Standorten weisen Ackerbaustandorte mit einem Mittelwert von 1,16 g cm–3 tenden- ziell höhere Werte für das Raumge-
wicht Feinerde auf als Grasland- und Waldstandorte (Mittelwert 0,94 bzw.
0,69 g cm–3, Abb. 3). Dies entspricht den Erwartungen, da Ackerbaustandorte weniger organische Substanz enthal- ten (Mittelwert Corg: Ackerbau: 1,9 %, Grasland: 3,8 %, Wald: 7,2 %, vgl. Tab.1) und mechanisch bearbeitet werden.
Sehr geringe Werte zeigen die Stand- orte 45, 47 und 92. Diese drei Standor-
te enthalten mehr als 10 Prozent Corg.
Waldstandorte sind innerhalb ihrer Nutzungsgruppe heterogener als die übrigen Standorte und weisen Werte zwischen 0,24 g cm–3 (Standort 45) und 1,11 g cm–3 (Standort 27) auf (vgl. auch Abb. 6).
3.2 Mikrobielle Biomasse (FumigationExtraktion) Exemplarisch für die untersuchten bodenbiologischen Messgrössen wer- den hier die Gehalte für den mikro- biellen Kohlenstoff (Cmik-Gehalte) gezeigt und besprochen. Diese wurden mit der Fumigation-Extraktionsmetho- de bestimmt. In Abbildung 4 sind die Gehalte auf die Trockensubstanz der Feinderde bezogen dargestellt (mg Cmik
kg–1 TS). In Abbildung 5 werden die- se auf das Bodenvolumen beziehungs- weise Raumgewicht Feinerde bezogen (mg Cmik dm–3).
Ackerbaustandorte weisen mit einem Mittelwert von 790 mg Cmik dm–3 tiefe- re Cmik-Gehalte auf als Grasland- und Waldstandorte (1500 bzw. 1520 mg Cmik
dm–3, Abb. 5). Die Wertebereiche über- lappen sich jedoch und die Streuung innerhalb der Gruppen (insbesondere bei Waldstandorten, vgl. auch Abb. 6) ist gross. Auch in anderen Bodendauer- beobachtungsprogrammen, die bereits bodenbiologische Parameter aufneh- men, konnte ein Einfluss der Nutzungs- gruppe (Ackerbau, Grasland oder Wald) auf die mikrobielle Biomasse nachgewiesen werden (rutgers et al.
2009; griFFiths et al. 2011; deQuiedt
et al. 2011).
Die Nutzungsintensität der Gras- land- und Ackerbaustandorte (inten- siv oder extensiv) hat keinen Einfluss auf die Cmik-Gehalte. Beispielsweise werden die Graslandstandorte 1 und 33 intensiv genutzt und weisen bezo- gen auf ihr Volumen die grössten Cmik- Gehalte auf. Die Graslandstandorte 49 und 6 wiederum werden extensiv genutzt und weisen dennoch sowohl innerhalb der Grasland- als auch ver- glichen mit den Ackerbaustandorten die zweithöchsten Gehalte auf. Bei den Ackerbaustandorten wird der Stand- ort 25 intensiv genutzt, im Gegensatz zum Standort 77, der extensiv genutzt wird. Beide Standorte weisen ähnlich hohe Cmik-Gehalte auf (Abb. 5). Dies
0 1000 2000 3000 4000
mg Cmilk kg–1 TS (Fumigation−Extraktion)
25 46
5495102286368 77
87 1
30 33
3569 6
3741 49
70 8
27
62 92
7
18 47
73
99
Ackerbau, intensiv
Ackerbau, extensiv Grasland, intensiv
Grasland, extensiv Laubwald Mischwald Nadelwald
mg Cmilk dm–3 (Fumigation−Extraktion)
Ackerbau, intensiv
Ackerbau, extensiv Grasland, intensiv
Grasland, extensiv Laubwald Mischwald Nadelwald 0
1000 2000 3000 4000
25 46
54 95 28
63 77
87 1
30 33
3569 6
37 41
49
70 8
27
62
92 7
18 45
47 73
102 68 99
Abb. 4. Gewichtsbezogene Cmik-Gehalte pro Standort (Mittelwert und Standardabweichung der 3 Mischproben, Messwerte bestehen aus zwei Messwiederholungen). Ausserhalb des gezeigten Wertebereichs: Standort 45: 7727 mg Cmik kg–1 TS (Standardabweichung: 600 mg Cmik kg–1 TS). Horizontale Linien: Gruppenmittelwerte mit Standardabweichung (gestrichelt).
Abb. 5. Volumenbezogene Cmik-Gehalte pro Standort (Mittelwert und Standardabweichung der 3 Mischproben, Messwerte bestehen aus zwei Messwiederholungen). Horizontale Lini- en: Gruppenmittelwerte mit Standardabweichung (gestrichelt).
Raumgew. Feinerde
Var. Koeff. innerhalb Standort
Acker Grasland Wald 0 %
10 % 20 % 30 % 40 % 50 %
Cmik (FE)
Acker Grasland Wald 0 %
10 % 20 % 30 % 40 %
50 % volumenbezogen
Abb. 6. Box-Plots der Variationskoeffizienten (Standardabweichung der Proben eines Standortes dividiert durch deren Mittelwert) für das Raumgewicht Feinerde und Cmik- Gehalte bestimmt mit Fumigation-Extraktion (FE) nach Landnutzung.
höher gefunden. Ähnlich hohe Korrela- tionskoeffizienten wurden auch in der Zustandserhebung 04/05 von oBer-
hoLZer et al. (2007) beobachtet. Die festgestellten Korrelationen der Mess- werte lassen den Schluss zu, dass die Messgrössen eine gewisse Redundanz aufweisen und deren Anzahl für das Messprogramm der NABO reduziert werden könnte (vgl. auch Kap. 4.4).
4 Ausblick
4.1 Weitere Auswertungen
Nach Abschluss der zweiten Erhebung im Frühjahr 2013 sind weitere Aus- wertungen geplant, etwa um den Ein- fluss der Bodeneigenschaften oder der Bewirtschaftungsintensität auf die mik- robiellen Parameter genauer zu unter- suchen. Vorhandene Nährstoffanga- ben (P und N) der Standorte aus dem NABO-Flux-Programm sollten dabei weitere aufschlussreiche Informatio- nen liefern. Weiter können mit den von oBerhoLZer et al. (2007) entwickelten Referenzwertmodellen die zu erwar- tenden Werte für die Biomasse (SIR) der Ackerbaustandorte überprüft wer- den.
4.2 Methodische Abklärungen Im Projekt NABObio12_13 weisen die DNS-Werte verglichen mit den Cmik- Werten (FE und SIR) und Basalat- mung eine grössere Streuung auf. Dies gilt vor allem für die Graslandstand- orte 1, 33 und 41 und die Laubwalds- tandorte 7, 27 und 42 (vgl. Abb. 8). Die DNS-Extraktion und -Quantifizierung wurde unmittelbar nach den Probenah- men durchgeführt, wobei die Zeit zwi- schen Probenahme und Fixierung im DNS-Extraktionspuffer auf 48 Stun- den festgelegt wurde. Die Messungen mittels Fumigation-Extraktion sowie substratinduzierte Respiration wurden während mehrerer Wochen durchge- führt (gekühlte Lagerung der Proben bei 4°C). Ein Vergleich von zeitgleich gemessenen Werten (d. h. keine unter- schiedliche Lagerungsdauer für ver- schiedene Methoden) der mikrobiellen Biomasse (bestimmt mit den Metho- diesem Kapitel sollen die zwei Heran-
gehensweisen verglichen werden.
Bezogen auf das Gewicht weist der Waldstandort 45 im Vergleich zu den übrigen Standorten einen sehr hohen Cmik-Gehalt von 7727 g Cmik kg–1 TS auf (Abb. 4). Gleichzeitig hat dieser ein geringes Raumgewicht Feinerde von 0,24 g cm–3. Wird der Cmik-Gehalt nun auf das Bodenvolumen bezogen, liegt dieser im Bereich der übrigen Walds- tandorte (1855 mg Cmik dm–3). Beim Waldstandort 27 befindet sich der gewichtsbezogene Cmik-Gehalt inner- halb des Wertebereichs aller Walds- tandorte. Der Standort hat ein hohes Raumgewicht Feinerde von 1,11 g cm–3. Bezogen auf das Volumen weist der Standort 27 im Vergleich zu den anderen Standorten dann einen auffäl- lig hohen Cmik-Gehalt von 3477 mg Cmik
dm–3 auf. Diese Gegenüberstellung (mg Cmik kg–1 TS vs. mg Cmik dm–3) verdeut- licht den Einfluss der Bezugseinheit auf die Interpretation der Ergebnisse.
So sind beispielsweise die Unterschie- de zwischen den Nutzungsgruppen Ackerbau, Grasland und Wald bei den gewichtsbezogenen Werten ausgepräg- ter als bei den volumenbezogenen.
Werden die Cmik-Gehalte auf das Volu- men bezogen, unterscheiden sich die Mittelwerte der Grasland- und Wald- standorte um 20 mg Cmik dm–3. Dies im Gegensatz zu den gewichtsbezoge- nen Gehalten, wo sich die Mittelwerte um 530 mg Cmik kg–1 TS unterscheiden (Abb. 4 und 5).
3.5 Vergleichbarkeit der
verschiedenen Messmethoden Die für das Projekt NABObio12_13 erhobenen Messgrössen (Biomasse (FE und SIR), Basalatmung und DNS- Menge) zeigen in der Verteilung der Messwerte alle ein ähnliches Muster.
So weisen Ackerbaustandorte tenden- ziell tiefere Werte auf als Grasland- und Waldstandorte. Grasland- und Waldstandorte lassen sich anhand der hier aufgenommenen Parameter nicht voneinander unterscheiden. Die Resul- tate der vier verwendeten Methoden zeigen relativ hohe Korrelationen (vgl.
Abb. 7). Die geringste Korrelation besteht mit 0,67 zwischen der Basal- atmung und der DNS-Menge, ansons- ten werden Korrelationen von 0,7 oder deckt sich nicht mit Ergebnissen des
DOK4-Versuchs in Therwil oder ande- rer Studien, wo eine eindeutige Abhän- gigkeit der Biomasseparameter vom Bewirtschaftungssystem festgestellt wurde (Widmer et al. 2006; Peacock
et al. 2001). Laubwaldstandorte zeigen mit einem Mittelwert von 2166 mg Cmik
dm–3 tendenziell höhere Cmik-Gehal- te als Misch- (Mittelwert: 951 mg Cmik
dm–3) und Nadelwälder (Mittelwert:
1154 mg Cmik dm–3). Geringere mikrobi- elle Biomassen in Nadelwäldern haben auch deQuiedt et al. (2011) in Unter- suchungen innerhalb des französischen Bodendauerbeobachtungsprogrammes gefunden.
3.3 Heterogenität der Wald standorte
Der Vergleich der Variationskoeffizi- enten pro Standort (Standardabwei- chung des Standortes / Mittelwert des Standortes) zeigt, dass Waldstandorte heterogener als die übrigen Standorte sind (vgl. Abb. 6). Die Variationskoef- fizienten der Ackerbau- und Grasland- standorte liegen für das Raumgewicht Feinerde mehrheitlich unter 10 Pro- zent, während die Waldstandorte einen Variationskoeffizient zwischen 10 und 20 Prozent zeigen. Waldstandorte wei- sen auch heterogenere Cmik-Gehalte als die übrigen Standorte auf. Es scheint deshalb plausibel, dass die grösseren Streuungen bei den Waldstandorten durch die kleinräumigere Variabilität der Standorte (vgl. Variationskoeffizi- enten Raumgewicht Feinerde, Abb. 6) oder aber durch die Probenahme (bei Waldstandorten Probenahme über verschiedene Horizonte) bedingt sind.
Beide Faktoren können zu heteroge- nem Probenmaterial führen.
3.4 Vergleich gewichts vs.
volumenbezogene Werte
Die gemessenen Cmik-Gehalte wurden sowohl auf das Gewicht (Menge pro kg TS) als auch auf das Volumen (Menge pro dm–3) bezogen (vgl. Kap. 3.2). In
4 Vergleich von biologisch-dynamisch (D), organisch-biologisch (O) und konven- tionell (K) angebauten Ackerkulturen.
den FE und SIR), der Basalatmung und DNS-Menge könnte Hinweise geben, ob die Streuung analytisch bedingt ist oder ob diese durch die unterschied- liche Lagerungsdauer der Proben vor der Analyse hervorgerufen wird.
Waldstandorte weisen eine grös- sere Streuung der Cmik-Gehalte pro Standort auf als Ackerbau- und Gras- landstandorte (vgl. Abb. 6). Von Inte- resse wäre, ob die Beprobung über verschiedene Horizonte (Auflage, Ah- Horizont, B-Horizont) verantwort- lich für die Streuung der Messwerte pro Standort ist. Entscheidend könnte auch sein, dass das Material von Wald- böden grundsätzlich (d. h. auch inner- halb der Horizonte) heterogener und deshalb für die Analytik messtechnisch schwieriger ist. Die kleinräumige Vari- abilität der Standorte könnte ebenfalls eine Rolle spielen, dürfte im Vergleich zu den vorherigen Punkten aber weni- ger wichtig sein. Die Variabilität sollte durch die Flächenmischproben gröss- tenteils ausgeglichen werden.
4.3 Standardisierung der Methoden Neben der regelmässigen Beobachtung von Bodeneigenschaften ist es eine weitere Aufgabe der NABO, Metho- den zu erarbeiten, die standardisiert im Vollzug eingesetzt werden kön- nen. Für die klassischen mikrobiellen Messgrössen wie die mikrobielle Bio- masse (bestimmt mit den Methoden FE oder SIR) oder Basalatmung beste- hen bereits Referenz- beziehungswei- se ISO-standardisierte Methoden, die auch auf internationaler Ebene ange- wendet werden (FAL, FAW, RAC 1998;
PhiLiPPot et al. 2012). Die molekularge- netische Analytik stellt ein relativ jun- ges und sich rasch entwickelndes Feld in der Bodendauerbeobachtung dar.
Anstrengungen im Hinblick auf eine Standardisierung der Verfahren sind deshalb noch notwendig. Insbesonde- re bei den neuesten molekularbiologi- schen Methoden des »massive parallel sequencing («next generation sequen- cing»), welche die Erfassung der mik- robiellen Diversität im Boden zulassen, sollte durch die Verwendung von stan- dardisierten Methoden auch die pro- jekt- und grenzüberschreitende Ver- gleichbarkeit der Resultate angestrebt werden (PhiLiPPot et al. 2012). Das im Abb. 8. Volumenbezogene DNS-Gehalte pro Standort (Mittelwert und Standardabwei-
chung der 3 Mischproben. Horizontale Linien: Gruppenmittelwerte mit Standardabwei- chung (gestrichelt).
Ackerbau, intensiv
Ackerbau, extensiv Grasland, intensiv
Grasland, extensiv Laubwald Mischwald Nadelwald 0
50 100 150
DNS−Menge (mg dm–3)
25
46 54 95
102
2863 68
77
87 1
30333569 6 3741
49
70 8 2762
92 7
1845 4773
99 Abb. 7. Streudiagramme und Korrelationskoeffizienten nach Spearman der mikrobiellen Biomasse (Cmik-SIR und Cmik-FE), Basalatmung und DNS-Menge. (Alle Werte sind volu- menbezogene Gehalte. Nummer: Standortnummer; rot: Ackerbau, grün: Grasland, schwarz:
Wald. Cmik-SIR wurde für Waldstandorte nicht bestimmt.)
SIR
500 1000 2000
0,75 0,71
10 30 50 70
4008001200
0,7
50010002000
1 6
25
28
30 33
3735 41 46
49
54 6368
69 7077 95 87 102
CmikFE
0,76 0,7
1 6
25
28
3330 3735 414946
54 63 68
7077 69 87 10295
1 6
7 8
18
25
28
30 33 3537
41 45
46 47
49 54
62 63
68 70 69
73 87 77
92 95 10299
Basalatmung
0,40,81,21,6
0,67
400 800 1200
10305070
1 6
25 28
3330 3735 41
46 49
54 63 68
7077 69 95 87 102
1 6
7 8
18
25 28
30 33 3537 41 46 45
47 49
54
62
63 68
70 69 73
77
87 92 95 99 102
0,4 0,8 1,2 1,6 1 6
7 8 18
25 28
3033 3735 41 4645 47
49
54
62
63 68
7069 73
77
87 92
95 99
102 DNS−Menge
Cmik
ten liefern. Solche auf die Bodenbio- diversität hin ausgerichtete Untersu- chungen sind auch im Hinblick auf die Strategie Biodiversität Schweiz (SBS) notwendig und gefordert. Ist doch ein in der SBS formuliertes strategisches Ziel, dass «Die Überwachung der Ver- änderungen von Ökosystemen, Arten und der genetischen Vielfalt bis 2020 sichergestellt ist» (BAFU 2012). Um Veränderungen der Bodenbiodiver- sität feststellen zu können, braucht es heute Messungen, die in der Zukunft als sogenannte baseline-Werte dienen können (gardi et al. 2013).
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sagen über Quantität und Qualität der Biomasse) entspricht auch dem Krite- rium der Kosteneffektivität. Mit der Anwendung eines international ver- wendeten Protokolls für die DNS- Extraktion wird das Kriterium der Standardisierung ebenfalls berücksich- tigt (PhiLiPPot et al. 2012). Ein weite- rer Vorteil der DNS-Extrakte wird in deren langen Lagerungsdauer gesehen.
Fixiert und eingefroren im Extrakti- onspuffer, können die Extrakte über Jahre hinweg wiederverwendet wer- den. So können die sich wandelnden Fragenstellungen seitens der Umwelt- politik einerseits flexibler, andererseits auch rückblickend beantwortet wer- den. Zudem besteht die Möglichkeit, die DNS-Extrakte mit allenfalls neuen Methoden erneut zu messen.
In Bezug auf die «ecosystem ser- vices» können mit Hilfe molekular- biologischer Methoden beispielswei- se Aussagen über Bakterien gemacht werden, die für den Stickstoffkreislauf relevant sind. Bru et al. (2011) etwa fanden mit molekularbiologischen Methoden Zusammenhänge zwischen Bewirtschaftungssystemen und dem Vorkommen von Nitrifizierbakterien AOB (Ammonium-oxidierende Bakte- rien). AOB stellen für ritZ et al. (2004) den Topkandidaten für die Verwen- dung als bodenbiologische Messgrösse in einem Monitoring dar. Weiter kann gezielt nach Organismen gesucht wer- den, die eher in aeroben oder anae- roben Verhältnissen vorkommen und Hinweise auf verdichtete Bodenver- hältnisse geben können (Frey et al.
2011). FaBer et al. (2013) halten fest, dass die Verwendung von Indikatoren, die möglichst eindeutig mit einer Öko- systemleistung in Verbindung gebracht werden können, für die Umweltpolitik aussagekräftiger sind als andere. Wis- senschaftliche Erkenntnisse, die auf solchen Indikatoren basieren finden zudem eine breitere Akzeptanz.
Aussagen über die allgemeine mik- robielle Diversität der Extrakte sind anhand molekularbiologischer Metho- den ebenfalls möglich. PhiLiPPot et al.
(2012) stellten mit molekularbiologi- schen Methoden fest, dass der Verlust von mikrobieller Diversität den Stick- stoffkreislauf beeinflussen kann. Sie konnten so mit ihrer Arbeit Argumen- te gegen die These der funktionellen Redundanz mikrobieller Gemeinschaf- Projekt NABObio12_13 angewendete
DNS-Extraktionsprotokoll GnS-GII deckt sich weitgehend mit jenem, das zum Beispiel im Rahmen des franzö- sischen Dauerbeobachtungsprogram- mes angewendet wird (terrat et al.
2012; deQuiedt et al. 2011). Das jeweils verwendete Protokoll beeinflusst die extrahierbare DNS-Menge und damit auch allfällig bestimmte Diversitäts- parameter (terrat et al. 2012). So ist für die Vergleichbarkeit der Resulta- te verschiedener Projekte die Verwen- dung desselben Protokolls von grosser Bedeutung. Ein Extraktionsprotokoll ist zurzeit in der finalen Evaluation, um dann als ISO-standardisierte Metho- de «ISO 11063» publiziert zu werden (martin-Laurent et al. 2001; Petric
et al. 2011; Bru et al. 2011).
4.4 Auswahl der Parameter – Potential der Molekularbiologie Für eine fundierte Entscheidung, mit welchen bodenbiologischen Messgrös- sen im Rahmen der NABO fortgefah- ren wird, müssen die Ergebnisse der 2.
Erhebung vom Frühjahr 2013 und wei- tere Auswertungen abgewartet werden.
Kriterien für die Auswahl von Mess- grössen für ein Monitoring werden bei- spielsweise von ritZ et al. (2009), tur-
Bé et al. (2010) oder auch der OECD (2002) gegeben – ausschlaggebend sind die Messbarkeit, die Kosteneffek- tivität, die Sensitivität der Messgrösse und der Standardisierungsgrad. Für die NABO würde dies bedeuten, dass man sich den limitierten finanziellen Rah- menbedingung entsprechend für einen Summenparameter (mikrobielle Bio- masse (Cmik-SIR oder Cmik-FE) oder DNS-Menge) und für einen prozesso- rientierten Parameter (Basalatmung) entscheiden sollte. Eine Metadaten- analyse über bestehende bodenbiologi- sche Monitoringprogramme in der EU ergab, dass die mikrobielle Biomasse (SIR oder FE) und die Basalatmung die zwei am häufigsten verwendeten bodenbiologischen Messgrössen sind (FaBer et al. 2013).
Ein grosses Potential bei der Ver- wendung der DNS-Menge als Biomas- senindikator wird in der Möglichkeit der weiteren Verwendung der Extrakte gesehen. Die Möglichkeit der mehrfa- chen Verwendung der Extrakte (Aus-
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