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Auf globaler Ebene sind die biogeochemischen Kreisläufe von Silicium und Kohlenstoff hauptsächlich durch Verwitterungsprozesse und Stoffflüsse gelösten Siliciums aus terrestrischen in aquatische Ökosysteme miteinander verbunden. Diverse Organismen sind in der Lage, amorphe siliciumhaltige Strukturen zu synthetisieren (Biosilifikation), die in Böden unterschiedliche biogene Silicium-Pools repräsentieren und diese Siliciumflüsse als Bestandteile des sogenannten biogenen Silicium-Filters beeinflussen. Während sich die Forschung bislang primär auf die Rolle phytogener Silicium-Pools konzentriert hat, ist über weitere biogene Silicium-Pools in Böden wenig bekannt. Dies gilt insbesondere für protozoische Silicium-Pools, die durch Thekamöben repräsentiert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Böden von fünf Flächen unterschiedlich alter Initialstadien (drei, fünf und zehn Jahre alt) und zehn Waldstandorten der gemäßigten Zone analysiert, um protozoische Silicium-Pools, korrespondierende Biosilifikationsraten, sowie abiotische (z.B. Boden-pH) und biotische (Biomassen anezischer, endo- und epigäischer Regenwürmer) Einflüsse zu ermitteln. Die Beprobung der initialen, zehnjährigen Chronosequenz erlaubte die Fokussierung der Untersuchung auf die temporale Dynamik protozoischer Silicium-Pools in Abhängigkeit von der Vegetation. Hierbei wurde an den drei und fünf Jahre alten Initialflächen zwischen von Vegetation bewachsenen und unbewachsenen Beprobungspunkten unterschieden. Bezüglich der Waldflächen erfolgte die Standortauswahl entlang starker Gradienten innerhalb bodenbildender Faktoren und ausgesuchter Bodeneigenschaften, wobei die Standorte verschiedene Humusformen (Mull vs. Nicht-Mull) repräsentieren. An allen Standorten wurden die oberen 5 cm Boden beprobt, wobei jeweils zwischen oberen (bis etwa 2,5 cm Tiefe) und unteren (bis 5 cm Tiefe) Bodenkompartimenten unterschieden wurde.
Die Größe der protozoischen Silicium-Pools der Initialflächen bewegte sich zwischen 3 g (dreijährige Fläche, unbewachsen) und 680 g (zehnjährige Fläche) Silicium pro Hektar, wobei die Pools an den bewachsenen Beprobungspunkten etwa drei- bis viermal größer waren, als an den unbewachsenen. Auch die jährlichen minimalen (23 g bis 2.300 g Silicium ha-1) und maximalen (160 g bis 16.000 g Silicium ha-1) Biosilifikationsraten waren jeweils an den bewachsenen Beprobungspunkten höher, als an den unbewachsenen. Die protozoischen Silicium-Pools in den Böden der Waldstandorte erreichten Größen von 200 g bis 900 g Silicium ha-1 (Mull-Standorte) bzw. 1.400 g bis 4.700 g Silicium ha-1 (Nicht-Mull-Standorte), wobei die korrespondierenden Biosilifikationsraten Maxima von 17 kg (Mull-Standorte) bzw. 80 kg (Nicht-Mull-Standorte) Silicium ha-1 aufwiesen. Die Initialflächen zeigten beim Größenvergleich der protozoischen Silicium-Pools in den jeweils übereinanderliegenden Bodenkompartimenten keine signifikanten Unterschiede. Bei den Waldstandorten dagegen ließen sich bei einem von sechs Mull-Standorten, sowie bei drei von vier Nicht-Mull-Standorten statistisch signifikante Unterschiede in der Pool-Größe in den jeweils übereinanderliegenden Kompartimenten finden. Basierend auf der Größenordnung der Silicium-Pools und der Biosilifikationsleistung wurde gefolgert, dass es sich bei den protozoischen Pools um äußerst reaktive biogene Silicum-Pools handelt, die – im Vergleich zu den phytogenen Pools – nach ihrer Synthese lediglich für einen relativ kurzen Zeitraum als Bestandteil des biogenen Silicium-Filters auf den Silicium-Kreislauf einwirken. Auch wenn die Anteile der protozoischen Silicium-Pools am gesamten biogenen Silicium-Pool mit Werten zwischen 0,04 ‰ und 6 ‰ (Initialflächen), 0,5 ‰ und 3,4 ‰ (Mull-Standorte) bzw. 2,1 ‰ und 36 ‰ (Nicht-Mull-Standorte) relativ gering ausfielen, so sind die jährlichen Biosilifikationsraten lebender Thekamöben mit der jährlichen Silicium-Aufnahme durch Bäume dennoch vergleichbar (älteste Initialfläche, Mull-Standorte) oder können diese sogar übertreffen (Nicht-Mull-Standorte).
Die protozoischen Silicium-Pools der Initialflächen standen im Zusammenhang mit temporalen Änderungen untersuchter physikalisch-chemischer Bodeneigenschaften durch Verwitterungsprozesse und das Vorhandensein von Vegetation. Auch wenn der relative Anteil biogenen Siliciums an der amorphen (Tiron-extrahierbaren) Silicium-Fraktion generell mit dem Flächenalter zunahm und zwischen 11 % (jüngste Fläche) und 22 % (älteste Fläche) schwankte, ist davon auszugehen, dass die Verwitterungs- und Auflösungsraten der amorphen Silicium-Fraktion den Eintrag rezenten Siliciums überstiegen (erkennbar an der Verminderung der amorphen Silicium-Fraktion mit zunehmendem Flächenalter), so dass hier (noch) keine signifikante Akkumulation biogenen Siliciums feststellbar war.
An den Waldstandorten korrelierten die protozoischen Silicium-Pools mit der leicht verfügbaren (Calciumchlorid-extrahierbaren) Silicium-Fraktion (rs = -0,782), dem Boden-pH (rs = -0,879) und der Biomasse endogäischer Regenwürmer (rs = -0,925). In Waldböden mit hohen Gehalten leicht verfügbaren Siliciums wurden kleinere protozoische Silicium-Pools vorgefunden, als in Böden mit niedrigeren Gehalten und umgekehrt, weshalb eine Limitierung protozoischer Pools durch das Vorhandensein dieser Silicium-Fraktion an den untersuchten Standorten ausgeschlossen wurde. Dagegen scheint der Boden-pH die Größe der protozoischen Silicium-Pools indirekt über die Steuerung des Vorkommens von Regenwürmern (unter einem pH-Schwellwert von 3,8 sind keine endogäischen oder anezischen Regenwürmer aufgefunden worden) zu beeinflussen. In diesem Zusammenhang wurden direkte (Regenwürmer als Fressfeinde und Konkurrenten) und indirekte (z.B. Veränderungen der Habitat-Strukturen durch Regenwurmaktivitäten) Mechanismen der Einflussnahme durch Regenwürmer diskutiert. Der Einfluss der Regenwurmaktivitäten spiegelte sich auch im Anteil biogenen Siliciums an der amorphen Silicium-Fraktion wider, wobei dieser bis zu 50 % (Mull-Standorte) bzw. 100 % (Nicht-Mull-Standorte) in den oberen 5 cm des Bodens betrug. Während es an den Nicht-Mull-Standorten zu einer Akkumulation biogenen Siliciums in den oberen Bodenschichten kam, wurde diese an den Mull-Standorten durch das Vermischen der Bodenschichten durch Regenwürmer abgeschwächt. Da der Boden-pH ein Resultat von Verwitterungsprozessen und der Bodenversauerung während der Pedogenese darstellt, werden die protozoischen Silicium-Pools letztlich indirekt durch bodenbildende Faktoren (Klima, Flora und Fauna, Relief, Ausgangsgestein und Zeit) beeinflusst.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit verdeutlichen, dass die protozoischen Silicium-Pools der Initialflächen innerhalb von lediglich zehn Jahren eine Größe erreichen konnten, die mit derjenigen der bewaldeten Standorte vergleichbar ist. Weiter ließ sich festhalten, dass insbesondere biotische Wechselwirkungen für die Akkumulation biogenen Siliciums in Böden eine wichtige Rolle spielen. Zukünftige Untersuchungen sollten die Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit aufgreifen, um die Bedeutung dieser Wechselwirkungen für die biogenen Silicium-Pools in Böden und damit den (globalen) Silicium-Kreislauf zu beleuchten.