Review: Factors affecting rhizosphere priming effects

Living plants change the local environment in the rhizosphere and consequently affect the rate of soil organic matter (SOM) decomposition. The rate may increase for 3- to 5-folds, or decrease by 10 % to 30 % by plant cultivation. Such short-term changes of rate (intensity) of SOM decomposition are due to the priming effect. In the presence of plants, a priming effect occurs in the direct vicinity of the living roots, and it is called rhizosphere priming effect (RPE). Plant-mediated and environmental factors, such as, plant species, development stage, soil organic matter content, photosynthesis intensity, and N fertilization which affect RPE are reviewed and discussed in this paper. It was concluded that root growth dynamics and photosynthesis intensity are the most important plant-mediated factors affecting RPE. Environmental factors such as amount of decomposable C in soil and Nmin content are responsible for the switch between following mechanisms of RPE: concurrence for Nmin between roots and microorganisms, microbial activation or preferential substrate utilization. Succession of mechanisms of RPE along the growing root in accordance with the rhizodeposition types is suggested. Different hypotheses for mechanisms of filling up the C amount loss by RPE are suggested. The ecosystematic relevance of priming effects by rhizodeposition relates to the connection between exudation of organic substances by roots, the increase of microbial activity in the rhizosphere through utilization of additional easily available C sources, and the subsequent intensive microbial mobilization of nutrients from the soil organic matter. Einflussfaktoren auf Priming-Effekte in der Rhizosphäre Wurzeln lebender Pflanzen verändern die lokale Umgebung in der Rhizosphäre und beeinflussen oft die Intensität des Abbaus der organischen Bodensubstanz (OBS). Beim Anbau von Pflanzen kann die OBS-Mineralisation um das 3- bis 5-fache im Vergleich zur Schwarzbrache ansteigen oder um 10 % bis 30 % abnehmen. Solche kurzfristigen Änderungen der Intensität des OBS-Abbaus gehören zum Phänomen des Priming-Effektes. Da beim Pflanzenwachstum die Priming-Effekte in unmittelbarer Nähe von lebenden Wurzeln stattfinden, werden sie Rhizosphäre-Priming-Effekte (RPE) genannt. Dieser Artikel gibt eine kritische Analyse und Diskussion des Erkenntnisstandes über die Faktoren, die die RPE beeinflussen. Dazu gehören Faktoren, die über die Pflanze bzw. die Umwelt wirken, wie Pflanzentyp und -entwicklung, Photosyntheseintensität, Gehalt an organischer Bodensubstanz und N-Düngung. Es kann geschlussfolgert werden, dass die Dynamik des Wurzelwachstums und die Intensität der Photosynthese die wichtigsten über die Pflanze wirkenden Faktoren sind. Die Umweltfaktoren wie der Gehalt an umsetzbarem Kohlenstoff und mineralischem Stickstoff (Nmin) im Boden bedingen den Wechsel zwischen folgenden Mechanismen der RPE: (1) Konkurrenz für Nmin zwischen den Wurzeln und den Mikroorganismen, (2) Aktivierung der Rhizosphärenmikroorganismen durch die Wurzel-exsudate und (3) bevorzugte Nutzung der Rhizodeposite als leichtverfügbares Substrat und nicht der OBS. Dieser Wechsel wird, in Übereinstimmung mit den Typen der Rhizodeposite und der Sukzession der Mikroorganismen, durch die räumliche Abfolge der RPE entlang der wachsenden Wurzel erklärt. Unterschiedliche Mechanismen der Auffüllung der C-Verluste der OBS, die während der RPE entstehen, werden diskutiert. Die ökosystemare Bedeutung der Priming-Effekte durch die Rhizodeposition besteht in der Stimulation der Rhizosphärenmikroorganismen durch den leichtverfügbaren Kohlenstoff zum intensiven mikrobiellen Abbau der organischen Bodensubstanz und in der Mobilisation zusätzlicher Nährstoffe speziell in Perioden des intensiven Pflanzenwachstums.