Plant rhizodeposition — an important source for carbon turnover in soils

The soil organic matter plays a key role in ecological soil functions, and has to be considered as an important CO2 sink on a global scale. Apart from crop residues (shoots and roots), left over on the field after harvest, carbon and nitrogen compounds are also released by plant roots into the soil during vegetation, and undergo several transformation processes. Up to now the knowledge about amount, composition, and turnover of these root-borne compounds is still very limited. So far it could be demonstrated with different plant species, that up to 20 % of photosynthetically fixed C are released into the soil during vegetation period. These C amounts are ecological relevant. Depending on assimilate sink strength during ontogenesis, the C release varies with plant age. A large percentage of these root-borne substances were rapidly respired by microorganisms (64—86 %). About 2—5 % of net C assimilation was kept in soil. The root exudates of maize were mainly water-soluble (79 %), and in this fraction about 64 % carbohydrates, 22 % amino acids/amides and 14 % organic acids could be identified. Plant species and in some cases also plant cultivars varied strongly in their root exudation pattern. Under non-sterile conditions the exuded compounds were rapidly stabilized in water-insoluble forms and bound preferably to the soil clay fraction. The binding of root exudates to soil particles also improved soil structure by increasing aggregate stability. Future research should focus on quantification and characterization of root-borne C compounds during the whole plant ontogenesis. Apart from pot experiments with 14CO2 labeling, it is necessary to conduct model field experiments with 13CO2 labeling in order to be able to distinguish between CO2 originating from the soil C pool and rhizosphere respiration, originating from plant assimilates. Such a separation is necessary to assess if soils are sources or sinks of CO2. The incorporation of root-borne C (14C, 13C) into soil organic matter of different stability is also of particular interest. Pflanzliche Rhizodeposition — eine wichtige Quelle für den Kohlenstoffumsatz in Böden Die organische Bodensubstanz (OBS) nimmt eine Schlüsselrolle bei den ökologischen Bodenfunktionen ein und stellt global betrachtet eine wichtige CO2-Senke dar. Neben den auf dem Feld verbleibenden Ernte- und Wurzelrückständen werden C- und N-Verbindungen auch während des Pflanzenwachstums in den Boden abgegeben und unterliegen dort vielfältigen Umsetzungsprozessen. Der Kenntnisstand über die Menge, Zusammensetzung und den Umsatz dieser wurzelbürtigen Verbindungen im Boden ist noch sehr begrenzt. Daher beschäftigt sich die vorliegende Publikation mit der Rhizodeposition als wichtiger Quelle des C-Umsatzes in Böden, insbesondere mit den mobilen Wurzelabscheidungen. Bisher konnte anhand verschiedener Pflanzenarten gezeigt werden, dass bis zu 20 % des photosynthetisch fixierten C während der Vegetation durch die Wurzeln freigesetzt werden. Es handelt sich dabei um ökologisch relevante C-Mengen. In Abhängigkeit von der Stärke des Assimilatsinks während der Ontogenese variiert die C-Freisetzung mit dem Pflanzenalter. Ein hoher Anteil dieser wurzelbürtigen Verbindungen (64—86 %) wurde schnell durch Mikroorganismen veratmet. 2—5 % der Netto-C-Fixierung blieben im Boden zurück. Dieser Bodenrückstand war bei Wurzelabscheidungen von Mais hauptsächlich wasserlöslich (79 %), und in dieser Fraktion wurden 64 % Kohlenhydrate, 22 % Aminosäuren/Amide und 14 % organische Säuren identifiziert. Pflanzenarten und teilweise auch -sorten variierten stark in der Zusammensetzung ihrer Wurzelexsudate. Unter insterilen Bedingungen wurden die exsudierten Verbindungen schnell in nichtwasserlöslicher Form stabilisiert und vor allem an die Tonfraktion des Bodens gebunden. Die Bindung an Bodenpartikel verbesserte die Bodenstruktur durch erhöhte Aggregatstabilität. Zukünftige Forschungsarbeiten sollten sich auf die Quantifizierung und Charakterisierung wurzelbürtiger C-Verbindungen während der gesamten pflanzlichen Ontogenese konzentrieren. Abgesehen von Gefäßversuchen mit 14CO2-Applikation ist es erforderlich, Feldmodellversuche mit 13CO2-Applikation durchzuführen, um zwischen der CO2-Emission aus dem Boden-C-Pool und derjenigen aus der Rhizosphärenatmung (Ursprung sind Pflanzenassimilate) unterscheiden zu können. Eine solche Trennung ist zur Beurteilung, ob Böden eine Quelle oder Senke für CO2 darstellen, zwingend erforderlich. Von besonderem Interesse ist auch der Einbau des wurzelbürtigen C (14C, 13C) in OBS-Fraktionen unterschiedlicher Stabilität.