The leak in the phosphorus cycle ‒ exploring the mechanisms and controls of phosphorus leaching in soils of acquiring and recycling forest ecosystems

Waldökosysteme gehen nach anfänglicher Nutzung gesteinsbürtiger P-Quellen zum Recycling organischer P-Formen über. Aus der organischen Auflagen wird P als Orthophosphat sowie als gelöster organischen Phosphor (DOP) freigesetzt und teilweise in den Mineralboden verlagert. Unsere Ergebnisse aus der ersten Phase des SPP 1685 zeigen abnehmende Austräge an Orthophosphat aus organischen Auflagen mit zunehmender Recyclingtendenz des Waldökosystems, während die DOP-Austräge kaum zurückgehen. Ein Großteil des DOP ist enzymatisch nicht hydrolysierbar, folglich nicht bioverfügbar. Im Mineralboden nimmt Orthophosphat mit zunehmender Bodentiefe deutlich ab; die Abnahme an DOP fällt geringer aus. Damit trägt DOP maßgeblich zum stetigen P-Verlust aus Waldböden bei. Zudem wird auch Orthophosphat nicht vollständig im Mineralboden zurückgehalten. Unklar bleibt, welche Faktoren die unterschiedliche Produktion gelösten P in Auflagen akquirierender und rezyklierender Waldökosysteme steuert. Auch die Ursachen der stetigen Auswaschung gelösten P sind weiterhin ungeklärt.
Unser Vorhaben hat zum Ziel, zu klären, welche Mechanismen und Faktoren die Mobilisierung und Auswaschung von P in Waldökosystemen steuern.
Die Steuergrößen der P-Mobilisierung in organischen Auflagen werden (1) durch Messung gelöster P-Formen sowie der Bioverfügbarkeit von DOP im SPP-Düngungsexperiment und (2) in Mikrokosmen mit organischen Substanzen unterschiedlicher Qualität untersucht. (3) Mittels ¹³C-markierter Komponenten werden wir den Umsatz von niedermolekularem DOP bestimmen. Über die DOP-Freisetzung bei P-Düngung und die variierende Stöchiometrie der Streu (C:P:N-Verhältnisse) können wir ermitteln, ob die DOP-Mobilisierung von der P-Verfügbarkeit gesteuert wird oder ob sie ein Nebenprodukt der Umsetzung organischer Substanz ist. In Klimakammern ermitteln wir die Temperaturabhängigkeit der P-Mobilisierungsprozesse, die, neben der chemischen Zusammensetzung, eine zentrale Steuergröße ist.
Als eine mögliche Ursache des Transports gelösten P im Mineralboden wird kolloidales P mittels Ultrazentrifugation untersucht. Bindung an Kolloide wäre auch eine Erklärung der geringen Hydrolysierbarkeit von DOP. Der mögliche Beitrag bodenbürtiger organischer Verbindungen zum DOP im Unterboden wird durch Trennung in P-reiche und P-arme Fraktionen in Kombination mit ¹⁴C-Analysen getestet. Die chemische Charakterisierung gelösten P erfolgt mit ¹³P-NMR. Begrenzender Faktor sind die geringen P-Gehalte in Bodenwässern und es nicht immer erlauben ¹³P-NMR einzusetzen. Hier soll Silberanoden-XPS eingearbeitet werden, um P-Bindungsformen in kleinsten Probemengen aus Unterböden zu charakterisieren.
Um eine Generalisierung der Aussagen zu ermöglichen, werden weitere Standorte auf gelöste P-Formen im Bodenwasser untersucht. Den Abschluss der Arbeiten bildet eine Synthese aller Fluss- und Transportergebnisse innerhalb des SPP 1685, was für eine Modellierung des P-Kreislaufs in Waldökosystemen entscheidend ist.

During ecosystem development, forest ecosystems gradually change from the acquisition of rock P to the recycling of organic P. Orthophosphate and dissolved organic P (DOP) are released in the organic layers and partly leached into the mineral soil. Our results obtained during phase 1 of SPP 1685 indicate decreasing leaching of orthophosphate from organic layers with increasing recycling tendency of the forest ecosystems. In comparison, DOP does not decrease much. Most DOP is not enzymatic hydrolysable, and consequently bioavailability is little. Orthophosphate decreases with depth in the mineral soil; the decline in DOP is less strong. Likely, DOP contributes substantially to the steady P loss from all forest ecosystems, but also orthophosphate is not retained completely in the mineral soil. Yet, the factors controlling the differential production of dissolved P in organic layers of acquiring and recycling forest ecosystems are not resolved. Also, the causes for the steady leaching of dissolved P are not fully understood.
The proposed work aims at exploring the mechanisms and controls of the mobilization and leaching of P in forest ecosystems.
Mobilization of P in organic layers will be assessed by measuring the release of P forms and DOP bioavailability in the SPP-fertilization experiment and in microcosms with organic matter of different quality. Also, we will trace the fate of ¹³C-labelled compounds to determine DOP turnover and the rate limiting steps in the mobilization process. By measuring P leaching with and without nutrient fertilization and from substrates with differing stoichiometry (C:P:N ratios), we can deduce if DOP production is driven by P availability or is rather a byproduct of soil organic matter cycling. In climate chambers, we will estimate the temperature dependency of P mobilization processes, which is a key factor in the P cycle.
One possible cause for the mobility of dissolved P is colloidal transport. We, thus, will analyze soil solutions for colloids by ultracentrifugation. Binding to colloids can also explain the poor enzymatic hydrolyzability of DOP. The possible release of DOP from soil matrix-bound organic P compounds will be tested by separating DOP in P-rich and P-poor fractions, combined with ¹⁴C analyzes. Characterization of dissolved P will be carried out with ³¹P-NMR, which is often limited by the small amounts of P in subsoil solutions. Therefore, we will employ XPS with Ag anode excitation to determine P binding forms in small samples. Part of the project will be dedicated to the development of this new method.
In order to generalize the obtained results, we will determine dissolved P in soil waters sampled sporadically at a number of additional forest sites. Finally, we will contribute to the synthesis on transport- and flux-related results within SPP 1685, which is a prerequisite for the modeling of the P cycle in forest ecosystems.