Rolle der Regenwürmer bei der Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit durch die Produktion biogener Strukturen

Abstract

Die Bodenbiota kommt der Bodenproduktivität zugute und trägt zur nachhaltigen Funktion aller Ökosysteme bei. Der Kreislauf von Nährstoffen ist eine kritische Funktion, die für das Leben auf der Erde unerlässlich ist. Regenwürmer (EWs) sind in den meisten Ökosystemen ein wichtiger Bestandteil der Bodenfaunagemeinschaften und machen einen großen Teil der Biomasse der Makrofauna aus. Ihre Aktivität ist vorteilhaft, da sie den Nährstoffkreislauf im Boden durch die schnelle Einarbeitung von Detritus in Mineralböden verbessern kann. Zusätzlich zu diesem Mischeffekt erhöht die Schleimproduktion, die mit der Wasserausscheidung in Regenwurmdärmen verbunden ist, auch die Aktivität anderer nützlicher Bodenmikroorganismen. Es folgt die Produktion von organischem Material. Kurzfristig ist ein signifikanterer Effekt die Konzentration großer Mengen an Nährstoffen (N, P, K und Ca), die von Pflanzen in frischen Gussablagerungen leicht assimiliert werden können. Darüber hinaus scheinen Regenwürmer die Mineralisierung sowie den Umsatz organischer Bodensubstanz zu beschleunigen. Es ist auch bekannt, dass Regenwürmer die Stickstoffmineralisierung durch direkte und indirekte Auswirkungen auf die mikrobielle Gemeinschaft erhöhen. Der verstärkte Transfer von organischem C und N in Bodenaggregate weist auf das Potenzial von Regenwürmern hin, die Stabilisierung und Akkumulation organischer Bodensubstanz in landwirtschaftlichen Systemen zu erleichtern, und dass ihr Einfluss stark von Unterschieden in den Landbewirtschaftungspraktiken abhängt. Dieses Papier fasst Informationen zu veröffentlichten Daten zu den beschriebenen Themen zusammen.

1. Einleitung

Der Schutz des Bodenlebensraums ist der erste Schritt zur nachhaltigen Bewirtschaftung seiner biologischen Eigenschaften, die die langfristige Qualität und Produktivität bestimmen. Es ist allgemein anerkannt, dass die Bodenbiota der Bodenproduktivität zugute kommt, aber über die im Boden lebenden Organismen und die Funktionsweise des Bodenökosystems ist nur sehr wenig bekannt. Die Rolle der Regenwürmer (EWs) bei der Bodenfruchtbarkeit ist seit 1881 bekannt, als Darwin (1809-1882) sein letztes wissenschaftliches Buch mit dem Titel „Die Bildung von Pflanzenschimmelpilzen durch die Wirkung von Würmern mit Beobachtungen ihrer Gewohnheiten“ veröffentlichte.“ Seitdem wurden mehrere Studien durchgeführt, um den Beitrag der Bodenorganismen zur nachhaltigen Funktion aller Ökosysteme hervorzuheben . Bodenmakrofauna wie EWs verändert die Boden- und Abfallumgebung indirekt durch die Anhäufung ihrer biogenen Strukturen (Abgüsse, Pellets, Galerien usw.) (Tabelle 1). Der Kreislauf von Nährstoffen ist eine kritische Ökosystemfunktion, die für das Leben auf der Erde unerlässlich ist. Studien in den letzten Jahren haben ein zunehmendes Interesse an der Entwicklung produktiver landwirtschaftlicher Systeme mit einer hohen Effizienz der internen Ressourcennutzung und damit geringerem Inputbedarf und geringeren Kosten gezeigt . Gegenwärtig gibt es zunehmend Hinweise darauf, dass Bodenmakroinvertebraten eine Schlüsselrolle bei SOM-Transformationen und Nährstoffdynamiken auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen durch Störung und die Produktion biogener Strukturen zur Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit und Landproduktivität spielen . EWs sind ein Hauptbestandteil von Bodenfaunagemeinschaften in den meisten natürlichen Ökosystemen der feuchten Tropen und umfassen einen großen Teil der Biomasse der Makrofauna . In kultivierten tropischen Böden, in denen organisches Material häufig mit Fruchtbarkeit und Produktivität in Verbindung gebracht wird, könnten die Gemeinschaften von Wirbellosen — insbesondere EWs — eine wichtige Rolle in der (SOM-) Dynamik spielen, indem sie die Mineralisierungs- und Humifizierungsprozesse regulieren .

1.1. Funktionelle Bedeutung von Regenwürmern

Die Auswirkungen von EWs auf bodenbiologische Prozesse und Fruchtbarkeitsniveau unterscheiden sich in ökologischen Kategorien . Anecic Arten bauen dauerhafte Höhlen in die tiefen Mineralschichten des Bodens; Sie ziehen organische Substanz von der Bodenoberfläche in ihre Höhlen für Nahrung. Endogene Arten leben ausschließlich und bauen ausgedehnte, nicht permanente Höhlen in der oberen Mineralschicht des Bodens, hauptsächlich aufgenommene mineralische Bodenmaterie, und sind als „Umweltingenieure“ bekannt,“Oder „Ökosystemingenieure.“ Sie produzieren physische Strukturen, durch die sie die Verfügbarkeit oder Zugänglichkeit einer Ressource für andere Organismen verändern können . Epigene Arten leben auf der Bodenoberfläche, bilden keine dauerhaften Höhlen und nehmen hauptsächlich Streu und Humus sowie zerfallende organische Stoffe auf und mischen keine organischen und anorganischen Stoffe . In den meisten Lebensräumen und Ökosystemen (Tabelle 2) ist es in der Regel eine Kombination dieser ökologischen Kategorien, die zusammen oder einzeln für die Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit verantwortlich sind .

1.2. Rolle der Regenwürmer bei der Nährstoffverfügbarkeit im Boden

EWs beeinflussen die Nährstoffversorgung durch ihr Gewebe, aber weitgehend durch ihre Grabaktivitäten; Sie produzieren Aggregate und Poren (d. H. Biostrukturen) im Boden und / oder auf der Bodenoberfläche und beeinflussen so seine physikalischen Eigenschaften, den Nährstoffkreislauf und das Pflanzenwachstum . Die biogenen Strukturen bilden Zusammenstellungen von organo-mineralischen Aggregaten. Ihre Stabilität und die Konzentration organischer Stoffe beeinflussen die physikalischen Eigenschaften des Bodens und die SOM-Dynamik. Außerdem beeinflussen sie einige wichtige bodenökologische Prozesse in ihrem „Funktionsbereich“, wo sie Nährstoffe und Ressourcen konzentrieren, die von Bodenmikroorganismengemeinschaften weiter genutzt werden . Die Wirkung von EWs auf die Dynamik organischer Materie variiert in Abhängigkeit von den betrachteten Zeit- und Raumskalen . Die Aktivität von endogenen EWs in der feuchten tropischen Umgebung beschleunigt den anfänglichen SOM-Umsatz durch indirekte Auswirkungen auf Boden C als Determinanten der mikrobiellen Aktivität. Aufgrund der selektiven Nahrungssuche organischer Partikel ist der Darminhalt im Vergleich zu Schüttböden häufig mit organischer Substanz, Nährstoffen und Wasser angereichert und kann eine hohe mikrobielle Aktivität fördern . Es wurde berichtet, dass sie die Mineralisierung verbessern, indem sie zuerst SOM fragmentieren und dann mit Mineralpartikeln und Mikroorganismen mischen und dadurch neue Kontaktflächen zwischen SOM und Mikroorganismen schaffen . Kurzfristig ist ein signifikanterer Effekt die Konzentration großer Mengen an Nährstoffen (N, P, K und Ca), die von Pflanzen in frisch gegossenen Ablagerungen leicht assimiliert werden können . Die meisten dieser Nährstoffe stammen aus Regenwurmurin und Schleim . In stark ausgelaugten Böden feuchter Tropen ist die Regenwurmaktivität aufgrund der schnellen Einarbeitung des Detritus in die Böden vorteilhaft . Zusätzlich zu diesem Mischeffekt ist bekannt, dass die Schleimproduktion, die mit der Wasserausscheidung im Regenwurmdarm verbunden ist, die Aktivität von Mikroorganismen verstärkt . Es folgt die Produktion von organischem Material. So zeigen frische Abgüsse hohe Nährstoffgehalte (Tabelle 3). Die chemischen Eigenschaften von Abgüssen unterscheiden sich von denen von nicht bewaldeten Böden und sind reich an pflanzlichen Nährstoffen. Mikrobielle Produkte binden bei ihrer Abscheidung neben Regenwurmschleimen Bodenpartikel und tragen zur Bildung hochstabiler Aggregate bei . Obwohl EWs den anfänglichen Abbau organischer Rückstände beschleunigen können , haben mehrere Studien gezeigt, dass sie SOM auch durch ihren Einbau und Schutz in ihre Abgüsse stabilisieren können . Über längere Zeiträume nimmt diese verstärkte mikrobielle Aktivität ab, wenn die Abgüsse trocknen, und es wird berichtet, dass die Aggregation SOM physisch vor Mineralisierung schützt. Somit nimmt die Mineralisierungsrate ab und die Mineralisierung von SOM aus Abgüssen kann für mehrere Monate blockiert sein . Es könnte für die Mikroflora wieder zugänglich werden, sobald diese in kleine Fragmente abgebaut werden . Darüber hinaus scheinen EWs die Mineralisierung sowie den Umsatz von SOM zu beschleunigen . Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass organisches Material in den Abgüssen, sobald es stabilisiert ist, diese Stabilisierung für viele Jahre aufrechterhalten kann . Dennoch können auch chemische Mechanismen zur Stabilisierung beitragen, da die Abgüsse nachweislich durch starke Wechselwirkungen zwischen mineralischen Bodenpartikeln und SOM, das mit bakteriellen Polysacchariden und Pilzhyphen angereichert ist, zusammengehalten werden . Regenwurmabgüsse werden mit organischem C und N angereichert, wobei die C- und N-Gehalte des nicht aufgenommenen Bodens um den Faktor 1,5 bzw. 1,3 übersteigen (Tabelle 4). Diese Anreicherung tritt in allen Partikelgrößenfraktionen auf, nicht beschränkt auf bestimmte organische Verbindungsdynamiken eines Kulturbodens . Diese Ergebnisse zeigen deutlich die direkte Beteiligung von EWs am Schutz von Boden C in Mikroaggregaten innerhalb großer Makroaggregate, was zu einer möglichen langfristigen Stabilisierung von Boden C führt (Tabelle 5). Es wurde auch berichtet, dass EWs den Einbau von C aus Deckfrüchten in Makroaggregate und, was noch wichtiger ist, in Mikroaggregate, die innerhalb von Makroaggregaten gebildet werden, erhöhen. Der verstärkte Transfer von organischem C und N in Bodenaggregate weist auf das Potenzial von EWs hin, die Stabilisierung und Akkumulation von SOM in landwirtschaftlichen Systemen zu erleichtern .

Es ist bekannt, dass EWs auch die Stickstoffmineralisierung durch direkte und indirekte Auswirkungen auf die mikrobielle Gemeinschaft erhöhen (Tabelle 6). Unsere Studien über die Rolle von EWs im Stickstoffkreislauf während der Anbauphase der Verlagerung der Landwirtschaft in Nordostindien zeigten (Tabelle 7), dass der Gesamtstickstoff im Boden, der den Pflanzen durch die Aktivität von EWs zur Verfügung gestellt wurde, höher war als der Gesamtstickstoffeintrag in den Boden durch die Zugabe von geschnittener Vegetation, anorganischem und organischem Dünger, recycelten Ernterückständen und Unkraut . Eine wichtige Rolle von EWs ist der dramatische Anstieg des Boden-pH-Werts, der durch unsere Studien im sich verschiebenden Agrarökosystem in Nordostindien, in einem sesshaften Terrassenagroökosystem im zentralen Himalaya und in einem intensiven Agrarökosystem in indo-gangetischen Ebenen beobachtet wurde. Dies erhöht die mikrobielle Aktivität und N-Fixierung im Boden, so dass der Stickstoff im Wurmguss zumindest teilweise darauf zurückzuführen sein kann und nicht auf die Konzentration durch die Würmer. Die Stickstoffmineralisierung durch Mikroflora ist auch im Regenwurmdarm sehr intensiv und dauert in frischen Abgüssen mehrere Stunden an , indem organische Stoffe in den Boden eingebracht werden oder die Bakteriengemeinschaft beweidet wird. Es wurde festgestellt, dass EWs die bakterielle Biomasse entweder erhöhen oder verringern und die bakterielle Aktivität stimulieren . Der Einfluss von EWs auf den N-Zyklus scheint jedoch auch weitgehend von der Art des Anbausystems und dem ausgebrachten Dünger (mineralisch versus organisch) bestimmt zu sein. Verschiedene experimentelle Studien legen nahe, dass EWs potenziell negative Auswirkungen auf Dünger-N-Retentionsstudien haben . Die im System vorhandenen Regenwurmarten und Artenwechselwirkungen wirken sich auch auf die Stickstoffmineralisierung und die Pflanzenproduktion aus . Dies kann je nach Arteigenschaften und Substratqualität zu einer verstärkten Stickstoffimmobilisierung oder Mineralisierung führen. Die Überprüfung hebt somit die wichtigen Auswirkungen hervor, die EWs auf C- und N-Kreislaufprozesse in Agrarökosystemen haben und dass ihr Einfluss stark von Unterschieden in den Bewirtschaftungspraktiken abhängt . Darüber hinaus kann das EWs auch die Nährstoffverfügbarkeit in Systemen mit reduziertem menschlichen Einfluss und niedrigem Nährstoffstatus erhöhen, dh ohne Bodenbearbeitung, reduziertem Mineraldüngereinsatz und niedrigem Gehalt an organischer Substanz . Die Rolle von EWs bei der Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit ist ein altes Wissen, das heute besser durch wissenschaftliche Ergebnisse aus verschiedenen Studien erklärt wird. Dies ist ein wichtiges Studiengebiet, in dem die Forschung direkt mit der sozialen Wohlfahrt verbunden ist . Jeder Schritt erfordert geeignete Protokolle und reproduzierbare Ergebnisse. Dies ist ein Feedback-Mechanismus, bei dem die in den Bereichen eingesetzte Technologie in den Labors auf der Grundlage des Feedbacks der Technologieanwender weiter verbessert wird, um den Technologieanwendern überzeugendere Informationen zu liefern.

2. Zukünftiger Forschungsbedarf

Die meisten Studien, die durchgeführt wurden, um die Rolle des Regenwurmgießens im Nährstoffkreislauf und in der Bodenstruktur zu bewerten, beziehen sich auf Oberflächengießarten, und nur wenige haben sich mit unter Feldbedingungen abgelagerten Abgüssen befasst . Um die ökologischen Auswirkungen von In-Soil-Abgüssen besser zu verstehen, wäre die Bewertung der Nährstoffdynamik in Regenwurmhöhlen und der Auswirkungen von In-Soil-Abgüssen auf das Pflanzenwachstum von immenser Hilfe. Für unterirdisch gegossene Regenwurmarten dürften die ökologischen Auswirkungen ihrer unterirdischen Abgüsse in Bezug auf die Nährstoffverfügbarkeit ebenso wichtig sein wie ihre Oberflächenabgüsse, insbesondere für das biologische Management degradierter und gestörter Ökosysteme. Daher ist in diesem Bereich mehr Forschung erforderlich, um unser Wissen über die Rolle von EWs in der Nährstoffdynamik zu vervollständigen und Strategien für bessere Bodenbewirtschaftungstechniken zu entwickeln.

3. Schlussfolgerungen

In Anbetracht des potenziellen Beitrags von EWs zum Bodenfruchtbarkeitsmanagement besteht die Notwendigkeit, sie bei Entscheidungen zum Management von Agrarökosystemen zu berücksichtigen. Die EWs kann sich speziell auf die Bodenfruchtbarkeit auswirken, die für eine nachhaltige Landnutzung in natürlich degradierten Ökosystemen und Agrarökosystemen von großer Bedeutung sein kann. Richtiges Regenwurmmanagement kann Ernteerträge stützen, während Düngemittelinput verringert werden konnte. Da die Landwirtschaft viele bodenstörende Aktivitäten beinhalten kann, wird das Verständnis der Biologie und Ökologie von EWs dazu beitragen, Managementstrategien zu entwickeln, die sich auf die Bodenbiota und die Pflanzenleistung auswirken können.

Abkürzungen

Danksagung

Die Autoren danken Frau Rajani für die Laborunterstützung und Herrn Navin für die logistische Unterstützung.