Bedeutung der Stickstoffumsetzung und externer Stickstoffquellen für die Entwicklung von FFH-Mähwiesen in Baden-Württemberg | Importance of nitrogen turnover and external nitrogen sources for the development of FFH meadows in Baden-Württemberg

Der Zustand der artenreichen und schützenswerten mageren Flachland-Mähwiesen (Lebensraumtyp 6510) in Deutschland verschlechtert sich zunehmend. Eine Ursache für die Verschlechterung stellt u. a. das Angebot von reaktivem Stickstoff (N) dar. Um der fortschreitenden Verschlechterung entgegenzuwirken, ist es notwendig, die Beziehungen zwischen externen N-Eintragen (über die Atmosphäre und Düngung), interner N-Umsetzung im Boden, Pflanzenaufnahme und -wachstum sowie mögliche Zusammenhänge mit dem Erhaltungsgrad dieses Lebensraumtyps zu verstehen. Übergeordnetes Ziel dieser Dissertation ist es daher, zu einem besseren Prozessverständnis des N-Kreislaufs von FFH (Fauna-Flora-Habitat)-Mähwiesen beizutragen. Der interdisziplinäre Aufbau dieser Arbeit beinhaltet verschiedene Ansätze zur Untersuchung der N-Problematik. Bezüglich des N-Eintrags über den luftbürtigen Pfad wurde der Fokus v. a. auf bis dato kaum untersuchte Zusammenhänge zwischen Ammoniak (NH3)-Konzentration und N-empfindlichen Artengruppen auf FFH-Mähwiesen gelegt. Diese wurden anhand Generalisierter Linearer Modelle (GLM) auf Basis landesweit verfügbarer Daten analysiert. Darüber hinaus wurden weitere Standortfaktoren mit maßgeblichem Einfluss auf den Erhaltungsgrad von FFH-Mähwiesen mittels GLM identifiziert. Zur Quantifizierung bodenbürtiger N-Umsetzungsprozesse und zur Erfassung der N-Dynamik wurde ein empirischer Ansatz gewählt, der die Bestimmung von Brutto-N-Umsatzraten mit der 15N-Isotopenverdünnungsmethode im Feldversuch beinhaltet. Hierfür wurde 2016 und 2017 ein intensives Monitoring der Brutto- und Netto-N-Flüsse (Mineralisierung, Nitrifizierung, Ammonium- und Nitrat-Verbrauch) in Böden aus unterschiedlichem Ausgangssubstrat und mit unterschiedlichem Erhaltungsgrad der FFH-Mähwiesen durchgeführt. Die Zusammenführung der Ergebnisse erfolgte mit Hilfe eines prozessbasierten Agrarökosystemmodells (EXPERT-N), das für den LRT 6510 an die erhobenen Daten angepasst wurde. Das angepasste Modell wurde auf landesweit verteilte Standorte des LRT 6510 in Baden-Württemberg übertragen, die der Untersuchung räumlicher und zeitlicher Muster der relevanten N-Flüsse über einen längeren Zeitraum (1996 bis 2012) dienten und ebenfalls boden- und vegetationskundlich charakterisiert worden waren. Die landesweiten Daten zeigen eine statistisch signifikante Abnahme von LRT-typischen Magerkeitszeigern und eine Zunahme von N-Zeigern mit zunehmender atmosphärischer NH3-Konzentration. Ob es sich dabei um eine Auswirkung der atmosphärischen NH3-Konzentration handelt oder nicht vielmehr agrarstrukturelle Unterschiede die entscheidende Rolle spielen, konnte mit den verfügbaren Daten nicht geklärt werden. Das intensive Monitoring auf FFH-Mähwiesen zeigt, dass sich die Brutto-Nitrifikationsraten in Böden aus kalkreichem Ausgangssubstrat (hoher pH) signifikant von denen in Böden aus entkalktem Substrat (niedriger pH-Wert) unterscheiden. Sowohl die Brutto-Mineralisation als auch die Brutto-Nitrifikation waren an allen Standorten durch eine hohe zeitliche Variabilität gekennzeichnet, die nicht durch die Messung der Bodentemperatur und des Bodenwassergehalts erklärt werden konnte. Die Bestimmung der Netto-N-Umsatzraten zeigte nahezu keine Variabilität und konnte nicht für Rückschlüsse auf die Brutto-Umsatzraten im Boden herangezogen werden. Das für den LRT 6510 angepasste N-Umsatzmodell war in der Lage, räumliche und zeitliche Muster auch über längere Zeiträume abzubilden. Die Simulationen zeigten eine hohe räumliche und zeitliche Variabilität für die meisten Größen des N-Kreislaufs. Die Mineralisation von organischem N im Boden hat einen entscheidenden Einfluss auf den Anteil an pflanzenverfügbarem N und damit auch unmittelbare Auswirkungen auf den Ertrag und den N-Entzug. Auf stark tonigen Boden und Standorten mit hohem Anteil organischer Substanz zeigte sich eine Überschätzung der Mineralisation durch das Modell. Externe N-Eintrage, etwa eine moderate organische Düngung oder atmosphärische N-Deposition, waren weniger ausschlaggebend für den Ertrag. Ein zusätzlicher N-Eintrag ist kurzfristig immer ein treibender Faktor für den N-Umsatz im Boden. Bei bereits hohem Umsatzniveau steigen die N-Umsätze weiter an und damit steigt auch die Gefahr von Nährstoffungleichgewichten. Langfristig ist für den N-Haushalt der FFH-Mähwiesen entscheidend, ob die N-Zufuhr über der Abfuhr liegt, ob die mineralisierbaren organischen N-Pools damit erhöht werden oder ob ein Ausgleich zwischen Zufuhr und Abfuhr erreicht werden kann. Bei hohen bodeninternen N-Umsätzen, wie es auf einem Großteil der simulierten Flächen der Fall war, sollte eine längere Aushagerungsphase vorgeschaltet werden. Die Dissertation liefert einen Einblick in die Komplexität des N-Kreislaufs von FFH-Mähwiesen. Sie trägt mit unterschiedlichen Ansätzen (statistische Analysen, Feldversuche, Prozessmodellierung) dazu bei, die Rolle der N-Umsetzung und externer N-Quellen für die Entwicklung dieser Ökosysteme besser zu verstehen.

1. AIM AND OBJECTIVES OF THE STUDY. The condition of the species-rich lowland hay meadows (habitat type 6510) in Germany is increasingly deteriorating. One cause of the deterioration is the supply of reactive nitrogen (N). To counteract the ongoing deterioration, it is necessary to understand the relationships between external N inputs via the atmosphere and fertilization, internal N turnover in the soil, plant uptake and growth, as well as possible links to the conservation degree of this habitat type. The overall objective of this dissertation is therefore to contribute to a better process-based understanding of the complete N cycle of Fauna-Flora-Habitat (FFH) meadows. 2. MATERIAL & METHODS. The interdisciplinary structure of this thesis includes different approaches to study inputs, turnover and outputs of N. With respect to N input via the airborne pathway, the focus was primarily placed on the hitherto poorly studied relationships between ammonia concentration and specific N-sensitive species groups in FFH lowland hay meadows. These relations were analyzed by means of generalized mixed models (GLM) based on nationwide data. In addition, further site-specific factors with a significant influence on the conservation degree of FFH meadows were identified using GLM. For the quantification of soil-borne N turnover processes, an empirical approach was chosen, including the determination of gross N turnover rates using the 15N isotope dilution method. To record these N dynamics, an intensive monitoring of gross and net N fluxes (mineralization, nitrification, ammonium consumption, nitrate consumption) in soils from different primary substrate and with different meadow conservation degree was carried out in 2016 and 2017. The results were merged using a process-based agroecosystem model (EXPERT-N), which was adjusted for habitat type 6510 to the collected data. The adapted model was applied to other sites of habitat type 6510 distributed throughout the state of Baden-Württemberg, which served to investigate spatial and temporal patterns of relevant nitrogen fluxes over an extended time period (1996 until 2012) and had been characterized in terms of soil and vegetation. 3. RESULTS. The nationwide data show a statistically significant decrease of habitat-typical low-nutrient indicator species and an increase of N indicator species with increasing atmospheric ammonia concentration on lowland hay meadows in Baden-Württemberg. Whether this is an effect of the atmospheric ammonia concentration or whether differences in agricultural land use structure play the decisive role could not be clarified with the available data. The intensive monitoring on selected FFH lowland hay meadows showed that soil-borne gross nitrification rates on soils from calcareous parent substrate (high pH) differed significantly from those from decalcified substrate (low pH). Both gross mineralization and gross nitrification were characterized by high temporal variability at all sites, which could not be explained by measurements of soil temperature and soil water content. Determination of net N turnover rates showed almost no variability and could not be used to draw conclusions about actual gross turnover rates in soil. The N-turnover model adapted for habitat type 6510 was able to represent spatial and temporal patterns over an extensive period of time. Simulation results showed high spatial and temporal variability for most N cycle variables. Soil organic N mineralization has a critical influence on the amount of plant-available N and thus has a direct impact on yield and N removal. On high clay-content soils and sites with high organic matter content, the model overestimated mineralization. External N inputs, such as moderate organic fertilization or atmospheric N deposition, were less crucial for yield. Additional N input is always a driving factor for N turnover in soil in the short term. With already high turnover levels, N turnover continues to increase and thus the risk of nutrient imbalances also increases. In the long term, the decisive factor for the N balance of FFH lowland hay meadows is whether N supply exceeds removal, whether the mineralizable organic N pools are thus increased, or whether a balance between supply and removal can be achieved. If soil internal N turnover is high, as it was the case on most of the simulated sites, a longer depletion phase should be applied before. In summary, this dissertation provides insight into the complexity of N cycling of FFH meadows. Using various approaches (statistical analyses, field trials, process-based modelling), it contributes to a better understanding of site-specific N turnover and the role of external N sources for the development of this ecosystem.