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Der Einsatz von organischen Reststoffen zum Anheben oder Stabilisieren des Humusgehaltes als auch um langfristig die Bodenfruchtbarkeit zu verbessern, hat zunehmend an Bedeutung zur Verbesserung der Gesundheit des Bodens und der Bodenproduktivität gewonnen. Die Umwandlung von Ernterückständen, um Bodeneigenschaften zu verbessern, hängt von der Qualität und dem Zustand der Stoffe ab, diese hängen wiederum von der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials ab. In Entwicklungsländern werden die meisten Ernterückstände als Tierfutter oder auch als Baumaterial genutzt, viele werden auch als Ersatzbrennstoff für Holz genutzt; zur Vorbereitung des Bodens zur nächsten Ernte oder zur Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten und Schadinsekten werden die Reststoffe oftmals verbrannt. Vom Brennen muss abgeraten werden, da die organische Substanz verloren geht und gleichzeitig ein Verlust der flüchtigen Elemente wie Stickstoff und Schwefel erfolgt, nur bei einer absoluten Notwendigkeit zur Schädlingsbekämpfung sollten die Reststoffe verbrannt werden. Im Sudan werden jährlich am Ende eines jeden Vegetationsperiode landwirtschaftliche Reststoffe vernichtet; insbesondere Baumwollrückstände werden jährlich verbrannt, um die Ausbreitung von Bakterien und der Knollenfäule, die 35% Verluste in der nachfolgenden Saison verursacht, zu verhindern.Diese Studie wurde in zwei Teilen durchgeführt, ein Labor- und Gewächshaus- Experiment am Department für Nutzpflanzenwissenschaften der Universität Göttingen, Deutschland, ein zweites Experiment an der Fakultät für Landwirtschaft der Universität Khartoum, Sudan. Verschiedene Versuche wurden durchgeführt: Auswertung von Kompostierungsversuchen der Baumwollrückstände, als reguläre, normale Kompostierung und als Vermikompostierung (Zusatz von Regenwürmer) und ein Phytoxizitäts-Bioassay-Test des fertigen Komposts und Vermikomposts, um ihre Eignung für landwirtschaftliche Anwendungen zu prüfen. Die Ergebnisse dieser Experimente führten zu einem Gefäßversuch, in mit Weidelgras die Nährstoffaufnahme untersucht wurde. Gleichzeitig wurde ein Stickstoff-Inkubationsexperiment durchgeführt, um die Rate des mineralisierten Stickstoffs aus Kompost und Vermikompost zu bewerten. Bei dem Versuch, eine Alternative zur Verbrennung von Baumwollstroh zu finden, wurde auch ein Experiment (Anzahl der Kolonie bildenden Einheiten von Mikroorgansimen) durchgeführt, welches die Wirksamkeit der Kompostierung und Vermikompostierung auf die bakterielle Braunfäule der Baumwolle überprüften sollte.Für diese Arbeit wurde Baumwollstroh aus den landwirtschaftlichen Betrieben der El-Gazira Bewässerungslandwirtschaft (El-Gazira State, Sudan) genommen, Bodenproben wurden aus dem Oberboden (0-30 cm) des Shambat Boden gezogen. Für die experimentellen Arbeiten im Sudan wurde Stallmist (FYM) aus einer Farm in der Nähe der Fakultät für Landwirtschaft, Universität Khartoum, Shambat, genutzt; aus dem Institut für Tierzucht, Universität Göttingen, Deutschland, wurde FYM für die Experimente in Göttingen genutzt.Eine regelmäßige Analyse der Kompostierungsvorgänge erfolgte durch Gesamt-C und Gesamt-N (trockene Verbrennung mittels einem Elementaranalysator) Bestimmungen; Ammonium- und Nitrat-Gehalte der feldfeucht gezogenen Proben erfolgte mittels Mikro-Kjeldahl Destillationsverfahren, die Summe bildete den mineralischen Stickstoff. Phosphor wurde nach der Molybdat-Blau-Komplex-Methode bestimmt und spektrophotometrisch gemessen. In einem Extrakt im Wasser-Kompost-Verhältnis 10:1 wurde die elektrische Leitfähigkeit und der pH-Wert bestimmt. Einige Makro- und Mikronährstoffe wurden in einem Verfahren unter Verwendung eines Druckaufschlusses gemessen.Verschiedene Studien wurden an der Universität Göttingen durchgeführt. Die erste Studie charakterisiert das kompostierte und vermikompostierte Baumwollstroh auf seine chemische Zusammensetzung und seinen agronomischen Wert und zielte darauf ab, (1) die chemischen Veränderungen während der Kompostierung und Vermikompostierung aus Baumwollstroh zu bestimmen; und (2) die Ergebnisse der chemischen Veränderungen mit den Daten des Bioassays-Tests zu korrelieren und (3) um die Qualität Parameter, die am besten einen fertigen Kompost und Vermikompost beschreiben, zu bestimmen.Die Ergebnisse dieses Teils zeigten, dass die Analysen des Komposts und des Vermikomposts eine breite Variation im pH-Wert, Gesamt-N, Gesamt-C, C/N-Verhältnis, elketrische Leitfähigkeit (EC) und Mineralstoffgehalt aufweisen. Der fertige Kompost und Vermikompost zeigte folgende Werte des C/N-Verhältnis: 15,4 und 15,2 für Kompost und Vermikompost; pH 6,6 für Kompost und 7,9 für Vermikompost und eine elektrische Leitfähigkeit (EC) von 2,96 dS m-1 und 1,62 dS m-1 für Kompost und Vermikompost, welches übliche Bereiche für reife Komposte sind (C/N: 15-20; pH: 5,5-8,0; EC: 4 dS m-1) mit Ausnahme der Werte NH4-N/NO3-N (1,57) der fertigen Komposte, die weit über den empfohlenen Wert (0,16) liegen, während der Wert des fertigen Vermikompost (0,1) unter dem Grenzwert liegt.Eine Korrelation zwischen NH4-N, NO3-N, EC, C:N, und pH wurde durchgeführt. Für den Vermikompost lagen die Korrelationskoeffizienten zwischen C/N-Verhältnis und      NH4-N, NO3-N, pH und EC mit r = 0,86 bei (P <0,01), -0,79 (P <0,01), 0,91 (P <0,01) und -0,77 (P <0,01). Die NH4-N-Konzentration war eng zum NO3-N korreliert (r =- 0,95, P <0,01). Die negative Korrelation zwischen NH4-N und NO3-N deutet darauf hin, dass das Material einer aktiven biologischen Zersetzung unterlag; dieses Ergebnis wurde mit dem NH4-N/NO3-N-Verhältnis bestätigt. Die signifikante negative Korrelation zwischen dem C/N-Verhältnis und dem NO3-N Wert (r =- 0,79, P <0,01), dem C/N-Verhältnis und dem NH4-N Wert gibt die Tendenz der Vermikompostierung wieder. Für den Kompost lagen die Korrelationskoeffizienten zwischen C/N-Verhältnis und NH4-N, NO3-N, pH und EC mit r = 0,88 bei (P <0,01), 0,94 (P <0,01), 0,59 (P = 0,02) und -0,72 (P <0,01). Die NH4-N-Konzentration war gut mit dem NO3-N Wert korreliert (r = 0,80, P <0,01). Diese Ergebnisse zeigen, daß die Reduktion im C/N-Verhältnis in der Zeit als ein zuverlässiger Parameter genommen werden kann, um den Fortschritt der Zersetzung darzustellen, wenn sie mit den Daten für NH4-N, NO3-N, pH und EC für den Vermikompost und mit den Daten NH4-N, pH und EC für den Kompost kombiniert werden.Organische Materialien können schädliche Auswirkungen auf Pflanzen oder keimenden Samen ausüben, daher wurde ein Phytotoxizitäts-Bioassay-Test als ein wichtiger Indikator für die Qualität durchgeführt, Ziel war es, eine Bewertung der Toxizität und eine Eignung des fertigen Komposts und Vermikomposts aus Baumwollstroh auf die Keimung von Kressesamen zu erhalten. Die Auswirkungen von Wasser-Extrakten verschiedener Substrate wurden untersucht, wobei die gekeimten Samen ausgezählt und die Länge der Hauptwurzel der Kresse (Lepidium sativum L.) gemessen wurde. Die Indizes der Keimung für Vermikompost (> 80%) sind größer als empfohlene Werte für reife Komposte (> 70%), während der Kompost (> 50%) diese Werte nicht erzielte. Die Ergebnisse dieser Arbeiten zeigten, dass fertige Vermikomposte am besten in diesem Kresse Bioassay Test abschnitten und als „reife Komposte“ betrachtet werden können, während der Kompost negative Auswirkungen auf die Keimung der Samen zeigte, also noch nicht „reif“ war.Die Bewertung der fertigen Komposte und Vermikomposte erfolgte in einem Gefäßversuch mit Weidelgras. Ein gleichzeitiges Inkubations-Experiment zur Stickstoffmineralisierung erfolgte unter Laborbedingungen, um Kompost und Vermikompost in ihrer N-Freisetzung zu bewerten und auch die langfristigen Auswirkungen ihrer Anwendung vorherzusagen. Beide Experimente dienten zur Bestimmung der Leistung von Kompost und Vermikompost auf das Pflanzenwachstum nach einmaliger Anwendung, die Prüfung der Zuverlässigkeit des N-Schicksals erfolgte durch das Inkubations-Experiment zur Beurteilung des potenziell mineralisierbaren Stickstoffs. Der Gefäßversuch erfolgte unter natürlichen Lichtbedingungen und der Umgebungstemperatur. Um dieses zu erreichen, wurde der Gefäßversuch im Gewächshaus des Departments für Nutzpflanzenwissenschaften durchgeführt. Kompost und Vermikompost entsprachen einer 4 g und 8 g N-Gabe pro Topf. Der Kompost und Vermikompost des Gefäßversuches wurde auch zur Inkubation genutzt.Daten aus dem Gefäßversuch zeigten, dass sowohl in den Kompost als auch Vermikompost gedüngten Gefässen die Biomasseerträge nach der zweiten Ernte stark zurückgingen, signifikante Unterschiede (P <0,05) wurde nur für die erste, zweite und letzte Ernte bestimmt. Die Biomasse der ersten und der letzten Ernten der Töpfe mit Vermikompost in der 4 g N/Topf Variante (VER1) entsprachen 1,4 und 0,1 g kg-1, während die Weidelgraserträge im Vermikompostversuch 8 g N/Topf (VER2) 0,8 g kg-1 für die erste Ernte und 0,2 g kg-1 ergaben., jeweils Weidelgras Biomasse auf Töpfen ausgesät mit Kompost entsprach geändert 8 g N pot-1 (CPF2) waren 1,4 g kg-1 bei der ersten Ernte und 0,3 g kg-1 für die letzte. Der beobachtete Rückgang der Biomasse in allen Töpfen mit Kompost oder Vermikompost nach 30 Tagen scheint das Ergebnis einer extremen Verknappung des verfügbaren N zum Weidelgraswuchs sein, besonders in den Gefäßen, die mit dem Vermikompost gedüngt wurden. Dieses wurde durch die sichtbaren Zeichen des N-Mangels (Chlorose) unterstützt.Die Ergebnisse zeigten auch, dass sowohl für Kompost und Vermikompost Varianten die Gesamt-N Gehalte des Weidelgrases dem Trend in der Biomasse folgten, wo die höheren N-Gehalte in ersten Ernte beobachtet wurden und die niedrigsten in der letzten. Die N-Gehalte waren je nach Kompostgaben 6,1-6,4% für die Ernte nach 10 Tagen und 2,4-2,9% für die Ernte nach 70 Tagen. Die N-Gehalte in den Vermikompost gedüngten Varianten lagen bei 3,7-4,0% für die Ernte nach 10 Tagen und 1,9-2,1% für die Ernte nach 70 Tagen. Die N-Gehalte des Weidelgrases der Kompost-Variante lag innerhalb der ausreichenden Versorgung (3-4,2%) N für ein normales Wachstum, während die Werte der Vermikompost gedüngten Varianten diesem Bereich nur zur Ernte nach 10, 60 und 70 Tagen erfüllten. Die Effizienz der N-Aufnahme war gering (>80% der N wurde nicht durch die Ernte genutzt).Die Ergebnisse des N-Inkubations-Experiment zeigte, dass die Höchst-und Mindestwerte des mineralischen N zwischen den Kompost- und Vermikompost-Aufwandmengen variierten. Dementsprechend betrugen die Werte für die 4 g N Variante VER1 9,41 bis 44 mg N kg-1; 13,2 bis 51,0 mg N kg-1 für die Vermikompost-Variante 8 g N Topf-1 (VER2), 7,2 bis 27,4 mg N kg-1 für die Kompost-Variante, entsprechend 4 g N Topf-1 (CPF1) und 4,2 bis 46,0 mg N kg-1 für die Kompost-Variante entsprechend 8 g N Topf-1 (CPF2).Die Netto-N-Mineralisierung am Ende der Inkubationszeit war signifikant (P <0,001) zwischen den Kompost- und Vermikompost – Varianten und deren Aufwandmengen. Die Böden, die mit Vermikompost entsprechend 4 g N Topf-1 (VER1), Vermikompost entsprechend 8 g N Topf-1 (VER2) und Kompost entsprechend 8 g N Topf-1 (CPF2) behandelt wurden, erfuhren eine Netto-N-Mineralisierung, die etwa doppelt so hoch war als bei Böden mit Kompost entsprechend 4 g N Topf-1 (CPF1). Allerdings gab Ergebnisse der N Inkubationsexperiment allgemeine Hinweise auf N-Verfügbarkeit für Nutzpflanzen und schlug vor, dass Anwendung von Kompost und vermicomposted Baumwolle Rückstände für einen Zeitraum von mehr als drei Wochen vor der Aussaat die nachfolgenden Kulturen unterwerfen N, um Verluste können.Um eine Alternative zum Verbrennen des Baumwollstrohs zu finden, befasste sich ein Teil dieser Arbeit mit der Wirksamkeit von Kompost und Vermikompost zur Unterdrückung der bakteriellen Braunfäule. Infizierte Baumwolle-Rückstände wurden gesammelt und einer Kompostierung und Vermikompostierung unterzogen. Proben aus den Kompostierungen wurden monatlich gesammelt und in einem semi-selektiven Medium nach der Verdünnungsreihe Methode kultiviert. Die Pathogenität wurde als „Kolonie-bildende-Einheit“ pro Gewicht der frischen Probe nach 3-4 Tagen Inkubation unter optimalen Bedingungen ausgezählt und gewertet.Die Ergebnisse zeigten, dass die Reduzierung der Erreger (berechnet als Differenz zwischen der Pathogenität in den Komposten und der Kontrolle) erheblich variierte. Für den Kompost betrugen die Werte <2% nach 30 Tagen, > 40% nach 60 Tagen und rund 38% nach 150 Tagen der Zersetzung. Während für den Vermikompost die Reduzierungen > 10% nach 30 Tagen, > 22% nach 60 und > 88% für Proben bei 150 Tagen betrugen. Die Ergebnisse zeigten auch, dass die höchste Zahl Erreger während der ersten Probenahme gefunden wurde und mit der Zeit abnahmen (r = 0,71; P ≤ 0,0001). Diese Studie ergab, dass es sowohl der Kompostierung und der Vermikompostierung gelungen ist, die Kolonie-bildenden Einheiten (CFU g frisches Material-1) der Erreger zu vermindern. Ein möglicher Prozess, um die infizierten Baumwolle-Rückstände anstelle durch Verbrennung zu behandeln.Insgesamt ergibt die Arbeit: (1) die Kompostierung und Vermikompostierung sind ein möglicher Prozess, um die infizierten Baumwoll-Rückstände zu behandeln, anstatt sie zu verbrennen, (2) die Reduktion des C/N-Verhältnisses im Laufe einer Kompostierung als einen zuverlässigen Parameter zum Fortschritt in Zersetzung zu nehmen, besonders, wenn sie mit den Daten NH4-N, NO3-N, pH und EC der Vermikompostierung kombiniert und mit den Daten NH4-N, pH und EC für die Kompostierung kombiniert wird, (3) dass 240 Tonnen ha-1 des fertigen Kompost und Vermikompost als Richtschnur für die Landwirtschaft angenommen werden können. Darüber hinaus schlug diese Arbeit einfache und praktische Verfahren für die Kompostierung und Vermikompostierung der organischen Abfälle, die aus lokalen Ernterückständen stammen, vor und Verfahren zur Regenwurmzucht für die Vermikompostierung und verschiedene andere Zwecke.

Resumo: Para conhecer o potencial de plantas de cobertura no fornecimento de nitrogênio para o milho, em sistema de plantio direto, foi avaliado o N potencialmente mineralizável (N0) do solo por meio de ensaio de incubação aeróbia de longa duração e o N disponível por meio dos extratores químicos KCl a quente, Dakota do Sul modificado e tampão fosfato borato a pH 11,2. Foram utilizadas amostras de solo de experimento a campo, instalado em área de Latossolo Vermelho argiloso e conduzido em delineamento em blocos casualizados, com cinco tratamentos: testemunha com vegetação espontânea, sorgo, milheto, mucuna-preta e feijão-de-porco, e cinco repetições. A coleta de solo nas parcelas foi feita após a dessecação das plantas de cobertura e antes do cultivo de milho, nos anos agrícolas de 2007/2008 e 2008/2009. O solo coletado, representativo da profundidade de 0 a 10 cm, foi utilizado no ensaio de incubação aeróbia, em experimento em vasos, com milho, e para as análises químicas. A eficiência dos extratores foi avaliada por meio de testes de correlação, empregando como variáveis de referência o N0 e o N mineralizado acumulado por 30 semanas, obtidos no ensaio de incubação aeróbia, e a produção de matéria seca e o N acumulado na parte aérea do milho, obtidos no experimento em vasos. As plantas de cobertura não diferem entre si quanto ao potencial de fornecimento de N para o milho. O método do KCl a quente é capaz de predizer a mineralização de N, porém os métodos químicos avaliados para predizer o N disponível não são eficientes / Abstract: Aiming to determine the potential of cover crops to supply nitrogen for corn in no-tillage system, it was evaluated the soil potentially mineralizable N (N0) by long-term aerobic incubation and available N by chemical extractants (hot KCl, modified South Dakota and pH 11.2 phosphate-borate buffer). Soil samples were collected from a field experiment, installed in an Udox and carried out in a randomized block design with five treatments (control with spontaneous vegetation, Sorghum bicolor, Pennicetum glaucum, Mucuna aterrima and Canavalia ensiformis) and five replications. Plots soil sampling was made after the cover crops desiccation and before growing the corn in the agricultural seasons of 2007/2008 and 2008/2009. Soil samples collected from 0 to10 cm depth were used for long-term aerobic incubation, pots experiment with corn, and for soil chemical analysis. Extractants efficiency was evaluated by correlation tests, using as reference the N0 and the mineralized accumulated N over 30 weeks obtained from long-term aerobic incubation, dry matter production and N accumulated in maize shoots, obtained from pots experiment. Cover crops do not differ in their potential to supply nitrogen for corn. Hot KCl is able to predict the N mineralization but the chemical methods evaluated to predict the available nitrogen are not efficients / Orientador: Manoel Evaristo Ferreira / Coorientador: Mara Cristina Pessôa da Cruz / Banca: André César Vitti / Banca: José Frederico Centurion / Mestre

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Nutrient dynamics in a lodgepole pine forest at Bootleg Mountain, B.C., were investigated through the sampling of soil, snow and groundwater in six one-ha blocks. Nitrogen (NO3-, NH4+, TIN, TDN, TN), phosphorus (PO43-, TDP, TP), and DOC were analyzed in addition to N mineralization and nitrification. Position and dispersion statistics were computed for each variable and correlations (Pearson and Spearman) were computed for each pair of variables. The overall heterogeneities of soil, snow, and groundwater were generally lower between 1-ha blocks than between plots. Productivity in the soil was generally N-limited with low input from snow precipitation. Very little N leached from soil to groundwater. Phosphorus contents were highly variable and were the limiting nutrient in the groundwater. Rates of net and gross N mineralization and nitrification were determined using buried bags and 15N isotope dilutions. Gross rates were greater than net rates and nitrification was low relative to high immobilization rates. The N cycle appears to be tightly regulated, thus further study will be needed to monitor the impact of harvesting on N cycling.

Nutrient dynamics in a lodgepole pine forest at Bootleg Mountain, B.C., were investigated through the sampling of soil, snow and groundwater in six one-ha blocks. Nitrogen (NO3-, NH4+, TIN, TDN, TN), phosphorus (PO43-, TDP, TP), and DOC were analyzed in addition to N mineralization and nitrification. Position and dispersion statistics were computed for each variable and correlations (Pearson and Spearman) were computed for each pair of variables. The overall heterogeneities of soil, snow, and groundwater were generally lower between 1-ha blocks than between plots. Productivity in the soil was generally N-limited with low input from snow precipitation. Very little N leached from soil to groundwater. Phosphorus contents were highly variable and were the limiting nutrient in the groundwater. Rates of net and gross N mineralization and nitrification were determined using buried bags and 15N isotope dilutions. Gross rates were greater than net rates and nitrification was low relative to high immobilization rates. The N cycle appears to be tightly regulated, thus further study will be needed to monitor the impact of harvesting on N cycling.

Nitrogen availability and transformation in acidified and N saturated soils of Czech (The Bohemian Forest, Ore Mountains) and Ukraine (Pop Ivan massif) mountain forest ecosystems were investigated. The study was primarily focused on the role of microbial immobilization in soil N retention. The study was based on field measurements (ion exchange resins), analyses of selected soil biochemical and microbial characteristics, and on laboratory experiments (15N labelling).

La présence de plantes accélère la décomposition de la matière organique du sol (MOS) au travers de l’apport de composés riches en énergie (rhizodépôts et litières) stimulant les microorganismes ; un phénomène appelé « rhizosphere priming effect » (RPE). Une augmentation de la photosynthèse, activité pourvoyeuse d'énergie rhizodéposée, pourrait augmenter le RPE et l’offre du sol en nutriments. Récemment, le modèle SYMPHONY couplant activités photosynthétiques et microbiennes du sol suggère un ajustement de l'offre du sol en nutriments (delta minéralisation-immobilisation) à la demande des plantes. Cependant, le rôle clé de la photosynthèse sur cet ajustement offre-demande reste à étudier expérimentalement.L’objectif général de la thèse est d'étudier le rôle des interactions des activités photosynthétiques et microbiennes du sol dans les régulations des flux de carbone (C) et d'azote (N) des écosystèmes. Trois écosystèmes types ont été étudiés : la prairie, la monoculture de blé et un nouveau système de culture (NSC) associant blé et plantes pérennes de la prairie. Nous émettons l’hypothèse que les plantes pérennes, via une activité photosynthétique pourvoyant les microorganismes en énergie tout au long de l'année, sont essentielles à l'ajustement offre-demande en N. De nombreux défis techniques ont été relevés afin de construire une plateforme expérimentale de 40 mésocosmes sous éclairage et température naturels. Cette plateforme permet de coupler marquage 13C des plantes, mesures continues des échanges de CO2, du RPE, de la production végétale, du stockage de C du sol, le taux de minéralisation-immobilisation d'N et du lessivage d'N. Ce dispositif nous a permis de déterminer la contribution du RPE dans les flux de C des écosystèmes comprenant la production nette de l’écosystème (NEP), la production primaire brute (GPP) et la respiration de l’écosystème (RE) exprimées en g C m-2 24h-1. Nous avons montré une relation positive linéaire entre (1) RPE et GPP et (2) RPE et biomasse aérienne (AGB) (g C m-2). A partir de ces relations, le RPE peut être prédit en utilisant les équations suivantes : (...). Nous montrons un ajustement offre-demande de l’N au cours des saisons : une forte activité photosynthétique (printemps) est liée à un RPE et un delta minéralisation-immobilisation d’N élevés alors qu’une faible activité photosynthétique (automne) est liée à un RPE et un delta minéralisation-immobilisation d’N faibles. Cet ajustement était observé dans la prairie et dans le NSC mais pas en monoculture de blé. Logiquement, la lixiviation d’N était importante en monoculture de blé alors qu’elle était quasi nulle en prairie et dans le NSC. Après deux années de maintien des trois écosystèmes types, la production aérienne totale du NSC était équivalente à la prairie, tous deux étant supérieurs d’environ un facteur deux à la monoculture de blé. Ces résultats confirment l’importance des plantes pérennes dans la synchronisation offre-demande de l’N. L’ensemble de ces investigations souligne l’importance des activités des plantes et des processus rhizosphériques dans la régulation des cycles CN des écosystèmes. Ces régulations pourront être étudiées in situ et à l'échelle globale grâce aux proxys de ces processus rhizosphériques (RPE, ajustement offre-demande) déterminés dans la thèse. Des activités photosynthétiques et rhizosphériques tout au long de l'année sont essentielles à l'ajustement offre-demande en nutriments conduisant à une forte production primaire, à la fermeture des cycles des nutriments et au stockage de MOS. Ces découvertes offrent l'opportunité de construire de nouveaux systèmes de culture, à l'image de l’association blé-plantes pérennes étudiée, à hautes performances agro-environnementales. / The presence of plants accelerates the decomposition of soil organic matter (SOM) through the supply of energy-rich compounds (rhizodeposits and litter) stimulating microorganisms; a phenomenon called rhizosphere priming effect (RPE). An increase of photosynthesis, supplying soil with rhizodeposited energy, could increase the RPE and soil nutrients offer. Recently, the SYMPHONY model coupling photosynthesis and soil microbial activities suggested an adjustment of the soil nutrient offer (delta mineralization-immobilization) to plant demand. However, the key role of photosynthesis in this offer-demand adjustment needs to be investigated experimentally.The general objective of the thesis is to study the role of interactions between photosynthesis and soil microbial activities in the regulation of carbon (C) and nitrogen (N) fluxes of ecosystems. Three ecosystem types were studied: grassland, wheat monoculture and a new cropping system (NSC) where wheat and perennial grassland species were intercropped. We hypothesize that perennial species, through a continuous photosynthetic activity supplying microorganisms with energy over the year, are essential for offer-demand adjustment.Many technical challenges were overcame to build an experimental platform of 40 mesocosms under natural light and temperature. This platform allows to couple 13C labeling of plants, continuous CO2-exchange measurements, RPE, plant production, soil C storage, N mineralization-immobilization turnover and N leaching.This experimental platform allowed us to determine the contribution of RPE to C fluxes of ecosystems including net ecosystem production (NEP), gross primary production (GPP) and ecosystem respiration (ER) expressed in g C m-2 24h-1. We found positive linear relationships between (1) RPE and GPP and (2) RPE and aboveground biomass (AGB) (g C m-2). Using these relationships, the RPE can be predicted with the following equations: (...).We show an adjustment of soil N-offer to plant N-demand across seasons: a high photosynthetic activity (spring) is linked to high RPE and delta mineralization-immobilization of N whereas a low photosynthetic activity (autumn) is linked to low RPE and delta mineralization-immobilization of N. This adjustment was observed in grassland and NSC but not in wheat monoculture. Consistently, N leaching was high in wheat monoculture while it was almost null in grassland and NSC. After two years of establishment of the three ecosystems, the total aboveground production of the NSC was equivalent to the grassland, each being about twice as high as the wheat monoculture. These results confirm the importance of perennial species in the offer-demand adjustment of N.Our findings underline the importance of plant activities and rhizosphere processes in the regulation of ecosystems C N cycles. Using the proxies of rhizosphere processes (RPE, offer-demand adjustment) provided in the thesis, further studies could investigate these regulations in situ and at the global scale. The presence of photosynthetic and rhizospheric activities over the year are essential for offer-demand adjustment of nutrients leading to high primary production, closing nutrient cycles and SOM storage. These findings offer the opportunity to build new cropping systems such as the wheat-perennial species studied, with high agro-environmental performances.

In the present thesis, implications of pasture establishment, fertilization and abandonment on soil C and nutrient dynamics were investigated for the mountain rainforest region of southern Ecuador. Over the past decades the natural forest of the study area has been threatened by conversion to cattle pastures. However, the soil fertility of these extensively grazed pastures (active pastures) declines continuously during pasture use. The invasion of bracken fern (Pteridium arachnoideum) leads to pasture abandonment when bracken becomes dominant. In order to reveal the mechanisms behind the deterioration of soil fertility, biotic and abiotic soil properties and their interaction were analyzed along a land‐use gradient (natural forest – active pasture – abandoned pasture). The ecosystem disturbance of the mountain rainforest through pasture use changed the microbial function and structure, and affected soil CO2‐C fluxes. Annually, 2 Mg soil CO2‐C ha‐1 were additionally emitted from the pasture land. This acceleration in soil respiration rates was related to accelerated rates of microbial C mineralization and fine‐root respiration. The high‐quality, N‐rich above‐ and belowground residues of the pasture grass (S. sphacelata, C4‐plant), especially the huge fine‐root biomass, provided a high C and N availability for soil microbes. Compared to the forest, increased soil pH and accelerated base saturation were further factors beneficial for soil microbial growth and metabolism of the upper mineral soil at active pastures. Three times higher amounts of microbial biomass C and a significant shift in the microbial community structure towards a higher relative abundance of Gram(‐)‐ bacteria and fungi were observed. Long‐term pasture use and the invasion of bracken (C3‐plant) diminished beneficial effects for microbes, causing a significant decrease in the C, net, and gross N mineralization rates as well as a two‐third reduction in the microbial biomass. A preferential substrate utilization of grass‐derived C4 by the soil microbes resulted in a rapid decline of the C4‐pool. As a consequence, the less available C3‐pool from bracken and former forest increased its dominance in the SOC‐pool, further decreasing pasture productivity and finally causing pasture abandonment. The lower quality and quantity of above‐ and belowground residues of the bracken (high lignin content, C/N) resulted in resource‐limited conditions that influenced the microbial function to greater extent than their structure. The microbial structure seemed to be sensitive mainly to soil pH along the land‐use gradient. Thus, a disconnection between microbial structure and function was identified. Fertilization experiments were conducted both in the lab and in the field to evaluate the impact of urea and/or rock phosphate amendment on SOM dynamics and on pasture productivity of active pastures. After combined fertilization the pasture yield was most efficiently increased by 2 Mg ha−1 a−1, indicating a NP‐limitation of grass growth. Furthermore, the fodder quality was improved by a higher content of P and Ca in the grass biomass. The microorganisms of the active pasture soil responded with an adaptation of their structure to the increased substrate availability in the short term, but did not change their initial functions in the long term. After urea/ rock phosphate addition a significant increase in the relative fungal abundance was detected, but neither a microbial limitation of energy nor of N or P was observed. However, urea addition accelerated gaseous losses of soil CO2‐C in the short term. In the study area, pronounced alterations in ecosystem functioning due to land‐use changes were detected, especially in soil C and N cycling rates. For a sustainable land‐use in this region it is crucial to prevent pasture degradation and to rehabilitate degraded pastures in order to protect the prevailing mountain rainforest ecosystem. It is of crucial importance for active pasture soils to maintain or even increase resource availability, being one indicator of soil fertility. In this context, the soil organic matter has to be retained in the long‐term to maintain high microbial activity and biomass, and thus pasture productivity. A moderate fertilization with urea and rock phosphate can be a first step to provide continuous nutrient supply for grass growth and to strengthen livestock health through increased fodder quality. However, the risk of further additional emissions of soil CO2‐C due to increased loads of urea fertilizer application has to be kept in mind. Overall, for the establishment of a sustainable land‐use management the control of bracken invasion and an adjusted nutrient management are needed. Further investigations on the reduction of soil nutrient losses and increased nutrient use efficiencies of plants, such as combined planting with legumes or the usage of cultivars with special nutrient acquisition strategies, should be in the focus of future work. / In der vorliegenden Dissertation werden die Auswirkungen der Weideetablierung, ‐düngung sowie des Verlassens von Weiden auf Bodenkohlenstoff‐ und Nährstoffdynamik in einer tropischen Bergregenwaldregion Ecuadors zusammenfassend dargestellt und diskutiert. Der Naturwald des Untersuchungsgebietes ist seit Jahrzehnten durch Brandrodung und die Umwandlung in extensiv genutztes Weideland (aktive Weide) in seinem flächenhaften Bestand bedroht. Als Problem hat sich der Verlust an Fruchtbarkeit der Weideböden während ihrer Bewirtschaftung herausgestellt. Des Weiteren führt die Einwanderung des Tropischen Adlerfarns (Pteridium arachnoideum, C3‐Pflanze) zu einer Reduktion der oberirdischen Grasbiomasse. Nimmt diese Entwicklung überhand, werden die betroffenen Flächen von den Bauern nicht mehr aktiv genutzt, verlassen und neuer Regenwald gerodet. Um mehr über die Mechanismen der Verringerung der Bodenfruchtbarkeit zu erfahren, wurden biotische und abiotische Bodeneigenschaften und deren Interaktion entlang eines Landnutzungsgradienten (Naturwald – aktive Weide – verlassene Weide) untersucht. Die Zerstörung des Bergregenwaldökosystems und die Überführung der gerodeten Flächen zur Weidebewirtschaftung verändert die Funktion und Struktur der Bodenmikroorganismen und beeinflusst den CO2‐C Fluss aus dem Boden. Jährlich werden 2 t CO2‐C ha‐1 zusätzlich vom Weideland emittiert. Diese Erhöhung der Bodenatmungsraten kann mit erhöhten Raten der mikrobiellen C‐Mineralisierung und Feinwurzelatmung in Verbindung gebracht werden. Das Weidegras (S. sphacelata, C4‐Pflanze) liefert C‐ und N‐reiche ober und unterirdische organische Substanz (z.B. durch die Feinwurzelbiomasse) und trägt damit zu einer Erhöhung der C‐ und N‐Verfügbarkeit für die mikroorganismen bei. Darüber hinaus stellen ein höherer pH‐Wert und eine erhöhte Basensättigung im oberen Mineralboden der aktiven Weide günstige Bedingungen für mikrobielles Wachstum und Metabolismus dar. Als Konsequenz sind die Gehalte an mikrobiellem Biomassekohlenstoff um das Dreifache erhöht und die mikrobiellen Gemeinschaftsstrukturen signifikant in Richtung einer höheren relativen Abundanz der Gram(‐)‐Bakterien und Pilze verschoben. Eine längerfristige Weidebewirtschaftung ohne Kompensation von Nährstoffverlusten sowie die Einwanderung des Tropischen Adlerfarnes verschlechterte die Bedingungen für die Mikroorganismen, was zu einem signifikanten Rückgang des SOC, der Netto‐ und Brutto‐N‐Mineralisierungsraten sowie zu einer Halbierung der mikrobiellen Biomasse führt. Eine bevorzugte Substratnutzung von Graskohlenstoff (C4) durch die Mikroorganismen hat einen schnellen Abbau des C4‐Pools zur Folge. Somit dominiert nun der mikrobiell schlechter verfügbare C3‐Pool den Bodenkohlenstoffpool. Dies führt zu einem weiteren Rückgang der Weideproduktivität und schließlich zum Offenlassen der Weide. Die geringere Qualität und Quantität der vom Farn stammenden ober‐ und unterirdischen organischen Substanz (hoher Ligninanteil, weites C/N), führten zu einer Limitierung der Ressourcen für die Mikroorganismen, welche deren Funktionen in größerem Maße beeinflussen als deren Gemeinschaftsstruktur. Im Gegensatz dazu wird entlang des Landnutzungsgradienten die Struktur hauptsächlich durch den pH‐Wert beeinflusst. Daraus folgt, dass Struktur und Funktion der Bodenmikroorganismen voneinander entkoppelt auf Veränderungen reagieren können. Um den Einfluss von Harnstoff‐ und/ oder Rohphosphatdüngung aktiver Weiden auf die Dynamik der organischen Bodensubstanz und auf die Weideproduktivität zu untersuchen, wurden sowohl Labor‐ als auch Feldversuche durchgeführt. Im Feldexperiment wurde gezeigt, dass eine NP‐Limitierung der Grasbiomasseproduktion vorliegt und durch eine geringe NP‐Kombinationsdüngung die oberirdische Phytomasseproduktion um 2 t ha−1 a−1 gesteigert und die Futterqualität durch eine Erhöhung der P‐ und Ca‐ Gehalte verbessert werden kann. Die Mikroorganismen reagierten mit einer Anpassung ihrer Struktur an die kurzzeitig erhöhte Substratverfügbarkeit. Nach Gabe von Harnstoff und/ oder Rohphosphat wurde weder eine N‐ noch eine P‐Limitierung der Bodenmikroorganismen festgestellt, und die mikrobiellen Funktionen wurden langfristig nicht verändert. Dagegen bewirkte die Düngergabe einen erhöhten relativen Anteil der Pilzabundanz. Im Labor sowie im Feld kam es nach Harnstoffdüngung kurzzeitig zu verstärkten gasförmigen Verlusten des Bodenkohlenstoffs. Aufgrund der Landnutzungsänderungen im Untersuchungsgebiet veränderten sich die Ökosystemfunktionen stark, speziell die Boden‐C‐ und Boden‐N‐Umsatzraten. Für eine nachhaltige Landnutzung in der Region, d. h., für den Schutz der noch verbliebenen natürlichen Bergregenwaldflächen, ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Weidedegradierung verhindert wird und degradierte Flächen wieder in Nutzung genommen werden. Als entscheidend für die Weideproduktivität hat sich in dieser Studie die Ressourcenverfügbarkeit für Bodenmikroorganismen herausgestellt. Daher ist es sehr wichtig, diese Ressourcenverfügbarkeit in Böden aktiv‐genutzter Weiden zu erhalten oder noch zu erhöhen, denn sie wirkt sich vor allem auf die organische Bodensubstanz und im Wechselspiel damit auf die mikrobielle Biomasse und Aktivität aus. Eine moderate Kombinationsdüngung aus Harnstoff und Rohphosphat ist ein erster Schritt in diese Richtung. Dabei sollte jedoch das Risiko zusätzlicher bodenbürtiger CO2‐C Emissionen in Folge höherer Düngergaben berücksichtigt werden. Für ein nachhaltiges Landnutzungsmanagement sind Maßnahmen gegen die Einwanderung des Adlerfarnes und ein angepasstes Nährstoffmanagement notwendig. Weitere Untersuchungen sollten auf eine Minimierung der Nährstoffverluste und eine erhöhte Nährstoffnutzungseffizienz der Pflanzen fokussiert werden. Weidemischkulturen aus Gräsern mit Leguminosen sowie der Einsatz von Kulturen mit speziellen Nährstoffaneignungsstrategien könnten dabei eine große Rolle spielen und sollten in der Region erprobt werden. / La tesis presentada investiga el impacto del establecimiento de pasto, de su fertilización y de su manejo tradicional (abandono del pastizal) a la dinámica del carbono y de los nutrientes de suelo en la región de los bosques tropicales montañosos en el Sur de Ecuador. Durante las últimas décadas el bosque natural en el área de estudio ha estado amenazada por su conversión a pastizales. Sin embargo, la fertilidad del suelo en pastos de tipo extensivo (pastos activos) decrece frecuentemente durante el uso de los pastos. La invasión de Llashipa (Pteridium arachnoideum) conduce al abandono de los pastos cuando la ésta se vuelve dominante. Con la finalidad de revelar los mecanismos detrás de esta disminución de la fertilidad de suelo, se analizaron las propiedades bióticas y abióticas del suelo y sus interacciones, a lo largo de una gradiente del uso de la tierra (bosque natural —pasto activo — pastos abandonados). La perturbación del ecosistema de bosque tropical montañoso por su cambio de uso, mediante el establecimiento de pastizales, ha alterado la función y la estructura de los microorganismos y ha afectado el flujo de CO2‐C del suelo. Cada año 2 Mg CO2‐C ha‐1 fueron emitidas adicionalmente por el establecimiento de pastos. Esta aceleración en la tasa de respiración del suelo está relacionada con el aumento de las tasas de mineralización microbiana de carbono y de la respiración de las raíces. La alta calidad y abundancia de N de los residuos orgánicos del suelo con pasto Mequeron (S. sphacelata, C4‐planta), especialmente debido a la gran biomasa de las raíces finas, ofrecen una disponibilidad alta de C y N para los microorganismos. En comparación con el bosque natural, el aumento del pH y la saturación bases acelerada fueron condiciones más favorables para el crecimiento microbiano y para el metabolismo microbiano en el parte superior del suelo mineral en pastos activos. La cantidad de C de la biomasa de los microorganismos fue tres veces mayor que la del bosque y se ha observado un cambio significativo de la estructura de la comunidad microbiana, en donde la abundancia relativa de los hongos y de las bacterias Gram(‐) ha aumentado. El uso de pasto a largo plazo y la invasión de Llashipa (C3‐planta) han reducido los efectos benéficos para los microorganismos, que resultaron en una reducción significativa de las tasas de la mineralización de C y N, y en una reducción en dos tercios de la biomasa microbiana. El uso preferencial de los microorganismos por sustrato de pasto C4 han resultado en una rápida disminución de la reserva de C4. Como consecuencia, la menor disponibilidad de la reserva de C3 de las plantas de Llashipa y de la cobertura anterior de bosque ha incrementado su dominancia en la reserva de materia orgánica del suelo. Eso resulta, en una mayor disminución de la productividad de los pastos, conduciendo finalmente al abandono de los campos de pastos. La menor calidad y cantidad de los residuos acumulados sobre y bajo el suelo provenientes de la Llashipa han dado como resultado un sustrato de limitadas condiciones que están afectando más a las funciones microbiales antes que a su estructura. La estructura microbiana parece ser más sensible al pH del suelo a largo de la gradiente del uso de la tierra; de manera que se ha identificado una desconexión entre la estructura y función microbial. Experimentos de fertilización en laboratorio y en campo han sido realizados para evaluar el impacto de la aplicación de enmiendas (urea y/o roca fosfórica) a la dinámica de la materia orgánica y a la productividad de los pastos activos. El resultado del experimento de campo ha demostrado que la fertilización combinada es más efectiva, mostrando un aumento en la producción de biomasa de 2 Mg ha−1 a−1, lo que indica una limitación de N y P para el crecimiento del pasto. Además, la calidad de forraje se mostró incrementada ya que el contenido de P y de Ca han aumentado significativamente. Los microorganismos del suelo en el pasto activo han respondido a corto plazo con una adaptación de su estructura ante la disponibilidad de sustrato, pero no han mostrado un cambio de sus funciones iniciales a largo plazo. Después de la aplicación de urea y de la roca fosfórica, se detectó un incremento significativo en la abundancia de los hongos, pero tampoco se observó una limitación de energía microbial ni de N o P. Sin embargo, la aplicación de urea ha aumentado la pérdida gaseosa de CO2‐C del suelo a corto plazo. Debido al cambio de uso de la tierra en la área de investigación, se ha detectado una alteración notable de la función del ecosistema, especialmente en el ciclo de C y N de suelo. Para un uso sostenible de la tierra en esta región, es crucial el prevenir la degradación de pastos y rehabilitar aquellos degradados. En el suelo de pastos activos es de gran importancia el mantener o aún mejor el aumentar la disponibilidad del sustrato, que es uno de los indicadores de la fertilidad del suelo. En este contexto, la materia orgánica se debe ser retenida a largo plazo para mantener la actividad y biomasa microbiana alta y por ende la productividad de pasto. Una moderada fertilización con urea y roca fosfórica puede ser un primer paso para proveer un continuo suministro de nutrientes por el crecimiento del pasto y para reforzar la sanidad pecuaria por medio de un forraje de mayor calidad. Sin embargo, el riesgo de emisiones adicionales de CO2‐C del suelo debido a una aplicación más alta de urea debe tenerse en cuenta. Se puede concluir que para un manejo sostenible del uso de la tierra, tanto el control de la invasión de Llashipa y como un suministro adecuado de nutrientes son necesarios. Adicionalmente se podría decir que es necesario profundizar el estudio de la reducción de las pérdidas de los nutrientes de suelo y de la eficiencia del uso de los nutrientes en las plantas, así como las asociaciones de pastos con leguminosas o el uso de cultivos de absorción selectiva de nutrientes, que serían estrategias importantes para el futuro.