Moorböden sind wirksame Speicher für Kohlenstoff (C) und damit bedeutend für das globale Klima. Naturnahe Moorböden mit hohen Wasserständen können beträchtliche Mengen an C akkumulieren. Durch Entwässerung verlieren sie ihre Netto-Senkenfunktion und setzen verstärkt C frei. Neben äußeren Umweltbedingungen spielt die Qualität der organischen Bodensubstanz (OBS) die entscheidende Rolle bei der C-Freisetzung aus Moorböden. Gegenwärtig fehlen allerdings detaillierte Daten, die Aussagen zur Qualität der OBS und zur potentiellen C-Freisetzung erlauben. Die vorliegende Arbeit untersucht die Qualität der OBS und das C-Freisetzungspotential ausgewählter Moorböden in Abhängigkeit von Bildungsbedingungen und Entwässerungsintensitäten mit unterschiedlichen methodischen Ansätzen. Mittels Infrarotspektroskopie konnten deutliche Unterschiede in den Absorptionsspektren zwischen Nieder- und Hochmoortorfen und zwischen unterschiedlich stark entwässerten Torfen gefunden werden. Um das C-Freisetzungspotential zu untersuchen, wurde die labile Fraktion der OBS bestimmt. Dafür wurde eine Methode zur Heißwasserextraktion organischer Böden entwickelt, die erfolgreich an Torfen unterschiedlicher Moorstandorte angewendet werden konnte. In einem weiteren Schritt wurde das Verhältnis von Gesamt-C zu OBS von Moorbodenhorizonten bestimmt. Die dabei gefundenen Abhängigkeiten von der jeweiligen Torfart und der Entwässerungsintensität belegen die Notwendigkeit für angepasste Umrechnungsfaktoren, um Fehler bei C-Bilanzierungen zu vermeiden. Außerdem wurde ein Entscheidungssystem zur Moortypenklassifikation sowie zur Berechnung der C-Speichermengen und C-Freisetzungspotentiale für Moorflächen unbekannten Typs entwickelt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit können zu einem besseren Verständnis von stofflichen Transformationen in Moorökosystemen beitragen. / Peatland soils store huge amounts of organic Carbon (C) and play a substantial role in the global climate system. Undisturbed peatlands with high water-tables accumulate significant C amounts. Through drainage, they change from C-sinks to C-sources. Beside various environmental factors, the quality of soil organic matter (SOM) strongly affects C-release out of peatland soils. Detailed data on SOM quality and potential C-release is currently missing. The present study investigates the quality of SOM and the C-release potential of selected peatland soils depending on building conditions and drainage intensities using various methodical approaches. With infrared spectroscopy, differences in absorption bands between fen and bog peats, as well as between peats under different influence of drainage could be found. The C release potential was investigated by determination of the labile fraction of SOM. For this purpose, a method for the hot-water-extraction of organic soils was developed and could successfully be applied for peats out of different sites. Additionally, organic C in relation to SOM was studied which showed clear relationships with peat types and level of drainage and demonstrates the need for an individual adaption of conversion factors when assessing C stocks. Furthermore, a decision support system for the determination of hydrogenetic mire types and the calculation of C-storages and C-release potentials of unknown peatland areas was developed. The results of the present study may contribute to a better understanding of organic matter transformation in peatlands.

Ziel dieser Arbeit ist es, ein sequentielles Extraktionsverfahren zur Erfassung unterschiedlich stabiler Anteile der orgnischen Bodensubstanz (OBS) zu entwickeln und zu klären, ob ein Zusammenhang zwischen Löslichkeit und Stabilität besteht. Darüber hinaus sollen der Einfluss von Bewirtschaftungsmaßnahmen auf Menge und Zusammensetzung dieser OBS-Anteile und Zusammenhänge zwischen Fourier Transform Infrarot (FT-IR)-Spektroskopiedaten und der Kationenaustauschkapazität (KAK) der OBS analysiert werden. <br><br> Für die Untersuchungen wurden Böden der Langzeitfeldexperimente (LFE) in Halle, Bad Lauchstädt und Rotthalmünster beprobt. Zur Erfassung unterschiedlicher OBS-Fraktionen wurden im ersten Schritt die wasserlöslichen OBS-Anteile (OBS(W)-Fraktion) aus den Böden isoliert. Im zweiten Schritt wurden aus den Extraktionsrückständen der Wasserextraktion OBS-Anteile mit einer Natrium (Na)-Pyrophosphatlösung extrahiert (OBS(PY)-Fraktion). Die Stabilität der OBS-Fraktionen wurde anhand von &#948;13C-Bestimmungen und 14C-Messungen untersucht. Die Charakterisierung der Zusammensetzung der OBS-Fraktionen erfolgte mittels FT-IR Spektroskopie. <br><br> Generell wird mit der OBS(PY)-Fraktion ein größerer Anteil am organischen Kohlenstoffgehalt der Böden erfasst als mit der OBS(W)-Fraktion. Die &#948;13C- und 14C-Daten zeigen, dass die OBS(W)-Fraktion höhere Anteile jungen organischen Materials als die OBS(PY)-Fraktion enthält. Das entwickelte sequentielle Extraktionsverfahren ist also prinzipiell geeignet unterschiedlich stabile OBS-Anteile anhand ihrer Löslichkeit zu isolieren. <br><br> Mittels FT-IR spektroskopischer Untersuchungen wird festgestellt, dass Bewirtschaftungsmaßnahmen, wie die Düngung, sowie Standorteigenschaften die Zusammensetzung der OBS-Fraktionen beeinflussen. Für die OBS(PY)-Fraktion ist dies stärker ausgeprägt als für die OBS(W)-Fraktion. Die KAK der OBS(PY)-Fraktion aus den Böden der LFE in Halle und Bad Lauchstädt ist positiv mit der Absorptionsintensität der C=O-Bande in den FT-IR Spektren dieser OBS-Fraktion korreliert. / The aim of this work is the development of a sequential extraction procedure for the isolation of different stable parts of soil organic matter (SOM) according to their solubility and to prove the relationship between solubility and stability. Additionally, the effects of management on amount and composition of different SOM fractions as well as relationships between data sets from Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy and cation exchange capacitity (CEC) of SOM should be analysed. <br><br> Soils from long term field experiments at Halle, Bad Lauchstädt and Rotthalmünster were sampled from the soil surface up to 30 cm depth. To obtain different SOM fractions water soluble SOM (SOM(W) fraction) were extracted at first before Na-pyrophosphat soluble SOM (SOM (PY) fraction) were isolated from the residue of water extraction. Stability of different SOM fractions were analyzed using 14C- and &#948;13C-measurements. Functional composition was studied with FT-IR spectroscopy. <br><br> Generally, SOM(PY) represents a larger part of soil organic carbon (SOC) than SOM(W) in relation to the total SOC-content of the investigated soils. &#948;13C- and 14C-measurements show that SOM(W) contains more younger material than SOM(PY). The findings suggest that different stable SOM fractions can be obtained according to their solubility by the sequential extraction procedure. <br><br> FTIR spectra show that SOM composition is influenced by management options like fertilization and field conditions. Such effects are more pronounced for SOM(PY) than for SOM(W). Furthermore data from FT-IR spectra and CEC measurements of SOMPY) show that the CEC is closely related to the C=O absorption intensities.

Ein wichtiger Aspekt bei der Kultur von Pfirsichen (Prunus persica) ist die optimale, bedarfsgerechte N-Versorgung. Durch diese werden Höhe und Qualität der Erträge sowie die Gesundheit der Pflanzen beeinflusst, aber auch unerwünschte Effekte auf die Umwelt vermieden. Ziel der Arbeit waren daher Empfehlungen zur zukünftigen Handhabung der N-Versorgung an zwei Beispielstandorten und zur praktikabelsten Kulturweise. Es wurden Nmin-Bestimmungen, Inkubationsversuche und Thermogravimetrische Bodenanalysen durchgeführt, um die N-Nachlieferung aus der organischen Bodensubstanz an den Standorten zu beschreiben. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Überversorgung der Kultur im Hausgarten auf - die Pfirsiche auf der untersuchten Obstwiese sind hingegen optimal mit N versorgt. Empfohlen wird deshalb eine Reduzierung der organischen Düngung im Hausgarten, verbunden mit einem Verzicht auf frisches organisches Schnittmaterial als Dünger. Bei der Pfirsichkultur auf der Obstwiese ist die Einführung von Mulchmaßnahmen überlegenswert. Der Standort mit begrünter Bodenoberfläche ist gegenüber dem Hausgarten mit offener Bodenoberfläche vorzuziehen, da die N-Nachlieferung bei einer Begrünung einfacher handhabbar ist und weniger Risiken hinsichtlich einer N-Überversorgung vorhanden sind. / An important aspect in the cultivation of peaches (Prunus persica) is the optimal, demand-oriented N-supply. This influences the amount and quality of yields and the health of the plants, but also prevents undesirable effects on the environment. The aim of the work was therefore to make recommendations for future use of the N-supply at two sample locations and for the most practicable cultivation method. Nmin determinations, incubation experiments and thermogravimetric soil analyses were carried out to describe the N-supply from the organic soil substance at the sites. The results show a clear oversupply of the crop in the house garden - the peaches on the investigated fruit meadow, on the other hand, are optimally supplied with N. Therefore, it is recommended to reduce the amount of organic fertiliser in the garden, combined with the elimination of fresh organic cuttings as fertiliser. In peach cultivation on the fruit meadow, the introduction of mulching methods is worth considering. The location with a planted ground surface is preferable to the garden with an open ground surface, as the N-supply is easier to handle if greenery is present and there are fewer risks with regard to an N-oversupply.

Ein wichtiger Aspekt bei der Kultur von Pfirsichen (Prunus persica) ist die optimale, bedarfsgerechte N-Versorgung. Durch diese werden Höhe und Qualität der Erträge sowie die Gesundheit der Pflanzen beeinflusst, aber auch unerwünschte Effekte auf die Umwelt vermieden. Ziel der Arbeit waren daher Empfehlungen zur zukünftigen Handhabung der N-Versorgung an zwei Beispielstandorten und zur praktikabelsten Kulturweise. Es wurden Nmin-Bestimmungen, Inkubationsversuche und Thermogravimetrische Bodenanalysen durchgeführt, um die N-Nachlieferung aus der organischen Bodensubstanz an den Standorten zu beschreiben. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Überversorgung der Kultur im Hausgarten auf - die Pfirsiche auf der untersuchten Obstwiese sind hingegen optimal mit N versorgt. Empfohlen wird deshalb eine Reduzierung der organischen Düngung im Hausgarten, verbunden mit einem Verzicht auf frisches organisches Schnittmaterial als Dünger. Bei der Pfirsichkultur auf der Obstwiese ist die Einführung von Mulchmaßnahmen überlegenswert. Der Standort mit begrünter Bodenoberfläche ist gegenüber dem Hausgarten mit offener Bodenoberfläche vorzuziehen, da die N-Nachlieferung bei einer Begrünung einfacher handhabbar ist und weniger Risiken hinsichtlich einer N-Überversorgung vorhanden sind. / An important aspect in the cultivation of peaches (Prunus persica) is the optimal, demand-oriented N-supply. This influences the amount and quality of yields and the health of the plants, but also prevents undesirable effects on the environment. The aim of the work was therefore to make recommendations for future use of the N-supply at two sample locations and for the most practicable cultivation method. Nmin determinations, incubation experiments and thermogravimetric soil analyses were carried out to describe the N-supply from the organic soil substance at the sites. The results show a clear oversupply of the crop in the house garden - the peaches on the investigated fruit meadow, on the other hand, are optimally supplied with N. Therefore, it is recommended to reduce the amount of organic fertiliser in the garden, combined with the elimination of fresh organic cuttings as fertiliser. In peach cultivation on the fruit meadow, the introduction of mulching methods is worth considering. The location with a planted ground surface is preferable to the garden with an open ground surface, as the N-supply is easier to handle if greenery is present and there are fewer risks with regard to an N-oversupply.

Microorganisms interact with different soil components, such as varying substrates and soil minerals, to drive soil processes and functionality. They can be influenced by the environment, but they themselves can influence their environment by their activities, for example through the production of extracellular enzymes and extracellular polymeric substances (EPS). The formation and stability of aggregates as the backbone of the soil structure, for instance, are thought to be largely influenced by soil microorganisms, or vice versa. There remain, however, open questions as to whether and how microorganisms can influence soil aggregation. While microbes are influencing their environment their interaction with the soil minerals could also change their responses upon adsorption - affecting their influence on soil aggregation. Therefore, the overarching goal of this thesis was to investigate the effect of soil minerals, in particular clay content, on the composition and activity of soil microbial community, with a specific focus on enzyme activities and EPS. Finally, the microbial control of soil aggregation through the influence of substrate availability was explored. In total, two adsorption experiments and two incubation experiments were conducted using soils manipulated experimentally with increasing clay content. The sandy soil was amended with different amounts of soil minerals (i.e. montmorillonite) to achieve a gradient in clay content. For the first incubation experiment, organic substrates differing in decomposability (i.e., starch and cellulose) were added to the soil to stimulate microbial activities and incubated for 80 days. Soil samples from the first incubation experiment were analysed after 0, 3, 10, 20, 40 and 80 days for enzyme activities, microbial community composition, biomass C, EPS-protein and polysaccharide. Additionally, the geometric mean diameter and mean weight diameter of the soil aggregates were determined as measures of aggregate formation and stability, respectively. The first adsorption experiment examined the effect of soil mineral phases on the activities of extracellular enzymes using commercially available extracellular enzymes (α-glucosidase) added to the soil. The second adsorption and incubation experiment investigated the persistence of extracellular enzyme activities (commercially available α-amylase and cellulase) affected by soil minerals. For further insight into how other soil minerals affect extracellular enzymes, kaolinite and goethite in addition to montmorillonite were included in the second adsorption and incubation experiment. The prepared complexes (enzyme + soil and/or soil minerals) from the second adsorption experiment were incubated for 100 days. Further analytical methods include the determination of enzyme activities, microbial biomass C, extraction and quantification of the soil EPS, protein analyses, DNA isolation, DGGE, qPCR and Illumina sequencing. The adsorption experiment showed that extracellular enzyme activities decreased with increasing clay contents. In contrast, such an inhibitory effect on microbial enzyme activity was only observed directly in the incubation experiment after the stimulation of in-situ microorganisms for extracellular enzyme production through substrate addition. Higher extracellular enzyme activities at later incubation days in soils with high clay content suggested an adaptation of the microbial community in response to soil clay content and/ or persistence of extracellular enzymes by adsorption to mineral surfaces. However, the second adsorption experiment showed that the high specific activity and persistence of the enzymes were constrained by the availability of sorption sites. It is therefore reasonable to assume that soil mineral phases support microorganisms in less-sorptive environments by sparing energy on enzyme production, since even a small enzyme release could already propel sufficient activities to degrade target carbon substrates. Starch amendment accelerated respiration and microbial biomass much more than cellulose. While microbial community differed depending on the C substrate (starch or cellulose) added, clay addition had a stronger influence on alpha diversity than substrate addition. Although the production of EPS-protein was closely linked to the provision of additional substrates, the addition of clay minerals resulted in more EPS production than when no additional clay was present. By correlating soil aggregation (stability and formation) with the recorded microbial parameters (that is biomass C, EPS-protein and EPS-polysaccharide), both EPS-protein and EPS-polysaccharide exhibited a significant control on aggregate formation and microbial processes, though, surprisingly, more strongly with high clay content. It was observed that EPS is only a transient compound, which initiates aggregate formation, but clay content plays a more significant role in long-term aggregate stabilization. Overall, this thesis contributed to our knowledge about the interaction of microorganisms with the soil mineral phase and their influence on soil structural stability. The findings established that soil minerals shape the composition and activity of microbial communities. In turn, the microbial production of EPS seems to be more significant for aggregate formation than stability. The results on the effect of soil minerals on extracellular activities provided a paradigm that the persistence of enzyme activities by adsorption does not always hold. Producing EPS might contribute to microbial adaptation that mitigates the negative effect of adsorption on extracellular enzymes. It might also be probable that the EPS become a substance of degradation for the extracellular enzymes. Overall, the results indicated that in clay-rich soils the process leading to extracellular enzyme persistence can be stochastic, depending on multiple factors including sorption sites and substrate availability. Labile organic C clearly plays a role in aggregate formation by supporting EPS production. However, increasing clay content enhanced aggregate stability, promoted the development of distinct microbial communities and increased EPS production. The discrepancy so observed in the contribution of the two EPS parameters, EPS polysaccharide and protein, on soil aggregation points to the need for inclusion of different EPS compositions in future studies relating to soil aggregation.

In dieser Studie wurden stabile Isotopenverhältnisse genutzt um die Mechanismen der aquatisch-terrestrischen C – und N-Dynamiken über verschiedene Skalenebenen hinweg in der Moränenlandschaft von Nordostdeutschland zu identifizieren; einer Landschaft, die stark landwirtschaftlich genutzt wird und in der es eine Vielzahl von kleinen Wasserkörpern (Sölle) gibt. Auf der regionalen Landschaftsskala spiegeln d13C-Isotopenkarten des org. Materials in Oberböden und von Pflanzenblättern eines 38.2 km2 großen Gebietes den Eintrag von org. Material von C3-Pflanzen, deren Wassernutzungseffizienz im org. Material des Bodens eingeprägt wurde, sowie den Eintrag von Mais (C4-Pflanze), wider. Die d15N-Isotopenkarte des org. Materials in Böden weist verschiedene Düngepraktiken hin. Auf der regionalen Sollskala deuten die d13C- und d15N-Isotopenwerte von Oberflächensedimenten von 51 Söllen auf kürzliche Einträge des org. Materials und Bewirtschaftungseffekte im Einzugsgebiet hin. Tiefere Sedimente sind durch die Ablagerung org. Materials von terrestrischen Pflanzen sowie dessen Umsetzungsgrad geprägt in Abhängigkeit von der Wasserführung. Auf der Transekt-Skala, d.h. entlang von Transekten von Erosions- zu Depositionsgebieten im Einzugsgebiet eines Solls, beeinflussen Erosion, Pflanzenproduktion, mikrobielle Umsetzung und Gülledüngung verschiedene Fraktionen des org. Materials. Auf der Aggregat-Skalenebene sind die Art und der Anteil spezifischer organo-mineral Assoziationen entlang des Transekts variabel. Bodenpartikel vom Feld und hereinwachsende Makrophyten sind die Quellen des org. Materials in Sedimenten. Diese Studie hat erfolgreich stabile Isotopenverhältnisse zur Identifikation von Mechanismen der C- und N-Dynamik auf individuellen Skalenebenen angewendet. Kleine Inlandwasserkörper sind Schlüsselelemente für die C- und N-Dynamik in landwirtschaftlich genutzten Moränenlandschaften. / In moraine landscapes, carbon (C) and nitrogen (N) dynamics can vary greatly across landscape structures and soil types especially when small water bodies are interspersed in the landscape. This study used stable isotope ratios to identify the mechanisms regulating the aquatic-terrestrial C and N dynamics across different scales in the young moraine landscape of NE Germany – a landscape intensively used for agriculture and interspersed with countless of small water bodies, the so-called kettle holes. At the regional landscape scale, d13C isoscapes of topsoil bulk soil organic matter (SOM) and plant leaves collected from a 38.2 km2 area revealed long-term inputs OM from C3 crops, which imprinted their water use efficiency status onto the soil, as well as short-term inputs from corn. The d15N SOM isoscape identified fertilization-induced impacts on the N dynamics of agricultural fields and grasslands. At the regional kettle hole scale, d13C and d15N of surface sediments of 51 kettle holes reflected recent OM inputs and management practices in the catchment. Deeper sediments recorded the degree to which the OM has been processed within the kettle hole depending on the water-logging period. At the transect scale, erosion, plant productivity, microbial decomposition and slurry fertilization affected OM fractions in topsoil along transects spanning erosional to depositional areas in the catchment of one arable kettle hole. At the aggregate scale, the pathway and magnitude of OM-mineral associations changed along the transect. OM in sediments was derived from clay- and silt-sized particles from the field, together with emergent macrophyte contributions. By means of stable isotopes techniques, different mechanisms were identified at the individual scales. Consideration of the spatial heterogeneity of all scales is essential to understand landscape C and N dynamics. Small inland water bodies are key constituents of C and N dynamics in moraine agricultural landscapes.

In der Landnutzung stellt die Bewertung der Versorgung mit organischer Bodensubstanz (OBS) eine besondere Herausforderung dar. Dabei wird der Einfluss der Bodenfeuchte aufgrund des globalen Klimawandels an Bedeutung gewinnen, da die Wasserverfügbarkeit Einfluss auf die Aktivität der bodenlebenden Mikroorganismen nimmt. Ziel der Arbeit waren daher Aussagen, inwieweit verschiedene Wassergehalte den biologischen Umsatz bei der Inkubation von Bodenproben mit unterschiedlicher Herkunft sowie organischer Düngung beeinflussen. In einem Modellversuch wurden Bodenproben ungedüngter Parzellen von drei deutschen Dauerfeldversuchen in einer zweifaktoriellen Blockanlage in Abhängigkeit von organischer Düngung (Weizenstroh, Stallmist) und Wassergehalt inkubiert. Die Experimente wurden in vier Feuchtigkeitsstufen mit 10, 40, 65 und 90 % der Feldkapazität über einen Zeitraum von 85 Tagen bei einer Temperatur von 25 °C realisiert. Zusätzlich sind vor und nach der Inkubation Thermogravimetrische Bodenanalysen (TGBA) durchgeführt worden. Die Ergebnisse belegen einen mit dem Wassergehalt steigenden C-Umsatz, da die Aktivität von aeroben Mikroorganismen bis zur Wassersättigung des Bodens zunimmt. Die Steigerung war bei Zugabe von Weizenstroh höher als bei Stallmist, ohne Düngerzusatz signifikant niedriger. Gleichzeitig änderte sich die Dynamik der Abbauprozesse. Durch besonders trockene Verhältnisse wurde die Umsetzung verzögert, zudem sank die Umsatzrate langsamer. Ein dauerhafter Einfluss des Standorts auf den Umsatz der Düngemittel war dagegen nicht nachweisbar. Der biologische Abbau im Inkubationsversuch veränderte darüber hinaus die thermische Zerfallsdynamik. Die größten Veränderungen wurden nach Zugabe von Stroh festgestellt. Nicht geklärt werden konnte, ob in Böden mit höherer Versorgung durch organische Substanz gleiche Ergebnisse erzielt werden können. / In land use, the assessment of the supply of organic soil matter (OBS) is a particular challenge. The influence of soil moisture on global climate change will become increasingly important, as water availability influences the activity of soil-living microorganisms. The aim of the work is therefore to determine the extent to which different water contents influence the biological turnover during the incubation of soil samples with different origins as well as organic fertilisation. In a model experiment, soil samples from unfertilized plots of three German long-time field experiments were incubated in a two-factor block facility depending on organic fertilization (wheat straw, manure) and water content. The experiments were carried out in four humidity levels with 10, 40, 65 and 90 % of the field capacity over a period of 85 days at a temperature of 25 °C. In addition, thermogravimetric soil analyses (TGBA) were performed before and after incubation. The results prove a C turnover increasing with the water content, since the activity of aerobic microorganisms increases until the water saturation of the soil. The increase was higher with the addition of wheat straw than with manure, without fertilizer significantly lower. At the same time, the dynamics of the degradation processes changed. Due to particularly dry conditions, conversion was delayed and the turnover rate fell more slowly. A lasting influence of the site on fertilizer turnover was not proved. In addition, the biological degradation in the incubation experiment changed the thermal decay dynamics. The largest changes were observed after the addition of straw. It could not be clarified whether the same results could be achieved in soils with a higher supply of organic matter.