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  • Plant functional trait shif...
    Boeddinghaus, Runa S.; Marhan, Sven; Berner, Doreen; Boch, Steffen; Fischer, Markus; Hölzel, Norbert; Kattge, Jens; Klaus, Valentin H.; Kleinebecker, Till; Oelmann, Yvonne; Prati, Daniel; Schäfer, Deborah; Schöning, Ingo; Schrumpf, Marion; Sorkau, Elisabeth; Kandeler, Ellen; Manning, Peter; Vries, Franciska

    The Journal of ecology, September 2019, Volume: 107, Issue: 5
    Journal Article

    Land‐use intensification drives changes in microbial communities and the soil functions they regulate, but the mechanisms underlying these changes are poorly understood as land use can affect soil communities both directly (e.g. via changes in soil fertility) and indirectly (e.g. via changes in plant inputs). The speed of microbial responses is also poorly understood. For instance, whether it is long‐term legacies or short‐term changes in land‐use intensity that drive changes in microbial communities. To address these topics, we measured multiple microbial functions, bacterial and fungal biomass and abiotic soil properties at two time intervals 3 years apart. This was performed in 150 grassland sites differing greatly in management intensity across three German regions. Observed changes in microbial soil properties were related to both long‐term means and short‐term changes in: abiotic soil properties, land‐use intensity, community abundance‐weighted means of plant functional traits and plant biomass properties in regression and structural equation models. Plant traits, particularly leaf phosphorus, and soil pH were the best predictors of change in soil microbial function, as well as fungal and bacterial biomass, while land‐use intensity showed weaker effects. Indirect legacy effects, in which microbial change was explained by the effects of long‐term land‐use intensity on plant traits, were important, thus indicating a time lag between plant community and microbial change. Whenever the effects of short‐term changes in land‐use intensity were present, they acted directly on soil microorganisms. Synthesis. The results provide new evidence that soil communities and their functioning respond to short‐term changes in land‐use intensity, but that both rapid and longer time‐scale responses to changes in plant functional traits are at least of equal importance. This suggests that management which shapes plant communities may be an effective means of managing soil communities and the functions and services they provide. Kurzauszug Die Intensivierung der Landnutzung bedingt Veränderungen in mikrobiellen Gemeinschaften und den Bodenfunktionen, die diese regulieren. Jedoch sind die Mechanismen, die diesen Veränderungen zu Grunde liegen, bisher kaum geklärt, da sich die Landnutzung sowohl direkt (z.B. über Änderungen der Bodenfruchtbarkeit) als auch indirekt (z.B. über Änderungen der Pflanzeneinträge) auf die Gemeinschaften der Bodenmikroorganismen auswirken können. Die Geschwindigkeit, mit der Bodenmikroorganismen auf Umweltveränderungen reagieren, ist ebenfalls kaum erforscht. Dazu zählt die Frage, ob Veränderungen in den bodenmikrobiellen Eigenschaften stärker von den über lange Zeiträume wirkenden „Legacy“‐Effekten, oder von kurzfristigen Veränderungen der Landnutzungsintensität bestimmt werden. Um die beschriebenen Wissenslücken zu schließen, haben wir eine Reihe an mikrobiellen Funktionen, die bakterielle und pilzliche Biomasse sowie abiotischen Bodeneigenschaften an zwei Zeitpunkten im Abstand von drei Jahren untersucht. Dies geschah auf 150 Grünlandflächen mit sehr unterschiedlicher Nutzungsintensität in drei Regionen Deutschlands. Die beobachteten Veränderungen der mikrobiellen Bodeneigenschaften zeigten sowohl einen Zusammenhang mit langfristigen Mittelwerten, als auch mit kurzfristigen Veränderungen von abiotischen Bodeneigenschaften, der Landnutzungsintensität, den funktionellen Pflanzeneigenschaften (berechnet als gewichtete Mittelwerte der Speziesabundanzen der Pflanzengesellschaften) und den Eigenschaften der Pflanzenbiomasse in Regressionsanalysen und Strukturgleichungsmodellen. Funktionelle Pflanzeneigenschaften, im Speziellen der Phosphorgehalt der Blätter, und der pH‐Wert des Bodens stellten sich als die besten Prädiktoren für Veränderungen in den bodenmikrobiellen Funktionen sowie der pilzlichen und bakteriellen Biomasse heraus, während die Landnutzungsintensität geringere Einflüsse zeigte. Indirekte Legacy‐Effekte, bei denen mikrobielle Veränderungen durch Einflüsse der langfristigen Landnutzung auf funktionelle Pflanzeneigenschaften erklärt wurden, stellten sich als wichtig heraus und deuten auf eine Zeitverschiebung zwischen Veränderungen der Pflanzengemeinschaft und der mikrobiellen Gemeinschaft hin. Wenn kurzfristige Effekte der Veränderung der Landnutzungsintensität auftraten, wirkten sich diese direkt auf die Bodenmikroorganismen aus. Synthese. Die Ergebnisse geben neue Hinweise darauf, das bodenmikrobielle Gemeinschaften und ihre Funktionen auf kurzfristige Veränderungen in der Landnutzungsintensität reagieren, aber das sowohl schnelle als auch über längere Zeiträume auftretende Reaktionen auf Veränderungen der funktionellen Pflanzeneigenschaften mindestens ebenso wichtig sind. Dies deutet darauf hin, dass eine Landnutzung, die die Pflanzengesellschaften steuert, eine effektive Möglichkeit darstellt, um bodenmikrobielle Gemeinschaften sowie ihre Funktionen und Dienstleistungen zu beeinflussen. Using hierarchical regression and structural equation modelling, relationships between short‐term changes in land‐use intensity, plant functional traits, plant biomass and abiotic soil properties as well as concurrent changes in soil microbial properties were investigated in 150 grassland sites in three German regions. In addition, legacy effects of land‐use intensity and plant functional traits on changes in soil microorganisms were assessed.