Obwohl Stickstoff (N) das am häufigsten vorkommende Element auf der Erde ist, ist es für die meisten Organismen in terrestrischen Systemen das doch am wenigsten verfügbare. Steppen-Böden der nördlichen Hemisphäre spielen global eine sehr wichtige Rolle, da sie große Mengen N in Form organischer Bodensubstanz (SOM) speichern. Eben wegen ihrer hohen potentiellen Fruchtbarkeit sind diese Böden weitreichend unter intensiver landwirtschaftlicher Nutzung, welche die Verfügbarkeit von Nährelementen stark beeinflusst. Besonders die als globaler Brotkorb fungierenden semi-ariden Steppen-Böden Nord Kasachstans wurden während der „Neulandkampagne“ nicht nachhaltig bearbeitet, mit Bodendegradation und einer Verringerung der Produktivität als Folge. Jedoch fehlen bisher weiter Informationen über den N Kreislauf und die N Verfügbarkeit in diese Ton-reichen, landwirtschaftlich genutzten semi-ariden Steppe-Böden. Daher zielt diese Arbeit darauf ab, (i) die Verfügbarkeit und Retention von N unter der aktuell üblichen landwirtschaftlichen Praxis zu untersuchen, und (ii) zu testen, ob mit geringfügigen und Kosten-beschränkten Änderungen hin zu einer Klima-adaptierten und nachhaltigeren landwirtschaftlichen Praxis, die N Verfügbarkeit gesteigert werden kann. Hierzu wurden drei Experimente mit Böden von fünf Standorten in Nord Kasachstan durchgeführt. Die erste Labor-Studie untersuchte die brutto N Mineralisation und biotische sowie abiotische Retention von Dünger N im Frühjahr in Grassland- und Acker-Böden. Im zweiten in vitro Experiment wurden Grassland- und Acker-Böden verschiedenen Klima- Szenarien ausgesetzt um den Effekt des Klimawandels auf die N Verfügbarkeit zu untersuchen (netto N Mineralisation). Und schließlich wurde im dritten Experiment der Effekt von Dünger- und Bodenbearbeitungs-Form auf die Pflanze-Mikroorganismen Konkurrenz um verfügbares N im Feld getestet. Unsere Ergebnisse zeigen ähnliche Raten für die brutto N Mineralisation und Immobilisation auf, welches in einer geringen netto N Mineralisation resultiert und lassen somit eine geringe natürliche N Verfügbarkeit unter der aktuell üblichen landwirtschaftlichen Praxis schließen. Landnutzung, Düngung, oder Veränderungen in Temperatur und Bodenfeuchte hatten keinen Einfluss auf die Verfügbarkeit von N. Ein Umstieg der Düngerform erhöhte weder die Pflanzenproduktivität noch die N Aufnahme von Pflanzen. Unsere Ergebnisse lassen weiter vermuten, dass eine reduzierte keiner Bodenbearbeitung in diesen Ton-reichen semi-ariden Böden vorzuziehen sein könnte. Die Gehalte anorganischer N Formen in diesen tonreichen und semi-ariden Böden ist stark limitiert und kann der starken abiotischen Retention von N zugeordnet werden. Daher ist die Konkurrenz für das begrenzt verfügbare anorganische N in diesen Böden hoch. Stickstoff wird effektiv im System Boden-Pflanze gehalten. Dennoch ist die Verfügbarkeit an anorganischen N für Pflanzen stark durch abiotische Retentions-Prozesse limitiert welche die Bodenfruchtbarkeit gefährden. Eine an die spezifischen Charakteristika dieser Ton-reichen, semi-ariden Böden adaptierte N Düngung ist notwendig um die Produktivität und Nachhaltigkeit der Weizen Produktion in diesem globalen Brotkorb in Zukunft aufrecht zu erhalten.
Though nitrogen (N) is the most abundant element on earth, it is the least available
for most organisms in terrestrial systems. Northern hemisphere steppe soils are globally very
important as they store huge amounts of N as soil organic matter (SOM). Because of their
potential high fertility, these soils are widely under intensive agricultural use which strongly
affected nutrient availability. Especially in the semi-arid steppe soils of North Kazakhstan,
which serve as a global bread basket, soils were unsustainable managed during the “Virgin
Land Campaign”, resulting in soil degradation, low contents of mineral N and a decreasing
productivity.
However, there is yet a lack of information on the N cycle and its availability in these
clayey, semi-arid agricultural used steppe soils. Therefore this thesis aimed at (i)
investigating the N availability and retention of N under the current common agricultural
practice, and (ii) tested if with slight and cost-limited changes towards a climate adapted and
more sustainable agricultural practice, N availability can be increased. Therefore, three
experiments were conducted with soil samples from North Kazakhstan. The first laboratory
study investigated the gross N mineralization and biotic and abiotic retention of fertilizer N in
grassland and arable soil in spring time. In the second in vitro study, grassland and arable
soils were subjected to different climatic scenarios to investigate the effect of climate change
on the N availability (net N mineralization). And lastly, the third study aimed at testing the
effect of fertilizer and tillage form on the plant-microorganism competition for available N in
the field.
Our results suggest similar rates of gross N mineralization and immobilization which
results in low net N mineralization and hence low natural N availability under the current
agricultural practice. Land use, fertilization or changes in temperature and soil moisture did
not affect N availability. A transition of fertilizer form did not enhance plant productivity and
plant N uptake. But our results suggest that reduced soil tillage might be favorable over no
tillage in these clayey and semi-arid soils. Contents of inorganic N forms are strongly limited in these clay-rich semi-arid soils and attributed to strong abiotic N retention processes.
Hence, competition for limited inorganic N in these soils is severe.
Nitrogen is effectively kept in the soil-plant system; however the availability of
inorganic N is strongly limited by abiotic N retention processes, which jeopardize soil fertility.
Nitrogen fertilization adapted to the specific characteristics of these clay-rich semi-arid soils
is necessary to ensure productive and sustainable wheat production in this global bread
basked in the future.
