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Production, reactivity, and bioavailability of dissolved organic phosphorus species in soil - indicators of the recycling efficiency of forests

English title Production, reactivity, and bioavailability of dissolved organic phosphorus species in soil - indicators of the recycling efficiency of forests
Applicant Hagedorn Frank
Number 149133
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Eidgenössische Forschungsanstalt WSL für Wald, Schnee und Landschaft
Institution of higher education Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research - WSL
Main discipline Geochemistry
Start/End 01.01.2014 - 28.02.2018
Approved amount 245'623.00
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Keywords (7)

Biogeochemistry ; forest; Dissolved organic matter; Nutrient cycle; Enzyme; Phosphorus; soil

Lay Summary (German)

Lead
Phosphor (P) ist ein essentieller Nährstoff für Pflanzen. In Waldböden ist jedoch nur ein kleiner Anteil, das freie gelöste Phosphat, direkt pflanzenverfügbar. Der grösste Teil liegt in schlecht verfügbaren Formen vor, entweder als organischer Phosphor oder es ist an Minerale gebunden. Mit der Entwicklung von Waldökosystemen nimmt das leicht verfügbare anorganische Phosphat ab, während organische Phosphorverbindungen im Nährstoffkreislauf an Bedeutung gewinnen. Ein kleiner Anteil dieses organischen Phosphors liegt in gelöster und daher mobiler Form als „dissolved organic phosphorus“ (DOP) vor. Allerdings ist bisher wenig über die Rolle von DOP im Phosphorkreislauf von Wäldern bekannt. Wir untersuchen, wie gross die DOP-Flüsse sind, aus welchen Stoffgruppen DOP besteht, und wie bio-verfügbar DOP für Mikroorganismen und Pflanzen ist. Hierbei sollen enzymatische Tests und markierte Substanzen zum Einsatz kommen.
Lay summary

Einleitung

Phosphor (P) ist ein essentieller Nährstoff für Pflanzen. In Waldböden ist jedoch nur ein kleiner Anteil, das freie gelöste Phosphat, direkt pflanzenverfügbar. Der grösste Teil liegt in schlecht verfügbaren Formen vor, entweder als organischer Phosphor oder es ist an Minerale gebunden. Mit der Entwicklung von Waldökosystemen nimmt das leicht verfügbare anorganische Phosphat ab, während organische Phosphorverbindungen im Nährstoffkreislauf  an Bedeutung gewinnen. Ein kleiner Anteil dieses organischen Phosphors liegt in gelöster und daher mobiler Form als „dissolved organic phosphorus“ (DOP) vor. Allerdings ist bisher wenig über die Rolle von DOP im Phosphorkreislauf von Wäldern bekannt.

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Das Forschungsprojekt hat zum Ziel (i) die Flüsse von gelöstem organischem Phosphor entlang eines Gradienten der Phosphorverfügbarkeit zu quantifizieren, (ii) den DOP im Bodenwasser von Waldökosystemen biochemisch zu charakterisieren, um nachfolgend zu ermitteln (ii) wie bioverfügbar DOP ist, und welche Bedeutung DOP als Phosphorquelle für Mikroorganismen und Pflanzen hat. Ausserdem zielen wir  darauf zu testen, (iii) ob und wie Pflanzen DOP  aufnehmen können. Hier soll  markiertes DOP (Isotope 13C, 14C und 33P) zum Einsatz kommen.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Dieses Projekt soll die Bedeutung von gelösten organischen Phosphorverbindungen im Nährstoffkreislaufs von Waldökosystemen ermitteln. Da viele Ökosysteme zunehmend durch Phosphor limitiert sind, können die Erkenntnisse über ein verbessertes Prozessverständnis zu einem nachhaltigen und zukunftsorientierten Waldmanagement beitragen.

Direct link to Lay Summary Last update: 26.06.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Publications

Publication
Divergent Patterns of Carbon, Nitrogen, and Phosphorus Mobilization in Forest Soils
Brödlin Dominik, Kaiser Klaus, Hagedorn Frank (2019), Divergent Patterns of Carbon, Nitrogen, and Phosphorus Mobilization in Forest Soils, in Frontiers in Forests and Global Change, 2, 1-16.
Drying and rewetting foster phosphorus depletion of forest soils
Brödlin Dominik, Kaiser Klaus, Kessler Arnim, Hagedorn Frank (2019), Drying and rewetting foster phosphorus depletion of forest soils, in Soil Biology and Biochemistry, 128, 22-34.
Dissolved and colloidal phosphorus fluxes in forest ecosystems-an almost blind spot in ecosystem research
Bol Roland, Julich Dorit, Brödlin Dominik, Siemens Jan, Kaiser Klaus, Dippold Michaela Anna, Spielvogel Sandra, Zilla Thomas, Mewes Daniela, von Blanckenburg Friedhelm, Puhlmann Heike, Holzmann Stefan, Weiler Markus, Amelung Wulf, Lang Friederike, Kuzyakov Yakov, Feger Karl-Heinz, Gottselig Nina, Klumpp Erwin, Missong Anna, Winkelmann Carola, Uhlig David, Sohrt Jakob, von Wilpert Klaus, Bei Wu, HagedornFrank (2016), Dissolved and colloidal phosphorus fluxes in forest ecosystems-an almost blind spot in ecosystem research, in Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 179(4), 425-438.

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Jahrestagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft Talk given at a conference Drought enhances the mobilization of dissolved organic phosphorus (DOP) in the organic layer of forest soils 02.09.2017 Göttingen, Germany Kaiser Klaus; Brödlin Dominik; Hagedorn Frank;
BIOGEOMON – 9th International Symposium on Ecosystem Behavior Poster Drought enhances the mobilization of dissolved organic phosphorus (DOP) in the organic layer of forest soils 20.08.2017 Litomysl, Czech Republic Brödlin Dominik; Kaiser Klaus; Hagedorn Frank;
University of Bern Conference Work Shop Poster Dissolved organic phosphorus (DOP) and its potential role for ecosystem nutrition 11.11.2016 Neuchatel, Switzerland Brödlin Dominik;
Ecosystem Nutrition: forest strategies for limited phosphorus resources Talk given at a conference The leak in the phosphorus cycle 17.10.2016 Tutzing, Germany Kaiser Klaus; Hagedorn Frank;
SICA Talk given at a conference The leak in the P cycle 05.10.2016 Perugia, Italy Kaiser Klaus; Hagedorn Frank; Brödlin Dominik;
Organic Phosphorus Talk given at a conference Dissolved organic phosphorus in forest soils 05.09.2016 Lake District, Great Britain and Northern Ireland Kaiser Klaus; Brödlin Dominik; Hagedorn Frank;
European Geosciences Union Poster Dissolved organic phosphorus (DOP) and its potential role for ecosystem nutrition 18.04.2016 Wien, Austria Hagedorn Frank; Kaiser Klaus; Brödlin Dominik;
Jahrestagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft Poster Dissolved organic phosphorus (DOP) and its potential role for ecosystem nutrition 07.09.2015 München, Germany Brödlin Dominik; Hagedorn Frank; Kaiser Klaus;
SPP 1685 - Ecosystem Nutrition 2015 Talk given at a conference DIP, DOP and COP. News from the P flux cluster 02.07.2015 Dipperz, Germany Hagedorn Frank;
SPP 1685 - Ecosystem Nutrition 2015 Talk given at a conference Dissolved organic phosphorus (DOP) and its potential role for ecosystem nutrition 02.07.2015 Dipperz, Germany Brödlin Dominik;
American Geophysical Union. San Francisco, December 2014 Talk given at a conference Do soils loose phosphorus with dissolved organic matter? 15.12.2014 San Francisco, United States of America Kaiser Klaus; Hagedorn Frank; Brödlin Dominik;
SPP 1685 - Essentials of Ecosystem Nutrition Analyses Poster Dissolved organic phosphorus (DOP) and its potential role for ecosystem nutrition. 15.09.2014 Freising, Germany Hagedorn Frank; Kaiser Klaus; Brödlin Dominik;


Knowledge transfer events

Active participation

Title Type of contribution Date Place Persons involved
Science meets children Workshop 17.09.2014 Peiting, Germany Brödlin Dominik;


Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Talks/events/exhibitions Waldzeit German-speaking Switzerland 2014

Awards

Title Year
1st Price Poster Presentation BIOGEOMON 2017

Abstract

As mineral sources of phosphorus are becoming increasingly scarce with progressing ecosystem development, forests start to recycle organic phosphorus. Inorganic phosphorus forms tend to be bound strongly to secondary minerals, thus, they are hardly available to plants and are not leached from soil. Instead, phosphorus leaching losses tend to be governed by mobile organic forms, in whatever state the ecosystem is. However, very little is known on the composition, mobility, and bioavailbaility of dissolved organic phosphorus (DOP). Microbial compounds such as nucleotides and nucleic acids are probably the most mobile fraction of DOP in soils, while plant-derived compounds, such as phytate, are less prone to leaching. However, these potentially mobile microbial compounds are enzymatically hydrolysable, and thus, they may be taken up by plants, which reduces DOP leaching losses from recycling ecosystems.Our proposed project aims at identifying the chemical characteristics of DOP compounds controlling their mobility, the environmental controls on DOP composition, and if DOP compounds are plant available. We will collect forest floor seepage water and solutions from mineral soils along the SPP1685-gradient of phosphorus availability. These solutions will be analyzed for chemical organic phosphorus species, using spectroscopic methods (basically NMR, complemented by XPS and XANES analyses on selected samples), and for enzymatic release of the phosphorus contained (in combination with spectroscopic methods). This approach will inform on mobile and labile dissolved organic phosphorus compounds. Similar analyses will be carried out on solutions deriving from other proposed SPP-experiments on potential controls (drought, pH) on dissolved phosphorus release. Laboratory assays will be conducted to estimate the potential mobility of organic phosphorus species (sorption experiments, in combination with spectroscopic methods) as well as experiments with 13C, 14C and 33P labeled compounds. The latter will address the potential plant uptake of DOP, either after enzymatic hydrolysis or by direct uptake of small molecules.
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