Spatial and temporal variations of microorganisms in grassland soils : influences of land-use intensity, plants and soil properties

Grassland ecosystems provide a wide range of services to human societies (Allan et al., 2015) and plants and soil microorganisms have been identified as key drivers of ecosystem functioning (Soliveres et al., 2016). Therefore, understanding soil microbial distributions and processes in agricultural grassland soils is crucial for characterizing these ecosystems and for predicting how they may shift in a changing environment. Yet we are only beginning to understand these complex ecosystems, which account for about 26% of the world’s terrestrial surface (FAOSTATS, 2018), making it especially urgent to gain better insights into the effects of land-use intensity on soil microbial properties and plant-microbe interactions. This thesis was conducted to evaluate the impact land-use intensity has on soil microbial biogeography of grasslands with respect to both spatial patterns and temporal changes in soil microbial abundance, function (in terms of enzyme activities), and community composition. It also investigated the relationships between plants and the spatial and temporal distributions of soil microorganisms. Thereby both, land-use intensity effects and plant-microbe interactions, were assessed in light of ecological niche and neutral theory. This thesis is based on three observational studies conducted on from one to 150 continuously farmed, un-manipulated grassland sites in three regions of Germany within the Biodiversity Exploratories project (DFG priority program 1374). The first study assessed the effects of land-use intensity and physico-chemical soil properties on the spatial biogeography of soil microbial abundance and function in 18 grasslands sites from two of the three regions, sampled at one time point. The second study analyzed spatial and temporal distributions of alpha- and beta-diversity of arbuscular mycorrhizal fungi in a low land-use intensity grassland with six sampling time points across one season. The third study investigated both legacy and short
Die vorliegende Dissertation diente dem Zweck, die Einflüsse der Landnutzungsintensität von Grünländern auf die Biogeographie von Bodenmikroorganismen in Bezug auf die räumliche Verteilung und zeitliche Veränderung von mikrobieller Biomasse, Funktion und Gemeinschaftsstrukturen aufzudecken und die Beziehungen zwischen Pflanzen und den räumlichen und zeitlichen Verteilungsmustern von Bodenmikroorganismen zu untersuchen. Dabei wurde auch betrachtet, inwieweit die Verteilung der Mikroorganismen den Konzepten der ökologischen Nischen- und Neutraltheorie entspricht. Die Dissertation basiert auf drei beobachtenden Studien, die auf einer bis 150 dauerhaft bewirtschafteten und nicht manipulierten Grünlandflächen durchgeführt wurden. Die Flächen sind verteilt auf drei Regionen in Deutschland und Teil des Schwerpunktforschungsprogramms Biodiversitäts-Exploratorien der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG 1374). Die erste Studie untersuchte die Effekte von Landnutzungsintensität und physikalisch-chemischen Bodeneigenschaften auf die räumliche Biogeographie von mikrobieller Biomasse und Funktion zu einem einzelnen Zeitpunkt in 18 Grünlandflächen, die auf zwei Regionen verteilt sind. Die zweite Studie analysierte die räumliche und zeitliche Verteilung der Alpha- und Betadiversität arbuskulärer Mykorrhizapilze (AMF) in einem extensiv genutzten Grünland mittels sechs Probennahmezeitpunkten verteilt über die Vegetationsperiode eines Jahres. Die dritte Studie untersuchte sogenannte „Legacy“ und kurzfristige Effekte von veränderter Landnutzungsintensität, physikalisch-chemischen Bodeneigenschaften, funktionellen Pflanzeneigenschaften und Charakteristika der pflanzlichen Biomasse auf zeitliche Veränderungen von mikrobieller Biomasse, Funktion und Gemeinschaftsstruktur in 150 Grünlandböden verteilt auf drei Regionen, sowie direkte und indirekte Effekte der Landnutzungsintensität. Obwohl alle drei Studien unterschiedliche Ansätze verfolgten und verschiedene bodenmikrobielle Eigenschaft