Methodischer vergleich von respirationsmessungen im bebrütungsversuch

Zbl. Bald. II. Abt. 134 (1979), 249-253

[Aus dem Forschungszentrum fur Bodenfruchtbarkeit Muncheberg - Bereich Bad Lauohstadt der Akademie der Landwirtschaftswissenschaften dor DDR]

Methodischer Vergleich von Respirationsmessungen im Bebriitungsversuch A Methodical Comparison of Respiration Measurement in an Incubation Experiment EVA-MARIA KLIMANEK, JOACHIM GREILICH und UWE FRANKO

Summary For the determination of CO 2-content from incubation experiments infrared-absorption, interferometer and titration methods were compared with regard of the reproduction of experimental results. The data obtained by titration were general higher. The middle coefficients of variation amounted for infrared-absorption 6.79 %, interferometer 13.41 % and titration 21. 78 %. The repititions, which are necessary for the statistical safety of the methods, are given. By the method of infrared-absorption the higher water-loss of the soil is reduced by water-satiuration of the air in the incubation vessel.

Zusammenfassung Zur Bestimmung des CO 2,Gehaltes aus Inkubationsversuchen mit Boden wurden im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit der Versuchsergebnisse Ultrarotabsorption, Interferometer und Titration verglichen. Generel! lagen die durch Titration gewonnenen MeJ3werte hoher. Die mittleren Variationskoeffizienten betrugen fur die Ultrarotabsorption 6,79 %, Interferometer 21,87 %, Titration 25,11 %. Fur die einzelnen Methoden werden die zur statistischen Sicherung der Versuchsergebnisse notwendigen Wiederholungen angegeben. Die bei der Ultrarotabsorptionsmethode bedingte hohe Austrocknung des Bodens lal3t sich durch eine Wassersattigung der Luft im InkubationsgefaJ3 herabmindern.

Zur Bestimmung der Bodenatmung wurden in den vergangenen Jahrzehnten eine Reihe von Techniken, Apparaturen und Methoden entwickelt (ISERMEYER 1952, NOVAK und APFELTHALER 1964, STEINBRENNER U. GRABERT 1965, KLEIN et al. 1972, FREYTAG U. JAGER 1973, MINDERMANN et al. 1973, GRABERT 1974). In Bebriitungsversuchen unter Laborbedingungen wird das freigesetzte Kohlendioxid entweder titrimetrisch (ISERMEYER 1952) oder interferometrisch (NOVAK u. APFELTHALER 1964, STEINBRENNER U. GRABERT 1965) bestimmt. Die Intensitiit der Bodenrespiration in Feldversuchen wird vorrangig mit UltrarotabsorptionsmeBgeriiten gemessen. Dieses Geriit setzte GRABERT (1974) auch fiir kontinuierliehe Bodenatmungsmessungen im Labor ein. Die dafiir entwickelte MeBanlage ermoglieht zwar den AnschluB einer groBeren Zahl von VersuchsgefiiBen, sie ist aber mit einem hohen apparativen Aufwand verbunden. GREILICH, FRANKO und KLIMANEK (1978) verwenden fur die CO2 -Best immung im Bebriitungsversuch ebenfalls das UltrarotabsorptionsmeBverfahren. Mit dem von ihnen beschriebenen Gaskreislaufverfahren ist es moglich, bei bequemer Handhabung und verhaltnismafsig geringem apparativen Aufwand das freigesetzte Kohlendioxid mit hoher Genauigkeit diskontinuierlich zu bestimmen.

250

EVA-MARIA KLIMANEK u . a.

In der folgenden Arbeit werden die drei genannten Methoden hin sichtlich Prazision

und 'freffgenauigkeit der Ergebn isse verglichen. Material und Methoden Di e Inkubation d er Bodenproben er fo lgte in modifzierten GefiU3en (APFELTHALER u . LOBL 1966, NOVAK u. a . 1970). Sie weisen ein Volumen von 1500 em" auf. Di e Bodenmenge b etrug 100 g (auf absolut trockenen Boden be reehnet ). D er Boden st a m m te aus eine r N ahrstoffmangelparzelle d es "Stati seh en Versuches" B ad Lauohstadt, urn die durch di e Inhomogenitat de s Bodens bedingte St r euung miiglich st gering zu halten. Die Irikubationstemperatur lag bei 25 °C, di e Bodenfeuehte be trug 50 % d er WK m ax • Es wurde mit 10 Wi ederholungen gearboitot , Fur die Titrationsmethode wurden in Anlehnung an FREYTAG (1977) Glasseh al ehen mit 10 ml 3 n NaOH-L iisung zur Absorption des geb ildeten CO2 in di e Jnkubationsg efals e eingeset zt , Als Titer kam 3 n HCl zur Anwendung. Die B ereehnung der fr eigesetzten CO2-M enge erfolgto auf der Grundlage der vorgegebenen N ormalitat d er Losungen , B ei d er Mess ung im Labor-Interferometer LI 3 wurde d er CO 2·G ehalt nach der von STEINBRENNER u. GRABERT (1965) angegeb enen Formel errech n et: a' t · V = mg CO2/100 g B oden a

= =

gerateabhangige K on st a n t e , abgelesene 'I'romm elt eilstr ich e, V = Vo lumen des Inkuba t ion sgefttlles in Liter. t

Di e irn Gaskreislauf mit d em Ulbrarotabsorptionsgerat URM-5 (Wi ssenschaftl. Geratebau L eipzig) gewonnenen Ergebnisse wurden an Hand von Eichkurven a usgewertet. Tabelle 1. B estimmung der CO 2- F reisetzun g in mg/ l00 g B od en mit ver schi edenen (Boden: Stati sche r Versuch Bad Lauch stadt, Schlag 3 n , Parz. 18) Inkubat ion sdauer

n

Ultrarotabsorption

2. Tag 2 3 4 5 6 7 8 9 10

x

s% 3. Tag

x

s%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Methoden Interfer om eter

3,965 3,52 8 3,226 3,226 3,19 2 3,66 2 3,360 3,528 3,59 5 4,099

5,166 5,970 4,736 5,884 4,2 19 5,453 4,018 4,305 4,305 4,1 90

3,538 8,75

4,82 5 15,31

3,376 2,899 2,762 2,728 3,00 1 3,103 3,00 1 2,899 3,00 1 3,171

3,875 3,214 2,870 3,243 2,440 3,645 2,870 2,583 2,440 2,440

2,994 6,45

2,962 17,56

Ti t ration 3,96 3,96 2,64 5,28 5,28 5,28 3,96 3,96 4,29 21,77 4,62 3,30 4,62 4,62 4,62 4.6 2 4,62 4,43 11,26

~Iethoden

Methodischer Vergleich v on R espirationsmessungen

251

Ergebnisse und Diskussion Die MeBergebni sse des Methodenvergleichs sind in den Tabellen 1 und 1a aufge fiihrt. Bei Betrachtung der Mit t elwerte ergibt sich die beste Ubereinstimmun g zwischen der Respirationsmessung mittels Ultrarotabsorp tion und Int erferom et er . Die Gesamtmittel (x ) beider Methoden weichen urn durchschn it tli ch 10 % von einander abo Gri:iBere Unterschiede wiesen die Ergebni sse der Tit ra ti onsmeth ode auf, sie betrugen im Vergleich zur Int erferometerm ethode 37 % und zur Ultrarot absorptionsmet hode 52 %. Die Ursac hen sind in den iiber wiegend hoheren MeBwerte n und deren relativ groBer St reuung zu suehen. Ta belle I a . Best im mung der CO2·Freisetzung in mg/100 g Boden mit verseh iede ne n Methoden , (Boden : Statischer Versuch , Bad Lauehstad t , Schlag 3 n , P arz. 18) Inkubat ion sdauer

6. Tag

n

I 2 3 4 5 6 7 8 9 10

x s% 8. Tag 2 3 4 5 6 7 8 9 10

x s% 10. Tag

x s%

I 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ultrarota bsorpt ion

Methoden Int er ferometer

T it ration

5,0 70 4,631 4,664 4,42 8 4,698 5,002 4,63 1 4,326 4,394 4,326

5,0 23 5,367 4,449 5,740 5,023 5,3 10 4,879 5,4 53 4,736 4,7 93

10, 56 7,92 9,2 4 7,92 6,60 5,28 6,60 7,92 7,92 7,92

4,617 5,65

5,077 7.64

7,79 18,62

3,750 3,68 1 3,7 15 3,578 3,887 4, 162 3,474 3,5 43 3,646 3,85:l

4,01 8 3,817 3,530 4,075 3,387 3,875 3, 73 1 3,3 01 4,018

3,96 3,96 2,64 1,32 6,60 3,96 3,96 3.96 3.96 3,96

3,729 5,36

3,7 50 7,61

3,83 34,22

2,856 2,822 2,822 2,923 3,528 2,822 3,125 3, 158 2,856 2,856

4,736 3.243 3,530 2,78 4 3, 157 3, 157 3,157 2,583 2,7 27 2,95 6

5,28 6,60 5,28 9,24 7,92 6,60 9,24 6,60 5,2 8

2,977 7,73

3,203 8, 95

6,89 23,0 1

252

EVA-MARIA KLIMANEK

u. a.

Betrachtet man die Variationskoeffizienten der gepruften Methoden je MeBtermin, so ergib sioh eine Vergrofserung in der Reihe Ultrarotabsorption < Interferometer < Titration. Die geringste Streuung war eindeutig bei der Messung der CO2-Respiration mit dem Ultrarotabsorptionsmellgerat zu verzeichnen. Bei Mittelung der Variationskoeffizienten erhalt man ein durchschnittliches s % bei dieser Methode von 6,79. Um weitere 7 % grofser war die Streuung bei der Interferometermessung. Die grollere Streuung wird auf subjektiv bedingte MeBfehler bei Abgleichung der Interferenzstreifen im Interferometer zuruokgefuhrt, Irn Verhaltnis zur Ultrarotabsorption war die Streuung bei der Titration um 15 % grofser. Verantwortlich dafiir diirfte in erster Linie die hohe Normalitat der eingesetzten Losungen sein. So verursacht eine 3n NaOH als ¥orlage und eine 3n HCI als Titer bei der Titration von nur ± 0,1 ml bereits eine Abweichung von ± 0,66 mg CO2 , Der Fehler lieBe sich zwar bei Verwendung niedrigerNormalitaten vermindern, demgegeniiber steht jedoch die geringere Absorptionsfahigkeit solcher Losungen. Aus der relativ guten Reproduzierbarkeit der MeBwerte bei der Ultrarotabsorptionsmethode ist zu schlieBen, daB die MeBwerte bei dieser Methode im Vergleich zur interferometrischen und titrimetrischen CO2·Messung weniger subjektiv bedingten Fehlern unterworfen sind und damit eine hohere Treffgenauigkeit aufweisen. Aus diesem Grund ergeben sich fur die einzelnen Methaden unterschiedliche Wiederholungszahlen, um signifikante Unterschiede zwischen den Prufgliedern zu erfassen. Fur die errechneten Variationskoeffizienten sind danach fur ein Konfidenzintervall von ± 5 % folgende Wiederholungen notwendig: Ultrarotabsorption n = 5, Interferometer n = 9, Titration n = 20. In den Methodenvergleich wurden auch Untersuchungen zum Feuchtigkeitsgehalt der Bodenproben wahrend der Inkubation einbezogen. Die starkste Austrocknung erwies sich bei der Anwendung der Ultrarotabsorptionsmethode (Tabelle 2). Sie ist bedingt durch die im Kreislauf das Inkubationsgefafl durchstromende trockene Luft. Der Wasserverlust der Proben laBt sich einschranken, wenn man nach AbschluB der Messung angefeuchtete Luft durch das Inkubationsgefaf Ieitet. Auf diese Weise konnte nach 35 Tagen Inkubationsdauer noch eine Bodenfeuchtigkeit von 36 % der WK m ax festgestellt werden. Tabelle 2. Feuchtigkeitsverluste bei Bodenproben wahrend der Versuchszeit in Abhangigkeit von der MeJ3methode. Ausgangsfeuchte: Inkubationsdauer:

50 % der WK max 10 Tage

Feuchtigkeitsverluste in

% WK

Wiederholung

Ultrarotabsorption

Interferometer

Titration

1 2 3 4 5

17,3 16,2 16,8 17,8 19,0

19,3 15,6 14,2 15,6 15,4

12,0 12,3 11,7 10,9 12,6

x

17,4

16,0

11,9

WK%

32,6

34,0

38,1

:Methodischer Vergleich von Respirationsmessungen

253

Literatur APFELTHALER, R., und LOBL, F.: Ein Polyathylengefaf zur interferometrischen Bestimmung der Respirat.ionskurven von Boden, organischen Dungemitteln und Abfallstoffen, ZbI. Bakt. II 120 (1966), 604. FREYTAG, H. E., und J:i.GER, R.: Apparatur zur Registrierung des Feinvorlaufs von Mineralisierungsprozessen. ZbI. Bakt. II 128 (1973), 209 - 220. - MiindI. Mitt. (1977). GRABERT, D.: Eine Anlage zur automatischen Messung der Bodenatmung. ZbI. Bakt. II 129 (1974),520-524. GREILICH, J., FRANKO, U., und KLIMANEK. E.·M.: Messung der CO 2-Produktion in Irikubat.ionsgefaJ3en mit einem Ultrarotabsorptionsmefigerat in oinem Gaskreislaufverfahren. ZbI. Bakt. II 133 (1978),201-203. ISERMEYER, H.: Einfaehe Methode zur Bestimmung der Bodenatmung und der Karbonate im Boden. Z. Pflanzcnornahr, Diingg. u. Bodenkde, 56 (1952),26-38. KLEIN, D. A., MAYEUX, P. A., und SEAMAN, S. L.: Eine vereinfachte Vorrichtung zur Bestimmung der Atmungsaktivitat von Bodenproben. Plant and Soil 36 (1972), 177 -183. NOVAK, B., und APFELTHALER, R.: Beitrag zur Methodik der Respirationsbestimmung als eines Indikators der mikrobiologischen Prozesse im Boden. Rostl. Vyroba 10 (37) (1964), 145-150. - BONISCHOVA-FRANKLOVA, S., und POKORNA·KozOVA, J.: GefaJ3e fur makrorespirometrische Messungen von Bodcnproben. ZbI. Bakt. II 124 (1970), 473-487. MINDERMAN, G., and VULTO, J. C.: Comparison of techniques for the measurement of carbon dioxide evolution from soil. Pedobiologia (Jena) 13 (1973),73-80. STEINBRENNER, K., und GRABERT, D.: Untersuchungen uber den Abbauverlauf einiger organischer Stoffe im Boden. Zbl. Bakt. II 119 (1965), 456-465. Anschrift der Verfasser: Dr. EVA-MARIA KLIMANEK, Dr. JOACHIM GREILICH und Diplv- Phys. UWE FRANKO, Forschungszerrtrum fur Bodenfruchtbarkeit Muncheberg, Bereich Bad Lauchstadt., 4204 Bad Lauchstadt, Hallesche StraLle 44.