Investigating the impacts of urbanization on soil ecology in Berlin, Germany

Abstract

Urban landscapes, whilst only accounting for a small proportion of total land surface, are now home to the majority of humanity. The functioning of soils within these systems is therefore highly influential for human wellbeing; these soils mediate flood risk, cycle nutrients, and determine whether healthy plant life can be supported. This plant life in turn brings not only aesthetic benefits to cities, but can also yield food and boost the mental wellbeing of inhabitants. These soils are also the basis of urban agriculture and provide aesthetically pleasing spaces for cultural events. This thesis examines three different aspects of soil ecology across a series of urban and peri-urban grasslands, scattered across Berlin and its neighbouring federal state, Brandenburg. Due to their varied surroundings, these sites represent a gradient of urbanization. Throughout this thesis Principal Component Analysis is used to extract axes of variation from a substantial dataset of environmental parameters, in order to make these grasslands practically comparable. The most significant axis of variation within this environmental data is consistently shown to be a selection of urban-related parameters. Examples being the degree to which soil is sealed, the proximity of roads, and the local population density. We term the axis “urbanity” and use it as a metric to score how urban a grassland is. The first aspect of these soils that we explore is their physico-chemical properties. This investigation, presented in Chapter One of this thesis, consisted of a selection of field and laboratory tests. In-situ, we used an infiltrometer to measure the infiltration rate of the soil, and ex-situ we used wet-sieving to establish the percentage of water stable aggregates within samples, and dry sieving to establish the particle sizes present. Finally, we used the molarity-of-ethanol-drop method to investigate levels of hydrophobicity present in soil samples. By using the aforementioned urbanity metric, we were able to understand how these properties were impacted by urbanization. We found that the most urban soils tended to have lower percentages of stable aggregates, larger particle sizes, and more rapid infiltration rates. In Chapter Two of this thesis, we explore the fungal colonisation levels of plant roots, again using samples taken from our study sites. By staining short sections of root, and then examining them under a microscope, it was possible to establish colonisation rates of both arbuscular mycorrhizal fungi, and non-arbuscular filamentous fungi. We also examined the degree of root-hair presence on roots. Again, we compared these parameters to the urbanity score for each site to explore how urbanization impacted root colonisation and morphology. We found that roots in the most urban soils had increased levels of colonisation by non-arbuscular filamentous fungi and higher numbers of root hairs. Finally, in Chapter Three, we use molecular techniques to explore how microbial communities changed across our study sites. We used high-throughput illumina sequencing to record the bacterial, fungal, and cercozoan communities, and then used advanced statistical techniques to investigate how the community composition and species richness of these groups shifted across our urban gradient. We also considered the distribution of some highly abundant species and identified potential urban-indicator species. We found that fungal richness was increased at the most urban sites, and that a variety of environmental variables, including urbanity, drove microbial community composition.

Städtische Landschaften machen zwar nur einen kleinen Teil der gesamten Landfläche aus, beherbergen aber die Mehrheit der Menschheit. Das Funktionieren der Böden in diesen Systemen ist daher von großer Bedeutung für das menschliche Wohlergehen. Diese Böden beeinflussen das Hochwasserrisiko und den Nährstoffkreislauf und bestimmen, ob eine gesunde Pflanzenwelt gedeihen kann. Dieses Pflanzenleben wiederum bringt nicht nur ästhetische Vorteile (für die Städte) mit sich, sondern kann auch Nahrungsmittel liefern und das psychische Wohlbefinden der Bewohner*innen fördern. Diese Böden sind auch die Grundlage der städtischen Landwirtschaft und bieten ästhetisch ansprechende Räume für kulturelle Veranstaltungen. In dieser Arbeit werden drei verschiedene Aspekte der Bodenökologie auf einer Reihe von städtischen und stadtnahen Grünlandflächen untersucht, die über Berlin und das benachbarte Bundesland Brandenburg verstreut sind. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Umgebung stellen diese Standorte einen Gradienten der Urbanisierung dar. In dieser Arbeit wird die Hauptkomponentenanalyse verwendet, um Variationsachsen aus einem umfangreichen Datensatz von Umweltparametern zu extrahieren, was den praktischen Vergleich dieser Grünlandflächen ermöglicht. Die signifikanteste Variationsachse innerhalb dieser Umweltdaten ist nachweislich eine Auswahl stadtbezogener Parameter. Beispiele hierfür sind der Grad der Bodenversiegelung, die Nähe von Straßen und die lokale Bevölkerungsdichte. Wir bezeichnen diese Achse als "Urbanität" und verwenden sie als Maßstab, um zu bewerten, wie urban ein Grünland ist. Der erste Aspekt der Böden, die wir untersuchen, sind ihre physikalisch-chemischen igenschaften. Diese Untersuchung, die im ersten Kapitel der Arbeit vorgestellt wird, besteht aus einer Reihe von Feldund Labortests. In-situ haben wir mit einem Infiltrometer die Infiltrationsrate des Bodens gemessen, ex-situ haben wir durch Nasssiebung den Prozentsatz der wasserstabilen Aggregate in den Proben ermittelt und durch Trockensiebung die vorhandenen Partikelgrößen bestimmt. Schließlich untersuchten wir mit der Molaritäts-Ethanol-Tropfen-Methode den Grad der Hydrophobie in den Bodenproben. Durch die Verwendung der oben erwähnten Urbanitätsmetrik konnten wir nachvollziehen, wie sich die Urbanisierung auf diese Eigenschaften auswirkt. Wir stellten fest, dass die meisten städtischen Böden tendenziell einen geringeren Anteil an stabilen Aggregaten, größere Partikelgrößen und schnellere Infiltrationsraten aufweisen. Im zweiten Kapitel dieser Arbeit untersuchen wir anhand von Proben aus unseren Untersuchungsgebieten den Grad der Pilzbesiedlung von Pflanzenwurzeln. Durch das Färben kurzer Wurzelabschnitte und die anschließende Untersuchung unter dem Mikroskop konnten wir die Besiedlungsraten sowohl von arbuskulären Mykorrhizapilzen als auch von nicht-arbuskulären Pilzen ermitteln. Des Weiteren untersuchten wir Wurzelhaare. Auch hier verglichen wir diese Parameter mit dem Urbanitätswert für jeden Standort, um zu untersuchen, wie sich die Urbanisierung auf die Wurzelbesiedlung und die Morphologie auswirkt. Wir stellten fest, dass die Wurzeln in den am stärksten urbanen Böden stärker von nicht-arbuskulären Fadenpilzen besiedelt waren und eine höhere Anzahl von Wurzelhaaren aufwiesen. In Kapitel drei untersuchten wir schließlich mithilfe molekularer Methoden, wie sich die mikrobiellen Lebensgemeinschaften an unseren Untersuchungsstandorten veränderten. Wir verwendeten Hochdurchsatz-Illumina-Sequenzierung, um die Bakterien-, Pilz- und Cercozoa-Gemeinschaften zu erfassen und untersuchten dann mit geeigneten statistischen Verfahren, wie sich die Zusammensetzung der Gemeinschaft und der Artenreichtum dieser Gruppen über unseren urbanen Gradienten hinweg veränderten. Wir untersuchten auch die Verteilung einiger sehr häufiger Arten und identifizierten potenzielle Stadtindikatorarten. Wir fanden heraus, dass der Pilzreichtum an den am stärksten urbanen Standorten erhöht war und dass eine Vielzahl von Umweltvariablen, einschließlich der Urbanität, die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft beeinflusste.