This dissertation is about the use of carbon (C) and nitrogen (N) stable isotope composition of cattle hair as a recorder and integrator of C and N cycling components in organisms, agroecosystems, and at the regional scale. The first aim was to develop and assess a method for the extraction of a temporal record of the isotopic history of an animal’s diet. Cattle tail switch hair was collected from different animals and hairs were washed, sectioned, and 10-mm-long sections analysed for C and N isotope composition (d13C and d15N). Isotope signatures along paired hairs were similar (r2 about 0.8), indicating that a single hair constituted a representative sample and hair growth rate was the same for paired hairs. Comparison of isotopic profiles from hair collected at different times identified the segment produced during the respective interval and allowed calculation of average individual hair growth rates (mostly 0.60 to 0.92, mean 0.79 mm d-1). The method was then used to explore the factors that affect the stable isotope composition on the organism and ecosystem level. Isotope signatures of cows from the same New Zealand dairy farm were similar in mean and pattern, while there were clear differences between farms, indicating that feeding practices and farm system characteristics had strong effects on hair isotope signatures. The d13C signal of hair samples collected from a range of cattle operations in Upper Bavaria was primarily determined by the proportion of maize in the diet (r2=0.96). Thus, for this region, d13C of hair provided an indicator of the land use system (arable maize-based forage crop versus grassland farming) on which the cattle production system was based. The d15N in the same study was a complex parameter, but the long-term overall signal of adult animals in farms was correlated with stocking rate (r2=0.55) and N input surplus (farm gate) (r2=0.78), indicating that farm system d15N was dominated by volatile N losses. Hence, cattle hair 15N signature appears to indicate the ‘leakiness’ of cattle production systems for N. The 13C signature of cattle grazing humid temperate grassland (in which C4 plants are absent) was related to the hydrological conditions of the pastures that they grazed. In a 5-year study, hair analysis revealed that community-scale, season-mean 13C discrimination (D13C) only varied between 19.8‰ and 21.4‰. In conclusion, this work demonstrates that hair C and N isotope analysis is a powerful tool to study the nutritional ecology and physiology of cattle, and the ecology of grasslands, agroecosystems, and regions.
Übersetzte Kurzfassung:
Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Zusammensetzung der stabilen Isotope des Kohlenstoffs (C) und des Stickstoffs (N) in Rinderhaaren und ihrer Funktion als Archive und Integratoren der C- und N-Kreisläufe in Organismen, Agrarökosystemen und Regionen. Das erste Ziel war die Entwicklung und Bewertung einer Methode, die es ermöglicht, den zeitlichen Verlauf der isotopischen Zusammensetzung der Nahrung eines Tieres zu erfassen. Zu diesem Zweck wurden Schwanzquastenhaare von verschiedenen Rindern gesammelt. Die Haare wurden gewaschen und in 10 mm lange Stücke unterteilt, welche dann auf ihre C und N Isotopenzusammensetzung (d13C und d15N) hin untersucht wurden. Die Isotopensignaturen von paarweise analysierten Haaren eines Tieres zeigten dabei eine hohe Übereinstimmung (r2 etwa 0.8), was darauf hindeutet, dass bereits ein einzelnes Haar als repräsentative Probe betrachtet werden kann und die Wachstumsraten benachbarter Haare vergleichbar sind. Der Vergleich der Isotopensignaturen entlang von Haaren verschiedener Beprobungszeitpunkte ermöglichte die Berechnung der mittleren, individuellen Haarwachstumsrate (meist 0.60 bis 0.92, im Mittel 0.79 mm d-1). Diese Methode wurde anschließend zur Erforschung der Einflussgrößen verwendet, welche die Isotopenzusammensetzung auf der Ebene des Organismus bzw. des Ökosystems beeinflussen. Die Mittelwerte und Muster der Isotopensignaturen von Kühen innerhalb einzelner neuseeländischer Milchviehbetriebe zeigten eine hohe Übereinstimmung, während zwischen Betrieben deutliche Unterschiede erkennbar waren. Dies deutete darauf hin, dass Fütterung und Bewirtschaftungssystem einen großen Einfluss auf die Isotopensignaturen in Haaren hatten. Das d13C Signal von Haarproben eines breiten Spektrums rinderhaltender Betriebe in Oberbayern wurde in hohem Maße vom Maisanteil in der Futterration bestimmt. Für die untersuchte Region kann die 13C Signatur somit als Indikator des Landnutzungssystems (Mais-basierter Ackerfutterbau gegenüber Grünlandwirtschaft) herangezogen werden, auf dem die Rinderproduktion basiert. In derselben Studie erwies sich die 15N Signatur als komplexer Parameter, wobei das Langzeitsignal ausgewachsener Tiere auf Betriebsebene mit dem Viehbesatz (r2=0.55) und dem N Import-Überschuss (Hoftor) (r2=0.78) korrelierte. Dies deutet darauf hin, dass die 15N Signaturen auf Betriebsebene von gasförmigen Verlusten bestimmt wurden. Die 15N Signatur in Rinderhaaren lässt also offenbar Rückschlüsse auf die N-Verluste der Produktionssysteme zu. Die 13C Signaturen von Weiderindern im feucht-gemäßigten Klima (Fehlen von C4 Pflanzen) waren von den hydrologischen Verhältnissen der Weiden abhängig. In einer fünf-jährigen Studie konnte anhand von Haaranalysen gezeigt werden, dass auf der Ebene der Pflanzengesellschaft die 13C Diskriminierung (D13C) im Mittel der Vegetationsperiode nur zwischen 19.8‰ und 21.4‰ variierte. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass die Analyse der Isotopenverhältnisse von C und N in Haaren ein aussagekräftiges Instrument für das Studium der Ernährungsökologie und Physiologie von Rindern sowie der Ökologie von Grünland, Agrarökosystemen und Regionen darstellt.
Veröffentlichung:
Universitätsbibliothek der Technischen Universität München
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