Kohlenstoffumsatz in aggregierten Böden bestimmt mit Hilfe der natürlichen 13C Abundanz | Carbon turnover in aggregated soils determined by natural 13C abundance

Die organische Bodensubstanz beeinflußt alle Bodenfunktionen und ist ein entscheidender Faktor im globalen Kohlenstoffzyklus. Die Stabilisierungsmechanismen der organischen Bodensubstanz sind nur schlecht verstanden. Ziel dieser Studie war es, die Dynamik der organischen Bodensubstanz aus Langzeit-Monokulturen mit einem Kulturwechsel von einer C3-Pflanze (Roggen oder Weizen) zu einer C4-Pflanze (Mais) mit Hilfe der natürlichen 13C-Abundanz zu bestimmen. Zusätzlich wurde der Kohlenstoffumsatz unter unterschiedlichen statischen Düngungen verglichen.Zwei Untersuchungsflächen in Ost- und Süddeutschland mit unterschiedlichen Bodeneigenschaften und Kultivierungspraktiken wurden für diese Studie ausgewählt. Bei dem Ewigen Roggen" in Halle waren die untersuchten Flächen ein kontinuierliches Roggenfeld (seit 1878) und ein Maisfeld (seit 1961) mit und ohne mineralische Stickstoffdüngergabe. In Rotthalmünster im Landkreis Passau wurden die folgenden Flächen ausgewählt: eine Weizenmonokultur mit NPK-Düngung (seit 1969), je eine Maismonokultur (seit 1979) mit NPK- oder organischer Düngung, ein Grünland mit NPK-Düngung (seit 1961) und ein Fichtenforst (~1920). Die Methode der natürlichen 13C Abundanz war sehr gut geeignet, um den Kohlenstoffumsatz im Boden zu bestimmen. Die Ergebnisse der Studie weisen darauf hin, dass sich junges C viel schneller als altes C im Boden umsetzt. In Halle war nach 40 Jahren Maismonokultur die Anreicherung des jungen C mit 14.1% unter NPK-Düngung und mit 9.5% ohne Düngen sehr gering. Die Prozentzahlen des maisbürtigen C waren in Rotthalmünster (35.1 - 35.8% maisbürtiges C) höher als in Halle, bedingt durch die höhere Biomasseproduktion, den höheren Pflanzeneintrag in den Boden nach der Ernte, die höhere NPK-Düngung und höhere Anteile an Schluff und Ton.Die Stabilisierung von Kohlenstoff und Stickstoff war von ihrer Position im Boden abhängig: Die Ergebnisse der Größenfraktionierung für die Oberböden von Halle zeigen an, dass die C- und N-Anreicherung am höchsten in der Tonfraktion war, gefolgt von den Schlufffraktionen. Die C/N-Verhältnisse und die maisbürtigen Anteile zeigen an, dass die Feinsandfraktion und die Grobschlufffraktion die stabilsten Fraktionen waren.In den Oberböden von Rotthalmünster wurden Aggregate > 1 mm durch das Pflügen zerstört. Die Menge des C in den Mikroaggregaten plus Schluff und Ton war nahezu unabhängig von der Menge des organischen Kohlenstoffs des Bodens (SOC) im Gesamtboden und, daraus folgend, der Kultivierung. Die Menge der Mega- und Makroaggregate war stark von dem SOC-Gehalt abhängig, diese Ergebnisse zeigen an, dass Kohlenstoff hauptsächlich aus Makroaggregaten freigesetzt wird, wenn eine Bodenbearbeitung beginnt. Mikroaggregate und die Ton- und Schlufffraktion der Maisflächen von Rotthalmünster wiesen geringere maisbürtige Anteile als die Mega- und Makroaggregate auf, damit wurde die höhere Konservierung des C in den Größenklassen < 250 µm nachgewiesen.Die Dichtefraktionen aller Böden von Halle und Rotthalmünster (außer der Forstfläche) zeigten, dass von den leichten Fraktionen die in Aggregaten eingeschlossene partikuläre organische Substanz (occluded particulated organic matter, OPOM) mit einer Dichte von 1.6 to 2.0 g cm-3 (OPOM1.6-2.0) dass für die C-Speicherung am wichtigsten war, gefolgt von der freien partikulären organischen Substanz (FPOM<1.6, Dichte <1.6 g cm-3), während die Fraktion OPOM<1.6 (Dichte <1.6 g cm-3) nur von geringer Bedeutung für die C-Speicherung war. Die hohen maisbürtigen Anteile in den FPOM-Fraktionen von Halle und Rotthalmünster und die geringen maisbürtigen Anteile in den OPOM-Fraktionen stellen die Bedeutung des physikalischen Schutzes vor Abbau heraus. Für die Halleböden war die Fraktion OPOM<1.6 der Pool mit der geringsten Umsatzrate der in der gesamten Studie gemessen wurde. Die mineralische Fraktion aller Böden wies die höchste C-Speicherung auf, ihre maisbürtigen Anteile waren intermediär.In Halle waren die mikrobielle Biomasse und ihre maisbürtigen Anteile in den gedüngten Böden höher, bedingt durch den höheren Eintrag an Maisresiduen. In Rotthalmünster wies der Grünlandboden die höchste mikrobielle Biomasse auf, gefolgt von der Mais- und Weizenfläche. In den Bracheböden von Halle lag die Produktion von CO2, gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) und gelöstem organischem Stickstoff (DON) in den Roggenböden höher als in den Maisböden und höher unter NPK-Düngung als ohne. Die Produktion des CO2 aus Bodensäulen mit einem Maisstoppel lag höher als jene von allen andere Böden, während die DOC- und DON-Produktion unter jener der Roggenböden lag. Die maisbürtigen Anteile waren nach 40 Jahren Maismonokultur am höchsten im CO2 (42 to 79%), gefolgt von der mikrobiellen Biomasse (Cmic; 23 to 46%), DOC (5 to 30%) und SOC (5 to 14%). Junger, C4-bürtiger C wies eine höhere Umsatzrate auf als älterer, C3-bürtiger, rekalzitranterer C. Ein Vergleich der Ergebnisse für Oberböden und Unterböden zeigte, dass die Bedeutung des DOC verglichen mit dem CO2 gering war, aber mit der Bodentiefe zunahm. Die Bodensäulen mit den Maisstoppeln, die in die Studie eingeschlossen wurden, um die Heterogenität der Maisresiduen nach der Ernte zu repräsentieren, zeigten eine höhere heterotrophe Aktivität innerhalb der Maisreihen als zwischen den Maisreihen.Die Ergebnisse der natürlichen 13C Abundanz wurden erfolgreich eingesetzt um die SOC-Dynamik in den Maismonokulturen in Halle ohne den Einsatz adjustierbarer Parameter zu modellieren. Die Studie zeigt, dass neu in den Boden eingebrachter Kohlenstoff einen weit höheren Umsatz als älterer Kohlenstoff im Boden zeigt, damit wird das Potential einer langfristigen Kohlenstoffspeicherung und eines positiven Beitrags der Böden zur Verringerung des Treibhauseffektes in Frage gestellt. Die Ergebnisse für die einzelnen Kohlenstoffpools sind eine wertvolle Quelle für die Verbesserung von Boden-C-Modellen.

Soil organic matter influences all soil functions and is a crucial factor in the global carbon cycle. The stabilization mechanisms of organic matter in soils are poorly understood. The objective of this study was to quantify soil carbon dynamics in soils from long-term monocultures with a change from a C3-plant (rye or wheat) to a C4-plant (maize) using natural 13C abundance. Additionally, the carbon turnover under different static fertilizations was compared.Two study sites in East and South Germany with differing soil properties and cultivation practices were chosen for the study. At the "Ewiger Roggen" in Halle, the investigated plots were continuous rye (since 1878) and maize (since 1961) with and without mineral N fertilization. At Rotthalmünster in the rural district of Passau, the following sites were chosen: a continuous wheat plot with NPK-fertilization (since 1969), continuous maize plots (since 1979) with NPK-fertilization with or without organic fertilization, continuous grassland with NPK-fertilization (since 1961), and a spruce forest (~1920).The method of natural 13C abundance proved as a useful tool to determine the carbon turnover in soils. The results of the study indicated that young carbon turned over much faster than the older carbon in the soil. At Halle, after 40 years of maize monoculture, the enrichment of younger carbon was as low as 14.1% under NPK-fertilization and 9.5% without fertilization. The percentage of maize-derived carbon was higher at Rotthalmünster (35.1 - 35.8% maize-derived C) than at Halle due to the higher production of biomass, higher input of plant residues after harvest, higher NPK-fertilization, and the high percentage of silt and clay.The stabilization of carbon and nitrogen was dependent on their position in the soil: The results of the size fractionation for the surface soils of the Halle site indicated that carbon and nitrogen enrichment were highest in the clay fraction, followed by the silt fractions. Carbon and nitrogen enrichment was relatively high in the coarse sand due to its high content of fresh organic matter. C/N ratios and maize-derived percentages indicated that the fine sand fraction and the coarse silt fraction were the most stable fractions. In the topsoils of Rotthalmünster, tillage destroyed aggregates >1 mm. The amount of carbon stored in the microaggregates plus silt and clay was nearly constant and thus independent of the amount of soil organic carbon (SOC) in the bulk soil, and hence cultivation. The amount of mega- and macroaggregates was highly dependent on the SOC, thus indicating that carbon is mainly lost from macroaggregates if soil cultivation commences. Water stable aggregates of the maize site of Rotthalmünster had lower maize-derived percentages in the microaggregates plus silt and clay than in the mega-and macroaggregates, thus proving the higher preservation of carbon in microaggregates.The density fractionation for all soils of Halle and Rotthalmünster (excluding the forest site) suggested that in respect of the C-storage, of the light fractions occluded particulate organic matter (OPOM) with a density from 1.6 to 2.0 g cm-3 (OPOM1.6-2.0) was most important, followed by the free particulate organic matter (FPOM<1.6, density <1.6 g cm-3), whereas the OPOM<1.6 (density <1.6 g cm-3) was only of minor importance in respect of carbon storage. The high maize-derived percentages in the FPOM fractions of Halle and Rotthalmünster and the lower maize-derived percentages in the OPOM fractions emphasized the importance of physical protection. For the Halle soils, the fraction OPOM<1.6 was the pool with the slowest turnover that could be measured in the entire study. The mineral fraction with a density > 2.0gc cm-3 contained the largest fraction of C, its maize-derived percentages were intermediate.At Halle, the microbial biomass and their maize-derived percentages was higher in the fertilized soils, due to their higher input of organic residues. At Rotthalmünster, the microbial biomass was highest in the grassland soil, followed by the maize sites and the wheat site. In the bare surface soils of Halle, the production of CO2, dissolved organic carbon (DOC) and dissolved organic nitrogen (DON) was higher in the rye soils than in the maize soils and higher under fertilization than without. The production of CO2 from soil columns with a maize-stalk was higher than from any bare soil, whereas DOC and DON production were less than at the rye soils. The maize-derived percentages after 40 years of continuous maize cropping were highest in CO2 (42 to 79%), followed by the microbial biomass (Cmic; 23 to 46%), DOC (5 to 30%) and SOC (5 to 14%). Young, C4-derived carbon showed a higher turnover than older, C3-derived, more recalcitrant carbon. A comparison of the results for surface soils and subsoils showed that the significance of DOC compared to CO2 to export carbon from the soil was minor but increased with soil depth. When including soil columns with a standing stubble into the study to represent the in homogeneity of maize residue distribution after harvest of maize for silage making, the results showed that the uneven distribution of maize residues resulted in a considerably increased heterotrophic activity within the maize rows as compared with soil between seed rows.The results of the 13C natural abundance technique were successfully employed to model the SOC dynamics in the long-term maize cropping systems of Halle (NPK fertilization or unfertilized) without using adjustable parameters. The study showed that newly incorporated carbon has a considerably higher turnover than older carbon in the soil, thus questioning the long-term mitigation potential of soils. The results of the different soil carbon pools are a valuable source for the improvement of soil carbon models.