Organische Bodensubstanz - Veränderungen in Menge und Zusammensetzung stabiler Anteile in Abhängigkeit von Landnutzung und Bodengenese
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Eine Landnutzungsänderung von Acker zu Wald gilt als Möglichkeit die Menge organischer Bodensubstanz (OBS) zu erhöhen und damit den Gehalt des Treibhausgases CO2 in der Atmosphäre zu verringern. Die damit verbundene Speicherung von organischem Kohlenstoff in Böden wird dann nachhaltig, wenn sich die Menge stabiler OBS erhöht. Es ist bekannt, dass insbesondere pedogenetische Merkmale, wie der pH-Wert und bodenmineralogische Parameter, die Menge an stabilem organischen Kohlenstoff beeinflussen. Daher ist bei einem Landnutzungswechsel von Acker zu Wald mit einer Abhängigkeit der OBS-Stabilisierungsraten vom Bodenentwicklungszustand zu rechnen. Diese Zusammenhänge sind bislang nicht hinreichend quantifiziert. Im Rahmen dieses Projektes sollte geklärt werden in wie weit pH-Wert, Metalloxidgehalt und tonmineralogische Eigenschaften das Ausmaß landnutzungsbedingter Unterschiede in OBS-Menge sowie in Gehalt und Zusammensetzung stabiler OBS-Anteile determinieren. Darüber hinaus sollten wesentliche Mechanismen die zur Stabilisierung der OBS beitragen identifiziert werden. Es wird angenommen, dass die Einstellung landnutzungsspezifischer Gleichgewichte in Bezug auf Menge und Zusammensetzung der OBS einen Zeitraum von mindestens 100 Jahren erfordert. Momentan existieren allerdings keine Langzeitfeldexperimente mit einer zeitlich entsprechenden, gut dokumentierten Aufforstungen von Ackerböden unterschiedlicher Genese. Daher wurden für dieses Projekt Standorte anaysiert die deutliche Unterschiede in stabilisierungsrelevanten, pedogenetischen Parametern sowie jeweils benachbarte, langfristig genutzte (>100 Jahre) Acker- und Waldflächen aufwiesen. Die Oberböden der benachbarten Acker- und Waldflächen wurden horizontweise bis in ein Tiefe von 40 cm beprobt, da innerhalb dieser Tiefe die höchsten OBS-Gehalte festgestellt wurden und die deutlichsten Änderungen bei einem Landnutzungswechsel zu erwarten sind. Die durch Interaktion mit der Mineralphase stabilisierte OBS wurde mittels eines sequentiellen Extra ktionsve rfahrens aus den Oberbodenproben extrahiert. Dazu wurden zuerst labilere OBS-Fraktionen aus den Proben entfernt (Kaiser et al., 2009; Kaiser et al., accepted), um einen Kohlenstofftransfer zwischen unterschiedlich stabilen OBS-Fraktionen zu minimieren. Aus den Rückständen wurde daran anschließend die mineralassoziierte OBS mittels Na-Pyrophosphat (OM(PY)) extrahiert (Kaiser et al., in preparation). Anhand der Unterschiede in OBS-Menge (0-40 cm: kg OC m-2), OM(PY)-Anteil (g OCpY kg-1 soil), -Zusammensetzung und -Stabilität zwischen den benachbarten, langfristig genutzten Acker- und Waldoberböden wurden Rückschlüsse auf potentielle bodenspezifische Veränderungen in Menge und Stabilität der OBS in Folge einer Aufforstung von Ackerböden gezogen. Die Waldoberböden weisen im Allgemeinen unabhängig von bodenmineralogischen Parametern größere OBS-Mengen (0-40 cm: in kg m-2) auf als die benachbarten Ackeroberböden. Des weiteren konnte festgestellt werden, dass unabhängig von der Landnutzung die OBS-Menge im Oberboden in engem Zusammenhang zu der Menge an austauschbaren Ca-Ionen steht (Kaiser et al., in preparation). In den Ackeroberböden konnte darüber hinaus eine enge Beziehung zwischen OBS- und Ton-Menge festgestellt werden. Generell weisen die OM(PY)-Fraktionen der Waldoberböden höhere Anteile aber eine geringere Stabilität auf als die der benachbarten Ackeroberböden (Kaiser et al,, in preparation). Die OM(PY)-Stabilisierung in den Ackeroberböden erfolgt vermutlich hauptsächlich durch eine Bindung von OM(PY) an die Mineralphase mittels polyvalenter Cationen sowie durch die Bildung von OM(PY)-Ca Komplexen. In den Waldoberböden kann angenommen werden, dass die OM(PY)-Stabilisierung im Wesentlichen durch die Bildung von OM(PY)-Fe und OM(PY)-AI Komplexen und durch ein „Cross-Linking" von OM(PY) mittels polyvalenter Cationen (OM(PY)-cation-OM(PY)) beeinflusst wird (Kaiser et al., in preparation). Zwischen 32 und 68% des organischen Kohlenstoffs verbleiben nach der Extraktion von OM(PY) im Rückstand der Acker- und Waldoberbodenproben. Dieser Kohlenstoff ist vermutlich in nano- bis mikrometergroßen Aggregaten gebunden und kann daher nicht mit OM(PY) erfasst werden. Insbesondere für die Waldoberböden weist die OBS in den Extraktionsrückständen im Allgemeinen eine höhere Stabilität auf als die entsprechende OM(PY)- Fraktion. Es existiert allerdings weiterer Forschungsbedarf im Hinblick des Einflusses von nano- bis mikrometergroßen Aggregaten auf die OBS-Stabilisierung in Acker- und Waldoberböden sowie hinsichtlich der Identifizierung von Steuergrößen und -mechanismen die der Bildung und Stabilität dieser Aggregate zu Grunde liegen. Des weiteren wurde deutlich, dass neben pedogenetischen Parametern und der aktuellen Landnutzung auch die Landnutzungsgeschichte innerhalb der letzten 300 Jahre Menge und Stabilität der OBS beeinflussen kann. Im Rahmen dieses Projektes wurden keine Hinweise dafür gefunden, dass sich durch eine Landnutzungsänderung von Acker zu Waid die Stabilität der OBS erhöht. Die Ergebnisse dieses Projektes deuten drauf hin, dass die OBS-Akkumulation infolge einer Aufforstung von Ackerböden vor allem in Form von labileren OBS-Anteilen stattfindet. Die Nachhaltigkeit der C-Sequestrierung im Mineraloberboden die aus einer Aufforstung von Ackerflächen resultiert ist demnach eng an eine dauerhafte und störungsfreie Nutzung der Flächen als Wald gebunden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2006 Poster: EGU Meeting in Wien (Österreich), 02.-07.04.2006: Long-term effects of crop rotation and fertilization on soil organic matter composition
- 2007 Poster: International Symposium on "Organic Matter Dynamics in Agro- Ecosystems" in Poitiers (Frankreich), 16.-19.07.2007: Extraction of stable organic matter fractions from agricultural surface soils using a combined physico-chemical fractionation
- Long-term effects of crop rotation and fertilization on soil organic matter composition. European Journal of Soil Science, 58: 1460-1470
Kaiser M., Ellerbrock R.H., Gerke H.H.
- Poster: 3rd Intemational Conference on "Mechanisms of Organic Matter Stabilisation & Destabilisation in Soils & Sediments" in Adelaide (Australien), 23.- 26.09.2007: Influence of land use history and pedogenetic properties on stable soil organic matter fractions from agricultural surface soils.
- Poster: DBG Tagung in Dresden (Deutschland), 02.-Q9.09.2007; Erfassung stabiler Fraktionen der organischen Substanz aus Oberböden (OBS) unter Acker durch Kombination physikalischer und chemischer Extraktionsschritte
- 2008 Talk: EUROSOIL in Wien (Österreich), 25.-29.08.2008: Separation of free parficulate organic matter from bulk soil by electrostatic attraction
- Calion exchange capacity and composition of soluble soil organic matter fractions. Soil Science Society of America Journal, 72; 1278-1285
Kaiser M., Ellerbrock R.H., Gerke H.H.
- 2009 Talk: EGU Meeting in Wien (Österreich), 19-24.04.2009: Influence of longterm land use (arable and forest) and soil mineralogy on organic carbon stocks as well as composition and stability of soil organic matter
- 2009. Separation of coarse organic particles from bulk surface soil samples by electrostatic attraction. Soil Science Society of America Journal 73, 2118-2130
Kaiser, M., Ellerbrock, R.H., Sommer, M.
- Talk: DBG Tagung in Bonn (Deutschland), 05-13.09.2009: Trennung von mineral-assozierter organischer Substanz aus Acker- und Forstböden mittels einer kombinierten physikochemischen Fraktionierung
Ruth Ellerbrock
- Talk: International Symposium on "Soil Organic Matter Dynamics; Land Use, Management and Global Change" in Colorado Springs (USA), 06.- 09.07.2009: Separation of mineral associated organic matter from arable and forest topsoils by sequentially combined physical and chemical steps of fractionation
