Regenerationsdynamik degradierter Ackerböden nach Umwandlung in Grasland: Humuschemische Untersuchungen im südafrikanischen Highveld
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Kontinuierliche Ackernutzung im südafrikanischen Highveld führte zu einem Verlust an Bodenfruchtbarkeit und organischer Bodensubstanz (SOM). Zur Regeneration der Böden haben die Farmer begonnen, Dauerackerland in Sekundärweiden zu überführen. Ziel dieser Arbeit war zu klären, (i) ob, (ii) in welchem Ausmaß und (iii) wie schnell sich die organische Bodensubstanz (SOM) in semiariden Böden des südafrikanischen Highvelds regenerieren lässt, und (iv) welche Mechanismen dies regulieren. Dazu haben wir in jeweils drei Agrarökosystemen des südafrikanischen Highvelds ehemals degradierte Ackerböden beprobt (> 20 Jahre kultiviert), die vor 1 - 52 Jahren in Sekundärweiden umgewandelt wurden. Natürliches Grasland, das als Primärweide genutzt und nie umgebrochen wurde, diente als Referenz für den ursprünglichen Zustand der Böden. Proben aus 0-5, 5-10 und 10-20 cm Bodentiefe wurden in Korngrößen- und Aggregatfraktionen aufgetrennt und hinsichtlich ihrer C-, N-, und P-Pools sowie der Gehalte an ligninbürtigen Phenolen, Aminozuckern und δ13C und δ15N-Isotopenhäufigkeiten charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass (i) eine Erholung der SOM Gehalte in den Sekundärweiden stattfindet, die (ii) allerdings nie das Ursprungsniveau der Sekundärweiden erreicht. Die C-Sequestration ist in den drei Agrarökosystemen unterschiedlich und es dauert 10-95 Jahre, bis sich ein neues Humus- Gleichgewichtsniveau einstellt. Die C-Speicherung ist besonders in 0-5 cm Bodentiefe ausgeprägt und auf die oberen 10 cm beschränkt. In der Bodentiefe >10 cm waren kaum Veränderungen zu beobachten, dennoch wurden insgesamt 9,0-15,3 t C ha-1 sequestriert. Die mit den Sandpartikeln assoziierte SOM regenerierte schneller allerdings weniger vollständig als die Ton und Schluff assoziierte SOM, was darauf zurückzuführen ist, dass frisches Graslignin mit engeren S/V und C/V-Verhältnissen und höherem δ13C-Wert rasch in den Humuskörper des Oberbodens eingebaut werden konnte. Dieser Einbau wurde durch die schnelle und vollständige Reaggregierung der Böden begünstigt, welche bereits nach 9.5-18 Jahren das Niveau der Primärweiden erreichte. Allerdings konnten die neu gebildeten Makroaggregate den in ihnen enthaltenen C weniger effizient speichern als in den Primärweiden, wodurch die Sequestration des pflanzenbürtigen C ebenfalls nach ca. 20 Jahren ein Gleichgewicht erreichte aber unvollständig blieb. Dagegen schritt die mikrobielle Festlegung von C und N in den feinen Bodenpartikeln zwar anfangs langsam aber dafür nachhaltiger weiter voran. Die Aminozucker-Gehalte in der Tonfraktion erholten sich schneller und zu einem höheren Niveau als im Gesamtboden. Die Sequestrierung von bakteriellen Rückständen war nicht so ausgeprägt wie die der pilzlichen Rückstände, welche langfristig die mikrobielle Festlegung von C und N dominierten. Ebenso langsam erholte sich die P-Dynamik, hier dauerte es ca. 80 Jahre bis sich die Verteilung von P auf organische und anorganische Spezies in den Sekundärweiden derjenigen in den Primarweiden zumindest teilweise anglich. Letztlich gilt, dass sich Böden zumindest teilweise durch eine Umstellung von Dauerackerland in Grünland regenerieren lassen. Sowohl die Gehalte wie Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz erholen sich mit fortschreitender Weidenutzungsdauer, wenn auch nur langsam. In den ersten 10-20 Jahren wird die Regeneration der SOM vor allem durch die Reaggregierung der Böden begünstigt, langfristig steuern mikrobielle Sequestrationsprozesse an der Mineralphase diese Dynamik. Eine vollständige Regeneration gelingt mit derzeitiger Rangelandnutzung nicht, denn die schützende Wirkung der Aggregate und die N-Festlegung durch Bakterien konnten nur teilweise wiederhergestellt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2007. Losses of glomalin-related soil protein under prolonged arable cropping: A chronosequence study in sandy soils of the South African Highveld. Soil Biology & Biochemistry, 39, 445-453
Preger, A.C., Rillig, M.C., Johns, A.R., Du Preez, C.C., Lobe, I. & Amelung, W.
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2010. Carbon sequestration in secondary pasture soils: a chronosequence study in the South African Highveld. European Journal of Soil Science, 61, 551-562
Preger, A.C., Kösters, R., Du Preez, C.C., Brodowski, S. & Amelung, W.
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2010. Effects of perennial fodder crops on soil structure in agricultural headlands. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 173, 490-501
Kautz, T. C. Stumm, R. Kösters & Köpke, U.
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2011. Microbial residues as indicators of soil restoration in South African secondary pastures. Soil Biology & Biochemistry
Lauer, F., Kösters, R., Du Preez, C.C. & Amelung, W.
