Band 68:
Schiedung, Henning (2017): Spatial patterns of soil organic carbon turnover at the field scale (Räumliche Muster des Umsatzes von organischem Kohlenstoff in Böden auf der Feldskala), .
Bonner Bodenkundl. Abh. 68, 97 S., 15,- €
Kurzfassung Band 68
Schiedung, Henning (2017): Räumliche Muster des Umsatzes von organischem Kohlenstoff in Böden auf der Feldskala.
Kurzfassung
Heterotrophe Bodenrespiration (Rh) führt zu erhöhter CO2-Konzentration in der Atmosphäre; daher ist für die Erstellung von exakten Klimamodellen die Implementierung von Rh obligatorisch. Allerdings sind Bodeneigenschaften, ebenso wie Rh, bereits auf der Feldskala sehr heterogen. Noch sind die räumlichen Muster von Rhweitgehend unbekannt; zudem ist wenig über Bodenparameter bekannt, die die räumliche Heterogenität auf der Feldskala steuern. Vor diesem Hintergrund war das übergeordnete Ziel meiner Arbeit, die Mechanismen, welche die räumlichen Muster des SOC-Umsatzes steuern, aufzuklären. Im Einzelnen waren die Ziele (i) die raumzeitliche Erfassung der Variabilität von labilen SOC-Fraktionen unter Ackerland im jahreszeitlichen Verlauf und die (ii) Entwicklung und Anpassung des laborbasierten Respicond Respirometer, um die in-situ Respiration (iRh) im Gelände schnell, kostengünstig und zuverlässig zu erfassen. Mithilfe der laborbasierten Respicond-Methode habe ich Faktoren beleuchtet, die die räumlichen Muster der heterotrophen ex-situ-Respiration (eRh) steuern und nutzte meine neue Methode, um zu untersuchen, ob diese potenzielle Respiration dazu verwendet werden kann, die iRh-Muster in einem Einzugsgebiet unter Grünland abzuleiten. Darüber hinaus analysierte ich (iii) den Einfluss der räumlichen Muster von Bodeneigenschaften und Biomasseertrag auf den Eintrag von partikulärem organischem Kohlenstoff (POC) und den SOC-Umsatz unter Ackerland (Mais) mithilfe der natürlichen Häufigkeit der 13C-Isotope.
Die Ergebnisse zeigen eine signifikante jährliche Variation der beiden SOC-Fraktionen: Der wasser-extrahierbare-SOC (WESOC) variierte um 30 % (Variationskoeffizient) unter Maisanbau. Die zeitliche Variation der POC-Fraktionen war geringer und nahm mit sinkender Partikelgröße von 20 % (250 – 2000 µm) über 9 % (50 – 250 µm) auf 5 % (20 – 50 µm) ab. Sowohl WESOC als auch die POC-Fraktionen wiesen die höchsten Gehalte im März auf; die niedrigsten Gehalte wurden im Mai/Juni (WESOC) und August (POC) gemessen. Diese Ergebnisse zeigen die Wichtigkeit des Probenahmezeitpunktes, vor allem für WESOC. Der optimale Zeitpunkt für die Probenahme ist daher kurz vor der Einsaat, um Pflanzen-induzierte Variabilität zu vermeiden. Trotz der Variabilität waren beide Fraktionen kein besserer Proxy für eRh als SOC.
Die Anpassung des Respicond-Prinzips an Geländebedingungen ermöglichte die schnelle und verlässliche Erfassung der iRh-Muster durch kumulative Respirationsmessungen auf der Basis von CO2-induzierten elektrischen Leitfähigkeitsunterschieden einer Hydroxid-Lösung. Die Ergebnisse der an Geländebedingungen angepassten Respicond-Methode zeigten eine gute Übereinstimmung mit der etablierten Infrarot-Gasanalysator-Methode (Steilheit = 0.89, R² = 0.99). Die Anwendung meiner neuen Methode ermöglichte die Identifizierung von Bodentypen-abhängigen Unterschieden der iRh. Ebenso wies der potenzielle CO2-Ausstoß (eRh) Unterschiede in den Bodentypen auf und war für die untersuchten Stagnosole etwa 50 % höher als für die Cambisole und exponentiell korreliert mit dem SOC-Gehalt (R² = 0.78) und der Wasserhaltekapazität (WHC; R² = 0.87). Die potenzielle SOC-Abbaubarkeit (d.h. eRh auf SOC-Gehalte normalisiert) zeigte auf der Testfläche unter Grünland keine signifikanten Unterschiede zwischen Stagnosolen und Cambisolen. Dies zeigt, dass alleine die intrinsische Abbaubarkeit von SOC nicht ausreicht, um den SOC-Umsatz zu erklären, sondern Eigenschaften des Ökosystems (d.h. Bodenfeuchtigkeit und damit verbundene Sauerstoffverfügbarkeit) hinzugezogen werden müssen. Die Adaption des Respicond-Respirometers für in-situ Messungen ist möglich, das Niveau und die räumlichen Muster von iRh lassen sich jedoch nicht über ex-situ Bodeninkubationsdaten ableiten. Daher bleiben in-situ-Messungen für die exakte Vorhersage von CO2-Flüssen aus dem Boden unerlässlich.
Der Maisertrag der Ackerfläche war räumlich sehr heterogen und variierte zwischen 0.84 und 1.94 kg Trockenmasse m-2. Achtundsechzig Prozent dieser Variation konnten durch eine Kombination von Stein- und Tongehalt erklärt werden. Delta 13C-Analysen ergaben eine mittlere Verweilzeit (MRT) des SOC von 30±12 und 87±45 Jahren für den Ober- bzw. Unterboden. Im Oberboden zeigte der Maisertrag keine Korrelation zur MRT, jedoch konnten 35 % der Variation im Unterboden hierdurch erklärt werden. Die Bodeninkubation ergab, dass 51 % der Variation der MRT im Oberboden durch die Menge an respiriertem C erklärt werden konnten.
Zusammenfassend gilt, dass auf der Feldskala unterschiedliche Mechanismen den SOC-Umsatz auf den beiden Untersuchungsflächen regulierten: Bodenfeuchtigkeit war der vorherrschende Mechanismus unter Grünland, wo die relativen Unterschiede in der Bodenfeuchtigkeit durch das Relief hervorgerufen wurden. Auf der Testfläche unter Acker wurden die Muster des SOC-Umsatzes hauptsächlich durch den Eintrag von Biomasse gesteuert, der wiederum durch hochvariable Steingehalte induziert wurde.
Abstract Band 68
Schiedung, Henning (2017): Spatial patterns of soil organic carbon turnover at the field scale.
Abstract
Heterotrophic soil respiration (Rh) leads to rising CO2 concentrations in the atmosphere; hence, to compile accurate climate models, the implementation of Rh is mandatory. However, soils are already spatially heterogeneous at the field scale and so is Rh. Yet, the spatial patterns of Rh remain largely unknown. Moreover, we lack important knowledge on the soil parameters driving the heterogeneity of soil organic carbon (SOC) turnover at the field scale. Against this background, studies aimed to elucidate mechanisms regulating SOC turnover patterns. My specific objectives were (i) to elucidate the spatio-temporal variability of labile SOC pools under arable land in the course of one year, and (ii) to develop and adapt the principles of the laboratory-based Respicond respirometer system for rapidly, inexpensively and reliably assessing the in-situ respiration (iRh) on multiple subsites under field conditions. Using the Respicond respirometer, I also studied the factors that controlled the spatial patterns of ex-situ heterotrophic respiration (eRh) and used my new method to test whether this potential respiration could be used to derive patterns of (iRh) in a grassland catchment. Finally, (iii) I evaluated the influence of spatial patterns of both soil properties and biomass yield on particulate organic carbon (POC) input and SOC turnover under arable land (maize), using the natural abundance 13C isotopic labelling technique.
The results indicated a significant annual variation of the two labile SOC pools: Water-extractable SOC (WESOC) content showed a variation of 30 % (coefficient of variation) under maize cropping. Temporal variations were smaller for POC and decreased with decreasing particle size from 20 % (250 - 2000 µm), to 9 % (50 - 250 µm) and to 5 % (20 - 50µm). Both labile SOC pools peaked in March and reached the lowest point in May/June (WESOC) and August (POC). These results indicate the importance of the point in time for soil sampling, especially for WESOC, suggesting sampling shortly prior to sowing at the begin of the growing season, to avoid plant-induced variability. Despite significant field variability, both pools, however, failed as a proxy for eRh, which was best predicted by bulk SOC content.
Adapting the Respicond principle to field conditions allowed for a rapid and reliable assessment of iRh patterns on the basis of cumulative monitoring of CO2-induced electrical conductivity changes in hydroxide solution. The obtained iRh agreed well with established iRh assessments using infrared gas analyzers (slope = 0.89, R² = 0.99). The application of my new method allowed soil-group-specific differences in iRh to be identified. Also, the potential CO2 release (eRh) was about 50 % higher for Stagnosols than for Cambisols, and it was exponentially related to SOC concentrations (R² = 0.78) and water-holding capacity (WHC; R² = 0.87). The potential SOC degradability (i.e., eRhnormalized to SOC content) of the two soil groups did not differ significantly at the grassland test site. This finding indicates that the intrinsic degradability of SOC alone is insufficient to explain SOC turnover, which is rather controlled by ecosystem properties (e.g., soil moisture content and related oxygen availability). Basically, adapting the Respicond respirometer to field conditions is feasible, but the level and the spatial patterns of iRh cannot be easily derived from eRh soil incubation data. In-situ measurements thus remain vital for accurately predicting soil CO2 efflux.
The arable test site was affected by a strong spatial variation in maize yield (0.84 to 194 kg dry biomass m-2). Sixty eight percent of this variation was explained by a combination of the percentage rock fragments and clay content. Delta 13C analyses revealed a mean residence time (MRT) of SOC of 30±12 years and 87±45 years for the top- and subsoil, respectively. Maize yield was not related to MRT variations in the topsoil, while it explained 35 % of the MRT variation in the subsoil. Soil incubation revealed that the amount of respired C explained 51 % of the MRT variability in the topsoil.
In summary, at the field scale, different mechanisms regulated the SOC turnover patterns at the test sites. Soil moisture was the predominant driver in the grassland, induced through its variable relief. At the arable test site, a much larger variation in rock fragments influenced both biomass input and labile SOC concentrations, with more complex impacts on related SOC turnover patterns.