Zusammenfassung Band 87

Burger, Dymphie J. (2024): Langzeiteffekte der Unterbodenmelioration auf Bodenstruktur, Wurzelentwicklung und Kohlenstoff-Sequestrierung

Unterböden können Kohlenstoff speichern und zusätzliche Wasser- und Nährstoffressourcen für das Pflanzenwachstum bereitstellen, insbesondere während Trockenperioden. Allerdings ist das Wurzelwachstum im Unterboden oft begrenzt. Das Ziel meiner Doktorarbeit war, zu untersuchen, wie sich verschiedene Unterbodenbearbeitungsmethoden, wie Düngung nach Oberbodenverlust und Tiefpflügen das Wurzelwachstum, die Entwicklung der Bodenstruktur und die Kohlenstoffspeicherung beeinflussen. Insbesondere habe ich mich mit den folgenden Forschungsfragen befasst: i) Wie beeinflussen Oberbodenentfernung und -verdoppelung nach 55 Jahren den SOC-Zyklus und -Stabilität eines Sandbodens? ii) Welche Mechanismen liegen den langfristigen standort- und bodenstrukturspezifischen Auswirkungen des Tiefpflügens auf die Pflanzenentwicklung zugrunde? iii) Was passiert mit dem von der Wurzel stammenden C und sein Beitrag zum SOC in den Böden mehr als 50 Jahre nach dem Tiefpflügen?
Zur Beantwortung dieser Forschungsfragen untersuchte ich i) ein einzigartiger Feldversuch, das 1964 angelegt und 1989 aufgegeben wurde und in dem der vollständige Verlust des Oberbodens und die Verdoppelung des Oberbodens simuliert wurden, jeweils mit unterschiedlichen Düngevarianten. Zur Beantwortung der Fragen ii) und iii) beprobte ich außerdem tiefgepflügte Standorte mit angrenzenden konventionell bewirtschafteten Flächen als Kontrolle, jeweils in dreifacher Wiederholung. Allen Standorten hatten gemeinsam, dass die Unterbodenbearbeitung mehr als 50 Jahre zurücklag; die Textur war an einem tiefgepflügten Standort schluffig und an allen anderen Standorten lehmiger Sand. Auf dem aufgegebenen Feldversuch wurden der organische Kohlenstoff (SOC) und der Gesamtstickstoff (N) im Boden sowie in verschiedenen Dichtefraktionen der organischen Substanz analysiert und mit zwei Methoden zur Modellierung der C-Dynamik im Laufe der Zeit kombiniert. An den drei tiefgepflügten Standorten habe ich die C- und N-Daten neu analysiert und den pflanzenverfügbaren Phosphor (P) und Kalium (K) in Kombination mit dem Gesamt-P und -K sowie verschiedene Ertragskomponenten, die Wurzelbiomasse, die Lagerungsdichte und die Bodenaggregate untersucht. Um den Beitrag der Wurzeln zu den C-Vorräten abzuschätzen, wurden Suberin- und Cutinmonomere extrahiert, ihr Beitrag zu den C-Vorräten quantifiziert und die Menge an Suberin im Boden mit den Daten zur Wurzelbiomasse anhand eines linearen Modells verglichen. 
Nach der kompletten Entfernung des Oberbodens auf dem sandigen aufgegebenen Feldversuch erholten sich die SOC-Vorräte innerhalb von drei Jahrzehnten, ebenso wie die Bodenstruktur. Diese Erholung erfolgte sogar noch schneller bei den Behandlungen, die eine Kombination aus organischer und mineralischer Düngung erhielten. Allerdings verlor der unter der Pflughorizont vergrabene Oberboden bis zu 50 % seines SOC auf nichtlineare Weise. Bei den tiefgepflügten Versuchen waren die Auswirkungen standortspezifisch. Bei höheren Schluffanteilen nahm die Erholung der OC-Vorräte im Oberboden nach dem Tiefpflügen zu, aber die Auswirkungen auf den Unterboden waren negativ und äußerten sich in einem Rückgang der Wurzelbiomasse auf dem schluffigen Standort aufgrund der Verdichtung des Unterbodens. Die beiden sandigen Standorte zeigten unterschiedliche Auswirkungen. Hier führten eine größere Pflugtiefe, ein höherer Gehalt an organischem Dünger und ein niedrigerer pH-Wert zu höheren Erträgen, einer verstärkten Wurzelentwicklung in den Unterboden und einer höheren Menge an organischem Material.

Abstract Band 87

Burger, Dymphie J. (2024): Long-term effects of subsoil melioration on soil structure, root development and carbon sequestration

Subsoils provide an opportunity for carbon (C) sequestration and can provide additional water and nutrient resources for crop growth, especially during dry spells. However, root growth into the subsoil is often limited. The aim of my thesis was to evaluate how different subsoil management practices, such as fertilisation after topsoil loss and deep-ploughing affected root growth, soil structure development and C sequestration rates. In particular, I addressed the following research questions: i) how does topsoil removal and duplication affect SOC dynamics and stability on a sandy soil after 55 years, ii) what are the underlying mechanisms of long-term site- and soil texture- specific effects of deep-ploughing on crop development, and iii) what is the fate of root-derived C and its contribution to SOC in soils, more than 50 years after deep-ploughing?
To answer these research questions, I investigated i) a unique field experiment, established in 1964 and abandoned in 1989, which simulates complete topsoil loss and topsoil duplication, each performed with different fertilisation regime. In addition, to answer questions ii) and iii), I sampled deep-ploughed sites with adjacent conventionally managed fields as control, each in threefold replication. All sites had in common that subsoil treatment occurred more than 50 years ago; texture was silty at one deep-ploughed site pair and loamy sand at all other sites. At the abandoned field experiment, bulk soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (N) stocks were analysed as well as in different organic matter density fractions and combined with two ways of modelling C dynamics over time. At the three deep-ploughed sites, I reanalysed C and N data and analysed plant-available phosphorus (P) and potassium (K) in combination with total P and K, as well as different yield components, root biomass, bulk density and soil aggregates. To estimate the contribution of roots to the C stocks, suberin and cutin monomers were extracted, their contribution to C stocks was quantified and the amount of suberin in soil was compared to root biomass data using a linear model.
After complete topsoil removal at the sandy abandoned field experiment, SOC stocks recovered within three decades and so did soil structure. This recovery occurred even faster at the treatments that received a combination of organic and mineral fertilisation. However, topsoil buried below the plough layer lost up to 50% of its SOC in nonlinear manner. At the deep-ploughed trials, the effects were site specific. With elevated proportions of silt, the recovery of the topsoil OC stocks after deep-ploughing had increased, but effects on subsoils were negative, expressed in declined root biomass at the silty site due to subsoil compaction. The two sandy sites showed ambiguous effects. Here, larger deep-ploughing depth, higher levels of organic fertiliser and lower pH resulted in higher yields, increased root development into the subsoil, elevated amounts of aggregates, and larger SOC and macronutrient stocks. Suberin directly accounted for only 1% to total SOC stocks at all three sites and contributed more to total SOC stocks than cutin. Depending on the crop cycle and C saturation, suberin and root biomass were correlated and showed conversion factors of approximately 11.9, which indicated that at C unsaturated conditions, enhancing root development into the subsoil by improving subsoil structure does increase root-derived SOC stocks int the subsoil.
In summary, deep-ploughing is critical at silty sites. However, at sandy sites subsoil melioration following topsoil loss or deep-ploughing had positive long-term effects, particularly with organic fertilisation, and when SOC was buried below 60 cm soil depth. Roots then developed into the subsoil, improved soil structure, and increased subsoil OC stocks while securing yields.