Kurzfassung Band 63

Rehbein, K. (2015): Fate of soil organic carbon in different extensive, perennial energy
cropping systems, Germany. Bonner Bodenkundliche Abhandlungen 63, 144 S.

Kurzfassung

Die Substitution fossiler Brennstoffe durch alternative Energiequellen kann dazu beitragen dem Klimawandel entgegenzuwirken, insbesondere wenn der Anbau von Energiepflanzen zu einer Regenerierung degradierter Böden und zu einer Sequestrierung von Kohlenstoff in diesen beiträgt. Eine Sequestrierung kann durch die extensive Bewirtschaftung perennierender Energiepflanzen wie Bäumen in Agroforstsystemen oder Miscanthus x giganteus erreicht werden. Ich nehme an, dass das Ausbleiben der Bodenbearbeitung und der Verbleib großer Mengen organischer Substanz auf den Flächen in diesen Anbausystemen zu (i) einer Verbesserung der Bodenstruktur, (ii) einem Recycling der Bodennährstoffe, (iii) einer Akkumulation und (iv) einer Stabilisierung an organischer Substanz im Boden, welche mit einem langsameren Umsatz des organischen Bodenkohlenstoffs einhergeht, führen. Aufgrund der tiefen und dichten Wurzelsysteme kann davon ausgegangen werden, dass die Effekte nicht nur im Oberboden stattfinden, sondern ebenfalls in größerer Bodentiefe erfasst werden können.

Um diese Hypothesen zu überprüfen, habe ich Flächen beprobt, welche mit Agroforstsystemen oder Miscanthus in verschiedenen Regionen Deutschlands (Bayern, Niedersachsen und Saarland) kultiviert wurden. Diese habe ich ab dem Zeitpunkt, an dem die Flächen gepflanzt wurden, jährlich beprobt. Zusätzlich habe ich auf annuell bewirtschafteten Ackerflächen, welche als Referenzfläche dienten, Bodenproben genommen. Außerdem habe ich eine unechte Chronosequenz beprobt, welche seit -21

Jahren mit Miscanthus bewirtschaftet wird und vor der Etablierung von Miscanthus ausschließlich mit C3-Pflanzen bewirtschaftet wurde. Um die Einflüsse auf den Boden nachzuvollziehen, habe ich Effekte auf den Nährstoffkreislauf (pflanzenverfügbares Kalium), die Bodenstruktur (Aggregatstabilität) und die Kohlenstoffdynamik, die mittels verschiedener Fraktionen, die anhand ihrer Korngröße, ihrer Stabilität und ihren Umsatzzeiten unterschieden wurden (partikuläre organische Substanz, mineralassoziierte organische Substanz), untersucht. In der Miscanthus Chronosequenz wurde der Umsatz des Bodenkohlenstoffs außerdem anhand von Messungen des Stabilisotopenverhältnisses (13C/12C) nachvollzogen. Die komponentenspezifische Messung des Stabilisotopenverhältnisses in den Phenolen des Biomarkers Lignin wurde dazu genutzt, die Umsatzzeiten des miscanthusbürtigen Lignins im Boden zu ermitteln.

Die Ergebnisse zeigten, dass im Vergleich zu den Referenzflächen, der Gehalt an pflanzenverfügbarem Kalium im Oberboden unter den perennierenden Kulturen (Agroforstsysteme, Miscanthus) gestiegen ist, weshalb vermutet werden kann, dass diese Pflanzen als Basenpumpe aus dem Unterboden fungieren. Ich konnte außerdem eine schnelle Erneuerung der Aggregate, insbesondere der stabilen Makroaggregate, in

den perennierenden Anbausystemen feststellen, die Kohlenstoffgehalte in den Aggregaten zeigten jedoch nur eine geringe Reaktion auf den Landnutzungswechsel. Während auch die Kohlenstoffgehalte im Gesamtboden in den kurzen Chronosequenzen (0-3 Jahre) keine signifikante Entwicklung zeigten, konnte ich in der Miscanthus Chronosequenz eine Akkumulation von miscanthusbürtigem Kohlenstoff von 1800 kg ha-1 a-1 bis in 100 cm Bodentiefe nachweisen. Nur ca. 50% der  Anreicherung fanden im Oberboden (0-10 cm) statt. Die Kohlenstoffanreicherung variierte außerdem zwischen den isolierten Bodenfraktionen. In der groben partikulären Substanz (POM), welche zu den labilen Kohlenstofffraktionen mit einer kurzen Umsatzzeit gehört, reicherte sich der miscanthusbürtige Kohlenstoff in den ersten Jahren des Miscanthusanbaus schnell an, nach etwa 7 Jahren stellte sich ein Sättigungszustand ein. Die Akkumulation von miscanthusbürtigem Kohlenstoff in der Tonfraktion fand verglichen mit der partikulären organischen Substanz verzögert statt. Die mineralassoziierte organische Substanz in der Tonfraktion unterliegt einem vergleichsweise langsamen Umsatz und gehört somit zum stabilen Kohlenstoffpool im Boden. Letzten Endes führte jedoch insbesondere der Kohlenstoff in der Tonfraktion zu den wachsenden Kohlenstoffvorräten im Boden.

Der Ligningehalt, welcher anhand der Summe der Vanillyl-, Syringyl-, und Cinnamylgruppen der ligninbürtigen Phenole (VSC) bestimmt wurde, stieg von 0.25 auf 0.92 Mg ha-1 in 0-5 cm Bodentiefe. Die größten VSC-Vorräte wurden erneut in der Fraktion der groben partikulären organischen Substanz und der Tonfraktion gemessen. Während VSC in der groben POM Fraktion mit zunehmender Miscanthusanbaudauer schnell eine Sättigung erreichte, folgte die Akkumulation von miscanthusbütigem Lignin in der Tonfraktion einem sigmoiden Zusammenhang. Die mittlere Verweildauer (MRT) von VSC betrug etwa 16 Jahre (0-5 cm, Gesamtboden) und wurde mit Hilfe eines 2-Pool Models bestimmt. Im Vergleich zu publizierten Werten für annuelle Bewirtschaftungssysteme war die Verweilzeit für den perennierenden Miscanthus somit länger. Der Unterboden zeigte einen schwächeren Zusammenhang der organischen Substanz zur Miscanthusanbaudauer. Es fand jedoch eine Akkumulation an Kohlenstoff unter dem vorherigen Ap Horizont, daher in einer Bodentiefe, die weniger sensitiv auf einen zukünftigen Landnutzungswechsel reagiert, statt.

Der Anbau von Agroforstsystemen und von Miscanthus hat das Potenzial die Bodenqualität positiv zu beeinflussen indem die Nährstoffverfügbarkeit und die Bodenstruktur verbessert werden und der Bodenkohlenstoff angereichert und stabilisiert wird. Während die Bodenstruktur sich schnell erholt, ist die Akkumulation von Kohlenstoff im Boden ein langwierigerer Prozess, was die Eignung und Bedeutung der

Verwendung von Chronosequenzen zur Evaluierung der Hypothesen verdeutlicht. Die Kultivierung solcher perennierender Energiepflanzen führt somit zu positiven Umwelteffekten, durch die Substituierung fossiler Energieträger, durch die Regenerierung degradierter Böden und durch eine nachhaltige Akkumulation von atmosphärischem Kohlenstoff im Boden.

Abstract Band 63

Rehbein, K. (2015): Fate of soil organic carbon in different extensive, perennial energy
cropping systems, Germany. Bonner Bodenkundliche Abhandlungen 63, 144 S.

Abstract

The substitution of fossil fuels by alternative energy resources may help to counteract climate change, particularly when energy plants additionally help restoring soil and sequestering carbon. The latter may be achieved by extensive cultivation of perennial energy crops like short rotation coppice (SRC) or Miscanthus x giganteus. I hypothesized that with absence of tillage and significant organic matter return these cropping systems lead to (i) a restauration of soil structure, (ii) a recycling of soil nutrients (iii) an accumulation and (iv) a stabilization of organic material, which is accompanied by a slower turnover of soil organic carbon (SOC). Due to deep root systems, effects should not be restricted to the surface soil but extend into deeper soil layers.

To verify these hypotheses, I sampled sites, which were cultivated with SRC or Miscanthus in different regions in Bavaria, Lower Saxony and Saarland, accompanied them from the date on which they were established and collected samples every year with sites under prolonged arable cropping as reference. Additionally, I sampled a false chronosequence of former C3-derived arable fields that had been cropped with Miscanthus for 0-21 yr. To assess the implications on soil, I analyzed effects on the nutrient cycling (potassium), the soil structure (aggregate stability) and on carbon dynamics, which were achieved by the separation of particle-size fractions differing in their stability against decay and turnover times (particulate organic material, mineral associated organic material). In the Miscanthus chronosequence, the turnover of SOC was traced on the basis of natural 13C/12C isotope abundance measurements. The compound-specific isotope tracing of lignin biomarkers in bulk soil and soil fractions was used for calculating turnover times of Miscanthus-derived lignin in soils.

The results showed that relative to the reference soils, the content of plant available potassium in the surface soil of the perennial cultivation systems of SRC and Miscanthus increased initially, suggesting that these plants act as a “base pump” from the subsoil. I also detected a fast re-formation of soil aggregates, especially the amount of stable macroaggregates increased in the perennial cultivation systems. The carbon contents within the aggregates showed only little reaction to the land use change. While SOC in bulk soil of shorter chronosequences (three years) did not show significant trends, Miscanthus-derived SOC in the false Miscanthus chronosequence accumulated at a rate of 1800 kg ha-1 yr-1 down to a soil depth of 100 cm. Only about 50% of this C accrual occurred in the surface soil (0-10 cm). The C accumulation differed among particle-size fractions. Miscanthus-derived C in the coarse-particulate organic matter (POM) fraction, which represented the labile SOC fraction with a short turnover, increased fast during the first years of Miscanthus cultivation until a steady-state was reached after approximately 7 yr.

The accumulation of Miscanthus-derived C associated with the clay fraction was delayed relative to the sand fraction. As SOC associated with the clay fraction is usually regarded to have a slow turnover, it contributes to the stable carbon pool. On an absolute basis, it was thus mainly Miscanthus-derived C associated with the clay fraction that led to increasing SOC stocks.

The total contents of lignin, estimated here via the sum of vanillyl, syringyl, and cinnamyl structural units of lignin-derived phenols (VSC stocks), increased from 0.25 to 0.92 Mg ha-1 for 0-5 cm soil depth. The largest VSC stocks could again be found in the coarsest POM and in the clay fraction. The VSC in POM showed a fast saturation with longer duration of Miscanthus cultivation, whereas the stabilization of VSC in the clay fraction followed a sigmoidal shape. The mean residence time (MRT) of VSC was approximately 16 years (0-5 cm, bulk soil), as predicted by a two-pool model. Compared to published values in the literature, the MRT in perennial Miscanthus was greater than in annual cultivation systems. The deeper soil layers showed a less pronounced relation to the duration of Miscanthus cultivation. Nevertheless, SOC already accumulated below the former Ap, i.e., below a depth that would respond sensitively to a future land use change.

In conclusion, the perennial cultivation of SRC and Miscanthus has the potential to improve soil quality by increasing the availability of soil nutrients, by improving the soil structure and by increasing and stabilizing SOC stocks. While the re-formation of the soil structure happened on a short time scale, the recovery of SOC needed longer time, which confirms the suitability of chronosequences for those analyses. Overall, the cultivation of perennial energy crops such as SRC and Miscanthus lead to environmental benefits by substituting fossil fuels, by restoring degraded soils, and by accumulating atmospheric carbon dioxide sustainably in soils.