Kurzfassung Band 66

Steinmann, Thomas (2016): Langfristige Entwicklung der Gesamt-Kohlenstoffgehalte und labilen Kohlenstoff-Fraktionen in Ackerböden Nordrhein-Westfalens 105 S.

Kurzfassung BBA 66

Organisch gebundener Kohlenstoff (Corg) ist essentieller Bestandteil fruchtbarer Böden und unterstützt verschiedene elementare Funktionen des Bodens; dennoch weist die Forschung einen Rückstand auf, besonders im Hinblick auf die Entwicklung standortspezifischer Corg-Niveaus und deren zeitliche Stabilität. Das Ziel meiner Arbeit war es, i) die Reaktion verschiedener Corg-Pools auf das Bewirtschaftungsmanagement aufzuklären, ii) die Veränderungen der Corg-Vorräte und der entsprechenden Pool-Zusammensetzung für fruchtbare Ackerböden in der vieharmen Region Köln-Bonn nachzuvollziehen, und iii) die zeitliche Entwicklung und den aktuellen Status der Corg-Gehalte in Ackerböden unterschiedlicher geografischer Regionen in Nordrhein-Westfalen (NRW) auszuwerten.

Um die saisonale Dynamik verschiedener Corg-Pools zu verfolgen, habe ich zwei Ackerflächen mit gegensätzlichen Humusgehalten über ein Jahr hinweg in einem zweimonatigen Abstand beprobt und anschließend die Böden nach Partikelgröße, Dichte und kalt- und warmwasserextrahierbaren Kohlenstoff-Pools fraktioniert. Um die zeitliche Entwicklung der Corg-Pools zu analysieren, nutzte ich 268 Ackerflächen in der Köln-Bonner Region, die im Jahr 2005 und 2013 bis zu einer Tiefe von 60 cm beprobt wurden; die Veränderungen der Corg-Vorräte und bei 38 ausgewählten Flächen auch die Veränderungen in den Partikelgrößen-Fraktionen setzte ich in Bezug zu den jeweiligen Bewirtschaftungsdaten. Schlussendlich wertete ich mehr als 32.000 Corg-Daten aus ganz NRW aus, um die zeitliche Entwicklung der Corg-Gehalte auf Ackerflächen von 1979 bis 2015 zu analysieren.
Bei der saisonalen Dynamik der Corg-Pools spiegelten die Veränderungen der organischen Substanz mit Grobsand-Größe (POM1) die Bewirtschaftungsmaßnahmen am besten wider, während dieses beim gegebenen Beprobungsintervall weniger deutlich für die Veränderungen der leichten organischen Substanz war. Mit sinkendem äquivalentem Durchmesser der Partikelgrößen-Fraktionen sank ebenfalls die saisonale Variabilität ihrer Corg-Gehalte. Die Gehalte an kalt- und heißwasserlöslichem Kohlenstoff blieben über das Jahr nahezu konstant; wahrscheinlich waren die zeitlichen Veränderungen dieser Fraktionen zu dynamisch, um sie mit einem zweimonatigen Beprobungsintervall wiedergeben zu können. Insgesamt gab es auch keinen signifikanten Zusammenhang zwischen den Gehalten und der zeitlichen Variabilität der verschiedenen Corg-Fraktionen, was darauf hindeutet, dass die Informationen über die Corg-Poolgröße und deren Veränderungen methodenspezifisch bleiben.
Die Untersuchungen in Ackerböden der Köln-Bonner Region zeigen an, dass die Corg-Gehalte im Oberboden im Verlauf von acht Jahren (2005-2013) signifikant angestiegen sind, während sie im Unterboden signifikant abgenommen haben. Interessanterweise basierten diese Verschiebungen auf Veränderungen der mineralgebundenen organischen Substanz und nicht auf Veränderungen der organischen Substanz des Pools mit Sandgröße. Weil die Lagerungsdichte im Beobachtungszeitraum abgenommen hat, wies auch der Corg-Vorrat in den oberen 60 cm nach Korrektur durch die Äquivalent-Bodenmassen-Methode einen Verlust von 0,6 t ha-1 a-1 auf. Diese Corg-Verluste traten auf, obwohl die entsprechende Humusbilanz von ungefähr 20 kg C ha-1 a-1 für den Zeitraum 2003 bis 2005 auf etwa 133 kg C ha-1 a-1 für den gesamten Zeitraum von 2005 bis 2013 angestiegen war. Die Zunahme basierte überwiegend auf einer höheren organischen Düngung und einem vermehrten Zwischenfruchtanbau. 

Um besser verstehen zu können, warum die Corg-Niveaus trotz der guten fachlichen Praxis und der positiven Humusbilanzen gesunken sind, habe ich Corg-Daten aus Gesamt-NRW ausgewertet. Die Analyse zeigte, dass die Corg-Gehalte in den 1980igern angestiegen sind und in der Folge von 1988 bis 2015 exponentiell abgenommen haben. Ein neues Fließgleichgewicht wurde noch nicht erreicht. Vieharme Regionen wiesen sowohl einen stärkeren Anstieg als auch einen schnelleren Verlust an organischer Substanz auf als Regionen mit hoher Viehdichte. Die Gesamtdaten korrelieren mit Veränderungen der Grünlandfläche, welche sich hauptsächlich zwischen 1970 und 1990 in NRW um fast 360.000 ha verringerte.
Zusammenfassend kann konstatiert werden, dass es keinen Zusammenhang zwischen verschiedenen labilen Corg-Pools gibt, dass aber die Partikelgrößen-Fraktionierung für das Erkennen früher Veränderungen, z.B. bedingt durch das Management, geeigneter ist. Insgesamt war die Entwicklung der Corg-Vorräte und Gehalte jedoch nicht korreliert mit den aktuellen Bewirtschaftungsdaten. Ich folgerte, dass vorangegangene Veränderungen der Landnutzung, insbesondere Grünlandumbruch, immer noch die Entwicklung der Corg-Niveaus in Ackerböden der Köln-Bonner Region und in Gesamt-Nordrhein-Westfalen beeinflussen. Deshalb bestehen derzeit geringe Chancen,  die laufenden Corg-Verluste durch eine veränderte Bewirtschaftung zu verhindern.

Abstract Band 66

Steinmann, Thomas (2016): Long-term development of total organic carbon and labile organic carbon fractions in arable soils of North Rhine-Westphalia. 105 S.

Abstract BBA 66

Soil organic carbon (SOC) is an essential component of fertile soils and supports various elementary soil functions; yet, research is lagging behind with regard to the development of site specific SOC levels and their stability in time. The aim of my work was i) to elucidate the coherence of different SOC pools and their differing response to soil management, ii) to track changes in SOC stocks and related C pool composition for fertile arable soils in the Cologne-Bonn region which is characterized by low livestock densities, and iii) to evaluate the temporal development and current state of SOC contents in arable soils of different geographical regions in the federal state North Rhine-Westphalia (NRW).

To enlighten the seasonal dynamics of different SOC pools, I sampled two arable sites with contrasting humus contents in 2-month intervals over the period of one year, and fractionated the soils according to particle-size, density, and cold and hot-water extractable carbon pools. To track the temporal development of SOC, I used 268 arable sites sampled by horizon down to 60 cm in 2005 and in 2013 in the Cologne-Bonn region, Germany, and then related changes in overall SOC stocks and for 38 selected sites also changes in particle size C fractions, to soil management data. Finally I evaluated more than 32,000 SOC records from entire NRW to elucidate the temporal development of arable SOC contents from 1979 to 2015. 

The seasonal dynamics of coarse-sand-sized SOM (POM1) could be well related to management while this was less clear for the dynamics of the light density fractions at given season and sampling intervals. As the equivalent diameter of soil particle-size fractions declined, the seasonal variability of their SOC contents decreased. The contents of cold and hot water extractable carbon remained nearly at the same level during the year, likely, because the temporal variations of these fractions were too dynamic to be covered by a 2-month sampling interval. Overall, there was no significant coherence between the contents and seasonal variability of the different SOC fractions, suggesting that information on SOC pool sizes and dynamics remain method-specific. 

When expanding this research to the Cologne-Bonn region, I found that SOC concentrations had increased significantly in the topsoil, but had decreased significantly in the subsoil from 2005 to 2013. Intriguingly, these changes were due to changes in mineral-bound SOC and not to changes in sand-sized organic matter pools. As bulk density had declined during the observation period, the overall SOC stocks in the upper 60 cm exhibited a SOC loss of nearly 0.6 t C ha-1 a-1 after correction by the equivalent soil mass method. These SOC losses occurred even despite the overall humus balances had increased positively from about 20 kg C ha-1 a-1 in the period of 2003-2005 to about 133 kg C ha-1 a-1 for the entire period of 2005-2013 due to increased organic fertilization and intercropping. 

To better understand why SOC levels declined despite good agricultural practice and positive humus balances, I evaluated SOC reports over entire NRW. The analysis showed that SOC contents had increased during the 1980s, followed by an exponential decrease from 1988 to 2015, with a new steady-state equilibrium not having been reached yet. Livestock-poor regions exhibited both a more rapid gain and also a more rapid loss of SOC than did regions with high livestock densities. The overall data correlated with changes in grassland area, which was reduced in NRW by about 360,000 ha mainly between 1970 and 1990. 

In summary, there is no coherence between different labile SOC pools, but particle-size fractionation appeared suitable for monitoring early changes in SOC contents as affected by management. For the longer term, however, the development of SOC stocks and contents was not correlated with current management data. I concluded that past changes in land use are still driving the evolution of SOC levels throughout the Cologne-Bonn region and entire North Rhine-Westphalia, leaving at present little chance for changed management practices to prevent ongoing SOC loss.