Regeneration of degraded cropland by secondary pasture management: a humus-chemical case study in the South African Highveld.

Regenerierung degradierten Ackerlandes durch Sekundärweide-Management: eine humuschemische Studie im südafrikanischen Highveld.

Bonner Bodenkundl. Abh. 71, 136 S., 15,- €

Kurzfassung Band 71

Köster, R. (2018): Regeration degradierten Ackerlandes durch Sekundärweide-Management: eine humuschemische Studie im südafrikanischen Highveld.
Bonner Bodenkundl. Abh. 71, 136 S., 15,- €.

Kurzfassung

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 in semiariden Böden des südafrikanischen Highvelds regenerieren lässt, und (iv) welche Mechanismen dies regulieren. Dazu wurde 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, langjähriges Ackerland diente als Referenz für die degradierten Böden. Proben aus 0-5, 5-10 und 10-20 cm Bodentiefe wurden in Korngrößen- und Aggregatfraktionen aufgetrennt und hinsichtlich ihrer Vorräte an C, N, ligninbürtigen Phenolen, Aminozuckern sowie ihrer δ13C und δ15N-Isotopenhäufigkeiten charakterisiert.

Die Ergebnisse zeigen, dass (i) die Humusvorräte in den Sekundärweiden wieder ansteigen, wobei (ii) sie allerdings nie das Ursprungsniveau der Primärweiden erreichen. Die C-Sequestration ist in den drei Agrarökosystemen unterschiedlich schnell und iii) 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. iv) Die mit den Sandpartikeln assoziierte SOM regenerierte schneller, allerdings weniger vollständig als die mit Ton und Schluff assoziierte SOM. Dies ist darauf zurückzuführen, dass frisches Graslignin mit engeren S/V- und C/V-Verhältnissen und höherem δ13C-Wert rasch in den Humuskörper des Oberbodens eingebaut werden konnte. So waren nach ca. 8-19 Jahren die im Boden gefundenen Ligninbestandteile hauptsächlich graslandbürtigen Ursprungs. 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. Gemittelt über die drei Agrarökosysteme erreichte die Sequestration des pflanzenbürtigen C im Oberboden (0-5 cm) nach ca. 40 Jahren ein Gleichgewicht, blieb aber nur unvollständig. 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.

Zusammenfassend 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 nicht mit derzeitiger Weidelandnutzung, denn die schützende Wirkung der Aggregate und die N-Festlegung durch Bakterien konnten nur teilweise wiederhergestellt werden.

Abstract Band 71

Köster, R. (2018): Regeneration of degraded cropland by secondary pasture management: a humus-chemical case study in the South African Highveld. 
Bonner Bodenkundl. Abh. 71, 136 S., 15,- €.

Abstract

Prolonged arable cropping in the South African Highveld has gone along with severe losses of soil organic matter (SOM) and related soil fertility. In the meantime, farmers have started to establish secondary pastures on formerly degraded arable land to regenerate soil fertility. The objectives of my study were to elucidate (i) whether, (ii) to what extent, and (iii) how rapidly the stocks and quality of soil organic matter regenerates in these semiarid, secondary pastures soils, and (iv) to identify the controlling mechanisms. To achieve these aims, topsoil samples (depth steps: 0-5 cm, 5-10 cm and 10-20 cm) were taken from chronosequences of secondary pastures (1 to 52 years old), established on formerly degraded cropland at three agro-ecosystems in the South African Highveld. Old arable cropland (> 20 years of prolonged cropping) and primary pastures that had never been ploughed served as reference sites. The soil samples were fractionated according to particle-size and aggregate diameter, and characterized for their contents of organic carbon (C), total nitrogen (N), and stable isotope composition (δ13C, δ15N). Amino-sugar analyses were used to trace microbial residues in soils and soil fractions, and lignin-derived phenols (VSC) to track plant-remains.

My results suggest that (i) the contents of soil organic carbon (SOC) increased in the secondary pasture soils after land use change. However, (ii) the SOC stocks in the secondary pasture soils did finally not reach those of the primary grassland. In addition, the (iii) C sequestration rates differed among the three agro-ecosystems, with C sequestration reaching a new steady-state equilibrium after 10-95 years. This gain in SOC was clearly pronounced for the top 0–5 cm of soil, but hardly detectable at 10–20 cm depth. Overall, between 9.0 and 15.3 t of SOC were sequestered in the 0–20 cm of surface soil by this land conversion. The sand fractions recovered SOC more rapidly but less completely than did the finer size separates.

Soil fractionation and biomarker analyses suggested that fresh grass lignin with narrower syringyl-to-vanillyl (S/V) and cinnamyl to vanillyl (C/V) ratios and heavier δ13C signature promoted initial SOC sequestration, as did the fast reaggregation of these secondary pasture soils. The decreasing ratios of syringyl or cinnamyl to the vanillyl structural units reflected that after 8-19 years all remaining lignin derived primarily from the new grassland vegetation. Intriguingly, soil aggregate-size distribution was almost completely restored after 9.5 to 18 years. Nevertheless, the restored soil aggregates still failed to support a complete regeneration of SOC stocks. Averaged over the three agro-ecosystems, the sequestration of total SOC as well as of its lignin constituents reached a new steady state equilibrium after about 40 years, but it did not reach the level of the primary grassland. The sequestration of microbially-derived C and N was initially slower, but more complete. The amino sugar contents in the clay fraction recovered fast and to a higher end level than in the bulk soil. The re-accumulation of bacterial residues was less pronounced so that finally fungi dominated the microbial sequestration of C and N in the long term.

In summary, I could show that severe soil degradation upon prolonged arable cropping could be at least partially counterbalanced by the establishment of secondary pastures for livestock grazing. Both, SOM stocks and SOM properties regenerated, although only slowly. The first decade of SOM re-accrual was promoted by physical protection of plant remains within a regenerating soil structure, whereas microbial processes controlled the second decade of SOM-re-accrual. Nevertheless, a complete regeneration of the degraded soils could not be achieved, possibly due to incomplete recovery of the protective capacity of soil aggregates, due to lacking effects at deeper soil depth, as well as due to lacking replacement of former N losses.