Der menschliche Einfluss durch Landnutzung hat global zu starken Veränderungen in der Bodenentwicklung geführt und verursachte Verluste von Kohlenstoff aus terrestrischen Ökosystemen. Trotz relativ langsamer netto-Änderungen ist organische Bodensubstanz eine der wichtigsten Speichergrößen für Kohlenstoff. Der heutige Stand der Forschung zeigt dass die Größe der Quellen- oder Senkenfunktion von Böden für atmosphärisches Kohlenstoffdioxid von Bodeneigenschaften abhängt, die wiederum das Ergebnis pedogenetischer Prozesse sind. Bisher wurden allerdings Landnutzung und Kohlenstoffspeicherung kaum hinsichtlich ihrer Verbindung mit pedogenetischen Prozessen erforscht. Ein Grund ist sicherlich dass es kaum Referenzflächen gibt, die sicher als natürlich bezeichnet werden können aber trotzdem vergleichbare Bedingungen zu genutzten Flächen aufweisen. In der Region Cusco in den peruanischen Anden haben wir solche natürlichen Flächen identifizieren können. Sie liegen an abgelegenen Berghängen und sind nur mit Bergsteigerausrüstung zu erreichen, sind aber direkt mit Flächen benachbart die seit Jahrtausenden durch extensive Weidewirtschaft gekennzeichnet sind. Unsere Hypothesen lauten (a) Landnutzung und assoziierte Veränderungen in der Vegetation beeinflussten die Bodenentwicklung so stark dass sich in natürlichen und genutzten Böden unterschiedliche Klassifikationseinheiten entwickelten und (b) Landnutzung und veränderte Bodenentwicklung haben die relative Bedeutung von Mechanismen der Stabilisierung organischer Bodensubstanz verschoben. Um diese Hypothesen zu untersuchen werden Bodenklassifizierung und Indikatoren der Profilentwicklung genutzt und mit der Verteilung der organischen Bodensubstanz in Fraktionen unterschiedlicher Stabilisierungsmechanismen in Verbindung gebracht. Die Verbindung von Aspekten der Bodengenese mit der Stabilisierung der organischen Bodensubstanz wird das Verständnis des menschlichen Einfluss auf Kohlenstofffestlegung im Boden verbessern und kann somit helfen Strategien zu entwickeln die den Landnutzungsinduzierten Verlust von Kohlenstoff in die Atmosphäre verringern.
Projektziel ist die Ermittlung der Umsetzungsdynamik sowie der Mineralisierung- und Stabilisierungsprozesse organischer Bodensubstanz unterschiedlicher Stabilität unter unterschiedlichen landwirtschaftlichen Bearbeitungsmaßnahmen. Trotz unseres bereits umfangreichen Wissensstandes über die Kohlenstoffdynamik im Boden, treten in aktuellen Kohlenstoff-Bilanzierungen immer wieder Unsicherheiten bezüglich der Größe und des Umsatzes von unterschiedlich stabilen Kohlenstoff-Pools im Boden auf. Zur Erstellung und Validierung von Kohlenstoff-Modellen liegen allgemein nur wenige sichere Daten vor. Relativ wenig bekannt sind im Besonderen die Mechanismen und Transferraten von Kohlenstoff-Fraktionen zwischen labilen Pools mit raschem Umsatz und stabileren Pools mit bis zu mehreren Jahrzehnten andauernden Umsätzen. Für die Evaluierung bzw. Verbesserung von bestehenden Kohlenstoffmodellen sind diese Pool-Größen und deren Umsetzungsraten allerdings von entscheidender Bedeutung. Der 14C-Freiland-Langzeitversuch, der bereits 1967 in Fuchsenbigl in Niederöstereich nahe Wien errichtet und seitdem konsequent geführt wurde, bietet die in Österreich einmalige Chance, den Umsatz und die Bilanz des 1967 ausgebrachtem, markiertem Dünger-Kohlenstoff unter unterschiedlichen Fruchtfolgesystemen (Schwarzbrache, Sommerweizen, Fruchtfolge) über eine Periode von 35 Jahren zu untersuchen. Aufgrund dieser ausgesprochen langen Versuchsdauer sollte es möglich sein, tiefergehende Erkenntnisse über die Kohlenstoffdynamik, im Besonderen über Kohlenstoff-Pools mit langsameren Umsetzungsraten, zu gewinnen. Ziel dieses Projektes ist daher, die Größe, Struktur und Umsetzungsdynamik von unterschiedlichen Kohlenstoffpools mittels Partikelgrößen-Fraktionierung an ausgewählten Bodenproben zweier Langzeitversuche mit unterschiedlicher Bewirtschaftung zu ermitteln. Diese Ergebnisse sollen mit chemischen, isotopischen und spektroskopischen Analysen des Gesamtbodens (ohne Fraktionierung) in Einklang gebracht werden. Im besonderen erscheint es wichtig, die Rolle des Bodenhumus im Kohlenstoff-Stabilisierungsprozess besser abschätzen zu können. Abschließend werden die über die ganze Versuchsdauer erhobenen Daten verwendet, um die Kohlenstoff-Bilanzierung der untersuchten Freilandversuche unter unterschiedlichen Bewirtschaftungsmaßnahmen zu erstellen. Schlussendlich sollen diese Daten in die Validierung und Verbesserung bestehender Kohlenstoffmodelle einfließen.
Die Nachhaltigkeit der Biogasproduktion im Hinblick auf die THG-Minderung wird entscheidend durch die Effekte des Substratanbaus auf die Veränderungen des organischen C-Gehaltes (Corg) des Bodens beeinflusst. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn im Rahmen von Landnutzungsänderungen mit einer Freisetzung großer CO2- und N2O-Mengen zu rechnen ist. Aber auch die Wahl der für die Substratproduktion eingesetzten Kulturart kann einen Effekt auf die Veränderung des Corg-Gehalt des Bodens haben. Trotz der immensen Bedeutung der Kohlenstoffflüsse im System Boden-Pflanze besteht noch erheblicher Forschungsbedarf was die Bewertung der Humuswirkung von Kulturpflanzenarten, insbesondere Mais, betrifft. Dies gilt speziell für Mais deshalb, weil die verfügbaren Daten zur Humusbilanz mehr als 30 Jahre alt sind und der Zuchtfortschritt der letzten Jahrzehnte damit nicht berücksichtigt ist. Das Ziel des Projektes besteht daher darin, in einem Feldexperiment die Effekte des in den letzten Jahrzehnten erfolgten Zuchtfortschritts von Mais auf dessen Wurzelmassenbildung, und damit auf die Humusreproduktionsleistung, erstmalig für nordwesteuropäisches Zuchtmaterial zu quantifizieren. In einem zweijährigen Feldversuch wird der Ertragsfortschritt von Wurzel- und Sprossmasse an einem Set von 10 mittelfrühen Silomaissorten geprüft, die in den letzten 40 Jahren zugelassen wurden. Hierzu wird mittels destruktiver und nicht-destruktiver Verfahren die Dynamik der Spross- und Wurzelmassenakkumulation quantifiziert. Ergänzende Erhebungen zu CO2-Flüssen (Gasaustausch, Bodenatmung) ermöglichen eine modellgestützte Ermittlung von sortenspezifischen C-Bilanzen.
In TP3 (J. Rethemeyer, Uni Köln; G. Mollenhauer, AWI) des Verbundvorhabens erfolgt eine Bestimmung der Zusammensetzung und mikrobiellen Umsatzbarkeit des organischen Kohlenstoffs in Permafrostböden sowie des Kohlenstoffexports in limnische und marine Sedimente mithilfe von 14C als radioaktivem tracer. Schwerpunkte der Kölner Arbeitsgruppe sind 1) die Charakterisierung der Zusammensetzung der organischen Substanz in der Permafrostlandschaft und Identifizierung leicht abbaubarer und stabiler Kohlenstoffpools und 2) die Ermittlung des mikrobiellen Umsatzes fossiler und rezenter Permafrostablagerungen. Methodisch werden chemische und physikalische Fraktionierungsverfahren in Kombination mit Lipidanalytik und 14C-Datierung angewendet. Zu Projektbeginn erfolgt die Methodenentwicklung für die AMS 14C-Datierung von Lipiden und Gasen und die Planung der Expeditionen in 2014 und 2015. Schwerpunkt in 2014 ist die Auswahl geeigneter Standorte und nachfolgende 14C-Analyse des gesamten organischen Materials und physikalisch/chemisch separierter Fraktionen. In 2015-2016 erfolgt die Identifizierung und 14C-Datierung geeigneter pflanzlicher und mikrobieller Biomarker in den Permafrostablagerungen und in inkubierten Bohrkernproben (TP 5), die Gasprobenahme und anschließende 14C-Analyse sowie die Fortführung der chromatographischen Isolierung und 14C-Datierung mikrobieller Lipide. Es erfolgt eine kontinuierliche Datenauswertung und die Anfertigung von Publikationen.
Les racines des plantes cultivées constituent le principal facteur de formation de substances organiques du sol dans lagriculture. Jochen Mayer et son équipe étudient la quantité de carbone entrant dans le sol par le biais des racines dans plusieurs grandes cultures de Suisse. Ils observent également linfluence de différents systèmes dexploitation. Les substances organiques du sol sont le principal facteur déterminant les fonctions écologiques du sol, telles que sa fertilité, le bilan hydrique, la qualité de leau ou la protection contre lérosion. Elles jouent en outre un rôle central dans la fixation du carbone, exerçant de fait une influence sur le changement climatique. Dans lagriculture, les entrées de carbone par les racines des plantes cultivées représentent la principale source du carbone contenu dans le sol. Dans ce contexte, on ne sait pas avec précision dans quelle mesure ces entrées dépendent du mode et de lintensité dexploitation ou des espèces et variétés végétales. De même, peu de recherches se sont intéressées à limpact des périodes prolongées de stress hydrique dues au changement climatique sur les entrées de carbone. Léquipe de projet examine les entrées de carbone dans le sol par les principales grandes cultures suisses et linfluence des différents modes et intensités dexploitation agricole sur ces entrées. Elle analyse par ailleurs limpact de la sécheresse provoquée par le changement climatique et lévolution de laspect des plantes au cours des 100 dernières années du fait de la sélection. Les résultats du projet montreront quels facteurs déterminent les entrées de carbone dans les systèmes de grandes cultures suisses et, ce faisant, lenrichissement et lappauvrissement des substances organiques du sol. Des modèles adaptés de représentation de la dynamique des substances organiques du sol peuvent permettre de dégager les avantages et inconvénients des différents systèmes dexploitation du point de vue des entrées de carbone dans le sol, ce qui permettra daméliorer la gestion des sols dans la pratique. (FRA)
Reduced tillage and green manures are efficient conservation agriculture tools that can be adapted, in order to further improve organic crop production systems. The goals of TILMAN-ORG are to design improved organic cropping systems with enhanced productivity and nutrient use efficiency, a more efficient weed management and increased biodiversity, but lower carbon footprints, in particular by increased carbon sequestration and lower GHG emissions from soils. These goals will be achieved by adapting and integrating conservation agriculture techniques, in particular reduced tillage and improved use of green manures into organic farming systems to intensify biological soil functions like nutrient cycling, soil carbon build-up, and biological nitrogen fixation, while at the same time optimising management protocols for weeds. The specific goal of WIZ within TILMAN-ORG is the improved nutrient management in reduced tillage systems by use of green manures and appropriate off-farm inputs as an integral part of Work-Package 5 (WP5). The major task of WIZ will be to examine the response of soil C and N to both leguminous and non-leguminous green manures incorporated with different intensity and timing of soil tillage. Knowledge in this respect shall be gained by carrying out experimental case studies and feeding the collected data together with those of research partner institutions within WP5 into the soil-crop model NDICEA in order to predict soil N dynamics based on crop performance in different conservation agriculture scenarios. WIZ will share its experiences in from one long-term trial and one mid-term trial on reduced tillage and thereby contribute to the state-of-the-art analysis of WP2. Furthermore, WIZ will contribute to the refinement of methods for soil and plant analyses by supplying data from samplings using well-defined methods for the cross validation done within WP3.
Understanding soil organic matter (SOM) dynamics is critical to meeting many environmental, agricultural, and forestry challenges relating to productivity and sustainability, including the potential of soils to sequester atmospheric CO2. The amount of C as stored as SOM represents twothirds of the terrestrial C pool and is the primary energy source driving several critical biogeochemical processes. The mechanisms of C stabilization in soils remain poorly understood. A critical knowledge gap in soil organic C (SOC) cycling concerns the SOC portion known as pyrogenic C (PyC), which is a chemically heterogeneous class of highly reduced compounds produced by the incomplete combustion. In terrestrial ecosystems, C and N dynamics are closely linked due to the activity of organisms. During the last few decades, atmospheric nitrogen deposition in soils has increased as a result of climate changes and human activities. At present, however, it is not clear whether increased nitrogen deposition will accelerate or decelerate soilorganic-matter turnover. Also, because of these global changes, future summers in temperate regions will be warmer and drier than today, and wildfires will be more frequent, producing more fire-derived (pyrogenic) carbon (PyC), a relatively recalcitrant soil component. . In this proposed long-term experiment, cylindrical mesocosms (10 x 15 cm) will be installed in the soil and filled with (1) 13C/15N labelled pyrolyzed wood, (2) 13C/15N labelled wood and (3) a no litter control, either treated with nitrogen or not, resulting in a two-factor, two-treatment experiment. We propose a post-doc project to identify underlying processes of char and wood degradation under high and low nitrogen -by directly identifying micro-organisms decomposing PyC through the double label (13C, 15N), by describing microorganism community structures, by determining the alteration of the PyC chemical structure of the remaining char (CPMAS 13C and 15N NMR, molecular markers) in the dissolved fraction and in the bulk soil and by using the isotopes to trace the degradation products within the soil fractions and within the intact soil matrix using soil fractionation methods and NanoSIMS technology. This project will be novel and cutting edge for several reasons: For the first time, the proposed project will (1) directly identify PyC decomposers, (2) directly quantify PyC degradation in vivo in a long-term field study, and (3) test the effect of nitrogen on decomposition of PyC and its wood precursor. The project will help to clarify our fundamental understanding of the fate of pyrogenic carbon in forest soil under present and future atmospheric nitrogen deposition, and will improve urgently needed field-based and global turnover models.
Innerhalb des Projektes sind verschiedentlich aufbereitete Gärprodukte aus der Vergärung von Bioabfällen hinsichtlich ihrer Wirkung auf Boden und Pflanzen zu untersuchen. Eine Form der Aufbereitung der Gärprodukte stellt die Agglomeration der festen Phase dar, die insbesondere auf die Bereitstellung eines Düngemittels mit verbesserter Lager- und Transportfähigkeit abzielt. Die Untersuchung der Vergärung von Bioabfällen und die Aufbereitung der Gärprodukte werden im Labormaßstab (BTU, Lehrstuhl Geopedologie und Landschaftsentwicklung in Zusammenarbeit mit Dr. habil. C. Dornack, PTS Heidenau) und in praxisrelevanten Großanlagen (GICON) durchgeführt. Die Wirkung der Gärprodukte auf Boden und Pflanzen wird unter kontrollierten Gewächshausbedingungen in Gefäßversuchen (BTU, Lehrstuhl Geopedologie und Landschaftsentwicklung) und in praxisnahen Freilandparzellenversuchen (IASP) überprüft. Hierbei kommen nur die Gärprodukte zur Verwendung, die vorherige Toxizitätstests durchlaufen haben (IASP, BTU, Lehrstuhl Geopedologie und Landschaftsentwicklung). Es soll hierbei die Versorgung der Pflanzen mit den notwendigen Nährstoffen überprüft werden, was die Untersuchungen zur Nährstofffreisetzung aus den Gärprodukten sowie die sich entwickelnde Biomassemenge (TM) und -qualität einschließt. Außerdem werden die Kohlenstoffspeicherung im Boden bzw. die Humuswirkung der unterschiedlichen Gärprodukte überprüft (IASP, BTU, Lehrstuhl Geopedologie und Landschaftsentwicklung). Darüber hinaus soll auch der Effekt von Gärproduktgaben auf Bodenstruktur und bodenphysikalische Eigenschaften betrachtet werden (BTU, Lehrstuhl Geopedologie und Landschaftsentwicklung). Zur Ausbringung unbehandelter sowie aufbereiteter Gärprodukte werden vergleichende ökonomische Betrachtungen durchgeführt (IASP).
Die organische Substanz mitteldeutscher Schwarzerden besteht bis zu 45 Prozent aus pyrogenem Kohlenstoff. Dies wirft die Frage auf, ob Schwarzerden bzw. Mollisole allgemein als Senke für Kohlenstoff im globalen C-Kreislauf fungieren können. Im Rahmen des beantragten Projekts soll daher geklärt werden, ob der Beitrag von pyrogenem Kohlenstoff zur organischen Substanz von Mollisolen in unterschiedlichen Ökosystemen der Welt generell hoch ist. Ober- und Unterböden von Schwarzerden bzw. Mollisolen aus Deutschland, Rußland, China, USA und Argentinien werden darauf hin untersucht, wie sich der Beitrag von pyrogenem Kohlenstoff mit der Bodentiefe verändert, in welchen Korngrößen- und Dichtefraktionen der pyrogene Kohlenstoff lokalisiert ist, und welchen Einfluß unterschiedliche Bodennutzung auf die Verweilzeit verkohlter Rückstände haben kann. Außerdem soll versucht werden zu klären, aus welcher Vegetation der pyrogene Kohlenstoff stammt und ob er eine besonders alte Fraktion der organischen Substanz repräsentiert.
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