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.
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.
Die Speicherung von organischem C stellt eine bedeutende Ökosystemfunktion von Mangroven dar. SP 9 hat daher zum Ziel, innerhalb der Segara Anakan Lagune (Zentral-Java) die Auswirkung anthropogener Mangrovennutzung (unterschiedliche Nutzungsformen und Sekundärgesellschaften nach Nutzung) auf die C-Speicherung und zugrundeliegende Stabilisierungsmechanismen von organischer Substanz zu untersuchen. Durch den Abgleich der gewonnenen bodenbiogeochemischen Daten mit einfachen 'low-cost'-Parametern (z.B. makroskopische Faunen- und Florenzusammensetzung) soll ein Entscheidungswerkzeug zur Abschätzung des C-Speicherpotentials von Küstenmangroven entwickelt werden. Dieses soll in Payments for Environmental Services (PES) or Reduced Emissions from Deforestation and Degradation (REDD) Strategien implementiert werden. Die Kombination von physikalischen Bodenfraktionierungsverfahren (Dichtetrennung organischer C-Pools), 14C-Datierung, Analyse von Biomarkern (Ligninbürtige Phenole, Neutralzucker) sowie die Bestimmung der mikrobiellen Gemeinschaften mittels 454-Pyrosequenzing gibt detaillierte Auskunft zum Ursprung, Qualität, Transformation und Umsatz der organischen Substanz in Mangrovenökosystemen und den daran beteiligten Mikroorganismen. Diese Informationen werden durch feldbasierte Inkubationsexperimente ergänzt. Das gewählte Methodenspektrum erlaubt hierbei, die Faktoren des anthropogen-induzierten C-Verlustes sowie die zugrundeliegende Mechanismen zu identifizieren.
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.
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).
Neuere Untersuchungen zeigen, daß pyrogener Kohlenstoff (Cpyr) häufig eine wichtige Komponente von stabilem Humus zu sein scheint, was im Hinblick auf die Quellen- und Senkenfunktion von Böden vor CO2 von Bedeutung ist. So fanden Schmidt et al. (1999), Glaser (1999) und Zech et al. (unveröffentlicht) bis zu 50 Prozent Cpyr in der organischen Substanz humusreicher Böden. Da Dauerversuche gute Voraussetzungen bieten, um die Mechanismen der Humusstabilisierung zu studieren, beabsichtigen wir die Rolle von Cpyr bei der Bildung von stabilem Humus in mitteleuropäischen Schwarzerden (sie enthalten bis u 45 Prozent Cpyr; Schmidt et al., 1999) der Projektstandorte Halle und Bad Lauchstädt zu studieren. Dazu werden Wechselbeziehungen von Cpyr mit mineralischen Komponenten der Feinerde und ausgewählten Fraktionen (Textur-, Aggregat-, Dichtefraktionen) untersucht. Um langfristige oxidative Veränderungen von Cpyr festzustellen, werden archivierte Bodenproben untersucht. Ein Langzeit-Inkubationsversuch mit isotopenmarkiertem Material soll Auskunft darüber geben, wie schnell sich Cpyr chemisch verändert und welche Faktoren steuernd wirken.
Das Wissen über die Menge, Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz in Böden der gemäßigten Breiten beschränkt sich bis auf wenige Ausnahmen auf die Oberböden (A-Horizonte und Auflagen) Hier finden sich die höchsten Konzentrationen der organischen Substanz. Jüngere Inventurarbeiten haben nun gezeigt, daß auch im Unterboden (B- und Cv-Horizonte) beträchtliche Mengen an organischer Substanz, allerdings in niedrigen Konzentrationen vorliegen. Ziel des geplanten Vorhabens ist es, (1) die Menge der organischen Substanz im Unterboden zu erfassen, (2) ihre Zusammensetzung und Herkunft zu bestimmen und (3) ihre Umsetzbarkeit zu erfassen. Daraus sollen Rückschlüsse auf die Stabilisierungsmechanismen der organischen Substanz im Unterboden gezogen werden. Nach einer Inventur der Bodenprofile an den SPP-Standorten (C-Gehalte, 14C-Alter) erfolgt die Erfassung der Zusammensetzung der organischen Substanz mittels Festkörper-13C-NMR-Spektroskopie. Die Zusammensetzung der Lipid-, Polysaccharid- und Ligninfraktion soll Hinweise auf die Herkunft der stabilisierten organischen Substanz differenziert nach oberirdischen, unterirdischen Pflanzenrückständen und mikrobiellen Resten geben. Abbauversuche unter kontrollierten Bedingungen im Labor und die Erfassung des 14C-Alters des freigesetzten CO2 sollen Aufschluß über die Umsetzbarkeit des 'jungen' und 'alten' C im Unterboden geben. Dabei werden jeweils die Profile über die gesamte Entwicklungstiefe untersucht, um die Ergebnisse der Unterbodenhorizonte in Bezug zu den Oberböden und zu den Ergebnissen anderer AG im SPP zu setzen. Darauf aufbauend können dann in den nächsten Phasen des SPP die Eigenschaften der organischen Substanz im Unterboden und die Regulation der C-Umsetzungen im Unterboden untersucht werden.
Ziel des Verbundes 'KULUNDA' ist die wissenschaftliche Aufarbeitung der Konversion von Steppen-Ökosystemen in großflächige agrarische Nutzung, wobei die Möglichkeiten einer verbesserten Nutzungsstrategie - unter Berücksichtigung absehbarer Effekte des Klimawandels - untersucht werden sollen. Das Vorhaben trägt dazu bei, die Entwicklung der Region auf soziale Stabilität, nachhaltige Nutzung und eine gezielte Regeneration natürlicher Ressourcen auszurichten. Der Beitrag der Universität Göttingen beinhaltet: (1) Untersuchungen zu C-Vorräten im Boden, Experimente zum C-Eintrag durch die Pflanzen im Boden und zur Stabilität des C. Untersuchen in Abhängigkeit von Landnutzung, Region und Bodentyp bzw. Bodeneigenschaften. (2) Es wird für Modellfarmen in 3 Steppenzonen die Betriebs-und Investitionsoptimierung durch agrarökonomische Modelle abgebildet und mit Farmern die Umsetzung bewertet.
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