Long-term effects of soil organic matter burial on carbon sequestration

Alcántara Cervantes, Viridiana

Subsoils play an important role within the global C cycle, since they have high soil organic carbon (SOC) storage capacity due to generally low SOC contents. However, measures for enhancing SOC storage, such as no-tillage, agroforestry and application of animal manure, commonly focus on topsoils. In this dissertation, the option of actively burying SOC-rich soil material through tillage practices was studied for the first time assessing SOC sequestration in deep ploughed arable and forest soils as well as in fossil ridge and furrow cropland under forest with buried topsoils. Assessed deep-ploughed cropland soils contained on average 42±18% more SOC than the reference plots down to 100 cm. In contrast, total SOC stocks in deep ploughed forest soils were not significantly higher than in their respective reference soils. The ‘newly formed’ topsoil of the deep ploughed soils still contained less SOC than the reference topsoil, 14% and 37% under cropland and under forest, respectively. On average, the fraction of mineralised SOC assessed in one-year laboratory incubations, was 32% lower in incubated buried than in reference topsoils. Sandy cropland buried topsoil stripes and reference topsoils had the lowest mineralisable SOC fraction. Buried SOC was partly to fully preserved, most effectively in sandy cropland soils, but selective preservation of certain, most stabile SOC fractions and preferential decomposition of labile fractions, such as the commonly most easily decomposable free light fraction, could not explain SOC stability. Land use history of many of the studied sandy sites as heath was identified as an important aspect concerning SOC stabilisation. Medieval ridge-and-furrow cultivation led to the burial of former topsoil under ridges. SOC content was 0.4-0.9 g kg-1 higher at ridges than at reference positions, indicating long-term preservation of former topsoil SOC by burial under ridges, although enhanced SOC stocks at ridges due to carbon burial could not be significantly confirmed for all sites. In conclusion, deep ploughing led to enhanced subsoil SOC contents and stocks compared to a reference plot in forests and cropland. Deep ploughing increased the storage space for SOC by mechanically translocating topsoil material into the subsoil. SOC accumulation in the new topsoil horizons additionally determine the effect of deep ploughing on full profile SOC stocks.

Aufgrund der Schlüsselrolle der organischen Bodensubstanz (OBS) im globalen Kohlenstoff-(C)-kreislauf, hat die Erhaltung und Erhöhung des OBS-Vorrats eine hohe Relevanz als Klimaschutzmaßnahme und im Rahmen der Anpassung an den Klimawandel. Die meisten C-sequestrierungsmaßnahmen im Landmanagement, z.B. die pfluglose Bodenbearbeitung, die organische Düngung oder die Einführung von mehrjähringen Pflanzen durch Agroforstwirtschaft, konzentrieren sich auf eine Erhöhung der OBS-Vorräte in den obersten cm des Bodens. In dieser Dissertation wurde zum ersten Mal die Option der aktiven Vergrabung von OBS-reichem Material durch Landmanagementpraktiken hinsichtlich Ihrer C-sequestrierungsleistung untersucht. Insbesondere wurden tiefgepflügte Acker- und Waldböden sowie fossile Wölbackerfluren unter Wald untersucht. Die tiefgepflügten Ackerböden enthielten durchschnittlich 42±18% höhere C-vorräte als die jeweiligen Referenzböden bis in 100 cm Tiefe. Im Gegensatz waren die C-vorräte bis in 100 cm Tiefe in tiefgepflügten Wälder nicht signifikant höher als die der jeweiligen Referenz. Der 'neu etablierte' Oberboden in den tiefgepflügten Böden hatte 14% bzw. 37% niedrigere C-vorräte als die Referenz jeweils unter Acker und unter Wald. Durchschnittlich war der Anteil an während einjähriger Laborinkubationen mineralisierter OBS 32% niedriger in den vergrabenen Oberböden im Vergleich zur Referenz. Die sandigen Ackerböden wiesen die niedrigste mineralisierbare OBS-Fraktion auf. Die OBS wurde seit ihrer Vergrabung teilweise komplett erhalten, am effektivsten in sandigen Ackerböden. Selektive Erhaltung bestimmter OBS-Fraktionen mit höherer Stabilität und gleichzeitiger Abbau labiler Fraktionen wie die freie leichte Fraktion, konnte die hoher OBS-Stabilität nicht erklären. Mittelalterlicher Wölbackerbau führte zur Vergrabung ehemaligen Oberbodens unter Kämmen. Der C-gehalt war 0.4-0.9 g kg$^{-\text{1}}$ höher unter Kämmen als an einer Referenzposition. Dies deutet auf eine Langzeiterhaltung der OBS im ehemaligen Oberboden unter den Kämmen hin. Allerdings konnten erhöhte C-vorräte unter den Kämmen aufgrund von Oberbodenvergrabung nicht für alle Standorte signifikant bestätigt werden. OBS Vergrabung hat zu einer Erhöhung von C-gehalten und -vorräten in Unterböden unter Wald und Acker geführt. OBS-akkumulation im neu etablierten Oberboden bestimmt zusätzlich den C-sequestrierungseffekt bei der Betrachtung von Gesamtprofilvorräten.

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Alcántara Cervantes, Viridiana: Long-term effects of soil organic matter burial on carbon sequestration. 2017.

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