Verbleib des organischen Kohlenstoffs in Bodenfraktionen nach Landnutzungswechsel in den humiden Tropen
Fate of Organic Carbon in Soil Fractions Following Land Use Conversion in the Humid Tropics
von Sonja Marit Paul
Datum der mündl. Prüfung:2007-07-18
Erschienen:2008-01-28
Betreuer:Prof. Dr. Edzo Veldkamp
Betreuer:Prof. Dr. Heiner Flessa
Gutachter:Prof. Dr. Edzo Veldkamp
Gutachter:Prof. Dr. Heiner Flessa
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Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
The soil organic matter pool represents a major part of the terrestrial carbon reservoir. Decomposition of soil organic matter contributes to important fluxes of the global carbon cycle. In order to understand, assess, and predict the impact of land use or climatic changes in the tropics, quantitative knowledge of stabilization and decomposition processes of soil organic matter is necessary. This thesis elucidated how soil properties and land use influence the carbon storage in bulk soil and in physically and chemically defined soil fractions. Furthermore, the stability of older forest-derived carbon and the stability of recently incorporated pasture-derived carbon in these fractions were investigated. For this purpose, fractionation procedures were combined with 13C isotope analyses on soil samples from sites that had undergone a land use change (natural forest > pasture, natural forest > pasture > secondary forest) which was connected with a vegetation change from C3 to C4 or from C3 to C4 to C3 plants. Soil sampling was conducted in the humid tropics in northwest Ecuador. Soils developed from different parent material (marine Tertiary sediments and volcanic ashes) differing in key factors which influence storage and stabilisation of soil organic matter.Besides parent material, soil texture was the main factor which controlled total soil organic carbon (soil C) contents in these soils. The major part of soil C was bound to the mineral phase. Higher soil C contents in the volcanic ash soils emphasise the higher carbon sequestration of Al-humus complexes and non-crystalline hydroxides in comparison to sedimentary soils dominated by smectite. Results of the chemical fractionation point to an enhanced stability of the mineral-bound soil C against oxidation with NaOCl in the volcanic ash soils. In addition, more soil C could be extracted by Na4P2O7 in these soils indicating the importance of Al-humus complexes. In contrast, treatment with HCl isolated a fixed proportion of soil C storage in both soil types indicating a similar composition of organic matter in the soils. The higher carbon sequestration capacity in the volcanic ash soils could be also related to higher carbon storage in the light fractions.Independent of soil parent material, deforestation followed by pasture establishment reduced soil C storage. By afforesting the former pasture, the amount soil C increased, but the values of the natural forest were not reached at all sites. Changes in soil C stocks were more pronounced in the light fractions compared to bulk soil. Thus, light fractions can be used as an early indicator for soil C changes induced by land use changes. The correlation of aggregation and the amount of occluded light fraction and the slow turnover support the hypothesis, that organic matter is stabilised by aggregation in both soil types.The recently incorporated pasture-derived carbon showed a faster turnover in the volcanic ash soils than in the sedimentary soils. Mineral surfaces of sedimentary soils form stronger interactions with the organic matter. In contrast to sedimentary soils, no pasture-derived carbon could be detected in any fraction of the volcanic ash soils under secondary forest. Thus, recently incorporated carbon was not stabilised in volcanic ash soils. However, pasture-derived carbon could be detected in the chemical isolated fractions under pasture. This indicates that none of the used chemical fractionation techniques isolated a soil organic matter pool that is under field conditions stable against microbial degradation.
Keywords: Soil organic matter; land use change; pasture; afforestation; 13C; carbon sequestration; Ecuador; mean residence time; water-stable aggregates; density fractions; stable soil organic carbon; tropical soil
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Die organische Substanz im Boden stellt einen
wesentlichen Anteil des terrestrischen
Kohlenstoffreservoires dar. Ihre Zersetzung trägt zu
bedeutenden Flüssen des globalen Kohlenstoffkreislaufs
bei. Zum besseren Verständnis der Abbau und
Stabilisierungsprozesse organischer Substanz im Boden
wurde deren Speicherung im Gesamtboden und in Aggregat-
und Dichtefraktionen sowie in chemisch isolierten
Fraktionen in Abhängigkeit von Bodeneigenschaften und
Landnutzung quantifiziert. Weiterhin wurde die
Stabilität von älterem, waldbürtigem Kohlenstoff sowie
die Stabilität von kürzlich eingetragenem,
weidebürtigem Kohlenstoff in diesen Fraktionen
untersucht. Dazu wurden Fraktionierungsverfahren mit
13C Isotopenanalysen kombiniert. Die
Bodenproben stammen aus den humiden Tropen Ecuadors von
Standorten auf denen Landnutzungsänderungen (Wald >
Weide, Wald > Weide > Sekundärwald) stattgefunden
haben, die mit einem Vegetationswechsel von
C3- zu C4-Pflanzen b! zw. von
C3-über C4- zu
C3-Pflanzen verbunden sind. Die Böden
entwickelten sich aus unterschiedlichen
Ausgangsmaterialien: marine tertiäre Sedimente und
vulkanische Aschen. Sie unterscheiden sich deutlich in
ihrer Speicherung und Stabilisierung von Kohlenstoff im
Boden.Bestimmend für die Gesamtkohlenstoffgehalte in
diesen Böden sind Ausgangmaterial und Textur.
Charakteristisch ist, dass der größte Teil des
organischen Bodenkohlenstoffs an Mineraloberflächen
gebunden war. Deutlich höhere Kohlenstoffgehalte in den
Vulkanascheböden verdeutlichen die höhere
C-Sequestrierung von Al-Humuskomplexen und
nicht-kristallinen Hydroxiden im Vergleich zu den von
Smektiten dominierten Sedimentböden. Die Ergebnisse der
chemischen Fraktionierung deuteten ebenfalls auf eine
höhere Stabilität der mineralgebundenen organischen
Substanz gegenüber Oxidation von NaOCl in den
Vulkanascheböden hin. Zusätzlich konnte in diesen Böden
mehr Kohlenstoff durch
Na4P2O7 extrahiert
werden, was auf die Bedeutung der Al-Humuskomplexe in
diesen Böden zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu
isolierte die Behandlung mit HCl in beiden Bodentypen
einen festen Anteil des Kohlenstoffvorrates, was auf
eine ähnliche Zusammensetzung der organischen Substanz
in den Böden hinweist. Die höhere C-Sequestrierung in
den Vulkanascheböden konnte auf eine höhere Speicherung
von Kohlenstoff in der leichten Fraktion zurückgeführt
werden.Unabhängig vom Ausgangsmaterial führten Abholzung
und anschließende Weidenutzung zu einer Reduktion der
Kohlenstoffvorräte im Boden. Zwar erhöhte die
Wiederaufforstung der Weiden die Kohlenstoffvorräte,
jedoch wurde das ursprüngliche Niveau der Wälder nicht
an allen Standorten wieder erreicht. Dabei waren die
Veränderungen im Kohlenstoffvorrat in den leichten
Fraktionen deutlicher ausgeprägt als im Gesamtboden.
Somit kann die leichte Fraktion als früher Indikator
für Veränderungen der Kohlenstoffvorräte nach
Landnutzungswechsel dienen. Die Korrelation von
Aggregierung und der Menge der eingeschlossenen
leichten Fraktion sowie deren langsame Umsatzzeit
unterstützen die Hypothese, dass organische Substanz in
beiden Bodentypen durch Aggregierung stabilisiert
wird.Der erst vor wenigen Jahren eingebrachte
weidebürtige Kohlenstoff wies in den Vulkanascheböden
deutlich kürzere Verweilzeiten auf als in den
Sedimentböden. Die Mineraloberflächen der Sedimentböden
bilden eine stärkere Interaktion mit der organischen
Substanz aus. Im Gegensatz dazu konnte in keiner der
untersuchten Fraktionen noch weidebürtiger Kohlenstoff
in den Sekundarwäldern der Vulkanascheböden gefunden
werden. Neu eingetragener Kohlenstoff wurde somit in
diesen Böden nicht stabilisiert. Jedoch wiesen die
chemisch isolierten Fraktionen noch weidebürtigen
Kohlenstoff in den Weiden auf. Dies zeigt, dass keine
der verwendeten chemischen Fraktionierungsmethoden
geeignet ist, einen stabilen Pool zu isolieren, welcher
unter Feldbedingungen vor mikrobiellem Abbau geschützt
ist.
Schlagwörter: Organische Substanz des Bodens; Landnutzungswechsel; Weide; Aufforstung; tropische Böden; 13 C; Kohlenstoffsequestrierung; Ecuador; mittlere Verweildauer; wasserstabile Aggregate; Dichtefraktionen; stabiler organischer Kohlenstoff