| dc.contributor.advisor | Dippold, Michaela Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Hennings, Nina | |
| dc.date.accessioned | 2022-01-13T14:58:32Z | |
| dc.date.available | 2022-01-20T00:50:08Z | |
| dc.date.issued | 2022-01-13 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0008-59EC-B | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9000 | |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 630 | de |
| dc.title | Impact of tropical rainforest transformation in Indonesia on soil carbon sources, turnover and losses | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.contributor.referee | Dippold, Michaela Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2021-08-26 | |
| dc.description.abstractger | Die landwirtschaftliche Erweiterung gilt weltweit als einer der wichtigsten Treiber für die Abholzung von Wäldern. Die weltweit steigende Nachfrage nach Agrarprodukten wie Palmöl und Kautschuk führte in den letzten Jahrzehnten, insbesondere in Südostasien zu einer rasanten Ausweitung der Landwirtschaft. Es wird erwartet, dass die Umwandlung von tropischem Regenwald in monokulturelle Plantagen zu schwerwiegenden Veränderungen im biogeochemischen Kreislauf und in der Funktionsweise von Ökosystemen führen wird. Dieser Landnutzungswandel hat große Auswirkungen auf den globalen Kohlenstoffkreislauf, da er den Vorrat an organischem Bodenkohlenstoff (engl. SOC) verringert und die Kohlenstoffdioxidemissionen (CO2) erhöht. Darüber hinaus begünstigt die steigende Nachfrage nach Agrarprodukten die fortschreitende Umwandlung von weniger gut zugänglichen Landschaftstypen in landwirtschaftliche Flächen, wie z. B. Flussufergebieten. Uferbereiche reagieren besonders empfindlich auf Landnutzungsänderungen, da sie meist einen höheren SOC-Gehalt aufweisen als mineralisch terrestrische Böden und Lebensraum für eine Vielzahl von Tier- und Pflanzenarten sind. Es ist daher entscheidend die Veränderungen des SOC-Pools und der SOC-Flüsse unter den aktuellen Landnutzungsveränderungen zu verstehen, um die Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf im Boden zu beurteilen. Ziel dieses Forschungsprojekts war es daher, Veränderungen der SOC-Quellen, d.h. SOM-Zusammensetzung, die SOC Umsätze und die SOC Verluste nach der Umwandlung von Wald in Kautschuk- und Ölpalm-Monokulturen zu identifizieren. Die Studie wurde in Sumatra (Indonesien) durchgeführt, welches ein Hotspot des Regenwaldverlusts aufgrund der landwirtschaftlichen Erweiterung ist. Das erste Ziel war es, die physikalischen und chemischen Veränderungen, insbesondere die Veränderungen des SOC-Bestandes von Uferböden nach einer Landnutzungsänderung zu bestimmen und sie mit den Veränderungen in mineralisch terrestrischen Böden zu vergleichen. Das zweite Ziel war es, den Beitrag der vergangenen Vegetation zum aktuellen SOC-Pool in Wald- und Plantagenböden zu ermitteln und herauszufinden, ob es eine Veränderung der SOM-Zusammensetzung gibt, die auf Unterschiede in den SOM-Quellen zwischen den Landnutzungssystemen hinweist. Im Hinblick auf dringend benötigte Lösungen zur Anpassung an den Klimawandel, die Bodenfruchtbarkeit zu erhalten und der Tatsache, dass die Auswirkungen intensiver Stickstoff (N)-Düngung und Herbizideinsatz auf den Bodenkohlenstoffkreislauf in diesen Monokulturen unbekannt sind, war es das Ziel, die Auswirkungen landwirtschaftlicher Bewirtschaftungsstrategien auf den SOC-Abbau und die SOC Einlagerung in Ölpalmenplantagen zu bestimmen. Hier wurde eine Plantage mit mineralisch terrestrischem Boden ausgewählt, da eine größere Allgemeingültigkeit aus den Ergebnissen abgeleitet werden kann, da sich die Mehrheit des Palmölanbaus auf mineralisch terrestrischen Böden stattfindet.
Für das Erreichen des ersten Forschungsziels wurden SOC-Vorräte und δ13C-Werte bestimmt, um die Veränderung der Kohlenstoffvorräte und den SOC-Abbau an vier Uferwald-, vier Kautschuk- und vier Ölpalmenplantagenstandorten zu bewerten und mit der gleichen Anzahl von mineralisch terrestrischen Standorten zu vergleichen. Die durchschnittlichen Verluste des Kohlenstoffvorrats in den obersten 30 cm des Bodens betrugen 14% bzw. 4% nach der Umwandlung von Auwäldern in Kautschuk- und Ölpalmenplantagen, was auf eine hohe Resistenz des Kohlenstoffs (C) gegenüber der Mineralisierung hinweist. Kohlenstoffverluste aus mineralisch terrestrischen Böden waren nach dem Landnutzungswandel doppelt so hoch wie aus Uferbereichen. δ13C-Werte aus Uferbereichen zeigten eine starke Heterogenität innerhalb des Bodenprofils im Vergleich zu mineralisch terrestrischen Profilen, was auf unterschiedliche Grade der Zersetzung von SOM hinweist. Mineralisch terrestrische Bodenprofile zeigten das erwartete Muster mit niedrigeren Werten (- 29‰) im Oberboden und einer Anpassung an höhere Werte (-26‰) im Unterboden, was darauf hinweist, dass SOC im Oberboden intensiver abgebaut wurde als im Unterboden.
In Kombination mit der Auswertung des Grundwasserspiegels (GWT) schlossen wir erstens auf wechselnde oxische und anoxische Bedingungen in Uferbereichen, die durch Schwankungen des GWT und periodische Überflutungen verursacht wurden, und folglich auf wechselnde aerobe und anaerobe Abbauprozesse, die zu reduzierter SOM- und Streuzersetzung in Uferbereichen führen. Zweitens schlossen wir aufgrund der heterogenen δ13C-Tiefenprofile, insbesondere nach Landnutzungsänderungen, auf den Eintrag und die Akkumulation von allochthonem organischem Material mit unterschiedlichen Zersetzungsgraden durch mineralische Sedimente und die Ablagerung von organischem Material. Basierend auf diesen Ergebnissen stellen wir einen uferlandschafts-spezifischen Effekt fest, der dem erwarteten Landnutzungseffekt auf SOC-Verluste entgegenwirkt. Die Dynamik der saisonalen Überflutung, gefolgt von einer verzögerten Mineralisierung, spiegelt sich in dem heterogenen δ13C-Muster wider. Im Vergleich zu mineralisch terrestrischen Böden sind Böden in Uferbereichen widerstandsfähiger gegenüber kurzfristigen (1-2 Jahrzehnte) Bodenkohlenstoffverlusten nach Landnutzungsänderungen, da die Oberbodenschichten ähnliche SOC-Vorräte aufweisen wie die unter natürlicher Vegetation, jedoch muss berücksichtigt werden, dass sie, insbesondere wenn sie entwässert sind, langfristig ein hohes C-Verlustpotenzial haben.
Unter Berücksichtigung der geringen SOC-Verluste in Uferbereichen nach Landnutzungsänderung und der Tatsache, dass das organische Material aufgrund anoxischer Bedingungen über einen langen Zeitraum unverändert erhalten bleibt, haben wir die Herkunftspools der SOM-Bestandteile und die Veränderung der SOM-Zusammensetzung nach Umwandlung von Wald in Plantagen bestimmt. Für die Untersuchung des zweiten Ziels verwendeten wir pflanzliche Lipide als molekulare Biomarker, die Einblicke in den vergangenen und gegenwärtigen SOC-Eintrag und dessen Abbaugrad im Boden geben können. Um zu untersuchen, ob Böden von Plantagen die rezente und/oder vergangene Vegetation widerspiegeln, verglichen wir Bodenlipide, die n-Alkane, Carbonsäuren, Alkohole und Ketone umfassen, in Streu-, Wurzel- und Bodenproben aus primärem Regenwald, Kautschuk- und Ölpalmenplantagen. Durch die Durchführung einer Indikator-Typen-Analyse fanden wir spezifische Substanzen (Biomarker), die einen einzelnen C-Pool in einem bestimmten Landnutzungstyp oder kleine Gruppen von C-Pools von den anderen C-Pools und Landnutzungstypen trennen. Diese Trennung war ein Indiz für höhere Abundanzen bestimmter Substanzen in bestimmten C-Pools und in einem bestimmten Landnutzungstyp. Wenn die Abundanzen zwischen dem Oberboden von Wäldern und dem Oberboden von Plantagen nicht signifikant waren, nahmen wir an, dass es immer noch einen Beitrag des C der vergangenen Vegetation zum aktuellen SOC-Pool in Plantagen gibt. In den Proben fanden wir sowohl pflanzliche als auch mikrobielle Stoffe, die auf einen Beitrag vergangener C-Pools hinweisen. Biomarker, die mikrobiellem Ursprung zugeordnet wurden, waren i15:0 und 18:2Ѡ6,2, während langkettige n-Alkane, wie C25 und C31 und n-Fettsäuren, wie 24:0, 27:0, 28:0 und 29:0, pflanzlichem Material zugeordnet wurden. Langkettige Fettsäuren, wie 24:0, weisen aufgrund ihrer langkettigen C-Verbindungen und der damit verbundenen hohen Resistenz gegenüber biologischem Abbau ähnliche Häufigkeiten zwischen Wäldern und Plantagen auf. Fettsäuren mit einer ungeraden Anzahl von C-Atomen, wie 27:0 und 29:0, sind eher Produkte der mikrobiellen Transformation von geradkettigen pflanzlichen Fettsäuren. Somit stellten wir fest, dass die Transformation von pflanzlichen Lipid- Zusammensetzungen durch Mikroorganismen eine Schlüsselrolle beim C-Umsatz im Boden spielt. Als weitere Indikatoren wurden die even-over-odd-predominance (OEP) des Alkanmusters und die even-over-odd-predominance (EOP) der n-Fettsäuren herangezogen, die auch auf einen hohen Anteil an noch untransformiertem pflanzlichen Ursprung des SOC hinweisen. Ähnliche Abundanzen der Hydroxyfettsäure 16-OH-16:0 wurden in allen Böden der drei Landnutzungstypen gefunden und konnte eindeutig der Waldstreu als wichtige C-Quelle zugeschrieben werden, die immer noch die C-Pools der Plantagen beeinflusst. Die Kombination mehrerer Biomarker, wie z. B. n- Alkane, n-Fettsäuren und Hydroxyfettsäuren, hilft, ein komplexes System von Wegen der SOC-Bildung im Boden zu aufzulösen. Nach dem Aufbau der Plantage beeinflussen weitere Faktoren den SOC-Abbau, da insbesondere in Ölpalmenplantagen üblicherweise Düngemittel und Herbizide zur Unkrautbekämpfung eingesetzt werden. Ausgehend davon wurde der Einfluss von Düngung (konventioneller und reduzierter NPK) und Unkrautbekämpfung (Herbizideinsatz oder die händische Unkrautbeseitigung) auf den SOC-Abbau in den Reihen zwischen den Palmen (engl. interrows) und um die Palmstämme (engl. weeding circles) untersucht. Dazu wurde dem Boden 14C-markierte Glukose zugesetzt, um die Reaktion der mikrobiellen Aktivität und der SOC-Mineralisierung während der 30-tägigen Inkubation zu analysieren. Die höchsten CO2-Emissionen wurden von den weeding circles (WC) gemessen, die mit dem konventionellen Düngungsniveau und Glyphosat behandelt wurden. Das hohe Düngungsniveau verursachte eine mikrobielle Aktivierung und destabilisierte den SOC durch sogenanntes Priming. In Kombination mit Glyphosat nahm die mikrobielle Aktivität weiter zu. Obwohl erwartet wurde, dass Glyphosat die mikrobielle Aktivität senkt, trat das Gegenteil ein und die mikrobielle Aktivität war unter dieser Behandlung am höchsten. Eine Erklärung dafür ist, dass NPK (Stickstoff, Phosphor, Kalium) einen größeren Anteil der Sorptionskapazitäten an den Bodenpartikeln einnimmt; daher ist Glyphosat immer noch verfügbar und kann als zusätzliche Quelle für C und möglicherweise N und P fungieren. Stattdessen verringern extensive Bewirtschaftungsmethoden (reduzierte Düngung + Glyphosat und händische Unkrautbeseitigung) die CO2-Emissionen und den SOC-Abbau, indem sie zu ausgeprägten negativen Priming-Effekten führten. Reduzierte Düngung und die Abwesenheit von Glyphosat führten zu dem stärksten negativen Priming (-47,9 µg g -1), was auf eine Verlangsamung des SOC-Abbaus hindeutet. Dieser verzögerte Abbau weist auf damit auf positive Effekte auf die C Akkumulation und Speicherung im Boden hin. In den interrows (IR) waren die Respirationsraten deutlich niedriger als in den WC, was durch die fehlende Düngung erklärt werden kann, die zu einem reduzierten Nährstoffangebot für Mikroorganismen führt. Normalerweise leiden Ölpalmenplantagen und insbesondere die ungedüngten IR aufgrund des fehlenden Eintrags von frischer Streu, geringer Wurzelbiomasse, geringer Rhizodeposition und hoher Nährstoffauswaschung unter Nährstoff- und C-Limitierung. Die Respirationsdaten deuten darauf hin, dass die C-Limitierung in IR bei allen Bewirtschaftungs-methoden stark ausgeprägt ist und die mikrobielle Aktivität in diesen Böden weitgehend einschränkt. Die C-Limitierung kann auf fehlenden organischen Input, z. B. Streu oder Unterholzvegetation, zurückgeführt werden, der auch die C-Sequestrierung im Boden beeinflusst.
Insgesamt stellt die Studie ein verbessertes Verständnis der SOC-Pools und -Flüsse, die von den spezifischen Landschaftseigenschaften der Uferbereiche nach der Umwandlung von Wald in Plantagen sowie während der Anwendung von Managementpraktiken beim Ölpalmenanbau beeinflusst werden, bereit. Sie unterstreicht die Anfälligkeit von Böden in Uferbereichen, die langfristig eine starke C-Quelle darstellen können, insbesondere wenn sie entwässert werden, da sie ein hohes SOC-Verlustpotenzial haben. Veränderungen in der molekularen Zusammensetzung von SOM nach Landnutzungsänderungen haben noch unbekannte Auswirkungen auf die Ökosystemfunktion von SOM und die Stabilität dieses C-Pools. Um weitere Auswirkungen auf den Boden zu reduzieren, sollte eine nachhaltige Bewirtschaftungspraxis bei landwirtschaftlicher Nutzung angewendet werden, wie zum Beispiel die Reduzierung der NPK Düngermittelmenge und die Reduzierung von Herbiziden. Unsere Ergebnisse unterstreichen das Risiko der Bewirtschaftungsintensivierung und die Notwendigkeit einer schonenden Bewirtschaftungsstrategie, um die Bodenfruchtbarkeit und die Funktion als C-Speicher zu erhalten. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es notwendig, den ober- und unterirdischen C-Eintrag zu gewährleisten, z.B. durch das Anhäufen von Ölpalmwedeln und das Ausbringen von leeren Fruchthülsen (engl. empty fruit bunches) als organischen Dünger und zur Unterstützung und Stabilisierung der Bodenqualität. | de |
| dc.description.abstracteng | Agricultural expansion is one of the most dominant drivers of deforestation word wide. The globally rising demand for cash crops such as oil palm and rubber, caused rapid agricultural expansion during the last decades, especially in South East Asia. Conversion of tropical rainforest to monocultural plantations are expected to lead to severe alterations in biogeochemical cycling and ecosystem functioning. This land-use change has major impacts on the global carbon (C) cycle as it reduces soil organic carbon (SOC) stocks, and increases carbon dioxide emissions (CO2). Additionally, increasing demand for cash crops favors the progressive conversion of less-well accessible landscape types, such as riparian areas. Riparian areas are especially sensitive to land-use change as they are mostly characterized by higher SOC stocks than well-drained areas and are habitats for a broad range of animals as well as plant species. It is therefore crucial to understand the changes in the SOC pool and SOC fluxes under the current land-use change to assess the impact on soil C cycling. The aim of this research project was therefore, to identify changes of SOC sources, i.e., soil organic matter (SOM) composition, its turnover and losses after riparian forest conversion to rubber and oil palm monocultures. The study was conducted in Sumatra, Indonesia, which is a hotspot of primary forest loss due to agricultural expansion. The first objective was to determine physical and chemical changes, especially SOC stock changes of riparian soils after land-use change and to compare them with SOC stock changes in well-drained areas. The second objective was to assess the contribution of past vegetation to the current SOC pool in forest and plantation soils and to find whether there is a change of SOM composition which indicates differences in SOM sources among the land use systems. With regard to urgently needed solutions to adapt to climate change, to maintain soil fertility, and the fact that the impact of intensive nitrogen (N) fertilization and herbicide application on the soil C cycle in these monocultures remains unknown, our last goal was to determine the effects of agricultural management practices on SOC decomposition and sequestration in oil palm plantations. For this purpose, a plantation with well-drained soil was selected, as greater generality can be derived from the results, since the majority of palm oil cultivation takes place on well-drained soils.
For studying the first objective, SOC stocks and δ13C values were determined to assess C stocks changes and SOC decomposition in four riparian forest, four riparian rubber and four riparian oil palm plantation sites and compared to the same number of well-drained sites. Average soil C stock losses from the top 30 cm were about 14% and 4% following conversion of riparian forest to rubber and oil palm plantations, respectively, indicating a high resistance of C to mineralization. C losses from well-drained areas were twice as high as from riparian areas after conversion. δ13C values from riparian areas showed a strong heterogeneity within the soil profile compared to well-drained profiles, indicating different degrees of decomposition of SOM. Well-drained soil profiles showed the expected pattern with lower values (-29‰) in the topsoil and an adjustment to higher values (- 26‰) in the subsoil indicating that SOC in the topsoil was more intensively decomposed than in the subsoil. In combination with the evaluation of groundwater tables (GWT) we concluded first, alternating oxic and anoxic conditions in riparian areas caused by fluctuations in GWT and periodical flooding and consequently alternating aerobic and anaerobic decomposition processes leading to reduced SOM and litter decomposition in riparian areas. Second, due to the heterogeneous δ13C depth profiles, especially after land-use change, we concluded input and accumulation of allochthonous organic materials with various decomposition degrees by mineral sediments and organic matter deposition. Based on these findings we postulated a riparian landscape specific effect countering the expected land-use effect on SOC stocks. These dynamics of seasonal flooding followed by delayed mineralization are reflected by the heterogeneous δ13C pattern. Compared to well-drained areas, riparian areas are more resilient to short-term (1-2 decades) soil C loss after land-use change, indicated by similar topsoil C stocks as under natural vegetation. However, it has to be considered that they have, especially if drained, a high C loss potential in the long-term.
Taking into account the minor loss in SOC stocks in riparian areas after land-use change, and that C is preserved over a long period of time due to anoxic conditions, we determined the pools of origin of SOM constituents and the change of SOM composition and its transformation after forest conversion to plantations. For studying the second objective, we used plant-derived lipids as molecular biomarkers that can provide insights into present and past SOC input and its degree of degradation within soil. To examine whether soils from plantations reflect recent and/or past vegetation, we compared soil lipids comprising n-alkanes, carboxylic acids, alcohols and ketons in litter, roots and soil samples from primary rainforest, rubber and oil palm plantations.
By performing an indicator species analysis, we found specific substances (biomarkers) separating a single C pool in a specific land-use type or small groups of C pools from the other C pools and land-use types. This separation was indicative for higher abundances of specific substances in specific C pools and in a specific land-use type. If the abundances between forest topsoil and plantation topsoil were not significant different, we assumed that there was still a contribution of past vegetation to the current SOC pool in plantations. We found both plant and microbial materials in the samples, indicating a contribution from past C pools. Biomarkers assigned to microbial origin were e.g., i15:0 and 18:2Ѡ6,2, while long-chain n-alkanes, such as C25 and C31 and n-fatty acids, such as 24:0, 27:0, 28:0 and 29:0 were attributed to plant material. Long-chain fatty acids, such as 24:0, showed similar abundances between forests and plantations, due to their long-chain C compounds and the associated high resistance to biodegradation. Odd-chain fatty acids like 27:0 and 29:0 are rather the products of microbial transformation of even-chain plant-derived fatty acids. Hence, we found that transformation of plant-derived lipid fingerprints by microorganisms plays a key role during C turnover in soil. Further indicators were used, such as the odd-over-even predominance (OEP) of the alkane pattern and even-over-odd predominance (EOP) of the n-fatty acids also point to a high proportion of still untransformed plant-derived SOC. Similar abundances of the hydroxy fatty acid 16-OH-16:0 were found in all soils of the three land-use types and could be clearly attributed to forest litter as an important C source still influencing plantations C pools. Combining multiple biomarkers, such as n-alkanes, n-fatty acids and hydroxy fatty acids helped to disentangle a complex system of pathways of SOC formation in soil.
After plantation establishment further factors influence SOC decomposition since especially oil palm plantations are commonly treated with fertilizer and herbicide for weed control. The impact of fertilization (conventional and reduced NPK) and weed control (herbicide application or mechanical weeding) on the SOC decomposition in the rows between the palms (interrows) and around the palm stems (weeding circles) was therefore studied for the third objective. 14C labelled glucose was added to soil to analyze the response of microbial activity and SOC mineralization during 30-day incubation. Highest CO2 emissions were measured from weeding circles (WC) treated with the conventional fertilization level and glyphosate. The high fertilization level caused microbial activation and destabilized SOC by priming. Although glyphosate was expected to lower the microbial activity, the opposite occurred and microbial activity was highest under this treatment. An explanation might be that NPK occupies a large share of sorption capacities on soil particles; hence, glyphosate is still available and can act as an additional source of C and possibly N and P to microorganisms. Instead, extensive management practices (reduced fertilization + glyphosate and mechanical weeding) decreased CO2 emissions and SOC decomposition by leading to pronounced negative priming effects. Reduced fertilization and the absence of glyphosate led to strongest negative priming (-47.9 µg C g -1), indicating a retardation of SOC decomposition. This suggests a retardation of SOC decomposition and therefore positive effects on C accumulation and storage. In interrows (IR), respiration rates were significantly lower than in the WC, which can be explained by the lack of fertilizer application leading to a reduced nutrient supply for microorganisms. Usually, oil palm plantations and especially non-fertilized IR, suffer from nutrient and C limitation because of the absence of fresh litter input, low root biomass, low rhizodeposition and high nutrient leaching. Respiration data suggest that C-limitation is strong in IR across all management practices and is largely restricting the microbial activity in these soils. C limitation can be attributed to missing organic input e.g., litterfall or understory vegetation, which also affects C sequestration in soil.
Overall, our study provides an enhanced understanding of SOC pools and fluxes affected by a) specific landscape properties of riparian areas after forest conversion to plantations and b) fertilization and herbicide management practices under oil palm cultivation. It emphasizes the vulnerability of soils in riparian areas potentially being a strong C source in the long-term, especially if drained, because they have a high SOC loss potential, but also shows a higher resilience of SOC stocks, if not drained. Changes in the molecular composition of SOM after land-use change have yet unknown implications for ecosystem function of SOM and the stability of this C pool. To reduce further impacts on soil a sustainable management practice should be applied under agricultural use. such as the reduction of NPK fertilizer and herbicide amendment. Our results emphasize the risk of management intensification and the need for a low-impact management strategy to maintain soil fertility and the function as a C reservoir. To reach this goal, it is necessary to ensure above- and belowground C input i.e., by frond piling or application of empty fruit bunches as organic fertilizers. | de |
| dc.contributor.coReferee | Scheu, Stefan Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | soil organic carbon, rainforest, oil palm, rubber, glyphosate, fatty acids, riparian areas, decomposition | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0008-59EC-B-0 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie | de |
| dc.subject.gokfull | Forstwirtschaft (PPN621305413) | de |
| dc.description.embargoed | 2022-01-20 | |
| dc.identifier.ppn | 1786028239 | |