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Title: Composition and stability of organic matter fractions in soils under different land use regimes
Authors: Helfrich, Mirjam
???metadata.dc.subject.ddc???: 630 - Landwirtschaft, Veterinärmedizin (Agriculture)
Issue Date: 16-May-2007
Abstract: Soil organic matter (SOM) vitally impacts all soil functions and plays a key role in the global carbon (C) cycle. More than 70% of the terrestric C stocks that participate in the active C cycle are stored in the soil. Therefore, quantitative knowledge of the rates of C incorporation into SOM fractions of different residence time is crucial to understand and predict the sequestration and stabilization of soil organic carbon (SOC). Consequently, there is a need of fractionation procedures that are capable of isolating functionally SOM fractions, i.e. fractions that are defined by their stability. The literature generally refers to three main mechanisms of SOM stabilization: protection of SOM from decomposition by (i) its structural composition, i.e. recalcitrance, (ii) spatial inaccessibility and/or (iii) interaction with soil minerals and metal ions. One of the difficulties in developing fractionation procedures for the isolation of functional SOM fractions is the marked heterogeneity of the soil environment with its various stabilization mechanisms – often several mechanisms operating simultaneously – in soils and soil horizons of different texture and mineralogy. The overall objective of the present thesis was to evaluate present fractionation techniques and to get a better understanding of the factors of SOM sequestration and stabilization. The first part of this study is attended to the structural composition of SOM. Using 13C cross-polarization magic-angle spinning (CPMAS) nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, (i) the effect of land use on SOM composition was investigated and (ii) examined whether SOM composition contributes to the different stability of SOM in density and aggregate fractions. The second part of the present work deals with the mineral-associated SOM fraction. The aim was (iii) to evaluate the suitability of chemical fractionation procedures used in the literature for the isolation of stable SOM pools (stepwise hydrolysis, treatments using oxidizing agents like Na2S2O8, H2O2, and NaOCl as well as demineralization of the residue obtained by the NaOCl treatment using HF (NaOCl+HF)) by pool sizes, 13C and 14C data. Further, (iv) the isolated SOM fractions were compared to the inert organic matter (IOM) pool obtained for the investigated soils using the Rothamsted Carbon Model and isotope data in order to see whether the tested chemical fractionation methods produce SOM fractions capable to represent this pool. Besides chemical fractionation, (v) the suitability of thermal oxidation at different temperatures for obtaining stable SOC pools was evaluated. Finally, (vi) the short-term aggregate dynamics and the factors that impact macroaggregate formation and C stabilization were investigated by means of an incubation study using treatments with and without application of 15N labeled maize straw of different degradability (leaves and coarse roots). All treatments were conducted with and without the addition of fungicide. Two study sites with different soil properties and land managements were chosen for these investigations. The first one, located at Rotthalmünster, is a Stagnic Luvisol (silty loam) under different land use regimes. The Ah horizons of a spruce forest and continuous grassland and the Ap and E horizons of two plots with arable crops (continuous maize and wheat cropping) were examined. The soil of the second study site, located at Halle, is a Haplic Phaeozem (loamy sand) where the Ap horizons of two plots with arable crops (continuous maize and rye cropping) were investigated. Both study sites had a C3-/C4-vegetational change on the maize plot for the purpose of tracing the incorporation of the younger, maize-derived C into different SOM fractions and the calculation of apparent C turnover times of these. The Halle site is located near a train station and industrial areas, which caused a contamination with high amounts of fossil C. The investigation of aggregate and density fractions by 13C CPMAS NMR spectroscopy revealed that density fractionation isolated SOM fractions of different composition. The consumption of a considerable part (10–20%) of the easily available O-alkyl-C and the selective preservation of the more recalcitrant alkyl-C when passing from litter to the different particulate organic matter (POM) fractions suggest that density fractionation was able to isolate SOM fractions with different degrees of decomposition. The spectra of the aggregate fractions resembled those of the mineral-associated SOM fraction obtained by density fractionation and no considerable differences were observed between aggregate size classes. Comparison of plant litter, density and aggregate size fractions from soil under different land use showed that the type of land use markedly influenced the composition of SOM. While SOM of the acid forest soil was characterized by a large content (> 50%) of POM, which contained high amounts of spruce-litter derived alkyl-C, the organic matter in the biologically more active grassland and arable soils was dominated by mineral-associated SOM (> 95%). This SOM fraction comprised greater proportions of aryl- and carbonyl-C and is considered to contain a higher amount of microbially-derived organic substances. Land use can alter both, structure and stability of SOM fractions. All applied chemical treatments induced considerable SOC losses (> 70–95% of mineral-associated SOM) in the investigated soils. The proportion of residual C after chemical fractionation was largest in the arable Ap and E horizons and increased with decreasing C content in the initial SOC after stepwise hydrolysis as well as after the oxidative treatments with H2O2 and Na2S2O8. This can be expected for a functional stable pool of SOM, because it is assumed that the more easily available part of SOC is consumed first if C inputs decrease. All chemical treatments led to a preferential loss of the younger, maize-derived SOC, but this was most pronounced after the treatments with Na2S2O8 and H2O2. After all chemical fractionations, the mean 14C ages of SOC were higher than in the mineral-associated SOM fraction for both study sites and increased in the order: NaOCl < NaOCl+HF ≤ stepwise hydrolysis << H2O2 ≈ Na2S2O8. The results suggest that all treatments were capable of isolating a more stable SOM fraction, but the treatments with H2O2 and Na2S2O8 were the most efficient ones. However, none of the chemical fractionation methods was able to fit the IOM pool calculated using the Rothamsted Carbon Model and isotope data. In the evaluation of thermal oxidation for obtaining stable C fractions, SOC losses increased with temperature from 24–48% (200°C) to 100% (500°C). In the Halle maize Ap horizon, losses of the young, maize-derived C were considerably higher than losses of the older C3-derived C, leading to an increase in the apparent C turnover time from 220 years in mineral-associated SOC to 1158 years after thermal oxidation at 300°C. Most likely, the preferential loss of maize-derived C in the Halle soil was caused by the presence of the high amounts of fossil C mentioned above, which make up a relatively large thermally stable C3-C pool in this soil. This agrees with lower overall SOC losses for the Halle Ap horizon compared to the Rotthalmünster Ap horizon. In the Rotthalmünster soil only slightly more maize-derived than C3-derived SOC was removed by thermal oxidation. Apparent C turnover times increased slightly from 58 years in mineral-associated SOC to 77 years after thermal oxidation at 300°C in the Rotthalmünster Ap and from 151 to 247 years in the Rotthalmünster E horizon. This led to the conclusion that thermal oxidation of SOM was not capable of isolating SOM fractions of considerably higher stability. The incubation experiment showed that macroaggregates develop rapidly after the addition of easily available plant residues. Within the first four weeks of incubation, the maximum aggregation was reached in all treatments without addition of fungicide. The formation of water-stable macroaggregates was related to the size of the microbial biomass pool and its activity. Furthermore, fungi were found to be crucial for the development of soil macroaggregates as the formation of water-stable macroaggregates was significantly delayed in the fungicide treated soils. The C concentration in the obtained aggregate fractions decreased with decreasing aggregate size class, which is in line with the aggregate hierarchy postulated by several authors for soils with SOM as the major binding agent. Macroaggregation involved incorporation of large amounts maize-derived organic matter, but macroaggregates did not play the most important role in the stabilization of maize-derived SOM, because of their relatively low amount (less than 10% of the soil mass). Furthermore, the maize-derived organic matter was quickly incorporated into all aggregate size classes. The microaggregate fraction stored the largest quantities of maize-derived C and N – up to 70% of the residual maize-C and -N were stored in this fraction.Die organische Bodensubstanz hat einen entscheidenden Einfluss auf alle Bodenfunktionen und spielt eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Mehr als 70% der terrestrischen Kohlenstoffvorräte, die am aktiven Kohlenstoffkreislauf teilnehmen, sind im Boden gespeichert. Deshalb ist es wichtig, ein quantitatives Verständnis bezüglich der Größenordnung von Kohlenstoffeinträgen in Fraktionen der organischen Bodensubstanz unter-schiedlicher Verweilzeit zu erlangen, um die Sequestrierung und Stabilisierung organischen Kohlenstoffes im Boden verstehen und vorhersagen zu können. Dementsprechend werden spezielle Fraktionierungsverfahren benötigt, welche es ermöglichen, funktionelle Fraktionen der organischen Bodensubstanz zu isolieren, d.h. Fraktionen, die über ihre Stabilität definiert sind. Im Allgemeinen werden in der Literatur drei Haupt-Stabilisierungsmechanismen beschrieben: Schutz der organischen Bodensubstanz vor Abbau durch (i) ihre strukturelle Zusammensetzung, d.h. Rekalzitranz, (ii) räumliche Unzugänglichkeit und/oder (iii) Wechselwirkung mit der Mineralphase oder Metall-Ionen. Ein Problem, welches bei der Entwicklung von Fraktionierungsverfahren zur Isolierung funktioneller Fraktionen der organischen Bodensubstanz auftritt, ist die Heterogenität des Bodens mit einer Vielzahl an Stabilisierungsmechanismen, welche in Böden und Bodenhorizonten unterschiedlicher Textur und Mineralogie vorkommen – oft sind es mehrere zur gleichen Zeit. Das übergreifende Ziel dieser Arbeit war es, vorhandene Fraktionierungsverfahren zu testen und ein besseres Verständnis der Faktoren die die Verteilung und Stabilisierung organischer Bodensubstanz beeinflussen, zu erarbeiten. Der erste Teil der vorliegenden Studie beschäftigt sich mit der strukturellen Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz. Mittels 13C CPMAS NMR Spektroskopie wurde (i) der Einfluss der Landnutzung auf die Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz untersucht und (ii) geprüft, ob diese zu den unterschiedlichen Stabilitäten der organischen Bodensubstanz in Dichte- und Aggregatfraktionen beiträgt. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der mineral-assoziierten Fraktion der organischen Bodensubstanz. Das Ziel war es (iii), die Eignung von in der Literatur verwendeten chemischen Fraktionierungsverfahren zur Isolierung stabiler Pools der organischen Bodensubstanz anhand von Pool-Größen sowie 13C und 14C Daten zu testen (schrittweise Hydrolyse, Verfahren mit oxidierenden Mitteln wie Na2S2O8, H2O2 und NaOCl, sowie Demineralisierung des Residuums der NaOCl-Behandlung mittels Fluss-Säure (NaOCl+HF)). Die isolierten Fraktionen der organischen Bodensubstanz wurden (iv) mit dem Pool an inerter organischer Substanz verglichen, welcher mit dem Rothamsted Carbon Modell und Isotopendaten für die untersuchten Böden ermittelt wurde. Ziel des Vergleiches war, herauszufinden, ob die mittels der getesteten Verfahren erhaltenen Fraktionen sich dazu eignen, diesen Pool zu repräsentieren. Neben der chemischen Fraktionierung wurde die Eignung (v) der thermischen Oxidation zum Erhalt stabiler Pools der organischen Bodensubstanz getestet. Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit wurden mittels einer Inkubationsstudie mit und ohne Zugabe von 15N-markierter Maisstreu unter-schiedlich guter Zersetzbarkeit (Blätter und Grobwurzeln) mit und ohne Zugabe eines Fungizides (vi) die kurzfristige Aggregatdynamik und die Faktoren, welche die Makroaggregatbildung und Kohlenstoff-Stabilisierung beeinflussen, untersucht. Für die Analysen wurden zwei Untersuchungsgebiete mit unterschiedlichen Bodeneigenschaften und Landnutzungen für die Analysen ausgewählt. Bei dem ersten, in Rotthalmünster, handelt es sich um eine pseudovergleyte Parabraunerde (schluffiger Lehm) mit unterschiedlichen Landnutzungsarten. Für die Analysen wurden die Ah Horizonte eines Fichtenforstes und eines Dauergrünlandes, sowie der Ap und E Horizont von zwei Standorten mit Ackerkulturen (Mais- und Weizenanbau) herangezogen. Das zweite Untersuchungsgebiet befindet sich in Halle („Ewiger Roggen“). Es handelt sich hier um eine degradierte Schwarzerde (lehmiger Sand), von dem die Ap Horizonte zweier Plots mit Ackerkulturen (Mais- und Roggenanbau) beprobt wurden. Bei beiden Untersuchungsgebieten hat ein C3-/C4-Vegetationswechsel auf der Maisfläche stattgefunden. Dieser Wechsel ermöglicht es, den Einbau jungen, maisbürtigen Kohlenstoffes in unterschiedliche Fraktionen der organischen Bodensubstanz zu verfolgen und deren Umsatzraten zu errechnen. Nahe dem Untersuchungsgebiet in Halle befinden sich ein Bahnhof und Industriegebiete, wodurch dieser Boden mit hohen Gehalten an fossilem Kohlenstoff belastet ist. Die Erforschung von Aggregat- und Dichtefraktionen mittels 13C CPMAS NMR Spektroskopie zeigte, dass die Dichtefraktionierung es ermöglichte, Fraktionen der organischen Bodensubstanz unterschiedlicher Zusammensetzung zu isolieren. Die Abnahme des leicht verfügbaren O-Alkyl-Kohlenstoffes um einen beachtlichen Teil (10–20%) und die selektive Anreicherung des abbau-resistenteren Alkyl-Kohlenstoffes beim Übergang von Streu zu den einzelnen Fraktionen partikulärer organischer Substanz, weisen darauf hin, dass die Dichtefraktionierung Fraktionen unterschiedlicher Zersetzungsstadien isoliert hat. Die Spektren der Aggregatfraktionen ähnelten in ihrer Zusammensetzung denen der mittels Dichtefraktionierung gewonnenen mineral-assoziierten Fraktion und es gab keine deutlichen Unterschiede zwischen den einzelnen Aggregat-Größenklassen. Der Vergleich von Pflanzenstreu, Dichte- und Aggregatfraktionen aus Böden unterschiedlicher Landnutzung zeigte, dass der Landnutzungstyp einen starken Einfluss auf die Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz hat. Während die organische Bodensubstanz im sauren Waldboden einen hohen Anteil (> 50%) an partikulärem organischen Material aufwies, welches große Mengen an fichtenstreubürtigem Alkyl-C enthielt, wurde die organische Bodensubstanz der biologisch aktiveren Grünland- und Ackerböden von mineral-assoziierter organischer Bodensubstanz dominiert (> 95%), welche höhere Anteile an aromatischem und Carbonyl-C barg und vermutlich mehr mikrobiell entstandene organische Substanzen beinhaltete. Folglich kann durch die Landnutzung beides, die Struktur und die Stabilität von Fraktionen der organischen Bodensubstanz beeinflusst werden. Die chemische Fraktionierung mineral-assoziierter organischer Bodensubstanz führte zu beachtlichen Verlusten organischen Kohlenstoffes (> 70–95%) bei allen angewendeten Verfahren und untersuchten Böden. Der Anteil an residualem Kohlenstoff war im Falle der schrittweisen Hydrolyse, sowie der oxidativen Behandlung mit H2O2 und Na2S2O8 am höchsten in den Ober- und Unterböden der Ackerstandorte und stieg mit sinkendem Ausgangskohlenstoffgehalt der Böden. Dies spricht für den Erhalt eines funktionellen stabilen Pools der organischen Bodensubstanz, da angenommen wird, dass die leichter verfügbaren Kohlenstoffanteile bei reduzierten Kohlenstoffeinträgen zuerst konsumiert werden. Alle chemischen Fraktionierungsverfahren entfernten präferentiell den jungen, maisbürtigen Kohlenstoff, aber am ausgeprägtesten war dies bei den Na2S2O8- und H2O2-Behandlungen zu beobachten. Das mittlere 14C Alter des Bodenkohlenstoffes war in beiden untersuchten Standorten nach allen angewandten chemischen Fraktionierungsverfahren höher als zuvor und stieg in folgender Reihenfolge an: NaOCl < NaOCl+HF < schrittweise Hydrolyse << H2O2 ≈ Na2S2O8. Die Ergebnisse zeigen, dass alle Verfahren eine stabilere Fraktion der organischen Bodensubstanz isolieren konnten. Am besten geeignet schienen jedoch die oxidativen Verfahren mit H2O2 und Na2S2O8. Allerdings stimmte keine der residualen Kohlenstofffraktionen mit dem mittels Rothamsted Carbon Modell und Isotopendaten für die Flächen errechneten inerten Pool der organischen Substanz überein. Bei der Evaluierung der thermischen Oxidation als Verfahren zum Erhalt stabiler Kohlenstofffraktionen stiegen die Kohlenstoffverluste mit der Temperatur von 24–48% bei 200°C auf 100% bei 500°C an. Im Ap Horizont des Maisbodens in Halle gab es einen deutlich stärkeren Verlust von jungem Maiskohlenstoff im Vergleich zum älteren, C3-bürtigen Kohlenstoff, was zu einem Anstieg der C Umsatzzeit von 220 Jahren in der mineral-assoziierten Kohlenstofffraktion auf 1158 Jahre nach thermischer Oxidation bei 300°C führte. Höchstwahrscheinlich wurde dieser präferentielle Verlust an maisbürtigem Kohlenstoff jedoch durch die hohen Mengen fossilen Kohlenstoffes verursacht, welcher einen relativ großen, thermisch stabilen C3-Kohlenstoff-Pool in diesem Boden stellt. Dies stimmt auch mit den insgesamt geringeren Verlusten an Kohlenstoff im Halle Boden gegenüber dem Rotthalmünster Ap Horizont überein. Im Rotthalmünster Boden wurde durch die thermische Oxidation nur geringfügig mehr maisbürtiger Kohlenstoff im Vergleich zum C3-bürtigem Kohlenstoff entfernt. Im Ap Horizont stieg die C Umsatzzeit lediglich von 58 Jahren in der mineral-assoziierten Bodenkohlenstofffraktion auf 77 Jahre nach thermischer Oxidation bei 300°C an und im E Horizont von 151 auf 247 Jahre. Das führte zu der Schlussfolgerung, dass es nicht möglich war, mittels thermischer Oxidation Fraktionen der organischen Bodensubstanz von erheblich größerer Stabilität zu isolieren. Das Inkubationsexperiment zeigte auf, dass die Entwicklung von Makroaggregaten nach Zugabe leicht verfügbarer Pflanzenreste sehr schnell erfolgt. Binnen der ersten vier Wochen der Inkubation wurde die maximale Aggregierung in allen Varianten ohne Fungizid-Zugabe erreicht. Die Bildung wasserstabiler Makroaggregate war eng mit der Größe des Pools der mikrobiellen Biomasse und deren Aktivität verbunden. Auch der starke Einfluss der Pilze auf die Makroaggregierung wurde deutlich, da sich die Bildung wasserstabiler Makroaggregate in den Varianten mit Fungizid-Zugabe signifikant verzögerte. Die Kohlenstoffkonzentration in den erhaltenen Aggregatfraktionen sank mit abnehmender Aggregatgröße, was mit der von mehreren Autoren postulierten Theorie der Aggregathierarchie für Böden, in denen die Aggregierung hauptsächlich biotisch gesteuert ist, übereinstimmt. Die Makroaggregierung ging mit der Einbindung großer Mengen maisbürtiger organischer Substanz einher, aber aufgrund der geringen Menge an Makroaggregaten (weniger als 10% des Bodens) spielten diese nicht die wichtigste Rolle in der Stabilisierung maisbürtiger organischer Bodensubstanz. Außerdem wurde die maisbürtige organische Substanz schnell in alle Aggregatgrößenklassen eingebunden. Die Mikroaggregatfraktion barg die größten Mengen an maisbürtigem C und N – bis zu 70% des noch vorhandenen maisbürtigen C und -N waren in dieser Fraktion gespeichert.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2007051618236
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