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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 11 / Ökologische Agrarwissenschaften  → Boden- und Pflanzenbauwissenschaften  → Fachgebiet Umweltchemie  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2010062833611

Title: Effects of tillage on processes of organic matter sequestration
Authors: Jacobs, Anna
???metadata.dc.subject.swd???: Bodenbearbeitung
???metadata.dc.subject.ddc???: 550 - Geowissenschaften (Earth sciences)
Issue Date: 28-Jun-2010
Abstract: To increase the organic matter (OM) content in the soil is one main goal in arable soil management. The adoption of tillage systems with reduced tillage depth and/or frequency (reduced tillage) or of no-tillage was found to increase the concentration of soil OM compared to conventional tillage (CT; ploughing to 20-30 cm). However, the underlying processes are not yet clear and are discussed contradictorily. So far, few investigations were conducted on tillage systems with a shallow tillage depth (minimum tillage = MT; maximum tillage depth of 10 cm). A better understanding of the interactions between MT implementation and changes in OM transformation in soils is essential in order to evaluate the possible contribution of MT to a sustainable management of arable soils. The objectives of the present thesis were (i) to compare OM concentrations, microbial biomass, water-stable aggregates, and particulate OM (POM) between CT and MT soils, (ii) to estimate the temporal variability of water-stable aggregate size classes occurring in the field and the dynamics of macroaggregate (>250 µm) formation and disruption under controlled conditions, (iii) to investigate whether a lower disruption or a higher formation rate accounts for a higher occurrence of macroaggregates under MT compared to CT, (iv) to determine which fraction is the major agent for storing the surplus of OM found under MT compared to CT, and (v) to observe the early OM transformation after residue incorporation in different tillage systems simulated. Two experimental sites (Garte-Süd and Hohes Feld) near Göttingen, Germany, were investigated. Soil type of both sites was a Haplic Luvisol. Since about 40 years, both sites receive MT by a rotary harrow (to 5-8 cm depth) and CT by a plough (to 25 cm depth). Surface soils (0-5 cm) and subsoils (10-20 cm) of two sampling dates (after fallow and directly after tillage) were investigated for concentrations of organic C (Corg) and total N (N), different water-stable aggregate size classes, different density fractions (for the sampling date after fallow only), microbial biomass, and for biochemically stabilized Corg and N (by acid hydrolysis; for the sampling date after tillage only). In addition, two laboratory incubations were performed under controlled conditions: Firstly, MT and CT soils were incubated (28 days at 22°C) as bulk soil and with destroyed macroaggregates in order to estimate the importance of macroaggregates for the physical protection of the very labile OM against mineralization. Secondly, in a microcosm experiment simulating MT and CT systems with soil <250 µm and with 15N and 13C labelled maize straw incorporated to different depths, the mineralization, the formation of new macroaggregates, and the partitioning of the recently added C and N were followed (28 days at 15°C). Forty years of MT regime led to higher concentrations of microbial biomass and of Corg and N compared to CT, especially in the surface soil. After fallow and directly after tillage, a higher proportion of water-stable macroaggregates rich in OM was found in the MT (36% and 66%, respectively) than in the CT (19% and 47%, respectively) surface soils of both sites (data shown are of the site Garte-Süd only). The subsoils followed the same trend. For the sampling date after fallow, no differences in the POM fractions were found but there was more OM associated to the mineral fraction detected in the MT soils. A large temporal variability was observed for the abundance of macroaggregates. In the field and in the microcosm simulations, macroaggregates were found to have a higher formation rate after the incorporation of residues under MT than under CT. Thus, the lower occurrence of macroaggregates in CT soils cannot be attributed to a higher disruption but to a lower formation rate. A higher rate of macroaggregate formation in MT soils may be due to (i) the higher concentrated input of residues in the surface soil and/or (ii) a higher abundance of fungal biomass in contrast to CT soils. Overall, as a location of storage of the surplus of OM detected under MT compared to CT, water-stable macroaggregates were found to play a key role. In the incubation experiment, macroaggregates were not found to protect the very labile OM against mineralization. Anyway, the surplus of OM detected after tillage in the MT soil was biochemically degradable. MT simulations in the microcosm experiment showed a lower specific respiration and a less efficient translocation of recently added residues than the CT simulations. Differences in the early processes of OM translocation between CT and MT simulations were attributed to a higher residue to soil ratio and to a higher proportion of fungal biomass in the MT simulations. Overall, MT was found to have several beneficial effects on the soil structure and on the storage of OM, especially in the surface soil. Furthermore, it was concluded that the high concentration of residues in the surface soil of MT may alter the processes of storage and decomposition of OM. In further investigations, especially analysis of the residue-soil-interface and of effects of the depth of residue incorporation should be emphasised. Moreover, further evidence is needed on differences in the microbial community between CT and MT soils.Die Erhöhung der organischen Substanz (OS) in Böden ist ein Hauptziel des ackerbaulichen Bodenmanagements. Es wurde festgestellt, dass die Anwendung von Bodenbearbeitungs-Systemen mit einer reduzierten Bearbeitungstiefe und/oder -Frequenz (reduzierte Bearbeitung) oder von Direktsaat-Systemen die Konzentration von OS in Böden im Vergleich zu konventioneller Bearbeitung (KB; Pflug mit 20-30 cm Tiefe) erhöht. Die zu Grunde liegenden Prozesse sind jedoch nicht abschließend verstanden und werden kontrovers diskutiert. Bisher wurden nur wenige Untersuchungen von Bearbeitungssystemen mit einer flachen Bearbeitungstiefe (Minimal-Bearbeitung = MB; maximale Bearbeitungstiefe von 10 cm) durchgeführt. Ein besseres Verständnis der Interaktion von MB-Anwendung und Veränderungen von Prozessen der OS in Böden ist essentiell für die Bewertung eines möglichen Beitrages von MB zum nachhaltigen Management von Ackerböden. Die Ziele der vorliegenden Arbeit waren (i) die Konzentrationen und das Vorkommen von OS, mikrobieller Biomasse, wasserstabiler Aggregate und partikulärer OS (POS) zwischen KB- und MB-Böden zu vergleichen, (ii) die zeitliche Variabilität des Vorkommens von Größenklassen wasserstabiler Aggregate im Feld und die Dynamik von Bildung und Zerfall von Makroaggregaten (>250 µm) unter kontrollierten Bedingungen abzuschätzen, (iii) zu untersuchen, ob eine geringere Zerfalls- oder eine höhere Bildungsrate für das höhere Vorkommen von Makroaggregaten unter MB im Vergleich zu KB verantwortlich ist, (iv) zu bestimmen, in welcher Fraktion der Überschuss an OS, der unter MB im Vergleich zu KB gefunden wurde, hauptsächlich gespeichert wird und (v) die frühe Transformation der OS nach Einarbeitung von Strohresten in verschiedenen, simulierten Bearbeitungssystemen zu beobachten. Zwei Versuchsflächen (Garte-Süd und Hohes Feld) in der Nähe von Göttingen, Deutschland, wurden untersucht. Der Bodentyp beider Flächen war eine schluffige Parabraunerde. Seit etwa 40 Jahren erhalten beide Flächen eine MB durch eine Kreiselegge (5-8 cm Tiefe) und KB durch einen Pflug (bis 25 cm Tiefe). Oberboden (0‑5 cm) und Unterboden (10-20 cm) von zwei Beprobungsterminen (nach Brache und direkt nach der Bearbeitung) wurden auf Konzentrationen von organischem C (Corg) und Gesamt-N (N), verschiedene wasserstabile Aggregat-Größenklassen, verschiedene Dichtefraktionen (nur für den Beprobungstermin nach der Brache), mikrobielle Biomasse und auf biochemisch stabilisierten Corg und N (durch saure Hydrolyse; nur für den Beprobungstermin nach der Bearbeitung) untersucht. Zusätzlich wurden zwei Laborinkubationen unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt: Zum Einen wurden MB- und KB-Böden als ungestörter Boden und mit zerstörten Makroaggregaten inkubiert (28 Tage bei 22°C), um die Wichtigkeit von Makroaggregaten für den physikalischen Schutz der sehr labilen OS vor Mineralisierung abzuschätzen. Zum Anderen wurden in einem Mikrokosmen-Experiment, das MB- und KB-Systeme mit Boden <250 µm und mit 15N und 13C markiertem Maisstroh in verschiedenen Einarbeitungstiefen simulierte, die Mineralisierung, die Bildung neuer Makroaggregate und die Partitionierung von dem kürzlich zugefügten C und N verfolgt (28 Tage bei 15°C). Besonders im Oberboden führten 40 Jahre MB zu höheren Konzentrationen von mikrobieller Biomasse und von Corg und N im Vergleich zu KB. Nach Brache und direkt nach der Bearbeitung wurden höhere Anteile an OS-reichen wasserstabilen Makroaggregaten in den MB- (36 bzw. 66%) als in den KB- (19 bzw. 47%) Oberböden auf beiden Flächen gefunden (nur Daten der Fläche Garte-Süd genannt). Die Unterböden folgten dem gleichen Trend. Für den Beprobungstermin nach der Brache wurden keine Unterschiede in den POS-Fraktionen festgestellt, jedoch wurde mehr mineralisch-assoziierte OS in den MB-Böden gemessen. Eine hohe zeitliche Variabilität des Vorkommens von Makroaggregaten wurde beobachtet. Im Feld und in den Mikrokosmen-Simulationen wurde eine höhere Bildungsrate von Makroaggregaten nach Einarbeitung von Strohresten unter MB als unter KB festgestellt. Daher kann ein geringeres Vorkommen von Makroaggregaten in KB-Böden nicht einem höheren Zerfall, sondern einer geringeren Bildungsrate zugeschrieben werden. Eine höhere Bildungsrate von Makroaggregaten in MB-Böden dürfte durch (i) den höher konzentrierten Eintrag von Strohresten in den Oberboden und/oder (ii) ein höheres Vorkommen pilzlicher Biomasse im Vergleich zu KB-Böden begründet sein. Insgesamt wurde festgestellt, dass wasserstabile Makroaggregate eine Hauptrolle bei der Speicherung des gemessenen Überschusses an OS in MB- im Vergleich zu KB-Böden spielen. Im Inkubationsversuch wurde nicht festgestellt, dass Makroaggregate die sehr labile OS vor Mineralisierung schützen. Dennoch war der Überschuss an OS, der in MB-Böden nach der Bearbeitung gemessen wurde, biochemisch abbaubar. Die MB-Simulationen des Mikrokosmenexperiments zeigten eine niedrigere spezifische Respiration und eine weniger effiziente Translokation des kürzlich zugefügten Strohs als die KB-Simulationen. Unterschiede in den frühen Prozessen der OS-Translokation zwischen KB- und MB-Simulationen wurden zurückgeführt auf das höhere Verhältnis von Stroh zu Boden und auf ein höheres Vorkommen von pilzlicher Biomasse in den MB-Simulationen. Insgesamt wurde festgestellt, dass MB mehrere vorteilhafte Effekte auf die Bodenstruktur und auf die Speicherung von OS insbesondere im Oberboden hat. Des Weiteren wurde gefolgert, dass die hohe Konzentration von Strohresten im MB-Oberboden die Prozesse von Speicherung und Abbau von OS ändern kann. In weiteren Untersuchungen sollten besonders Analysen der Stroh-Boden-Grenzfläche und Effekte der Einarbeitungstiefe von Strohresten berücksichtigt werden. Darüber hinaus sind weitere Nachweise von Unterschieden in der mikrobiellen Gemeinschaft zwischen KB- und MB-Böden nötig.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2010062833611
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