The synergistic effect of biotic and abiotic weathering processes of microplastics (MPs) and how they affect soil chemistry needs further investigation. In the absence of light, hydrolysis is expected to play a major role in MPs weathering overall, while chemical weathering by organic acids (citrate, malate, oxalate etc.) is expected in the rhizosphere where the accumulation of MPs also occurs.
To address how weathering processes alter microplastic and modify soil properties, 6 types of conventional and biodegradable MPs (PA, PE, PET, PS, PBAT, and PLA), ~200 µm in size, either as (1) virgin and weathered by (2) UV radiation & ozonation, pre-treated (3) hydrolytically and (4) enzymatically or (5) composted plastic, will be mixed in a 1:1 ratio with soil, with or without vegetation. The recovery of weathered MPS will be ensured by a system of buried, stainless-steel mesh bags (0.5 mm mesh), allowing for the free movement of water, nutrients, microorganisms and the development of the rhizosphere for up to 2 years. Triplicates of each plastic type under a given treatment will be sampled at 4 timepoints over the 2 years, 360 samples in total. The plastic weathering will be evaluated by measuring zeta-potentials (Zeta-Sizer) and surface changes (AFM). Soil properties such as pH value, sorption properties and nutrient storage capacity on these surfaces will be monitored to determine to which extent the MPs type and their subsequent weathering influences the soil chemistry. I will present the characterization of pristine, pre-weathered plastics, and the results of their 3-month long incubation with and without rhizosphere at the Uni Bayreuth Botanical Garden, using the above-mentioned methods.
Microplastics (MP) are serious contaminants of arable soils, mostly introduced by agricultural practices or unintentional dispersal. The impacts of MP on physical, chemical, and microbial processes in soils are central to derive potential consequences on crop production and still require in-depth examination. Root-associated microorganisms are essential for providing nutrients to plants and maintaining crop health. In this study, we aim to investigate the effects of different MP types on the rhizosphere microbial communities of two agriculturally relevant crops. In a controlled greenhouse pot experiment, maize (Zea mays) and strawberries (Fragaria × ananassa) were cultivated in MP-contaminated soils over a three-month period. These plants were exposed to conventional petroleum-based (low-density polyethylene, LDPE; polyethylene terephthalate, PET; polystyrene, PS) and biodegradable (poly(butylene adipate-co-terephthalate), PBAT) MP at an environmentally relevant concentration (1% w/w). At the end of the incubation period, plant growth and soil fertility parameters were determined. In our ongoing work, impacts of MP amendment on microbial community composition are elucidated by state-of-the-art 16S rRNA and ITS metabarcoding. Further, as a proxy for soil health, the activity of selected extracellular enzymes is assessed with fluorometric 4-methylumbelliferyl (MUF)-based enzyme assays to detect changes in nutrient cycling. This study will help to better understand the behavior of MP in the rhizosphere of crop plants and the potential implications for agroecosystems.
Microplastic particles are ubiquitous in soils, and can be found from the topsoil down to the subsoil. However, their vertical transport and distribution patterns are not fully understood. In particular, precipitation intensity, preferential flow and bioturbation are considered to play an important role for their vertical translocation. Time-consuming microplastic analyses and the lack of standard protocols to quantify microplastic particles are current challenges to the community, especially when working with environmental samples.
To gain a better understanding of the vertical translocation via leaching, we irrigated soil columns in a laboratory experiment. In the upper 2 cm of the column, fluorescent microplastics were added. After the irrigation experiment, the soil columns were frozen and subsequently cut in 2 cm slices. After preparing an unaffected surface of each soil slice, we took picture under UV-lights with different filters and wavelengths. Subsequently, we processed these images with the MP-VAT software for microplastic detection to analyse the vertical transport of the MP particles through the soil column. This approach was applied to columns with different soils and sediments, polymers and irrigation rates to test the reliability of the method and decipher the transport mechanisms. Due to possible autofluorescence of soil organic matter, which complicates the detection of fluorescent microplastic particles, the approach proved most accurate with disturbed soils with low organic contents.
Plastic input to the terrestrial environment is of global concern and the still increasing production and release worldwide reinforces this problem. It has been shown that microplastics (MPs) can affect soil structure and soil organisms, possibly leading to an increase in soil carbon turnover, microbial activity and resulting CO2 emissions. Yet, the response of soil CO2 emissions to various types, quantities, and sizes of microplastic is not well understood. The aim of this work was to investigate the effect of conventional and biodegradable microplastics on soil microbial biomass, bacterial community composition and CO2 development. Two types of plastics, LDPE (low-density polyethylene) and PBAT (polybutylene adipate-co-terephthalate), at low (0.1 %) and high (1 %) concentrations and in three different size ranges (50–200 μm, 200–500 μm, and 0.63–1.2 mm) were amended to a sandy loam and a loamy soil and CO2 emissions were measured over four weeks. Afterwards, microbial biomass and growth were estimated, and prokaryotic community shifts were inferred by amplicon sequencing. No effect of LDPE on soil CO2 emissions could be detected, but higher CO2 emissions (13–57 %), microbial biomass (1–7 %), and a shift in community composition was induced by addition of the biodegradable PBAT when added at high concentration. Soil CO2 emissions were 10–13 % greater when small PBAT particles were added compared to large ones. PBAT addition at low concentration had no significant effect independent of its size. Overall, the effect of PBAT addition on soil CO2 emissions was larger in sandy loam than in loam. Several bacterial lineages known to degrade polyesters and other biodegradable MPs, such as members of the Caulobacteraceae and Comamonadaceae were found enriched after PBAT amendment, but effects were soil specific. We conclude that direct impacts of plastic on soil properties are not the main reason for increased soil CO2 emissions, but rather relate to the different recalcitrance of polymer types. Soils contaminated with biodegradable plastic may emit larger amounts of CO2, which needs to be considered in predictions of global impacts of plastic pollution and its mitigation.
Die Plastikverschmutzung ist eine allgegenwärtige Bedrohung für Mensch und Umwelt. Aus unterschiedlichen Quellen werden Kunststoffe, beabsichtigt oder unbeabsichtigt, über zahlreiche Wege in die Umwelt freigesetzt [1]. Landwirtschaftliche Böden können als Endlager für diese Plastikverschmutzung fungieren, mit potentiell negativen Auswirkungen auf die Bodenbeschaffenheit [2]. Als Hauptquellen für den Mikroplastikeintrag in die Agrarlandschaft vermutet man die Ausbringung von Klärschlamm und Kompost sowie die Fragmentierung von Makroplastik aus z.B. Littering oder Folienanbau [3]. Um eine Verschmutzung durch Mikroplastik auf landwirtschaftlichen Feldern zu verhindern, ist es wichtig, Quellen und deren zu erwartenden Mikroplastikgehalt zu kennen. In dieser Studie haben wir den Mikroplastikgehalt von sieben verschiedenen organischen Düngemitteln (Bioabfall-Kompost, Gärrest-Schweinegülle, Klärschlamm-Kompost, Hühnertrockenkot, Grünschnitt-Kompost, gemischter Gärrest aus Schweinegülle, Hühnermist und 74% NaWaRo, Klärschlamm) und Stroh als organischer Vergleichsprobe untersucht.
Die Probennahme erfolgte nach LAGA PN 98. Die organischen Düngerproben wurden einer aufwendigen Probenbehandlung, bestehend aus Gefriertrocknung, Entfernung der organischen und anorganischen Probenmatrix in mehreren Behandlungsstufen, unterzogen. Die Identifizierung der Partikel erfolgte mittels FPA-FTIR (Lumos II, Bruker). Zudem wurden die Oberflächen der Haufwerke auf sichtbare Plastikteile abgesucht. Dabei konnte in Gärrest aus Schweinegülle und dem gemischten Gärrest keine potenziellen Plastikteile festgestellt werden. Die sichtbaren Plastikbestandteile wurden gereinigt, gewogen, vermessen und mittels ATR-FTIR (Tensor 27, Bruker) identifiziert.
Referenzen:
[1]. Schell T., Rico A., Vighi M. (2020). Occurrence, Fate and Fluxes of Plastics and Microplastics in Terrestrial and Freshwater Ecosystems. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology, Volume 250: 1-43.
[2] Boots, B., Russell, C. W., Green, D. S. (2019). Effects of Microplastics in Soil Ecosystems: Above and Below Ground. Environmental science & technology 53/19, 11496–11506.
[3] Bläsing, M., Amelung, W. (2018). Plastics in soil: Analytical methods and possible sources. The Science of the total environment 612, 422–435.
In the past, large amounts of plastic particles have been found in compost, which is an entry pathway for plastics into soil. These particles often originate from the improper disposal of plastics in organic waste. A so far little-noticed input pathway of plastic in compost are product stickers made of conventional plastic. These fruit or vegetable stickers remain in the organic material despite sorting processes in the composting plant. However, little is known about the effects of industrial composting processes on the surface, structure, and microbial colonisation of these stickers.
The aim of this study was i) to investigate whether an industrial composting process leads to surface and structural changes of stickers, ii) to see after what time changes as well as microbial colonisation occur, and iii) to check whether smaller plastic pieces form and detach from the stickers during composting.
For this purpose, fruit stickers made of polypropylene were placed on banana peels in an industrial composting plant. The stickers were sampled after pre-rotting (11 days) and main rotting (25 days) and compared with non-composted stickers (control). After a preparation, which ensured the preservation of the microbial structure on the surface, the stickers were analysed by scanning electron microscopy (SEM), environmental scanning electron microscopy (ESEM), micro- and nano-computed tomography (CT).
After industrial composting, all stickers showed signs of surface changes and degradation in the form of cracks, irregularities, and microbial colonisation on both the front and the back. Microbial growth was visible from day 11. Structural changes were observed from day 25, with large adhesions penetrating the surface of the sticker. In addition, some stickers showed signs of delamination after 25 days of composting, indicating the formation of smaller plastic particles.
Based on this study, future research is needed to assess the role of microorganisms in the decomposition of fruit stickers and to quantify the formation and release of smaller plastic pieces from different fruit stickers under different composting conditions.
In den letzten Jahren hat sich die Forschung zum Vorkommen und den Effekten von Plastik in der Umwelt verstärkt. Im Boden ist aufgrund eines hohen organischen Hintergrunds die erforderliche Analytik zu diesem Thema mit vielen Schwierigkeiten verbunden. Um die Mobilität von Nanoplastik im Boden abzuschätzen, müssen daher Modellpartikel eingesetzt werden. Die Analytik dieser Partikel im Boden und Porenwasser wird durch eine Dotierung mit Metallen vereinfacht. Hierfür eignen sich im Boden selten vorkommende Elemente wie Palladium (Pd) oder Silber (Ag). Wir folgten Mitrano et al.(1) und synthetisierten Polystyrol-Partikel (PS-P) im Größenbereich bis 300 nm mit Ag-Nanopartikel-Kern als Tracer. Die Synthese nutzt das gründlich charakterisierte Referenz-Ag-Nanomaterial NM-300K(2) als Ausgangstoff. Braconnot et al.(3) folgend wurde das NM-300K mit Polystyrol beschichtet, um die Freisetzung von Ag zu verhindern und zudem sicherzustellen, dass die Oberflächeneigenschaften dem Grundstoff Polystyrol entsprechen. Dies ist zwingend notwendig, um Mobilität und Wirkung von PS-P in der Umwelt zu untersuchen. Für die Synthese vermeiden wir alle unnötigen Komponenten, die bei den Untersuchungen des Verbleibs im Boden stören könnten. Es wurden daher ausschließlich NM-300K, gereinigtes Styrol und Divinylbenzol, sowie K2S2O8 verwendet, um Effekte durch Additive, Stabilisatoren oder Reste von Reduktionsmitteln auszuschließen. Die Ag-dotierten PS-Partikel wurden dialysiert und anschließend charakterisiert (DLS & ELS), sowie elektronenmikroskopisch untersucht (REM & EDX). Der Ag-Gehalt der Partikel, sowie die Freisetzung von Ag wurden mit ICP-OES und ICP-MS nach Königswasser-Aufschluss bestimmt. Als zusätzliche Methode zur Bestimmung des Polystyrol-Gehalts wurde Pyr-GC-MS eingesetzt. Das Ag-Nanomaterial (Durchmesser 15 nm) wurde erfolgreich mit einer symmetrischen Polystyrol-Schicht mit ca. 120 nm Dicke beschichtet. Die Partikel zeigen eine ausgezeichnete kolloidale Stabilität mit einem Zetapotential von -40 mV und einem stabilen
hydrodynamischen Durchmesser von 260 nm. Bei leicht sauren Bedingungen (pH 4.8) wurde eine nur sehr geringe Freisetzung von Ag beobachtet. Dies lässt auf eine gute Anwendbarkeit der synthetisierten Ag-dotierten PS-Partikel für Untersuchungen des Verbleibs in der Umwelt schließen.
(1) Mitrano et al. 2019, Nature Nanotechnology 14, 362.
(2) Köser et al. 2017, Environ. Sci.: Nano 4, 1470.
(3) Braconnot et al. 2013, Colloid. Polym. Sci. 291, 193.
Seit einigen Jahren werden in der regenerativen Landwirtschaft Kaltwasseraufgüsse aus ökologisch angebautem Heu mit dem Ziel der Pflanzenstärkung und Ertragssteigerung eingesetzt. Diesen foliar oder rhizosphärisch aufgegebenen Extrakten wird von Anwender:innen eine positive Wirkung auf Pflanzengesundheit, Photosyntheseleistung und als „Regulator der Flächenrotte“ nachgesagt, doch wurden sie bisher nicht auf ihren Wirkmechanismus hin untersucht. Ein Wirkfaktor könnte im Heutee gelöst vorliegendes Si sein. Süßgräser (Poaceae) weisen eine starke Anreicherung von Si im Pflanzengewebe auf, die zu einer Erhöhung der mechanischen Blattstabilität und damit der Widerstandsfähigkeit gegenüber Fraßinsekten und Pilzinfektionen führt.
Im vorliegenden Versuch haben wir die Hypothese geprüft, dass im Heutee enthaltene Kieselsäure Si(OH)4 auf einem Si-Mangelstandort (5,15 mg Si/L in der Gleichgewichtsbodenlösung) zu einer Aufhebung des Mangels führt, das Pflanzengewebe stärkt und den Wuchs verbessert. Hierzu wurde Sommerweizen (Triticum aestivum) acht Wochen im Topfversuch (n=27, je 5 Samen) mit drei verschiedenen Heutees (0,002, 0,56 und 22,15 mg Si/L) und einer Si-freien Kontrolllösung bewässert. Anschließend wurden Wuchsparameter sowie, Si-Konzentration in der Bodenlösung und die mechanische Stabilität der Blätter (N/mm²) mittels Zugtest bestimmt.
Während sich in keiner der Varianten Effekte auf Wuchshöhe, Blattanzahl, Blatt- und Stillänge zeigten, trat bei der höchstkonzentrierten Variante eine signifikante Erhöhung der Si-Konzentration in der Bodenlösung auf. Diese ging einher mit einem tendenziellen Anstieg der oberirdischen und unterirdischen Pflanzenbiomasse und einem signifikanten Anstieg der Zugfestigkeit der Blätter. Weitere Untersuchungen am Si-Gehalt der Blätter werden eine abschließende Einordnung von Si als Wirkfaktor erlauben.
The soil microbiome plays an important role in the formation of soil structure, nutrient cycling and root-soil interaction. Fermented plant extracts are frequently used in regenerative agriculture to act as a booster for microbial activity in the soil. In this study, we hypothesize that the amendment of soils with fermented plant extracts increases the soil microbial activity and biomass leading to promoted association of roots with soil aggregates and increased number of water stable aggregates.
In a two-week pot experiment with Sinapis alba, five treatments, (1) fresh (2) autoclaved and (3) sterile filtered plant ferment, (4) glucose and (5) distilled water were tested against each other in a sandy and a loamy soil (n=20). In addition, soil respiration, microbial C and percentage of water stable aggregates were measured in samples that received the same five treatments (n=5). Our results show that all fermented plant extracts improved rhizosheath formation compared to the control treatments in the sandy soil. The loamy soil showed no difference between the treatments. Respiration and microbial biomass increased with the fermentation treatment in sand, while they remained unchanged in loam. In conclusion, the boostering effect on soil structure and root-soil association was shown for a soil with low aggregate stability, but further research is needed to fully understand the mechanisms behind these effects.
To investigate the effect of biochar (BC), compost and co-composted BC on water retention and the retention potential of nutrients and heavy metals in soils under field conditions, a lysimeter study was set up in the spring of 2019 at the Zoological Garden Berlin-Friedrichsfelde. The objective of this study was to determine the effects of BC on leachate amount and discharge of nutrients, heavy metals and carbon as well as on biomass yield.
Of the 1 m³ volume lysimeters, the upper 30 cm were filled with 5 different variants à 3 replicates: soil (control); soil+compost; soil+BC; soil+compost+BC; soil+co-composted BC. The soil is sandy, low in humus and nutrients with typical urban construction residues. The composts with/without BC were obtained from the Botanic Garden Berlin, as well as BC produced from woody biomass by carbonization. The lysimeters were planted with a turf standard mix (RSM 2.3; seed rate: 25 g/m2). The leachate was sampled continuously in response to precipitation events. Sampling of the soil layer as well as the biomass was done at least twice a year and is still ongoing.
Regarding soil parameters, the application of biochar as well as compost led to a significant decrease in bulk density, increase in WHC, pH and electrical conductivity. Furthermore, as expected, the organic matter and the total C and N content increased significantly.
The application of compost and BC, ideally co-composted BC, significantly reduced leachate amounts by 66-83% compared to the control without amendments. This retained water was made available to the plants which resulted in higher biomass yields. The reduced leachate amounts led to reduced loads of leachable nutrients and heavy metals. For example, without BC almost all nitrate (55-94 %) was rapidly leached out (without being available to plants!). With co-composted BC only 5-18 % was lost with the leachate. Comparable results can also be observed for calcium, copper, potassium, magnesium, sodium, zinc, chloride and sulfate.
Hence, the application of carbon-rich and stable BC leads to a significant increase in water retention and biomass yield as well as to a reduction in leachate amounts and, consequently, to a reduced discharge of nutrients, heavy metals and carbon. In addition to numerous effects regarding the improvement of soil and substrate quality, an important contribution to the reduction of demand for water and fertilizers as well as to the protection of groundwater can be achieved.
The C sink potential of agricultural land can be maximized by carbon dioxide removal (CDR) technologies. While most recent studies considered isolated CDR methods, they are interlinked and should be co-applied. Complementary CDR technologies are enhanced weathering (EW) of rock powder, biochar, enhancement of soil organic carbon (SOC), and biomass carbon capture (BCC). Biochar persistence in soils depends on biomass type and pyrolysis treatment, but also on the stabilization of biochar through interaction with minerals and occlusion in aggregates. Biochar and EW of rock powder are expected to increase SOC and plant growth without additional land demand, increase soil pH, balance redox potentials, deliver nutrients, improve soil hydrology, and promote soil biodiversity, root growth, crop yields, and hence BCC. The aim of this study is to determine the influence of co-application of CDR technologies on soil properties of agricultural soils and to quantify their C sink potential.
In this study, the product of pre-pyrolytic combination of biochar and basalt powder is called PyMiCCS. Variation in biomass, basalt powder particle size, and pyrolysis treatment create different PyMiCCS products. Those, with the highest biochar recalcitrance, the best uptake of CO2 through EW are examined. These PyMiCCS products, pure biochar, and basalt powder are incorporated into agricultural soils typical for different climate zones. These soils are varying in grainsize distribution and cation exchange capacity (CEC), representing a tropical (clayey, low CEC), a temperate (sandy-loamy, high CEC), and a boreal soil (sandy, low CEC). The soils are supplemented by the amendments in laboratory (without plants), pot trials (with/without plants), and greenhouse (with plants). To quantify the CDR potentials, influence on plant growth, sequestration and stabilization of both SOC and amendments, soil properties and soil water balance are analyzed. C contents and isotopies in SOC fractions (DOC, POC, density and aggregate fractions) are quantified. The SOC fraction stability is investigated by incubation experiments. To trace incorporation and stabilization of plant derived C, selected treatments receive 13C pulse labelling.
This study is part of the collaborative and interdisciplinary “PyMiCCS” project (Pyrogenic carbon and carbonating minerals for enhanced plant growth and carbon capture and storage), funded by the Federal Ministry of Education and Research Germany (FKZ: 01LS2109A).
Organic matter (OM) is an important driver of the global carbon cycle and plays a central role for the fertility, biodiversity and erosion of soils. Our understanding of soil OM is hampered by its chemical complexity and the challenge to disentangle OM sources (i.e., plant, fungal and bacterial metabolites) from molecules formed via decomposition processes. Ultimately, this limits our insight into the mechanisms of soil OM formation and stabilization. To close this gap, we set up incubations with different substrates, namely microbial necromass (Bacillus subtilis), fungal necromass (Aspergillus niger), plant necromass (Zea mays), and simpler substrates (glucose, chitin, cellulose). All incubations were inoculated with soil bacteria from an arable (top-)soil and run as suspensions over a year to study the long-term decomposition of the different substrates. We aimed to study the fate of the different substrates in terms of their molecular composition as assessed by ultrahigh resolution mass spectrometry (FT-ICR-MS) and obtained various complementary data (e.g., pH, redox potential, O2 saturation, DOC and TOC concentrations, optical density and D/L-amino acid ratio). Additionally, we investigated how OM structure and OM sorption were affected by decomposition state via tandem mass spectrometry (FT-ICR-MS/MS) and laser desorption ionization (LDI-FT-ICR-MS), respectively. We will present first results from these incubation experiments and will discuss the implications of our findings for organic matter stabilization in (more) complex soil systems.
Inefficient management and weak legislation, especially in developing countries, generate vast amounts of organic wastes. Its high lignocellulosic content makes it a convenient feedstock for C-rich residue production under thermal decomposition with oxygen deficit environment. In the last decade, several studies evaluated using biochar as soil amendment due to its surface rich in functional groups, high surface area, cation/anion exchange capacity and increase in recalcitrant in soil organic C pool.
For this study, forest (pine bark, wood chips and cones) and food industry (cherry stones, wheat bran and coconut copra) waste derived biochar have been obtained using low temperature (up to 450°C), slow pyrolysis (72 h) with oil extraction (LT) and high temperature (up to 650°C), fast pyrolysis (6 h) without oil extraction (HT). To explore differences in biochar properties due to various preprocessing methods and origin material diffuse reflectance infrared Fourier spectroscopy (DRIFT), electron microscopy, gas chromatography and hydraulic conductivity and sorptivity test were applied. Results revealed various elemental and ash contents, dependent on the feedstock origin and subsequent LT or HT preprocessing. The observations suggested that increased pyrolysis temperature originate in material specific changes of organic functional groups present in biochar samples, mostly due to mineral enrichment promoted by depolymerization and dehydration of lignocellulosic material. Hence, the HT preprocessing insignificantly increased water repellency for copra and bark originating biochar, most probably due to incomplete breakdown of cellulose and hemicellulose in the feedstock affected by the relatively short time of pyrolysis.
Urban soils commonly contain anthropogenic calcareous and charred materials. The effects of such compounds on SOM stability in tropical urban arable soils are largely unknown. The aim of this study was to examine how anthropogenic charred organic matter (ChOM), affects SOM pools in urban arable soils of Kumasi, Ghana (West Africa). Because of the widespread burning of household waste and the use of charcoal for cooking, we hypothesized that an increasingly urban influence on arable soils leads to increasing contents of anthropogenic materials in topsoils, including ChOM, which in turn contribute to SOM stability.
A grid-based approach was used to determine 650 topsoil (0 – 10 cm) sampling points along a gradient of urban intensity (UI), distinguishing; (i) low UI ( > 400 m away from any primary road and being urban for < 30 years); (ii) mid-low UI ( ≤ 400 m from a primary road and being urban for < 30 years); (iii) mid-high UI ( > 400 m from any primary road and being urban for ≥ 30 years); (iv) high UI (within ≤ 400 m from a primary road and being urban for ≥ 30 years). We visually examined the coarse fraction of the samples for anthropogenic materials. Then, the fine earth was subjected to SOM fractionation by size, whereby the sand-sized fraction (0.063 – 2 mm) was regarded as particulate organic matter (POM) and the clay- and silt-sized fraction ( < 0.063 mm) as mineral-associated organic matter (MAOM). Both POM - C and MAOM - C were analyzed using a temperature-ramp C analyzer, applying a temperature threshold of 600 º C to separate organic from inorganic C. ChOM - C was quantified in POM and MAOM after wet oxidation treatment.
Consistent with our hypothesis, the proportions of anthropogenic materials such as plastics, concrete and shells increased with UI, > 80 % of all samples contained macro-charcoal. The share of POM - C in bulk soil organic carbon increased from 51 % in low UI topsoils to 64% in high UI topsoils, while that of MAOM-C decreased from 31 % to 25 % . ChOM contributed only a minor portion ( < 0.1 %) to both POM and MAOM. Yet, this portion significantly increased with UI. Mean ChOM - C contents of the MAOM - C (0.023 g / kg) markedly exceeded those of the POM - C (0.0006 g / kg). These results suggest that the proportions of ChOM have increased with urbanization, but this increase has not enhanced SOM stability. Thus, appropriate management is important to support SOM stability in these soils.
Wie viel Humus könnten wir durch vorhandenes Stroh aufbauen? Wie viel verlören wir bei einer vollständigen Abfuhr? Könnte es an anderer Stelle nachhaltiger eingesetzt werden?
Mittels eines Ensembles aus fünf erprobten Bodenkohlenstoffmodellen und verschiedenen Allokationsfunktionen wollen wir das Humuspotential verschiedenen Stroh-Managements für den Zeitraum 1990-2018 betrachten sowie dessen Unsicherheit in den einzelnen Agrarstruktugebieten beleuchten. Dazu wird auf einem Datensatz aufgebaut, der in Zusammenarbeit mit dem Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie Sachsen erstellt wurde.
Um verschiedene Bodenparameter (z.B. organischer und anorganischer Kohlenstoff, pH, Textur) und deren Dynamiken über die Zeit zu erfassen, wurden in den letzten Jahrzehnten verschiedene nationale und internationale Bodeninventuren ins Leben gerufen und durchgeführt. Vor allem der organische Bodenkohlenstoff (Corg) und dessen Vorratsentwicklungen steht aufgrund seiner Relevanz für Klima und Bodenfruchtbarkeit im Fokus. Die europäische Kommission führte eine europaweite Bodenbeprobung erstmals 2009 mit der Land Use/Land Cover Area Frame Survey (LUCAS) durch. In 23 Mitgliedstaaten der europäischen Union wurden ca. 20 000 Oberböden (0 - 20 cm) beprobt und auf verschiedene Bodenparameter chemisch und physikalisch analysiert. In den Jahren 2015 und 2018 wurden die Standorte zum Großteil wieder beprobt. Die erste bundesweite Bodeninventur für landwirtschaftlich genutzte Flächen in Deutschland wurde zwischen 2011 und 2018 vom Thünen-Institut für Agrarklimaschutz durchgeführt. Die Bodenzustandserhebung Landwirtschaft (BZE-LW) orientierte sich an einem Raster von 8 X 8 km, wobei an insgesamt 3104 Standorten Bodenprofile gegraben und angesprochen wurden. In den Tiefenstufen 0 – 10 cm, 10 – 30 cm, 30 - 50 und 50 - 100 cm wurden chemische und physikalische Bodenproben entnommen und analysiert. Seit Ende 2022 wird die Wiederholungsinventur der BZE-LW durchgeführt, wobei man sich auf eine Beprobungstiefe von 50 cm beschränkt und organische Böden ausschließt. Durch die Wiederbeprobung der Standorte können Veränderungen der Corg-Vorräte bestimmt und deren Ursachen ermittelt werden. In diesem Tagungsbeitrag werden die ersten Ergebnisse der Wiederholungsinventur (ca. 100 Standorte) den Trends der LUCAS-Inventur gegenübergestellt, um Unterschiede und Gemeinsamkeiten an Corg-Vorratsänderungen auszuweisen. Mit Hilfe dieses Vergleichs erhoffen wir unter Anderem, zusätzliche Erkenntnisse zur methodischen Herangehensweise bei Wiederbeprobungen gewinnen zu können.
As ecosystem engineers, earthworms form the macro- and microstructure of soil with their burrowing, feeding, and casting activities. Earthworm casts, as a mixed mixture of mineral particles, organic matter and intestinal mucus, have changed chemico-physical properties in contrast to bulk soil, for example a higher stability after drying. Although few previous results hint on a higher moisture content of the casts, changes of soil-water interactions and processes leading to these changes remain unclear.
The goal of our study was to determine the role of earthworm mucus in the change of soil-water interactions in cast aggregates compared to bulk soil. We hypothesize that, additionally to their gluing role, polymeric substances in the excreted mucus form an interparticle matrix and affect the water bonding properties in earthworm casts leading to a higher water content and an enhanced water holding capacity depending on their state of degradation, aging (drying/rewetting) and the soil type.
Therefore, casts of the endogeic earthworm species “Aporrectodea tuberculata” where collected from an agricultural loamy sand soil and a loamy soil in a laboratory experiment. We analyzed the amount and mass of mucus polymers in earthworm casts with size exclusion chromatography using refractive index detection and the chemical composition of mucus with gas chromatography-mass spectrometry, liquid chromatography using an ultraviolet detector and infrared spectroscopy. Water entrapment and pore size distribution of earthworm casts were determined by 1H-NMR relaxometry and differential scanning microscopy. Our first results clearly indicate that the polymers in earthworm mucus contribute to improve soil-water interactions in the casts, although depending on the soil type, as sandy soil was stronger affected than loamy soil. There is still lack of knowledge about the composition and amount of the excreted earthworm mucus and how the processes related to the mucus affect the properties of earthworm casts related to the state of aging, the soil type, or the water content of the soil.
Permafrost (PF) soils in the northern hemisphere are known to harbor large amounts of soil organic matter (SOM) within their frozen layers. Global climate warming endanger this stable soil organic carbon (SOC) pool by triggering PF thaw, deepening the active layer and soil development. But depending e.g. on ice content or drainage, conditions in the degraded PF can range from water-saturated/anoxic to dry/oxic, with concomitant shifts in SOM stabilizing mechanisms. Based on that the lingering questions are how much SOC is lost during PF degradation and does preferential SOC stabilization evolve under either wet or dry conditions? Our field study in the vicinity of Fairbanks, Alaska, covered 3 research sites, an intact PF site and both degradation extremes, a wet and a dry scenario. Soil OC storage was assessed for soil profiles down to 100 cm and additionally for SOC stabilization by sequential aggregate and density fractionation of defined top- and subsoils. C measurements of all fractions were complemented by analysis of pedogenic minerals. The findings revealed a 75 % smaller OC storage in the upper 100 cm of degraded PF soils as compared to the intact one, while differences between wet and dry degradation were minor. Soil fractionation highlighted that PF thaw promoted macroaggregate formation, amplified by incorporation of particulate organic matter (POM) in the topsoil of both degradation scenarios. Remarkably, no C-losses were detected in the topsoil of the dry scenario compared to the intact PF and even a slight C increase in the wet scenario topsoil. While topsoils benefitted from the PF retreat, subsoils experienced major C losses in all fractions of both degradation scenarios compared to the intact PF. Considering that subsoils are covering several times the thickness of topsoils, our results support the current understanding that PF thaw is accompanied by substantial SOC losses. However, our data provide evidence that parts of the soil profile may benefit from the progressing soil development and that soil depth- and degradation scenario-oriented investigations of arctic permafrost thaw will help to assess future changes in this sensitive ecosystem.
Der Einsatz von Pflanzenkohle in landwirtschaftlich genutzten Böden wird derzeit weltweit erforscht. Bisherige Forschungsergebnisse sprechen der Pflanzenkohle eine positive Wirkung auf die Bodenqualität (insbesondere durch verbesserte Struktur, Wasserhaltekapazität und Nährstoffsorption) sowie das Potential zur Kohlenstoffsequestrierung zu. Für die Bewertung des Nutzens der Anwendung sowie der Risikoabschätzung bedarf es der Untersuchung der Pflanzenkohle unter langjährigen Praxisbedingungen. Der Nutzen für den Boden und Ertrag variiert mit den spezifischen Klima- und Bodenbedingungen. Deshalb sind regionale Feldversuche entscheidend zur Beurteilung des Pflanzenkohleeinsatzes.
Im Projekt «Black goes green» untersucht das Forschungsinstitut für biologischen Landbau (FiBL) in Kooperation mit Grünstadt Zürich und dem Geographischen Institut der Universität Bern (GIUB) den langjährigen Einsatz von Pflanzenkohle auf landwirtschaftlich genutzter Fläche im Raum Zürich. Der Versuch besteht aus 5 Schlägen (insgesamt ca.10 ha) auf welchen zur Hälfte im Frühjahr 2021 Pflanzenkohle (8 t/ha) ausgebracht wurde. Veränderungen im Boden werden bis mindesten 2025 durch ein Bodenmonitoring erfasst, bei welchem folgende Parameter jährlich erfasst werden: C (total, Karbonat C, pyrogener C), N total, pH, KAK, Aggregatstabilität, Wasserhaltekapazität (pF-Wert) und Erträge. Ergänzend werden während der Vegetationsperiode der Wassergehalt sowie der Eindringwiederstand gemessen. Ein weiteres Arbeitspacket untersucht den Effekt der Pflanzenkohle auf bodenbiologische Parameter.
Gezeigt werden sollen die Ergebnisse der der erste zwei Jahre nach Kohleausbringung mit Schwerpunkt auf Erträge, Bodenkohlenstoff und Wasserhaushalt. Die Ergebnisse sollen als Abschätzung des Nutzens und des Risikos zum Einsatz der Pflanzenkohle in der Landwirtschaft beitragen.
Der Internationale Organische Stickstoff-Dauerdüngungsversuch (IOSDV) in Puch/Fürstenfeldbruck wurde 1984 im Rahmen einer internationalen Versuchsreihe begonnen. Er ist als zweifaktorielle Streifenanlage in drei Wiederholungen angelegt. In einer dreigliedrigen Fruchtfolge mit den Kulturen Silomais/Zuckerrüben, Winterweizen und Wintergerste werden neben einer seit Versuchsbeginn ungedüngten Versuchsvariante unterschiedliche organische Stickstoffdünger (Stallmist, Gülle, Stroh und Zwischenfrüchte) in Kombination mit verschiedenen Mengen an mineralischem Stickstoffdünger (KAS) appliziert.
Der Standort Puch befindet sich in der Landschaft der Altmoräne des Loisach-Ammergletschers mit durchschnittlichen 875 mm Jahresniederschlag und 8,8 °C Jahrestemperatur. Der Versuch wird auf einer tiefgründigen Parabraunerde (uL) mit einer Ackerzahl von 66 und einer Durchwurzelungstiefe von ca. 100 cm durchgeführt.
Im Rahmen des Versuchs werden verschiedene Untersuchungen durchgeführt. Je Parzelle wird der Frischmasseertrag, der Trockenmasseertrag sowie der Rohproteingehalt bestimmt. Die organischen Dünger werden hinsichtlich ihrer Zusammensetzung analysiert. In unregelmäßigen Abständen werden der organisch gebundene Kohlenstoff (Corg), der Gesamt-Stickstoff (Nt), der pH-Wert sowie die Aggregatstabilität als Parameter des Bodens in den unterschiedlichen Versuchsvarianten bestimmt (erste Corg-Untersuchung vor Versuchsanlage im Jahr 1983). Im Jahr 2023 ist eine gesonderte und ausführliche bodenkundliche Untersuchung des Gesamtversuchs geplant.
Ziel des Versuchs ist es, Änderungen in Ertrag und Rohprotein der Kulturpflanzen sowie Änderungen der Bodenparameter als Ergebnis einer langjährigen, organischen und mineralischen Stickstoffdüngung zu erfassen und zu bewerten.
Die Auswertung der vergangenen 39 Versuchsjahre soll die Beantwortung der folgenden Fragen zum Ziel haben:
1. Wie wirkt sich eine langanhaltende Applikation von organischen und mineralischen Düngern auf Pflanzenertrag und -qualität sowie auf Bodenparameter aus?
2. Welche Rolle spielt die Art und Menge des applizierten organischen Düngers sowie die Menge des applizierten mineralischen Düngers für Pflanzenertrag und -qualität als auch für Bodenparameter?
3. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Pflanzenertrag, -qualität und Bodenparametern sowie der Anwendungsdauer von organischen und mineralischen Düngern?
Die Landwirtschaft gilt als ein wesentlicher Faktor für das Erreichen der Klimaziele. Für zahlreiche Kurzumtriebsplantagen (KUP) unterschiedlicher Rotationslängen wurde Kohlenstoffakkumulation im Oberboden nachgewiesen. Dagegen ist über Kohlenstoffspeicherung im Unterboden und Abbau der Wurzelmasse nach Umbruch wenig bekannt. Ebenso existieren wenige Untersuchungen über die Änderung der Bodeneigenschaften durch KUP und ihre Wirkung im nachfolgenden Ackerbau.
Daher war es ein Projektziel, die Kohlenstoffspeicherung von Pappel-KUPs und deren Veränderung nach Umbruch sowie die Wirkung einer KUP auf verschiedene Bodeneigenschaften im Vergleich zu Roggendaueranbau ohne Düngung in 4 Tiefenstufen (0-10, 10-30, 30-60, 60-100 cm) zu bewerten.
Nach 26 Jahren wurden 3 KUP-Parzellen mit Rotationslängen von 2, 4 und 16 Jahren umgebrochen (2J, 4J bzw. 16J). Es wurden für die 4 Bodentiefenstufen grobe und feine Wurzelmasse ausgesiebt. Für beide Wurzelfraktionen wurden Wurzelmasse und kohlenstoffgehalt sowie deren Abbaugeschwindigkeit quantifiziert. Zudem wurden bodenphysikalische und chemische Parameter erhoben.
In den Wurzeln wurden 30 (2J), 38 (4J) bzw. 67 t C/ha (16J) gespeichert, von denen 24 % (16J) – 83 % (4J) im Oberboden gespeichert waren. Diese Vorräte entsprachen 16 – 22 % des Gesamt-C-Gehaltes im Boden. Der Anteil an grober Wurzelmasse betrug 34 (2J), 17 (4J) bzw. 50 % (16J) der Gesamtwurzelmasse. Die Abbaugeschwindigkeit der Wurzeln nahm von oben nach unten ab und war für die feine Wurzelmasse höher als für die grobe. Nach 2 Jahren waren noch 30 – 52 % der Gesamtwurzelmasse unzersetzt im Boden erhalten.
Der Kohlenstoffgehalt im Boden nahm im Vergleich zur Referenzfläche um 36 – 41 t C/ha zu, was einer CO2-Sequestrierungsrate von über 5 t C/(ha a) entspricht.
Die Gehalte aller untersuchter Nährstoffe, pH-Wert und KAKpot wiesen direkt nach Umbruch und nach 2 Jahren für die KUPs deutlich höhere Werte auf als die Referenz. Für bodenphysikalische Kenngrößen (Lagerungsdichte, hydraulische Leitfähigkeit, Wasserspeicherfähigkeit) ergab sich ein uneinheitliches Bild.
Für die C-Sequestrierung und die Abbaugeschwindigkeit spielt die Rotationslänge eine wichtige Rolle, da bei sehr langer Rotationslänge mehr grobe Wurzeln ausgebildet werden, die v.a. im Unterboden langsamer abgebaut werden. Darüber hinaus wirkt sich eine ungedüngte KUP gegenüber einer ungedüngten Ackerreferenzfläche konservierend in Hinblick auf die bodenchemischen Kennwerte aus.
In alpine areas of the European Alps, many of the pastures are no longer economically profitable and are converted into forests. Afforestation directly affects soil organic matter (SOM) dynamics by alteration of the quantity and quality of aboveground biomass and root litter input towards less decomposable organic matter. Therefore, it could be expected that long-term afforestation on a centennial scale may have a severe impact on SOM dynamics, an aspect that remains so far unknown as most of the earlier studies focused on successions between 30 and 50 years.
The analysis of molecular proxies in soil such as n-alkanes, free fatty acids, and phospholipid fatty acids (PLFA) allows to trace different sources and transformation of SOM once incorporated into the soil. In this study, we identify the major sources of SOM in a subalpine afforestation sequence (40-130 years) with Norway spruce (Picea abies L.) on a former pasture in Jaun, Switzerland, by combining plant- and microorganism-derived molecular proxies from several compound classes.
We observed a decline in soil organic carbon (SOC) stock (9.6 ± 1.1 kg m-2) after 55 years and a recovering of the SOC stock 130 years (12.7 ± 0.9 kg m-2) after afforestation. Overall, there is no alteration of the SOC stock in the mineral soil following afforestation of former pasture (13.3 ± 0.9kg m-2) after 130 years. But if we consider the additional SOC stock accumulated in the organic horizons (between 0.8 and 2 kg m-2), the total SOC stock slightly increased, although OM in organic horizons is less stabilized than mineral-bound OM. An increase of the C:N ratio in the Oi-horizon with increasing forest age (40yr: 36.9 ± 2.6; 55yr: 40.9 ± 4.1; 130yr: 42.4 ± 6.6) reflects the alteration in litter quality towards poorly decomposable compounds in older forests. In addition, preliminary results show an increase in the abundance of Gram+ (+3%) and Gram- bacteria (+6%), especially in the young (40yr) forest. Thus, the bacterial community seems to proliferate in the early succession before the fungal-dominated community takes over. Thus, the change in SOM source and quality following afforestation may not result in considerable stock changes, but results in better stability of SOM in the mineral soil.
The separation of crop production and animal husbandry in modern agriculture has led to decoupled nutrient cycles with nitrogen surpluses, declining humus stocks, increasing greenhouse gas emissions, and lower animal welfare. Public acceptance of conventional farming practices has dwindled, and approaches of returning to traditional farming like organically managed mixed dairy systems, are beneficial for sustainability goals. However, these systems can differ in feeding, and crop rotation, and thereby productivity. Nevertheless, there is a lack of knowledge about the intensities with which mixed farming can meet the demand for organically produced food while minimizing environmental impacts.
In high-intensity farming systems, cattle are fed large amounts of maize silage. The protein-rich fodder leads to higher N concentrations in the manure. At low intensity, roughage with low N content predominates, making room for crops for human consumption. Consequently, farm manures differ in quantity and composition, which influences the C and N dynamics in the soil. During mineralization, microbiota consumes N. Therefore, it is a challenge for carbon sequestration strategies to increase the C content in soils without increasing N fertilization or risking N immobilization, which affects crop productivity. We hypothesize that sequestration improves under high-intensity farming due to the higher N content of the manure.
The project “GreenDairy” takes place in the experimental farm Gladbacher Hof (Aumenau, Hesse). The farm has been successfully managed organically since 1989. So far, its dairy farming system corresponds to the high-intensity system in GreenDairy. In the frame of the project, half of the trial area on arable land is converted to low intensity and the impact of organic milk production under low- vs. high intensity on humus and nitrate leaching will be analyzed. At the beginning and end of the 3.5-year project, soils of the arable and grassland plots are sampled by core drilling. Intermediate changes in concentration and composition of the C and N fractions are measured semi-annually via a soil sampler for the extractable and continuously for the dissolved fractions using glass suction cups. Due to the variation in manure and crop rotation, changes in C- and N-dynamic are expected. These changes are expected first to occur in the dissolved and water-extractable C- and N-fractions as well as in the particulate organic matter.
Climate change and human activities exert pressure on soil and groundwater resources in the North Sea region, calling for the need of sound strategies for their sustainable protection. The EU Interreg North Sea Project "Blue Transition" targets at a systemic change that balances activities in urban, agricultural or natural areas, considers a transition in land-use and fosters political structures and governance. It investigates 16 pilot sites in Denmark, the Netherlands, Sweden, Belgium, France and Germany to exchange and develop transnational solutions for water boards, farmers, authorities and society.
Within the project, we investigate humus build-up under climate-induced rising temperatures and leaching from humus decomposition in arable soil in Lower Saxony, comparing conventional and ecological farming. The aim of our study is an improvement of soil management in conventional and ecological farming – especially regarding humus build-up and N loss from soil. It serves as a base for elaborating best practices in management strategies for humus-oriented farming. We show first approaches of numerical simulations of C and N balancing in the investigated soils. In addition, we discuss the potential of geophysical methods to measure seepage water under different soil management conditions.
Labile organic carbon (LOC) is a small, but important fraction of the OC pool in soils. To ex-amine the effects of land use change on extractable LOC in montane volcanic ash soils, a soil transect was investigated in northern Ecuador. Samples were taken at two agricultural sites differing in the time of cultivation and at three sites under natural vegetation (tropical alpine grassland, páramo) from 0−30, 30−60 and 60−90 cm soil depth. Besides a general soil char-acterization, LOC was determined as cold and hot water extractable OC (CWEOC and HWEOC, respectively). Additionally, molar absorptivity at 254 nm as a measure for aroma-ticity was determined for the extracts. Total OC stocks were high (45−55 kg C m−2) at the páramo sites and the younger agricultural site (20 years of cultivation), but lower (27 kg C m−2) at the older agricultural site (100 years of cultivation); CWEOC (0.1−0.7%) and HWEOC (0.6−4.1%) represented only a small part of OC. Analysis of the LOC pool showed that both CWEOC and HWEOC as well as molar absorptivity of the respective extracts decreased with increasing soil depth. However, while CWEOC and HWEOC content decreased drastically with increasing human impact, molar absorptivity increased. Correlations of soil parameters showed an overall high impact of soil pH and oxalate soluble aluminum (Al) on the LOC con-tent. Additionally, an increase of the dithionite soluble iron (Fe) fraction with decreasing LOC was observed indicating an increase in crystallization of Fe oxides with decreasing LOC. Ar-omaticity of the remaining LOC components became obvious after long-term agricultural use indicating that more stable OC compounds were slowly degraded and became soluble by cold and hot water extraction. Main influencing factors were pH and oxalate soluble Al. Fur-ther, significant changes to the crystalline composition were identified. Overall, increasing human impact in the form of agricultural use seems to cause a drastic decrease in LOC which is accompanied by a change in mineral transformation.
Key words: cold-water extractable organic carbon; hot-water extractable organic carbon; land management; páramo; soil quality; ultra-violet absorbance
Low soil fertility and crop yields are general problems in most smallholder farming systems in dry sub-Saharan Africa. Soils in the Kavango region of Namibia contain low contents of organic carbon (SOC) and nitrogen (N). To improve crop yields and retain soil fertility, cultivation of legumes and conservation agriculture (CA) are seen as promising tools. Legumes can improve soil N status, particularly in the rhizosphere. This affect soil microbial and enzymatic activities and thus SOC turnover and nutrient availability. Few studies exist on legume cultivation under CA in Namibia, and detailed understanding of legume-soil interaction are still lacking. Therefore the aim of this study is to investigate the effects of CA and legume cultivation on soil quality, SOC and nutrient availability through field trials in Namibia. We use additional laboratory experiments to analyze the spatial-temporal changes in enzyme activities and N availability during nodulation of legumes in the rhizosphere. Here we present the concept of our study approach.
To put Namibia’s low fertile soils in a regional context, the QUEFTS model will be applied to predict potential crop yields under certain soil characteristics for Namibia. Two regions in northern Namibia are used as reference field sites of low fertile soils, representing loamy sand (Mashare) and sand (Ogongo). At each study site, C and N pools, CEC, pH, microbial respiration and biomass, C efflux, bulk density and soil texture are analyzed. These investigations are done on experimental and local sites in cooperation with Namibian Universities (UNAM and NUST) and local smallholder farmers. Additionally, different land-uses (CA and traditional agriculture), including the application of mulch (M) (+M and -M) and inoculation (I) with rhizobia (+I and –I), will be compared under cultivation of legumes and the effect on soil properties with a particular focus on C use efficiency. Further laboratory experiments with mixed topsoil samples originating from the study sites are conducted. Within the laboratory experiments, legumes (Cowpea) will grow under controlled conditions in a rhizobox setup to investigate spatial and temporal legume-rhizobia-soil interactions with regard to nodule development, N release and soil enzyme activity.
Organische Böden speichern große Mengen an organischem Bodenkohlenstoff (Corg). Dies umfasst nicht nur nach deutscher Nomenklatur „typische“ Moorböden, sondern auch ein breites Spektrum von weiteren Böden mit hohen Kohlenstoffgehalten, die eine Moorvergangenheit haben. Für die korrekte bodensystematische Einordnung der Substrate und Horizonte ist für diese Böden der Humusgehalt, also die organische Bodensubstanz (OBS), entscheidend. Ein semi-quantitativer Humusgehalt kann nach bodenkundlicher Kartieranleitung KA5 durch einen visuellen Farbeindruck klassifiziert abgeschätzt werden. Präziser ist jedoch die Messung von Corg im Labor und die Verwendung eines Umrechnungsfaktors von Corg in OBS. Dieser wird in der KA5 für mineralische Substrate mit 1,72 angegeben, für Torfe und Auflagehumus mit 2,0. Für Substrate die klar mineralisch bzw. Torfe sind, ist dies leicht umsetzbar. Problematisch ist jedoch der anmoorige Bereich, der mit 15-30% OBS definiert ist. Hier führt die Verwendung unterschiedlicher Faktoren zu unterschiedlichen Ergebnissen. In der kommenden KA6 wird dies mit der ausschließlichen Verwendung des Faktors 2,0 vereinfacht. Dennoch wird insbesondere in älteren Publikationen und Datensätzen die OBS bzw. der Glühverlust angegeben, so dass für Synthesearbeiten ein Bedarf an einem adäquaten Umrechnungsfaktor besteht. Offen ist daneben die Frage, ob ein einheitlicher Faktor für alle organischen Böden passend oder eine Differenzierung nach verschiedenen Horizonten und Substraten notwendig ist.
Diese Studie hat das Ziel, den Umrechnungsfaktor zwischen OBS und Corg in Abhängigkeit von Torfart (Hochmoor- vs. Niedermoortorf), Horizont (Ha/Ht, Hw, Hr), Zersetzungsgrad (in drei Gruppen) sowie für den amorphen Oberboden (Gruppierung nach dem C/N Verhältnis) zu ermitteln und auf Unterschiede zu prüfen. Dazu wurden insgesamt 198 Bodenproben auf ihre Corg-Gehalte (Elementaranalyse) und OBS-Gehalte (Glühverlust) untersucht und in gleich große Vergleichsgruppen stratifiziert. Es werden die Ergebnisse vorgestellt.
As shown in an earlier study, ethanol precipitation generally increased the pH and reduced the total cation content with mucilage type specific effects on the supramolecular interactions of the polymers that explained the resulting specific changes in the physical properties viscosity, water entrapment, surface tension and wettability. Our general hypothesis is that the supramolecular structure of mucilage underlies self-assembling mechanisms under changing environmental conditions like cation content, pH and the content of surface active substances. Thus, we tested the reversibility of changes exerted by ethanol precipitation for two seed and two root mucilage types by restoring increasing amounts of calcium or of the surfactant lecithin or by the addition of combinations of NaCl, NaOH and HCl resulting in the same ionic strength but different pH values. From the original, purified and manipulated mucilage samples we determined viscosity with a rotational rheometer, surface tension by the pendant drop method, wettability by the sessile drop method and the restriction or entrapment of water in the polymer network using the 1H NMR transverse relaxation time T2.
Preliminary evaluations suggest that both, reversible as well as irreversible changes of the physical properties occurred upon purification by ethanol precipitation. The result will be discussed with respect to changes in different intermolecular polymer interactions together with their relevance for functions and processes in the rhizosphere.
Die Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz (OBS) lässt sich mit spektroskopischen Verfahren erfassen. In Böden reagieren organische Substanzen (z.B. Wurzelexsudate) häufig mit Kationen wie z.B. Ca2+ was zu Änderungen in den Bindungen der funktionellen Gruppen in der OBS führt. Diese Änderungen führen in FTIR Spektren zu Verschiebungen und Intensitätsänderungen der OBS-typischen Absorptionsbanden (Keton, Carbonsäure, Carboxylat) und schränken eine routinemäßig durchgeführte FTIR Auswertung ein. Da sich die OBS Bindungsverhältnisse im Extinktionskoeffizienten des Lambert-Beer’schen Gesetzes widerspiegeln wird angenommen, dass dieses Gesetz in Kombination mit den oft gleichzeitig bekannten Kationen-Gehalten genutzt werden kann, um veränderte spektrale Daten zu erklären. Ziel ist ein Korrekturverfahren zu entwickeln und an zunächst relativ einfachen Mischungen (Polygalacturonsäure (PGA) und Ca2+) zu testen. Um empirische Beziehungen zwischen Bandenmaxima in FTIR-Spektren der Mischungen und deren Kationenkonzentrationen zu finden, wurde das FTIR-Spektrum von PGA mit Spektren von PGA-Ca Mischungen verglichen. Die Korrektur der Absorptionsbanden im FTIR erfolgt hier in Relation auf die Bandenhöhen einer PGA-Ca Mischung mit einer Referenz Ca2+ Konzentration. In einem zweiten Ansatz wurde das Verhältnis der Lambert-Beer’schen Extinktionskoeffizienten einer PGA-Ca Mischung mit einer Mischung mit Referenz Ca2+ Konzentration genutzt, um die Bandenverschiebung zu quantifizieren.
Die FTIR Spektren (mittleres Infrarot; KBr Technik) wurden in Bezug auf die am stärksten durch den Kationengehalt beeinflussten COO– Bande ausgewertet. Die Intensität der COO- Banden in den FTIR Spektren von PGA-Ca Mischungen nahm mit dem Ca Gehalt zu, während das Maximum zu niedrigeren WN verschoben wurde. Eine nahezu lineare Beziehung zwischen Verschiebung der COO-Bande mit zunehmender Ca Konzentration war Voraussetzung für den empirischen Korrekturansatz.
Als Test konnte die Bandenintensität für reines PGA aus den spektralen Daten der PGA-Ca-Mischungen geschätzt werden. Die auf dem Lambert Beer´schen Gesetz beruhende Wichtung erlaubt eine Abschätzung der Bandenintensität sowie eine Korrektur der Bandenverschiebung. Das Verfahren erfordert eine Kalibrierung der Korrekturfaktoren anhand spektraler Daten einer Mischung mit einer Referenz Ca2+ Konzentration. Es könnte helfen, Fehlinterpretation in den FTIR-Spektren von OBS aufgrund von Bandenverschiebungen zu vermeiden.
Dauerversuche sind unerlässlich für Untersuchungen zur Kohlenstoff- und Stickstoffdynamik im Boden. Die Veränderungen der Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte verlaufen sehr langsam und sind aufgrund starker Schwankungen durch die große räumliche und zeitliche Variabilität der Merkmale sowie durch unterschiedliche Labors und Methoden nur über lange Zeiträume nachweisbar.
In der Versuchsstation Bad Lauchstädt befinden sich Dauerversuche, die zwischen 1902 und 1988 angelegt wurden, also zwischen 34 und 121Jahre alt sind:
Durch langjährige gleichbleibende organisch-mineralische Düngung und/oder Bewirtschaftung haben sich in diesen Versuchen extreme Kohlenstoffgehalte eingestellt: im Statischen Düngungsversuch V120 (angelegt 1902 von Schneidewind und Gröbler) variieren sie zwischen 1,46 und 2,58 % Ct, im Erweiterten Statischen Düngungsversuch V120a (verändert 1978 durch Körschens) zwischen 1,56 und 2,48 % Ct, im Stalldungsteigerungsversuch V494 (angelegt 1983 durch Körschens) zwischen 1,71 und 5,92 % Ct. Im Bracheversuch V505a (angelegt 1988 durch Merbach) betragen die Kohlenstoffgehalte ohne jegliche Düngung 1,56 % Ct auf der mechanischen Brache, 1,60 % Ct auf der Herbizidbrache, 1,50 % Ct auf der kombinierten mechanischen Herbizidbrache und 2,84 % Ct auf der Selbstbegrünungsbrache. Wir verfügen also in diesen Lauchstädter Dauerversuchen über Böden mit Kohlenstoffgehalten zwischen 1,46 und 5,92 % Ct, die sich entweder nicht mehr verändern, zunehmen oder abnehmen, mit oder ohne Pflanzenbestand. Damit sind ideale Bedingungen gegeben, um Prozesse der Kohlenstoff- und Stickstoffdynamik im System Boden-Pflanze-Atmosphäre-Wasser zu untersuchen und zu modellieren.
Darüber hinaus haben sich entsprechend den Ct-Gehalten auch die Nt-Gehalte im Boden verändert (0,11-0,23 % Nt). Durch die unterschiedlichen Düngungsvarianten weisen auch die Gehalte an P und K sowie die pH-Werte extreme Spannweiten auf. Hier haben sich über viele Jahrzehnte auf einer Fläche von 4 ha Zustände im Boden manifestiert, die weltweit einmalig sind. Dadurch erlangen die Versuche eine weit über die Agrarforschung hinausgehende Bedeutung für die Grundlagenforschung, die Kalibrierung wissenschaftlicher Großgeräte und die Untersuchung völlig neuer Fragestellungen.
Für den Erhalt der Dauerversuche ist es unerlässlich, dass wir sie gemeinsam intensiv nutzen.
CARBON SEQUESTRATION – ILLUSION ODER WIRKLICHKEIT ?
Martin Körschens, Förderverband Humus e. V. , Goethestadt Bad Lauchstädt
Carbon sequestration wird vielfach als ein Beitrag zur „Klimarettung“ angesehen.
Unabhängig davon, ob ein signifikanter Einfluss der CO2- Konzentration in der Atmosphäre von 0,01 % auf die Klimaänderung hinreichend erwiesen bzw. quantifiziert ist, werden, nicht nur von Laien, mögliche C-Anreicherungen im Boden in Größenordnungen genannt, die jeder fachlichen Erkenntnis widersprechen. Nur ein Beispiel:
„Ein weltweiter Humusaufbau von nur einem Prozentpunk könnte 500 Gigatonnen CO2 aus der Atmosphäre holen, das brächte den heutigen CO2-Gehalt der Luft auf ein weitgehend ungefährliches Maß“ (Scheub/Schwarzer, 2018). Das sind bei 5 Mrd. ha LN weltweit 27 t Corg /ha !
Das eigentliche Problem ist, dass es keine Richtwerte für den Humusgehalt und auch keine praxisorientierte Humusforschung gibt. So galt im 20. Jahrhundert die Auffassung:„… dass man versuchen sollte, das höchstmögliche Humusniveau im Boden zu erhalten“(Sauerbeck, 1992). Heute gilt: Das Überschreiten einer oberen Grenze für den Corg - Gehalt bringt keine Ertragsvorteile und führt zu Umweltbelastungen.
Gegenwärtig dient fast alle OPS (Organische PrimärSubstanz), die nicht für Nahrung, Energie, Rohstoff u. a. benötigt wird, bei Eignung und Schadstofffreiheit dem Humusersatz. Carbon sequestration erfordert also zusätzlich gewachsene Pflanzenbiomasse, d. h. drastische
Ertragserhöhungen. -
Verzicht auf Mineraldüngung (Öko) halbiert die Erträge und reduziert die „Humusbildung“.
Die Vorstellungen, mit Terra Preta das Humusproblem zu lösen, haben sich als völlig unreal erwiesen (s. www.agrafakten.de).
Es ist hinreichend erforscht, dass weniger als 10 % der OPS im Boden akkumuliert werden (Einige Autoren rechnen mit nur 5 % !).
Die 4-Promille Initiative zielt auf „ additional 1.2 billion tonnes of carbon every year“.
Selbst wenn man diese 1,2 Milliarden nicht nur auf 1,4 Mrd. Ackerland, sondern auf nahezu 50 % der weltweit ausgewiesenen LN ansetzt, was praktisch ausgeschlossen werden kann, so wären jährlich rd. 500 kg/ha Corg zu akkumulieren. Bei 10 % Akkumulation und 40 % C in der Pflanzentrockenmasse entspricht dies einer Ertragserhöhung von 12,5 t/ha TM jährlich!
Theoretisch ist diese Zielstellung (vorübergehend) erreichbar, wenn man auf die Ernährung von 8 Mrd. Menschen verzichtet. Ein Nach
Over the past two decades, huge efforts have been spent to quantify to which extent and under which conditions croplands are sources or sinks for carbon. For this purpose, the net biome productivity (NBP), which is defined as the net carbon stock change of the entire ecosystem, is typically quantified from net CO2 fluxes monitored with an eddy covariance or chamber system, measured C import by organic fertilizer and C export by harvest. NBP is basically the sum of the stock change of plant carbon (DPC) and soil organic carbon (DSOC). At a cropland site the bulk of plant biomass is typically removed at harvest. Therefore, in the traditional approach it is assumed that DPC can be neglected. In that case, DSOC equals NBP. In the paper we show that this assumption is problematic, particularly if the carbon budget is determined over a single cropping period. We define a cropping period as follows: it starts one day after harvest of the pre-crop and ends at the day of harvest of the main crop. If we balance over such a period, DPC is the difference of carbon stored in harvest residues (HR) at the end of the cropping period and carbon stored in HR at the beginning of the cropping period. In our paper we extend the concept of NBP for HR, and we show that the error due to ignoring HR equals 1/N (HR-1-HRN), where HR-1 are the HR of the pre-crop at the beginning of the first cropping period and HRN are the HR on site at the end of the N-th cropping period. In a case study over a maize - winter wheat - winter wheat rotation, we investigated the effect of HR on NBP and DSOC at a cropland site in Southwest Germany. While the mean NBP and DSOC over the three cropping periods were similar (1199 kg C ha-1 and 1456 kg C ha-1), in two of the three cropping periods the sign of NBP was the opposite than that of DSOC. What means that in these two cases the use of the traditional approach would lead to the opposite result. Over the second cropping period, for example, the traditional NBP approach indicates that the soil lost 2020 kg C ha-1. Considering the HR turns the soil into a significant carbon sink (-885 kg C ha-1). These findings clearly demonstrate that for croplands the quantification of HR is imperative for setting up an accurate and meaningful carbon balance, particularly if the balances are set up over single cropping periods.