Böden als C
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Böden als Quelle und Senke für CO2 Hilft die Natur beim CO2-Problem? Ingrid Kögel-Knabner Lehrstuhl für Bodenkunde Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt Schwarzerde aus Löß Quelle: AID Freising-Weihenstephan Seniorenstudium LMU Böden – Humus – CO2 Was sind Böden und wie entstehen sie? Böden als C-Speicher Wo findet sich die stabile organische Bodensubstanz? Alter der stabilen organischen Bodensubstanz Welche Verbindungen sind stabil? Lignin Ù Polysaccharide Organo-mineralische Verbindungen: Welche Minerale sind relevant für die Stabilisierung? Eisenoxide Ù Tonminerale Wie reagieren Böden auf Klimaänderung? Seniorenstudium LMU Wie entsteht Boden und woraus besteht er? Bodenbildung Verwitterung des Ausgangsgesteins - Zerkleinerung und chemische Umwandlung Ansiedlung von Pflanzen Î Humusbildung Lebewesen Klima Boden Gestein Zeit Seniorenstudium LMU Bodenbildungsfaktor Zeit Alter der heutigen Böden in Mitteleuropa: etwa 12.000 Jahre Beginn der Bodenentwicklung nach der letzten Eiszeit Braunerde Rendzina Gley Braunerde aus Niederterrassen-Podsol Niedermoor aus geschichtet Grauwacke über und (Terebratulabank Schiefer des Wellenkalks) schotter über Geschiebe Gyttja aus: AID Kr. Zezschwitz 1971 Göldenitz, Rostock Tachering bei Trostberg Seniorenstudium LMU Bodenbildung and der Grenzfläche Atmosphäre-Lithosphäre Atmosphäre totes organisches Material (2) min. Menge max. 2 3 1 Porenvolumen (1) 1m anorganisches Material (3) Lithosphäre Tiefe Î poröser Körper mit spezifischer Verteilung von Luft / Wasser / Festphase aus Gisi, Bodenökologie, 1997 Seniorenstudium LMU SEM: thin section of soil aggregate C clay microaggregates ECP extracellular polysaccharide CW ECP B F fungal hyphae CW collapsed cell wall B bacterium C B ECP C F Transmission electron micrograph of an ultrathin section of a soil aggregate showing clay microaggregates (C) linked by ruthenium/osmium-stained, extracellular polysaccharide (ECP) of fungal hyphae (F). The wall of a collapsed cell (CW) is being lysed by a bacterium (B). (from Ladd et al., 1996) Seniorenstudium LMU Mineralbestand in den Kornfraktionen Sand, Schluff und Ton 100 Feldspäte 80 Gewichtsanteil 60 % 40 Glimmer Tonminerale und Oxide Quarz 20 0 Sand Schluff Ton Minerale der Sand- und Schlufffraktion: überwiegend aus dem Gestein ererbt Minerale der Tonfraktion (< 2 µm): Neubildungen während der Pedogenese Seniorenstudium LMU Dreischicht-Minerale Modell eines Smektits (2:1) Mineral Tetraederschicht Oktaederschicht Tetraederschicht austauschbare Kationen Seniorenstudium LMU Fe-Oxide Eigenschaften: – grün, rot oder braun (Bodenfarbe) – schlecht bis gut kristallisiert, (Alter, Milieu, Temperatur) – Oktaederschicht mit Fe3+ als Zentralatom – stabile Endprodukte der Verwitterung Seniorenstudium LMU Böden – Humus – CO2 Was sind Böden und wie entstehen sie? Böden als C-Speicher Wo findet sich die stabile organische Bodensubstanz? Alter der stabilen organischen Bodensubstanz Welche Verbindungen sind stabil? Lignin Ù Polysaccharide Organo-mineralische Verbindungen: Welche Minerale sind relevant für die Stabilisierung? Eisenoxide Ù Tonminerale Wie reagieren Böden auf Klimaänderung? Seniorenstudium LMU Terrestrische C-Pools (Gt) Umsatzzeit (Jahre) Netto-Assimilation von Kohlenstoff durch Photosynthese 750 25 1,75 15 22 2 4 25 nichtholzige Teile 29 Streu 72 verholzte Teile 570 65 Streufall niedrigwüchsige Vegetation 59 Abbau 42 62 organische Substanz des Bodens 1600 terrestrische C-Pools (Gt), aus Post et al. 1990, verändert 20 Seniorenstudium LMU C-Speicherung im Boden KYOTO Protokoll vom 11.12.1997 fordert: Reduktion der CO2-Freisetzung in die Atmosphäre um 5% bis 2008-2012 gegenüber den Emissionen von 1990 Böden sind große C-Reservoirs Böden speichern etwa 2,5 x soviel organischen C wie die terrestrische Vegetation und 2 x soviel wie die Atmosphäre Die C-Speicherkapazität der Böden schwankt abh. von: Klima Bewirtschaftung Ù anthropogener Humusspiegel Textur, Mineralogie Î Umsatzzeiten von stabilisierten OS sind keine absoluten Werte, sondern abhängig von Einflussfaktoren Seniorenstudium LMU Humification of plant residues in soils CO2 released to atmosphere 100 carbohydrates starch pectin % 50 CO2 CO2 cellulose ash, fat protein CO2 microbial biomass lignin 0 input material humic substances after 1 week after 1 month after 1 year from Haider, 1996 Seniorenstudium LMU AMRT levels for different depths of soil profiles Soil order Ascent of regression line Correlation factor Corresponding AMRT of regression line (BC) 10 cm 20 cm 50 cm 100 cm 150 cm 200 cm Alfisols 0.4651 0.739 480 960 2400 4800 7200 9600 Inceptisols (Plaggepts) 0.0225 0.209 870 920 1000 1160 1350 1490 Mollisols 0.4695 0.888 750 1240 2700 5150 8050 10000 Spodosols 0.0747 0.332 1350 1430 1680 2100 2520 2930 Vertisols 0.4014 0.772 0 410 1620 3650 5670 7700 All soils 0.4415 0.755 460 920 2300 4600 6900 9200 13 Alfisols, 16 Inceptisols (most Plaggepts), 47 Mollisols, 9 Spodosols, 44 Vertisols. Paleosols were not included; soil profiles were sampled in Europe, Australia, Israel, Sudan and Argentinia AMRT apparent mean residence time (from Scharpenseel, 1996) Seniorenstudium LMU Stabilisierung organischer Substanz im Boden Drei Mechanismen (Sollins et al,1996; Lützow et al., 2006) Recalzitranz Molekulare Eigenschaften organischer Substanzen, die den mikrobiellen Abbau erschweren. Räumliche Zugänglichkeit Die räumliche Lage organischer Substanz im Boden beeinflusst die Zugänglichkeit für Organismen und Enzyme. Bindung an die Mineralphase Molekulare Interaktionen von Oberflächen organischer Substanzen und Mineralen (oder anderen organischen Substanzen). Seniorenstudium LMU Böden – Humus – CO2 Was sind Böden und wie entstehen sie? Böden als C-Speicher Wo findet sich die stabile organische Bodensubstanz? Alter der stabilen organischen Bodensubstanz Welche Verbindungen sind stabil? Lignin Ù Polysaccharide Organo-mineralische Verbindungen: Welche Minerale sind relevant für die Stabilisierung? Eisenoxide Ù Tonminerale Wie reagieren Böden auf Klimaänderung? Seniorenstudium LMU Carbon stocks in forest soils Leinefelde, Rendzic Luvisols under European beech Age [years] OC [kg m-2] % OC in subsoil 40 (1) 9.0 46 % 40 (5) 8.7 65 % 70 6.4 51 % 120 5.6 66 % 150 + 15 6.7 68 % Average OC distribution Topsoil (A horizon) 41% Subsoil 59% (0.27 – 0.47 m) Major part of OC is stored in the subsoils Seniorenstudium LMU Size fractions: mass and OC distribution in forest soils Waldstein 50 25 Steinkreuz EA horizon Mass A horizon Mass OC OC 0 50 Bh horizon Bw1 horizon Bs horizon Bw2 horizon Bw horizon Bw3 horizon C1 horizon 3C horizon C2 horizon 4C1 horizon 25 0 50 25 0 50 25 0 50 25 0 50 25 0 Sand Silt Clay Sand Silt Clay Rumpel et al., 2002 Seniorenstudium LMU % Radiocarbon dating: particle size fractions of A horizons under European beech 115 110 pmC 2000-200 µm sand 105 100 20-2 µm silt 95 <2 µm clay 90 85 Leinefelde (70) Hesse Collelongo Tharandt (95) Schöning et al., Biogeochemistry, 2006 Seniorenstudium LMU Radiocarbon dating: Sand - clay fraction with depth <2 µm (clay) 2000-200 µm Hesse Soil depth [cm] 0 20 40 60 80 100 120 40 60 120 40 60 80 100 120 80 100 120 40 pmC % modern Carbon 60 80 pmC 100 120 80 100 Leinefelde Soil depth [cm] 0 10 20 30 40 60 Schöning et al., 2006 Seniorenstudium LMU Böden – Humus – CO2 Was sind Böden und wie entstehen sie? Böden als C-Speicher Wo findet sich die stabile organische Bodensubstanz? Alter der stabilen organischen Bodensubstanz Welche Verbindungen sind stabil? Lignin Ù Polysaccharide Organo-mineralische Verbindungen: Welche Minerale sind relevant für die Stabilisierung? Eisenoxide Ù Tonminerale Wie reagieren Böden auf Klimaänderung? Seniorenstudium LMU O-aryl C (lignin) in particle-size fractions Beech stands in Collelongo Hesse, Leinefelde and Soroe 8 8 Ah 2000-200 µm Ah 2000-200 µm O-aryl C [%] increasing decomposition Beech chronsequence Leinefelde 6 Ah Bulk soil 4 0 Ah 20-2 µm Ah 20-2 µm 0 10 Ah Bulk soil 4 Ah <2 µm 2 L horizon 6 L horizon 20 C/N 2 30 40 0 Ah <2 µm 0 10 20 C/N 30 40 increasing decomposition Seniorenstudium LMU O-aryl (lignin) and O-alkyl C (polysaccharides) in particle size fractions: A horizons under European beech 60 8 O-alkyl C (%) 20002000-200 µm 6 2020-2 µm 4 50 40 30 20 <2 µm 2 10 dt (9 5) Th a ra n dt (2 5) ra n ng o Th a ol le lo C (7 0) dt (9 5) ne fe ld e Le i Th a ra n dt (2 5) ra n ng o Th a ol le lo C ne fe ld e Le i H es se 0 (7 0) 0 H es se O-aryl C (%) 10 Schöning et al., Biogeochemistry, 2006 Seniorenstudium LMU Welche Mechanismen sind von Bedeutung? Rekalzitranz organischer Moleküle kann die hohen Alter der organischen Bodensubstanz nicht erklären Organische Verbindungen werden in Böden nicht proportional zu ihrer Abbaubarkeit angereichert (Polysaccharide Ù Lignin) Î Aktive Stabilisierungsmechanismen spielen eine große Rolle Seniorenstudium LMU Böden – Humus – CO2 Was sind Böden und wie entstehen sie? Böden als C-Speicher Wo findet sich die stabile organische Bodensubstanz? Alter der stabilen organischen Bodensubstanz Welche Verbindungen sind stabil? Lignin Ù Polysaccharide Organo-mineralische Verbindungen: Welche Minerale sind relevant für die Stabilisierung? Eisenoxide Ù Tonminerale Wie reagieren Böden auf Klimaänderung? Seniorenstudium LMU Organo-mineral interactions Relation between C stabilization (radiocarbon age) and C enrichment in fine fractions activity (pMC) 14C old young Acid forest soils 120 Waldstein (Haplic Podzol) 100 Steinkreuz (Dystric Cambisol) 80 60 40 y = -7,6x + 114,5 r = 0,74*** 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 C enrichment factor in fractions < 6.3 µm high enrichment factor (i.e. more C is bound in fine fractions) low 14C activity (old organic matter) Rumpel et al., Organic Geochemistry 2004 Seniorenstudium LMU OC in relation to oxide/silicate surface area SSAoxides versus Fed OC versus SSA SSAoxides (m2 g-1) 80 OC (g kg-1) 80 Thyrow Skierniewice SSAsilicates SSAoxides r2 = 0.91; **) 60 60 r2 = 0.83; *) (r2 = 0.93; **) 40 40 20 20 0 0 0 10 20 30 Fed (mg g-1) 40 Oxide SA is correlated with Fed contents 0 20 40 60 SSA (m2 g-1) 80 100 OC is correlated with oxide and silicate SA Kiem et al., Soil Biology and Biochemistry, 2003 Seniorenstudium LMU Organo-mineral associations Phyllosilicate with permanent charge sites cation bridging cation exchange Iigand exchange at a silanol group 2+ O 2+ tetrahedral sheet Si octahedral sheet C intercalation of organic cations 2+ 2+ 2+ R cation H2 O Al permanent negative charge sites O 1 2 protonated surface OH group (protonated aluminol group) variable charge sites (pH-dependent) Seniorenstudium LMU Organo-mineral associations Fe oxyhydroxide with variable charge sites O Fe 1 protonated 2 surface OH group Iigand exchange at a singly coordinated OH group O C Fe R Fe 1 2 electrostatic interaction (outer sphere complex) at a singly coordinated OH group Seniorenstudium LMU OC in organomineral associations – iron oxides subsoil dystric cambisol (Steinkreuz) topsoil dystric cambisol (Steinkreuz) topsoil haplic podzol (Waldstein) subsoil haplic podzol (Waldstein) b) 140 140 y = 2.6OC + 1.1 rs = 0.90; p < 0.001 OCmineral (g kg-1) a) 120 120 100 100 y = 1.4OC - 2.1 r = 0.94; p < 0.001 80 60 80 y = 1.3OC – 8.9 rs = 0.90; p < 0.001 40 20 0 60 40 20 0 20 40 60 FeDCB (g kg-1) 80 100 0 y = 1.7OC + 3.0 rs = 0.72; p < 0.01 0 10 20 30 40 50 FeOX (g kg-1) Unterböden: konstantes „surface loading“, Braunerde: 1.2 mg m-2, Podsol: 1.6 mg m-2, „monolayer equivalent“ (Keil et al., 1994): 0.6 – 1.5 mg m-2 Oberböden: den deutlich mehr C sorbiert, Î höheres loading, zusätzliche C-Trägerphasen? Seniorenstudium LMU Welche Mechanismen sind von Bedeutung? Rekalzitranz organischer Moleküle kann die hohen Alter der organischen Bodensubstanz nicht erklären Organische Verbindungen werden in Böden nicht proportional zu ihrer Abbaubarkeit angereichert (Polysaccharide Ù Lignin) Aktive Stabilisierungsmechanismen spielen eine große Rolle Die Bildung organo-mineralischer Verbindungen ist abhängig von der Mineralogie und Bodenreaktion; Eisenoxide wegen großer Oberfläche besonders bedeutsam hohe Bedeutung für langfristige Stabilisierung Î Bodentyp und Bodenentwicklungsprozesse müssen hinsichtlich dieser Prozesse genauer untersucht werden! Seniorenstudium LMU Böden – Humus – CO2 Was sind Böden und wie entstehen sie? Böden als C-Speicher Wo findet sich die stabile organische Bodensubstanz? Alter der stabilen organischen Bodensubstanz Welche Verbindungen sind stabil? Lignin Ù Polysaccharide Organo-mineralische Verbindungen: Welche Minerale sind relevant für die Stabilisierung? Eisenoxide Ù Tonminerale Wie reagieren Böden auf Klimaänderung? Seniorenstudium LMU C-Verlust der Böden durch Temperaturerhöhung? C contents in soils of England and Wales 1978 and 2003 a, Carbon contents in the original samplings, b, rates of change calculated from the changes over the different sampling intervals. The changes were negative in all but 8% of the sites. Bellamy et al., Nature, 2005 Seniorenstudium LMU Acknowledgements DFG, SPP 1090: Soils as source and sink for CO2 - mechanisms and regulation of organic matter stabilisation in soils many colleagues collaborating in the program Egbert Matzner, Bayreuth Bernd Marschner, Bochum Heiner Flessa, Göttingen Georg Guggenberger, Halle Clemens Ekschmitt, Gießen EU (FORCAST) Margit von Lützow Rita Kiem Ingo Schöning, MPI Jena Karin Eusterhues, Uni Jena Cornelia Rumpel, CNRS, Paris-Grignon Seniorenstudium LMU
