Der organische Kohlenstoff im Boden (SOC) ist für die Gewährleistung wichtiger Bodenfunktionen unerlässlich, stellt aber auch eine potenzielle CO2-Quelle oder -Senke dar und ist somit für den Klimawandel von Bedeutung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Bestimmung des Beitrags von Maisernterückständen (Wurzeln und Stoppeln) zum SOC durch Isotopenanalysen. Es wurde erwartet, dass der Maisanbau zu einem messbaren Anstieg des δ13C des SOC in ehemaligen C3-Pflanzenfruchtfolgen führt.
In einem langfristigen Feldversuch in Viehhausen (Bayern, Deutschland) mit 10 verschiedenen Fruchtfolgen mit unterschiedlichen Anteilen von Zea mays (0, 25 oder 50 %) und organischer Düngung wurde der Beitrag von Maisernterückständen auf den SOC ermittelt. Die Analyse der SOC-Verteilung auf der Versuchsfläche in den verschiedenen Jahren diente zur Ermittlung der Bodenheterogenität. Der Anteil des SOC aus dem Silomaisanbau, bei dem nur die Wurzeln und die Stoppeln auf dem Feld verbleiben, wurde mit Hilfe der Technik zur Messung der natürlichen 13C-Häufigkeit und Regressionsanalysen berechnet. Die vergangene, gegenwärtige und künftige Isotopenzusammensetzung des Versuchsgeländes wurde modelliert und mit gemessenen Daten verglichen, wobei von einer Abbaukinetik erster Ordnung ausgegangen und ein C-Bilanzmodell (CANDY) verwendet wurde, das Ertragsdaten und organische Düngung sowie Boden- und Düngeranalysen integriert.
Die Bodenheterogenität wurde hauptsächlich durch eine ehemalige Straße verursacht, die bis 1980 durch die Versuchsfläche führte. Der SOC-Gehalt der Versuchsfläche stieg von 1,10 % im Jahr 2009 auf 1,31 % im Jahr 2017 an. Der SOC-Anstieg der einzelnen Fruchtfolgen korrelierte signifikant mit den im C-Bilanzmodell berechneten C-Einträgen aus Ernterückständen und organischer Düngung. Unterschiedliche SOC-Gehalte sowie die Variation der SOC-Zunahme zwischen einzelnen Parzellen mit gleicher Bewirtschaftung deuteten auf nicht-stationäre Verhältnisse hin. Die Annahme einer ausschließlichen Zersetzung erster Ordnung war nicht gerechtfertigt, aber die Zunahme des SOC-Gehalts musste bei der δ13C-Modellierung berücksichtigt werden. Im Durchschnitt wurden 16,9 % C durch Maiswurzeln und Stoppeln im Oberboden (30 cm) der Versuchsfläche nach 12 Jahren Anbau ersetzt (unter der Annahme von 100 % Mais in der Fruchtfolge). Daraus ergab sich ein Gesamt-C-Input von 8450 kg ha-1 durch Maisernterückstände in 12 Jahren. Die Berechnung der Menge an Maisernterückständen mit CANDY ergab, dass etwa 50 % des C aus Maisernterückständen in den SOC gelangten, während die anderen 50 % mineralisiert wurden. Der δ13C-Umsatz seit 1961 wurde in Übereinstimmung mit den Messdaten der Bodenproben von 2009 und 2017 erfolgreich modelliert. Die Modellierung ergab einen unerwartet hohen Einfluss des früheren Körnermaisanbaus (1961 - 1995) auf die gegenwärtige Isotopenzusammensetzung der SOC. Daraus folgte, dass sich δ13C des SOC bei einem mittleren Maisanteil in der Fruchtfolge nicht ändern sollte, während eine leichte Abnahme bei einer reinen C3-Folge und eine leichte Zunahme bei einem Maisanteil von 50 % das Ergebnis sein sollte.
Infolgedessen sind nur geringe Änderungen von δ13C (in entgegengesetzter Richtung) durch die gegebenen Fruchtfolgen zu erwarten. In Kombination mit dem gegebenen SOC-Umsatz ändert sich δ13C zwischen 2004 und 2017 in einem Bereich von weniger als 2 ‰. Somit waren die gemessenen Änderungen von δ13C zwischen 2009 und 2017 unbedeutend, obwohl sie den Vorhersagen folgten. Es gab 2017 einen signifikanten Unterschied in δ13C zwischen Parzellen mit 0 und 50 % Mais in der Fruchtfolge, was den Einfluss von Maiswurzeln und Stoppeln auf den δ13C-Umsatz bestätigt.
Aufgrund des komplexen Versuchs konnte der Umsatz nicht nur auf der Grundlage eines bestimmten Szenarios berechnet und modelliert werden, sondern auch für eine Vielzahl von Fruchtfolgen mit unterschiedlicher Düngung. Die Ergebnisse sind daher allgemeiner als bei vergleichbaren Untersuchungen, bei denen z.B. nur eine Maismonokultur untersucht wurde. Da auch die Komplexität des Versuchsaufbaus im Modell abgebildet werden musste, hat das Modell an Zuverlässigkeit gewonnen und kann auch für die Berechnung des δ13C-Umsatzes anderer Feldversuche geeignet sein.
Die Modellierung war ein wertvolles Instrument zur Quantifizierung der Wechselwirkungen zwischen dem in Menge und Isotopenzusammensetzung variierenden Ernterückständen, der variierenden Netto-SOC-Sequestrierung und dem SOC-Umsatz. Dies erleichterte die Interpretation der Ergebnisse und die Entflechtung der komplexen Einflüsse auf den SOC.
«Der organische Kohlenstoff im Boden (SOC) ist für die Gewährleistung wichtiger Bodenfunktionen unerlässlich, stellt aber auch eine potenzielle CO2-Quelle oder -Senke dar und ist somit für den Klimawandel von Bedeutung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Bestimmung des Beitrags von Maisernterückständen (Wurzeln und Stoppeln) zum SOC durch Isotopenanalysen. Es wurde erwartet, dass der Maisanbau zu einem messbaren Anstieg des δ13C des SOC in ehemaligen C3-Pflanzenfruchtfolgen führt.
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