Universität zu Köln

Impacts of Soil Redistribution Processes on Soil Organic Carbon Stocks and Fluxes in a Small Agricultural Catchment

Dlugoß, Verena (2011) Impacts of Soil Redistribution Processes on Soil Organic Carbon Stocks and Fluxes in a Small Agricultural Catchment. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Soils play a major role in the global carbon cycle and have a huge potential for either sequestering or releasing carbon (C) to the atmosphere. Globally, large amounts of soil organic carbon (SOC) are laterally redistributed on sloped arable land by soil erosion. Besides the lateral SOC fluxes, soil erosion also indirectly alters the vertical C fluxes between terrestrial and aquatic ecosystems and the atmosphere. Whether this results in a net source or sink of atmospheric CO2 is unclear. Global estimates range from a source of ~1 Pg C per year to a sink of the same magnitude. Against this background, this study investigates impacts of soil redistribution processes on SOC stocks and fluxes and the corresponding C source or sink function in a small agricultural catchment (4.2 ha) in Germany. Spatial patterns of SOC stocks were studied by analysis of soil samples of the plough layer and two subsoil layers (up to a depth of 0.9 m) taken in a 17 x 17 m raster. Results revealed a substantial accumulation and stabilisation of SOC in the subsoil at depositional sites, stressing the importance of subsoil C for budgets on agricultural land prone to erosion. In situ measurements of soil respiration were carried out in the most dynamic area with respect to soil redistribution in three consecutive growing periods (2007-2009). No universal relation to modelled patterns of soil redistribution or to other parameters (soil properties, plant parameters, and terrain attributes) was found for the three measurement periods, underlining the large variability of soil respiration. However in two years, heterotrophic soil respiration was significantly linearly related to total erosion (including water and tillage erosion). Hence, a possible C sink at erosion sites might partly be compensated by enhanced mineralisation at depositional sites. Besides bulk SOC, depth distributions of particle-size SOC fractions at erosional, depositional, and reference (without erosion or deposition) sites were compared to improve the understanding of the involved processes. Results showed that the labile SOC pool was depleted in the topsoil of eroding profiles, indicating that the reduced decomposition not only resulted from a general depletion of SOC but also from a relative higher abundance of more passive SOC pools. As the labile SOC pool was also depleted in the topsoil at the depositional profile, this fraction was either mineralised during transport or rapidly after deposition, or it was exported out of the test site. On the one hand, this supports an enhanced mineralisation at depositional sites, and on the other hand, this suggests an enrichment of the labile pool in the exported soil. For a spatially integrated analysis of the impact of soil redistribution on SOC dynamics at the catchment scale, the combined soil erosion and SOC model SPEROS-C was modified and applied at the test site. It was applied for the period from 1950 to 2007, covering first a period of conventional tillage followed by a period of conservation tillage. Measured SOC stocks in the three soil layers were satisfactorily reproduced, indicating a good process representation within the model. Deposition was successfully validated by two depth profiles of 14C measured by accelerator mass spectrometry. The erosion induced net vertical C flux showed substantial spatial variation within the test site. Depositional areas acted as a C source due to the mineralisation of buried C while erosional sites acted as a C sink due to (partial) dynamic C replacement. As erosion sites constituted two thirds of the catchment area, the erosion induced mean net vertical C flux was a sink for atmospheric CO2 at the test site. However, a substantial amount of C was lost laterally due to the export by water erosion. This resulted in an overall negative C balance for the test site. Land management had a profound effect on the lateral and vertical C fluxes. The change from conventional to conservation agriculture reduced the lateral C export and enhanced the vertical C fluxes, leading to a reduced negative C balance. Overall, this study substantially improves the knowledge about the impacts of soil redistribution on SOC stocks and fluxes at the small catchment scale and provides improved and new methods applicable in future research.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Böden nehmen eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf ein und haben ein großes Potential zur Bindung und Freisetzung von Kohlenstoff (C). Auf geneigten Ackerflächen werden global große Mengen organischen Bodenkohlenstoffs (Corg) durch Bodenerosion verlagert. Neben diesem lateralen Corg-Fluss verändert Bodenerosion zudem die vertikalen C-Flüsse zwischen terrestrischen und aquatischen Ökosystemen und der Atmosphäre. Es ist unklar, ob diese Veränderungen eine Quelle oder Senke für atmosphärisches CO2 darstellen. Globale Schätzungen reichen von einer Quelle von ~1 Pg C pro Jahr bis zu einer Senke derselben Größenordnung. Vor diesem Hintergrund untersucht diese Arbeit die Auswirkungen von Bodenerosionsprozessen auf Speicher und Flüsse des organischen Bodenkohlenstoffs sowie die daraus resultierende C-Senke oder -Quelle in einem kleinen agrarisch genutzten Einzugsgebiet (4.2 ha) in Deutschland. Räumliche Muster des Corg-Bestands wurden mit Hilfe von Bodenproben aus dem Pflughorizont und aus zwei Unterbodenschichten (bis 0.9 m Tiefe), entnommen in einem 17 x 17 m Raster, untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Akkumulation und Stabilisierung von Corg im Unterboden von Depositionsstandorten und betonen so die Notwendigkeit der Berücksichtigung von Unterbodenschichten bei der Erstellung von C-Bilanzen in Gebieten mit Bodenerosion. In situ Messungen der Bodenatmung wurden in drei aufeinanderfolgenden Vegetationsperioden (2007-2009) im dynamischsten Bereich hinsichtlich der Bodenerosion im Untersuchungsgebiet durchgeführt. Da keine allgemeingültige Beziehung der Messungen zu modellierten Mustern der Bodenerosion und zu weiteren Parametern (Bodeneigenschaften, Pflanzenparameter und topographische Eigenschaften) für alle drei Messperioden gefunden werden konnte, wurde der stark variable Charakter der Bodenatmung hervorgehoben. In zwei Messperioden gab es jedoch einen signifikanten linearen Zusammenhang der heterotrophen Bodenatmung zur Gesamterosion (Wasser- und Bearbeitungserosion). Demzufolge könnte eine mögliche C-Senke an Erosionsstandorten teilweise durch eine verstärkte Mineralisierung an Depositionsstandorten kompensiert werden. Zur Verbesserung des Prozessverständnisses wurden neben der Untersuchung des organischen Gesamtkohlenstoffs Tiefenprofile von korngrößenspezifischen Corg-Fraktionen an Erosions-, Depositions- und Referenzstandorten (ohne Erosion und Deposition) verglichen. Der labile Corg-Pool war im Oberboden der Erosionsprofile abgereichert. Dies zeigt, dass eine reduzierte Mineralisierung an Erosionsstandorten nicht nur aus einer generellen Abreicherung von Corg stammt, sondern auch durch das relativ höhere Vorhandensein passiver Pools. Da der labile Pool auch im Oberboden der Depositionsprofile abgereichert war, wurde diese Fraktion entweder während des Transports oder direkt nach der Ablagerung mineralisiert, oder sie wurde aus dem Untersuchungsgebiet exportiert. Einerseits unterstützt dieses Ergebnis eine erhöhte Mineralisierung an Depositionsstandorten, andererseits deutet es auf eine Anreicherung von labilem Corg in exportiertem Bodenmaterial. Für eine räumlich integrative Analyse des Einflusses der Bodenerosion auf die Dynamik von Corg wurde das kombinierte Erosions- und Bodenkohlenstoffmodell SPEROS-C verändert und im Untersuchungsgebiet für den Zeitraum 1950 bis 2007 angewendet. Der Simulationszeitraum umfasste eine Periode konventioneller Bewirtschaftung und eine darauffolgende Periode konservierender Bewirtschaftung. Die zufriedenstellende Reproduktion der gemessenen Corg-Bestände in den drei Bodenschichten bestätigte eine gute Prozessdarstellung im Modell. Die kumulative Deposition wurde erfolgreich anhand zweier mit Beschleuniger-Massenspektrometrie gemessener 14C-Profile validiert. Der erosionsbedingte vertikale Netto-C-Fluss zeigte eine ausgeprägte räumliche Variabilität im Untersuchungsgebiet. Depositionsstandorte stellten eine C-Quelle aufgrund der Mineralisierung von begrabenem Corg dar, während Erosionsstandorte eine C-Senke aufgrund von (partiellem) dynamischen C-Ersatz waren. Da die Erosionsflächen ca. zwei Drittel der Einzugsgebietsfläche einnehmen, war der erosionsbedingte mittlere vertikale Netto-C-Fluss im Untersuchungsgebiet eine Senke für atmosphärisches CO2. Allerdings wurde eine große Menge Corg lateral durch Wassererosion aus dem Gebiet exportiert, so dass die Gesamtbodenkohlenstoffbilanz des Untersuchungsgebietes negativ war. Die Bewirtschaftung hatte einen großen Einfluss auf die lateralen und vertikalen C-Flüsse. Der Wechsel von konventioneller zu konservierender Bewirtschaftung verringerte den lateralen C-Export und erhöhte die vertikalen C-Flüsse, so dass die negative C-Bilanz verringert wurde. Insgesamt verbessert diese Arbeit erheblich das Prozessverständnis der Einflüsse von Bodenerosion auf Corg-Speicher und -flüsse auf der kleinen Einzugsgebietsskala und liefert gleichzeitig neue und verbesserte Methoden für zukünftige Untersuchungen.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Dlugoß, Verenaverena.dlugoss@uni-koeln.de
    Corporate Contributors: Geographisches Institut, Universität zu Köln
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-41557
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Earth sciences
    Agriculture
    Geography and travel
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    soil erosionEnglish
    soil organic carbonEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Geographisches Institut
    Language: English
    Date: 2011
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 05 April 2011
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 18 May 2011 15:15:37
    Referee
    NameAcademic Title
    Fiener, PeterPD Dr.
    Schneider, KarlProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4155

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