Universität zu Köln

Wiesenberg, Guido Lars Bruno (2004). Input and turnover of plant-derived lipids in arable soils. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Soil organic matter plays a central role for the global and especially for the terrestrial carbon cycle. As a result of climate problems, due to the significant increase of greenhouse gases (e.g. CO2), suitable possibilities are needed to regulate the global carbon cycle. Especially the terrestrial part of the global carbon cycle seems to be suitable for regulative interventions. Until now, there is rare knowledge, which mechanisms are responsible for the fixation and mobilisation of carbon in soils. In this study, the unanswered questions shall be discussed to make recommendations, which measures can be forced in order to increase soil carbon pools sustainably. Analyses in this study were performed on soil and plant samples of several long-term agricultural trials of either urban (Halle/Saale, Germany) or rural areas (e.g. Rotthalmünster, Germany). Within the enforcement of this study a lot of new findings were made concerning the dynamics of carbon in agro ecosystems of temperate climates. The most important results are as follows: i. A reproducible, inexpensive, automated and fast extraction and separation procedure for soil lipids was successfully adopted and optimised. ii. Long-chain n-carboxylic acids were found to be best suitable for the molecular differentiation between cereal crops following distinct photosynthesis pathways (C3- and C4-plants) and the corresponding monoculture cropped soils. Alkanes and short-chain carboxylic acids are only of limited use for the differentiation between these plant types. This is due to similar distribution patterns in both plant types. Additionally, other sources of short-chain carboxylic acids in soils, like bacteria and fungi as well as fossil sources of alkanes like brown coal with similar distribution patterns, make it difficult to use these compounds as differentiation parameters. iii. As determined with the use of archived arable soil samples, significant soil carbon modifications as a result of the atmospheric Suess effect, like isotopic changes and amount of biomass incorporation, are expectable in the medium-term in arable soils. Suess effect induced modifications of soils mainly depend on amounts of biomass incorporation in soils and tillage practises applied. Within a few years of practising or low biomass incorporation these effects can be determined poorly, because marginal modifications in soil management, e.g. ploughing depth variations, may overlay modifications caused by the Suess effect in short periods. iv. For the first time turnover times of several individual lipids and lipid fractions were determined in this study. Within a few decades (20-60 years) lipids are turned over in agricultural soils, while bulk carbon is turned over significantly slower. Determined turnover times based on stable and radioactive carbon isotopes could be compared hardly, because low contributions of fossil 14C-free carbon cause high turnover times, when applying the radioactive method. For soils of the low contaminated Rotthalmünster site several lipid fractions like carboxylic acids showed similar turnover times based on stable (27 years) and radioactive (42 years) carbon isotopes. Hence, especially carboxylic acids can be classified as an uncontaminated lipid fraction, yielding realistic turnover times for predominantly plant-derived and microbial organic matter. Especially the alkane fraction, which is widely used for the calculation of new carbon proportions and source apportionment of C3- and C4-plant-derived organic matter, show high 14C ages resulting by pollution with fossil carbon (e.g. fossil fuel burning or direct input of oil and brown coal dust) for rural sites, too. Thus, alkanes can be used for turnover time calculations only with care. Additionally, actual contributions of different plant compartments to soil organic matter and their isotopic compositions directly before harvest are required for realistic turnover time determinations on a molecular level. Otherwise major errors could not be avoided. v. In contrast to previous determinations for lipids in peaty and acidic soils, lipids were found to be less stable in agricultural soils. Generally, lipids are part of the intermediate stable carbon pool in soils. As demonstrated for bulk agricultural soils, incorporation and turnover of carbon mainly depends on soil management like tillage and biomass contribution. In tilled agricultural soils a fast turnover is expectable due to annual mixing of the ploughed horizon with surficial plant residues. Contrastingly, in soils with high biomass contributions and surficial tillage, a carbon and lipid enrichment can be expected, similar to grassland or forest soils. Summarizing, sustainable management of agricultural soils in combination with large biomass contributions may lead to an increasing fixation of carbon and lipids in soils.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Eintrag und Umsatz von pflanzenbürtigen Lipiden in Ackerböden German
Translated abstract:	Abstract Language Die organische Bodensubstanz spielt eine zentrale Rolle für den globalen und vor allem für den terrestrischen Kohlenstoffkreislauf. Im Rahmen der Klimaproblematik, beruhend auf einer gravierenden Zunahme der Treibhausgase (u.a. CO2), wird nach geeigneten Möglich-keiten zur Regulation des globalen Kohlenstoffkreislaufs gesucht. Vor allem der terrestrische Teil des globalen Kohlenstoffkreislaufs scheint geeignet zu sein, regulierend, das heißt z.B. in Form von nachhaltigen Bodenbewirtschaftungsmethoden, auf ihn einzuwirken und somit vermehrt Kohlenstoff zu fixieren. Allerdings gibt es bisher kaum Erkenntnisse, welche Mechanismen für den Einbau und die Freisetzung von Kohlenstoff im Boden verantwortlich sind. Ein Teil der bislang offenen Fragen soll in dieser Studie näher erörtert werden, um nach Möglichkeit Empfehlungen zu geben, welche Maßnahmen in Bezug auf eine nachhaltige Erhöhung der Kohlenstoffvorräte in Böden gemäßigter Breiten ergriffen werden können. Im Rahmen der durchgeführten Arbeiten an Böden und Nutzpflanzen mehrerer statischen, ackerbaulicher Versuchsflächen sowohl stadtnaher (Halle/Saale, Deutschland), als auch ländlicher Standorte (z.B. Rotthalmünster, Deutschland) haben sich zahlreiche neue Erkenntnisse in Bezug auf die Dynamik des Kohlenstoffs in Agrikulturökosystemen gemäßigter Breiten ergeben. Die wichtigsten Resultate ergeben sich wie folgt: i. Ein gut reproduzierbares, kostengünstiges, automatisiertes, schnelles Extraktions- und Auftrennungsverfahren für Lipide in Böden ließ sich erfolgreich adaptieren und optimieren, wie unter Wiesenberg et al. (2004a) bereits publiziert wurde. ii. Es zeigte sich, dass langkettige n-Carboxylsäuren hervorragend zur molekularen Differenzierung zwischen ackerbaulichen Gräsern mit unterschiedlichen Photosynthese-mechanismen (C3- und C4-Pflanzen) geeignet sind. Diese Differenzierung ist sowohl zwischen den Pflanzen selbst als auch zwischen den mit den entsprechenden Pflanzen genutzten Böden möglich. Alkane und kurzkettige Carboxylsäuren eignen sich hingegen nur bedingt zur Differenzierung zwischen diesen Pflanzentypen, da die Verteilungsmuster der unterschiedlichen Pflanzen sehr ähnlich sind. Außerdem gibt es in Böden zahlreiche weitere Quellen für kurzkettige Carboxylsäuren wie z.B. Bakterien, Pilze und für Alkane auch fossile Quellen wie Braunkohle, die für diese Komponenten in Böden eine Differenzierung zwischen den Pflanzentypen erschweren. iii. Untersuchungen und Abschätzungen an Ackerböden aus Langzeitarchiven zeigten, dass in diesen durchpflügten Böden mit hohen Biomasseeinträgen Veränderungen infolge des atmosphärischen Suess Effekts mittelfristig zu erwarten sind. Über Beobachtungs-zeiträume von nur wenigen Jahren sind diese Effekte jedoch nur schwer nachzuweisen, da geringe Variationen in den Bewirtschaftungsmethoden (z.B. Pflugtiefenveränderungen) die Suess Effekt bedingten Veränderungen leicht überlagern können. iv. Entgegen bisheriger Annahmen konnte im Rahmen dieser Studie nachgewiesen werden, dass Lipide in Ackerböden innerhalb weniger Dekaden (20-60 Jahre) umgesetzt werden, wohingegen der Gesamtkohlenstoff deutlich langsamer umgesetzt wird. Die mit Hilfe von stabilen und radioaktiven Kohlenstoffisotopen ermittelten Umsatzraten sind nur schlecht miteinander zu vergleichen, da geringe Verunreinigungen mit fossilem, 14C-freiem Kohlenstoff bei der radiogenen Methode hohe Verweilzeiten vortäuschen. Für den ländlichen Standort Rotthalmünster ergaben sich jedoch zumindest für die Lipidfraktion der Carboxylsäuren ähnliche mittlere Verweilzeiten für stabile (27 Jahre) und radioaktiven Kohlenstoffisotope (42 Jahre), weswegen diese Fraktion als unbelastet einzustufen ist und realistische Umsatzzeiten ergibt. Vor allem die Fraktion der Alkane, mit deren Hilfe auf anderen Versuchsflächen schon Kohlenstoffumsätze berechnet wurden, eignet sich aufgrund von Verunreinigungen und demzufolge erhöhter 14C-Alter nur bedingt für Umsatzratenbestimmungen. Es zeigte sich weiterhin, dass für die Umsatzzeitenbestimmungen von Lipidfraktionen basierend auf stabilen Kohlenstoffisotopen die tatsächlichen Kohlenstoff-Einträge aus unterschiedlichen Pflanzenkompartimenten und deren isotopische Zusammensetzung verifiziert werden müssen, da ansonsten große zeitliche Fehler entstehen können. v. Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass Lipide in Ackerböden weniger stabil sind als aufgrund von vorherigen Untersuchungen an torfigen, säurereichen Böden zu erwarten war. Allgemein lassen sie sich dem intermediär stabilen Kohlenstoff-Pool im Boden zuordnen. Wie für Gesamtböden gezeigt werden konnte, ist für Ackerböden der Kohlenstoffeintrag und -umsatz maßgeblich vom Management und dem Biomasseeintrag abhängig. Allgemein ist zu resümieren, dass eine schonendere Bewirtschaftung der Ackerböden in Verbindung mit hohem Biomasseeintrag eine erhöhte Fixierung von Kohlenstoff und Lipiden in diesen Böden erwarten lässt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Wiesenberg, Guido Lars Bruno guido.wiesenberg@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-14114
Date:	2004
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute of Geology and Mineralog
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Ackerböden , Umsatzrate , Umsatzzeit , Alkane , Carbonsäuren German Agricultural soils , Turnover rate , Turnover time , Alkanes , Carboxylic acids English
Date of oral exam:	9 November 2004
Referee:	Name Academic Title Schwark, Lorenz Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1411