Rolle des Humus beim globalen Kohlenstoffkreislauf

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1 Leibniz University Hannover Institute of Soil Science Bodenkundliches Kolloqium 15. Fachtagung des VHE-Nord e.v., 11. Juni 213 in Hannover Ressource Humus Rolle des Humus beim globalen Kohlenstoffkreislauf Georg Guggenberger Institut für Bodenkunde Klimawandel Beobachteter und prognostizierter Temperatur- Anstieg (IP, 27) Vorhersage (A1B)

2 Klimawandel Increase in temperature and O 2 in the atmosphere (IP, 27) Mann et al. (1999) Heimann (1997) Langfristige O 2 -Senken: Verwitterung von Silikaten und arbonaten Atmosphärische O 2 -Konzentration als Funktion der Gebirgsbildung und anschließender Mineralverwitterung im Boden, z.b. O 2 + asio 3 ao 3 + SiO 2 Pagani et al. (29)

3 Kurzfristige O 2 -Senken: Pflanzen und Böden Der globale -Kreislauf unter Einfluss des Menschen IP, 2 3 Gt

4 Die Bedeutung des Bodens Die Humusvorräte im Boden sind nicht genau bekannt Im Boden ist 4 x so viel wie in der Atmosphäre und 5 x so viel wie in der terrestrischen Biomasse gespeichert Oberflächennahe -Pools Atmosphäre 75 Gt Terr. Biomasse 56 Gt Böden (-1cm) 1.5 Gt (-2cm) (2.4 Gt) neu ca. 3. Gt Schimel (1995), Stevenson (1985), Tarnocai et al. (29) Kleine Änderungen des -Vorrates im Boden führen zu großen Änderungen der atmosphärischen O 2 -Konzentration Kontrollfaktoren des Humusgehaltes Pflanzliche Biomasse Zwei Stellschrauben 1. Eintrag Landnutzung Management Düngung Ertrag Boden-Humus = Input * Umsatz (Gleichgewicht) 2. Austrag versus Stabilisierung = Funktion von Bodenbearbeitung Streuqualität Bodenlebewesen Abiotische Bodenumwelt

5 Eine zentrale Frage Die Funktion der Böden als -Senke liegt in der langen Verweilzeit der organischen Bodensubstanz im Boden begründet 14 -Alter von org. (Podsol) Ahe 525 a Warum wird organische Bodensubstanz im Boden so alt? Bh 12 a Bhs 745 a Bv-v 157 a v 384 a Kaiser et al. (22) J. Plant Nutr. Soil Sci. Foto: Karsten Kalbitz Mechanismen der Kohlenstoffspeicherung im Boden Schmidt et al. (211) Nature

6 Mechanismen der Kohlenstoffspeicherung im Boden Schmidt et al. (211) Nature Mechanismen der Kohlenstoffspeicherung im Boden Schmidt et al. (211) Nature

7 Mechanismen der Kohlenstoffspeicherung im Boden Physikalische Separation Interaktion mit Mineralen 2 nm Black arbon hemische Rekalzitranz HOO R Aliphatc Biopolymers Lignin? Physikalische Separation (z.b. in Aggregaten) Mittlere Umsatzzeit (MRT) des organischen in unterschiedlichen Aggregatgrößenklassen ermittelt durch einen Stabilisotopenansatz (Six and Jastrow, 22) Ökosystem Aggregatgrößenklasse µm MRT (Jahre) Tropische Makroaggregat >2 6 Weide Mikroaggregat <2 75 Temperate Makroaggregat Weide Mikroaggregat Maisacker Makroaggregat >25 42 Mikroaggregat Weizen - Brache Makroaggregat no till Mikroaggregat Weizen - Brache Makroaggregat conventional till Mikroaggregat Biophysikalische Stabilisierung in Makroaggregaten (manipulierbar) Beeinflusst den -Umsatz in mittleren Zeitskalen (= Dekaden) [ungeschützt beträgt die Umsatzzeit wenige Jahre]

8 Mechanismen der Kohlenstoffspeicherung im Boden Physikalische Separation Interaktion mit Mineralen 2 nm hemische Rekalzitranz Black arbon HOO R Aliphatc Biopolymers Lignin Interaktion mit Mineralen - wichtige Sorptionsprozesse Reaktion mit hydroxylierten Mineraloberflächen Innersphären Oberflächenkomplexierung (Ligandenaustausch) Fe-, A-l, Mn-Oxide, Allophane, Imogolite, Kanten der Tonminerale OH 2 + O O OH OH OH Reaktion mit Siloxanoberflächen Kationenbrücken Negativ geladene Siloxanoberflächen O O - M z+ H 2 O OH OH van der Waals-Kräfte Neutrale Siloxanoberflächen O OH OH OH

9 Beziehung von organischem Kohlenstoff zu pedogenem Eisen Der Gehalt an Eisenoxiden und anderen reaktiven, v.a. positiv geladenen Mineralen ist ein entscheidender Faktor für den Humusgehalt in Böden Alter von Mineralassoziierter organischer Substanz bis zu mehreren Tausend Jahren O [mg g -1 ] Oberböden Unterböden Fe DB [mg g -1 ] Kaiser und Guggenberger (2) Organic Geochemistry Dominierende Stabilisierungsmechanismen in Böden Biochemische Rekalzitranz Pyrogener Kohlenstoff: Terra Preta, Schwarzerden und andere Böden in Feuerökosystemen Lignin (bei geringem Redoxpotenzial): Moore Physikalische Separation Junge Böden (wenig pedogene Fe-, Al-Oxide) oder Böden mit hoher biologischen Aktivität: Schwarzerden, Parabraunerden Bildung mineral-organischer Assoziationen Böden mit hohen Gehalten an nicht-kristallinem Fe, Al) Podsole, saure Braunerden Vulkanische Böden (reich an Allophanen mit sog. Nahordnung) Andosole

10 Der Beitrag von Landnutzung zum -Fluss Ökosystem-Atmosphäre Gesamt nach Kontinenten Paustian et al. (2) Bis in die 196er waren Landnutzungsänderungen treibende Kraft des Klimawandels Der Beitrag von Landnutzung zum beim globalen -Kreislauf Die Entwicklung der -Gehalte von Prairieböden im letzten Jahrhundert Organische Substanz in 2 cm Bodentiefe (g/m²) Herkömmliches Pflügen Umwandlung von natürlicher Vegetation zu Ackerland, 197 Beginn des reduzierten Pflügens 53 % der OS von % der OS von Jahr Paustian et al. (2) Faustzahl: Ackerbau reduziert den Humusvorrat um 5%

11 Temperierte und tropische Böden im Vergleich Humusabbau in einer 65 Jahre kultivierter Schwarzerde (links) und einem 6 Jahre kultivierten Ferralsol (tropischer Boden) (rechts) O [Mg ha -1 (-2 cm)] Total- Umsatzzeit 98 a 144 a Min. ass.- aktiver Steppe Acker 55 a O [Mg ha -1 (-2 cm)] Total- Umsatzzeit 11 a 15 a Min. ass.- Wald Acker.5 a aktiver Tiessen et al. (1994) Böden der humiden Tropen verlieren sehr schnell v.a. aktiven Humus Durch Humusverluste werden kaum kationische Nährstoffe gespeichert Böden sind nicht für landwirtschaftliche Nutzung geeignet! Terra Preta als lokale Lösung Stabile organische Substanz in einem präkolumbianischen Boden Amazoniens (Terra Preta) (Glaser et al., 22) PMAS 13 NMR Spektrem Oxisol Terra Preta Black : Vorrat: 5 Mg ha -1 Biogenic : Vorrat: 7 Mg ha -1 Black : Umsatzzeit: 16 y Vorrat: 5 Mg ha -1 Biogenic : Vorrat: 15 Mg ha -1 Nachhaltig nutzbarer Boden in den Tropen Kann eine Möglichkeit im Gartenbau bzw. kleinbäuerlicher Bewirtschaftung darstellen

12 Die Problematik von Permafrostböden Permafrostböden bedecken global 22 Mio km 2 und 65% Russlands Konserviert organische Substanz (speichert ca. 1/2 der globalen organischen Bodensubstanz) neueste Schätzung (Schuur et al., 29): Pg reagieren sehr empfindlich auf Temperaturanstieg (Temperatur im Permafrost teilweise nur bis -1 o ) Was passiert durch das Auftauen des Permafrosts? Die Problematik von Permafrostböden Arbeitsgebiet Igarka Sporadisch (<1%) Diskontinuierlich (1-9%) Kontinuierlich (>9%) Permafrost taut auf: größere Auftautiefe Temperaturanstieg des Permafrosts Verschwinden von Permafrost

13 Das Kleineinzugsgebiet Little Grawijka reek am Yenisei P3 P7 P6 P3 P7 P6 Rodionov et al. (27) Vorräte an organischem Kohlenstoff bis in 2m Tiefe aktive Lage -1 Permafrost Moor ryo-gley Braunerde kg m kg m -2 8 kg m -2 zum Vergleich: terrestrische Böden (-1 cm) in Deutschland: ca. 1 kg m -2 Moore (-2 cm) in Deutschland: ca. 15 kg m -2 Rodionov et al. (27)

14 Methanflüsse zwischen Böden und Atmosphäre Netto-Methanaufnahme von August bis November H 4 -Fluss (mg m -2 ) P1 P4 P3 P5 P6 kein Permafrost Permafrostböden Flessa et al. (28) Terrestrische Böden in der Waldtundra sind Methan-Senken Böden mit Permafrost (Netto-Aufnahme ca. 1.5 kg H 4 ha -1 a -1 ) Böden ohne Permafrost (Netto-Aufnahme ca..5 kg H 4 ha -1 a -1 ) Methanflüsse zwischen Böden und Atmosphäre Thermokarsttümpel (entstanden durch Permafrost-Degradation) Subhydrische Böden; teilweise mit Schwimmrasen P7 Blodau et al. (28)

15 Methanemission aus Thermokarstsee Methanaustausch der Thermokarsttümpel mit der Atmosphäre Jul 13-Okt 11-Jan 11-Apr 1-Jul? H 4 (µg m -2 h -1 ) 1 5 gefroren Flessa et al. (28) Thermokarsttümpel sind starke Methanquellen Kumulative Methanflüsse pro Flächeneinheit (m 2 ) Methanfluss: Juli 26-August 27 Boden ohne Permafrost H 4 -Fluss (mg m -2 ) Boden mit Permafrost -5 Thermokarst Böden ohne Böden mit Permafrost Thermokarst bereich Flessa et al. (28)

16 Kumulative Methanflüsse absolut im Einzugsgebiet Prozentanteil der Fläche Methanfluss (kg Jahr -1 ) Methan-Flüsse im.44 km 2 großen Einzugsgebiet Thermokarst repräsentiert nur 2% des Einzugsgebietes, kontrolliert aber die Methanemissionen Große Frage: Wie viel Kohlenstoff wird als O 2 und als H 4 mobilisiert? -2-4 Flessa et al. (28) Rolle des Humus beim globalen Kohlenstoffkreislauf Schlussfolgerungen - Humus (organische Bodensubstanz) ist der weltweit größte aktive Kohlenstoffpool - Kleine Veränderungen dieses Pools führen zu großen Veränderungen im atmosphärischen Kohlenstoffpool - Die Humusspeicherung im Boden wird durch Umweltbedingungen im Boden kontrolliert; veränderte Umweltbedingungen führen zur Mobilisierung von Kohlenstoff - Landbewirtschaftung sind eine global wichtige Kohlenstoffquelle - Humus-degradierte Böden können Senkenfunktion innehaben - Permafrostböden stellen gegenwärtig unter Umständen das größte Risiko bezüglich des Klimawandels dar (positive Rückkopplung)

17 Danke schön!