Reconciling turnover models of roots and soil organic carbon with radiocarbon measurements

verfasst von

Bernhard Ahrens

betreut von

Georg Guggenberger

Abstract

Terrestrische Ökosysteme und Böden sind wichtige Akteure im globalen Kohlenstoffkreislauf der Erde und eng mit der Entwicklung der atmosphärischen CO2-Konzentration und dem Klimawandel verbunden. Allein der Boden speichert ein Vielfaches des Kohlenstoffs in der Atmosphäre, und Bodenkohlenstoff-Prozesse könnten daher erhebliche Auswirkungen auf die atmosphärischen CO2-Konzentrationen haben. Um die Zeitskalen des Kohlenstoffkreislaufs in terrestrischen Ökosystemen zu verstehen, sind Radiokohlenstoffmessungen ein wichtiges Werkzeug. Dennoch stehen die Ergebnisse von Radiokohlenstoffmessungen oft im Widerspruch zu den Ergebnissen anderer Messtechniken: Für die Untersuchung des Wurzelumsatzes hat Radiokohlenstoff im Vergleich zu anderen Methoden, wie z.B. dem sequenziellen Entkernen oder Wurzelkameras, wesentlich längere Umsatzzeiten ergeben. Für die Untersuchung der organischen Bodensubstanz hat Radiokohlenstoff auf Pools verwiesen, die sich auf einer hundert- bis tausendjährigen Zeitskala befinden. Empirische Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass einzelne Verbindungen der organischen Bodensubstanz wesentlich schneller umgesetzt werden. Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation ist es, Umsatzmodelle von Wurzeln und organischem Kohlenstoff im Boden mit Radiokohlenstoffdaten in Einklang zu bringen, indem neues Prozessverständnis in diese Modelle integriert wird. Der erste Teil der Dissertation befasst sich mit der Vereinbarkeit von Radiokohlenstoffgehalten von Feinwurzeln und Minirhizotron-Beobachtungen von Feinwurzellebensspannen. Zur Simulation des Wurzelumsatzes wurde bisher hauptsächlich ein Ein-Pool-Modell verwendet. Dieses Modell geht von einer konstanten Wahrscheinlichkeit für das Absterben einer Wurzel über ihre gesamte Lebensdauer aus. Minirhizotron-Beobachtungen haben jedoch auf eine höhere Wahrscheinlichkeit für das Absterben einer Wurzel zu Beginn ihrer Lebensdauer hingewiesen. In dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, Minirhizotron- und Radiokohlenstoffdaten zur gemeinsamen Schätzung der Wurzelumsatzzeiten zu verwenden. Zu diesem Zweck wurden Überlebensfunktionen aus dem Feld der Ereigniszeitanalyse verwendet, um die Lebensspanne einzelner Wurzeln zur Bestimmung der mittleren Verweilzeit von Feinwurzeln zu nutzen. Radiokohlenstoff in Feinwurzeln wurde über eine Faltung der Überlebensfunktionen mit der atmosphärischen Radiokohlenstoff-Kurve modelliert. Dieser Ansatz ermöglicht es, eine Kalibrierung von mittleren Verweilzeiten an Radiokohlenstoff- und Minirhizotron-Daten durchzuführen. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit der Vereinbarkeit von Tiefengradienten des organischen Kohlenstoffs und Radiokohlenstoffs im Boden mit einem neuen Modell zum Umsatz organischer Bodensubstanz. Das neue Modell berücksichtigt mechanistische Beschreibungen mikrobieller und organo-mineralischer Wechselwirkungen. Ziel war es, den Beitrag der mikrobiellen Limitierung und der organo-mineralischen Wechselwirkungen zu scheinbar tausendjährigen Radiokohlenstoffaltern des organischen Kohlenstoffs im Unterboden zu bestimmen. Hier wird einem Modell, das mit standortspezifischen Sorptionskapazitäten parametrisiert ist, eine allgemeingültigere Parametrisierung der Sorptionskapazität gegenübergestellt. Mit dieser allgemeingültigen Formulierung der Sorptionskapazität, die auf dem Ton- und Schluffgehalt basiert, können Unterschiede der Tiefengradienten von Radiokohlenstoff zwischen Standorten dargestellt werden. Nach der Kalibrierung an Profile von bodenorganischem Kohlenstoff und Radiokohlenstoff wurde mit Hilfe von Modellexperimenten die Bedeutung einzelner Prozesse und deren Zusammenspiel zur Erklärung von Radiokohlenstoff-Tiefengradienten untersucht. Ein besonderer Schwerpunkt wurde darauf gelegt, wie verschiedene Sorptionskapazitäten mit mikrobieller Limitierung zusammenwirken. Dieser Ansatz erlaubte es uns, scheinbar jahrtausendealte Radiokohlenstoffalter mit Mechanismen des mikrobiellen Abbaus und der Sorptionskapazität anstelle von chemischer Rekalzitranz zu erklären. Der mechanistische Rahmen, der in dieser Arbeit entwickelt wurde, hilft den Umsatz organischer Substanz im Boden, die unterirdischen Teile des globalen Kohlenstoffkreislaufs und schließlich seine Reaktion auf die globale Erwärmung besser zu verstehen.

Organisationseinheit(en)

Naturwissenschaftliche Fakultät

Typ

Dissertation

Anzahl der Seiten

232

Publikationsdatum

2021

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Ziele für nachhaltige Entwicklung

SDG 13 – Klimaschutzmaßnahmen, SDG 15 – Lebensraum Land

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/11347 (Zugang: Offen)