GEO 311.2 Angewandte Bodenkunde Einführung Ziel des Moduls ...

GEO 311.2 Angewandte Bodenkunde
Einführung
Ziel des Moduls Angewandte Bodenkunde ist es einen Einblick in die Aufgaben der angewandten
Bodenkunde zu geben und anhand von Beispielen aus der Praxis zu vertiefen. Beispiele kommen aus den
folgenden Bereichen
- Kantonaler Umweltschutz Stadt Luzern.
- Agroscope, Forschungsanstalt des Bundesamts für Landwirtschaft
- WSL, Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL
- Grundlagenforschung am Lehrstuhl für Bodenkunde & Biogeographie
Zusätzlich werden Sie sich methodisches Handwerkszeug erarbeiten, das Sie auch bei zukünftigen
wissenschaftlichen Arbeiten (also auch z.B. in BSc und MSc-Arbeiten) verwenden werden.
- Selbständiges Erschliessen von Fachliteratur: sekundäre Literatur (populärwissenschaftliche Artikel,
Lehrbuch, Überblicksartikel, primäre Literatur: Originalarbeiten.
- Aus- und Bewerten von Primärdaten
-Verfassen eines Kurzgutachtens.
Für die Lehrveranstaltung werden 3 Anrechnungspunkte (=90 Arbeitsstunden) vergeben. Auf die
Kontaktstunden (Präsenzzeit in Vorlesung und Besprechung entfallen knapp 30 Stunden, der Rest ist für
selbständige Arbeiten vorgesehen.
Die Modulnote setzt sich aus den drei Teilnoten der bewerteten Übungen zusammen (je 1/3). Es findet
keine Klausur statt. In der letzten Semesterwoche werden Sie über die Note informiert. Teilnehmer mit
ungenügenden Noten haben die Chance bis zum letzten Freitag der Vorlesungszeit die geforderten
Verbesserungen zu machen und damit eine genügende Note zu erhalten (gilt nicht als Repetition). Wenn
die Verbesserungen nicht eingereicht werden, bzw. nicht den Vorgaben genügen, so gilt das Modul als
nicht bestanden und kann im folgenden Jahr wiederholt werden.
Modulleitung
PD Dr. Markus Egli
Prof. Dr. Michael W. I. Schmidt
Weitere Dozierende
Dr. Mathias Achermann (Umwelt Luzern)
Dr. Jens Leifeld (Agroscope)
Dr. Frank Hagedorn (WSL)
Ergänzend zu dieser Veranstaltung finden im 6. Semester folgende 1-tages Exkursionen statt (je 0.5 KP)
- Bodenforschung an Bundes-Forschungsanstalten im Raum Zürich
- Carbon Cycling

Programm und Termine im Wintersemester 2006/7
Datum Dozent
Abgabe Übung direkt vor der Stunde
27. Okt Egli
03. Nov Egli
10. Nov Selbsstudium
17. Nov Egli 1. Übung abgeben
24. Nov Egli 2. Übung abgeben
01. Dez Achermann
08. Dez Egli
15. Dez Schmidt / Leifeld
22. Dez Schmidt
12. Jan Schmidt
19. Jan Hagedorn 3. Übung abgeben
26. Jan Leifeld
02. Feb Schmidt
09. Feb Leifeld / Schmidt

Lernziele 1. Teil:
(1) Sie kennen die wichtigsten, verschiedenen Typen an Schadstoffen.
(2) Sie kennen die Bindungsformen von Schwermetallen im Boden.
(3) Sie kennen die Faktoren, die die Löslichkeit von Schwermetallen beeinflussen. Sie wissen, welche
Schwermetalle mobiler und welche weniger mobil sind.
(4) Sie kennen die wichtigsten organischen Schadstoffgruppen.
(5) Sie kennen die Parameter, die die Löslichkeit und somit die Aufnahme organischer Schadstoffe
beeinflussen.
(6) Sie kennen die wichtigsten, bodenrelevanten Säurequellen und können zwischen bodeninterner und -
externer Säureproduktion unterscheiden.
(7) Sie kennen die verschiedenen im Boden wirksamen Pufferbereiche.
(8) Sie kennen die ungefähre pH-Spannweite jedes Pufferbereichs.
(9) Sie kennen in den Grundzügen die wichtigsten Prozesse der einzelnen Pufferbereiche.
(10) Sie kennen die Auswirkungen einer starken Versauerung auf die Vegetation und wissen Bescheid über
antagonistische Effekte.
(11) Sie kennen die rechtlichen Grundlagen im Zusammenhang mit dem Bodenschutz in der Schweiz.
(12) Sie kennen das Konzept der VBBo.
(13) Sie erkennen die Bedeutung des physikalischen Bodenschutzes.
(14) Sie wissen, wie Erosion entstehen kann.
(15) Sie wissen, welche Faktoren die Erosion durch Wasser bestimmen.
(16) Sie kennen die verschiedenen Formen der Wassererosion.
(17) Sie kennen die wichtigsten Massnahmen gegen Erosion.

Lernziele 2. Teil:
(Müssen noch angepasst werden)
Sie kennen die quantitative Bedeutung verschiedener Flüsse und Vorräte im globalen und insbesondere im
terrestrischen C-Kreislauf (Atmosphäre, Vegetation, Boden).
Im terrestrischen C-Kreislauf können sie die Umsatzzeiten in den ober- und unterirdischen Kompartimenten
erläutern.
Sie kennen mögliche Prozesse und Einflüsse des Globalen Wandels auf die zukünftige C-Speicherung im
Boden.
Sie kennen die Hauptbestandteile der organischen Bodensubstanz und deren Abbau- und
Stabilisierungsprozesse.
Sie kennen die Abhängigkeit bodenbiologischer Prozesse von der Temperatur und die den Streuabbau
beeinflussenden Faktoren.
Sie kennen aktuelle experimentelle Ansätze zur Messung von C-Flüssen in Böden und können Vor- und
Nachteile manipulativer Experimente in Ökosystemen diskutieren.
Sie kennen global und regional typische Beispiele für C-Konzentrationen und -Vorräte in verschiedenden
Bodenhorizonten.
Sie kennen die wichtigsten globalen Quellen und Prozesse für die Treibhausgase Methan und Lachgas und
können die Begriffe 'Global Warming Potential’, 'CO2-Äquivalente’ und 'Emissionsfaktor’ erläutern.

Biogeochemische Kreisläufe im System Boden-Pflanze-Atmosphäre
1. Einführung
1.2 Der C-Kreislauf, Vergleich global, terrestrisch (Kimazonen), lokal (Mitteleuropa),
Quellen/Senken/Flüsse/SOC-Vorräte, Prozesse,
Why does Soil Organic Matter (SOM) matter? Bodenqualität, Klima
1.2 Treibhausgase, Bilanzen, Land- und Forstwirtschaft in der Schweiz, (Leifeld, ART).
2. Pflanzliche und mikrobielle Biomasse
Elementzusammensetzung, Cellulose, Lignin, Tannine, Lipide, PyC,
C-Isotope markieren Biomasse 12 C, 13 C, 14C
Abbau von Zucker, Lignin,
Umbau durch Feuer, Black Carbon
3. Organische Bodensubstanz (Black Box Soil Organic Matter)
Was ist SOM?
C und N, Marker in particle size and density fractions (ligin)
Feuer und Bodenbildung, pyrogener Kohlenstoff, (Exkurs Tessin)
DOC
(Woche 11: Hausaufgabe abgeben, Thema C-Vorräte in Waldböden, kombiniert mit 13 C-Turnover)
4. Böden in einem sich wandelnden Klima, (Hagedorn)
(CO 2 , Trockenheit, Temperatur, N-Deposition, Feuerfreuenz Stickstoff, CO 2 , Niederschlag),
Bodenbiologie Q10, Exkurs: Flussmessung mit LiCor, Rückkoppelungen (Hagedorn)
5. Abbau- und Stabilisierungsmechanismen SOM
Abbauprozesse, bei verschiedener Nutzung, Klima
Rekalzitranz, Wechelswirkung mit Mineralphase, Aggregate
Feldexperimente, Langfristige Messungen mittels Litterbag, 13 C-markierter Biomasse, FACE,
6. 1 SOM Umsatz in Feldexperimenten
, 13 C-Markierung und Messprinzipen, Einfluss des globalen Wandels (CO 2 , Trockenheit, Temperatur, N-7.1
6. 2 Modelle, Pools (Leifeld)
Deposition, Feuerfreuenz), Pool Grössen, Century, RothC, Modelling, 1/k, size bulk
7.1 Messung biogeochemischer Prozesse in Böden
7.2 Besichtigung GIUZ-Labore Biogeochemie:
1. Aufbereitung (Homogenisierung, Soxlet-Extraktion o.ä.),
2. Element-Zusammensetzung (AAS),
3. Molekulare Marker (GC)
4. Bodenrespiration
Literatur
Brady N. 2003. Elements of the Nature and Properties of Soils. Prentice Hall.
(Chapter 12, Soil Organic Matter: 498-542).
ISBN: 0-13-048038-X. 100 CHF
Scheffer F. 2002. Lehrbuch der Bodenkunde Scheffer / Schachtschabel, 15. Auflage. Spektrum
Akademischer Verlag, Berlin. (Kapitel 3.1, 31 Seiten)
Römpp Lexikon der Chemie, Thieme
http://www.roempp.com/prod/index1.html

1 Einführung
1.1 Der Kohlenstoff- (C) Kreislauf
Die zur Zeit aktuelleste und umfassendste Darstellung zum Thema Klimawandel findet sich beim
Intergovernmental Panel for Climate Change (IPCC): Climate Change 2001. The Scientific Basis
http://www.ipcc.ch/. Für diese Lehrveranstaltung besonders wichtig sind die Kapitel zum terrestrischen
Kohlenstoff (C)-Kreislauf (Terrestrial Carbon Processes 3.1 bis 3.2.2)
http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/095.htm

Figure: The global carbon cycle (IPCC 2001). Storages (PgC) and fluxes (PgC/yr) estimated for the 1980s. d)
Carbon cycling in the ocean not shown.
(a) Main components of the natural cycle. The thick arrows denote the most important fluxes from
the point of view of the contemporary CO 2 balance of the atmosphere: gross primary production and
respiration by the land biosphere, and physical air-sea exchange. These fluxes are approximately balanced
each year, but imbalances can affect atmospheric CO2 concentration significantly over years to centuries.
The thin arrows denote additional natural fluxes (dashed lines for fluxes of carbon as CaCO3), which are
important on longer time-scales. The flux of 0.4 PgC/yr from atmospheric CO2 via plants to inert soil carbon
is approximately balanced on a time-scale of several millenia by export of dissolved organic carbon (DOC) in
rivers (Schlesinger, 1990). A further 0.4 PgC/yr flux of dissolved inorganic carbon (DIC) is derived from the
weathering of CaCO3, which takes up CO2 from the atmosphere in a 1:1 ratio. These fluxes of DOC and
DIC together comprise the river transport of 0.8 PgC/yr. In the ocean, the DOC from rivers is respired and
released to the atmosphere, while CaCO3 production by marine organisms results in half of the DIC from
rivers being returned to the atmosphere and half being buried in deep-sea sediments - which are the
precursor of carbonate rocks. Also shown are processes with even longer time-scales: burial of organic
matter as fossil organic carbon (including fossil fuels), and outgassing of CO2 through tectonic processes
(vulcanism). Emissions due to vulcanism are estimated as 0.02 to 0.05 PgC/yr (Williams et al., 1992; Bickle,
1994).
(b) The human perturbation (data from Table 3.1). Fossil fuel burning and land-use change are the
main anthropogenic processes that release CO2 to the atmosphere. Only a part of this CO2 stays in the
atmosphere; the rest is taken up by the land (plants and soil) or by the ocean. These uptake components
represent imbalances in the large natural two-way fluxes between atmosphere and ocean and between
atmosphere and land.
(d) Carbon cycling on land. By contrast with the ocean, most carbon cycling through the land takes
place locally within ecosystems. About half of GPP is respired by plants. The remainer (NPP) is
approximately balanced by heterotrophic respiration with a smaller component of direct oxidation in fires
(combustion). Through senescence of plant tissues, most of NPP joins the detritus pool; some detritus
decomposes (i.e., is respired and returned to the atmosphere as CO2) quickly while some is converted to
modified soil carbon, which decomposes more slowly. The small fraction of modified soil carbon that is
further converted to compounds resistant to decomposition, and the small amount of black carbon
produced in fires, constitute the “inert” carbon pool. It is likely that biological processes also consume
much of the “inert” carbon as well but little is currently known about these processes. Estimates for soil
carbon amounts are from Batjes (1996) and partitioning from Schimel et al. (1994) and Falloon et al.
(1998). The estimate for the combustion flux is from Scholes and Andreae (2000). ‘t’ denotes the turnover
time for different components of soil organic matter.
Der Stickstoff-Kreislauf

The nitrogen cycle http://www.epa.gov/maia/html/nitrogen.html
The main component of the nitrogen cycle starts with the element
nitrogen in the air. Two nitrogen oxides are found in the air as a
result of interactions with oxygen. Nitrogen will only react with
oxygen in the presence of high temperatures and pressures found

near lightning bolts and in combustion reactions in power plants or
internal combustion engines. Nitric oxide, NO, and nitrogen
dioxide, NO2, are formed under these conditions. Eventually
nitrogen dioxide may react with water in rain to form nitric acid,
HNO3. The nitrates thus formed may be utilized by plants as a
nutrient.
Nitrogen in the air becomes a part of biological matter mostly
through the actions of bacteria and algae in a process known as
nitrogen fixation. Legume plants such as clover, alfalfa, and
soybeans form nodules on the roots where nitrogen fixing bacteria
take nitrogen from the air and convert it into ammonia, NH3. The
ammonia is further converted by other bacteria first into nitrite
ions, NO2-, and then into nitrate ions, NO3-. Plants utilize the
nitrate ions as a nutrient or fertilizer for growth. Nitrogen is
incorporate in many amino acids which are further reacted to make
proteins.
Ammonia is also made through a synthetic process called the Haber
Process. Nitrogen and hydrogen are reacted under great pressure
and temperature in the presence of a catalyst to make ammonia.
Ammonia may be directly applied to farm fields as fertilizer.
Ammonia may be further processed with oxygen to make nitric
acid. The reaction of ammonia and nitric acid produces ammonium
nitrate which may then be used as a fertilizer. Animal wastes when
decomposed also return to the earth as nitrates.
To complete the cycle other bacteria in the soil carry out a process
known as denitrification which converts nitrates back to nitrogen
gas. A side product of this reaction is the production of a gas
known as nitrous oxide, N2O. Nitrous oxide, also known as
"laughing gas" - mild anesthetic, is also a greenhouse gas which
contributes to global warming.

Figure: Total nitrogen deposition in the early ninetees GALLOWAY J.N. et al. (2004): Nitrogen cycles: past,
present and future. Biogeochemistry 70, 153-226.
Fig. Scales in biogeoscience cover several orders of magnitude (www.agu.org)
Literature
Europe’s Terrestrial Biosphere Absorbs 7 to 12% of European Anthropogenic CO2 Emissions
Janssens et al. 2003. Science 300, 1538. pdf (115 kB)
Biologische Kohlenstoffkreisläufe. Leistungsfähige Biosphäre
Fischlin & Buchmann 2004, in ETH Bulletin 293, 10-13 pdf (4.4 MB)
Einen kurzen Ueberblick gibt der folgende Aufsatz: A Look at Carbon Dioxide Sinks - Physics Today
(Sarmiento & Gruber, 2002).
http://www.aip.org/pt/vol-55/iss-8/p30.html

Zahlreiche Grafiken verdeutlichen die Auswirkungen des Klimawandels auf Landschaft, Landwirtschaft,
Cryosphäre etc. GRIDA
http://www.grida.no/climate/vital/impacts.htm
Klimaänderung, globale Umweltfolgen und Boden:ProClim-Forum Schweiz
http://www.climate-change.ch/Boden/welcome.html
1.2 Der terrestrische Kohlenstoffkreislauf
Terrestrial Net Primary Productivity
Gehalte Organischer Bodensubstanz
- im Oberboden: höchste Konzentrationen und Umsätze
- Unterboden: meist niedrigere Konzentrationen (Ausnahmen: Schwarzerden, Kolluvisole, Auenboden,
Podsole, Vertisole, Andosole). Geringe Konzentrationen aber oft bedeutende Vorräte
- abhängig von Klima, Textur, Grundwasserstand, Durchwurzelungstiefe sowie Art und Menge der
eingetragenen Biomasse (-> Black Box Soil Organic Matter)

Figure: The atlas of the biosphere.
http://www.sage.wisc.edu/atlas/maps.php
FIG. . The relationships between net primary productivity and (a) mean annual precipitation and (b) mean
annual temperature. Open squares are International Biological Program sites, open circles represent the
tropical forests survey, and dark circles are sites on the Maui moisture gradient that
varied in precipitation (MAP 5 2200–5050 mm), but not in temperature (MAT 5 16). (Schuur E. A. G. 2003.
PRODUCTIVITY AND GLOBAL CLIMATE REVISITED: THE SENSITIVITY OF TROPICAL FOREST GROWTH TO

PRECIPITATION JOURNAL?).
Figure: Carbon fluxes into (net primary productivity, NPP) and out of (soil respiration) different ecosystems,
compared to resulting carbon stocks in soils and plants. From IPCC (2001), Raich & Schlesinger (1992),
Mooney et al., (2001).

Why does soil organic matter matter?
Figure: Some of the ways in which soil organic matter influences soil properties, plant productivity, and
environmental quality. Many of the effects are indirect, the arrows indicating the cause-and-effect
relationships. It can readily be seen that the influence of soil organic matter are far out of proportion of the
relatively small amounts present in most soils (Brady 2003, p. 520).

1.3 Schweizer Böden als Quellen und Senken von
Treibhausgasen (Leifeld)
1.3 Böden als Quellen und Senken von Treibhausgasen
1.3.1 Globale Flüsse
Lachgas und Methan sind neben CO 2 wichtige anthropogen beeinflusste Treibhausgase,
die auch von Böden aufgenommen oder abgegeben werden. Ihr Anteil am gesamten
anthropogen beeinflussten Treibhauseffekt beträgt ca. 25%.
Tabelle 1. Das ‚global warming potential’ von Methan, CH 4 , und Lachgas, N 2 O, relativ
zu CO 2 bezogen auf einen 100-Jahreszeitraum (IPCC 2001).
Gas
Global Warming Potential
100-Jahreshorizont
Mittlere Verweildauer
in der Atmosphäre
(Jahre)
CO 2 1 50-200
CH 4 23 12
N 2 O 296 114
Fig. 1. Jährliche globale Flüsse von Methan und Lachgas relativ zu CO 2 (CO 2 -
Äquivalente). LULUCF: Land use, land-use change, and forestry. Im Vergleich zu CO 2
sind die anthropogenen Einflüsse bei CH 4 und N 2 O deutlich stärker (jährliche
terrestrische GPP ca. 120 Gt CO 2 ; IPCC 2001).

Tabelle 2. Wichtigste globale Quellen und Senken für Lachgas (IPCC 2001). Unter
Annahme einer bekannten stratosphärischen Senke dürfte die gesamte Quelle nur 16.2 Mt
N/Jahr betragen. Die ‚imbalance’ entspricht in etwa dem atmosphärischen Anstieg. Die
Böden machen über 50% der gesamten N 2 O-Emissionen aus.
Mt N/year
Natural Sources
Ocean 3.0
NH3-oxidation Atmosphere 0.6
Tropical Soils
Wet Forest 3.0
Dry Savannas 1.0
Temperate Soils
Forests 1.0
Grasslands 1.0
Sum Natural 9.6
Anthropogenic Sources
Agricultural Soils 4.2
Biomass Burning 0.5
Industrial Sources 1.3
Cattle and Feedlots 2.1
Sum Anthropogenic 8.1
Total Sources 17.7 (implied: 16.2)
Stratospheric Sink (Photodissociation) 12.3
Imbalance 3.9
Tabelle 3. Wichtigste globale Quellen und Senken für Methan (IPCC 2001). Die
‚imbalance’ entspricht in etwa dem atmosphärischen Anstieg, der sich aber seit den 90er
Jahren abschwächt. Eine weitere aktuell diskutierte Quellen sind Landpflanzen (10-60 Mt
CH 4 /Jahr). Die wichtigste ‚Senke’ ist die Reaktion des CH4 mit dem OH-Radikal in der
Troposphäre.
Mt CH4/year
Natural sources
Wetlands 115
Termites 20
Ocean 10
Hydrates 5
Sum Natural 150
Antropogenic sources
Energy 75
Landfills 40
Ruminants 80
Rice agriculture 100
Biomass Burning 55
Sum Anthropogenic 350
Total Source 500
Sinks
Soils 10
Trophosperic OH 450
Total sink 460

Imbalance 40

Tabelle 4. Abschätzung sämtlicher relevanter Aufnahmen und Abgaben von Böden für
CO 2 , CH 4 und N 2 O (globale Flüsse in Mt CO 2 -Äquivalente/Jahr; Leifeld 2006). Böden
sind Nettoemittenten für Treibhausgase in der Grössenordnung von 6.8-7.9 Gt CO 2 -
Äquivalenten pro Jahr. Zum Vergleich: Die gesamten anthropogenen Emissionen incl.
LULUCF betragen jährlich ca. 32 Gt CO 2 .
CO2 from land -use
change
Mineral
soils
Peatland
drai nage
CO2 uptake
by peat
growth
CH4
emi ssion
savings 1
CH 4 rice
agricu lt.
710 – 1200 269 -279 -162 1380
CH 4 intact
pea tlands
(all we tlands)
CH 4
oxidation 4
N2O from soils
N2O
agricultural
Natural
soils 6
soils 5
1070 – 1690 2
(2645 – 5451) 3 -667 1302 3160
1 Originating from peatland drainage. 2 Range only for intact peatlands. 3 Range for
all we tlands. 4 By aerobic soils. 5 Fertiliser -induced. 6 Including background
emission from agricultural soils. Based on Gorha m (1991) ; Paustian et al. (1997) ;
Cao et al . (1998 ); WBGU (1998 ); Spiers (1999); Smith et al. (2000) ; IPCC (2001);
Bouwman et al . (2002); Moore (2002 ); FAO (2003 ). Negative va lues indicate sinks.
1.3.2. Treibhausgase in der Schweiz
Fig. 2. THG-Emissionen der Schweiz seit 1990 (ohne LULUCF) (BAFU 2005).

4000
3000
2000
Gg CO2 (equivalent)
1000
0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
CO2 LULUCF
N2O agriculture
CH4 agriculture
-1000
-2000
-3000
Jahr
Fig. 3. Treibhausgasquellen- und Senken von Agrar- und Waldökosystemen in der
Schweiz. Die landwirtschaftlichen Emissionen haben seit 1990 um ca. 11% abgenommen
(Lachgas: Reduzierter Mineraldüngereinsatz und weniger Hofdüngeranfall durch
geringere Tierzahlen; Methan: Geringere Tierzahlen). Einbruch der Waldsenke durch
Sturm ‚Lothar’ Ende 1999. (BAFU 2005). Das max. Potential der landw. Böden der
Schweiz, C zu sequestrieren, liegt unter 1000 Gg CO 2 /Jahr (Leifeld et al. 2003).
Gülle- und
Mistlagerung
1.28
Handelsdünger; 1.07
Tierverdauung
108.14
Hofdüngeranwendung
1.37
Hofdünger 23.54
Andere Nutztiere 9.07
Rinder 99.07
N-Deposition; 2.19
N-Fixierung; 0.65
Moore 3.45
Weide; 0.50
Moore; 0.21
Erntereste; 0.72
Fig. 4. Aufteilung der Lachgas- (links)- und Methanemissionen (rechts) der
Landwirtschaft CH auf Kategorien (Gg).

1.3.3 Produktion und Verbrauch von N 2 O und CH 4 in Ökosystemen
1000 kg Alfalfa residues
C-to-N 16:1 288 kg C to CO 2
48% C, 480 kg C
3% N, 30 kg N
0.40
0.60
Microbial biomass
C-to-N 8:1
192 kg C
24 kg N
6 kg N excess
Soil inorganic N
1000 kg Wheat straw residues
C-to-N 80:1 288 kg C to CO 2
48% C, 480 kg C
Microbial biomass
C-to-N 8:1
0.6% N, 6 kg N
0.40
0.60
192 kg C
24 kg N
18 kg N needed
Soil inorganic N
Fig. 5. Die saisonale N-Dynamik in Böden wird stark durch die Qualität der
Pflanzenstreu gesteuert. N-reiche Streu (hier: Alfalfa) führt eher zu einer Freisetzung von
mineralischem N und möglicher nachfolgender Lachgasbildung, N-arme Streu (hier:
Weizenstroh) zu einer vorübergehenden N-Immobilisierung. In diesem Beispiel nutzen
die Mikroorganismen 40% (= Effizienz der Substratnutzung) der Streu für die
Biosynthese, der Rest wird zur Energiegewinnung veratmet.

Fig. 6. Lachgas entsteht bei zwei grundlegenden Redoxprozessen: Nitrifikation
(Oxidation von Ammonium zu Nitrat v.a. durch chemoautotrophe Bakterien, aerob) und
Denitrifikation (Reduktion von Nitrat bis max. N 2 v.a. durch Heterotrophe, anaerob). Die
römischen Ziffern zeigen die Oxidationszahl des Stickstoffs.

Fig. 7. Gemessene Lachgasflüsse im EU-Projekt GREENGRASS in verschiedenen
Graslandsystemen (Flechard et al., 2006). Ungedüngte Flächen zeigen z.T. eine
Nettoaufnahme von Lachgas.
Fig. 8. Modellierter Lachgasemissionsfaktor (Anteil Lachgasemission am ausgebrachten
N) in Abhängigkeit von wassergefüllten Porenvolumen und Bodentemperatur (links) und
gemessene Emissionsfaktoren im jahreszeitlichen Verlauf (rechts; Flechard et al. 2006).
Der mittlere Emissionsfaktor des IPCC für Hof- und Mineraldünger beträgt 1.25%, für
Weidegang 2%.

Eh = > +100 mV
Organic matter
input
NO 3- , Fe 3+ , Mn 4+
Methane emission
Methaneoxidation
Water table
Methanotrophs
depth
Eh = -200 bis +100 mV
NO 3- , Fe 3+ , Mn 4+
SO 4
2-
Eh = < -200 mV
SO 4
2-
Methanogenesis
Methanogens
Fig. 9. Bildung und Verbrauch von Methan in Böden. Methanogenese setzt bei sehr
negativen Redoxpotentialen (=stark reduzierte Bedingungen) ein, wenn alle
Oxidationsmittel (Nitrat, Metalloxide, Sulfat) verbraucht sind (z.B. Moore,
Marschböden). Die Methanoxidation setzt eine genügende Verweilzeit des Gases in der
oxidierenden Schicht (z.B. Oberboden im Moor) voraus. Wird das Methan z.B. in Form
von ‚bubbles’ freigesetzt, gelangt es direkt in die Atmosphäre.
Eh = > +100 mV
CH 4 + 2O 2 ! CO 2 + 2H 2 O
Methanotrophes
Eh = -200 bis +100 mV
Eh = < -200 mV
Two pathways of methane formation:
Methanogenes
1) CO 2 + 4H 2 ! CH 4 + 2H 2 O
2a) Fermentation org. matter ! acetate,
H 2 , CO 2 , ethanol,
2b) CH 3 COOH ! CH 4 + CO 2
Fig. 10. Methan entsteht aus der H 2 /CO 2 Methanogenese oder aus der acetoklastischen
Methanogenese (letztere auch in Wiederkäuern), d.h. aus Produkten der Fermentation.

2 Pflanzliche Biomasse
Figure: Typical composition of representative green-plant materials. The major types of organic compounds
are indicated left an the elemental composition at right. The ash is considered to include al the constituent
elements other than carbon, oxygen, and hydrogen (nitrogen, sulfur, calcium, etc.; Brady 2003. Figure 12.2,
p. 501).
Figure: Elemental composition (using the most abundant bioelements C, O, H) depicted in a ‚van Krevelen
plot’ of molar ratios for typical biopolymers, biomass and pyrogenic materials (adapted from Hammes et al.,
2006a).

Figure: Structure and chemical composition of the woody plant cell wall (from Fengel and Wegener, 1984);
W, wart layer; P, primary wall; ML, middle lamella; S, secondary wall.
Cellulose: häufigstes Biopolymer, kristalline Eigenschaften.

Figure Hemicellulose / Lignin: zweithäufigstes Bioploymer hochmolekulare, dreidimensionale Substanz in
verholzten Gefäss-Pflanzen Bsp.: Conferyl-Alkohol (Vorstufe des Lignins)

Vanilin
Figure: Beispiel der Identifizierung und Quantifizierung der Lignin-Monomere mittels Gas-Chromatographie.
Das Lignin-Polymer wird nasschemisch in mehrere Lignin-Monomere aufgespalten. Dieses Stoffgemisch
wird gaschromatographisch in die einzelnen Monomere aufgetrennt (x-Achse zeigt Retentionszeiten in
Minuten) und anhand der Peakfläche quantifiziert.
Figure: LipideZellwandbestandteile von Pflanzen und Mirkoorganismen (Bsp.: Blattwachse, Zellmembran C 26
n-Alkan.
Fig.: Gas chromatograms of soil lipid fractions after separation of total extract (sample Hm, sample set
1) into compound classes: (a) aliphatic hydrocarbons, IS = Internal Standard, (Wiesenberg, G. L. B.,
Schwark, L. & Schmidt, M. W. I. Improved automated extraction and separation procedure for soil lipid
analyses. European Journal of Soil Science 55 (2), 349-356.)
Exkurs: Kohlenstoff Isotope markieren die Biomasse
Was sind Isotope und warum sind die nützlich in der Bodenkunde?

Kohlenstoff Atomgewicht: 12,011
C: 12 O: 16 (12 + 2x16) = 44
Kern Natürliche Häufigkeit (%) CO 2 -Masse
12 C 98,89 44
13 C 1,11 45
14 C 0,00000000000012 (1,2 x 10 -12 ) 46
Nomenklatur: Die absoluten Häufigkeitsunterschiede zwischen den Isotopen sind zu gering, als dass man
sie mit Massenspektrometern genügend genau angeben kann. Deshalb wird die Isotopenzusammensetzung
relativ (R), d. h. als Verhältnis des selteneren zum häufigeren Isotop angegeben
Rare
Heavy
R = Abundant = Light =
13 C, 15 N, 18 O
12 C, 14 N, 16 O
und die Abweichung zu einem Standard wird in Promille (‰) angegeben. Beim Kohlenstoff ist dies der Pee
Dee Belemnite (Calcium Carbonat) Standard. Per Definition ist dessen Wert δ 13 C = 0 ‰.
δ 13 C = ( 13 C / 12 C Probe
13 C / 12 C Standard -1) x 1000
add info on 14C

Figure (A) Absolute frequencies of carbon isotope ratios ( 13 C) of C3 and C4 plants (n = 1000). (B) Absolute
frequencies of carbon isotope ratios ( 13 C) of beers brewed in the United States of America and in Canada.
(C) Absolute frequencies of carbon isotope ratios ( 13 C) of beers brewed in Europe, Mexico, Brazil, and the
Pacific Rim (Japan, Australia). Arrows indicate average 13 C values for two main beer ingredients, malted
barley (Gerste) and corn (Mais) sugar (Brooks et al. 2002. Heavy and Light Beer: A Carbon Isotope
Approach To Detect C4 Carbon in Beers of Different Origins, Styles, and Prices. J. Agric. Food Chem., 50
(22), 6413-6418).

Figure: Variation in the carbon isotope ratios of different biochemical components within plants (adapted
from Boutton 1996, after S. Trumbore)
Figure: Carbon and nitrogen isotopic evaluation af ancient human diets relative to authentic foodstuffs
(after Macko at al. 199a, b) Ice Man from the Oetztaler Alps (5200 years old) compared to modern vegans,
ovo-lacto vegetarians and omnivores. (b) Chinchorro mummies from the Arica region of Chile (5000-8000
years old); the triangle represents end-member contributions after allowing for assimilatory fractionations
(from Killops & Killops 2005, p. 239)
1.3 Umwandlungsprozesse in Böden
1.3.1 Abbau organischer Komponenten

Ottow und Bidlingmaier 'Umweltbiotechnologie', Gustav Fischer Verlag, 1997
Figure: Delignification of birch wood by white rot fungi. Cryostat microtome sections of birch wood
degraded by white rot fungi were examined by light microscopy after treatment with two stains: astra-blue,
which stains cellulose blue only in the absence of lignin, and safranin, which stains lignin regardless of
whether cellulose is present. (A) Noninoculated control. (B to G) Delignification by C. silbverlrisspora (B to
D) and D. sqlialenis (E to G) over time; (B and C) 2 weeks and 2% weight loss; (D) 6 weeks and 13%
weight loss; (E) 6 weeks and 20% weight loss (SREBOTNIK E. & MESSNER K. 1994. A Simple Method That
Uses Differential Staining and Light Microscopy To Assess the Selectivity of Wood Delignification by White
Rot Fungi Applied and Environmental Microbiology, 60, 1383-1386).

1.3.2 Umwandlung durch Feuer
Basic structural units and two principal structures of black carbon. (a) Black carbon as formed in the
laboratory, forming (b) basic structural units of three to four layers. (c) Randomly oriented basic structural
units consisting of a few graphite layers (here shown in a two-dimensional schematic diagram). (d) Onion-

type particle with several condensation seeds (Schmidt & Noack 2000, Global Biogeochemical Cycles 14,
777-794).
Inerter Kohlenstoff z.B. Verkohlte Biomasse (=Charred Organic Matter, Char -Black Carbon)
- Russpartikel (Soot-Black Carbon)
- Kohle- und Russ-Staub aus industriellen Prozessen
Gelöste Substanz (definiert als

Bortyatinski et al., 1996).
Figure: A preliminary concept for pools and fluxes of PyC in boreal forests. PRESTON C. M., SCHMIDT M. W.
I. 2006. Black (pyrogenic) carbon in boreal regions: a synthesis of current knowledge and uncertainties with
special consideration of boreal, Biogeoscience, in press)
3 Organischer Bodensubstanz (Black Box Soil Organic
Matter)
Scheffer (2002),15. Auflage, Kapitel 3.1.1—3.1.3 und 3.1.6
Kögel-Knabner, I. (2002). The macromolecular organic composition of plant and microbial residues as
inputs to soil organic matter. Soil Biology & Biochemistry 34, 139-162.
(Ein umfassender Reviewartikel)
- Huminstoffe (keine definierte chemische Verbindung). Chemische Fraktionen: 3 “klassische“ Fraktionen
(Humin-, Fulvosäure, Humin)
- Physikalische Fraktionen: Auftrennung nach Grösse und Dichte
Table: Typical Carbon and nitrogen contents and C/N ratios of some organic materials commonly associated
with soil (Brady 2003, Table 12.2).

Organic material Carbon Nitrogen C/N
Mass %
Chestnut hardwood 50 0.05 600
Newspaper 39 0.3 400
Wheat straw 38 0.5 80
Maize 40 0.7 57
Bluegrass fertilized 37 1.2 31
Mature alfalfa hay 40 1.8 25
Rotted barnyard manure 41 2.1 20
Household compost 30 2.0 15
Young alfalfa hay 40 3.0 13
Digested sewage sluge 31 4.5 7
Soil microorganisms
Bacteria 50 10.0 5
Actinomycetes, nematodes 50 8.5 6
Fungi 50 5.0 10
Soil organic matter
Spodosol O horizon 50 0.5 90
Average Forest O horizon 50 1.3 45
Average forest A horizon 50 2.8 20
Tropical evergreen litter 50 2.0 25
Mollisol Ap horizon 56 4.9 11
Average B horizon 46 5.1 9
Table: Separates isolated by physical fractionation procedures. Uncomplexed organic
matter (Christensen, B. T.2001. Physical fractionation of soil and structural and functional
complexity in organic matter turnover. European Journal of Soil Science 52, 345-353).
• free
• occluded (in aggregates)
Primary organomineral complexes
•< 2 m
clay-sized
• 2–20 m
silt-sized
• 20–2000 m s and-sized
Secondary organomineral complexes
•< 250 m microaggregates
•> 250 m
macroaggregates

Fig. 2. Carbon to N ratio of physically uncomplexed organic matter
isolated at different (a) solution densities (n = 535 fractions) and (b)
particle sizes (n = 363 fractions). Values on X-axis are (a) the upper
end of the solution density range and (b) the midpoint of the size
range. Error bars represent standard deviations. Data are from
published studies of agricultural, forest, and grassland ecosystems;
43 studies using density fractionation; and 24 studies using particle
size fractionation methods. E. G. Gregorich, M. H. Beare, U. F.
McKim, and J. O. Skjemstad Chemical and Biological Characteristics
of Physically Uncomplexed Organic Matter. Soil Sci. Soc. Am. J. 2006
70: 975-985.
Table : Characteristics of primary organomineral complexes from temperate sandy soils
under long-term arable use. Christensen, B. T.2001. Physical fractionation of soil and
structural and functional complexity in organic matter turnover. European Journal of Soil
Science 52 (3), 345-353).
Sand-associated OM (= uncomplexed OM)

• enriched in plant polymers
• large C and small N mineralization
• most OM not firmly associated with minerals
• large C/N ratio
• small proportion of total soil OM (< 10%)
• CEC: 10–150 mmol kg-1
• surface area (N2-BET): < 10 m2 g-1
Silt-associated OM
• enriched in plant-derived aromatics
• slow OM decomposition
• medium C/N ratio
• medium OM concentration (1–5)
• holds 20–40% of total soil OM
• CEC: 60–350 mmol kg-1
• surface area (N2-BET): 10–50 m2 g-1
• 1–5 mg C m-2 surface area
Clay-associated OM
• large OM concentration (2–15)
• enriched in microbial products
• depleted in plant residue components
• large C and N mineralization potentials
• small C/N ratio
• contains 50–75% of total soil OM
• CEC: 300–900 mmol kg-1
• surface area (N2-BET): 25–100 m2 g-1
• 0.5–1.5 mg C m-2 surface area
CEC, cation exchange capacity; N2-BET, surface area calculated by the BET equation using
N2 gas as adsorbent.

Figure: Organische Bodensubstanz: Alle im und auf dem Boden befindlichen abgestorbenen und
umgewandelten pflanzlichen und tierischen Reste, z. B.:
Streustoffe: Abgestorbene Blätter, Nadeln, Wurzeln, Pilzhyphen, Tierkörper
Nichthuminstoffe: Kot, Holzkohle
Huminstoffe: Umwandlungs- und Abbauprodukte
Manche Autoren unterscheiden lebende und nicht lebende organische Substanz, wie hier Baldock (2002)
Bodenorganismen gehören nicht zur organischen Bodensubstanz (Scheffer, 2002; Brady, 2003)

Figure: Size scales associated with soil mineral particles, organic components, pores and aggregations of
mineral and organic components. The definitions of pore size have used those developed by IUPAC
(micropores < 2mm, mesopores 2-50 nm and macropores > 50 nm). Alternatively the pore sizes
corresponding to the lower (Ψ m = −1500 kPa) and upper (Ψ m = −100 kPa) limits of water availability to
plants may be used to define the boundaries between the different classes of pore size (Baldock, J. A. 2002.
Interactions of organic materials and microorganisms with minerals in the stabilization of soil structure. In
“Interactions between Soil Particles and Microorganisms.” (eds.: P. M. Huang et al.).Wiley

Abbauprozesse
Abbau organischer Substanz schematisch (Haider 19xx)
Es gibt mindestens zwei Gründe den Abbau organischer Substanz exakter zu beschreiben:
- Vergleich verschiedener Substrate unter gleichen Bedingungen
(Bsp. Umsatzzeit Glucose < Cellulose Grünland (18) > Laubwald (16) > tropischer Regenwald (7)
Fraktionen Umsatzzeiten Anteil an
organischer
Bodensubstanz
Bedeutung für
Bodenfruchtbarkeit
%
Labil Monate- Jahre 1-5
Intermediär 10-100 Jahre 80-98 Mittelfristig
Passiv Mehrere 1000 1-20 Vermutlich keine

Jahre
Nachteil konzeptionelle Fraktionen: Bisher nur empirisch nicht stofflich exakt definiert.
Neu: Bestätigung Isotopentechniken, physikalische Fraktionen Stoffgruppenanalyse.
Beispiel für den Aufbau eines Mehr-Komponenten-Model: RothC (Rothamstead Agricultural Research
Station, GB)
Figure: Diagramatic illustration of the general changes that take place when fresh plant residues are added
to a soil. The arrows indicate transfers t carbon among compartments. The time required for the process

woll depend on the nature of the residues and the soil. Most of the carbon released during initial rapid
breakdown of the residues is converted to carbon dioxide, but the smaller amounts of carbon converted into
micribially synthezied compounds (microbial biomass) and eventually, stabilized as soil humus.
Note that although the peak off microbial activity appears to accelerate the decay of the original humus, a
phenomenon known as the priming effect, the humus level is increased by the end of the process. Where
vegetation, environment, and management remain stable foa a long time, the soil humus content will reach
an equilibrium level in which the carbon added to the humus pool through the decomposition of plant
resiues each year is balanced by carbon lsot therough the decomposition of existing humus (Brady 2003 p.
503).
Figure: Changes in various fractions of organic matter in the upper 25 cm of a representative soil after
bringing virgin land under cultivation. Initially, under natural vegetation, this soil contained about 91 Mg
ha -1 of total organic matter. The resistant passive fraction accounted for about 40 Mg ha -1 or about half of
the total soil organic matter. After about 40 years of cultivation the passive fraction has declined by about
11 % to about 39 Mg ha -1 while the active fraction had lost 90 % of its mass, declining to only 1.4 Mg ha -1 .
Note that much of the organic loss due to the change in land management came at the expense of the
active fraction. This was also the fraction that most quickly increased when improved organic matter
management was adopted after the 100 th year. The susceptibility of the active fraction to rapid change
explains why even relatively small changes in the total soil organic matter can produce dramatic changes in
important soil properties, such as aggregate stability and nitrogen mineralization, associated with this soil
organic matte fraction (Brady 2003, p 523, Figure 12.17)

Figure. Decrease of soil organic carbon upon cultivation in different climates (J. Lehman personal
communication 2005).
- Mineralisierung: vollständiger mikrobieller Abbau zu CO 2 und H 2 O und Freisetzung von
Pflanzennährelementen wie Mg, Fe, N, P, S
- Humifizierung : Umwandlung in Huminstoffe = stark umgewandelte (hochmolekulare Substanzen ohne
makroskopisch erkennbare Gewebestruktur
Table: Organic compounds listed in of ease of decomposition (Brady 2003, p. 502)
Compound
Sugars, starches, simple proteins
Crude proteins
Hemicellulose
Cellulose
Fats, waxes, lignins, phenolic compounds
Rate of decomposition
rapid
very slow

4 Böden in einem sich wandelnden Klima (Hagedorn)
5 Stabilisierung der organischen Substanz
Figure: Scanning electron microscopy. A A portion of a soil macroaggregate exposed to fungal
invasion. An extensive fibrillar material produced by the fungus forms bridges between soil particles (arrow).
B Mucilage produced along fungal hyphae (arrow) (Caesar-TonThat T.-C., Cochran V.L. . Soil aggregate
stabilization by a saprophytic lignin-decomposing basidiomycete fungus I. Microbiological aspects. Biol Fertil
Soils (2000) 32:374–380

A C T I V E P O O L 1 - 10 yr
plant residues & exudates
Selective preservation &resynthesis
microbial / faunal biomass & residues
I N T E R M E D I A T E P O O L 10 - 100 yr
decomposed residues
Biogenic aggregation
microbial / faunal biomass & residues
occluded particulate OM
Complexation with Fe 3+ , Al 3+ , Ca 2+
organo-mineral associations
P A S S I V E P O O L > 100 yr
charcoal
Production of charcoal by fire
humic polymers
pseudo-macromolecules
intercalated OM
OM in clay microstructures
organo-mineral associations
Conceptual model of OM stabilization
Polymerisatiation
Formation of hydrophobic surfaces
Encapsulation
Intercalation
Abiotic microaggregation
Interactions with mineral surfaces
italic: Mechanisms; 3 process groups of mechanisms according to Sollins et al. (1996) a : primary and secondary recalcitrance,
spatial inaccessibility, organo-mineral interactions. Pools within broken lines indicate postulated pools but their existence
is not verified by direct measurements. DOM = dissolved OM.
from Lützow, Kögel-Knabner, Matzner, Marschner, Ekschmitt, Flessa Guggenberger and Ludwig, 2005
Transport of DOM & colloids
Figure: Examples of the fabric of clay size fractions, observed with TEM. Photographs were
taken at random in forest soil sample and sample from soil cultivated for 35 years. Several
microaggregates are outlined with doted lines (Chenu, C. & Plante, A. F. 2006. Clay-sized
organo-mineral complexes in a cultivation chronosequence: revisiting the concept of the
'primary organo-mineral complex'.
European Journal of Soil Science 57, 596-607).
Konzeptionelles Modell zur Stabilisierung organischer Bodensubstanz
Drei verschiedene Arten der Stabilisierung. Stabilisierung durch:

1. strukturchemische Eigenschaften (=Rekalzitranz)
vor allem aromatische Verbindungen: feinverteilte Holzkohle, Lignin (-reste), Pilzmelanine
2. Wechselwirkungen mit der Mineralphase , insb. < 2um Tonminerale / Eisenoxide + Org. Subs. = Ton-
Humus-Assoziate (= organo-mineralische Verbindungen)
Bindungsmechanismen (Ionen-, Wasserstoffbrücken-, Dipol-Bindung,
hydrophobe Wechselwirkungen) - Grössere Huminstoffmoleküle:
Komplexierung mit Na < K < Ca2+ < Al3+ < Fe3+
-> Gefügebildung (Abb.)
3. physikalische Trennung
Mikroaggregate = Polysaccharide + humifizierte org. Subs. + Minerale
-> Jahrzehnte stabil
Makroaggregate =Mikroaggregate+ Wurzel + Pilzhyphen + Minerale
-> Jahre stabil
Aggregate
Figure: Role of pore size and total pore space on C turnover
- Pore size controls the ability of decomposers & enzymes to reach OM
- Pore size & total pore space control availability of water & oxygen for mineralization (from E. Gregorich,
Canada)

Figure: Durch Aggregierung der Mineralbodenpartikel durch organische Substanz kommt es zu einer
Aggregat-Hierachie (Jastrow & Miller 1998).
Figure: Der Kreislauf der Assoziation Organischer Bodensubstanz in Aggregaten (Chenu et al. 1998).
7.1 Modelle, Pools (Leifeld)
7.1. Modellierung der C-Dynamik von Böden
Die Modellierung der C-Dynamik von Böden wird hier anhand einfacher, Pool-basierter Modelle
beschrieben, wie sie vielfach in Anwendung sind. Ein Pool (z.B. Kohlenstoffpool) in einem Modell
ist mathematisch durch seinen Eintrag (z.B. Streu) und seine Abbauratenkonstante k
charakterisiert. Im einfachsten Fall kann man den gesamten Kohlenstoffvorrat eines Bodens als
singulären Pool ansehen (Abb. 7.1.1).

Input
[kg C m -2 a -1 ]
SOC-stock [kg C m -2 ]
=input [kg C m -2 a -1 ]/decay rate [a -1 ]
Output
[kg C m -2 a -1 ]
Fig. 7.1.1. Zusammenhang zwischen Input, Poolgrösse, und Output im steady-state mit
üblicherweise verwendeten Einheiten.
Im Fliessgleichgewicht (‚steady-state’) schwankt die C-Menge (=Poolgrösse) des Bodens um einen
mittleren Wert, die Rate des Eintrags ist gleich der Rate des Austrags. Ein solcher Zustand wird oft
für Böden angenommen, bei denen sich Landnutzung oder Standortbedingungen nicht oder nur
marginal ändern. Die wichtigsten Eintragspfade sind Streu aus der NPP und organische Dünger.
Der wichtigste Austragspfad ist die Veratmung; weitere Verluste können als gelöster und
partikulärer Kohlenstoff entstehen.
Ein einfaches Rechenbeispiel (Einheiten s. oben) verdeutlicht den Einfluss unterschiedlicher
Einträge und Abbauraten auf den Bodenkohlenstoff:
Input 0.15 k 0.02 SOC stock = 7.5
Input 0.30 k 0.02 SOC stock = 15
Input 0.30 k 0.01 SOC stock = 30
Das Beispiel zeigt, wie Veränderungen im Input (z.B. durch die angebauten Kulturen in der
landwirtschaftlichen Fruchtfolge) und in der Abbauratenkonstante (z.B. durch Veränderungen im
Temperatur- oder Wasserhaushalt) den C-Gehalt des Bodens direkt beeinflussen. Kohlenstoffzuoder
abnahmen des Bodens geschehen über Änderungen der Menge des Eintrags
und/oder über veränderte Abbaubedingungen. Ein Boden, dessen Kohlenstoffgehalt sich
über einen längeren Zeitraum (d.h., viele Jahre) gerichtet ändert, ist nicht im Fliessgleichgewicht.
Werte für die Inputrate können aus Messungen oder aus Modellierungen des Pflanzenwachtums
stammen; k-Werte für den Abbau aus Markierungsexperimenten (s. Fig. 7.2.1),
Gleichgewichtssimulationen oder 14 C-Datierungen. Die Abbauratenkonstante wird üblicherweise
durch verschiedene Faktoren modifiziert (‚rate modifiers’), deren quantitative Auswirkung auf den
Abbau bekannt ist. Dies wird am Beispiel eines gebräuchlichen C-Modells erläutert.

120
100
y=70.9e -2.83*t +29.1e -0.087*t
80
60
40
20
% 14 C labelled rye straw remaining
0
0 2 4 6 8 10 12
years
Fig. 7.1.2. Beispiel für die Herleitung von Poolgrössen und k-Werten aus einem Experiment. Die
Messwerte stammen aus einem Abbauversuch mit 14 C-markiertem Roggenstroh im Feld (Punkte;
Jenkinson, 1977). Die Gleichung gibt die Poolgrössen (70.9 und 29.1% des gesamten markierten
C) und die k-Werte für zwei Pools des Roggenstrohs an, hergleitet aus einem ‚best fit’ (Linie). Die
Anpassung an den gemessenen exponentiellen Abbau mit nur einer Abbauratenkonstante (d.h.,
ein Pool) wiese einen hohen Fehler auf. Die Poolgrössen entsprechen in etwa der Aufteilung
zwischen ‚DPM’ und ‚RPM’ im RothC (vergl. Fig. 7.1.3).
Die relativ grossen k-Werte in Fig. 7.1.2. sind typisch für Streu, aber untypisch hoch für stabilisierte
organische Bodensubstanz. Würde sich, bei einer C-Menge von 7.5 kg C m -2 (d.h., einem üblichen
Wert für die oberen 20-30 cm in gemässigten Breiten), der gesamte organische Kohlenstoff
entsprechend dieser k-Werte umsetzten, müsste ein jährlicher Input von 15 kg C für den schnellen
und 0.19 kg C für den langsamen Pool gewährleistet sein. Selbst bei einem k-Wert von 0.087 für
den gesamten SOC benötigte ein Pool von 7.5 kg C m -2 eine jährliche Zufuhr von 0.65 kg C.
Realistische Zufuhren in landwirtschaftliche Böden liegen bei 0.15-0.4 kg C m -2 a -1 . Der
Unterschied zwischen gemessenen und über die k-Werte geschätzten Zufuhren zeigt, dass
Abbauversuche mit markiertem Material nur für die Kinetik der labilen Pools angewendet werden
können. Die Kinetik der stabileren Pools wird häufig über Anpassung an 14 C-Messreihen
gewonnen.

Figure 1 - Structure of the Rothamsted Carbon Model
Organic
Inputs
DPM
Decay
CO 2
RPM
IOM
BIO
HUM
Decay
CO 2
BIO
HUM
Decay
RPM : Resistant Plant Material
DPM : Decomposable Plant Material
BIO : Microbial Biomass
HUM : Humified OM
IOM : Inert Organic Matter
Fig. 7.1.3. Schema des Mehrpoolmodels RothC (Jenkinson 1990). Die Abbauratenkonstanten k (a -
1
) für DPM, RPM, BIO, HUM sind 10, 0.3, 0.66 und 0.02. IOM (‚inert organic matter’) ist ein sehr
stabiler Pool mit einer hypothetischen mittleren Verweildauer von 50000 Jahren. Die RothC-Pools
können experimentell mit Hilfe von physikalisch-chemischer Fraktionierung des Bodens validiert
werden.
Die Abbauratenkonstanten werden durch verschiedene Faktoren modifiziert. Die unten stehende
Abbildung zeigt die Wirkung des rate modifiers Temperatur auf die Abbaurate im RothC (links),
daneben zum Vergleich der rate modifier eines anderen C-Modells.
Figure 2 - The rate modifying factor for temperature
5
Rate modifying factor
4
3
2
1
Mean annual
temperature
at Rothamsted
0
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30
Temperature o C
Fig. 7.1.4. Temperaturmodifikatoren
Weitere rate modifiers im RothC bestehen für den Bodenwassergehalt und die Bodenbedeckung.
Eine weitere Möglichkeit, die Abbaukinetik mathematisch an experimentelle Erkenntnisse
anzupassen besteht darin, die Aufteilung des Kohlenstoffs auf CO 2 und organische Substanz
während des Abbaus eines pools an andere Faktoren wie z.B. den Tongehalt zu koppeln
(‚partitioning’). Im RothC nimmt das Verhältnis von CO 2 /(Bio+Hum) mit zunehmendem Tongehalt
ab, d.h., in tonreichen Böden wird aus derselben Menge RPM mehr organische Substanz gebildet
als in als tonarmen Böden.

6
CO 2 / (BIO + HUM) ratio
Figure 4 - The effect of clay on the ratio of
CO 2 released to (BIO + HUM) formed
5
4
3
2
1
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Clay content of the soil
Fig. 7.1.5. Der Tongehalt als Modifikator für das Verhältnis zwischen gebildetem CO 2 und
(Bio+Hum) während des Abbaus von Pflanzenstreu.
Wichtige Anwendungen des RothC-Modells sind:
• Gleichgewichtssimulationen mit Berechnung des für den gemessenen C-Gehalt des Bodens
nötigen Streueintrags
• Simulation der C-Dynamik bei Landnutzungs-, Bewirtschaftung- oder Klimaänderung
Suggested readings:
Andren, O. and Kätter, T. 2001. Basic principles for soil carbon sequestration and calculating
dynamic country-level balances including future scenarios. In: R. Lal et al (eds.): Assessment
methods for soil carbon. Advances in Soil Science , Lewis Publishers, pp. 495-511.
Jenkinson DS (1990) The turnover of organic carbon and nitrogen in soil. Philosophical transactions of
the Royal Society, B. 329, 361-368
Smith, J.U., Smith, P., Monaghan, R., and Macdonald, J. 2002. When is a measured soil organic
matter fraction equivalent to a model pool? European Journal of Soil Science 53: 405-416.
Adressen zum Modell-Download (Auswahl):
RothC: http://www.rothamsted.bbsrc.ac.uk/aen/carbon/rothc.htm (Passwort muss erfragt werden)
ICBM: http://www-mv.slu.se/vaxtnaring/olle/icbm.html (noch einfacher als RothC; Excel-basiert)
CANDY: http://www.ufz.de/index.php?de=5205 Ein komplexes Modell mit Pflanzenwachstum

7.2 SOM Umsatz in Feldexperimenten
13C Isotopensignatur von C3 Pflanzen (Bsp. Weizen) ist deutlich verschieden von C4 Pflanzen (z. B. Mais)
unterscheidet (ca. 15 ‰). Somit kann der Anteil an neuem, Mais Kohlenstoff im Boden bestimmt werden.
Dieser Ansatz ermöglicht, den C-Umsatz in situ über längere Zeiträume experimentell zu bestimmen (Abb.).
Die wichtigsten Ergebnisse nach 23 Jahren Versuchsdauer
- Gesamtboden: Die gemessenen Anteile von neuem Mais C steigen auf fast 40 % und bestätigen das
Modell (Abb.)
- Physikalische Fraktionen: Grobe Fraktionen schon nach wenigen Jahren überwiegend Mais-C, feine
Fraktionen

Balesdent, J. (1996). The significance of organic separates to carbon dynamics and its modelling in some
cultivated soils. European Journal of Soil Science 47, 485-493.
Beschreibung des Ist-Zustandes: Beispiele aktueller Projekte
- Global Carbon Project: Zentrale Stelle, die Informationen online sammelt
http://www.globalcarbonproject.org/
- CarboEurope Kohlenstoffbilanzen vom Nordkap bis Südspanien.
http://www.bgc-jena.mpg.de/public/carboeur/index.html
- Global Carbon Project (2003) Science Framework and Implementation. Earth System Science Partnership
(IGBP, IHDP, WCRP, DIVERSITAS) Report No. 1; Global Carbon Project Report No. 1, 69pp, Canberra. (pdf
2.1 MB).
Eine Zusammenfasssung der wichtigsten Forschungsergebnisse und –defizite. Szenarien für zukünftige
Entwicklung der Speicherung organischer Substanz in Böden, Schematisch: (Abb.)

- NCCR Climate: Schweizweites Forschungsprojekt zur Abschätzung der Auswirkung des Klimawandels auf
Natur, Wirtschaft und Mensch. http://www.nccr-climate.unibe.ch/index_flash.html
Messungen von Stoff-Flüssen direkt (C, N, H2O)
Fluss-Messungen: Prinzip
Fluss-Messungen: in Oekosystemen (Abb.)
Luft: Eddy-Korrelations-Messungen (CO2, NOx..)
Oberflächenwasser: Sickerwasser: Saugkerzen, Sammelplatten (DOM) (Abb.)
(Abb.)
3 Vergleich von Vorräten vorher-nacher
Litterbag, Stocks
Methoden: Levels of biogeochemical Information (Abb.)
Kohlenstoff-Isotope (12C 13C 14C)
Manipulative Experimente in Ökosystemen (z. B. CO2, N...)
- Natürliche CO2-Ausgasungen
- Branch Bag
- Open Top Kammern
- FACE in der Schweiz z.B. Grassland (Nössberger et al. 2004, S. 28-31) in ETH Bulletin 293 (pdf 4.4
MB), oder Wald (Univ. Basel).
-
- http://pages.unibas.ch/botschoen/scc/index.shtml
-
- Zusammenfassung aller FACE homepage hier
- http://cdiac.esd.ornl.gov/programs/FACE/face.html

Messung biogeochemischer Prozesse
Literatur: Viele Abbildungen dieses Kapitels stammen aus den folgenden Publikationen.
- Grundlegende und sehr anschauliches Material zum Thema analytische Methoden findet sich bei Schwedt
G. 1995 Analytische Chemie. 440 S., Thieme.
Ein Überblick zu Untersuchungen biogeochemischer Kreisläufe terrestrischer Ökosysteme findet sich hier:
- Schulze, E.-D. et al. (1999). The study of ecosystems in the context of global change - Implications for
natural and managed ecosystems. In “The Terrestrial Biosphere and Global Change.” (B. Walkeret al. Eds.),
pp. 19-44. International Geosphere - Biosphere Programme Book Series. Cambridge University Press.
1 Grundlagen der Analyse
Analytische Experimentelle Untersuchungen unterliegen grundlegende Annahmen und beinhalen eine
Reihe möglicher Fehlerquellen. Mehr dazu im Laborpraktikum.
- Das Problem Probenahme, allgemein (Abb.) räumliche Heterogenität (Abb.)

- Von der Probenahme zu Interpretation (Abb.)
- Wie wirken sich Fehler aus?
- Systematische und statistische Fehler: Richtigkeit und Genauigkei

- Verbund- Direktverfahren (Abb.)