14C via accelerator mass spectrometry (AMS) as a tracer and dating tool in the study of paddy soil carbon dynamics

Böden speichern weltweit etwa 2500 Gigatonnen Kohlenstoff (C). Sie fungieren dabei sowohl als Senke als auch als Quelle für atmosphärisches Kohlendioxid (CO2). Aufgrund ihrer Fähigkeit mehr Kohlenstoff zu binden als die Vegetation und die Atmosphäre wurden Böden als die am besten geeigneten Kohlenstoffsenken ausgemacht. Böden stellen daher einen wichtigen Faktor im System der globalen Klimaveränderung dar. Die Prozesse, die einerseits den Verlust von bodeneigenem Kohlenstoff vermindern und andererseits Kohlenstoffspeicherung in Böden verstärken sind dabei vor allem von der Art der Landnutzung beeinflusst. Eine der weltweit bedeutendsten Landnutzungsformen ist die Bewirtschaftung von Nassreisböden (paddies), da diese mehr als der Hälfte der Weltbevölkerung als Hauptnahrungsmittellieferant dienen. Auch in Hinblick auf eine auf den CO2 Anstieg zurückzuführende globale Erwärmung sind paddies aufgrund ihrer Relevanz für den globalen Kohlenstoffkreislauf von Bedeutung. In den betroffenen Böden führt der Anbau von Nassreis zu verminderten Abbauraten der organischen Bodensubstanz (OBS) und die herbeigeführte Wasserüberstauung begünstigt die Anreicherung bodeneigenen Kohlenstoffs. Als Konsequenz ergeben sich hohe Gehalte an organischem Kohlenstoff (OC) in den Oberböden und das bereits erwähnte hohe Potential Kohlenstoff zu speichern. Aufgrund des hohen Kohlenstoffspeicherungspotentials, eines fortwährenden CO2 Anstiegs in der Atmosphäre und einer kontinuierlichen Zunahme von Flächen mit Nassreiskultivierung ist es von großer Bedeutung die Mechanismen, die die Kohlenstoffdynamik unter Reisanbau beeinflussen, zu verstehen. Aus diesem Grund wurden Böden einer sich über 2000 Jahre erstreckenden Chronosequenz beprobt und untersucht. Das Untersuchungsgebiet gehört zu einer der ältesten Reisanbauregionen der Welt und liegt an der Südküste der Bucht von Hangzhou, nahe der Stadt Cixi (Provinz Zhejiang), China. Das Ausgangsmaterial besteht aus Sediment, das aus dem Jangtsekiang-Delta kommend, in der Bucht von Hangzhou abgelagert wurde. Seine einheitliche Zusammensetzung ermöglicht die vergleichende Untersuchung der Kohlenstoffdynamik unter der Landnutzungsform Nassreisanbau gegenüber Nicht-Reisanbau. Zu diesem Zweck wurden Radiokohlenstoffmessungen (14C) mittels Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) im Leibniz-Labor (Kiel) durchgeführt. In dieser Arbeit wurde insbesondere die Herkunft und Verteilung bodeneigenen Kohlenstoffs im Unterboden untersucht. Der Gesamtanteil des organischen Kohlenstoffs (TOC) im Ausgangssediment beträgt etwa 0,3 % und die 14C Konzentration beträgt ca. 50 pMC (percent modern carbon). Unmittelbar nach Abschluss von Landgewinnungsmaßnahmen bildeten sich unter dem Einfluss intensivierter Kultivierung OC und 14C Gradienten in den zehn untersuchten Bodenprofilen. 14C Messungen zeigen, dass es durch Nassreisanbau innerhalb der ersten fünf Jahrzehnte zur sukzessiven Bildung einer kompakten Zone (plough pan) kommt, welche den nach unten gerichteten Transport der OBS deutlich reduziert aber nicht vollständig unterbindet. Der noch aus dem Ausgangsmaterial stammende, an 14C verarmte Kohlenstoff, wird im Oberboden der paddies innerhalb von Jahrzehnten durch „frischen“ Kohlenstoff mit modernem 14C Signal ersetzt. Derselbe Prozess nimmt im Unterboden mehrere Jahrhunderte in Anspruch. Um den Ursprung des im Unterboden befindlichen Kohlenstoffs zu ermitteln, wurde die OBS einer chemischen Fraktionierung unterzogen, resultierend in drei Fraktionen: säurelösliche Fulvinsäuren, basenlösliche Huminsäuren und die unlösliche Huminfraktion. Unter den gewonnen Fraktionen konnte die Fulvinsäure, welche als die mobilste Fraktion unter den Huminstoffen gilt, als hauptverantwortliche Fraktion für die Zufuhr von Kohlenstoff in den Unterboden identifiziert werden. Die Fulvinsäuren machen einen durchschnittlichen Anteil von 50 % an der OBS aus mit einem Maximum von 65 % im ältesten paddy. Die Huminsäuren umfassen im Durchschnitt weniger als 20 % der OBS. Die verbleibenden 30 % können den Huminen zugerechnet werden. Da sich die OBS überwiegend aus löslichen Fraktionen zusammensetzt, gelangt ein Großteil des sich im Unterboden befindlichen Kohlenstoffs durch Wassertransport dorthin. Als eine weitere Möglichkeit organisches Material mit modernen 14C Gehalten in den Unterboden zu bringen, konnte die Zufuhr von OC mittels Pflanzenwurzeln nachgewiesen werden. Die Pflanzenreste wurde in Tiefen von bis zu einem Meter gefunden und konnten teilweise durch DNA Analysen als Reis (Oryza sativa) identifiziert werden. Nach der Quantifizierung der verschiedenen OBS Fraktionen wurde der gesamte organische Kohlenstoff in zwei konzeptionelle Kohlenstoffpools eingeteilt, um die C-Dynamik genauer zu untersuchen. Unter Verwendung eines Abbau- und Verlagerungsmodels wurden Verweildauern und Größen von Kohlenstoffpools berechnet. In Abhängigkeit von der Tiefe ergaben die Berechnungen einen sich schnell umsetzenden C-Pool mit Verweildauern von 1,5 bis 21 Jahren. Der stabilisierte C-Pool ist durch Verweildauern zwischen 150 und 2000 Jahren gekennzeichnet. Dabei ist die Poolgröße in hohem Maße von den Eingangsparametern des Models abhängig. Die Aufteilung des TOC zu Beginn der Berechnungen beeinflusst die sich ergebenen Poolgrößen in erheblicher Weise. Die hier angewendeten Berechnungen erwiesen sich als nützliches Werkzeug zur Bestimmung von OC Umsatzraten in jungen paddies. Darüber hinaus war es möglich, Verweildauern nicht nur für Oberböden abzuschätzen, sondern auch für Unterböden. Zusammenfassend lassen die Ergebnisse dieser Arbeit den Schluss zu, dass Nassreisböden eher durch ein dynamisches Gleichgewicht von OC Flüssen gekennzeichnet sind als durch die langfristige Stabilisierung der OBS.