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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-89333
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/8933/


Soil carbon stocks and dynamics in soils of the Okavango catchment

Bodenkohlenstoffvorräte und Dynamiken in Böden des Okavangoeinzugsgebietes

Luther-Mosebach, Jona

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SWD-Schlagwörter: Boden , Kohlenstoff , Afrika , Namibia , Botswana , Angola , Landwirtschaft
Freie Schlagwörter (Englisch): SOC , small-scale agriculture , soil carbon stocks , southern africa
Basisklassifikation: 38.60
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Eschenbach, Annette (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.07.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 12.01.2018
Kurzfassung auf Englisch: The present study aims at contributing to an improved understanding of the impact of land use on SOC, investigated at four study sites in the Okavango Catchment, situated in southern Africa. The focus of the study lies on four topics concerning the distribution of soils in the landscape and aspects of SOM: (I) a detailed description of the soil types with identification of the WRB soil reference groups, their properties and formation; (II) the distribution of SOC-stocks in the landscape and their response to agriculture; (III) the process of soil respiration addressed by testing two methodological approaches to quanti-fy the CO2 fluxes in order to verify the suitability for the application in remote areas; (IV) the SOC-fractions, defined according to their degradability by incubation experiments and microbial biomass, both in their dependence on land use, climate and soil type.
(I) The study newly describes the distribution of soils and pedodiversity in the Oka-vango Catchment (chapter 4). Thereby, the characteristic patterns according to climate and landscape structure became evident. Moreover, the study identified the dependence of pedodiversity on the landscape unit. The slopes in the study site Cusseque and floodplains in the three southern study sites were much more diverse – including Fluvisols, Calcisols, Arenosols, Luvisols and Cambisols – than the relatively homogenous hilltops and hinter-land respectively with dominating Arenosols.
(II) The diversity of soil types is accompanied by a high variability of carbon stocks within the landscape (chapter 5). The results show that the variability of SOC stocks be-tween the landscape units highly exceeds the differences between the four study sites. The floodplains and the wetlands store the largest amounts of SOC whereas the areas of sand dunes were found to be poor in SOC. Median SOC stocks to 1 m depth were 37 t ha 1 with a maximum of 46.5 kg m 2 in Angolan peatlands and a minimum of 2.4 kg m-2 in Arenosols of natural pure sandy levees near the river at the study site of Mashare. The climate effect on SOC stocks has been shown only by the northernmost site with significantly higher SOC stocks.
(III) The extent to which the application of manure and crop residues contributes to the provision of nutrients during the degradation process of SOM or to the enhancement of the SOC level depends on the heterotrophic soil respiration. It can be measured by the CO2 fluxes from the soil to the atmosphere, including the identification of the hetero-trophic part of the CO2 flux. Flux measurements are crucial for the estimation of specific carbon budgets, but can sometimes be challenging, especially in remote areas. In this study, two measurement methods, the gradient method and the closed dynamic chamber method, for recording CO2 fluxes were compared. The aim was to verify the suitability of the gradient method for the semi-arid and semi-humid soils in order to generate long time series of CO2 flux measurements in future research. This would be desirable as only long time series will provide the data needed for carbon balance estimations with sufficient accuracy to be meaningful.
(IV) Soil heterotrophic respiration not only depends on environmental factors, like soil moisture and temperature whose influence can be measured by monitoring the CO2 fluxes, but also on the degradability of the SOM. The SOM is present as a continuum re-garding degradability and can be experimentally divided into different pools. In this study, a labile (Clabile) and a stable (Cstable) carbon fraction was separated by incubation experiments on different soils from different landscapes, land-use types and climatic re-gions to see, whether these factors have an influence on the relative proportions. Addi-tionally, the microbial biomass carbon (Cmic) as a third fraction was analyzed, as it is an important indicator of SOM quality. Investigations on the effect of long-term dryland and irrigation agriculture as well as on the short-term effect of slash and burn practices on the stocks of Cstable and Clabile and the Cmic were carried out by comparing agricultural fields to unused woodlands in the same landscape units.
The results indicate that the stocks of all fractions significantly decreased during long-lasting agricultural use on plots with potentially high carbon stocks on old floodplains with about 80 % of Cstable and Clabile-fraction and 74 % of Cmic. Also poorer sandy Kalahari soils exhibit decreases of the Cstable, Clabile and Cmic fraction of 51 %, 70 % and 8 % respec-tively, however, only the decrease of Clabile was significant. The findings indicate that all three fractions were strongly interrelated suggesting that total organic carbon determines the size of all carbon fractions.
Kurzfassung auf Deutsch: Die vorliegende Studie zielt darauf ab, einen Beitrag zum besseren Verständnis des Einflusses der Landnutzung auf SOC zu leisten. Dieser wurde an vier Untersuchungs-standorten im Okavango Einzugsgebiet im südlichen Afrika näher betrachtet. Im Mittel-punkt der Studie stehen vier Themen rund um die Verteilung von Böden in der Land-schaft und Aspekte des Kohlenstoffzyklus: (I) eine detaillierte Beschreibung der Boden-typen mit Identifizierung der WRB-Bodenreferenzgruppen, ihren Eigenschaften und ihrer Genese, sowie ihrer Nutzung; (II) die Verteilung der SOC-Vorräte in der Landschaft und der Einfluss landwirtschaftlicher Aktivitäten, des Ausgangsgesteins, und des Klimas; (III) der Prozess der Bodenatmung durch die Prüfung zweier methodischer Ansätze zur Quan-tifizierung der CO2-Flüsseund deren Eignung für die Anwendung in abgelegenen Gebie-ten; (IV) die experimentell bestimmten, nach ihrer Abbaubarkeit definierten SOC-Fraktionen und die mikrobielle Biomasse, beides in ihrer Abhängigkeit von Landnutzung, Klima und Bodentyp.
(I) Die Studie beschreibt erstmals die Verteilung von Böden und Pedodiversität im Einzugsgebiet des Okavango (Kapitel 4). Dabei wurden die charakteristischen Muster in Bezug auf Klima- und Landschaftsstruktur deutlich. Darüber hinaus wurde in der Arbeit die Abhängigkeit der Pedodiversität von der Landschaftseinheit identifiziert. Die Hänge im Untersuchungsgebiet Cusseque und die Auen an den drei südlichen Untersuchungs-standorten waren viel diverser – darunter Fluvisols, Calcisole, Arenosole, Luvisols und Cambisols – als die relativ homogenen Hügelkuppen und das Hinterland mit dominieren-den Arenosolen.
(II) Die Vielfalt der Bodentypen ist von einer hohen Variabilität der Kohlenstoffvorrä-te innerhalb der Landschaft begleitet (Kapitel 5). Die Ergebnisse zeigen, dass die Variabi-lität der SOC-Vorräte zwischen den Landschaftseinheiten bei weitem die Unterschiede zwischen den vier Untersuchungsstandorten übersteigt. Die Flussauen und die Feuchtge-biete speichern die größten Mengen an SOC, während die Gebiete der Sanddünen niedri-ge SOC-Vorräte aufwiesen. Die medianen SOC-Vorräte auf 1 m Tiefe betrugen 37 t ha 1, mit einem Maximum von 46.5 kg m 2 in angolanischen Torfgebieten und einem Minimum von 2.4 kg m 2 in reinsandigen jungen Arenosolen an sandigen Uferwällen in der Nähe des Flusses in Mashare. Die Auswirkung des Klimas auf SOC-Vorräte wurde nur durch den Vergleich des nördlichsten Standorts zu den drei südlichen deutlich, da hier im Mittel höhere Werte festgesellt wurden.
(III) Das Ausmaß, in dem die Anwendung von Dünger- und die Rückführung von Ernterückständen zur Bereitstellung von Nährstoffen während ihres Abbaus oder zur Er-höhung der SOC-Ebene der Böden beitragen, hängt von der heterotrophen Bodenatmung ab. Diese kann durch die Erfassung von CO2-Gasflüssen vom Boden zur Atmosphäre (un-ter Berücksichtigung der der autotrophen Wurzelatmung) gemessen werden. Gasflußmes-sungen sind entscheidend für die Schätzung der spezifischen Kohlenstoffbudgets, können aber vor allem in abgelegenen Gebieten manchmal problematisch sein, da sie z.T. sehr war-tungsintensiv sind. In dieser Studie wurden zwei Messmethoden zur Aufzeichnung von CO2-Flüssen verglichen, das Gradientenverfahren und ein System mit geschlossenen dy-namischen Hauben (Kapitel 6). Ziel war es, die Eignung der Gradientenmethode für die halbtrockenen und halbfeuchten Böden zu verifizieren, um künftig Langzeitreihen von CO2-Flussen messen zu können. Dies ist erstrebenswert, da nur lange Zeitreihen die aus-reichende Genauigkeit liefern können, die für die Carbon-Balance-Schätzungen benötigt werden.
(IV) Die heterotrophe Bodenatmung hängt nicht nur von Umweltfaktoren wie Boden-feuchte und Temperatur ab, deren Einfluss durch die Erfassung der CO2-Flüsse identifi-ziert werden kann, sondern auch von der Abbaubarkeit der SOM. Die SOM liegt als Kon-tinuum in Bezug auf seine Abbaubarkeit vor und kann experimentell in verschiedene Pools aufgeteilt werden. In dieser Studie wurde eine labile (Clabile) und eine stabile (Cstable) Koh-lenstofffraktion durch Inkubationsexperimente getrennt.
Im Ergebnis haben die Vorräte aller Fraktionen bei langjähriger landwirtschaftlicher Nutzung auf Standorten mit potenziell hohen Kohlenstoffbeständen mit etwa 80% der Cstable- und Clabile-Fraktion und 74% der Cmic Fraktion deutliche Abnahmen verzeichnet. Auch SOC-ärmere, sandige Kalahari-Böden zeigen eine Abnahme der Cstable-, Clabile- und Cmic-Fraktion von 51%, 70% bzw. 8%, wobei nur die Abnahme von Clabile statistisch signi-fikant war. Die Ergebnisse zeigen, dass alle drei Fraktionen stark miteinander verknüpft in Beziehung stehen, was darauf hindeutet, dass die Menge des gesamten SOC die Höhe der einzelnen Kohlenstofffraktionen bestimmt.

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