Katrin Kuka

Modellierung des Kohlenstoffhaushaltes in Ackerböden auf der Grundlage bodenstrukturabhängiger Umsatzprozesse

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 17.11.2005

Abstract
Traditionelle Kohlenstoff-Umsatz-Modelle verwenden gewöhnlich drei oder mehr funktionelle Pools, die durch verschiedene Geschwindigkeiten des Kohlenstoff-Umsatzes gekennzeichnet sind. Es handelt sich dabei hauptsächlich um konzeptionelle Pools, die nicht mit den beobachteten Eigenschaften des Bodens verbunden sind. Diese Tatsache schränkt den Wert von Vorhersagen der Größe und des Abbauverhaltens des passiven Kohlenstoff-Pools ein, welche auf der Grundlage von Simulationsrechnungen für künftige Umweltveränderungen getroffen werden. Für den Kohlenstoff-Umsatz in urbaren Böden ist ein neuer Modellierungsansatz entwickelt worden. Das Grundprinzip für das neue Modell beruht auf der Hypothese, dass die langfristige Stabilisierung von Kohlenstoff im Boden hauptsächlich eine Funktion seiner Zugänglichkeit oder seiner Lokalisierung innerhalb des Boden-Porenraums ist. Die Hauptannahme des neuen Carbon turnover In Pore Spaces (CIPS) Modells ist, dass die biologische Aktivität durch den ganzen Porenraum nicht gleich verteilt ist. Wegen der schlechten Durchlüftung in den Mikroporen herrscht in diesen eine niedrige biologische Aktivität vor, die zu einem starken Schutz des in diesem Porenraum lokalisierten Kohlenstoffs führt. Im CIPS-Modell werden vier Pools der organischen Substanz definiert:
* frische organische Substanz (FOM) von Pflanzenrückständen und organischen Düngern
* aktive organische Substanz (AOM) assoziiert mit der mikrobiellen Biomasse
* refraktäre organische Substanz (ROM) Rückstand von dem sich zersetzendem Kohlenstoff und
* gelöste organische Sache (DOM)
Die anfängliche Kohlenstoff-Verteilung auf die Porengrößen-Klassen erfolgt nach dem Anteil der Porenoberfläche einer Klasse an der Gesamtporenoberfläche. DOM dient als Austauschmedium zwischen den Porengröße-Klassen. Die Parameter des CIPS-Modells resultieren aus der Anpassung der Simulationsergebnisse an die Experimentaldaten von Laborinkubationsversuchen, unter Verwendung von Parametern aus der Literatur als Startparameter sowie aus der Anpassung an Messergebnisse des Freilandversuches "Statischer Dauerdüngungsversuch" Bad Lauchstädt. Mit der Kopplung des Kohlenstoff-Umsatzes im CIPS-Modell an die Architektur des Bodens wurde zum ersten Mal ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, den Boden-Kohlenstoff-Umsatz mit physischen, messbaren Eigenschaften des Systems zu verbinden. Diese Strategie macht schlecht definierte und kaum messbare "rekalzitrante" oder "inerte" Kohlenstoff-Pools veraltet. Somit wurde der Weg für eine neue Generation von globalen Kohlenstoff-Umsatz-Modellen geebnet.

Traditional carbon turnover models usually employ three or more functional carbon pools distinguished by different velocities of carbon turnover. These conceptual pools can hardly be related to the observed properties of soil organic matter. This fact restricts the value of predictions of the size and the fate of the passive carbon pool, which is particularly important in all long term extrapolations of ecosystem response to environmental change.
A new modelling approach has been developed for carbon turnover in arable soils. The rationale for the new model is based on the hypothesis that long term stabilization of carbon in soil is mainly a function of its accessibility or its localization within the soil pore space.
The main assumption of the new Carbon turnover In Pore Spaces (CIPS) model is that the biological activity is not even distributed through the whole pore space. Because of the poor aeration in the micro pores they show very low biological activity leading to a strong protection of the carbon localized in this pore space.
In CIPS model four pools of organic matter are defined:
* fresh organic matter (FOM) of plant residues and organic fertilizers
* active organic matter(AOM) associated with microbial biomass
* refractory organic matter (ROM) of decomposing carbon and
* dissolved organic matter (DOM)
The initial carbon distribution between pore size classes is tied to their surface area. DOM serves as exchange medium between the pore size classes. Model parameters were determined through two incubation experiments or derived from the data of the long term agro ecosystem experiment "Static experiment" Bad Lauchstaedt.
By relating carbon turnover to soil architecture and thus to accessibility the new CIPS model provides for the first time a means to relate soil carbon turnover to physical, measurable features of the system. This strategy renders poorly defined and barely measurable "recalcitrant" or "inert" carbon pools obsolete, thus paving the way towards a new generation of global carbon turnover models.

Keywords:
CIPS-Modell, Kohlenstoff-Umsatz, Kohlenstoff-Speicherung, Ackerboden, Porenraum, Bodenstruktur

CIPS model, Carbon turnover, Carbon sequestration, Arable soil, Pore space, Soil structure

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Abbildungsverzeichnis, Tabellenverzeichnis, Symbolverzeichnis (1, I-X)
0 Vorwort (1)
1 Einleitung (2-5)
2 Grundlagen (6-16)
3 Material und Methoden (17-34)
4 Modellentwicklung von CIPS (35-52)
5 Modellvalidierung (53-66)
6 Dichtedynamik (67-88)
7 Diskussion (89-98)
8 Ausblick (99)
9 Zusammenfassung (100-101)
10 Literatur (102-109)
Anhang