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Viridiana Alcántara Cervantes

Promotion zum Dr. rer. nat. am 31.05.2017

Viridiana Alcántara Cervantes mit Doktorhut an der Büste von Johan Heinrich von Thünen vor dem Forum des Thünen-Institutes in Braunschweig
Viridiana Alcántara Cervantes mit Doktorhut an der Büste von Johan Heinrich von Thünen vor dem Forum des Thünen-Institutes in Braunschweig (© Thünen-Institut/Roland Prietz)

Am 31.05.2017 hat Viridiana Alcántara Cervantes erfolgreich ihre Doktorarbeit „Long-term Effects of Soil Organic Matter Burial on Carbon Sequestration“ an der Fakultät für Architektur, Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig verteidigt. Die Dissertation wurde im Rahmen des DFG-Projekts „Humusvergrabung zur Speicherung von Kohlenstoff in Böden - Potentiale, Prozesse und Langzeiteffekte“ angefertigt. Die zusätzliche Speicherung von Bodenkohlenstoff ist als Klimaschutzmaßnahme zur Reduzierung atmosphärischen CO2 anerkannt. Der Fokus von Forschung und Praxis lag bisher auf Maßnahmen, die den Kohlenstoffvorräte in den obersten Zentimeter der Böden erhöhen. Im Rahmen der Dissertation wurde das Potenzial der Humusvergrabung in größerer Tiefe durch Tiefpflügen und in mittelalterlichen Wölbackern in Acker- und Waldböden untersucht und bestätigt. Die Arbeit trug zum Verständnis der langfristigen Stabilisierung und Speicherung von Kohlenstoff in Unterböden bei.

Zu diesem Zweck wurden Bodenproben aus 10 tiefgepflügten Äckern, 5 tiefgepflügten Wäldern und 5 gut erhaltenen Wölbäckern unter Wald in Nord- und Mitteldeutschland sowie Dänemark und Brandenburg genommen und verschiedenen Laboranalysen unterzogen. Dabei wurde immer eine tiefgepflügte Fläche mit einer direkt benachbarten Referenzfläche verglichen. In den unter Wald erhaltenen Wölbäckern wurden Stellen in der Fläche identifiziert an den keine Akkumulation oder Entnahme von Bodenmaterial stattfand und diese wurden als Referenz genutzt. In den beprobten Standorten war Oberbodenmaterial in einer Tiefe bis zu 90 cm vergraben worden.

Die tiefgepflügten Ackerböden enthielten durchschnittlich 42±18% höhere Kohlenstoffvorräte als die jeweiligen Referenzböden bis in 100 cm Tiefe. Im Gegensatz waren die Kohlenstoffvorräte bis in 100 cm Tiefe in tiefgepflügten Wälder nicht signifikant höher als die der jeweiligen Referenz (103±11 and 105±9 Mg ha-1, jeweils, p=0.2). Im Unterboden jedoch waren die Kohlenstoffvorräte der tiefgepflügten Böden höher als die der Referenz sowohl unter Acker als auch unter Wald. Der ’neu etablierte’ Oberboden in den tiefgepflügten Böden hatte 14% bzw. 37% niedrigere Kohlenstoffvorräte als die Referenz jeweils unter Acker und unter Wald. Dieses Defizit wurde dadurch erklärt, dass OBS in den tiefgepflügten Waldoberböden sich langsamer akkumuliert im Vergleich zu Ackeroberböden bzw. Ackerkrumen, zum Teil aufgrund von sauren pH-Werten und stickstoffarmen Bedingungen.

Die Stabilität der vergrabenen OBS wurde anhand einjähriger Inkubationsexperimente untersucht. Diese ermöglichten, die Umsetzung der OBS im vergrabenen mit der im Referenzoberboden unter standardisierte Laborbedingungen zu vergleichen. Dabei wurden mögliche Temperatur-, Sauerstoff- undWasserlimitierungen für die Umsetzung ausgeschaltet. Durchschnittlich was der Anteil an während der Inkubation mineralisierter OBS 32% niedriger in den vergrabenen Oberböden im Vergleich zur Referenz. Die sandigen Ackerböden wiesen die niedrigste mineralisierbare OBS-Fraktion auf, sowohl die vergrabenen als auch die Referenzoberböden (27±4 and 40±6 mg CO2-C g-1 SOC, jeweils). Die OBS wurde seit ihrer Vergrabung teilweise komplett erhalten, am effektivsten in sandigen Ackerböden. Selektive Erhaltung bestimmter OBS-Fraktionen mit höherer Stabilität und gleichzeitiger Abbau labiler Fraktionen wie die freie leichte Fraktion, konnte die hoher OBS-Stabilität nicht erklären. Als ein wichtiger Aspekt im Zusammenhang mit der hohen OBS-Stabilität, wurde die Geschichte einer Landnutzung als Heide bzw. die Moorvergangenheit vieler der untersuchten Standorte identifiziert.

Im zweiten Teil der Dissertation wurde die Auswirkung von mittelalterlicher Wölbackerbewirtschaftung auf die OBS in fünf Waldböden mit unterschiedlicher Textur untersucht. Regelmäßiges, spiralförmiges Pflügen in länglichen Parzellen führte dazu, dass sich Oberboden aus dem Rand streifenförmiger Felder in deren Mitte akkumulierte. Auf diese Art und Weise entstand eine gewölbte Mikrotopographie mit Furchen in den Außenbereichen und Kämmen in der Mitte. Durch diese altertümliche Bearbeitungstechnik wurde ehemaliger Oberboden unter den Kämmen vergraben. Der Kohlenstoffgehalt war 0.4-0.9 g kg-1 höher unter Kämmen als an einer Referenzposition. Dies deutet auf eine Langzeiterhaltung der OBS im ehemaligen Oberboden unter den Kämmen hin. Allerdings konnten erhöhte Kohlenstoffvorräte unter den Kämmen aufgrund von Oberbodenvergrabung nicht für alle Standorte signifikant bestätigt werden. Eine wichtige Rolle in diesen Systemen spielte auch die Veränderung des Kohlenstoffeintrags durch die entstandene Mikrotopographie. Indikatoren für einen höheren Kohlenstoffeintrag in den Furchen durch Laubanreicherung waren die höheren Anteile an freier leichter OBS-Fraktion (10±5 and 6±3 g kg-1, jeweils) sowie die höhere spezifische Mineralisation der OBS in Oberböden der Furchen als in Oberböden der Kämmen (37±4 and 31±3 μg CO2-C g-1 SOC, jeweils).

Zusammenfassend konnte Viridiana Alcántara in Ihrer Dissertation schlussfolgern, dass Tiefpflügen zu einer Erhöhung von Kohlenstoffgehalten und -vorräten in Unterböden unter Wald und Acker geführt hat. In tiefgepflügten Böden wurde der Speicherraum für Kohlenstoff durch die mechanische Translokation von Oberbodenmaterial in größeren Tiefen erhöht. Allerdings wurden dabei auch neue Oberböden etabliert, in den sich selbst über 40 Jahre nach dem Tiefpflügen Kohlenstoff weiter akkumuliert. Dieser Prozess bestimmt zusätzlich den Kohlenstoffsequestrierungseffekt bei der Betrachtung von Gesamtprofilvorräten. Darüber hinaus kann Tiefpflügen höhere Durchwurzelungstiefen begünstigen sowie Wasserhaltekapazitäten im Unterboden erhöhen. Dies könnte weniger schwankende Pflanzen- wachstumsbedingungen bedeuten, die unter Klimawandelszenarien eine wichtige Rolle spielen werden. In Wälder mit historischer Wölbackernutzung war der räumlich heterogene Kohlenstoffeintrag bedingt durch die erhaltene Mikrotopographie entscheidend für die Kohlenstoffverteilung im System. Dennoch konnte vergrabener Oberboden durch hohe Kohlenstoffgehalte Jahrhunderte nach der Vergrabung nachgewiesen werden.