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The fate of pyrogenic organic matter in soil and its interaction with native soil organic matter and increased N inputs


Maestrini, Bernardo. The fate of pyrogenic organic matter in soil and its interaction with native soil organic matter and increased N inputs. 2014, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Pyrogene organische Substanz (PyOM) ist das Produkt unvollständiger Verbrennung von Biomasse und trägt einen bedeutenden Anteil zur organischen Bodensubstanz in Wald- und Landwirtschaftsböden bei. PyOM wird entweder durch natürliche Brände (Holzkohle) oder durch künstliche Pyrolyse landwirtschaftlicher Nebenprodukte (Biokohle) erzeugt. Ergebnisse von Abbaustudien (Inkubationsexperimente) sowie alte Radiokarbonalter von PyOM weisen darauf hin, dass PyOM eine relativ lange Umsatzzeit besitzt. Es bestehen jedoch grosse Unsicherheiten bezüglich der Bedeutung der verschiedenen Verlustprozesse von PyOM aus Böden (Mineralisierung, Auswaschung), dessen Raten, sowie bezüglich möglichen Wechselwirkungen mit der restlichen (nativen) organischen Bodensubstanz. Um den Einfluss von PyOM auf den globalen Kohlenstoffkreislauf zu verstehen, ist es von entscheidender Bedeutung, die Umsatzzeiten von PyOM zu bestimmen, sowie dessen Einfluss auf die Mineralisierung nativer organischer Bodensubstanz zu erfassen. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von PyOM auf den Bodenkohlenstoffhaushalt, unter spezieller Betrachtung der Auswirkungen von mineralischen Stickstoffeinträgen auf die Mineralisierung von PyOM. Die vorliegende Doktorarbeit besteht aus drei unabhängigen Studien: eine Feldstudie um die relative Bedeutung der PyOM Verlustprozesse zu bestimmen, (ii) ein Inkubationsexperiment um die Kohlenstoff- und Stickstoffdynamik in Böden nach der Zugabe von PyOM zu untersuchen und (iii) eine Metaanalyse des Primingeffekts, einer Wechselwirkung zwischen PyOM und der nativen organischen Bodensubstanz. Im Feld- sowie im Inkubationsexperiment wurde mit stabilen Isotopen markierte organische Substanz verwendet um dessen Mineralisierung zu untersuchen. Im Feldexperiment wurde beobachtet, dass (1) der Abbau von Pinienholz durch Pyrolyse um einen Faktor von 60 abnahm, dass (2) erhöhter Stickstoffeintrag die Mineralisierungsrate von PyOM herabsetzt und dass (3) Verluste durch Verlagerung von frischem PyOM entlang des Bodenprofils (Auswaschung) vernachlässigbar sind im Vergleich zu Verlusten durch Mineralisierung zu CO2. Im Inkubationsexperiment wurde der Einfluss von Weidelgras-PyOM auf die Mineralisierung der organischen Bodensubstanz (Primingeffekt) in Abhängigkeit der Stickstoffeinträge erfasst. Der Abbau von Weidelgras-PyOM wurde nicht von Stickstoffzugaben beeinflusst. Für Pinienholz-PyOM wurden allerdings unterschiedliche Effekte beobachtet, was möglicherweise auf den höheren Stickstoffgehalt in Weidelgrass-PyOM zurückzuführen ist. Weidelgrass-PyOM wies höhere Wasserstoff zu Kohlenstoff Verhältnisse (H/C) auf und hatte eine höhere Abbaurate als Pinienholz-PyOM, was die Anwendbarkeit des H/C-Verhältnisses (ein Indikator für PyOM Aromatizität) zur Vorhersage der PyOM Stabilität bestätigt. Des Weiteren ein zwei-Phasen-Primingeffekt von PyOM auf den Abbau der nativen organischen Bodensubstanz beobachtet: in kurzen Zeiträumen verursacht PyOM einen positiven Primingeffekt, während sie uber längere Zeiträume einen negativen Primingeffekt verursacht. Das zeitliche Muster des von PyOM verursachten Primingeffekts konnte in der Metaanalyse bestätigt werden. Die Metaanalyse zeigte, dass positives Priming meistens in kurzen Zeiträumen stattfindet und von PyOM mit niedrigen Kohlenstoffgehalten verursacht wird. Eine mögliche Erklärung ist, dass die Präsenz einer labilen Fraktion in PyOM die Aktivität von Mikroorganismen beeinflusst und dadurch die Mineralisierung von organichem Bodenkohlenstoff erhöht. Zusammenfassend konnte mit dieser Doktorarbeit gezeigt werden, dass die chemische Zusammensetzung und das Ausgangsmaterial von PyOM eine wichtige Rolle zur Vorhersage der PyOM-Stabilität spielen und dass anfänglich positives Priming möglicherweise die Effizienz von PyOM als Kohlenstoffsenke mindert. In Zukunft könnte zudem die Zunahme der Stickstoffeinträge die Stabilität von PyOM beeinflussen, wahrscheinlich in Abhängigkeit der Verfügbarkeit von PyOM-Stickstoff.

Pyrogenic organic matter (PyOM), the product of incomplete combustion of biomass, represents an important fraction of soil organic matter both in forest and agricultural soils. In fact PyOM is produced either by wildfires (charcoal) or by pyrolysis of agricultural residues (biochar). PyOM has a very low decomposition rate and determining its turnover time and the interaction with the surrounding soil organic matter are key issues to understand the C cycle. The present work investigates the impact of PyOM on soil C budget, with a special regard to the impact of mineral N deposition on PyOM mineralization. The present thesis is composed of three independent studies: a field study to investigate the pathway loss for PyOM, an incubation experiment to elucidate C and N dynamics in PyOM amended soil, and a meta-analysis of the priming effect induced by PyOM on soil organic carbon. Both in the field and in the incubation experiment the stable isotopes of C and N were used to estimate organic matter dynamics. In the field experiment it was observed that pyrolysis decreased by a factor of 60 the decomposability of pinewood, that N depressed the mineralization of PyOM and that losses and translocation along the soil profile from fresh PyOM are negligible compared to losses as CO2. In the incubation experiment the influence of ryegrass-derived PyOM on soil organic matter mineralization (priming effect) were investigated together with the effect of N addition on PyOM mineralization. We observed that ryegrass-derived PyOM decomposition was not sensitive to N addition, probably due its richness in N content, and had a higher decomposition rate than pinewood-derived PyOM, confirming the goodness of the H:C ratio (an indicator for PyOM aromaticity) as a predictor of PyOM stability. Moreover we observed that PyOM induced a two-phase priming effect on native soil organic matter decomposition: on the short term it induced positive priming while it induced negative priming in a second stage. PyOM induced priming effect was further investigated in a meta-analysis that confirmed this temporal pattern. We found that positive priming effect was induced mostly on the short term and by PyOM characterised by a low C content. I believe that the presence of a labile fraction in PyOM may trigger the activity of soil microorganisms and increase soil organic matter mineralization. I conclude that PyOM chemistry and feedstock play an important role in predicting PyOM stability, and that priming effect may decrease the efficiency of PyOM as a C-sink. Furthermore in the future the increase in N deposition may affect the stability of PyOM, probably depending on the availability of PyOM-N.

Abstract

Pyrogene organische Substanz (PyOM) ist das Produkt unvollständiger Verbrennung von Biomasse und trägt einen bedeutenden Anteil zur organischen Bodensubstanz in Wald- und Landwirtschaftsböden bei. PyOM wird entweder durch natürliche Brände (Holzkohle) oder durch künstliche Pyrolyse landwirtschaftlicher Nebenprodukte (Biokohle) erzeugt. Ergebnisse von Abbaustudien (Inkubationsexperimente) sowie alte Radiokarbonalter von PyOM weisen darauf hin, dass PyOM eine relativ lange Umsatzzeit besitzt. Es bestehen jedoch grosse Unsicherheiten bezüglich der Bedeutung der verschiedenen Verlustprozesse von PyOM aus Böden (Mineralisierung, Auswaschung), dessen Raten, sowie bezüglich möglichen Wechselwirkungen mit der restlichen (nativen) organischen Bodensubstanz. Um den Einfluss von PyOM auf den globalen Kohlenstoffkreislauf zu verstehen, ist es von entscheidender Bedeutung, die Umsatzzeiten von PyOM zu bestimmen, sowie dessen Einfluss auf die Mineralisierung nativer organischer Bodensubstanz zu erfassen. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von PyOM auf den Bodenkohlenstoffhaushalt, unter spezieller Betrachtung der Auswirkungen von mineralischen Stickstoffeinträgen auf die Mineralisierung von PyOM. Die vorliegende Doktorarbeit besteht aus drei unabhängigen Studien: eine Feldstudie um die relative Bedeutung der PyOM Verlustprozesse zu bestimmen, (ii) ein Inkubationsexperiment um die Kohlenstoff- und Stickstoffdynamik in Böden nach der Zugabe von PyOM zu untersuchen und (iii) eine Metaanalyse des Primingeffekts, einer Wechselwirkung zwischen PyOM und der nativen organischen Bodensubstanz. Im Feld- sowie im Inkubationsexperiment wurde mit stabilen Isotopen markierte organische Substanz verwendet um dessen Mineralisierung zu untersuchen. Im Feldexperiment wurde beobachtet, dass (1) der Abbau von Pinienholz durch Pyrolyse um einen Faktor von 60 abnahm, dass (2) erhöhter Stickstoffeintrag die Mineralisierungsrate von PyOM herabsetzt und dass (3) Verluste durch Verlagerung von frischem PyOM entlang des Bodenprofils (Auswaschung) vernachlässigbar sind im Vergleich zu Verlusten durch Mineralisierung zu CO2. Im Inkubationsexperiment wurde der Einfluss von Weidelgras-PyOM auf die Mineralisierung der organischen Bodensubstanz (Primingeffekt) in Abhängigkeit der Stickstoffeinträge erfasst. Der Abbau von Weidelgras-PyOM wurde nicht von Stickstoffzugaben beeinflusst. Für Pinienholz-PyOM wurden allerdings unterschiedliche Effekte beobachtet, was möglicherweise auf den höheren Stickstoffgehalt in Weidelgrass-PyOM zurückzuführen ist. Weidelgrass-PyOM wies höhere Wasserstoff zu Kohlenstoff Verhältnisse (H/C) auf und hatte eine höhere Abbaurate als Pinienholz-PyOM, was die Anwendbarkeit des H/C-Verhältnisses (ein Indikator für PyOM Aromatizität) zur Vorhersage der PyOM Stabilität bestätigt. Des Weiteren ein zwei-Phasen-Primingeffekt von PyOM auf den Abbau der nativen organischen Bodensubstanz beobachtet: in kurzen Zeiträumen verursacht PyOM einen positiven Primingeffekt, während sie uber längere Zeiträume einen negativen Primingeffekt verursacht. Das zeitliche Muster des von PyOM verursachten Primingeffekts konnte in der Metaanalyse bestätigt werden. Die Metaanalyse zeigte, dass positives Priming meistens in kurzen Zeiträumen stattfindet und von PyOM mit niedrigen Kohlenstoffgehalten verursacht wird. Eine mögliche Erklärung ist, dass die Präsenz einer labilen Fraktion in PyOM die Aktivität von Mikroorganismen beeinflusst und dadurch die Mineralisierung von organichem Bodenkohlenstoff erhöht. Zusammenfassend konnte mit dieser Doktorarbeit gezeigt werden, dass die chemische Zusammensetzung und das Ausgangsmaterial von PyOM eine wichtige Rolle zur Vorhersage der PyOM-Stabilität spielen und dass anfänglich positives Priming möglicherweise die Effizienz von PyOM als Kohlenstoffsenke mindert. In Zukunft könnte zudem die Zunahme der Stickstoffeinträge die Stabilität von PyOM beeinflussen, wahrscheinlich in Abhängigkeit der Verfügbarkeit von PyOM-Stickstoff.

Pyrogenic organic matter (PyOM), the product of incomplete combustion of biomass, represents an important fraction of soil organic matter both in forest and agricultural soils. In fact PyOM is produced either by wildfires (charcoal) or by pyrolysis of agricultural residues (biochar). PyOM has a very low decomposition rate and determining its turnover time and the interaction with the surrounding soil organic matter are key issues to understand the C cycle. The present work investigates the impact of PyOM on soil C budget, with a special regard to the impact of mineral N deposition on PyOM mineralization. The present thesis is composed of three independent studies: a field study to investigate the pathway loss for PyOM, an incubation experiment to elucidate C and N dynamics in PyOM amended soil, and a meta-analysis of the priming effect induced by PyOM on soil organic carbon. Both in the field and in the incubation experiment the stable isotopes of C and N were used to estimate organic matter dynamics. In the field experiment it was observed that pyrolysis decreased by a factor of 60 the decomposability of pinewood, that N depressed the mineralization of PyOM and that losses and translocation along the soil profile from fresh PyOM are negligible compared to losses as CO2. In the incubation experiment the influence of ryegrass-derived PyOM on soil organic matter mineralization (priming effect) were investigated together with the effect of N addition on PyOM mineralization. We observed that ryegrass-derived PyOM decomposition was not sensitive to N addition, probably due its richness in N content, and had a higher decomposition rate than pinewood-derived PyOM, confirming the goodness of the H:C ratio (an indicator for PyOM aromaticity) as a predictor of PyOM stability. Moreover we observed that PyOM induced a two-phase priming effect on native soil organic matter decomposition: on the short term it induced positive priming while it induced negative priming in a second stage. PyOM induced priming effect was further investigated in a meta-analysis that confirmed this temporal pattern. We found that positive priming effect was induced mostly on the short term and by PyOM characterised by a low C content. I believe that the presence of a labile fraction in PyOM may trigger the activity of soil microorganisms and increase soil organic matter mineralization. I conclude that PyOM chemistry and feedstock play an important role in predicting PyOM stability, and that priming effect may decrease the efficiency of PyOM as a C-sink. Furthermore in the future the increase in N deposition may affect the stability of PyOM, probably depending on the availability of PyOM-N.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Schmidt Michael W I, Abiven Samuel, Nannipieri Paolo
Communities & Collections:07 Faculty of Science > Institute of Geography
UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:910 Geography & travel
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2014
Deposited On:15 Jan 2015 08:18
Last Modified:07 Apr 2020 06:49
Number of Pages:180
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/permalink/f/5u2s2l/ebi01_prod010335206 (Library Catalogue)

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