Analysis of peat soil organic carbon, total nitrogen, soil water content and basal respiration: Is there a ‘best’ drying temperature?

Soil needs to be dried in order to determine water content, soil organic carbon content (SOC) and total nitrogen content (N). Water content is commonly measured using standard methods that involve drying temperatures of 105–110 °C. Recommended drying temperatures differ for the determination of SOC and N. However, at moderate drying temperatures, microbial activity might lead to organic matter mineralisation and nitrification, and thus to an underestimation of SOC and N. Furthermore, low drying temperatures might not dewater soils sufficiently to correctly determine water content or bulk density. Chemical processes such as thermal decomposition and volatilisation might occur at higher temperatures. This raises the question of whether the same sample can be used to determine water content, SOC and N. Further, the effect of drying, especially at different temperatures, on basal respiration of peat soils determined by incubation experiments is so far unknown. Effects of drying temperature might be especially severe for peat soils, which have high SOC and water contents. This study systematically evaluated the effect of different drying temperatures (20, 40, 60, 80 and 105 °C) on the determination of mass loss (proxy for water content), SOC and N over a wide range of 15 different peat soils comprising amorphous, Sphagnum and sedge peat substrate. The investigated peat soils had SOC contents ranging from approximately 16.8–52.5% with different degrees of decomposition. They were thus separated into two ‘peat groups’ (amorphous and weakly decomposed). In a subsequent investigation, an incubation experiment was carried out on a subset of five peat soils to investigate the pre-treatment effect of different drying temperatures on basal respiration. The results showed that amorphous samples should be dried at 105 °C to determine water content. The weakly decomposed peat soils in the study had reliable water contents for drying temperatures above 60 °C. For temperatures below 80 °C, the determined SOC and N were biased by residual water. This could be corrected for weakly decomposed samples, but for amorphous samples only for drying temperatures ≥60 °C. Thus, mineralisation of soil organic matter is likely to take place at lower drying temperatures which are not recommendable especially for amorphous peat prone to high mineralisation rates. This is supported by the results of the incubation experiment: The effect of peat type (amorphous topsoil vs. weakly decomposed subsoil) was greater than the effect of different drying temperatures, which nonetheless affected respiration rates. The differences between all five soils were consistent, irrespective of the drying temperature. Thus, incubation experiments might be possible using peat dried at moderate temperatures. © 2021 The Author

Methodenhandbuch zu den Gelände- und Laborarbeiten für den Aufbau des deutschlandweiten Moorbodenmonitorings für den Klimaschutz (MoMoK) - Teil 1: Offenland, Version 1.0

Moor- und weitere organische Böden speichern große Mengen an organischem Bodenkohlenstoff, die bei Entwässerung als Kohlendioxid (CO2) freigesetzt werden. Da in Deutschland ein Großteil dieser Böden entwässert ist, tragen sie nach derzeitigen Berechnungen mit 54 Mio. t CO2-Äqivalenten pro Jahr 7,5% zu den gesamten deutschen Treibhausgasemissionen bei. Zunehmende Anstrengungen bei der Umsetzung von Minderungsmaßnahmen erfordern sowohl adäquate Methoden in der Emissionsberichterstattung als auch ein konsistentes Monitoring. Das Projekt 'Aufbau eines deutschlandweiten Moorbodenmonitorings für den Klimaschutz (MoMoK) - Teil 1: Offenland' (2020 bis 2025) stellt sich der Herausforderung, ein langfristiges deutschlandweites repräsentatives Monitoringnetz für Moorböden aufzubauen. Dieses Messnetz wird ca. 200 Standorte umfassen. Dabei werden sowohl Standorte unter entwässerungsbasierter landwirtschaftlicher Nutzung als auch naturnahe Standorte und wiedervernässte ungenutzte oder als Paludikultur genutzte Moor- und weitere organische Böden untersucht. Eine Langzeitmessung von Treibhausgasflüssen ist nur an wenigen Standorten möglich. Entsprechend fokussiert das Moorbodenmonitoring auf die Erfassung von Geländehöhen, da Geländehöhenänderungen als Proxy für Änderungen der Vorräte an organischem Bodenkohlenstoff dienen können. Daneben wird an allen Standorten der Vorrat an organischem Bodenkohlenstoff gemessen, um die Grundlage für eine mögliche Wiederholungsinventur zu legen. Standorte anderer Monitoringprogramme (Langzeitmessstandorte für Treibhausgase, Bodendauerbeobachtung) werden nach Möglichkeit eingebunden. Das hier vorgelegte Methodenhandbuch beschreibt das generelle Messdesign des Moorbodenmonitorings, das Vorgehen für die Einrichtung von Untersuchungsflächen, die Probenahme im Gelände und die Labormethoden. Aufgenommene Größen umfassen Geländehöhen (jährliche Erfassung der gesamten Untersuchungsfläche und kontinuierliche Aufnahme an deren Zentralpunkt), Gesamtvorräte an organischem Bodenkohlenstoff und Stickstoff, horizontbezogene bodenchemische und -physikalische Eigenschaften, Moor- und Oberflächenwasserstände sowie die Vegetation und Bewirtschaftung. Neben praktischen Anleitungen wird der wissenschaftliche Hintergrund für methodische Entscheidungen erläutert. Parallel zum Aufbau des Messnetzes werden die derzeit in der Emissionsberichterstattung genutzten Regionalisierungsansätze für Treibhausgasemissionen bzw. deren Steuergrößen verbessert. Dies umfasst die Aktualisierung der Kulisse organischer Böden, die Verbesserung der Regionalisierung der Moorwasserstände und die Ableitung der Treibhausgasemissionen. Diese Arbeiten sind jedoch nicht Teil des Methodenhandbuchs. Ziel des Methodenhandbuchs ist es, die im Rahmen des Moorbodenmonitorings (Teil 1: Offenland) im Gelände und Labor angewandten Methoden umfassend und transparent zu dokumentieren. Daneben sollen diese detaillierten Informationen, Anleitungen und Protokolle all jenen als Anregung zur Verfügung stehen, die ein Monitoring von Moorstandorten planen oder einzelne Größen konsistent zum Moorbodenmonitoring aufnehmen möchten.Peat and further organic soils store large amounts of soil organic carbon, which is released as carbon dioxide (CO2) upon drainage. In Germany, most of these soils are drained, and they thus contribute with 54 Mio. t CO2-equivalents per year 7.5% to the total German greenhouse gas emissions. Increasing efforts in implementing mitigation measures call for both adequate methods in emission reporting and consistent monitoring. The project 'Establishment of a German peatland monitoring programme for climate protection (MoMoK) - Part 1: Open land' (2020-2025) rises to the challenge of building a long-term representative monitoring network for peatlands all over Germany. This network will comprise around 200 sites. It encompasses drained grassland and cropland, paludiculture as well as unutilized semi-natural and rewetted sites. As long-term monitoring of greenhouse gas exchange will only be feasible at a few sites, the peatland monitoring programme focusses on the measurement of soil motion, which may be used as proxy for changes in the stocks of soil organic carbon. Beside soil motion, total stocks of organic carbon are determined at all sites as a baseline for possible future inventories. Sites of other monitoring programmes (long-term greenhouse gas flux sites, soil monitoring) are integrated into the network wherever possible. This handbook describes the general design of the peatland monitoring programme, the site setup and field sampling as well as laboratory methods. The monitoring programme collects data on surface heights (annual survey of the monitoring sites, continuous point measurements of surface motion), total soil organic carbon and nitrogen stocks, soil chemical and physical properties of the individual soil horizons, peat and surface water levels as well as on vegetation and management. Besides giving practical guidance, the handbook explains the scientific background of methodological choices. Parallel to the establishment of the monitoring network, the regionalisation methods for greenhouse gasses and their drivers as currently used in emission reporting are improved. This comprises an update of the map of organic soils as well as the improvement of the regionalisation of water table depths in organic soils and of the greenhouse gas emissions. These parts of the project, however, are not part of this handbook. With the publication of the handbook, we aim at a comprehensive and transparent documentation of the field and laboratory methods of the German peatland monitoring programme (Part 1: Open land). Furthermore, these detailed information, guidelines and protocols are available as inspiration to anyone who is planning monitoring of peatlands or wishes to measure single parameters consistently to the peatland monitoring programme

Why does mineral fertilization increase soil carbon stocks in temperate grasslands?

Globally, grasslands are a major land cover type and store significant amounts of soil organic carbon (SOC). Fertilization with the major plant nutrients nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) may affect SOC stocks, e.g., by altering aboveground and belowground plant productivity, species composition, litter composition and decomposition, and microbial metabolism. However, belowground responses to fertilization in grasslands are not fully understood, hampering accurate predictions of SOC dynamics. In this study, seven different long-term grassland fertilization experiments (16–58 years) in Germany and the Netherlands were sampled to determine the effects of mineral fertilization (i.e., N, P, K, PK, and NPK) compared with unfertilized plots (Control) on SOC stocks and root C stocks. Soils were sampled to a depth of 100 cm or to the maximum depth possible. Potential litter decomposition was assessed using Lipton Rooibos and Lipton Green teas as standardized and well-characterized litter materials. In the topsoil (0–30 cm depth), PK, NPK, and NPK+ (increased NPK) fertilization had significant positive effects on SOC stocks, with annual sequestration rates of 0.28, 0.13, and 0.37 Mg ha−1 yr−1, respectively, within an average time span of 34 (PK, NPK) or 20 (NPK+) years. For NPK fertilization, 1.15 kg of N was needed to sequester 1 kg SOC. Increased SOC stocks could not be explained by altered belowground C inputs or decomposition rates, since root C stocks were not affected by fertilization and potential litter decomposition was unchanged. The highly significant increases in dry matter yield with PK and NPK fertilization and resulting higher aboveground C inputs were also unlikely to explain the observed SOC stock changes, since increases were only observed at soil depths >10 cm. However, significantly narrower root C:N ratios were observed for the N (26.9), PK (36.5), NPK (36.8), and NPK+ (33.2) treatments than for the Control (41.8), which may have caused increased microbial C use efficiency, positively affecting SOC storage. The narrower C:N ratios in PK treatments were explained by significantly increased abundance of legumes. We concluded that the carbon footprint of fertilization-induced SOC sequestration needs to be considered when the latter should be accounted for as a climate mitigation measure. Thereby, PK fertilization has much lower CO2 costs than NPK fertilization due to N input via legumes.</p

Landwirtschaftlich genutzte Böden in Deutschland: Ergebnisse der Bodenzustandserhebung

Die Bundesrepublik Deutschland hat sich als Unterzeichnerstaat mehrerer internationaler Vereinbarungen zum Klimaschutz verpflichtet, anthropogene Quellen und Senken von Treibhausgasen jährlich auf nationaler Skalenebene zu berichten. Dazu zählen auch CO2-Emissionen aus Veränderungen des Vorrates an organischem Kohlenstoff (Corg) im Boden - denn ein Verlust von Corg ist verbunden mit Emissionen des Treibhausgases CO2 aus Böden, ein Aufbau des Corg-Vorrates entspricht einer Festlegung von CO2-Kohlenstoff in Böden. Veränderungen des Corg-Vorrates von Böden sind somit klimawirksam und entsprechend im Rahmen der Treibhausgas-Emissionsberichterstattung zu bilanzieren. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) beauftragte das Thünen-Institut für Agrarklimaschutz mit der Planung und Durchführung der ersten Bodenzustandserhebung Landwirtschaft (BZE-LW), um eine bundesweit konsistente und vergleichbare Datenbasis bezüglich des Corg-Vorrates in den landwirtschaftlich genutzten Böden Deutschlands zu erhalten. Die BZE-LW dient in erster Linie der Absicherung, Verbesserung und Weiterentwicklung der Treibhausgas-Emissionsberichterstattung der Bundesrepublik Deutschland in den Bereichen Landnutzung und Landnutzungsänderungen. Die Ergebnisse fließen direkt in die Treibhausgas-Emissionsberichterstattung Deutschlands ein und bilden eine transparente Ausgangsbasis für den Nachweis von Veränderungen des Corg-Vorrates in landwirtschaftlich genutzten Böden. Eine zentrale Voraussetzung für die Bewertung der klimawirksamen Veränderungen des Corg-Vorrates in Böden ist die Kenntnis über die aktuelle Höhe sowie das Verständnis darüber, wie dieser Vorrat durch Klima-, Boden- und Nutzungsfaktoren beeinflusst wird. Neben der Erfassung des Corg-Vorrates in landwirtschaftlich genutzten Böden auf der Skalenebene Deutschlands sollte daher bewertet werden, welche Standort- und Nutzungsfaktoren diesen beeinflussen. Ein weiteres Ziel war die modellgestützte Bewertung, ob bei der aktuellen Bodenbewirtschaftung Veränderungen des Corg-Vorrates in landwirtschaftlich genutzten Böden zu erwarten sind. Mit dieser ersten bundesweiten BZE-LW wird auch die methodische und strukturelle Basis für eine regelmäßige Wiederholungsinventur geschaffen werden. Für spezifische Fragen zur Wirkung der landwirtschaftlichen Bodennutzung auf den Corg-Vorrat im Boden wurden parallel zur BZE-LW Untersuchungen an gezielt ausgewählten Dauer- und Exaktversuchen sowie an Praxisflächen durchgeführt. Die BZE-LW basierte auf einer Beprobung landwirtschaftlich genutzter Böden in einem deutschlandweiten Raster von 8 × 8 Kilometern - insgesamt 3104 Beprobungspunkte. Sie wurde mit aktiver Unterstützung der Landwirte, die die beprobten Flächen bewirtschafteten und Informationen zur Bodennutzung und ihrem landwirtschaftlichen Betrieb bereitstellten, durchgeführt. Die bodenkundliche Standortaufnahme erfolgte nach Bodenkundlicher Kartieranleitung KA5. Die Probenahme erfolgte einheitlich in den Tiefenstufen 0-10, 10-30, 30-50, 50-70 und 70-100 cm. Bei Moorböden wurden auch tiefer liegende Torfhorizonte beprobt. Die Bodenaufbereitung und -analysen erfolgten zentral im Labor des Thünen-Instituts. In den Bodenproben aller Standorte und Tiefenstufen wurden folgende Bodenkenngrößen gemessen: Gehalt an Corg sowie anorganischem Kohlenstoff und Gesamtstickstoff, pH-Wert, Feinbodenanteil (< 2 mm), Grobbodenanteil (= 2 mm), Wurzelanteil, Trockenrohdichte des Feinbodens, Bodentextur. Ein Archiv mit getrockneten Rückstellproben von allen Beprobungspunkten und Tiefenstufen wurde am Thünen-Institut eingerichtet. [ ...]As a signatory to several international conventions on climate change, the Federal Republic of Germany is obliged to report all anthropogenic sources and sinks of greenhouse gases on a national scale annually. Changes in stocks of soil organic carbon (SOC) are among these anthropogenic sinks and sources, since losses of SOC are associated with CO2 emissions while gains of SOC are associated with CO2 removal from the atmosphere. Therefore, changes in SOC-stocks are climate-relevant and have to be accounted for as part of national greenhouse gas inventory reporting. The German Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL) commissioned the Thünen Institute of Climate-Smart Agriculture to plan and carry out Germany's first agricultural soil inventory (BZE-LW) to obtain a consistent baseline of SOC-stocks in agricultural soils across Germany. The main aims of the BZE-LW are to validate, improve and develop Germany's greenhouse gas inventory reporting in the sector land use and land-use change and forestry (LULUCF). Results are directly fed into the reporting activities and provide a transparent starting point for the verification of any changes in SOC-stocks in soils under agricultural use. Solid knowledge of current SOCstocks, and how these are shaped by abiotic site conditions, land-use, and management, is a central precondition for the evaluation of climate-relevant changes in SOC-stocks. In addition to assessing SOC-stocks in agricultural soils on a national scale, the aim is to understand how and to what extent SOC-stocks are driven by these factors. Another goal is the model-based evaluation of whether changes in SOC-stocks under current land management should be expected. Several studies on specifically targeted long-term experiments and on other agricultural soils were conducted within the scope of this inventory to address specific questions about the effects of agricultural land-use and management on SOC-stocks.The BZE-LW is based on the sampling of agricultural soils in a countrywide grid of 8 x 8 km with a total of 3104 sampling points. It was carried out with the active involvement and support of local farmers who provided sampling sites and management information. The in situ soil inventory was based on the German soil classification scheme 'Bodenkundliche Kartieranleitung KA5'. Sampling was conducted at 0-10, 10-30, 30-50, 50-70 and 70-100 cm soil depth. In peat soils, the sampling depth was extended into deeper peat horizons. Sample preparation and soil analysis was performed in the laboratory at the Thünen Institute of Climate-Smart Agriculture. For all sampling points and soil depth increments, the following parameters were measured: organic and inorganic carbon content, total nitrogen, soil pH, proportion of fine soil (<2 mm), roots, bulk density of the fine soil, and soil texture. An archive containing samples from all sampling points and depth increments was established at the Thünen Institute. [...