Carbon sequestration and stabilization in a 40-year agronomic long-term experiment

Soils contain more carbon (C) in the form of organic matter (soil organic matter = SOM) than the entire atmosphere and global vegetation put together. They are thus a central component of the global C cycle and its largest dynamic reservoir. On the one hand, intelligent agricultural practices are discussed as a way of mitigating climate change because they can increase the amount of SOM and thus actively remove C from the atmosphere. On the other hand, all intensively used soils lose C in the long term. Central questions in this context revolve around the extent and dynamics of storage, the stabilisation mechanisms involved and the impact of agricultural use on the C budget

Wasserzeichen - System zur Kontrolle von Erzeugnissen mit Regionalauslobung mittels der Analytik stabiler Isotope: Durchführung eines Praxistests

Das Projekt Wasserzeichen ist ein Pilotprojekt in Hessen, um mithilfe der Stabil-Isotopen-Methode die regionale Herkunft von Lebensmitteln zu überprüfen. Der Fokus in der Isotopenuntersuchung war auf die Isotopenverhältnisse des Wassers (Sauerstoff, Wasserstoff) gerichtet. Im ersten Schritt wurden Referenzdaten für acht Lebensmittel in hessischen Regionen erhoben. Anschließend wurden Testprodukte mit regionaler Auslobung im Einzelhandel gekauft und vom Labor auf ihre Herkunft überprüft. Zusätzlich bekam das Labor Proben von Kontrollstellen, Verarbeitungsunternehmen und Rohwarenproben. Alle Proben wurden standardisiert und anonymisiert als Blindproben an das Labor verschickt. Das Labor hatte die Aufgabe, aufgrund der analysierten Werte Aussagen zur regionalen Herkunft zu überprüfen. Das Ergebnis: Die Stabil-Isotopen-Analyse ermöglicht es Herstellern und Handel schon jetzt, die regionale Herkunft der Produkte zu überprüfen. Weiterführend zeigt die Methode insbesondere für eine Überprüfung auf Betriebsebene ein großes Potenzial. Darauf aufbauend wurde eine relativ kostengünstige Variante der Analytik erprobt. Erzeuger von regional ausgelobten Waren geben Rückstellproben ab, die als Vergleich für stichprobenartige Prüfungen von Rohwarenlieferungen und Produkten des jeweiligen Erzeugers dienen. Dieses Verfahren wurde mit einem Lebensmittelhersteller getestet und hat sich in diesem Test als sehr gut praktikabel erwiesen. Die im Projekt „Wasserzeichen“ erhobenen Daten wurden zudem der Lebensmittelkontrolle Hessen zur Verfügung gestellt, um eine Anwendung in der gesetzlichen Kontrolle zu prüfen. Die im Handel blind gezogenen Proben konnten anhand der vorhandenen Datenbank in der Regel verifiziert werden. Um als Instrument für die Lebensmittelkontrolle zu dienen, müssen jedoch weitere Interpretationshilfen (Manuals) für die Bewertung der Referenzdaten entwickelt werden

Biolandbau ist nachweislich klimafreundlich

Der Biolandbau trägt mit dem Humusaufbau im Boden aktiv zur Verbesserung der Fruchtbarkeit, Wasserhaltekapazität und Struktur des Bodens bei. Er sichert so die langfristige Leistungsfähigkeit der Böden, verbessert das Wasserangebot für die Kulturen und reduziert Bodenverluste durch Erosion

Humusschutz durch Ökolandbau

Der Mensch bewirtschaftet den Boden zur Nahrungsproduktion seit rund 12 000 Jahren – seit der industriellen Revolution und der raschen Zunahme der Weltbevölkerung zudem immer intensiver. Dass der Boden, insbesondere seine organische Substanz, dadurch Schaden nimmt, ist bekannt. Bieten die Methoden des Ökolandbaus eine Lösung des Problems

Dynamic stability of mineral-associated organic matter: enhanced stability and turnover through organic fertilization in a temperate agricultural topsoil

Soil organic matter (SOM) plays a vital role for soil quality, sustainable food production and climate change mitigation. It is common knowledge that SOM consists of different pools with varying qualities, quantities, and turnover times. However, it is still poorly understood how mineral and organic fertilization affects the formation and stabilization of mineral-associated organic matter (MAOM) and how long it can remain there. Here, we report on the long-term effects of different farming systems on the stability and turnover of the fine silt and clay-sized MAOM fraction (<6.3 μm) of a Haplic Luvisol (0–20 cm) in the DOK long-term trial (Switzerland). We compared three farming systems with contrasting fertilization (CONMIN = pure mineral, CONFYM = mineral + organic, BIODYN = pure organic) with an unfertilized control (NOFERT) between 1982 and 2017. We performed specific surface area (SSA) measurements on fractionated MAOM samples (<6.3 μm) from 1982 to 2017, before and after removal of OM, measured the 14C activity of all samples during the entire period and estimated the mean residence time (MRT) with a model taking into account ‘bomb 14C’ and radioactive decay. We found constant MAOM-C contents under organic fertilization. Results of SSA analysis indicate best conditions for MAOM-C stabilization under organic fertilization and different sorption mechanisms in MAOM between farming systems with and without organic fertilization. The modelled MRTs were significantly higher in NOFERT (238 ± 40 yrs) and CONMIN (195 ± 27 yrs), compared to CONFYM (138 ± 18 yrs) and BIODYN (140 ± 19 yrs), implying a high C turnover (i.e. more active MAOM) at high C contents under organic fertilization. Our findings show that MAOM is not the dead OM but corroborates the concept of ‘dynamic stability’. Continuous OM inputs from organic fertilizers and their rapid and constant turnover are needed to stabilize the “stable” MAOM-C fraction

Fertilizer quality and labile soil organic matter fractions are vital for organic carbon sequestration in temperate arable soils within a long-term trial in Switzerland

Agricultural management of soils has led to severe losses of soil organic matter (SOM), accompanied by an increased release of CO2 into the atmosphere and a reduction of soil fertility. Especially under the aspect of global warming and the increasing demand for food, there is a need for sustainable management options increasing soil organic carbon (SOC) storage in agricultural soils, but knowledge gaps exist regarding C persistence in, and its transfer between functional SOC pools, within different farming systems. Here we report on impacts of different farming systems on the temporal dynamics of SOM fractions within the DOK long-term trial (Switzerland), from 1982 to 2017. A purely minerally (CONMIN), a minerally and organically (CONFYM), and a purely organically fertilized farming system (BIODYN) were compared with an unfertilized control (NOFERT). We separated archived soils from the Haplic Luvisol (0–20 cm depth) into particulate (POM) and mineral-associated OM (MAOM) fractions, via physical fractionation, and analyzed the chemical composition of selected fractions via solid-state 13C CPMAS-NMR spectroscopy. We demonstrate that under none of the analyzed farming systems, additional SOC was sequestered in the clay-sized MAOM fraction (<6.3 µm) over a period of 36 years. In all fertilized systems, the amount of SOC in this pool did not change, but strongly decreased in NOFERT (-27%). Bulk SOC increased in BIODYN (+13%) and CONFYM (+5%), but decreased in CONMIN (-8%) and NOFERT (-20%). As no additional SOC accumulated in the clay-sized MAOM fraction, this implies that bulk SOC increases were solely stored within labile POM fractions. NMR spectra showed comparable POM chemical compositions between different systems. Differences in fertilizer quality (BIODYN = composted farmyard manure vs CONFYM = stacked farmyard manure + mineral fertilizer) and the omission of pesticides resulted in better conditions for POM stabilization and consequently significantly higher C contents of occluded POM (oPOM) within aggregates, in BIODYN. However, this labile fraction is at high risk of being lost within a few days, as illustrated by the strong annual oPOM-C content fluctuations depending on the timing of soil sampling after harvest. The highest post-harvest oPOM-C losses in BIODYN indicate the higher dynamics compared to CONFYM. It is anticipated that only sustainable fertilization methods with continuous application of solely organic fertilizers in the long-run can maintain SOC in the labile POM fractions at elevated levels, thereby ensuring soil fertility. It also illustrates the need for prevention of major losses by careful management of the labile POM fractions, as this OM could associate with fine mineral particles at a later stage and thus contribute to OC sequestration in the stable SOC pool. Overall, the potential of arable soils to accumulate stable OC for long-term sequestration is questioned

Weiterentwicklung und Nutzungsempfehlungen validierter Methoden zur Unterscheidung von ökologischen und konventionellen Produkten

Ein Verfahren, welches ökologische oder konventionelle Erzeugung eines Produktes analysieren kann, ist für die Anwendung im Zweifelsfall sinnvoll. Ziel des Projektes war es dementsprechend, diskriminierende Methoden zu evaluieren und diese nach vorgängig festgelegten Kriterien, wie Anwendungsmöglichkeiten und Aussagesicherheit für Qualitätssicherungssysteme in den Unternehmen, aber ebenso für die Anwendung im Kontrollsystem durch Kontrollstellen und den zuständigen Behörden, zu bewerten. Anhand einer zu Beginn des Projektes erstellten Methodenübersicht wurden drei solcher Methoden zur Erprobung und Weiterentwicklung im Verlauf des Projektes ausgewählt: Isotopenmassenspektroskopie (IRMS), Fluoreszenz-Anregungs Spektroskopie (FAS) und Profiling-Techniken. Die IRMS basiert auf der Untersuchung der natürlichen Verteilung der stabilen Isotope der Bioelemente in einem Produkt. Die Isotopenverhältnisse des Stickstoffs spiegeln die Düngung im ökologischen und konventionellen Landbau, die Isotope des Gewebewassers geben die regionalen und länderspezifischen Unterschiede wider. Auch andere Isotope, wie der Kohlenstoff, sind bei der Herkunftsanalyse hilfreich. Insgesamt wurden neun Produkte evaluiert und die Datenbank wurde auf vier Leitprodukte (Weizen, Möhren, Kartoffeln und Hühnereier) konzentriert. Grundlage der Stabil-Isotopen-Methode ist der Aufbau von Referenzdatenbanken. Liegt eine statistisch relevante Größe der Datenbank vor, so kann die Methodik der stabilen Isotope mit hoher Sicherheit angewendet werden. Im Projekt wurden 816 Proben auf die Isotopenverhältnisse der Bioelemente analysiert. Die erstellten Datenbanken wurden mit 329 Blindproben geprüft. Es konnte aufgezeigt werden, dass die stabilen Isotope signifikante Differenzierungsmöglichkeiten für Produkte aus ökologischer und konventioneller Landwirtschaft bieten, insbesondere wenn eine Verknüpfung mit Informationen über die Düngungsart gewährleistet werden kann. Ein wesentlicher Vorteil ist dabei die Darstellung der Wahrscheinlichkeit, mit der die Aussage charakterisiert werden kann. Mit der FAS wurden Hühnereier und Weizenproben untersucht. Die FAS ist ein Verfahren, bei dem nach definierter optischer Anregung die Lichtemission einer Probe zeitabhängig gemessen wird. Im Rahmen dieses Projektes wurden 82 Proben Hühnereier und 130 Proben Weizen nach ihrer Herkunft aus ökologischer oder konventioneller Erzeugung untersucht. Mit dem beschriebenen Verfahren wurden circa 90 % der Hühnereier und 80 % der codierten Weizenproben korrekt beurteilt. Nach einer einjährigen Lagerung von Weizenproben bei –26 °C konnte die Differenzierung der Proben reproduziert und die Keimfähigkeit in Testversuchen nachgewiesen werden. Die Analyse der Ergebnisse verdeutlicht, dass teilweise noch Untersuchungsbedarf besteht und eine Verbesserung der Trennschärfe und Verkürzung des zeitlichen Aufwandes erreicht werden könnte. Mit Profiling-Techniken werden in einem Analysengang ganze Substanzklassen in biologischen Proben wie Weizen erfasst. Zur Analyse der Stoffwechselprodukte, hier Metabolite genannt, wurde die Gaschromatografie-Massenspektrometrie eingesetzt. Für das Profiling wurden Weizenkontingente, jeweils aus einer ökologischen und einer konventionellen Anbauvariante, verwendet. Metabolit-Profiling leistete eine Unterscheidung nach Anbauart für die einzelnen Sorten und für den Weizen der drei einzelnen Anbaujahre. Jedoch wurde die Erfassung der anbauartbedingten Änderungen des Metaboloms erschwert durch deutliche sorten- und wachstumsperiodenabhängige Schwankungen im Metabolom. Dennoch konnte gezeigt werden, dass einige Metabolite mit signifikanten Unterschieden zwischen den Anbauarten in der Regel über alle Sorten erhöhte bzw. niedrigere Werte aufweisen. Als Ursache für dieses heterogene Ergebnis wird der Einfluss jahreszeitlicher Schwankungen auf die Proteingehalte gesehen, der den Einfluss der Anbaumethode überlagert. Die Praxistests zeigten, dass beide Methoden nur dann gute Ergebnisse leisten, wenn eine ausreichend gute Referenzbasis vorhanden ist, mit der die Ergebnisse der untersuchten Proben verglichen werden können. Bezüglich der mit der IRMS untersuchten Fragestellung, ob ein Produkt von einem bestimmten Betrieb, einer Gruppe von Betrieben oder aus einer bestimmten Region stammt, sind die Ergebnisse vielversprechend. Um die Methode hinsichtlich dieser Fragestellung zu einem gängigen Qualitätssicherungsinstrument zu entwickeln, bedarf es allerdings einer Standardisierung der Verfahren für die Probenahme, Probenaufbereitung und Analytik sowie des Aufbaus einer gemeinsamen Referenzdatenbank. Dieser Ansatz wird mit dem Konzept „Wasserzeichen“ weiterverfolgt werden