Soil organic matter in riparian floodplain soils
regionalization of stocks and stabilization processes
Graf-Rosenfellner, Markus
Mineral soils in riparian floodplains are known for large organic carbon (OC) stocks in both top and sub soil. Soil forming conditions unique in these landscapes, mainly determined by flooding and sedimentation, contribute to these large stocks compared to other mineral soils in temperate climates. With regard to the position of soils in the carbon cycle, knowledge on stabilization mechanisms for soil organic matter (SOM) in addition to soil OC stocks is crucial to assess the function of riparian floodplain soils as sinks or sources of carbon. In this thesis, both aspects were investigated in the area of the “National Park Donau-Auen” which is one of the biggest remaining near-natural riparian floodplains in central Europe.
In the soils sampled in the study area a mean OC stock of 177 t ha-1 was determined and confirms the assumption that riparian floodplain soils are characterized by large OC stocks. Within the study area, soil OC stocks differed with regard to the hydroecomorphological site conditions, which are the result of the site-specific flooding dynamics. These are supposed to change along a gradient with increased distance from the river channel and are indicated by different vegetation types. Sites close to the river dominated by willow forests (“softwood sites”) showed lower soil OC stocks (154 t ha 1) compared with sites in larger distance to the river which were dominated by hardwood tree-species (oak, ash, elm or maple, “hardwood sites”, 186 t OC ha-1). The influence of flooding dynamics on OC stocks at these two extremes of the gradient is further underlined by the vertical distribution of soil OC stocks. Close to the river, buried top soils were found with over- and underlying coarsely textured sediments. Periods without sedimentation allow Ah horizons to form, which are subsequently covered by large amounts of sediments in periods with strong aggradation. This can be explained by periodic changes of flooding conditions with large amplitudes at these sites. Opposed, soils distant to the river constantly receive lower amounts of fine sediments rich in OC. Consequently, no buried top soils are found in the sub soil there and flooding conditions can be assumed to be temporally constant.
Furthermore, flooding dynamics also determine stabilization mechanisms for SOM on these sites. Prior to analyzing stabilization mechanisms for SOM, methods for their determination involving ultrasound technique were evaluated with regard to reproducibility and comparability of the results. Results of a round robin test on this topic showed that both were satisfying and ultrasound technique was therefore used to assess stabilization mechanisms for SOM.
In soils formed under dynamically changing flooding conditions at softwood dominated sites, large portions of SOM were stabilized by occlusion into aggregates or were present in a scarcely stabilized fraction as free particulate organic matter (together 20 – 40 % of total OC in these soils). These fractions were of minor importance in soils formed under constant flooding conditions (hardwood sites, < 10 % of total OC in these fractions). Obviously, free particulate OM (which is usually mostly found in young top soils because it gets mineralized within years) can sustain for longer times in sub soil under softwood vegetation. Preservation by covering with sediments is likely to contribute to this finding. The importance of stabilization by occlusion into aggregates is remarkable because this mechanism is usually of low importance in coarsely textured soils. Under hardwood forest with constant flooding conditions, fine textured material is deposited and SOM is largely stabilized by sorption on mineral surfaces and aggregation is much less important for stabilization of SOM in these soils.
For the regionalization of OC stocks and stabilization mechanisms for SOM, an approach combining spatial information with vegetation parameters turned out to be suitable. Vegetation parameters like stem number per area unit, mean stem diameter or cover of canopy, herb or shrub layer were included together with spatial information into multiple regression models. These approach allowed to predict site specific flooding dynamics and related OC stocks and SOM stabilization mechanisms as a result.
Mineralische Böden in Flussauen sind für ihre hohen Vorräte an organischem Kohlenstoff sowohl im Ober- als auch im Unterboden bekannt. Hierzu tragen die außergewöhnlichen Bedingungen für die Bodenbildung in Flussauen bei. Diese sind maßgeblich bestimmt durch wiederkehrende Überflutung und Sedimentation. In Anbetracht der Funktion von Böden im Kontext des Klimawandels sind Kenntnisse über Stabilisierungsmechanismen von organischer Bodensubstanz neben der Bemessung der Vorräte an organischem Kohlenstoff unabdingbar für die Bewertung von Auenböden in Bezug auf ihre Senken- oder Quellenfunktion für Kohlenstoff. In dieser Arbeit wurden daher beide Aspekte in einer der letzten und größten sowie annähernd natürlich entwickelten Flussauenlandschaft in Mitteleuropa, dem Nationalpark Donau-Auen nahe Wien (Österreich), untersucht.
Der mittlere Kohlenstoffvorrat in den untersuchten Böden betrug 177 t ha-1 und bestätigt damit die Annahme, dass sich Böden in Auenlandschaft durch hohe Kohlenstoffvorräte auszeichnen. Innerhalb des Untersuchungsgebietes unterschieden sich die bestimmten Vorräte jedoch in Hinblick auf die jeweiligen hydroökomorphologischen Standortbedingungen, welche von der dort vorherrschenden Überflutungs- und Sedimentationsdynamik bestimmt werden. Es wird weithin angenommen, dass diese sich entlang eines Gradienten mit steigender Entfernung vom Fluss verändern und durch unterschiedliche Standortvegetation angezeigt werden. An Weichholzauenstandorten in Flussnähe wurden im Mittel geringere Kohlenstoffvorräte im Boden (154 t ha-1) festgestellt als an Hartholzauenstandorten (186 t ha-1) in größerer Distanz zum Fluss. Der Einfluss der Überflutungs- und Sedimentationsdynamik auf die Kohlenstoffvorräte wird zusätzlich durch die Unterschiede in der vertikalen Verteilung der Kohlenstoffvorräte in Bodenprofilen an diesen Standorten hervorgehoben. An flussnahen Standorten konnten im Unterboden ehemalige Oberbodenhorizonte bestimmt werden, die durch dicke Sedimentschichten aus Material mit grober Textur begraben worden sind. Offensichtlich konnten sich diese Oberböden während längerer Perioden ohne Sedimentationsereignisse entwickeln und wurden danach bei sehr starken Sedimentationsereignissen begraben. Dies lässt sich durch wiederkehrende Veränderungen in den Überflutungs- und Sedimentationsbedingungen mit starken Amplituden bezüglich dieser Parameter erklären. Im Gegensatz dazu konnten in Böden in größerer Distanz zum Fluss, die durch zeitlich konstante Sedimentation von geringen Mengen an feinem Material gekennzeichnet sind, diese begrabenen Oberböden nicht im Unterboden gefunden werden.
Die Überflutungs- und Sedimentationsdynamik hat ebenfalls einen Einfluss auf die Mechanismen für die Stabilisierung der organischen Bodensubstanz. Vor der Durchführung der Analysen wurden in einem Ringversuch die Reproduzier- und Vergleichbarkeit der verwendeten Standardmethode zur Bestimmung der Stabilisierungsmechanismen unter Einbeziehung von Ultraschall zur Disaggregierung überprüft. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die verwendete Methode die zuvor angezweifelten Qualitätsmerkmale der Reproduzier- und Vergleichbarkeit zufriedenstellend erfüllt und die Nutzung von Ultraschall für die Bestimmung der Stabilisierungsmechanismen somit geeignet ist.
In Böden, die unter sich dynamisch ändernden Überflutungs- und Sedimentationsbedingungen gebildet werden, wurden relativ große Mengen an organischer Bodensubstanz durch Einschluss in Aggregate stabilisiert oder lagen als gering stabilisierte freie, partikuläre organische Bodensubstanz vor (zusammen 20 - 40 % des gesamten organischen Kohlenstoffs in diesen Fraktionen). Diese Fraktionen wiesen in Böden, die sich bei konstanten Überflutungs- und Sedimentationsbedingungen gebildet haben, einen wesentlichen geringeren Anteil auf (< 10 % des gesamten organischen Kohlenstoffs in diesen Fraktionen). Offensichtlich bleibt die freie, partikuläre organische Bodensubstanz (die gewöhnlich in großen Anteilen nur in jungen Oberböden vorliegt, da sie innerhalb weniger Jahre mineralisiert wird) auch in Unterböden von Weichholzauenstandorten über längere Zeit erhalten. Für den Schutz dieser Fraktion vor Mineralisierung scheint die Überlagerung mit großen Mengen an Sediment verantwortlich zu sein. Darüber hinaus ist auch der relative Anteil an durch Einschluss in Bodenaggregate stabilisierter organischer Bodensubstanz an diesen Standorten bemerkenswert, da dieser normalerweise bei Böden mit grober Textur nur eine untergeordnete Rolle spielt. In den Böden der Hartholzaue mit feiner Textur, die sich unter konstanten Überflutungs- und Sedimentationsbedingungen entwickelt haben, ist die Stabilisierung der organischen Bodensubstanz durch Sorption an Oberflächen der klar dominierende Stabilisierungsmechanismus. Der Einschluss in Aggregate spielt hier nur eine untergeordnete Rolle.
Für die Regionalisierung der Kohlenstoffvorräte und der Stabilisierungsmechanismen der organischen Bodensubstanz wurde ein Ansatz, der sowohl räumliche als auch Vegetationsparameter für die Identifikation und Vorhersage der Überflutungs- und Sedimentationsdynamik an den jeweiligen Standorten der Aue verwendet, entwickelt. Forstliche Standortparameter wie die Stammzahl, der Brusthöhendurchmesser aber auch der Baumkronendeckungsgrad sowie die Dichte der Kraut- und Strauchschicht wurden in Regressionsmodellen mit räumlichen Informationen zusammengeführt. Diese Modelle erlauben durch diesen neuen Ansatz die Vorhersage der Überflutungs- und Sedimentationsdynamik und den damit verbundenen Bodenkohlenstoffvorräten und Stabilisierungsmechanismen für organische Bodensubstanz.
