The Origin of Soil Organic C, Dissolved Organic C and Respiration in a Long-Term Maize Experiment in Halle, Germany, Determined by13C Natural Abundance

Abstract

For a quantitative analysis of SOC dynamics it is necessary to trace the origins of the soil organic compounds and the pathways of their transformations. We used the 13C isotope to determine the incorporation of maize residues into the soil organic carbon (SOC), to trace the origin of the dissolved organic carbon (DOC), and to quantify the fraction of the maize C in the soil respiration. The maize-derived SOC was quantified in soil samples collected to a depth of 65 cm from two plots, one ’︁continuous maize’ and the other ’︁continuous rye’ (reference site) from the long-term field experiment ’︁Ewiger Roggen’ in Halle. This field trial was established in 1878 and was partly changed to a continuous maize cropping system in 1961. Production rates and δ13C of DOC and CO2 were determined for the Ap horizon in incubation experiments with undisturbed soil columns. After 37 years of continuous maize cropping, 15% of the total SOC in the topsoil originated from maize C. The fraction of the maize-derived C below the ploughed horizon was only 5 to 3%. The total amount of maize C stored in the profile was 9080 kg ha−1 which was equal to about 31% of the estimated total C input via maize residues (roots and stubble). Total leaching of DOC during the incubation period of 16 weeks was 1.1 g m−2 and one third of the DOC derived from maize C. The specific DOC production rate from the maize-derived SOC was 2.5 times higher than that from the older humus formed by C3 plants. The total CO2-C emission for 16 weeks was 18 g m−2. Fifty-eight percent of the soil respiration originated from maize C. The specific CO2 formation from maize-derived SOC was 8 times higher than that from the older SOC formed by C3 plants. The ratio of DOC production to CO2-C production was three times smaller for the young, maize-derived SOC than for the older humus formed by C3 plants. Untersuchung zur Herkunft der festen und gelösten organischen Substanz sowie des CO2 in einem Boden mit kontinuierlichem Maisanbau in Halle, Deutschland, anhand der natürlichen Verteilung von 13C Die quantitative Beschreibung von Transformationsprozessen der organischen Substanz in Böden setzt voraus, dass der Ursprung des Kohlenstoffs in den gebildeten Verbindungen zurückverfolgt werden kann. Wir haben anhand der Verteilung des Kohlenstoffisotops 13C den Einbau von Maisernterückständen in die organische Bodensubstanz bestimmt, den Ursprung des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) untersucht und den Anteil maisbürtigen Kohlenstoffs an der Bodenrespiration erfasst. Der maisbürtige Kohlenstoff in der organischen Substanz wurde an Bodenproben bestimmt, die auf den Versuchsparzellen ’︁kontinuierlicher Maisanbau’ und ’︁kontinuierlicher Roggenanbau’ (Kontrollfläche) des Dauerversuches ’︁Ewiger Roggen’ in Halle bis in eine Tiefe von 65 cm entnommen wurden. Dieser Dauerversuch wurde 1878 angelegt, 1961 wurde auf Teilflächen die Roggenmonokultur durch eine Maismonokultur ersetzt. Die Bildungsraten und δ13C-Werte des DOC und CO2 wurden für den Ap-Horizont in Inkubationsversuchen mit Bodensäulen bestimmt. Nach 37 Jahren kontinuierlichen Maisanbaus stammten 15% der organischen Substanz im Oberboden aus maisbürtigem C. Der Anteil von Mais-C unter dem Pflughorizont betrug nur 5 bis 3%. Im gesamten Profil waren 9080 kg Mais-C ha−1 gespeichert. Dies entsprach 31% des geschätzten C-Eintrags durch Maisrückstände (Wurzeln und Stoppel). Die DOC-Auswaschung während der Inkubationszeit von 16 Wochen betrug 1.1 g m−2. Ein Drittel des gebildeten DOC stammte aus maisbürtigem Kohlenstoff. Die spezifische DOC-Bildungsrate aus der maisbürtigen organischen Substanz war um den Faktor 2.5 höher als die DOC-Bildung aus dem älteren Humus, der sich aus Rückständen von C3-Pflanzen entwickelt hat. Die CO2-C Produktion in 16 Wochen betrug 18 g m−2. 58% der Bodenatmung stammten aus maisbürtigem C. Die spezifische CO2-Bildungsrate aus der maisbürtigen organischen Substanz war 8-fach höher als die CO2-Freisetzung des älteren Humus aus C3-Pflanzen. Das Verhältnis DOC-Produktion/CO2-C-Produktion war für die jüngere, maisbürtige organische Substanz um den Faktor 3 enger als für den älteren Humus aus C3-Pflanzen.