Stoffkreisläufe

Gerd GleixnerMPI Biogeochemie

Stoffkreisläufe

• Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung

• Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf– Grundlegende Kenntnisse– Neue Puzzelstücke

Energiebilanz der Erde

IPPC, 07

WBGU Bericht, 1988

Strahlungsschema der Erde

Strahlungsantrieb

IPPC, 07

Greenhouse gases

Gas Temp. effect [°C]

Water vapour H2O 12,8

Carbon dioxide CO2 4,4

Ozone O3 1,5

Methane CH4 0,5

Nitrous oxide N2O 0,8

Gleixner and Mügler, 07

Natürliche Klimavariabilität

IPPC, 07

Variation des Strahlung

IPPC, 07

Treibhausgasanstieg

IPPC, 07

Klimamodelle

IPPC, 07

Erdsystem-Forschung

ESRP, 06

Temperatur

IPPC, 07

Niederschlag

IPPC, 07

Globale Zirkulation

IPPC, 07

Nach Vitousek et al. (1997) Science 277:494

Faktor Mensch

Veränderung der Erdoberfläche

IPPC, 07

Kohlenstoffkreislauf

IPPC, 07

Temperaturänderungen

IPPC, 07

Unsicherheiten

IPCC, 2007

Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf

Gleixner et al., 2001

Critical Zone Prozesse

Stofftransport im Boden

Wurzel- und C-Verteilungen im Boden

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Distribution of carbon and root biomass [%]

Depth [cm]soil carbon n=2721

root biomass n=117

Data from Jobbagy and Jackson, 2001

Mikroorganismen im Boden

Photoauto-, Hetero-, Chemolithoauto-trophes

Bodenkohlenstoffmodelle

STRUCTURAL(3y)

METABOLIC(0.5y)

ACTIVE SOIL(1.5y)

SLOW SOIL(25y)

PASSIVE SOIL(1000y)

PLANTRESIDUE

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

Soil Organic Matter

Puzzelstücke

Natürliche Markierungsexperimente

Chemische Zusammensetzung SOM

Bol et al., 2009

Umsatzgeschwindigkeit

p = 0,002

p = 0,491

p = 0,001

p < 0,001

p = 0,007

p = 0,017

OC stock changes between 2000 and 2004 [g m-2]

Dep

th [

cm]

- 500 g m-2

+ 1150 g m-2

Annual increase ≈ 160 g C/m2

Gleixner et al., 09

Speicherung

Altersänderungen

70 75 80 85 90 95 100 105 1100

10

20

30

40

50

60

70

2000 14C2004 14C

Radiocarbon Content (pMC%)

So

il D

ep

th (

cm

)

Altersänderungen

-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000-20

-10

0

10

20

30

40

50

f(x) = 0.00423694839384719 x + 3.40210688389867R² = 0.486610653391795

Carbon Stock Change (g/m2/y)

Ch

an

ge

in R

ad

ioc

arb

on

Co

nte

nt

(pM

C%

)

Kohlenstoffquellen von Mikroorganismen

soi

l car

bon

[%]

Kramer & Gleixner, 2006

100 %

80 %

plant carbon [%]

60 %

plant + soil

Hydrothermale Synthese von Kohle aus Biomasse

Antonietti, 06

Alternative Wege der C-Speicherung

Gelöster Kohlenstoff

The Jena Experiment

0,00

25,00

50,00

75,00T

OC

07.03.03 24.03.03 07.04.03 22.04.03 07.05.03

20.05.03 03.06.03 14.07.03 28.07.03 12.09.03

22.09.03 07.10.03 21.10.03 04.11.03 18.11.03

02.12.03 17.12.03 29.12.03 15.01.04 30.01.04

12.02.04 27.02.04

0,00

25,00

50,00

75,00

TO

C

0,00

25,00

50,00

75,00

TO

C

0,00

25,00

50,00

75,00

TO

C

0 1 2 4 8 16 60

sowndiv

0,00

25,00

50,00

75,00

TO

C

0 1 2 4 8 16 60

sowndiv

mg/l TOC 20 cm

Gelöster Kohlenstoff

0,00

25,00

50,00

75,00

TO

C

07.03.03 24.03.03 07.04.03 22.04.03

07.05.03 20.05.03 03.06.03 17.06.03

14.07.03 29.12.03 15.01.04 30.01.04

12.02.04 27.02.04

0,00

25,00

50,00

75,00

TO

C

0,00

25,00

50,00

75,00

TO

C

0 1 2 4 8 16 60

sowndiv

0,00

25,00

50,00

75,00

TO

C

0 1 2 4 8 16 60

sowndiv

mg/l TOC 60 cm

Transport

Carbon loss(36 g C m-2 yr-1)

Carbon storage(191 g C m-2 yr-1)

Litter input(≈ 0 g C m-2 yr-1)

Carbon storage(132 g C m-2 yr-1)

Litter input(430 - 650 g C m-2 yr-1)

Root standing biomass(130 – 158 g C m-2 yr-1)

Carbon loss(197 g C m-2 yr-1)

New C4 carbon(101 g C m-2 yr-1)

New C4 carbon(145 g C m-2 yr-1)

0 –

20 c

m20

– 3

0 cm DOC 30 cm

(4 g C m-2 yr-1)C4: 0%

DOC 20 cm(4 g C m-2 yr-1)C4: max. 18%

DOC 10 cm(8 g C m-2 yr-1)C4: max. 44%

DOC 30 cm(3 g C m-2 yr-1)

C4: 0%

DOC 20 cm(5 g C m-2 yr-1)C4: max. 10%

DOC 10 cm(8 g C m-2 yr-1)C4: max. 22%

Root standing biomass(187 – 214 g C m-2 yr-1)

Kohlenstoffquellen von DOC

Steinbeiß et al., SBB 08

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Biogeochemical Carbon Cycle

Gleixner et al., 2001

AutotrophicOrganisms

HeterotrophicOrganisms

Biogeochemical Signaling

Substrate Measure Question

SOM Amount, Structure, Isotopic Content

Sources, Turnover

DOM Amount, Structure, Isotopic Content

Sources, Transport, Turnover

CO2 Amount, Isotopic content

Sources

Microorganism Amount, Composition, Isotopic content

Community, carbon sources, links

Sources of Soil CO2

Radiocarbon Content of Soil Gas

17.02.05 05.09.05 24.03.06 10.10.06 28.04.07 14.11.07 01.06.08 18.12.0896

98

100

102

104

106

108

110

112

5 cm10 cm20 cmatmosphere

Sampling Date

Fra

cti

on M

odern

(%

)

Soil Microorganisms

PLFA - Phospholipid fatty acids

Adaptation of Microbial Communities

Conclusion

Sorption and Size Separation

(Bio)-Catalytic removal

Event Driven Input

System Feedbacks

• Workgroup: M. Habekost, C. Kramer, S. Rühlow, S. Steinbeiß, C. Tefs, A. Telz

• Guest: R. Bol, Great Britain, N. Porier, France and J. Balesdent, France

• Zentrale Analytik, Isolab and 14C Lab MPI Biogeochemistry, Jena

• “The Jena Experiment” , DFG Research Group

• DFG – German Science Foundation

Acknowledgement

Turnover of Soil Carbon

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Turnover time (years)

Peak area

Lg

Lp

Pr

Ps

U

< 20 20 30 40 50 60 70 270

C Speicher - Biodiversität

Steinbeiß, subm.

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