The contribution of various carbon sources to soil organic carbon : agronomical and environmental implications
Abstract
This thesis contains a literature review, where the ecology of soil organic carbon (SOC) in agricultural soils is addressed in a wide perspective. In addition it reports the findings of a laboratory incubation experiment. Several earlier studies suggest that aboveground plant parts (shoots), either incorporated into soils or left on the soil surface, are decomposed at a faster rate than their belowground counterparts (roots and roots derived components). To test whether such a relationship also exists in mineral soils in southeast Norway, oat (Avena sativa L.) and a green manure mixture containing perennial ryegrass (Lolium perenne L.), timothy (Phleum pratense L.), meadow fescue (Festuca pratensis L.) and red clover (Trifolium pratense L.) was pulse labeled in the field with 13CO2 throughout the growing season 2009. Shoots and soils were then used to establish six different incubation treatments (unlabeled control soil, unlabeled soil + 13C enriched oat shoots, unlabeled soil + 13C enriched grass shoots, unlabeled soil + 13C enriched clover shoots, soil containing 13C labeled green manure roots and soil containing 13C labeled oat roots) was incubated at 15 ⁰C and the respired CO2 was collected using lye (NaOH) as CO2 traps. Two approaches were used to quantify the relative amount of respired shoots. The respired CO2 from the control soil was subtracted from treatments amended with 13C enriched shoots, to provide the apparent amount of CO2 derived from shoots. In addition the 12C/13C signature of the respired CO2 together with the 12C/13C signature of the soil and organic matter in question was used to quantify the relative contribution of the various carbon sources to the total CO2 pool, using a two source mixing model. Using the latter approach, it was found that after 104 days of incubation: 29.9 ± 1.29 %, 33.8 ± 2.67 % and 26.2 ± 1.49 % (mean values ± standard deviation) of the original carbon in shoots had been respired from oat shoots, grass shoots and clover shoots, respectively. The same approach applied to root respiration provided lower values: 7.6 ± 0.12 % and 10.2 ± 0.33 % of the original carbon contained in green manure roots and oat roots, respectively had been respired. The differences in degradability of the two substrates are believed to be partly caused by structural differences (inherent properties), and partly by differences in the ability to become physically protected. As roots and root exudates interact with the soil structure in a more profound way than do shoots incorporated into the soil, they have a better chance of becoming an integrated part of soil aggregates and thus gain protection from the degrading actions of microorganisms.
Masteroppgaven omfatter både en litteraturgjennomgang, der økologien til organisk
karbon i jordbruksjord blir satt i en vid sammenheng, samt en del som omhandler et
inkubasjonsforsøk og de funn som er gjort. Funn fra flere tidligere studier indikerer at
overjordiske plantedeler, enten de er blandet inn i jord eller plassert på jordoverflaten, har
en høyere nedbrytningsrate enn underjordiske plantedeler (røtter og rotderivater). For å
teste om dette også stemmer for mineraljord i Sørøst-Norge, ble havre (Avena sativa L.)
samt en grønngjødselbanding bestående av flerårig raigras (Lolium perenne L.), timotei
(Phleum pratense L.), engsvingel (Festuca pratensis L.) og rødkløver (Trifolium pratense
L.), eksponert for 13CO2 gjentatte ganger i løpet av vekstsesongen 2009. Seks
behandlinger med jord (kontrolljord, jord + 13C anriket havrehalm, jord + 13C anriket
gress-skudd, jord + kløverskudd, jord med 13C anrikede havrerøtter og jord med 13C
anrikede grønngjødselrøtter) ble inkubert ved 15 ⁰C og respirert CO2 ble akkumulert i lut
(NaOH). Den relative andelen av skudd som var respirert ble estimert på to like måter.
CO2 i kontrollen ble trukket fra CO2 respirert i behandlingene tilsatt skudd. I tillegg ble en
blandingsmodell der 12C/13C signaturen til oppsamlet CO2 sammen med 12C/13C
signaturen til tilhørende jord og plantedeler brukt, til å kvantifisere det relative bidraget
ulike typer substrat hadde til den samlede 12C/13C signaturen til respirert CO2. Ved bruk
av sistnevnte metode ble det estimert at etter 104 dager hadde 29,9 ± 1,29 %, 33,8 ± 2,67
% og 26,2 ± 1,49 % (middel ± standardavvik) av opprinnelig karbon blitt respirert, fra
henholdsvis havreskudd, gress-skudd og kløverskudd. Ved å bruke samme prosedyre, ble
det funnet at bare: 7,6 ± 0,12 % og 10,2 ± 0,33 % av opprinnelig karbon i henholdsvis
havrerøtter og grønngjødselrøtter var respirert. Forskjellen i nedbrytningsrate er antatt
delvis å være forårsaket av substratforskjeller (iboende forskjeller) og delvis av forskjeller
i evnen til å bli fysisk beskyttet mot nedbrytning. Fordi røtter og roteksudater blir dannet i
tett nærhet til mineralpartikler vil disse i større grad kunne bli innlemmet i aggregater, og
således bli skjermet fra nedbrytningsorganismer, enn skudd som tilføres jorden.