Christian Siewert

Aspects of peat conservation and water management

An extended water regime model was used for calculating the evapotranspiration, groundwater recharge, and peat mineralization (CO2 and N release) for various fen locations with grassland utilization in dependence on the groundwater level. The results show that an increasing groundwater level leads to a strong decline of the actual evapotranspiration Et. For example, increasing the groundwater level from 30 to 120 cm diminishes the Et by up to 230 mm a—1. A positive groundwater recharge only takes place at groundwater levels of 90 cm and more. At smaller distances the capillary rise into the rooting zone during the summer months is greater than the water seepage during the winter months, so that a negative groundwater recharge-balance is reached in the course of a year. The CO2- and the N-release, as well as the annual decline in peat thickness, increase significantly with rising groundwater levels. The results show, that varying the groundwater level can influence the water regime and the peat mineralization significantly. The lower the groundwater level the less is the peat decomposition. The demand for a groundwater level as small as possible is, however, limited by an agricultural utilization of the fens. Choosing the optimum groundwater level should consider the aims (1) peat mineralization, (2) gas emission (CO2, CH4, N2O), and (3) crop production. If a grassland utilization is supposed to be made possible and all three aims above are given equal importance, the groundwater level should be maintained at 30 cm. At this distance, about 90 % of the optimum plant output can be reached. The peat mineralization can be reduced to 30 to 40 % of the maximum peat mineralization. The gas emission amounts to 50—60 % of the maximum value. Aspekte zum Niedermoorschutz und Wassermanagement Mit Hilfe eines erweiterten Wasserhaushaltsmodells wurden Eva-potranspiration, Grundwasserneubildung und die Torfmineralisation (CO2- und N-Freisetzung) in Abhangigkeit vom Grundwasserflurabstand fur verschiedene Niedermoorstandorte unter Grunlandnutzung ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmendem Grundwasserflurabstand die reale Evapotranspiration Et stark ab-sinkt. So vermindert sich Et bei einem Anstieg des Grundwasserflurabstandes von 30 cm auf 120 cm bis zu 230 mm a—1. Eine positive Grundwasserneubildung findet nur bei Grundwasserflurabstanden von 90 cm und mehr statt. Bei geringeren Flurabstanden ist der kapillare Aufstieg in den Wurzelraum wahrend des Sommers groser als die Versickerung im Winterhalbjahr, so dass innerhalb eines Jahres negative Grundwasserneubildungsraten auftreten. Mit steigendem Grundwasserflurabstand nehmen die CO2- und N-Freisetzung sowie die jahrliche Abnahme der Torfmachtigkeit deutlich zu. Die Ergebnisse zeigen, dass durch Steuerung des Grundwasserflurabstandes der Wasserhaushalt und die Torfmineralisation entscheidend beeinflusst werden konnen. Je flacher der Grundwasserflurabstand ist, um so geringer ist der Torfabbau. Der Forderung nach moglichst flachen Grundwasserflurabstanden sind aber Grenzen gesetzt, wenn die Niedermoore landwirtschaftlich genutzt werden sollen. Fur die Wahl des optimalen Grundwasserflurabstandes sind die Zielgrosen (1) Torfmineralisation, (2) Gasemission (CO2, CH4, N2O) und (3) Pflanzenertrag zu be-rucksichtigen. Bei gleichrangiger Berucksichtigung dieser Grosen und unter der Voraussetzung, dass eine Grunlandnutzung moglich sein soll, ergibt sich ein einzuhaltender mittlerer Grundwasserflurabstand von 30 cm. Bei diesem Grundwasserflurabstand erreicht man etwa 90 % des optimalen Ertrags. Die Torfmineralisation kann dabei auf 30 bis 40 % der maximalen Torfmineralisation herabgesetzt werden. Die Gasemission liegt bei 50—60 % des maximalen Wertes.

Kinetics of the release of dissolved organic matter (DOM) from air-dried and pre-moistened soil material.

In this study, the kinetics of soil organic matter (SOM) dissolution from soil samples in different states of moisture was investigated, using a continuous extraction method. The investigation distinguished three processes of SOM dissolution. They include an initial, fast process (probably hydrophilic dissolved organic matter) and two slow, rate limited processes, which probably correspond to hydrophobic dissolved organic matter (DOM). The second process indicates a slow, continuous release of DOM, whereas the third process is determined by a power law. The rate of the third process strongly depends on temperature and state of moisture. It is diffusion limited, with the diffusion control probably being located in the solid soil organic matter. This was explained by a gel structure, which slowly forms in the hydrating SOM and allows diffusion of mobile particles of SOM. The results show the importance of considering the moisture state of SOM for the kinetics of DOM dissolution. Kinetik der Freisetzung geloster organischer Substanzen (DOM) aus luftgetrocknetem und vorbefeuchtetem Bodenmaterial In dieser Studie wurde mit Hilfe einer kontinuierlichen Extraktionsmethode die Kinetik der Freisetzung geloster organischer Substanzen (DOM) aus Bodenmaterial in unterschiedlichen Feuchtezustanden untersucht. Es konnten drei verschiedene Teilprozesse im Auflosungsvorgang unterschieden werden. Diese beinhalten einen anfanglich schnellen Vorgang (wahrscheinlich hydrophile DOM) und zwei kinetisch kontrollierte Vorgange, die wahrscheinlich der hydrophoben DOM zuzuordnen sind. Der zweite Vorgang weist auf eine langsame, kontinuierliche DOM-Freisetzung hin, wahrend der dritte Vorgang durch einen Potenzterm beschrieben werden kann. Die Geschwindigkeit des dritten Vorganges wird stark von der Temperatur und vom Feuchtezustand der Probe bestimmt. Er ist diffusionskontrolliert, wobei die Diffusionskontrolle wahrscheinlich in der festen organischen Bodensubstanz lokalisiert ist. Dies wurde mit einer Gelstruktur erklart, die sich langsam in der quellenden organischen Bodensubstanz ausbildet und eine Diffusion mobiler Partikel der organischen Bodensubstanz ermoglicht. Die Ergebnisse weisen auf die Bedeutung des Feuchtezustandes der organischen Bodensubstanz fur die Kinetik der DOM-Freisetzung hin.

Soil hydrology and CO2 release of peat soils

A simple model to predict soil water components and the CO2 release for peat soils is presented. It can be used to determine plant water uptake and the CO2 release as a result of peat mineralization for different types of peat soils, various climate conditions, and groundwater levels. The model considers the thickness of the root zone, its hydraulic characteristics (pF, Ku), the groundwater depth and a soil-specific function to predict the CO2 release as a result of peat mineralization. The latter is a mathematical function considering soil temperature and soil matric potential. It is based on measurements from soil cores at varying temperatures and soil water contents using a respiricond equipment. Data was analyzed using nonlinear multiple regression analysis. As a result, CO2 release equations were gained and incorporated into a soil water simulation model.  Groundwater lysimeter measurements were used for model calibration of soil water components, CO2 release was adapted according long-term lysimeter data of Mundel (1976).  Peat soils have a negative water balance for groundwater depth conditions up to 80—100 cm below surface. Results demonstrate the necessity of a high soil water content i.e. shallow groundwater to avoid peat mineralization and soil degradation. CO2 losses increase with the thickness of the rooted soil zone and decreases with the degree of soil degradation. Especially the combination of deep groundwater level and high water balance deficits during the vegetation period leads to tremendous CO2 losses. Wasserhaushalt und CO2-Freisetzung von Niedermooren Es wird ein kombiniertes Wasserhaushalts-CO2-Freisetzungs-Modell vorgestellt, das eine Berechnung der Wasserhaushaltskomponenten und der CO2-Freisetzung fur unterschiedlich degradierte Niedermoore als Funktion des Grundwasserflurabstands und des Klimageschehens auf taglicher Basis ermoglicht. Die Boden werden im Modell durch ihre Moormachtigkeit und hydraulischen Eigenschaften (pF, Ku) berucksichtigt. Die Steuerungsfunktion zur Berechnung der CO2-Freisetzung fust auf Respiricondmessungen an ungestorten Bodenproben, wobei die CO2-Freisetzung bei variablen Temperatur- und Bodenfeuchtebedingungen gemessen wurde. Aus diesen Messdaten wurde mittels multipler Regressions-analysen bodenspezifische CO2-Freisetzungsfunktionen abgeleitet, die in das Wasserhaushalts-Simulationsmodell integriert wurden. Die Wasserhaushaltsberechnungen wurden anhand von Grundwasser-Lysimetermessungen kalibriert, die CO2-Freisetzung mit Hilfe langjahriger Lysimetermessungen von Mundel (1976). Niedermoore weisen bis zu einem Grundwasserstand von 80—100 cm u. GOF eine negative Wasserbilanz auf und wirken im Landschaftswasserhaushalt als Wasserzehrgebiete. Die CO2-Freisetzung nimmt mit der Durchwurzelungstiefe zu und ist zusatzlich vom Substrattyp und der Zersetzungsstufe abhangig. Bei gleichen Klima- und Grundwasserstandsbedingungen steigt die CO2-Freisetzung in der Reihenfolge Erd-Niedermoor > Mulm-Niedermoor > Anmoor. Besonders die Kombination von niedrigen Grundwasserflurabstanden und hohen Wasserbilanzdefiziten wahrend der Vegetationsperiode kann zu immensen Torfabbauraten bzw. Emissionen fuhren.

Practical application of thermogravimetry in soil science

Properties and compositions of soils originating from different sources usually vary, depending largely on the conditions of soil forming processes and parent materials. Our previous investigations of soils from contrasting localities showed linear correlations between carbon dioxide produced by soil microorganisms and thermal mass losses of air-dried soils recorded using thermogravimetry. The correlations were observed at temperatures corresponding both to moisture evaporation and thermal degradation of soil organic matter. In this work, those soils were combined into one group and the correlation analysis was repeated using both linear and power functions. Whereas the linear dependency between respiration and water evaporation was confirmed; the connection between respiration and thermal decay of organic matter appeared to follow power function. These findings indicate the existence of fundamental unifying principles in soil forming processes, in terms of water binding and clay-dependent organic carbon sequestration, notwithstanding the fact, that soils develop under contrasting conditions. Additional soils were analyzed in order to test the applicability of obtained models for prediction of soil respiration using thermogravimetry. The results indicate a promising potential of this method mainly for soils originating from areas undisturbed by anthropogenic activity.

Practical applications of thermogravimetry in soil science: Part 3: I interrelations between soil components and unifying principles of pedogenesis

Recent progress in analytical methodology and computer modeling has significantly increased the knowledge about soil composition, processes, and functions. However, the complexity of soil processes hampers the development of globally applicable predictive models, which limits the practical assessment of soils under different land uses. This work focused on the identification of regional specific and generic soil properties toward the understanding global soil processes and functions by analyzing samples from contrasting climatic regions, parent materials, and land uses. Thermogravimetry was used as a primary method due to its ability to analyze whole soil samples including bound water and without the need for extraction or fractionation of soil components. A newly developed method was applied for mutual comparison of thermal mass losses and to search for relationships between soil components, which were assumed to be consequences of generic regulation processes established during soil formation. The results suggest the presence of soil regional-specific characteristics mainly between water binding and soil organic and inorganic matter components. As a common feature for all soils, a relationship between thermal mass losses was found, which can be explained as the influence of clay on water binding, accumulation of proteinaceous materials, and amount of organo-clay complexes. In addition, the applied approach supports the detection of generic soil forming processes in individual samples and is promising method to distinguish between organic carbon of pedogenetic origin from carbon of other sources such as charcoal or ash. Although, the underlying factors of these interrelations are not fully understood, thermogravimetry seems to be a helpful tool not only for simple screening of soil properties, but also for modeling underlying soil forming processes.

Ökosystemorientierte Grundlagen Der Humusqualitätsbestimmung Teil 1 Theoretisches Konzept zur Ableitung ökosystemarer Humusfunktionen

Zur Erarbeitung einer allgemeingultigen Humusqualitatsbestimmung wird eine neue Herangehensweise vorgeschlagen. Sie beinhaltet eine Analyse des Bodens als Produkt der koevolutionaren Entwicklung von Organismen und Okosystemstrukturen unter terrestrischen Bedingungen. Okosystemare Funktionen des Bodens bestehen aus dieser Sicht in einer passiven, klimaabhangigen, artenubergreifenden Koordination der Organismenaktivitat zur Gewahrleistung verlustarmer Stoffkreislaufe sowie einer effektiven Energietransformation. Sie werden uber biogene, aber abiotisch funktionierende Hemmprozesse auf den heterotrophen Stoffumsatz realisiert. Hauptmerkmal der Bodenbildung und Trager der okosystemaren Bodenfunktionen sind die bodengenetisch gepragten Bestandteile der organischen Bodensubstanz. Zu erfassende Humuseigenschaften beziehen sich auf eine variable Modifikation der Wirksamkeit aktiver organischer Substanzen der Organismen (z.B. Botenstoffe, Exoenzyme, Wurzelexudate) und eine Beeinflussung der Verwertungsdynamik von k...

Ökosystemorientierte grundlagen der humusqualitätsbestimmung: Teil 2 (methodische Grundlagen) thermogravimetrische charakteristika von Pflanzensubstanzen und ihre Beziehungen zur biologischen Umsetzbarkeit

Ausgehend von einer Analyse des Bodens als Produkt der koevolutionaren Entwicklung von Organismen und Okosystemstrukturen werden methodische Grundlagen zum Nachweis von variablen Hemmwirkungen der Humusstoffe auf Umsatzprozesse vorgestellt. Sie beziehen sich hier auf eine Eignungsprufung der Thermogravimetrie zur Quantifizierung der biologischen Umsetzbarkeit organischer Substanzen unter Laborbedingungen am Beispiel von Pflanzenruckstanden. Die gefundenen Beziehungen zwischen thermischer und biologischer Stabilitat (r > 0.85, N = 18) bestatigen die prinzipielle Moglichkeit einer zumindestens halbquantitativen Bestimmung der biologischen Umsetzbarkeit organischer Substanzen im Boden durch thermogravimetrische Untersuchungen. Gleichzeitig bestatigt die Gegenuberstellung der Ergebnisse beider Methoden Anwendungsgrenzen der Inkubationsmethode beim Studium naturlicher Humifizierungsprozesse. Bei der Thermogravimetrie wurden methodisch bedingte Autokorrelationen festgestellt, welche die Auswertung wesentlich er...

Teaching Soil Science and Ecology in West Siberia: 17 Years of Field Courses.

Since 1995, soil-ecological field courses across climatic zones in West Siberia have been organized by scientists from Russia and Germany to meet growing demands for better land use practices. They are focused on virgin landscapes and soils undisturbed by anthropogenic influences to facilitate the learning processes by excluding concealing changes and artifacts. The visited landscapes range from taiga near Tomsk and tundra in Altai mountains to desert conditions near the Mongolian border. This article describes the main features of the field courses, the organization, and changes in the content over years. This includes a short description of the field course route, teaching approaches, the dynamics in the number of participants, evaluation results, and others. To explain the successes of the field courses, we suggest that the specific organization methods and collaboration approaches, the motivation of participants by several factors, and the applied interdisciplinary teaching approach should be considered. We hope our experience will facilitate similar teaching in other regions of the world and support a future sustainable use of local human and natural resources.

Ökosystemorientierte grundlagen der humusqualitätsbestimmung teil 3 (methodische grundlagen) veränderungen thermogravimetrischer charakteristika der organischen bodensubstanz bei biologischer umsetzung

Die organische Bodensubstanz von 100 Bodenproben wurde mit Hilfe der Thermogravimetrie jeweils vor und nach Inkubation unter Laborbedingungen untersucht. Der Vergleich frischer und inkubierter Proben bestatigte eine Abhangigkeit mikrobiologischer Abbauprozesse von der thermischen Stabilitat organischer Bestandteile. Analog zu Pflanzensubstanzen nimmt bei der Inkubation von Bodenproben der Gehalt thermisch extrem labiler organischer Komponenten ab. Um 300 °C konnte eine inkubationsbedingte Anreicherung neugebildeter Verbindungen nachgewiesen werden. Geringere thermogravimetrische Gewichtsverluste der inkubierten im Vergleich zu frischen Proben zeigten entgegen den Erwartungen um 500 °C eine Beteiligung thermisch extrem stabiler Komponenten an biologischen Umsatzprozessen. Diese Ergebnisse belegen eine prinzipielle Eignung der Thermogravimetrie zur Erfassung qulitativer Veranderungen in der Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz bei biologischer Transformation. Eine Bestimmung umsetzbarer Anteile in ...

Ökosystemorientierte grundlagen der humusqualitätsbestimmung

Ausgehend von einer Analyse des Bodens als Produkt der koevolutionaren Entwicklung von Organismen und Okosystemstrukturen werden methodische Grundlagen zum Nachweis von variablen Hemmwirkungen der Humusstoffe auf Umsatzprozesse vorgestellt. Sie beziehen sich hier auf eine Eignungsprufung der Thermogravimetrie zur Quantifizierung der biologischen Umsetzbarkeit organischer Substanzen unter Laborbedingungen am Beispiel von Pflanzenruckstanden. Die gefundenen Beziehungen zwischen thermischer und biologischer Stabilitat (r > 0.85, N = 18) bestatigen die prinzipielle Moglichkeit einer zumindestens halbquantitativen Bestimmung der biologischen Umsetzbarkeit organischer Substanzen im Boden durch thermogravimetrische Untersuchungen. Gleichzeitig bestatigt die Gegenuberstellung der Ergebnisse beider Methoden Anwendungsgrenzen der Inkubationsmethode beim Studium naturlicher Humifizierungsprozesse. Bei der Thermogravimetrie wurden methodisch bedingte Autokorrelationen festgestellt, welche die Auswertung wesentlich er...