Munich, Germany
July 8, 2021
Plants rotting in the soil are valuable for more than just compost. In fact, plant residues play a crucial role in keeping carbon in the soil, which is important for reducing the planet's CO2 emissions. This is the conclusion of a new study by researchers at the Technical University of Munich (TUM) and other institutions.
Soils are a key player in the global carbon cycle, storing more than twice as much carbon as the atmosphere. Researchers have now studied the role of plant carbon inputs in increased soil carbon storage in more detail.
"Small pieces of dead plants are often seen as just fast food for bacteria and fungi in the soil. We have shown that plant residues actually play a greater role in the formation and storage of carbon in the soil than previously thought," says Kristina Witzgall, a scientist at the Chair of Soil Science at TUM.
Plant residues can store carbon
In a study, the research group mimicked the natural decomposition process of plant residues in the laboratory to analyze how exactly carbon is stored in the soil. To do this, the plant residues were mixed directly into the soil material and then encapsulated in small cylinders. After an incubation period of three months, the researchers analyzed the chemical processes using a special imaging technique that makes even the smallest details visible.
"It turned out that fungi play a particularly important role in the decomposition of the added plant residues - more than bacteria. We were able to see that there is a translocation of plant carbon deeper into the soil. This occurs as a result of the expansion of fungal hyphal networks," Kristina Witzgall says.
"The fungi wrap their white filaments around the plant debris and 'glue' it to the soil. Then the fungi eat the carbon in the plants and store a lot of carbon in the soil," explains Carsten Müller, Professor at the University of Copenhagen and one of the authors of the study.
Prolonged carbon storage in soil
In the past, science has focused mainly on carbon storage at the surface of minerals such as clay. But the new findings show that plant residues themselves have the ability to store carbon because important processes occur directly on the surface of the plant residues.
"Plant residues are absolutely central to carbon storage. They can help ensure that carbon is stored in the soil for longer. That's why we should use them much more in the future," says Carsten Müller.
Could save CO2 in the future
The method of allowing plant residues to rot in order to optimize arable land is not new. "To effectively increase soil organic carbon through soil management, a better understanding of the dynamics and complexity of soil carbon formation and persistence is needed," Kristina Witzgall says. With their study, the scientists have clarified the mechanistic processes of what happens in the soil.
"Plant residues for storing carbon are an important factor for fertile and climate-friendly agricultural soils. In the future, we also plan to conduct experiments in which we place rotting plants deeper into the soil so that the carbon can be stored there for longer," says Carsten Müller. If better conditions for carbon storage in the soil were created, this could store between 0.8 and 1.5 gigatons of carbon per year. By comparison, the world's population has emitted 4.9 gigatons of carbon per year over the past 10 years.
Publications:
Kristina Witzgall, Alix Vidal, David Schubert, Carmen Höschen, Steffen A. Schweizer, Franz Buegger, Valérie Pouteau, Claire Chenu and Carsten W. Mueller. 2021. Particulate organic matter as a functional soil component for persistent soil organic carbon. Nature Communications.
Pflanzenreste auf dem Feld verrotten zu lassen ist gut für das Klima - CO2-Speicherung durch abgestorbene Pflanzenteile
Im Boden verrottende Pflanzen sind nicht nur als Kompost wertvoll. Tatsächlich spielen Pflanzenreste eine entscheidende Rolle, wenn es darum geht, den Kohlenstoff im Boden zu halten, was für die Reduzierung der CO2-Emissionen des Planeten wichtig ist. Zu diesem Ergebnis kommt eine neue Studie von Forschenden der Technischen Universität München (TUM) und anderen Institutionen.
Böden sind ein wichtiger Akteur im globalen Kohlenstoffkreislauf, da sie mehr als doppelt so viel Kohlenstoff speichern wie die Atmosphäre. Forschende haben die Rolle von pflanzlichen Kohlenstoffeinträgen für eine erhöhte Bodenkohlenstoffspeicherung nun genauer untersucht.
"Kleine Teile von abgestorbenen Pflanzen werden oft nur als Fast Food für Bakterien und Pilze im Boden gesehen. Wir haben gezeigt, dass Pflanzenreste tatsächlich eine größere Rolle bei der Bildung und Speicherung von Kohlenstoff im Boden spielen als bisher angenommen", sagt Kristina Witzgall, Wissenschaftlerin am Lehrstuhl für Bodenkunde an der TUM.
Pflanzenreste können Kohlenstoff speichern
Die Forschungsgruppe ahmte in einer Studie den natürlichen Zersetzungsprozess von Pflanzenresten im Labor nach, um zu analysieren, wie genau Kohlenstoff im Boden gespeichert wird. Dazu wurden die Pflanzenreste direkt in das Bodenmaterial eingemischt und anschließend in kleine Zylinder eingekapselt. Nach einer Inkubationszeit von drei Monaten analysierten die Forschenden die chemischen Prozesse mit einem speziellen bildgebenden Verfahren, das selbst kleinste Details sichtbar macht.
„Es zeigte sich, dass Pilze eine besonders wichtige Rolle bei der Zersetzung der zugegebenen Pflanzenreste spielen - mehr als Bakterien. Wir konnten sehen, dass eine Verlagerung von pflanzlichem Kohlenstoff tiefer in den Boden stattfindet. Dies geschieht als Folge der Ausdehnung der Hyphen-Netzwerke von Pilzen“, sagt Kristina Witzgall.
„Die Pilze wickeln ihre weißen Fäden um die Pflanzenreste und "verkleben" sie mit dem Boden. Dann fressen die Pilze den Kohlenstoff in den Pflanzen und speichern viel Kohlenstoff im Boden", erklärt Carsten Müller Professor an der Universität Kopenhagen und einer der Autoren der Studie.
Deutlich verlängerte Kohlenstoffspeicherung im Boden
In der Vergangenheit hat sich die Wissenschaft hauptsächlich auf die Kohlenstoffspeicherung an der Oberfläche von Mineralen wie Ton konzentriert. Aber die neuen Erkenntnisse zeigen, dass Pflanzenreste selbst die Fähigkeit haben, Kohlenstoff zu speichern, weil wichtige Prozesse direkt an der Oberfläche der Pflanzenreste ablaufen.
„Pflanzenreste sind absolut zentral für die Kohlenstoffspeicherung. Sie können dazu beitragen, dass Kohlenstoff länger im Boden gespeichert wird. Deshalb sollten wir sie in Zukunft viel kalkulierter einsetzen", sagt Carsten Müller.
Könnte in Zukunft CO2 einsparen
Die Methode, Pflanzenreste verrotten zu lassen, um Ackerflächen zu optimieren, ist nicht neu. „Um durch die Bodenbewirtschaftung den organischen Kohlenstoff im Boden effektiv zu erhöhen, ist ein besseres Verständnis der Dynamik und Komplexität der Bildung und Beständigkeit von Kohlenstoff im Boden erforderlich“, sagt Kristina Witzgall. Mit ihrer Studie haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die mechanistischen Prozesse der Vorgänge im Boden verdeutlicht.
"Pflanzenreste zur Speicherung von Kohlenstoff sind für fruchtbare und klimafreundliche landwirtschaftliche Böden ein wichtiger Faktor. Wir planen in Zukunft auch Versuche, bei denen wir verrottende Pflanzen tiefer in den Boden einbringen, damit der Kohlenstoff dort länger gespeichert werden kann", sagt Carsten Müller. Wenn bessere Bedingungen für die Kohlenstoffspeicherung im Boden geschaffen werden, könnten dadurch zwischen 0,8 und 1,5 Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr gespeichert werden. Zum Vergleich: Die Weltbevölkerung hat in den letzten 10 Jahren 4,9 Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr ausgestoßen.
Originalpublikation:
Kristina Witzgall, Alix Vidal, David Schubert, Carmen Höschen, Steffen A. Schweizer, Franz Buegger, Valérie Pouteau, Claire Chenu and Carsten W. Mueller. 2021. Particulate organic matter as a functional soil component for persistent soil organic carbon. Nature Communications. https://www.nature.com/articles/s41467-021-24192-8
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