Yang, S.

De bodem bevat de grootste terrestrische koolstof (C) voorraad en speelt een belangrijke rol in de wereldwijde C-dynamiek. Alpiene graslanden van de Neo-tropische Peruviaanse Andes hebben grote voorraden bodem organische koolstof in de bodem (SOC), die cruciaal zijn voor voedselproductie en watervoorziening van omliggende gebieden. Aangezien deze graslanden zeer gevoelig zijn voor klimaatverandering is het essentieel om inzicht te krijgen in de persistentie en kwetsbaarheid van de SOC-voorraden en de onderliggende stabilisatiemechanismen van SOC. Alpiene graslandgronden in de Peruaanse Andes zijn maar in zeer beperkte mate bestudeerd met betrekking tot hun SOC voorraad, vooral voor wat betreft de controlemechanismen die de SOC voorraad bepalen en daarnaast ook de samenstelling van bodem organische stof (SOM) op moleculair niveau. De doelstellingen van dit proefschrift zijn: (1) om de SOC voorraad te kwantificeren en om sleutelfactoren te vinden die de ruimtelijke SOC patronen bepalen, (2) om inzicht te verkrijgen in de onderliggende mechanismen van bodem organische stof stabilisatie, (3) om de stabilisatie van bodem organische stof door bodemaggregaatvorming onder gecontroleerde omstandigheden te onderzoeken in relatie tot lithologie en neerslag, en (4) om mogelijke relaties tussen de moleculaire samenstelling en de stabilisatie van bodem organische stof in de bestudeerde alpiene graslanden van de Peruaanse Andes nader te onderzoeken.

Hoofdstuk 1 presenteert de achtergrond van het onderzoek en daarnaast ook algemene informatie over de bemonsteringslocaties in de alpiene graslanden van de Peruaanse Andes. Kort samengevat hebben we in dit hoofdstuk de recente wetenschappelijk stand van zaken ten aanzien van SOM samengevat en geven we aan hoe de kennis van SOM-stabilisatie kan worden toegepast voor de bodem van de Peruaanse Andes tegen de achtergrond van ‘global change’.

In hoofdstuk 2 wordt de ruimtelijke verdeling van SOC-voorraden onderzocht in relatie tot gesteente soort, landgebruikstype, begrazingsintensiteit en topografische positie. Bodemmonsters werden verzameld van 69 locaties om de SOC-voorraden, gebaseerd op het complete bodemprofiel, te bepalen voor het studiegebied bij Cajamarca (het “natte” studiegebied). Bovendien werden meerdere lineaire modellen toegepast om bodemvormings- en omgevingsfactoren te identificeren die de ruimtelijke verdeling van SOC bepalen. De SOC-voorraad van het bestudeerde gebied was 215 ± 21 Mg ha-1, wat hoger is dan het wereldwijde gemiddelde niveau, maar lager dan in vergelijkbare ecosystemen in de Ecuadoriaanse Andes. De ruimtelijke variatie van de totale SOC-voorraad kon worden voorspeld door bodemdiepte en bodemvocht. Met bodemdiepte en bodemvocht als voorwaardelijke variabelen, wordt lithologie de sleutelfactor die de ruimtelijke verdeling van SOC-voorraad bepaalt. In tegenstelling tot de totale SOC-voorraad, wordt de SOC-voorraad van de bovenste 10 cm voorspeld door bodemvocht, lithologie, begrazingsintensiteit en hoogte. De meeste onderzoeken naar SOC schatten de SOC-voorraad door bemonstering tot een constante, maar beperkte diepte. Onze resultaten laten echter zien dat de SOC-voorraad moet worden bepaald aan de volledige bodemprofielen, omdat bemonstering tot een beperkte constante diepte resulteert in een onderschatting van de SOC-voorraad en een overschatting van de effecten van bodemvorming en omgevingsfactoren op de verdeling van de SOC-voorraad.

In hoofdstuk 3 worden de effecten van de lithologie op SOC-voorraden en SOM-stabilisatie onderzocht. Monsters werden verzameld van bodems op kalksteen (LS's) en bodems op zure stollingsgesteente (AS's) afkomstig van de natte onderzoekslocatie. SOM-stabilisatiemechanismen werden onderzocht met behulp van een selectieve extractiemethode om actieve Fe-, Al- en Ca-fracties te isoleren. De resultaten toonden aan dat de LS's aanzienlijk hogere SOC-voorraden hadden dan de AS's. In zowel LS's als AS's werd SOM gestabiliseerd door complexering met en / of adsorptie aan Fe- en Al-oxiden. Alleen in de LS droeg de vorming van Ca2 + -bruggen tussen OM en mineraaloppervlakken ook bij aan SOM-stabilisatie. De Ca-gerelateerde SOM-stabilisatie geeft een mogelijke verklaring voor de hogere SOC-voorraden in de LS. Daarentegen werd geen bewijs gevonden dat de OM-stabilisatie werd geregeld door kristallijne Fe-oxiden, klei-gehalte, allofanen, Al-toxiciteit of aggregaatstabiliteit. De resultaten suggereren een verschuiving van SOM-stabilisatie gedomineerd door Fe- en Al-oxiden naar die met de aanwezigheid van Ca2 + -bruggen met toenemende pH-waarden, en is lithologie bepaald.

In hoofdstuk 4 werden de effecten van neerslag en lithologie op de verdeling van de bodemaggregaatgrootte en SOC-stabiliteit onderzocht. De natte zeefmethode werd toegepast om de aggregaatgrootteverdeling te bepalen, terwijl een 76-daagse incubatie van intacte en gemalen bodemaggregaten werd toegepast om de SOC-stabiliteit en aggregaat-gecontroleerde SOM-stabilisatie te bepalen. De aggregaatgrootteverdeling werd hoofdzakelijk bepaald door de lithologie in plaats van door neerslag, wat te zien is aan grotere aggregaten voor de LS's in vergelijking tot die van de AS's. De SOC-stabiliteit nam af met neerslag in de LS's, maar had geen significante verandering in de AS's. In aggregaten ingesloten SOM speelt een beperkte rol in SOM-stabilisatie, wat zich uit in: (1) beperkte veranderingen in SOC-mineralisatiesnelheden tussen intacte en gemalen aggregaten, en (2) inconsistente patronen van de aggregaat grootteverdeling, en in de patronen van SOC-mineralisatie. SOM-adsorptie op mineraaloppervlakken was dus het belangrijkste gevonden stabilisatiemechanisme. De resultaten suggereren dat SOC-stabiliteit word gecontroleerd door de interactie tussen lithologie en neerslag, die verder wordt geregeld door bodemmineralogie in relatie tot de input van SOM.

In hoofdstuk 5 werd de moleculaire samenstelling van SOM onderzocht in relatie tot zijn stabiliteit ten aanzien van decompositie. Hiervoor werden pyrolyse-gaschromatografie / massaspectrometrie (GC / MS) -analyses met behulp van tetramethylammoniumhydroxide (TMAH) uitgevoerd aan monsters van de 76-daagse bodemincubatie met intacte en vermalen aggregaten zoals beschreven in hoofdstuk 4. Mogelijke veranderingen in moleculaire samenstelling van SOM voor en na incubatie werden gebruikt om de stabiliteit van SOM en de microbiële transformatie van SOM-moleculen te bepalen. Verschillen in moleculaire samenstelling van SOM, na incubatie tussen intacte en gemalen aggregaten werden gebruikt om de door occlusie beschermde SOM in aggregaten te bepalen. De resultaten toonden grote relatieve hoeveelheden verbindingen die afgeleid zijn van vetzuren (FA's), waaronder een belangrijke bijdrage van vrije FA's. De aanwezigheid van dubbele bindingen (onverzadigde versus verzadigde FA's) en koolstofketenlengte waren sleutelfactoren die de FA-stabiliteit bepaalden. Onverzadigde FA's waren na de incubatie minder aanwezig in vergelijking tot verzadigde FA's, en ze waren positief geassocieerd met de mineralisatiegraad van de SOC in de bodem. De verminderde aanwezigheid van onverzadigde FA's wordt zeer waarschijnlijk verklaard door hun gemakkelijkere afbraak in vergelijking tot verzadigde FA's, en wordt verder toegeschreven aan een verminderde stabilisatie, die wordt bepaald door associatie met mineraal oppervlakken en / of chemische eigenschappen. Het is daarnaast onwaarschijnlijk dat dit verklaard kan worden door occlusie van organische stof in aggregaten. De aanwezigheid van lange-keten FA's was na incubatie sterker verminderd dan die voor korte-keten FA's, en een mogelijke verklaring hiervoor is dat korte-keten FA's beter beschermd waren doordat ze totaal werden afgesloten binnen de aggregaten. Alhoewel we microbiële transformatie van FA's tijdens de incubatie hebben waargenomen, had het een beperkte effect op de voorspelling van de stabiliteit van FA’s voor wat betreft dubbele bindingen en koolstofketenlengte. Tenslotte beïnvloedden de bodemsoort en de horizonten ook de effecten van dubbele bindingen en koolstofketenlengte op de stabiliteit van FA’s. Dit suggereert dat meer studie nodig is voordat onze bevindingen naar andere bodems kunnen worden gegeneraliseerd. De resultaten tonen aan dat de inherente eigenschappen van FA’s in de bodem de interacties met de bodemmatrix beheersen en indirect hun stabilisatie en persistentie regelen in de onderzochte bodems van de Peruaanse Andes.

Hoofdstuk 6 geeft een synthese van de belangrijkste bevindingen in dit proefschrift. De belangrijkste bevindingen waren dat: (1) Lithologie de sleutelfactor is voor het beheersen van de SOC-voorraad en -stabiliteit; (2) Stabilisatie van SOM wordt bepaald door Fe- en Al-oxiden in AS bodems in de natte onderzoekslocatie, en daar in de LS bodems ook wordt bevorderd door Ca2 + -bruggen naast de Fe- en Al-oxiden; (3) Stabiliteit van SOC neemt af met neerslag in de LS's maar heeft beperkte invloed in de AS's, wat kan worden verklaard door de bodemmineralogie en de input van SOM; en (4) de aanwezigheid van dubbele bindingen en koolstofketenlengte regelen de stabiliteit van vetzuren door de interacties met de bodemmatrix. De implicaties van de bevindingen worden ook besproken in hoofdstuk 6. Met betrekking tot de moleculaire samenstelling van SOM komen de resultaten overeen met studies aan lipide-rijke en lignine-arme bodems in de Andes-graslanden van Ecuador. Dit is echter niet een algemeen voorkomend patroon in bodems uit andere gebieden. Vervolgstudies zouden zich kunnen richten op de onderliggende mechanismen van de stabilisatie van de grote lipidenfractie. Wat betreft de stabilisatie van SOM in het algemeen, gaven de resultaten aan dat de chemische samenstelling van SOM, de stabiliteit van de SOM en de interactie met de bodemmatrix beïnvloedt. Omdat de resultaten niet kunnen verklaren of de verschillen in stabiliteit tussen onverzadigde en verzadigde FA’s kunnen worden toegeschreven aan chemische recalcitrantie of interacties met mineraaloppervlakken, zijn er meer studies nodig naar de voorkeur van onverzadigde en verzadigde vetzuren voor absorptie aan mineraaloppervlakken, en de bescherming tegen microbiële decompositie. De bevindingen van deze studie voor ecosysteembeheer, wijzen op het belang van de interactie tussen lithologie en neerslag in relatie tot OM-input. Toekomstig onderzoek zou zich kunnen richten op mogelijke toepassingen van de kennis die in dit proefschrift wordt benadrukt om de bodemkwaliteit te verbeteren en de ecosysteemdiensten van de Andes-graslanden in stand te houden.