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Lena Katharina Öttl

• Soils are a non-renewable, precious resource providing numerous ecosystem services that enable life on land. However, they are threatened by various human-induced land degradation processes since the onset of settled agriculture a few thousand years ago. One of the most severe threats is soil erosion that not only jeopardises soil health and fertility but also redistributes large amounts of soil organic carbon (SOC). These lateral SOC fluxes modify the biogeochemical cycling and vertical fluxes of carbon (C). The latter have the potential to influence the atmospheric concentration of carbon dioxide (CO2) and as a consequence, received increasing political and scientific attention in the last decades. There is political interest in enhancing C sequestration and storing large amounts of atmospheric CO2 in soils. Thereby, soils can potentially act as a tool to mitigate climate change. However, research has demonstrated that different methods lead to contrasting results on whether soilSoils are a non-renewable, precious resource providing numerous ecosystem services that enable life on land. However, they are threatened by various human-induced land degradation processes since the onset of settled agriculture a few thousand years ago. One of the most severe threats is soil erosion that not only jeopardises soil health and fertility but also redistributes large amounts of soil organic carbon (SOC). These lateral SOC fluxes modify the biogeochemical cycling and vertical fluxes of carbon (C). The latter have the potential to influence the atmospheric concentration of carbon dioxide (CO2) and as a consequence, received increasing political and scientific attention in the last decades. There is political interest in enhancing C sequestration and storing large amounts of atmospheric CO2 in soils. Thereby, soils can potentially act as a tool to mitigate climate change. However, research has demonstrated that different methods lead to contrasting results on whether soil redistribution contributes to increased C mineralisation or sequestration (loss of CO2 to the atmosphere) or storage of atmospheric CO2 in the SOC compartment of the soil, respectively. The magnitude of the C sink or source term depends on the temporal and spatial scales that are considered as well as on the types of erosion that are included in the analysis. Most studies focus on water erosion, while tillage erosion has only been regarded on small temporal (decades to a century) and spatial scales (plot to field scale). This thesis aims to assess the impact of long-term (1000 years) soil redistribution by tillage and water on crop yields and the C balance at landscape scale (ca. 200km2). Therefore, the spatially explicit soil redistribution and C turnover model SPEROS-C was used for simulating soil redistribution by tillage and water as well as SOC dynamics. The model simulations are performed for the catchment of the River Quillow in the Uckermark region, Northeast Germany. To analyse the impact of soil redistribution on landscape-scale crop yields, the model simulations were compared to the Enhanced Vegetation Index (EVI) of different crops and coupled with the crop biomass model AQUACROP. The study region is characterised by large-field farming with heavy machinery and a rolling landscape, which favour tillageinduced soil redistribution. Field experiments were carried out to compare a conventional inversion and a conservative non-inversion plough regarding their soil redistribution rates. The development of agricultural management in the study area over the past millennium was included in a modelling approach to determine the historical and recent role of tillage erosion on current SOC patterns. Soil redistribution by tillage was found to be the dominant erosion process in the study region, leading to soil thinning at erosional areas and soil accumulation at depositional areas. Overall, this results in a reduction in mean crop yields at the landscape scale. The crop yield reduction is amplified in dry years, while in normal-to-wet years, the reduction in crop yields at erosional sites can be compensated by the increases in yields in depositional zones. Field experiments demonstrated that non-inversion conservative chisel tillage resulted in larger soil redistribution compared to conventional mouldboard ploughing at the same tillage depth and speed. The historical reconstruction of the land use history in the study region shows that tillage is a non-negligable soil redistribution agent throughout the past millennium. The combined effect of soil redistribution by tillage and water can more than compensate for C losses due to land conversion from forest to agricultural land. This effect can turn the study region into a slight C sink when the time since the onset of widespread agricultural management in the study region and C turnover processes in erosional and depositional soils are considered at the landscape scale. The results of this thesis suggest that soil redistribution by tillage has an underestimated effect on crop yields and SOC turnover. The topic will gain importance in the future due to increasing tillage intensity and changes in crop growth conditions facing climate change effects. This highlights the potential of land management adaptations to control C dynamics and mitigate atmospheric CO2 concentrations.…
• Böden sind nicht erneuerbare, wertvolle Ressourcen von unschätzbarem Wert, die zahlreiche Ökosystemleistungen erbringen und Leben auf der Erde ermöglichen. Sie sind jedoch durch verschiedene vom Menschen verursachte Prozesse der Bodendegradation bereits seit Anbeginn der Landwirtschaft vor einigen Jahrentausenden bedroht. Eine der schwerwiegendsten Bedrohungen ist die Bodenerosion, die nicht nur die Bodengesundheit und -fruchtbarkeit gefährdet, sondern auch große Mengen an organischem Bodenkohlenstoff verlagert. Diese lateralen Kohlenstoffflüsse verändern den biogeochemischen Kohlenstoffkreislauf und damit vertikale Kohlenstoffflüsse. Letztere sind aufgrund ihres Potentials, die Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre beeinflussen zu können, in den letzten Jahrzehnten zunehmend in den Fokus von Politik und Wissenschaft gelangt. Das politische Interesse liegt dabei auf den Prozessen der verstärkten Kohlenstoff-Sequestrierung und damit auf der Speicherung großer Mengen anBöden sind nicht erneuerbare, wertvolle Ressourcen von unschätzbarem Wert, die zahlreiche Ökosystemleistungen erbringen und Leben auf der Erde ermöglichen. Sie sind jedoch durch verschiedene vom Menschen verursachte Prozesse der Bodendegradation bereits seit Anbeginn der Landwirtschaft vor einigen Jahrentausenden bedroht. Eine der schwerwiegendsten Bedrohungen ist die Bodenerosion, die nicht nur die Bodengesundheit und -fruchtbarkeit gefährdet, sondern auch große Mengen an organischem Bodenkohlenstoff verlagert. Diese lateralen Kohlenstoffflüsse verändern den biogeochemischen Kohlenstoffkreislauf und damit vertikale Kohlenstoffflüsse. Letztere sind aufgrund ihres Potentials, die Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre beeinflussen zu können, in den letzten Jahrzehnten zunehmend in den Fokus von Politik und Wissenschaft gelangt. Das politische Interesse liegt dabei auf den Prozessen der verstärkten Kohlenstoff-Sequestrierung und damit auf der Speicherung großer Mengen an atmosphärischem Kohlendioxid in Böden, wodurch sie potentiell als Klimaschutzinstrument dienen könnten. Unterschiedliche Forschungsmethoden resultieren jedoch in gegensätzlichen Ergebnissen hinsichtlich der Frage, ob Bodenverlagerung zu einer verstärkten Mineralisierung oder Sequestrierung von Kohlenstoff (Verlust von Kohlendioxid an die Atmosphäre) bzw. zu einer Speicherung von atmosphärischem Kohlendioxid im Boden beiträgt. Die Größe der Kohlenstoffsenke oder -quelle hängt von der Analyse der zeitlichen und räumlichen Skala sowie von den betrachteten Erosionsarten ab. Die meisten Studien befassen sich mit Wassererosion, während die vom Menschen verursachte Bodenverlagerung (d.h. Erosion durch Bodenbearbeitung) bisher meist nur auf kleinen zeitlichen (Jahrzehnte bis zu einem Jahrhundert) und räumlichen Skalen (Parzelle bis Feld/Schlag) betrachtet wurde. Vor diesem Hintergrund untersucht diese Arbeit die Auswirkungen der langfristigen (1000 Jahre) Bodenverlagerung durch Bodenbearbeitung und Wasser auf die Ernteerträge sowie die Kohlenstoffbilanz auf Landschaftsebene (ca. 200km2). Mithilfe des räumlich expliziten Bodenverlagerungs- und Kohlenstoffumsatzmodells SPEROS-C wurde die Bodenverlagerung durch Bodenbearbeitung und Wasser sowie die Dynamik von organischem Bodenkohlenstoff simuliert. Die Modellsimulationen wurden für das Einzugsgebiet des Flusses Quillow in der Uckermark im Nordosten Deutschlands durchgeführt. Um die Auswirkungen der Bodenverlagerung auf die mittleren Ernteerträge auf Landschaftsskala zu analysieren, wurden die Modellsimulationen mit einem aus Satellitenbildern abgeleiteten Vegetationsindex verschiedener Nutzpflanzen verglichen und mit dem Biomassemodell AQUACROP gekoppelt. Die Untersuchungsregion ist durch intensive Landwirtschaft mit schweren Maschinen auf großen Schlägen und eine hügelige Landschaft gekennzeichnet, die eine durch die Bodenbearbeitung verursachte Bodenverlagerung begünstigen. In Feldexperimenten wurden ein konventioneller, wendender Pflug und ein konservativer, nicht-wendender Pflug hinsichtlich ihrer Bodenverlagerungsraten verglichen. Um die historische und aktuelle Rolle der Bearbeitungserosion zu ermitteln, wurde in einer Modellstudie die Entwicklung der Landwirtschaft im Untersuchungsgebiet im letzten Jahrtausend berücksichtigt. Die Bodenverlagerung durch Bearbeitung ist die vorherrschende Erosionsart in der Untersuchungsregion. Sie führt zu einer Abnahme der Bodentiefe auf Erosionsflächen und zu Bodenauftrag auf Depositionsflächen. Als Resultat nehmen die durchschnittlichen Ernteerträge auf Landschaftsebene ab. Dieser Effekt ist in trockenen Jahren verstärkt, während in normalen bis feuchten Jahren die reduzierten Erträge auf Erosionsstandorten durch höhere Erträge in Depositionsgebieten ausgeglichen werden. Die Feldversuche resultieren in einer größeren Bodenverlagerung durch den konservativen, nicht wendenden Grubber im Vergleich zum konventionellen, wendenden Pflug, wenn beide Geräte mit der gleichen Bearbeitungstiefe und -geschwindigkeit eingesetzt werden. Die historische Rekonstruktion der Landnutzungsgeschichte in der Untersuchungsregion zeigt, dass die Bodenbearbeitung während des vergangenen Jahrtausends einen nicht zu vernachlässigenden Faktor der Bodenverlagerung darstellt. Der kombinierte Effekt der Bodenverlagerung durch Bodenbearbeitung und Wasser kann die Kohlenstoffverluste aufgrund der Landnutzungsänderung von Wald in Ackerland mehr als kompensieren und in einer geringen Kohlenstoffsenke resultieren, wenn die Zeit seit Beginn der landwirtschaftlichen Nutzung in der Region sowie die Kohlenstoff-Umsatzprozesse in erodierten und akkumulierten Böden auf Landschaftsebene berücksichtigt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Bodenverlagerung durch Bodenbearbeitung einen bisher unterschätzten Einfluss auf die Ernteerträge und den Kohlenstoffumsatz im Boden hat. Das Thema wird in Zukunft aufgrund der zunehmenden Intensität der Bodenbearbeitung und der veränderten Wachstumsbedingungen der Pflanzen angesichts der Wirkungen des Klimawandels zunehmend an Bedeutung gewinnen. Dies unterstreicht das Potenzial von Anpassungen in der Landwirtschaft zur Kontrolle der Kohlenstoffdynamik und zur Minderung der atmosphärischen Kohlendioxid-Konzentrationen.…