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How vulnerable is Swiss soil organic matter to climate and land use changes?

Applicant Abiven Samuel
Number 143026
Funding scheme NRP 68 Sustainable Use of Soil as a Resource
Research institution Geographisches Institut Universität Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Pedology
Start/End 01.06.2013 - 30.11.2016
Approved amount 453'773.00
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Keywords (5)

Land use change; climate change; Soil organique matter; isotopes; Carbon dynamics

Lay Summary (German)

Lead
Die organische Bodensubstanz ist für zahlreiche Funktionen des Bodens von zentraler Bedeutung. Wie lange Kohlenstoff im Boden verbleibt, ist dabei zwar entscheidend, bisher aber nur schlecht verstanden. Samuel Abiven und sein Team wollen das Verständnis für die Dynamik des Bodenkohlenstoffs erhöhen. Insbesondere beschäftigen sie sich mit der Reaktion der organischen Bodensubstanz auf den Klimawandel und auf Änderungen der Landnutzung.
Lay summary

Die organische Bodensubstanz besteht aus einem bunten Gemisch von Molekülen, die von Überresten von Pflanzen stammen, aber auch von Mikroorganismen, die diese Überreste im Boden zersetzen und neu zusammensetzen. Die organische Bodensubstanz beinhaltet einen wichtigen Teil des Kohlenstoffs, global mengenmässig fast dreimal so viel, wie in der Atmosphäre in Form von Kohlendioxid und Methan enthalten ist. Im Boden wird der Kohlenstoff jedoch viel langsamer umgesetzt als in der Atmosphäre oder mit der pflanzlichen Biomasse. Böden können deshalb eine Senke für Kohlenstoff sein, aber ebenso eine Quelle, wenn sich die Bedingungen ändern und der Abbau beschleunigt wird. Der Klimawandel beispielsweise kann die Aktivität der Mikroorganismen verändern, aber auch die Struktur der organischen Bodensubstanz. Änderungen in der Landnutzung können die physikochemischen Eigenschaften des Bodens verändern, aber auch die Art des Streuematerials, das in den Boden gelangt. Die Untersuchungen erfolgen koordiniert zusammen mit den Forschungsteams von Frank Hagedorn (WSL) und Tim Eglinton (ETH Zürich).

 
Die Entwicklung der organischen Bodensubstanz, die diesen Veränderungen unterliegt, lässt sich heute nur schwer charakterisieren. Sie hängt wesentlich von der Anfälligkeit der organischen Bodensubstanz auf diese Veränderungen ab. Das Projekt untersucht die Anfälligkeit von Böden, die – wie etwa Waldböden – über einen sehr hohen Anteil an organischer Substanz verfügen und deshalb ein höheres Risiko aufweisen, als Folge von Klima- und Landnutzungsänderungen Bodensubstanz zu verlieren. Das Team sucht dabei nach Möglichkeiten, die Anfälligkeit der Böden anhand ihrer Eigenschaften zu erkennen. Dadurch soll möglich werden, die am meisten gefährdeten Böden zu identifizieren und geeignete Schutzmassnahmen zu ergreifen.

Direct link to Lay Summary Last update: 31.05.2013

Lay Summary (French)

Lead
Les substances organiques du sol jouent un rôle central dans de nombreuses fonctions du sol. Si la durée de stockage du carbone dans le sol est déterminante, elle reste encore mal comprise aujourd’hui. Samuel Abiven et son équipe souhaitent permettre une meilleure compréhension de la dynamique du carbone des sols. Ils s’intéressent plus particulièrement à la réaction des substances organiques du sol au changement climatique et à l’évolution de l’utilisation des sols.
Lay summary

La matière organique du sol consiste en un mélange complexe de molécules issues de détritus végétaux, mais aussi de micro-organismes qui décomposent et reorganisent ces déchets dans le sol. La matière organique du sol stocke une part importante du carbone, presque trois fois plus que ce que l’on peut trouver sous forme de dioxide de carbone et de méthane dans l’atmosphère à l’échelle mondiale. Cependant, le temps de résidence du carbone dans le sol est beaucoup plus long que dans l’atmosphère ou que dans la biomasse végétale. C’est pourquoi les sols peuvent être à la fois un puits et une source de carbone en cas de changement des conditions entraînant une accélération de la décomposition. Les changements climatiques peuvent par exemple modifier l’activité des micro-organismes, mais aussi la structure de la matière organique du sol. L’évolution de l’utilisation du sol peut modifier les propriétés physico-chimiques du sol, ainsi que la nature des litières qui y pénètrent. Cette étude est menée en collaboration avec les équipes de recherche de Frank Hagedorn (WSL) et Tim Eglinton (EPF Zurich).

L’évolution des matières organiques du sol soumises à ces changements est actuellement difficile à établir. Elle dépend pour l’essentiel de leur vulnérabilité à ces changements. Le projet étudie la vulnérabilité des sols qui, comme les sols forestiers, présentent une teneur élevée en substances organiques et sont par conséquent exposés à un risque accru de perte de substances en raison du changement climatique et de l’évolution de l’utilisation des sols. L’équipe recherche les moyens permettant de déterminer la vulnérabilité des sols à l’aide de leurs propriétés. Cela doit permettre d’identifier les sols les plus menacés et d’engager des mesures de protection adaptées.

Direct link to Lay Summary Last update: 31.05.2013

Lay Summary (English)

Lead
Soil organic matter is very important for many soil functions. How long carbon remains in the soil is a key factor, but until now this has been little understood. Samuel Abiven and his team would like to raise the understanding of the dynamics of soil carbon. They are particularly concerned with the reaction of the soil organic matter to climate change and to changes in land use.
Lay summary

The soil organic matter consists of a mixture of organic molecules that come from plant residues, as well as micro-organisms that decompose these residues in the soil and transform them. The soil organic matter contains a significant amount of the carbon, which, in terms of quantity comes globally to almost three times more than the amount contained in the atmosphere in the form of carbon dioxide and methane. In the soil, the carbon is however turning over much more slowly than in the atmosphere or with plant biomass. Soils can therefore be a sink for carbon, but also serve as a source, if conditions change and decomposition is accelerated. Climate change, for instance, can modify micro-organism activity as well as the structure of the soil organic matter. Changes in land use can change the physico-chemical properties, as well as the kind of litter material that penetrates the soil. The investigations will be coordinated with the research team of Frank Hagedorn (WSL) and Tim Eglinton (ETH Zurich).

It is currently difficult to characterise the development of soil organic matter underlying these changes. It depends to a large part on the vulnerability of the organic soil matter to these changes. The project examines the vulnerability of soils, which – just like forest soils – possess a very high level of organic matter and therefore have a higher risk of losing soil matter as a consequence of climate and land use changes. The team, in so doing, is searching for possibilities to ascertain the vulnerability of the soils by examining their properties. It is be possible in this way to identify the most endangered soils and take suitable protective measures.

Direct link to Lay Summary Last update: 31.05.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Frank Hagedorn, WSL Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Research Infrastructure
Timothy Eglinton, ETH Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Research Infrastructure
Rolf Siegwolf, PSI Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
European Geoscience Union meeting Poster Drivers of soil organic matter vulnerability to climate change - Part 1: laboratory incubations of Swiss forest soils and radiocarbon analysis 18.04.2016 Vienne, Austria Studer Mirjam; Niklaus Pascal A.; Beatriz de Los Reyes Gonzalez Dominguez; Abiven Samuel;
European Geoscience Union meeting Poster Drivers of soil organic matter vulnerability to climate change - part 2: RothC mdelling of carbon dynamics including radiocarbon data 11.04.2016 Vienna, Austria Abiven Samuel; Beatriz de Los Reyes Gonzalez Dominguez; Studer Mirjam; Niklaus Pascal A.;


Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Talks/events/exhibitions This hidden world lying at your feet International 2014

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
157778 Next-Iso: Next generation compound-specific isotope analysis of stable and radioactive isotopes of organic components in terrestrial ecosystems 01.02.2015 R'EQUIP
178768 Where on Earth is the fire-derived carbon stored? 01.11.2018 Project funding (Div. I-III)
160066 Paleolimnological tracers of early farming impacts on soil degradation and lakes 01.10.2015 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Soil organic matter (SOM) is a key component of soils. It defines soil physical, chemical and biological properties and is involved in the main soil functions. Losses of soil organic matter are perceived as degradation of soils and of the functions that are associated with it. This SOM pool is under threat: global changes such as increases in temperature and more frequent extreme events, combined with land use changes, alter soil conditions and can lead to losses of SOM by decomposition. However, how much SOM and which parts of the SOM pool potentially are affected remains unknown. Some fractions of SOM have been shown to be more vulnerable to changes than others, but their size and characteristics are not well defined to date. In this project, we follow the following objectives: 1/ identify the vulnerable SOM fractions in a way relevant for soil conservation policies, 2/ analyse the potential magnitude of SOM changes under altered climate and land use, 3/ develop warning tools to predict the vulnerability of SOM in dependency of site properties and anticipated climate and land use changes. We will use 13C and 14C partitioning techniques to investigate the fate of recent organic C inputs to the soil and to estimate the age of CO2 and DOC released from the soil. We propose to adopt this methodological approach to attribute CO2 and DOC production to sources in field soil samples (focus 1) and in samples from parallel laboratory studies including targeted experimental manipulations (focus 2). The results obtained will then be used to develop a model predicting the vulnerability of SOM pools (focus 3). This project will address the three modules that are part of NRP 68: 1/ our data will allow new insights into SOM dynamics, in particular with respect to the evolving new paradigm about SOM stabilisation (module 1); 2/ we will develop a series of early warning tools to assess the sensitivity of SOM to land use change and climate change (module 2) and 3/ the tools developed in this project will be accessible to implement an effective soil conservation policy applicable to a wide range of soil types and land use / climate changes (module 3).
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