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Stoffkreisläufe
Gerd GleixnerMPI Biogeochemie
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Stoffkreisläufe
• Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung
• Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf– Grundlegende Kenntnisse– Neue Puzzelstücke
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Energiebilanz der Erde
IPPC, 07
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WBGU Bericht, 1988
Strahlungsschema der Erde
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Strahlungsantrieb
IPPC, 07
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Greenhouse gases
Gas Temp. effect [°C]
Water vapour H2O 12,8
Carbon dioxide CO2 4,4
Ozone O3 1,5
Methane CH4 0,5
Nitrous oxide N2O 0,8
Gleixner and Mügler, 07
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Natürliche Klimavariabilität
IPPC, 07
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Variation des Strahlung
IPPC, 07
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Treibhausgasanstieg
IPPC, 07
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Klimamodelle
IPPC, 07
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Erdsystem-Forschung
ESRP, 06
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Temperatur
IPPC, 07
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Niederschlag
IPPC, 07
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Globale Zirkulation
IPPC, 07
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Nach Vitousek et al. (1997) Science 277:494
Faktor Mensch
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Veränderung der Erdoberfläche
IPPC, 07
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Kohlenstoffkreislauf
IPPC, 07
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Temperaturänderungen
IPPC, 07
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Unsicherheiten
IPCC, 2007
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Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf
Gleixner et al., 2001
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Critical Zone Prozesse
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Stofftransport im Boden
![Page 23: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/23.jpg)
Wurzel- und C-Verteilungen im Boden
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Distribution of carbon and root biomass [%]
Depth [cm]soil carbon n=2721
root biomass n=117
Data from Jobbagy and Jackson, 2001
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Mikroorganismen im Boden
Photoauto-, Hetero-, Chemolithoauto-trophes
![Page 25: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/25.jpg)
Bodenkohlenstoffmodelle
STRUCTURAL(3y)
METABOLIC(0.5y)
ACTIVE SOIL(1.5y)
SLOW SOIL(25y)
PASSIVE SOIL(1000y)
PLANTRESIDUE
CO2
CO2
CO2
CO2
CO2
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Soil Organic Matter
Puzzelstücke
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Natürliche Markierungsexperimente
![Page 28: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/28.jpg)
Chemische Zusammensetzung SOM
Bol et al., 2009
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Umsatzgeschwindigkeit
![Page 30: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/30.jpg)
p = 0,002
p = 0,491
p = 0,001
p < 0,001
p = 0,007
p = 0,017
OC stock changes between 2000 and 2004 [g m-2]
Dep
th [
cm]
- 500 g m-2
+ 1150 g m-2
Annual increase ≈ 160 g C/m2
Gleixner et al., 09
Speicherung
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Altersänderungen
70 75 80 85 90 95 100 105 1100
10
20
30
40
50
60
70
2000 14C2004 14C
Radiocarbon Content (pMC%)
So
il D
ep
th (
cm
)
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Altersänderungen
-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000-20
-10
0
10
20
30
40
50
f(x) = 0.00423694839384719 x + 3.40210688389867R² = 0.486610653391795
Carbon Stock Change (g/m2/y)
Ch
an
ge
in R
ad
ioc
arb
on
Co
nte
nt
(pM
C%
)
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Kohlenstoffquellen von Mikroorganismen
soi
l car
bon
[%]
Kramer & Gleixner, 2006
100 %
80 %
plant carbon [%]
60 %
plant + soil
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Hydrothermale Synthese von Kohle aus Biomasse
Antonietti, 06
Alternative Wege der C-Speicherung
![Page 35: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/35.jpg)
Gelöster Kohlenstoff
![Page 36: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/36.jpg)
The Jena Experiment
![Page 37: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/37.jpg)
0,00
25,00
50,00
75,00T
OC
07.03.03 24.03.03 07.04.03 22.04.03 07.05.03
20.05.03 03.06.03 14.07.03 28.07.03 12.09.03
22.09.03 07.10.03 21.10.03 04.11.03 18.11.03
02.12.03 17.12.03 29.12.03 15.01.04 30.01.04
12.02.04 27.02.04
0,00
25,00
50,00
75,00
TO
C
0,00
25,00
50,00
75,00
TO
C
0,00
25,00
50,00
75,00
TO
C
0 1 2 4 8 16 60
sowndiv
0,00
25,00
50,00
75,00
TO
C
0 1 2 4 8 16 60
sowndiv
mg/l TOC 20 cm
Gelöster Kohlenstoff
![Page 38: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/38.jpg)
0,00
25,00
50,00
75,00
TO
C
07.03.03 24.03.03 07.04.03 22.04.03
07.05.03 20.05.03 03.06.03 17.06.03
14.07.03 29.12.03 15.01.04 30.01.04
12.02.04 27.02.04
0,00
25,00
50,00
75,00
TO
C
0,00
25,00
50,00
75,00
TO
C
0 1 2 4 8 16 60
sowndiv
0,00
25,00
50,00
75,00
TO
C
0 1 2 4 8 16 60
sowndiv
mg/l TOC 60 cm
Transport
![Page 39: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/39.jpg)
Carbon loss(36 g C m-2 yr-1)
Carbon storage(191 g C m-2 yr-1)
Litter input(≈ 0 g C m-2 yr-1)
Carbon storage(132 g C m-2 yr-1)
Litter input(430 - 650 g C m-2 yr-1)
Root standing biomass(130 – 158 g C m-2 yr-1)
Carbon loss(197 g C m-2 yr-1)
New C4 carbon(101 g C m-2 yr-1)
New C4 carbon(145 g C m-2 yr-1)
0 –
20 c
m20
– 3
0 cm DOC 30 cm
(4 g C m-2 yr-1)C4: 0%
DOC 20 cm(4 g C m-2 yr-1)C4: max. 18%
DOC 10 cm(8 g C m-2 yr-1)C4: max. 44%
DOC 30 cm(3 g C m-2 yr-1)
C4: 0%
DOC 20 cm(5 g C m-2 yr-1)C4: max. 10%
DOC 10 cm(8 g C m-2 yr-1)C4: max. 22%
Root standing biomass(187 – 214 g C m-2 yr-1)
Kohlenstoffquellen von DOC
Steinbeiß et al., SBB 08
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit
![Page 41: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/41.jpg)
Biogeochemical Carbon Cycle
Gleixner et al., 2001
AutotrophicOrganisms
HeterotrophicOrganisms
![Page 42: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/42.jpg)
Biogeochemical Signaling
Substrate Measure Question
SOM Amount, Structure, Isotopic Content
Sources, Turnover
DOM Amount, Structure, Isotopic Content
Sources, Transport, Turnover
CO2 Amount, Isotopic content
Sources
Microorganism Amount, Composition, Isotopic content
Community, carbon sources, links
![Page 43: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/43.jpg)
Sources of Soil CO2
![Page 44: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/44.jpg)
Radiocarbon Content of Soil Gas
17.02.05 05.09.05 24.03.06 10.10.06 28.04.07 14.11.07 01.06.08 18.12.0896
98
100
102
104
106
108
110
112
5 cm10 cm20 cmatmosphere
Sampling Date
Fra
cti
on M
odern
(%
)
![Page 45: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/45.jpg)
Soil Microorganisms
![Page 46: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/46.jpg)
PLFA - Phospholipid fatty acids
![Page 47: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/47.jpg)
Adaptation of Microbial Communities
![Page 48: Stoffkreisläufe Gerd Gleixner MPI Biogeochemie. Stoffkreisläufe Grundlagen des Klimawandels und der Erdsystem-Forschung Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062512/55204d7549795902118c9e09/html5/thumbnails/48.jpg)
Conclusion
Sorption and Size Separation
(Bio)-Catalytic removal
Event Driven Input
System Feedbacks
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• Workgroup: M. Habekost, C. Kramer, S. Rühlow, S. Steinbeiß, C. Tefs, A. Telz
• Guest: R. Bol, Great Britain, N. Porier, France and J. Balesdent, France
• Zentrale Analytik, Isolab and 14C Lab MPI Biogeochemistry, Jena
• “The Jena Experiment” , DFG Research Group
• DFG – German Science Foundation
Acknowledgement
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Turnover of Soil Carbon
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Turnover time (years)
Peak area
Lg
Lp
Pr
Ps
U
< 20 20 30 40 50 60 70 270
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C Speicher - Biodiversität
Steinbeiß, subm.
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