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Keywords:

  • soil organic matter;
  • below-ground C translocation;
  • C turnover and balance;
  • rhizosphere;
  • root respiration;
  • exudation;
  • assimilate allocation;
  • 14C;
  • 13C

Abstract

The methods used for estimating below-ground carbon (C) translocation by plants, and the results obtained for different plant species are reviewed. Three tracer techniques using C isotopes to quantify root-derived C are discussed: pulse labeling, continuous labeling, and a method based on the difference in 13C natural abundance in C3 and C4 plants. It is shown, that only the tracer methods provided adequate results for the whole below-ground C translocation. This included roots, exudates and other organic substances, quickly decomposable by soil microorganisms, and CO2 produced by root respiration. Advantages due to coupling of two different tracer techniques are shown.  The differences in the below-ground C translocation pattern between plant species (cereals, grasses, and trees) are discussed. Cereals (wheat and barley) transfer 20%—30% of total assimilated C into the soil. Half of this amount is subsequently found in the roots and about one-third in CO2 evolved from the soil by root respiration and microbial utilization of rootborne organic substances. The remaining part of below-ground translocated C is incorporated into the soil microorganisms and soil organic matter. The portion of assimilated C allocated below the ground by cereals decreases during growth and by increasing N fertilization. Pasture plants translocated about 30%—50% of assimilates below-ground, and their translocation patterns were similar to those of crop plants. On average, the total C amounts translocated into the soil by cereals and pasture plants are approximately the same (1500 kg C ha—1), when the same growth period is considered. However, during one vegetation period the cereals and grasses allocated beneath the ground about 1500 and 2200 kg C ha—1, respectively. Finally, a simple approach is suggested for a rough calculation of C input into the soil and for root-derived CO2 efflux from the soil.

Kohlenstoffeintrag in Böden durch Pflanzen

 In diesem Review werden Methoden zur Einschätzung der Translokation von Kohlenstoff (C) in Böden durch Pflanzen und entsprechende Ergebnisse für unterschiedliche Pflanzengruppen diskutiert. Drei Methoden unter Verwendung von C-Isotopen als Tracer für wurzelbürtigen C werden vorgestellt: Pulsmarkierung, kontinuierliche Markierung und die Methode, die auf dem Unterschied in der natürlichen 13C-Abundanz von C3- und C4-Pflanzen basiert. Es wird gezeigt, dass nur die Tracer-Methoden adäquate Ergebnisse zur unterirdischen Translokation des gesamten wurzelbürtigen Kohlenstoffs liefern. Die Vorteile der Kopplung von zwei unterschiedlichen Tracer-Methoden werden gezeigt.  Die Unterschiede im Muster der unterirdischen C-Translokation zwischen den Pflanzengruppen (Getreide, Weidegräser und Bäume) werden untersucht und in Tabellen zusammengefasst. Getreide (Weizen und Gerste) bringen 20%—30% des gesamten assimilierten C unter die Bodenoberfläche. Die Hälfte dieser Menge wird anschließend in den Wurzeln wiedergefunden. Ein Drittel verlässt den Boden als CO2, das durch Wurzelatmung und mikrobielle Veratmung der wurzelbürtigen organischen Substanzen entsteht. Der Rest des durch die Wurzeln in den Boden eingebrachten C wird in die mikrobielle Biomasse und in die organische Bodensubstanz eingebaut. Der Anteil des assimilierten C, der in den Boden durch Getreide eingebracht wird, verringert sich im Laufe der Pflanzenentwicklung und mit steigender N-Düngung. Die Weidegräser transportieren sogar 30%—50% des assimilierten C in den Boden, aber die Relation zwischen den einzelnen Pools bzw. Flüssen ist ähnlich wie beim Getreide. Sowohl Getreide als auch Weidegräser transportieren durchschnittlich ca. 1500 kg C ha—1 in den Boden bei Voraussetzung gleich langer Wachstumsperioden. Bei Berücksichtigung einer vollen Vegetationsperiode transportieren die Weidegräser ca. 600 kg C ha—1 mehr in den Boden als Getreidekulturen. Eine einfache Methode zur groben Kalkulation der durch Pflanzen in den Boden eingebrachten C-Mengen und des wurzelbürtigen CO2-Effluxes aus dem Boden wird vorgeschlagen.