title: Biochar in soils: interaction with low molecular weight organic substances and spectroscopic determination in soils
Creators: name: Kohlmann, Simon
Publisher: name: KOBRA Universität Kassel
Year: 2025
Subjects: classificationCode: 500
subject: 500
classificationCode: 540
subject: 540
classificationCode: Pflanzenkohle
subject: Pflanzenkohle
classificationCode: Ackerboden
subject: Ackerboden
classificationCode: Organischer Stoff
subject: Organischer Stoff
classificationCode: Kohlenstoff
subject: Kohlenstoff
classificationCode: Niedermolekulare Verbindungen
subject: Niedermolekulare Verbindungen
classificationCode: Kohlenstoffkreislauf
subject: Kohlenstoffkreislauf

description: <p>Soils store a large amount of carbon (C) worldwide in the form of soil organic matter (SOM). Soil quality is related to SOM dynamics and its management is a key factor in agriculture (Schjønning, 2004). SOM dynamics are influenced by both refractory and labile substances, which have contrasting ecological functions (Janzen, 2004). Low molecular weight organic substances (LMWOS) are labile substances in soil which are excreted by plant roots and by microorganisms, but also result from depolymerization of particulate plant material (Sasse et al., 2018). LMWOS contribute to microbial growth and maintenance in soil and may account for up to 30% of total soil respiration (van Hees et al., 2005) even though they comprise only a small fraction of dissolved organic C (DOC). Biochar (BC), a material obtained from pyrolysis of organic materials, is a refractory substance, which has gained a lot of attention in the last decade. Due to the inherent properties of biochars, they remain in soil for a long time and therefore sequester C. Contrasting effects of biochar applications on plant productivity and nutrient cycling have been reported (Biederman and Harpole, 2013; Jeffery et al., 2017), which may be attributed to differences in soil types and textures as well as differences in biochars. Generally, interactions of different types of biochars and LMWOS in soils are only poorly understood and only very few model experiments regarding the interactions between LMWOS and biochar currently exist. The main objectives of this dissertation are to study the short-term effects of aged biochar on (i) different types of LMWOS, namely acetate, alanine, and glucose as model substances for the main compound classes of amino acids, monosaccharides (and other sugars), and carboxylic acids at different concentrations, (ii) the effects of different types of soil, (iii) the effects of different feedstock materials for the production of biochars, and (iv) the effect of incubation temperature on carbon cycling in soil. To study the interactions, two incubation experiments with the focus on the aforementioned factors were performed. Finally, vis-NIR and MIR measurements were performed on mixtures of different soils with additions of maize root and biochar to investigate, whether different C sources in soil can be distinguished by infrared spectroscopy.</p>
description: <p>Böden speichern weltweit eine große Menge an Kohlenstoff (C) in Form von organischer Substanz (SOM). Die Bodenqualität hängt mit der SOM-Dynamik zusammen, und ihre Bewirtschaftung ist ein Schlüsselfaktor in der Landwirtschaft (Schjønning, 2004). Die SOM-Dynamik wird sowohl von refraktären als auch labilen Substanzen beeinflusst, die unterschiedliche ökologische Funktionen besitzen (Janzen, 2004). Niedermolekulare organische Substanzen (LMWOS) sind labile Substanzen im Boden, die von Pflanzenwurzeln und Mikroorganismen, aber auch durch Depolymerisation von partikulärem Pflanzenmaterial ausgeschieden werden (Sasse et al., 2018). LMWOS tragen zum mikrobiellen Wachstum und zur Erhaltung des Bodens bei und können, obwohl sie nur einen kleinen Teil des gelösten organischen C (DOC) ausmachen, bis zu 30% der gesamten Bodenatmung ausmachen (van Hees et al., 2005). Pflanzenkohle (BC), ein aus der Pyrolyse organischer Materialien gewonnenes Material, ist eine feuerfeste Substanz, die in den letzten zehn Jahren viel Aufmerksamkeit erregt hat. Aufgrund der inhärenten Eigenschaften von Pflanzenkohlen verbleiben sie lange im Boden und binden daher Kohlenstoff. Gegenläufige Auswirkungen von Pflanzenkohleanwendugen auf die Pflanzenproduktivität und den Nährstoffkreislauf wurden beobachtet (Biederman and Harpole, 2013; Jeffery et al., 2017), die auf Unterschiede in den Bodentypen und -texturen sowie auf Unterschiede in der Pflanzenkohle zurückzuführen sein könnten. Im Allgemeinen sind die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Arten von Pflanzenkohle und LMWOS in Böden nur unzureichend bekannt, was Prognosen erschwert. Zurzeit gibt es nur sehr wenige Modellexperimente, die die Wechselwirkungen zwischen LMWOS und Pflanzenkohle untersuchen. Die Hauptziele dieser Promotion sind die Untersuchung der kurzfristigen Auswirkungen von gealterter Pflanzenkohle auf (i) verschiedene Arten von LMWOS, genauer Acetat, Alanin und Glukose als Modellsubstanzen für die wichtigsten Stoffgruppen, den Aminosäuren, Monosacchariden (und anderen Zuckern) und Carbonsäuren in verschiedenen Konzentrationen, (ii) die Auswirkungen verschiedener Bodentypen, (iii) die Auswirkungen verschiedener Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Pflanzenkohle und (iv) die Auswirkungen der Inkubationstemperatur auf den Kohlenstoffkreislauf im Boden. Um die oben beschriebenen Wechselwirkungen zu untersuchen, wurden zwei Inkubationsexperimente mit Schwerpunkt auf den oben genannten Faktoren durchgeführt. Schließlich wurden Nah- (NIR) und Mittelinfrarotmessungen (MIR) an Mischungen verschiedener Böden mit Zusätzen von Maiswurzeln und Pflanzenkohle durchgeführt, um zu untersuchen, ob verschiedene C-Quellen im Boden durch Infrarotspektroskopie unterschieden werden können.</p>