Investigation of soil respiration components in agricultural soils  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
100575
Type PD
Principal investigator Balogh, János
Title in Hungarian Talajlégzés-alkotók vizsgálata mezőgazdasági talajokban
Title in English Investigation of soil respiration components in agricultural soils
Keywords in Hungarian talajlégzés, talaj széntartalom, klímaváltozás
Keywords in English soil respiration, soil carbon content, climate change
Discipline
Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences)40 %
Crop production (Council of Complex Environmental Sciences)30 %
Ortelius classification: Plant cropping systems
Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences)30 %
Panel Complex agricultural sciences
Department or equivalent Növénytermesztési-tudományok Intézet (MATE) (Hungarian University of Agriculture and Life Sciences)
Starting date 2012-01-01
Closing date 2015-08-31
Funding (in million HUF) 19.929
FTE (full time equivalent) 2.22
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója
A talajlégzés az ökológiai rendszerek szénforgalmának egyik legjelentősebb eleme, amely meghatározó a rendszer nyelő-forrás karakterének alakításában. Az agrár-rendszerek széntartalmuk jelentős részét a talajban raktározzák, ez a szerves széntartalom szoros pozitív kapcsolatban van a talaj termékenységével. A talajlégzés folyamatos, de változó mértékű áramot jelent a talaj és az atmoszféra között, a kibocsátott CO2 azonban a talajon belül több különböző forrásból származhat. A projekt egyik fő célja a talajból származó szén forrásának, illetve a különböző források arányának azonosítása: hogy az az újonnan asszimilált (autotróf), vagy a talajban tárolt szervesanyagtartalom (heterotróf komponens). A vizsgálathoz szükséges technológiai hátteret a korábban kifejlesztett automata talajlégzés-mérő rendszer, illetve a rendelkezésre álló 13C izotóp gázanalizátor adják. A fő célok a következők: 1) a talajlégzés és a klimatikus tényezők kapcsolatának leírása, 2) a különböző talajok és légzési komponensek hőmérsékleti érzékenységének vizsgálata, 3) a komponens-részarányok időbeli és évek közötti változatosságának vizsgálata, különös tekintettel a száraz időszakokra. A vizsgálat a jövőbeli, a klímaváltozás hatásait csökkentő technológiai fejlesztések és tájhasználat alapjául szolgálhat. Annak ellenére, hogy hazánkban elsőrendű fontosságú a klímaváltozás agráriumra gyakorolt hatásainak nyomon követése és előrejelzése, ebben a kérdésben ma még kevés információ áll rendelkezésre.

A kutatás alapkérdése
A tervezett kutatás a változó klíma hatásainak és a mezőgazdasági talajokban jelentkező szénveszteség összefüggéseinek feltárására irányul. A kutatás főbb kérdései:
Hogyan függ a különböző mezőgazdasági talajok CO2 kibocsátásának mértéke a főbb abiotikus és biotikus faktoroktól?
Hogyan változik időben és extrém időjárási körülmények (szárazság) hatására a kibocsátott CO2 talajbeli forrásainak aránya?
Az első kérdéskör esetében a fő cél a talajlégzés talajhőmérséklettől és talaj-víztartalomtól való függésének leírása, a biotikus faktorok figyelembe vételével. A tervezett kutatás a főbb fizikai talajféleségeken fejlődött gyepekben és szántóföldi kultúrákban zajlik. Ezekre a vizsgálatokra alapozva a projekt célja még a talajlégzés különböző összetevőjének (autotróf, heterotróf) elkülönítése 13C izotóp mérések segítségével. Ennek segítségével becsülni tudjuk a főbb komponensek arányát, a talajból kiáramló CO2 forrását az év különböző időszakaiban (aktív és nyugalmi időszak), illetve különböző klimatikus feltételek mellett. Az egyik legfontosabb feladat a szárazság alatt jelentkező légzési komponens azonosítása: a kibocsátott CO2 az újonnan asszimilált szénből (autotróf légzés), vagy a sokkal értékesebb “régi” szénből (heterotróf komponens) származik?

A kutatás jelentősége
Az ökológiai rendszerek szénforgalma számos aspektusból vizsgálható. Magyarországon még nem végeztek – és külföldön is kevés esetben – olyan vizsgálatot, amely segítségével el tudjuk különíteni a talajból származó és az atmoszférából származó szenet. Ez hazánkban különösen fontos, hiszen a talaj széntartalom csökkenése a tápanyagtartalom csökkenésével jár, illetve, ha ez a folyamat hosszú időn keresztül fennáll – aszályos évek, melegedés hatására – sivatagosodási folyamatokkal kell számolnunk. A kérdés nem csak az, hogy az agroökológiai rendszerek képesek-e jelentősen csökkenteni az üvegházhatást az üvegházhatású gázok elnyelésével. A kérdés az, hogy a talajok széntartalma hogyan változik meg a változó klíma hatására.
A stabil C-izotóp (13C) fluxus mérésével azonban eldönthető, hogy az aszályok alatti szénveszteség forrása a közelmúltban, vagy régebben megkötött szén. A projekt megvalósításával választ kaphatnánk arra a kérdésre, hogy veszélyeztetik-e az aszályok talajaink szervesanyagtartalmát és így jövőbeni potenciális termékenységét. A tervezett, interdiszciplináris jellegű kutatás klíma- és talajvédelmi, továbbá ezekkel szorosan összefüggő mezőgazdasági (a talaj termékenysége) szempontból fontos kérdéseket vizsgálna, amelyek ugyanakkor alapkutatás jellegűek.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
A kutatás célja füves területek és szántóföldi kultúrák szénforgalmának, azon belül is elsősorban a talajból CO2 formájában távozó szénnek a vizsgálata. A talajokban tárolt szén az ott zajló biológiai-kémiai folyamatok hatására szén-dioxiddá alakul és a talajból a légkörbe jut. Ez a folyamat, amit talajlégzésnek nevezünk, nagyban csökkenti a talaj széntartalmát. Sebességét, a kibocsátott szén mennyiségét a klimatikus tényezők határozzák meg, ezek közül a talaj hőmérséklete és víztartalma a legfontosabb, de fontosak egyéb tényezők is, mint pl. a talajban lévő és talaj feletti biomassza mennyisége.
Nem mindegy az sem, hogy a talajból eltávozott szén milyen forrásból szabadult fel, az újonnan, a növények által felvett szénből, vagy a talaj “régi” széntartalmából. Szárazság idején veszteség a nehezebben mobilizálódó “régi” széntartalomból származik és - mivel a növények általi CO2 felvétel ilyenkor korlátozott – a veszteség nem pótlódik. Ez vezet ahhoz, hogy az ökológiai rendszerek aszály idején szén forrássá változnak, azaz az több szenet bocsátanak ki, mint amennyit felvesznek, így növelik az atmoszférikus CO2 koncentrációt. A kutatás során különböző mezőgazdasági kultúrákban (gyep, szántóföld), többféle talajtípusban (homok, agyag, vályog) végzünk talajlégzés-méréseket, melyek célja a klimatikus tényezők és a talajlégzés összefüggéseinek feltárása. Emellett 13C izotóp mérések segítségével becsüljük a talajból származó szén forrásainak arányát is.
Summary
Summary of proposed research
Soil respiration is one of the main fluxes of ecosystem’s carbon cycling and has major role in determining the sink-source characteristics. Agricultural systems hold large carbon stores, mostly as soil organic matter. The productivity of the soil is dependent on the soil's organic carbon content. The soil carbon content is the source of a continuous CO2 flux (soil respiration) and is stored in different compartments, considering turnover times and associated characteristics. The project aims to identify the different sources and estimate the ratio of the valuable old carbon (heterotrophic) and the newly assimilated carbon (autotrophic component) in soil respiration. Automated soil respiration system and 13C isotope measurements provide appropriate technological background to achieve the goals of: 1) describe the dependence of soil respiration on the main abiotic and biotic factors, 2) study the temperature sensitivity of the different soils and their main components (autotrophic and heterotrophic) and 3) estimate the ratio of different respiration components during different years. The source of carbon loss is to be identified for different periods of years and under different climatic conditions. This knowledge is fundamental also for planning technological improvements in land use changes to prevent the carbon loss from soils. In Hungary, only few data are available in the above respect, therefore assessment of the effect extreme events (e.g. droughts) is necessary.

Aim of the research
The proposed study aims to describe the connections between the changing climate and the expected carbon loss from agricultural soils. The main questions of the proposed project are:
How the soil respiration depends on the main abiotic and biotic factors in different agricultural soils?
How the ratio of the main sources of CO2 change in time during vegetation and dormant periods and under extreme climatic conditions (i.e. droughts, heat spells)?
One aim of the present project is to describe the dependence of soil respiration on both soil water content and soil temperature in different agricultural soils. Role of the biotic factor (green biomass) will be also considered. The study will be conducted on sites with soils, strongly differing in mechanical composition. Another objective of the project is to separate the autotrophic and heterotrophic components of soil respiration by 13C isotope measurements. This separation will be used to estimate the ratio of the main components and let to identify the main source of carbon dioxide in different situations (active and dormant periods, during drought).

The significance of the research
The carbon exchange of ecosystems is examinable from several aspects. First of all, under the prevailing continental climate in Hungary it is fundamental to study the carbon loss of agro-ecosystems during different years and the effect of drought on it. It is important, because as the carbon cycle studies suggest, loss of soil’s organic material may occur during droughts. The question is not only whether grasslands or terrestrial vegetation in general may be capable to reduce the greenhouse effect, but also the stability and sensitivity of the agro-ecosystems under drought. This information is necessary for crop and grass carbon balance modeling and a basic knowledge to make mitigation strategies in the agricultural sector.
Measurements of soil respiration and its stable carbon isotope (13C) content provide a tool for answering the above questions. Realization of this work could highlight the risk of soil carbon loss due to climate change and the vulnerability of soils, providing basis for further mitigation strategies. The soil conservation has a key importance for the society.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Munkánk során három éven keresztül mértük agroökológiai rendszerek (gyepek és szántóföldek) talajainak CO2 kibocsátását, illetve gyepek CO2 mérlegét. Méréseink a CO2 kibocsátás időbeli és térbeli változatosságának megértésére, annak leírására irányultak, különös tekintettel a biotikus változók szerepére, illetve a különböző komponensek válaszainak eltéréseire. Főbb eredmények: - talajbeli CO2 kibocsátás vertikális felosztása, - a napszakos talajbeli CO2 produkció transzspiráció és hőmérséklet általi szabályozottságának leírása (transzspirációs CO2 transzport feltárása gyepben), - fontosabb abiotikus és biotikus tényezők, elsősorban a talajnedvesség-tartalom és vegetációs index szén-dioxid kibocsátásra gyakorolt hatásának leírása, - a CO2 kibocsátás térbeli variabilitását meghatározó tényezők leírása, - a különböző kezelési módok (kaszálás és legelés) eltérő CO2 kibocsátásának magyarázata, - a légzési komponens arányok szezonális alakulásának leírása: az autotróf komponens csökken a szárazság alatt, míg a heterotróf komponens nő, azaz a kibocsátott CO2 elsősorban a talajbeli szerves széntartalom lebontásából származik. A szárazság várhatóan gyakoribbá válik a jövőben Közép-Európában és ez az agroökológiai rendszerek talajainak produktivitását erősen befolyásolja. A projekt eredményei alapján a jövőben nagyobb hangsúlyt kell fektetnünk a mezőgazdasági talajok szénkészletének fenntartására.
Results in English
Soil CO2 efflux was measured in crop- and grasslands for three years in Hungary. Our aims were to study the temporal and spatial variability of the CO2 efflux, to describe its responses to the changes of the main abiotic and biotic factors and to identify the contribution of the different components (heterotrophic, autotrophic) to the total CO2 efflux. Main results: - contribution of CO2 production from three soil layers was quantified, - evidence was found for a combined effect of soil temperature and transpiration that influenced the diel changes in soil CO2 production (CO2 transport by transpiration in herbaceous vegetation), - description of the responses of soil CO2 efflux to abiotic and biotic factors in different soils, - identification of the main factors influencing the spatial variability of soil CO2 efflux, - explanation of the effects of grazing and mowing on soil CO2 efflux by biomass differences, - description of the changes of the seasonal ratio of soil respiration components and the response to drought. Drought events are expected to be more frequent in Central Europe in the future, and it is expected that the productivity of agricultural soils may strongly respond to projected dryness. According to our results maintaining soil carbon content is of paramount importance for the agricultural management in the future.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=100575
Decision
Yes





 

List of publications

  
J. Balogh , M. Papp, K. Pintér, Sz. Fóti, K. Posta, W. Eugster, and Z. Nagy: Autotrophic component of soil respiration is repressed by drought more than the heterotrophic one in a dry grassland, Biogeosciences Discussions, 12, 16885–16911, 2015
Balogh János, Fóti Szilvia, Pintér Krisztina, Burri Susanne, Eugster Werner, Papp Marianna, Nagy Zoltán: Soil CO2 efflux and production rates as influenced by evapotranspiration in a dry grassland, PLANT AND SOIL, DOI:10.1007/s11104-014-2314-3, 2015
Fóti Sz, Balogh J, Nagy Z, Herbst M, Pintér K, Péli E, Koncz P, Bartha S: Soil moisture induced changes on fine-scale spatial pattern of soil respiration in a semi-arid sandy grassland, GEODERMA 213, 245-254,, 2014
Koncz P, Balogh J, Papp M, Hidy D, Pintér K, Fóti Sz, Klumpp K, Nagy Z: Higher soil respiration under mowing than under grazing explained by biomass differences., NUTRIENT CYCLING IN AGROECOSYSTEMS, DOI: 10.1007/s10705-015-9732-3, 2015
Balogh J, Fóti Sz: Az anyag reinkarnációja: Szénforgalom az ökológiai rendszerekben., ÉLET ÉS TUDOMÁNY (ISSN: 0013-6077) 70: (30) pp. 934-936., 2015
Koncz P, Pintér K, Hidy D, Balogh J, Papp M, Fóti Sz, Hortváth L, Nagy Z: Farm scale greenhouse gas budget; grazing is smart., In: Emmanuel Torquebiau (szerk.): Towards climate-smart solutions. p. 193, 2015
Papp M, Balogh J, Pintér K, Fóti Sz, Posta K, Nagy Z: Az autotróf és heterotróf komponensek aránya homoki legelő talajlégzésében., In: Padisák Judit, Liker András, Stenger-Kovács Csilla (szerk.). X. Magyar Ökológus Kongresszus. p. 112, 2015
J Balogh, Sz Fóti, K Pintér, S Burri, W Eugster, M Papp, Z Nagy: Transpiration affects soil CO2 production in a dry grassland, Geophysical Research Abstracts; 16. Paper EGU2014-13838, 2014
Balogh János, Fóti Szilvia, Pintér Krisztina, Burri Susanne, Eugster Werner, Papp Marianna, Nagy Zoltán: Soil CO2 efflux and production rates as influenced by evapotranspiration in a dry grassland, PLANT AND SOIL, DOI:10.1007/s11104-014-2314-3, 2014
D Cserhalmi, J Balogh, M Papp, L Horváth, K Pintér, Z Nagy: Effect of elevated atmospheric CO2 concentration on soil CO 2 and N 2 O effluxes in a loess grassland, Geophysical Research Abstracts; 16. Paper EGU2014-14656., 2014
Sz Fóti, J Balogh, M Papp, Z Zimmermann, G Szabó, M Herbst, M Biró, S Bartha, L Horváth, Z Nagy: Drivers of spatial patterns of physiological and soil parameters at micro- and field scale in a Hungarian sandy grassland., Geophysical Research Abstracts; 16. Paper EGU2014-13672, 2014
D Hidy, J Balogh, G Churkina, L Haszpra, F Horváth, P Ittzés, D Ittzés, S Ma, Z Nagy, K Pintér, Z Barcza: Structural development and web service based sensitivity analysis of the Biome-BGC MuSo model., Geophysical Research Abstracts; 16. Paper EGU2014-2941-1, 2014
Marianna Papp, Zoltán Nagy, Krisztina Pintér, Dóra Cserhalmi, Péter Koncz, Szilvia Fóti, János Balogh: Components of the soil respiration in a sand grassland, 11th Congress of the Hungarian Society of Plant Biology: Book of Abstracts., 2014
M Papp, J Balogh, K Pintér, D Cserhalmi, Z Nagy: Soil CO2 efflux in a sand grassland: contribution by root, mycorrhizal and basal respiration components., Geophysical Research Abstracts; 16. Paper EGU2014-14580, 2014
Papp Marianna, Balogh János, Pintér Krisztina, Fóti Szilvia, Koncz Péter, Marian Pavelka, Eva Darenova, Nagy Zoltán: Homoki gyep CO2-kibocsátásának vizsgálata új, nyílt rendszerű automata mérőeszközzel, AGROKÉMIA ÉS TALAJTAN 63:(2) pp. 329-340., 2014
Balogh János, Fóti Szilvia, Pintér Krisztina, Papp Marianna, Cserhalmi Dóra, Koncz Péter, Marian Pavelka, Eva Darenova, Nagy Zoltán.: Talajok CO2-kibocsátásának mérése új, automatizált technikával., 9. Magyar Ökológus Kongresszus, 2012. szeptember 5-7. Keszthely. 28. oldal. Előadás., 2012
Balogh János, Fóti Szilvia, Pintér Krisztina, Cserhalmi Dóra, Papp Marianna, Koncz Péter, Nagy Zoltán: A talajok CO2-kibocsátásának jelentősége hazai gyepek szénforgalmában., Kitaibelia Vol. 17, p. 9., 2012
Balogh J, Fóti Sz, Pintér K, Burri S, Eugster W, Nagy Z: CO2 production rates of a dry grassland soil are influenced by evapotranspiration, Greenhouse Gas Management in European Land Use Systems. Antwerp, Belgium, 2013.09.16-2013.09.18., 2013
Balogh János, Fóti Szilvia, Pintér Krisztina, Cserhalmi Dóra, Papp Marianna, Koncz Péter, Nagy Zoltán: A talajok szerepe a gyepek szénforgalmában, VIII. Kárpát-medencei Biológiai Szimpózium, Budapest, 2013. november 21-23., 2013
Fóti Szilvia, Balogh János, Nagy Zoltán, Herbst Michael, Pintér Krisztina, Péli Evelin, Koncz Péter, Bartha Sándor: Soil moisture induced changes on fine-scale spatial pattern of soil respiration in a semi-arid sandy grassland, GEODERMA 213: 245-254, 2014




 

Events of the project

  
2021-02-05 13:25:35
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Biológiatudományi Intézet (Szent István Egyetem), Új kutatóhely: Növénytermesztési Intézet (MATE) (Szent István Egyetem).



Back »