Der „Große Panda“ im Ackerland: Endlich wissen wir, wie alt er ist!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Chen Dongfeng, Li Chengbao (Nanjing Institute of Soil Science, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Schwarzerde ist für uns nichts Unbekanntes. Boden ist eine Ansammlung von Mineralpartikeln, die organische Stoffe enthalten, auf der Erdoberfläche, während Schwarzerde ein Boden ist, der reich an organischen Stoffen (Kohlenstoff) ist und eine grauschwarze Farbe aufweist.

Das größte Merkmal von Schwarzerde ist ihr hoher Gehalt an organischem Kohlenstoff . Wenn wir den anfänglich in der Bodenschicht produzierten organischen Kohlenstoff sowie seine anschließende Ansammlung und Entwicklung genau messen können, sind wir in der Lage, das Entstehungsalter und die Entwicklungsrate des Bodens zu bestimmen, was für die nachhaltige Nutzung und Bewirtschaftung der Schwarzerderessourcen von großer Bedeutung ist . Darüber hinaus ist der wirksame Schutz der Schwarzerderessourcen für die Errichtung der größten Kornkammer meines Landes von entscheidender Bedeutung, da dies der Schlüssel zur Ernährungssicherheit meines Landes ist.

Wie entsteht also die organische Substanz in Schwarzerde? Wie sammelt es sich an und entwickelt sich weiter, nachdem es produziert wurde? Seien Sie nicht ungeduldig, lassen Sie uns gemeinsam zurückblicken.

Altersbestimmung von Schwarzerde? Es ist komplizierter als Sie denken

Der Boden ist ein äußerst komplexes offenes System , in dem ständig Prozesse wie Austausch, Migration und Umwandlung von Stoffen stattfinden. Aufgrund dieser komplexen physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften ist es sehr schwierig, das Alter der Bodenbildung genau zu bestimmen.

Um das Bodenalter genauer zu messen und zu bestimmen, untersuchten Forscher des Nanjing Institute of Soil Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und des Nanjing Institute of Geography and Limnology auf der Grundlage umfangreicher Untersuchungen von Dutzenden von Profilen in der nordöstlichen Schwarzerderegion die Kohlenstofffragmente, die unterhalb der unteren Grenze der Schwarzerdeschicht und der tief vergrabenen Schwarzerdeschicht auftraten. Sie führten außerdem eine Kohlenstoff-14- und OSL-Datierung an drei Schwarzerdeprofilen durch, die auf natürliche Weise unter glatten Geländebedingungen entstanden waren.

Topografische und geomorphologische Karte der nordöstlichen Schwarzerderegion

(Bildquelle: Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Durch diese Forschung haben chinesische Wissenschaftler das schwierige Problem der genauen Bestimmung des Alters von Schwarzerde erfolgreich gelöst und erstmals klargestellt, dass die ursprüngliche Altersspanne der Schwarzerdebildung in typischen Schwarzerdegebieten im Nordosten Chinas zwischen 16.900 und 12.600 Jahren liegt und damit viel früher als das bislang allgemein angenommene frühe und mittlere Holozän (10.000 bis 5.000 Jahre).

Die Kohlenstoff-14-Datierung ist eine Radiokarbondatierung, auch bekannt als Kohlenstoff-14-Datierung. Es handelt sich um eine Messmethode, die das ungefähre Alter einer Probe anhand des Zerfallsgrades von Kohlenstoff 14 berechnet (die Halbwertszeit von Kohlenstoff 14 beträgt 5730 Jahre). Diese Methode wird üblicherweise zur Altersbestimmung paläontologischer Fossilien verwendet und liegt im Bereich von 58.000 bis 62.000 Jahren. Die Radiokarbonmethode ist die genaueste, am weitesten verbreitete und ausgereifteste Methode zur Altersbestimmung der Quartärgeologie. Es wurde in den letzten 50.000 Jahren in der geologischen, ökologischen und archäologischen Forschung häufig verwendet.

Die OSL-Datierung (optisch stimulierte Lumineszenz) und die Isotopen-Datierung basieren auf demselben Prinzip: Es besteht eine bestimmte funktionale Beziehung zwischen Gesamtmenge, Rate und Zeit. Wenn Gesamtbetrag und -rate bekannt sind, lässt sich die Zeit (in Jahrzehnten) ermitteln. Alle vergrabenen geologischen Körper und archäologischen Proben, die Mineralien wie Quarz oder Feldspat enthalten und vollständig dem Sonnenlicht (natürlichem Licht) ausgesetzt waren, können für die Lumineszenzdatierung verwendet werden, wie etwa Löss, Dünensand, antike Keramikfragmente, schnell angehobenes Grundgestein usw.

Die Forscher verwendeten die beiden oben genannten Methoden, um den schwarzen Boden im Nordosten Chinas zu messen. Die Ergebnisse zeigten, dass das OSL-Alter der Basis der schwarzen Bodenschicht (14.000 bis 13.500 Jahre) viel älter war als das Kohlenstoff-14-Alter (9.000 bis 7.000 Jahre). Daraus lässt sich schließen, dass das OSL-Alter das Alter des ursprünglich im Schwarzboden produzierten organischen Kohlenstoffs darstellt, während das Kohlenstoff-14-Alter (durchschnittliche Retentionszeit von organischem Kohlenstoff im Boden) des gesamten Bodens (später angesammelte Schwarzbodenschicht) das Entstehungsalter des Schwarzbodens stark unterschätzt.

Schwarzerdeprofil

(Bildquelle: Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Diese Schlussfolgerung steht im Einklang mit dem geologischen Hintergrund des Quartärs. Das OSL-Alter entspricht der späten Eiszeit (vor etwa 14.700 bis 12.700 Jahren) . Das regionale Klima hat sich seit dem letzten glazialen Maximum in diesem Zeitraum rasch erwärmt und befeuchtet, was zu einem deutlichen Anstieg der Biomasse geführt und günstige Bedingungen für die kumulative Entwicklung organischer Bodensubstanz geschaffen hat.

Dies wird auch durch das Alter der vergrabenen schwarzen Erdschicht bestätigt. Auf Grundlage der enormen Veränderungen der Kohlenstoff-14- und OSL-Alter, des Ablagerungsprozesses des Ausgangsmaterials im Boden und der regionalen historischen Umwelt schlugen die Forscher ein neues Modell für die Bildung von Schwarzerde vor – das Akkumulationsmodell. Dieses geht davon aus, dass die Bildung der tiefen Schwarzerdeschicht im Nordosten Chinas das Ergebnis der kombinierten Effekte der Akkumulation organischer Stoffe und der kontinuierlichen Akkumulation von Mineralton ist. Das Modell enthüllt nicht nur den Entstehungsmechanismus der dicken Schicht schwarzer Erde, sondern erklärt auch, warum das Alter des organischen Kohlenstoffs (Kohlenstoff-14) im Boden das Entstehungsalter der schwarzen Erde erheblich unterschätzt.

Tiefenvariationseigenschaften des Kohlenstoff-14-Alters und des OSL-Alters organischer Substanzkomponenten in Schwarzerde zeigen das Akkumulationsmuster der Schwarzerdebildung

(Bildquelle: Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Schutz der Schwarzerde durch den Einsatz modernster Technologie

Eine genaue Untersuchung der Ansammlung und Entwicklung organischer Stoffe in Schwarzerde wird ein wirksames Mittel sein, um herauszufinden, wie Schwarzerde gedüngt und die Bodenproduktivität verbessert werden kann, und sollte die erste Richtung der aktuellen Bodenforschung sein.

Im Jahr 2021 startete und implementierte die Chinesische Akademie der Wissenschaften die wissenschaftliche und technologische Kampagne „Schwarzerde-Kornspeicher“, eine wichtige Initiative zur Erforschung und Aufdeckung der Ansammlungs- und Evolutionsgesetze organischer Stoffe in Schwarzerde. Ein Forschungsteam des Nanjing Institute of Soil Science bildet das Rückgrat dieser Kampagne.

Die Aufgabe, die regionale Schwarzerde zu düngen und ihre Produktivität großflächig zu verbessern, ist sehr mühsam. Der organische Bodenanteil ist ein zentraler Indikator für die intrinsische Produktivität von Ackerland und ein wichtiger Faktor, der die Qualität von Schwarzerde beeinflusst.

Räumliche Verteilungskarte des Gehalts an organischer Bodensubstanz in Ackerland in der nordöstlichen Schwarzerderegion

(Bildquelle: Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Gegenwärtig können Methoden wie die verstärkte Anwendung organischer Düngemittel, das Anpflanzen von Gründüngung, die Rückführung von Stroh auf die Felder, der Einsatz fruchtbarer mikrobieller Mittel und konservierende Bodenbearbeitung den organischen Stoffgehalt wirksam erhöhen. Allerdings ist der Prozess der Umwandlung des hinzugefügten organischen Stoffes in organischen Stoff im Boden sehr langsam.

Um das Problem der Geschwindigkeit zu lösen, hat das Forschungsteam des Nanjing Institute of Soil Science zahlreiche Untersuchungen und Studien zur schnellen und kontinuierlichen Erhöhung des organischen Substanzgehalts in Schwarzerde und zur Kultivierung gesunder Böden durchgeführt und im Wesentlichen ein wirksames kohlenstoffanreicherndes Technologiesystem für fruchtbare Böden entwickelt.

Dieses technische System umfasst umfassende landwirtschaftliche technische Maßnahmen, verwendet so viel organischen Dünger wie möglich, der aus menschlichem Mist, Viehdung und Geflügelmist fermentiert wurde, mischt Gründünger mit Stroh und gibt ihn wieder auf das Feld. Außerdem werden mikrobielle Wirkstoffe mit Bacillus megaterium eingesetzt, um den Zerfall und die Zersetzung organischer Stoffe zu beschleunigen, Bodenhumus zu bilden und den Gehalt an organischen Stoffen in Schwarzerde zu erhöhen. Darüber hinaus werden Tiefpflügen, Wenden und Eggen sowie andere Bodenbearbeitungsmaßnahmen eingesetzt, um technische Unterstützung für die wirksame Düngung von Schwarzerde und die Verbesserung der Bodenproduktivität zu bieten.

Stallmist auf dem Feld

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Als Reaktion auf die Probleme, die sich aus der immer dünneren und härteren Schwarzerde ergeben, führt das nationale Forschungs- und Technologieteam derzeit eine integrierte Himmels- und Bodenüberwachung sowie Frühwarnforschung durch, um die Umsetzung intelligenter Abläufe bei der Schwarzerdeproduktion zu beschleunigen.

Das Pflügen des Bodens, die Aussaat und Bepflanzung sowie die Düngung erfolgen heute automatisiert und unbemannt. Durch Satellitenortung können intelligente Unkrautjäter Unkraut präzise aus Feldfrüchten entfernen und das Jäten mechanisieren. Dadurch wird die Belastung durch den Einsatz von Herbiziden vermieden und die Ackerflächen geschützt.

Eine neue Generation unbemannter intelligenter Landmaschinen

(Fotoquelle: Nachrichtenagentur Xinhua)

Darüber hinaus forschen und entwickeln Wissenschaftler kontinuierlich an Technologien zur Kontrolle der Bodenerosion, planen und bauen umfassend Schutzgürtel in Schwarzerdegebieten und pflanzen mehrjährige Futtergräser auf windigen Hügeln und Hängen, um Bodenerosion sowie Boden- und Wasserverlust zu verhindern, was eine wichtige Rolle bei der Ansammlung organischer Stoffe und dem Schutz der Schwarzerdeschicht spielt. Um einen umfassenden Schutz und eine umfassende Nutzung der Schwarzerde zu erreichen, ist es notwendig, verschiedene Arten intelligenter Landwirtschafts- und Managementmaschinen energisch zu entwickeln, um den dringenden Anforderungen der ländlichen Revitalisierung und der Modernisierung der Landwirtschaft gerecht zu werden.

Abschluss

Im Schwarzerdegebiet im Nordosten Chinas sind die tiefen Bodenschichten vollständig schwarz, was ein starker Beweis dafür ist, dass der Schwarzerde reich an organischem Kohlenstoff ist. Die genaue Messung des Alters von Schwarzerde und die Entwicklung eines Akkumulationsmodells sind von großer Bedeutung für das Verständnis des Entstehungsprozesses und Mechanismus von Schwarzerderessourcen, für die Bewertung der Nachhaltigkeit von Schwarzerderessourcen und für die Bestimmung des Bodenalters. Man kann sich vorstellen, dass wir die Kapazität des Kohlenstoffpools im Boden erheblich steigern können, wenn wir die Ansammlung und Entwicklung von organischem Kohlenstoff in Schwarzerde verstehen und dann versuchen, eine Technologie zu entwickeln, mit der der organische Kohlenstoffgehalt allgemeiner Böden auf das Niveau allgemeiner Schwarzerde angehoben werden kann. Dies wird die frühzeitige Verwirklichung der „dualen Kohlenstoffziele“ meines Landes fördern und zweifellos einen großen Beitrag zum globalen Klimawandel leisten.

Quellen:

[1]Herausgegeben vom Nanjing Institute of Soil Science, Chinesische Akademie der Wissenschaften, 1978, Soils of China, Science Press.

[2]Zhang G., Long H. und Yang F. (2023). Die Entstehungszeit schwarzer Böden verstehen. Die Innovation Geoscience 1(1), 100010