Lipid biogeochemistry of paddy soils

Müller-Niggemann, Cornelia

Rice constitutes one of the most important staple foods for more than half of the World’s population. Typical wet rice field management includes ploughing and puddling of soils under submergence as well as alternate flooding and draining of fields, processes that initiate the development of so-called paddy soils. On global scale paddy soils may evolve on most different soil substrates. Soil redox-conditions associated with paddy management are considered to diminish decomposition rates of soil organic matter (SOM), which in favours its accumulation as well as the emission of greenhouse gases. Hence, it is of paramount importance to study the effect of wetland rice cultivation on biogeochemical processes. Due to the large spatial extent of and high carbon turnover in rice paddies their role in global carbon cycling as carbon (CO2) sinks or sources needs to be investigated. Up to now, biogeochemical cycling in such agroecosystems has been investigated intensively, whereas molecular lipid biomarker studies remained scarce. This dissertation aimed at a comprehensive study of management-induced effects on lipid influx into paddy soils and subsequent lipid evolution under the environmental conditions prevailing. A crucial finding was that management and climatic conditions dramatically influenced the lipid composition in paddy compared to upland (non-paddy) soils. In this context, recurring anaerobic conditions due to periodical submergence of paddy soils had a profound important influence on SOM preservation potential and microbial community structures. Climatic conditions affected biogeochemical lipid cycling to a larger extent than the substrate on which the soil had developed. Accelerated cycling in tropical versus subtropical locations was amply reflected in preservation and composition of plant lipids and microbial membrane lipids.

Reis ist eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel für mehr als die Hälfte der stetig wachsenden Weltbevölkerung. Die typische Bodenbewirtschaftung eines Reisfeldes umfasst das Nasspflügen, einem Verfahren aus Pflügen unter Wasser und dem anschließenden Abdichten der Bodenoberfläche, welche zusammen zur Herausbildung des sogenannten „paddy soil“ führen. Die mit der paddy Bewirtschaftung in Zusammenhang stehenden Redoxbedingungen im Boden, werden generell mit einer geringeren Zersetzungsrate und der bevorzugten Anreicherung der organischen Bodensubstanz sowie mit der Freisetzung von Treibhausgasen in Verbindung gebracht. Aufgrund der großen Flächenausdehnung und des hohen Kohlenstoffumsatzes von Reisböden ist es besonders für die Erforschung des globalen Kohlenstoffkreislaufes wichtig, zu wissen, ob diese paddy Böden eher als Kohlenstoff-Senke (CO2) oder -Quelle fungieren. Das Ziel dieser Dissertation war es, eine umfassende Studie über den Einfluss der paddy Bodenbewirtschaftung auf den Eintrag und die Entwicklung der Lipidzusammensetzung unter verschiedenen gegebenen Umweltbedingungen zu erhalten. Zu den wichtigsten Ergebnissen dieser Arbeit zählen, dass sowohl die Bewirtschaftung als auch die klimatischen Gegebenheiten die Lipidzusammensetzung im Boden beeinflussen, wie es z.B. in den signifikant unterschiedlichen Ergebnissen von paddy Böden und non-paddy Böden (Agrarböden ohne Nassreisbewirtschaftung) angezeigt wurde. Hierbei spielt die periodische Überflutung der paddy Böden, bei welchen zyklisch anaerobe Bedingungen auftreten, eine zentrale Rolle für die Erhaltung der organischen Bodensubstanz sowie für die Ausbildung der mikrobiellen Vergesellschaftung. Zudem laufen die biochemischen Prozesse in den Tropen deutlich beschleunigter voran als in den Subtropen, was sich auch in der Erhaltung und Zusammensetzung von Pflanzenlipiden und der mikrobiellen Membranlipide widerspiegelte.

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Müller-Niggemann, Cornelia: Lipid biogeochemistry of paddy soils. 2016.

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