Carbon and nitrogen mineralization in temperate forest soils at low temperatures

Titelangaben

Schütt, Marianne:
Carbon and nitrogen mineralization in temperate forest soils at low temperatures.
Bayreuth , 2015 . - VIII, 105 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

In the past, carbon (C) and nitrogen (N) mineralization in temperate forest soils was often considered negligible at low temperatures during the dormant season, which is questioned by recent findings. Climate models predict warmer winters but little is known about the temperature sensitivity of C and N mineralization at low temperatures. Temperature rises in the lower range are of critical importance as the temperature dependency of microbial processes is enhanced at low temperatures. Besides microbial parameters, substrate availability and quality are known to influence the temperature dependency of decomposition. Around freezing point, soil frost may also affect the soil microbial biomass and reduce their activity, especially during a subsequent (dry) vegetation period. This study aimed at quantifying the contribution of overwinter net N mineralization to the annual net N mineralization in a temperate European beech and Norway spruce forest soil. Gross ammonification, gross nitrification, net N and C mineralization as well as the temperature response of these processes (Q10 value) were determined at low temperatures. The influence of substrate quality and availability on the temperature dependence was investigated. Furthermore, the effects of soil frost on C mineralization and microbial biomass during a subsequent desiccation period were investigated. Overwinter net N mineralization was determined in a in situ study using the sequential coring method over six months. Homogenized soil samples of Oi/Oe, Oa (spruce) and A (beech) horizons were incubated at -4, -1, +2, +5 and +8°C during laboratory incubations, gross ammonification and nitrification was determined with the 15N pool dilution technique and the Arrhenius equation was used to calculate temperature dependencies (laboratory experiment 1). Addition of glycine (in case of gross ammonification) and ammonium (in case of gross nitrification) enhanced the substrate availability in homogenized soil samples in laboratory experiment 2. The quantification of C mineralization and microbial biomass after soil samples were exposed to soil frost was conducted by GC measurements twice per week (C mineralization) and the substrate-induced respiration method (microbial biomass) on two time points in the 3rd laboratory experiment. During the dormant season, 44 kg N ha-1 6 months-1 were mineralized under beech and 11 kg N ha-1 6 months-1 under spruce, thereby contributing 30% (beech) and 15% (spruce) to the annual net N mineralization. Results from the laboratory incubations confirmed that considerable gross ammonification, nitrification and net N and C mineralization take place at low temperatures. Gross ammonification and C mineralization in beech Oi/Oe exceeded that of spruce Oi/Oe by a factor of 9 and 5. In deciduous forests, the leaf fall in autumn provides a huge amount of easily decomposable organic matter directly before the winter period, which is mineralized at winter temperatures. Apparent Q10 values of C and gross N mineralization were in the range of 2.4 to 11 and higher in substrates of high quality. This gives evidence that, besides substrate quality, substrate availability largely determines the temperature response of decomposition in our soils. The substrate availability experiment could affirm this assumption, as the addition of glycine raised the Q10 values of gross ammonification by a factor of 2. However, after glycine addition gross rates were erratically high. Likely, the glycine addition induced microbial growth which biased Q10 values and thus, they do not reflect “pure” temperature responses. Likewise, homogenization of soil samples increased substrate availability and Q10 values of net N mineralization were higher in homogenized than in undisturbed soil samples. The ratio of C mineralization to gross ammonification was narrow at low temperatures (~1), suggesting preferential mineralization of N rich organic substrates or rapid turnover of the N pool in microbial biomass. Gross and net nitrification were low at low temperatures and rates under spruce slightly exceeded rates under beech, suggesting a moderate risk of nitrate leaching in the spruce site. Microbial biomass and C mineralization quickly recover from soil frost (within 1-7 days) and all frost-related effects disappeared until day 90. Freeze-thaw cycles have no effects on C mineralization during a subsequent moderate desiccation phase. However - under optimal soil moisture conditions - frost-related effects may occur belated (after 90 days), impacting certain microbial groups and leading to a reduction of CO2 emissions in previously frozen soils. Generally, this work underlines the great importance of overwinter C and N mineralization as well as their large temperature sensitivity at low temperatures. Increasing winter temperatures are expected to have a huge effect on the C and N cycle in temperate forest soils but effects will decrease with soil depth, likely due to the decreasing substrate quality of the organic matter. Projected temperature changes in winter will particularly affect the C and N cycle in deciduous forests, in which the leaf fall in autumn provides a huge amount of easily decomposable organic matter directly before the dormant season.

Abstract in weiterer Sprache

Jüngere Befunde deuten auf eine erhebliche Bedeutung von C- und N-Umsätzen bei niedrigen Bodentemperaturen in Waldböden der temperierten Zone hin. Bisher wurden solche Umsätze vielfach vernachlässigt. Zur Temperaturabhängigkeit der C- und N-Umsätze bei tiefen Temperaturen ist bisher wenig bekannt, Temperaturanstiege sind während der Wintermonate allerdings als besonders kritisch zu betrachten, da die Temperaturabhängigkeit biologischer Prozesse bei tiefen Temperaturen erhöht ist. Die Temperaturabhängigkeit der C- und N-Umsätze wird vor allem durch Substratqualität und Substratverfügbarkeit beeinflusst. Während der Wintermonate kann auch langanhaltender Bodenfrost als physiologischer Stressfaktor die mikrobielle Gemeinschaft in Waldböden beeinflussen und die Stoffumsätze in der folgenden (trockenen) Vegetationsperiode verändern. Diese Arbeit hatte zum Ziel, den Anteil der winterlichen Netto-N-Mineralisation an der gesamtjährlichen Netto-N-Mineralisation an zwei Waldstandorten zu quantifizieren. Weiterhin sollten Brutto-Ammonifikation, -Nitrifikation, Netto-N- und C-Mineralisation bei tiefen Temperaturen ermittelt werden sowie deren Temperaturabhängigkeit (Q10-Wert) berechnet werden. Der Einfluss von Substratmenge und -qualität auf die Temperaturabhängigkeit wurde untersucht. Ferner wurden die Auswirkungen von Bodenfrost auf die C-Mineralisation und mikrobielle Biomasse in einer nachfolgenden Trockenperiode untersucht. Die winterliche Netto-N-Mineralisation wurde in einem in situ Experiment mit der sequential coring Methode über einen Zeitraum von sechs Monaten bestimmt. Für die Laborexperimente wurde homogenisiertes Material der L/Of-, Oh-(Fichte) und Ah-(Buche)-Horizonte bei Temperaturen von -4, -1, +2, +5 und +8°C inkubiert, die Bestimmung der Brutto-Raten erfolgte mittels der 15N pool dilution technique und die Berechnung der Temperaturabhängigkeiten über die Arrhenius-Funktion (Laborexperiment 1). Eine Erhöhung der Substratmengen im Laborexperiment 2 wurden im Falle der Brutto-Ammonifikation durch die Zugabe von Glycin erreicht, im Falle der Brutto-Nitrifikation durch die Zugabe von Ammonium. Im Laborexperiment 3, das insgesamt über 161 Tage durchgeführt wurde, wurde nach einem Bodenfrost wöchentlich die C-Mineralisation und an 2 Terminen die mikrobielle Biomasse mittels GC-Messungen bzw. Substrat-induzierter Respiration gemessen. Die winterliche in situ Netto-N-Mineralisation betrug unter Buche 44 kg N ha-1 6 Monate-1 und unter Fichte 11 kg N ha-1 6 Monate-1. Insgesamt wurden 65% des im jährlichen Streufall enthaltenen N unter Buche und 26% des im jährlichen Streufall enthaltenen N unter Fichte während der Wintermonate mineralisiert. Brutto-Ammonifikation, -Nitrifikation und C-Mineralisation aus dem Inkubationsversuch deuteten ebenfalls auf erhebliche Mineralisierungsraten bei Temperaturen um den Gefrierpunkt hin, wobei Brutto-Ammonifikation und C-Mineralisation in Buche L/Of deutlich höher als in Fichte L/Of waren. Der herbstliche Streufall in Laubwäldern liefert eine große Menge leicht verfügbarer Substrate direkt vor der Winterperiode, welche bei winterlichen Temperaturen mineralisiert werden. Die Q10-Werte der C- und Brutto-N-Mineralisation lagen zwischen 2.4 und 11 und waren höher in Substraten besserer Qualität. Dies deutet darauf hin, dass neben der Substratqualität die Substratverfügbarkeit die Temperaturabhängigkeit in unseren Böden maßgeblich beeinflusst. Dies wurde durch das Experiment zur Substratverfügbarkeit bestätigt, hierin erhöhten Glycinzugaben den Q10-Wert der Brutto-Ammonifikation um Faktor 2, allerdings waren die Raten so hoch, dass ein Anwachsen der mikrobiellen Biomasse vermutet wurde, und die Q10-Werte somit nicht mehr als reine Temperaturabhängigkeit interpretiert werden konnten. Im Gegensatz zu ungestörten Proben wiesen homogenisierte Proben höhere Q10-Werte der Netto-N-Mineralisation auf, was auf eine erhöhte Substratverfügbarkeit durch das Homogenisieren zurückzuführen ist. Das Verhältnis von C-Mineralisation zu Brutto-Ammonifikation war bei tiefen Temperaturen eng (~1) und gibt Hinweise auf einen schnellen Umsatz des mikrobiellen N-Pools oder eine präferenzielle Mineralisierung N-reicher organischer Substanz. Brutto- und Netto-Nitrifikation wiesen bei tiefen Temperaturen in beiden Böden geringe Raten auf, unter Fichte war die Nitrifikation etwas höher als unter Buche, was hier ein moderates Risiko der Nitratauswaschung birgt. Nach einem strengen Bodenfrost erholten sich C-Mineralisation und mikrobielle Biomasse in temperierten Waldböden innerhalb weniger Tage (ca. 1-7 Tage) nach dem Auftauen und nach 90 Tagen waren keine Frosteffekte mehr messbar. Auch haben Frost-Tau-Zyklen keinen Einfluss auf die Bodenrespiration während einer moderaten Austrocknungsphase. Bei optimaler Bodenfeuchte hingegen können verspätete Frosteffekte eintreten (nach 90 Tagen), die die mikrobielle Biomasse reduzieren und zu einem Absinken der C-Mineralisierung in vormals gefrorenen Böden führen können. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die große Relevanz winterlicher C- und N-Umsätze sowie deren erhöhte Temperaturabhängigkeit bei tiefen Temperaturen. Ein Anstieg der Wintertemperaturen wird substanzielle Effekte auf die C- und N-Umsätze in Waldböden haben, wobei die Effekte mit zunehmender Bodentiefe abnehmen aufgrund der niedrigeren Substratqualität. Änderungen der winterlichen Temperaturen werden v. a. bei Laubwäldern, in denen der Streufall direkt vor der winterlichen Periode eine große Menge an leicht verfügbarem organischen Material liefert, den C- und N-Haushalt beeinflussen.