Turnover and fluxes of carbon and nitrogen in a spruce forest under natural and extreme meteorological conditions

Dynamik von Kohlenstoff und Stickstoff unter natürlichen und extremen meteorologischen Klimabedingungen in einem Fichtenwald

Climate models predict an increase in the intensity and frequency of extreme meteorological climate events like extended summer droughts, heavy rainfall or intensive frost periods with largely unknown effects on microbial activity and pysico-chemical soil properties and their impact on availability of soil organic matter. The influence of drying/rewetting (A/W) and freezing/thawing (G/A) events on solution chemistry and leaching losses of soils is barely known. This thesis aimed to study the effClimate models predict an increase in the intensity and frequency of extreme meteorological climate events like extended summer droughts, heavy rainfall or intensive frost periods with largely unknown effects on microbial activity and pysico-chemical soil properties and their impact on availability of soil organic matter. The influence of drying/rewetting (A/W) and freezing/thawing (G/A) events on solution chemistry and leaching losses of soils is barely known. This thesis aimed to study the effects of A/W and G/A events on soil solution chemistry and solute fluxes, in particular, of dissolved organic carbon (DOC) and inorganic nitrogen (NH4+, NO3-) in a podzol soil under a Norway spruce forest. A field experiment was designed to study the effects of (i) summer drought by exclusion of natural throughfall and subsequent rewetting and of (ii) soil frost by removal of natural snow cover. In complementary laboratory experiments with undisturbed soil columns, (i) drying/rewetting cycles were simulated with different rewetting intensities and (ii) freezing/thawing cycles were induced using different freezing temperatures. In the second part of this work, total C and N stocks as well as radiocarbon signatures of soil organic carbon (SOC) from different soil horizons and density fractions were investigated. A/W increased the DOC concentrations in the organic layer and upper mineral soil. More DOC was released from the organic layer to the mineral soil. However, the effects on total DOC leaching were smaller due to reduced water fluxes. Specific UV absorbance and emission fluorescence detected a switch in the release of easily decomposable DOC to hardly decomposable DOC during the wetting phase. Prolonged summer drought and incomplete rewetting due to hydrophobicity of SOM in the organic layer and upper mineral horizon reduced net N mineralisation as well as concentrations and fluxes of the NH4+ and NO3-. The net nitrification rate in the organic layer was more negatively influenced than net ammonification, indicating that nitrifiers are more sensitive to drought stress than ammonifiers. The effect of soil frost strongly depended on soil freezing temperature. Only soil frost at temperature below -8°C led to short periods of additional DOC production in the organic layer. Spectroscopic properties and ∆14C signatures of DOC implied a disruption of soil aggregates and desorption of older DOC from the mineral associated organic matter fraction of the Oa horizons by G/A events. Severe soil frost below -8°C inhibited the activity of nitrifiers and ammonifiers with decreased NH4+ and NO3- concentrations and fluxes in the mesocosm experiment. A delayed (by 4 months) increase in NO3- concentration in the upper soil horizon by moderate soil frost (-5°C) was attributed to reduced Immobilisation by heterotrophic microorganisms. Summarised, drying and the effect of hydrophobicity led to long-term, severe soil frost to short-term reduction in N mineralisation and N leaching. The effect of increased NO3- concentrations as delayed response to G/A needs further research in case of potentially changes in the N balance. Drying as well as freezing induced changes in the soil structure and properties and led to increased DOC concentrations. Moderate soil temperature had much less effects on C and N in this temperate forest soil. The results of this thesis demonstrated the potential of extreme meteorological events on the quality and availability of dissolved C and N. Both, A/W and G/A cycles decreased C and N mineralisation, increased the sink strength of the soil by the accumulation of SOC and N, considering constant C and N litter input. However, optimal temperature and moisture conditions in other seasons could compensate the sink strength of soils. This work underpins the need for holistic and long-term investigations to understand and model the impact of extreme meteorological conditions on the dynamics of dissolved C and N.show moreshow less
Aktuelle Klimaprognosen gehen von einer zunehmenden Häufigkeit extremer Wetterbedingungen aus. Solche Ereignisse, wie etwa Sommerdürren, Starkregen und das Auftauen und Gefrieren von Böden beeinflussen die mikrobielle Aktivität und die physico-chemischen Eigenschaften des Bodens und dies führt zu Veränderungen in der Verfügbarkeit bodenorganischer Substanz (SOM). Die Auswirkungen von Austrocknungs-/Wiederbefeuchtungs- (A/W) und Gefrier-/Auftauereignissen (G/A) auf die Zusammensetzung der BodenlöAktuelle Klimaprognosen gehen von einer zunehmenden Häufigkeit extremer Wetterbedingungen aus. Solche Ereignisse, wie etwa Sommerdürren, Starkregen und das Auftauen und Gefrieren von Böden beeinflussen die mikrobielle Aktivität und die physico-chemischen Eigenschaften des Bodens und dies führt zu Veränderungen in der Verfügbarkeit bodenorganischer Substanz (SOM). Die Auswirkungen von Austrocknungs-/Wiederbefeuchtungs- (A/W) und Gefrier-/Auftauereignissen (G/A) auf die Zusammensetzung der Bodenlösung und den Austrag bzw. die Verlagerung von Mineralstoffen aus der organischen Auflage in den Mineralboden wurde bisher kaum untersucht. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Untersuchung von Kohlenstoff (DOC) und Stickstoff (NH4+, NO3-) in der gelösten Phase sowie deren Stoffflüsse bei A/W- und G/A in einem Podzolboden eines Fichtenwaldes. Im Feldversuch wurde (i) Sommertrockenheit durch Ausschluss des Niederschlages und (ii) der Bodenfrost durch Entfernen der natürlichen Schneedecke experimentell herbeigeführt. Zusätzlich wurden im Labor an ungestörten Bodensäulen A/W und G/A Ereignisse gezielt nachgestellt. Dabei wurde (i) wiederholtes A/W mit unterschiedlichen Intensitäten, sowie (ii) wiederholtes G/A bei unterschiedlichen Temperaturen betrachtet. Der zweite Teil dieser Arbeit bestand in der Bewertung der C und N Vorräte, sowie in der Bestimmung der ∆14C Signatur der einzelnen Bodenhorizonte und deren Dichtefraktionen. A/W-Ereignisse erhöhten die DOC Konzentrationen in der organischen Auflage und den oberen Mineralbodenhorizonten. Während der Austrocknung kam es nur zu geringen Wasserflüssen, dennoch konnte eine Verlagerung von DOC aus der organischen Auflage in den Mineralboden festgestellt werden. Die Analyse der UV-Absorptions- und Fluoreszenzspektren ergab eine Änderung der DOC Qualität von leicht verfügbarem Substrat direkt nach Wiederberegnung hin zu aromatischen und komplexeren Verbindungen am Ende der Beregnung. Andauernde Trockenheit und eine unvollständige Wiederbefeuchtung nach Austrocknung (aufgrund von Hydrophobizität von SOM der organischen Auflage) verursachte eine geringere N- Mineralisation mit abnehmenden NH4+ und NO3- Konzentrationen und Flüsse in den oberen Bodenhorizonten. Die Netto- Nitrifikation der organischen Auflage verminderte sich stärker als die Netto- Ammonifikation und verdeutlichte damit die höhere Empfindlichkeit der Nitrifikanten gegenüber Trockenstress. Der G/A Effekt ist sehr stark von der Bodenfrosttemperatur abhängig. Bodenfrost unterhalb einer Temperatur von -8°C führte zu einem kurzzeitigen Anstieg der DOC Konzentrationen in der organischen Auflage. Spektroskopische und DO14C- Analysen ließen dabei auf das Aufbrechen von Bodenaggregaten, die Freilegung und Desorption von älterem DOC aus der MAOM Fraktion des Oa Horizontes unter Bodenfrostbedingungen schließen. Bodenfrost unterhalb -8°C hemmte die Aktivität der Ammonifikanten und Nitrifikanten und führte zu verringerten NH4+ und NO3- Konzentrationen und Flüsse im Laborversuch. Erhöhte NO3- Konzentrationen, die in den oberen 20cm Bodenschichten vier Monate nach Bodenfrost (-5°C) auftraten, sind wahrscheinlich auf eine geringere NO3- Immobilisierung durch heterotrophe Mikroorganismen zurückzuführen. Zusammenfassend kann man festhalten, dass Austrocknung einschließlich Hydrophobizität längerfristig und intensiver Bodenfrost kurzfristig die N- Mineralisation, N- Verfügbarkeit und den N Austrag in N-gesättigten Böden reduzieren. Die drei Monate nach dem G/A Ereignis beobachtete erhöhte NO3- Konzentration, bedarf weiterer Untersuchungen. Austrocknung und Frost führten zu Änderungen in der Bodenstruktur und der Bodeneigenschaften mit einer erhöhten Verfügbarkeit an DOC. Moderate Bodentemperaturen haben dabei nur einen sehr geringen Einfluss auf C und N in diesem Waldökosystem. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen den potentiellen Einfluss extremer Wetterereignisse auf die qualitative Zusammensetzung und Bioverfügbarkeit von gelösten C und N. Eine reduzierte C- und N- Mineralisation als Reaktion des Ökosystems auf A/W und G/A würde zu einer erhöhten Senkenfunktion des Bodens durch Akkumulation an SOC und N führen, sofern die C- und N- Einträge konstant bleiben. Dagegen können optimalere Temperatur- und Bodenwasserbedingungen in anderen Jahreszeiten den Abbau an C und N forcieren und damit die Senkenfunktion ausgleichen. Diese Arbeit verdeutlicht den Bedarf an ganzheitlichen und langfristigen Forschungsansätzen um die Einflüsse von extremen Wetterbedingungen auf die C- und N- Dynamik in Böden verstehen und modellieren zu können.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Geowissenschaften
Author: Kerstin Schulze
Advisor:PD Dr. Werner Borken
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:10.06.2011
Year of Completion:2010
SWD-Keyword:Bodenlösung; Klimaänderung; Waldökosystem
Tag:14C; Dichtefraktionierung
climate change; density fractionation; forest ecosystem; radiocarbon; soil solution
Dewey Decimal Classification:550 Geowissenschaften
RVK - Regensburg Classification:WI 5020
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-9575
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):09.02.2012