Factors controlling carbon turnover in forest soils

Abstract

Zusammenfassung Im Boden wird weltweit eine sehr große Menge Kohlenstoff (etwa 2000 Pg) in Form von organischer Substanz (Humus) gespeichert. Die Bodenatmung fungiert in diesem Zusammenhang als Fluss von Kohlenstoff in Form von CO2 aus dem Boden in die Atmosphäre. Als die beiden Hauptquellen sind zu nennen: der Abbau von Humus durch Mikroorganismen und die Aktivität von Wurzeln und wurzelassoziierten Mikroorganismen. Veränderungen der Kohlenstoffumsetzung im Boden durch die Klimaveränderungen könnten dabei zu Rückkopplungen mit dem atmosphärischen Kohlenstoff und dem Klima selbst führen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Quantifizierung der Kohlenstoffumsatzzeiten im Boden und die Bestimmung der dabei steuernden Variablen. Hierzu wurden die Umsatzzeiten verschiedener Fraktionen der organischen Bodensubstanz geschätzt durch Ihren Kohlenstoff-14 Isotopen Werten (delta14C) zu kombinieren mit einem Kohlenstoffumsatz-Modell. Die zugrunde liegenden Böden stammen aus 11 Waldstandorten in Norditalien mit unterschiedlichen Höhenlagen, die einem Temperaturgradienten mit mittleren Jahrestemperaturen von etwa 4 bis 12 ºC entsprechen. Die Umsatzzeiten der unterschiedlichen Fraktionen der organischen Substanz nahmen mit zunehmender Bodentiefe zu, mit Werten von 2–15 Jahren für die labile Fraktion, 25–150 Jahren für die intermediäre Fraktion und 50-900 Jahren für die stabilisierte Fraktion. Die Temperatursensitivität der Umsatzzeiten der unterschiedlichen Fraktionen wurde mit Korrelations- und Regressionsanalysen untersucht. Die Temperatursensitivität der stabilisierten Fraktion war mindestens ähnlich hoch wie die der intermediären Fraktion. Die Temperatursensitivität der labilen Fraktion konnte nicht ermittelt werden. Verschiedene Faktoren beeinflussten möglicherweise die Ergebnisse der Temperatursensitivität, zum Beispiel die verwendeten Modellannahmen oder die auftretende Sommertrockenheit an den wärmeren Standorten. Aus den delta14C-basierten Umsatzzeiten und den Vorräten der unterschiedlichen Fraktionen der organischen Substanz wurden Bodenatmungsflüsse berechnet. Diese wurden mit experimentell bestimmten Jahressummen der Bodenatmung der verschiedenen Standorte verrechnet. Dabei wurde folgende Aufteilung der Bodenatmungsquellen ermittelt: etwa 30% der Bodenatmung stammte von der Abbau der Streuauflage, weniger als 10% stammte aus der organischen Substanz des Mineralsbodens und etwa 60% der Bodenatmung ließ sich auf die Aktivität der Wurzeln, der wurzelassoziierten Mikroorganismen sowie den Abbau leichtverfügbarer organischer Substanz (Umsatzzeit < 1 Jahr) zurückführen. Um die letztgenannte Bodenatmungsquelle weiter aufzuteilen wurde die Atmung aus der frischen Streu während des ersten Jahres mittels einer exponentiellen Abbaufunktion und den delta14C-basierte Umsatzzeiten der frischen Streu abgeschätzt. Die gesamte Bodenatmung nahm mit zunehmendem Stickstoffgehalt der Streuauflage zu. Diese Korrelation erklärte 70% der Variation der gesamten Bodenatmung. Die Stickstoffgehalte scheinen sowohl die Bodenatmung aus der Streuauflage als auch die Wurzelatmung positiv zu beeinflussen. Zwei Ausreißer in den Daten stellten diese Schlussfolgerung zwar in Frage, insgesamt deuten die Ergebnisse jedoch darauf hin, dass ein großer Teil der biologische Aktivität in oder nahe unter der Streuauflagen stattfindet und dass Bäume eine hohe Stickstoffverfügbarkeit im Boden durch die Produktion von Streu mit hohen Stickstoffgehalten gewährleisten. Diese Arbeit leistete somit insgesamt folgenden Beitrag zur Bodenkohlenstoffforschung: (i) Die Temperatursensitivität der Umsatzzeiten unterschiedlicher Fraktionen der organische Substanz des Bodens wurde bestimmt mittels delta14C-Analysen, eine Methode zur Quantifizierung von Umsatzzeiten auf Zeitskalen von Jahrzehnten; (ii); die Anwendung von auf delta14C basierten Umsatzzeiten der organischen Substanz zur Aufteilung von Bodenatmung in verschiedene Quellen wurde evaluiert; und (iii) der Einfluss der Verfügbarkeit vom Stickstoff im Boden auf die Bodenatmung wurde gezeigt und diskutiert.

Soils store a large amount of carbon, which is estimated to be around 2000 Pg globally. In this context, soil respiration, the carbon dioxide flux released from the soil, plays an important role. It has two main sources: the decomposition of soil organic matter by microorganisms and the activity of roots and root-associated organisms. Changes in the amount of carbon cycling through the soil may provide feedbacks that are relevant for climate changes. Thus, the overall objectives of this study were to quantify the turnover of carbon in the soil and to identify its controls. Turnover times of different soil organic matter fractions were estimated from their carbon-14 isotope values (delta14C) combined with a model. The soil organic matter fractions were collected from 11 forest sites in northern Italy located along a mean annual temperature gradient from ~ 4 to 12 ºC. Turnover times of the different fractions increased with increasing soil depth and ranged from 2-15, 25-150, and 50-900 years, for the labile, intermediate, and stabilized soil organic matter fraction, respectively. Temperature sensitivities of the turnover times of the different soil organic matter fractions were investigated from correlation coefficients and regression analysis. The temperature sensitivity of the stabilized soil organic matter fraction was at least equal to that of the intermediate fractions, and possibly twice as high. A temperature sensitivity of the turnover times of the labile fraction could not observed here. Several factors may have influenced the results as observed here for the three soil organic matter fractions, for example the applied modeling assumptions, or the confounding effect of occasional summer drought at the warmer sites. From the delta14C-based turnover times and the carbon stocks of the different soil organic matter fractions respiration fluxes were calculated. Subsequently, this soil organic matter-derived respiration was subtracted from previously determined total annual soil respiration of the sites. The following partitioning of total soil respiration was found: ~ 30% from the decomposition of litter layers; less then 10% from the decomposition of soil organic matter in the mineral soil; and ~ 60% from the activity of roots, root-associated organisms, and the decomposition of organic matter that decomposes in less than one year after it has entered the soil. To subdivide the latter respiration source, respiration derived from the annual litterfall within the first year was estimated from an exponential decay function with a decomposition rate based on the delta14C-based turnover times of the fresh litter. Total soil respiration increased with increasing nitrogen content of the litter layers, this relationship explained 70% of variation in total soil respiration. The litter-derived and root-derived respiration both seemed to increase with increasing litter nitrogen. However, the occurrence of two outliers hampered interpretation of these latter results. Overall, the results suggested that at the sites a large fraction of the biological activity in the soil is located in or near the litter layers where the availability of nitrogen is high, and results suggested that plants may maintain a high availability of nitrogen in the soil through the production of litter with high nitrogen content. This study contributed to research on soil carbon dynamics in that: (i) the temperature sensitivity of turnover times of different soil organic matter fractions were estimated using delta14C analyses, a method that quantifies soil organic matter turnover on a decadal scale; (ii) the use of delta14C-based turnover times of soil organic matter to partition soil respiration was evaluated; and (iii) the effect of the availability of nitrogen in the soil on soil respiration was shown and discussed.