Gross N turnover and soil solution chemistry as influenced by fluctuations of soil water potential and water table in a Podzol and a fen soil

Titelangaben

Chen, Yao-Te:
Gross N turnover and soil solution chemistry as influenced by fluctuations of soil water potential and water table in a Podzol and a fen soil.
Bayreuth , 2011
( Dissertation, 2011 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Given the climate scenarios, the higher frequency of drying/rewetting cycles of soils in the future can be expected. These changes of the meteorological conditions likely result in an increasing frequent and intensive drought periods in summer, causing irregular and extreme drought stress in forest soils or a drawdown of water table in wetland ecosystems, which may influence the turnover of nutrients in soils to a larger extend than previously thought. The question arises how these climate changes will influence N and C turnover in forest and fen soils. A growing number of laboratory studies on drying/rewetting of soils have been published during past decades, but many studies used either disturbed soil samples or intact soil cores in laboratory. Although soil drying is a frequent phenomenon in the field, the long-term effects of drying/rewetting and irrigation on in situ fluxes and concentrations of solutes in forest and fen soils are unclear. Several studies have investigated the influence of soil water content on net N turnover rather than gross rates. Net ammonification and nitrification include two major processes: gross ammonification and gross nitrification on the one side and microbial immobilization on the other side. To identify the response of specific processes to soil drying, gross rates need to be measured. This thesis focused on the impact of changing water potential or water table level on gross N turnover rates and soil solution chemistry in two different ecosystems in South-Eastern Germany. In a Norway spruce forest, the effects of decreasing water potential and prolonged periods of summer drought on soil gross N turnover were investigated by laboratory and field experiments. Soil solutions and throughfall were collected and the cumulative in situ fluxes of DIN, DON and DOC with forest floor percolates were calculated. In a minerotrophic fen, we studied the response of N and C mineralization and soil solution chemistry to water table fluctuations in a laboratory experiment. In the field, we collected the soil pore water in 3 depths to clarify the long-term effects of water table level on the concentrations of solutes. Homogenized soil samples of the Oi+Oe, Oa and EA horizons were taken and adjusted to 6 different water potentials in the laboratory. In the field experiment, throughfall exclusion and irrigation plots were established to simulate different precipitation patterns of a dry and wet growing season. Gross N turnover rates were determined in undisturbed soil cores from Oi+Oe and Oa+EA horizons during the drying period and after rewetting. Soil drying decreased gross ammonification rates in the O horizon. The lowest rates were found at the throughfall exclusion plots but the differences to the irrigation and control plots were not statistically significant. A substantial ammonification rate of 14 mg N kg-1 soil day-1 was observed at 3.2 MPa (pF 4.5). The laboratory study showed that gross nitrification decreased with decreasing water potential and was more sensitive to drying than ammonification in the Oa horizon; however, this was not found in the field experiment. The latter might result from the low rates and huge spatial variation, indicating the difference between disturbed samples and intact soil cores. No rewetting pulse of gross ammonification was observed, probably due to its short duration or due to the slow changes of the water potential during the natural rewetting. Although the in situ fluxes of DIN increased at the throughfall exclusion plots after rewetting, the cumulative DIN flux at the throughfall exclusion plots did not significantly exceed that at the control plots. The lowest fluxes of DON and DOC were observed at the throughfall exclusion plots because of the reduction of input with throughfall. In the studies presented here, extended drought periods caused a reduction of gross N turnover in forest soils but gross ammonification continued at considerable rates at low water potential. The hypothesis of increased N turnover and fluxes of DIN, DON and DOC as a consequence of drying/rewetting was not confirmed. In the fen site, undisturbed soil cores were taken and divided to two treatments of water table: permanently flooded and fluctuated. The later was subjected to flooding, drawdown and re-flooding. The permanently flooding enhanced gross ammonification after a lag phase of about 30 days while CO2 emissions were constantly low. The water table drawdown also increased gross ammonification, but again after a lag phase of about 30 days. The first peak of CO2 emissions appeared immediately after water table drawdown, followed by a decrease and a second peak. The ratio of CO2 emission/gross ammonification were close to 2 under anoxic condition which seems to be caused by fast N turnover in the microbial biomass-N pool and low rates of CO2 production. The changes induced by water table drawdown on the N and C turnover were found reversible after re-flooding. Drainage increases SO42- but decrease Fe, DON and DOC concentrations and vice versa when the soils were flooded. Release of DON and DOC was inhibited by increasing SO42- concentrations. Under field conditions, neither drainage nor flooding had an effect on dissolved inorganic N due to the low concentration, indicating the rapid consumption of mineralized N in the field. In the absence of plant uptake and runoff in the laboratory experiment, however, NH4+ increased during the flooding period. Soil desiccation affects the upper soil layers with largest rates of N turnover. While gross N turnover is reduced by soil desiccation, a substantial rate of ammonification was observed even at low water potentials. Nitrification was found more sensitive to desiccation than ammonification which might change the NH4/NO3 ratio of available N under dry conditions. Rewetting of dry soil does not induce a pulse of N turnover and fluxes of DIN, DON and DOC. Overall, an increasing frequency of drying/rewetting cycles seem to have only moderate effect on the N turnover and on N solute fluxes in forest soils. Fluctuations of water table play an important role for the organic matter mineralization, soil solution chemistry and inorganic N availability in minerotrophic fen soils. Acidification by oxidation of S to SO42- can be expected after water table drawdown, causing inhibition of DON and DOC release. The effect of drainage and flooding on gross mineralization and solute concentrations is reversible within a month period. The effect of changing water table regime on N and C turnover in fen soils seems to depend largely on the time scale of the fluctuations. Short term fluctuations at a daily scale will have little effect on N turnover as compared to longer term changes on a monthly scale, while short term changes seem to trigger C losses by CO2.

Abstract in weiterer Sprache

Klimaprognosen lassen in den kommenden Jahren häufige Austrocknungs- und Wiedervernässungsphasen in terrestrischen Böden erwarten. Zunehmende sommerliche Trockenheit kann in Waldböden starken Trockenstress und in Moorböden eine Absenkung des Grundwasserspiegels hervorrufen. Viele biologische und chemische Prozesse werden in diesen Ökosystemen dadurch stärker beeinflusst als bisher angenommen. Über die Auswirkung von zunehmenden Trockenphasen auf die jährlichen C- und N-Flüsse in Wald- und Moorböden ist bisher wenig bekannt. Langzeiteffekte von Trockenphasen auf Stoffflüsse in situ und Bodenlösungskonzentrationen wurden bisher nicht untersucht. Während der letzten Jahre wurden zwar viele Studien zu Austrocknungs-/Wiedervernässungs-Zyklen durchgeführt, jedoch meist im Labor und mit homogenisierten Bodenproben. Verschiedene Studien haben bereits den Einfluss des Bodenwasserhaushaltes auf Netto-Mineralisierungsraten untersucht. Netto-Ammonifikation und Netto-Nitrifikation sind allerdings zwei wesentlichen Prozessen unterlegen: der Brutto-Ammonifikation und -Nitrifikation einerseits, der mikrobiellen Immobilisierung andererseits. Um diese spezifischen Prozesse abbilden zu können, müssen die Brutto-Raten bestimmt werden. Das Ziel dieses Projektes war, den Einfluss von Niederschlags- und Wasserstandsänderungen auf N-Mineralisierung und Stoffflüsse in der Bodenlösung eines Fichtenwaldes und Niedermoores im Fichtelgebirge zu quantifizieren. In dem Fichtenbestand wurden mittels Labor- und Feldexperimenten die Auswirkungen von abgesenktem Wasserpotential und verlängerter Sommertrockenheit auf die Brutto-N-Umsätze untersucht. Ebenfalls wurden die kumulierten in situ-Flüsse von DIN, DON und DOC im Sickerwasser bestimmt. Für das Niedermoor wurden in einem Laborexperiment die Auswirkungen von Wasserstandsschwankungen auf C und N-Mineralisierung und Zusammensetzung der Bodenlösung bestimmt. Im Feld wurde die Bodenlösung in drei Tiefen gesammelt, um Langzeiteffekte des Wasserstands auf die Lösungskonzentrationen Im Niedermoor zu bestimmen. Für das Laborexperiment wurde homogenisiertes Material der L/Of- Oh- und Ah-Horizonte auf 6 verschiedene Wasserpotentiale eingestellt. Im Feldversuch wurden Austrocknungs-, Beregnungs- und Kontrollflächen installiert, um verschiedene Niederschlagsverteilungen über die Vegetationsperiode zu simulieren. Während der Austrocknungsperiode und nach dem Wiederbefeuchten wurden in ungestörten Stechzylinderproben des L/Of- und des Oh-/Ah-Horizontes die Brutto-N-Umsätze bestimmt. In Feld und Labor konnte gezeigt werden, dass unter trockenen Bedingungen die Brutto-Ammonifikation in der organischen Auflage reduziert war. Selbst bei 3.2 MPa (pF 4.5) wurde noch eine Brutto-Ammonifikationsrate von 14 mg N kg-1 TM d-1 gemessen. Im Feldexperiment waren die Unterschiede zur Beregnungs- und Kontrollfläche aber nicht signifikant. Die Brutto-Nitrifikation nahm im Laborexperiment bei sinkendem Wasserpotential noch stärker ab, als die Brutto-Ammonifikation. Im Feldexperiment konnte dies nicht bestätigt werden. Hier waren die Nitrifikationsraten generell sehr gering und unterlagen starken Schwankungen, bedingt durch die natürliche Heterogenität der ungestörten Stechzylinder-Proben. Nach Wiedervernässung der Austrocknungsfläche konnte kein Maximum in der Brutto-Ammonifikation beobachtet werden. Ein möglicher Grund hierfür könnte die sehr langsame Wiederbefeuchtung des Bodens unter natürlichen Bedingungen gewesen sein. Obwohl die in situ-Flüsse von DIN auf den Austrocknungsflächen nach der Wiedervernässung anstiegen, überstieg der kumulierte DIN-Fluss hier nicht signifikant den der Kontrollflächen. Die niedrigsten DON- und DOC-Flüsse wurden auf den Austrocknungsflächen gefunden, da hier Einträge durch die Kronentraufe ausgeschlossen wurden. Generell reduzierten sich in allen durchgeführten Experimenten während der Dürreperioden die Brutto-N-Umsätze in Waldböden, dennoch wurden bei niedrigem Wasserpotential immer noch beachtliche Brutto-Ammonifikationsraten gemessen. Die Hypothese erhöhter N-Umsätze und erhöhter DIN-, DON- und DOC-Flüsse in Folge eines Austrocknungs-Wiederbefeuchtungszyklus konnte nicht bestätigt werden. Aus dem Niedermoor wurden ungestörte Bodenproben entnommen und zwei verschiedenen Wasserstandregimes zugeteilt: permanente Überstauung und fluktuierender Wasserstand; bei Letzterem wechselte periodische Überstauung mit Wasserabsenkung. In den permanent überstauten Proben stieg die Brutto-Ammonifikation nach einer Verzögerungszeit von 30 Tagen an, die CO2-Freisetzung war konstant niedrig. Bei fluktuierendem Wasserstand erhöhte sich nach Absenkung des Wasserspiegels die Brutto-Ammonifikation ebenfalls nach einer Verzögerungszeit von 30 Tagen. Die CO2-Freisetzung stieg nach Grundwasserabsenkung sprunghaft an, sank wieder ab und stieg nach 30 Tagen erneut an. Das Verhältnis von CO2-Freisetzung zu Brutto-Ammonifikation war bei anoxischen Bedingungen etwa 2, begründet durch schnelle N-Umsätze im Pool der mikrobiellen Biomasse sowie geringe CO2-Produktion. Die Veränderungen von fluktuierenden Wasserständen auf die C- und N-Umsätze waren reversibel: nach Wasserabsenkung erhöhte sich die Konzentration von SO42-, Fe-, DON- und DOC-Konzentrationen sanken. Nach Überstauung kehrten sich die Verhältnisse um. Die Freisetzung von DON und DOC wurde durch erhöhte SO42--Konzentrationen inhibiert. Die DIN-Konzentrationen waren unter Feldbedingungen aufgrund von mikrobiellem Konsum sehr gering, weder Drainage noch Überflutung wirkte sich auf sie aus. Im Labor (ohne Versickerung und Aufnahme durch die Pflanzen) stieg die NH4+ -Konzentration während der Überflutung an. Zusammenfassend wurde gezeigt, dass die Austrocknung im Boden vor allem die obersten Horizonte mit dem größten N-Umsatz beeinflusst. Obwohl die Umsätze bei Trockenheit reduziert sind, findet bei niedrigem Wasserpotential immer noch beachtliche Brutto-Ammonifikation statt. Die Nitrifikation reagiert auf Austrocknung empfindlicher als die Ammonifikation, was Auswirkungen auf das NH4/NO3-Verhältnis bei trockenen Bedingungen hat. Weiterhin induziert die Wiedervernässung von trockenem Boden kein Maximum der N-Umsätze, der DIN-, DON- und DOC-Flüsse. Insgesamt hat eine erhöhte Häufigkeit von Austrocknungs-/Wiedervernässungszyklen also nur einen moderaten Effekt auf N-Umsätze und gelöste C- und N-Verbindungen in Waldböden. In Niedermooren spielen Wasserstandsschwankungen eine wichtige Rolle für die Mineralisierung der organischen Bodensubstanz, für die Stoffausträge und die Verfügbarkeit von N. Nach Wasserabsenkung kann es zu einer Oxidation von S zu SO42- kommen, die Freisetzung von DON und DOC wird dadurch inhibiert. Der Effekt von Austrocknung und Überflutung auf Brutto-Mineralisierung und Freisetzung von gelöster organischer Substanz ist reversibel innerhalb von 30 Tagen. Die Auswirkung des Wasserstandes auf jährliche N- und C-Umsätze in Moorböden hängt stark von der Länge der Fluktuation ab: kurzzeitige Fluktuationen von wenigen Tagen werden geringere Effekte auf den N-Umsatz haben als langfristige Wasserstandsänderungen. Kurzzeitige Schwankungen verstärken jedoch die CO2-Freisetzung aus Moorböden.