Soil organic matter dynamics in a temperate forest influenced by extreme weather events

Titelangaben

Schmitt, Andrea:
Soil organic matter dynamics in a temperate forest influenced by extreme weather events.
Bayreuth , 2011
( Dissertation, 2011 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Climate models predict an increase in surface temperature and a change in intensity and kind of precipitation in the future for Europe depending on the region with effects on C cycling and soil organic matter (SOM). We investigated the influence of extreme weather events (frost/drought) on the quality and quantity of SOM in a Haplic Podzol under a 140 years old Norway spruce forest in the Fichtelgebirge mountains (Bavaria, German) within two laboratory and two field studies. In one laboratory study, we investigated the effect of frost intensity and repeated freeze/thaw cycles. Undisturbed soil columns comprising organic layer and top mineral soil were treated as followed: Control (+5 °C), frost at –3 °C, –8 °C and –13 °C. After a two-week freezing period, frozen soils were thawed at +5 °C and irrigated with 80 mm water at a rate of 4 mm per day. After the third cycle, SOM pools of the treatments were compared with those of non-dried control columns. Under field conditions from late December 2005 until middle of February 2006 we removed the natural snow cover during winter on three replicate plots. Hence we induced soil frost to 15 cm depth (in a depth of 5 cm below surface up to -5°C) from January to April 2006, while the snow-covered control plots never reached temperatures below 0 °C. In the second laboratory experiment after air-drying for five weeks, undisturbed soil columns were re-wetted at different intensities (8, 20 and 50 mm per day) and time intervals, so that all treatments received the same amount of water per cycle (100 mm). After the third cycle, SOM pools of the treatments were compared with those of non-dried control columns. Under field conditions, a throughfall exclusion (TE) experiment was conducted in the summers 2006 and 2007 using a roof installation followed by re-wetting compared to non-manipulated control plots. On 18th January 2007, the heavy low pressure system Kyrill caused large damages at our control plots whereas the TE sites were less influenced. Therefore, for this study, only data were used from the control plots before Kyrill and from the soil structure undisturbed TE plots. SOM quantity and quality was followed by biomarker analysis: lignin, neutral sugars and phospholipid fatty acids (PLFA) as measure for microbial biomass. Amounts of lignin contents were not significantly affected by repeated freeze/thaw cycles. However, intensive frost slightly enhanced lignin mobilization in the O layer and the translocation into the B horizon. While soil frost did not influence lignin concentrations, the decomposition rate of vanillyl monomers (Ac/Ad)v decreased at the end of the frost period, these results confirm reduced mineralisation under frost. In contrast, lignin phenols were not systematically affected by the drying/rewetting-experiment and the moisture regime. The sum of PLFA (soil microbial biomass) was not affected by the frost respectively drying event, suggesting that most soil microorganisms were well adapted or recovered more quickly than the accumulation of microbial residues such as microbial sugars directly after the experiment. However, PLFA patterns indicate that fungi are more susceptible to soil frost than bacteria. The ratio of fungi to bacteria were generally not altered through drying, however, at least in the L horizon, warmer and drier weather led to a dominance of fungi while a cooler and moister regime favoured bacteria. Increasing water stress was indicated by a higher PLFA (cy17:0+cy19:0)/ (16:1w7c+18:1w7c) ratio suggesting that the microbes suffered from water stress in the organic layer and uppermost mineral soil. While soil microbial biomass was not affected by the moisture regime, the structure of soil microbial community changed. Gram-positive bacteria and actinomycetes were reduced whereas gram-negative bacteria, fungi and protozoa were stimulated by the reduced moisture regime. In the subsequent summer after the freezing experience, soil microbial biomass was significantly higher at the snow-removal plots (SM) compared to the control despite lower CO2 respiration and increasing water stress indicator. These results suggest that soil microbial respiration and therefore the activity was not closely related to soil microbial biomass but more strongly controlled by substrate availability and quality. Both freezing/thawing and drying/re-wetting reduced the amount of microbial sugars due to reduced mineralisation. However, also the hydrolysable plant sugars decreased in all soil horizons. We postulated that the only possible explanation for the disappearance of plant and microbial sugars upon soil freezing or drying are chemical alterations of sugar molecules leading to SOM stabilization, also known as SOM aging. Further studies are required to quantify the effect of temperature or moisture regime to the observed changes in soil sugar concentrations.

Abstract in weiterer Sprache

Für die Zukunft, prognostizieren Klimamodelle für Europa, dass die globale Temperatur ansteigt und sich die Art und Intensität der Niederschläge verändert. Diese Veränderungen des Klimas in Mitteleuropa haben Auswirkungen auf den C-Kreislauf und auf die Dynamik der organischen Bodensubstanz (OBS. Daher war das Ziel dieser Studie, den Einfluss von Extremwetterereignissen anhand von Biomarkern [Lignin, Zucker und Phopholipidfettsäuren (PLFA)] auf die OBS-Qualität und -Quantität in einen Haplic Podzol in einem 140 Jahre alten Fichtenwald im Fichtelgebirge zu untersuchen mittels zweier Labor- und zweier Freilandexperimenten. In einem Laborexperiment untersuchten wir den Effekt von Frostintensität und wiederholten Gefrier-/Auftauphasen (der Versuch wurde mit den gleichen Bodensäulen 3mal wiederholt). Ungestörte Bodensäulen gefüllt mit organischer Auflage und Mineralboden wurden folgendermaßen behandelt: Kontrolle (+5°C), gefroren bei –3°C, –8°C und –13°C. Nach einer zweiwöchigen Gefrierphase, wurden die gefrorenen Bodensäulen bei +5°C aufgetaut und anschließend mit einer Rate von 4 mm pro Tag (insgesamt 80 mm) beregnet. Im Freiland wurde von Ende Dezember 2005 bis Mitte Februar 2006 auf drei Wiederholungen die natürliche Schneedecke entfernt. Dadurch induzierten wir von Januar bis April 2006 bis zu einer Tiefe von 15 cm Bodenfrost, während bei der schneegeschützten Kontrolle die Bodentemperatur nie unter 0°C fiel. Im anderen Laborexperiment wurde die luftgetrockneten ungestörten Bodensäulen mit unterschiedlichen Intensitäten (8, 20 and 50 mm pro Tag) und Zeitintervallen wiederberegnet, so dass alle Behandlungen die gleiche Regenmenge (100 mm) pro Durchgang erhielten. Auch hier wurde das Experiment mit den gleichen Bodensäulen 3mal durchgeführt, während die Kontrolle nie getrocknet wurde. Unter Feldbedingungen wurde sowohl im Sommer 2006 als auch 2007 ein Austrocknungsexperiment mit durchgeführt. Nur 2006 wurden die fehlenden 70 mm Niederschlag am Versuchende innerhalb von 2 Tagen wieder zugeführt. Am 18. Januar 2007, verursachte das Sturmtief Kyrill große Schäden auf unseren Kontrollplots, während die Austrocknungsflächen (TE -plots) kaum beeinflusst wurden. Somit wurde für die Auswertung dieser Studie entschieden, nur die Daten der der Kontrolle vor dem Kyrill-Ereignis und den ungestörten TE -plots zu verwenden. Die Summe des Ligningehalts wurde durch wiederholte Gefrier-Auftau-Ereignisse nicht signifikant beeinflusst. Allerdings führten intensive Gefriertemperaturen zu einer erhöhten Ligninmobilität von der organischen Auflage und zu einem Transport in den B Horizont. Während der Bodenfrost die Ligninkonzentration kaum beeinflusst hat, nahm das Säure-Aldehyd-Verhältnis von Vanillin (Ac/Ad)v am Ende der Frostperiode ab, dieses Ergebnis bestätigte die reduzierte Mineralisation unter Frost. Im Gegensatz dazu wurde Lignin durch Austrocknung/Wiederbefeuchtung nicht systematisch beeinflusst. Die mikrobielle Biomasse wurde durch Frost- bzw. Austrocknung nicht beeinflusst, was die Vermutung nahelegt, dass die Summe der Bodenmikroorganismen gut an den Klimawandel im Fichtelgebirge angepasst ist. Allerdings konnte eine Verschiebung der Mikroorganismenpopulation beobachtet werden. So wiesen PLFA-Muster darauf hin, dass Pilze mehr unter Bodenfrost leiden als Bakterien. Das Verhältnis von Pilzen zu Bakterien änderte sich aufgrund der Trockenheit im Allgemeinen nicht, jedoch, zumindest im L Horizont, führte wärmeres und trockeneres Wetter zu einer Dominanz der Pilze, während kühleres und feuchteres Regime Bakterien förderte. Der ansteigende Wasserstressindikator [PLFA (cy17:0 + cy19:0)/ (16:1w7c+18:1w7c; abgekürzt als cy/pre)] legt die Vermutung nahe, dass die Mikroben in der organischen Auflage und oberen Mineralhorizont unter Wasserstress litten. Mit abnehmendem Wassergehalt waren Gram-positive Bakterien und Actinomyceten reduziert, dagegen wurden Gram-negative Bakterien, Pilze und Protozoa stimuliert. Im darauf folgenden Sommer nach dem Gefrierereignis fand man auf den Gefrierflächen eine signifikant höhere mikrobielle Biomasse als auf der Kontrolle, trotz niedrigerer CO2 Atmung und ansteigendem Wasserstress. Dieses Ergebnis gibt einen Hinweis darauf, dass die Bodenatmung und daraus resultierenden Aktivität der Mikroorganismen nicht in enger Beziehung zur mikrobiellen Biomasse steht, sondern von der Substratverfügbarkeit und Qualität beeinflusst wird. Sowohl Gefrieren/Auftauen als auch Austrocknung/Wiederberegnung reduziert die Summe der mikrobiellen Zucker aufgrund reduzierter Mineralisation. Jedoch auch pflanzliche Zucker haben in allen Bodenhorizonten abgenommen. Die einzige mögliche Erklärung für das Verschwinden der pflanzlichen und mikrobiellen Zucker aufgrund von Bodenfrost oder Trockenheit ist die chemische Umwandlung der Zuckermoleküle, was zu einer SOM Stabilisierung („Aging“) führt.