Role of Dissolved Organic Nitrogen in the Soil Nitrogen Cycle of Forest Ecosystems

Titelangaben

Schmidt, Bettina:
Role of Dissolved Organic Nitrogen in the Soil Nitrogen Cycle of Forest Ecosystems.
Bayreuth , 2010
( Dissertation, 2010 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

In the last years, dissolved organic N (DON) has been shown to be a crucial part of the soil N cycle in forest ecosystems. Despite this, information on its dynamics, sources and fate is still lacking. Especially data from (sub)tropical forest ecosystems are scarce. Therefore, this study investigated (i) the magnitude and drivers of DON fluxes in a subtropical montane forest, (ii) the biodegradability of DON from forest floors, (iii) the abiotic formation mechanism for DON in forest floors as postulated by the Ferrous Wheel Hypothesis and (iv) the link between DON and dissolved organic C (DOC) dynamics. In a field study (2005-2008), average DON fluxes in forest floor percolates and seepage (60 cm) of a subtropical montainous cypress forest (16 and 8 kg N ha-1 yr-1, respectively) were similar to fluxes in other (sub)tropical ecosystems, and dominated total N fluxes. Dissolved organic N concentrations in the soil were independent of the water flux (meaning that no dilution effect was visible). This implies that first, the pool size of potentially soluble DON is variable and second, that this pool is hard to deplete. In contrast, the linear relationship between soil organic solute and water fluxes was positive, showing that precipitation is an important driver for DON losses in this ecosystem. Although this has also been reported from temperate ecosystems, this relationship did not hold when analyzing the combined data from various (sub)tropical and temperate forest ecosystems. The biodegradability of DON was highest in inoculated spruce-Oi water extracts in a 21-day incubation experiment, while in extracts from beech-Oi and Oa horizons, DON concentrations only slightly decreased. Dissolved organic N was recalcitrant in spruce-Oa and cypress-Oa extracts, indicating that this DON could add to the formation of stable soil N pools. As various additions of NO3- never influenced DON biodegradation, it is concluded that microbes do not necessarily prefer mineral N over DON as substrate. Mineralization was always more important than microbial uptake in samples without NO3- additions, and denitrification only played a minor role in spruce-Oi samples (as indicated by a negative balance of all N species after 21 days). Fluorescence excitation-emission spectroscopy and subsequent parallel factor analysis identified four groups of fluorophores in the extracts. The initial concentration of two of these so-called factors was correlated with DON biodegradation, but protein-like fluorescence (which has been suggested as a proxy for dissolved organic matter biodegradation) was shown to be independent of DON biodegradation due to similar excitation-emission-maxima of recalcitrant compounds. Therefore, these factors might not always be suitable to predict DON biodegradation. The abiotic reaction of NO2- with DOC (as postulated by the last step of the Ferrous Wheel Hypothesis) was tested in a second incubation experiment in extracts with varying DOC concentrations and qualities and NO2- additions under oxic conditions. Concentrations of added NO2- never decreased within 60 min, indicating, that no DON formation from added NO2- took place. The results show, that the last step of the Ferrous Wheel Hypothesis (which has been suggested to be fast) is unlikely to occur in forest floors. Dissolved organic N and C fluxes were both highly dependent on precipitation at the cypress site, suggesting a strong link between these two classes of compounds. This assumption was supported by the first incubation experiment, where both DON and DOC biodegradation were not influenced by NO3- additions. Moreover, DOC dynamics closely resembled DON dynamics, which suggests that DON biodegradation could be driven by microbial C demand. Therefore, the often used separation of DON and DOC into functionally different compound classes is not always warranted. In conclusion, this study emphasized the need to include DON in biogeochemical N studies of both temperate and (sub)tropical ecosystems, and provided new and important insights regarding DON biodegradation, possible DON sources in forest floors and the link between DON and DOC dynamics in forest ecosystems.

Abstract in weiterer Sprache

In den letzten Jahren wurde gezeigt, dass gelöster organischer Stickstoff (DON) eine wichtige Rolle im N-Kreislauf von Waldböden spielt. Trotzdem ist bis heute nur wenig über Dynamik, Quellen und Senken von DON bekannt. Besonders bzgl. (sub)tropischer Waldökosysteme ist die Datenlage spärlich. Daher untersuchte diese Studie (i) die Größenordnung und die Einflussfaktoren von DON-Flüssen in einem subtropischen montanen Bergregenwald, (ii) die Bioabbaubarkeit von DON in organische Auflagen von Waldböden, (iii) die abiotische Bildung von DON nach der Ferrous Wheel Hypothesis und (iv) den Zusammenhang zwischen der Dynamik von DON und gelöstem organischen Kohlenstoff (DOC). Die DON-Flüsse in Perkolaten der Humusauflage bzw. im Sickerwasser (60 cm) eines subtropischen montanen Chamaecyparis-Waldes (16 bzw. 8 kg N ha-1 yr-1, 2005-2008) waren vergleichbar mit Flüssen, die in anderen (sub)tropischen Ökosystemen gemessen wurden. In diesem Experiment war der Anteil der DON-Flüsse an den Gesamt-N-Flüssen höher als der Anteil der anorganischen N-Flüsse. Die DON-Konzentrationen im Boden waren nicht mit dem Wasserfluss korreliert (kein Verdünnungseffekt war zu beobachten). Das impliziert zum einen, dass der Pool des potentiell löslichen DON von variabler Größe ist, und zum anderen, dass dieser Pool nahezu unerschöpflich ist. Der Zusammenhang zwischen den Flüssen der gelösten organischen Stoffe im Boden und dem Wasserfluss war linear und positiv, was bedeutet, dass der Niederschlag hier einen starken Einfluss auf die DON-Flüsse im Boden hat. Obwohl dieser Zusammenhang auch aus temperaten Ökosystemen bekannt ist, war der lineare Zusammenhang zwischen DON-Flüssen und der Niederschlagsmenge nicht mehr gegeben, als Daten aus temperaten und (sub)tropischen Ökosystemen zusammen analysiert wurden. Die Bioabbaubarkeit von DON war in Wasserextrakten von Fichte-L höher als in Extrakten von Buche-L und Oh. In letzteren änderten sich die DON-Konzentrationen während einer 21-tägigen Inkubation kaum. In Extrakten von Fichte-Oh und Zypresse-Oh war DON stabil, was impliziert, dass dieser Stickstoff zur Bildung von stabilen N-Pools im Boden beitragen könnte. Die Bioabbaubarkeit von DON änderte sich in keinem der Extrakte nach Zugabe von verschiedenen NO3--Konzentrationen, was bedeutet, dass Mikroorganismen mineralischen Stickstoff nicht unbedingt bevorzugen. In Extrakten ohne Nitratzugabe spielte Mineralisation immer eine größere Rolle als die mikrobielle Aufnahme. Denitrifikation trat nur in Extrakten von Fichte-L in geringem Maß auf (abgeleitet über eine N-Bilanz nach 21 Tagen). Mit Hilfe von Fluoreszenzspektroskopie und anschließender paralleler Faktorenanalyse wurden vier Fluorophoren-Gruppen in den Extrakten identifiziert. Die Ausgangskonzentration von zwei dieser Gruppen (Faktoren) war mit der Bioabbaubarkeit von DON korreliert, aber die Fluoreszenz protein-ähnlicher Komponenten zeigte im Gegensatz zu anderen Studien keinen Zusammenhang mit der DON-Bioabbaubarkeit. Diese Beobachtung wurde dadurch erklärt, dass schwer abbaubare Verbindungen ähnliche Absorptions- und Emissionsmaxima haben, wie in Einzelkomponentenmessungen gezeigt werden konnte. Deshalb ist festzuhalten, dass diese Faktoren allein nicht unbedingt geeignet sind, um Rückschlüsse auf die Bioabbaubarkeit von DON zu ziehen. Die abiotische Reaktion von NO2- mit DOC, wie im letzten Schritt der Ferrous Wheel Hypothese postuliert, wurde in einem zweiten Inkubationsexperiment in Extrakten mit verschiedenen DOC-Konzentrationen und -Qualitäten und unterschiedlichen NO2--Zugaben unter oxischen Bedingungen getestet. Die NO2--Konzentration änderte sich in keinem der Extrakte innerhalb von 60 min. Die Wahrscheinlichkeit, dass die letzte Reaktion der Ferrous Wheel Hypothese (die laut Literatur schnell ablaufen sollte) in Humusauflagen von Waldböden tatsächlich eine Rolle spielt, ist daher eher gering. Die Beobachtung, dass im Chamaecyparis-Wald sowohl die DON- als die DOC-Flüsse stark abhängig vom Niederschlag waren, zeigt, dass es einen engen Zusammenhang zwischen diesen Komponentenklassen gibt. Dies wurde durch die Ergebnisse des ersten Inkubationsexperimentes bestätigt, da weder die DON- noch die DOC-Bioabbaubarkeit durch NO3--Zugaben beeinflusst wurde. Beide Komponentenklassen zeigten eine ähnliche zeitliche Abbaudynamik, was darauf hindeutet, dass die DON-Bioabbaubarkeit eng mit dem mikrobiellen Kohlenstoffbedarf zusammenhängen könnte. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die in der Literatur häufig auftretende Trennung von DON und DOC in funktionell verschiedene Kompontenten nicht immer gerechtfertigt ist. Die Befunde dieser Studie unterstreichen, dass DON in Studien zur Biogeochemie von temperaten und (sub)tropischen Waldökosystemen berücksichtigt werden muss. Außerdem gewähren die Ergebnisse neue und wichtige Einblicke in die Bereiche Bioabbaubarkeit von DON, DON-Quellen in Humusauflagen von Waldböden und den Zusammenhang zwischen DON- und DOC-Dynamik in Waldökosystemen.