Dynamics of dissolved and particulate organic carbon and nitrogen in forest ecosystems

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Lee, Mi-Hee:
Dynamics of dissolved and particulate organic carbon and nitrogen in forest ecosystems.
Bayreuth , 2016 . - XII, 122 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Severe precipitation events become more frequent due to global warming. The changes of climate will also affect the vegetation and in many temperature forest regions broadleaf trees will become more dominant as they are expected to better cope the future climate. These changes together can affect to soil C and N dynamics in forests by changing the production and consumption of organic matter and by manipulating the export of C and N to aquatic ecosystems draining forested watersheds.
The general goal of this study was to investigate the effects of heavy precipitation events and tree species on the quantity and quality of dissolved and particulate organic C and N in forested soils and watersheds. In the field study, the effect of precipitation events and tree species on the export of fine particulate and dissolved organic C and N (FPOC, FPON, DOC and DON)from forests to streams was studied in a purely deciduous forested (PD) and a mixed coniferous/deciduous (MCD) forested watershed in South Korea during the 2013 during monsoon season. The concentration of DOC, DON, FPOC and FPON, isotope abundance of 13C and 15N and spectroscopic properties (SUVA280, HIXem and fluorescence intensity) were measured in soil solutions and runoff samples.
In the laboratory study with batch and percolation experiments, the depletion and recovery of potential DOC and DON pools were investigated in spruce, larch, beech and deciduous forest floors at 5oC and 15oC.
In the studied forested watersheds, DOC was the dominant form of organic C export during both dry and wet periods. Only following single heavy storm events, FPOC fluxes exceeded those of DOC. NO3-N was the dominant form of N in runoff. The DOC/DON ratio in runoff varied with increasing discharge while the ratio of FPOC/FPON was independent of discharge. Dissolved and particulate organic matter in runoff originated mostly from forest floor leachates and from upper mineral soil. The quality parameters of DOC indicated also a change of hydrological flow paths from deeper to upper soil during heavy storm events. In the MCD
watershed the deeper soil solution contributed mostly to DOC in runoff during both low and high discharge, while in the PD watershed the origin of DOC in runoff was from deeper soil (soil solution) during low discharge and from forest floor during high discharge. During the wet period the total DOC export fluxes were much larger in the PD watershed (16 kg C ha-1) than in the MCD (7 kg C ha-1) watershed, which coincided with larger net DOC release from
the deciduous forest floors than from the coniferous. NO3-N export fluxes in runoff during the wet period were higher in the MCD watershed (5 kg N ha-1) than in the PD (3 kg N ha-1). The total export fluxes of DON, FPOC and FPON in runoff were similar between two watersheds.
In the two laboratory experiments, DOC and DON pools in forest floors behaved similar in response to depletion and recovery as indicated by the stable DOC/DON ratio over incubation time. The recovery of DOM pools following leaching was rather fast, mostly within 14 days, but depended on biological activity (temperature), extraction volume and tree species. The recovery and production rate of DOM was in the order; high > low temperature, large > small extraction volume/percolation rate, Oi > Oe > Oa layers and also deciduous/broadleaved > coniferous samples. The effect of DOC leaching on soil CO2 evolution was low in forest floors, indicating the refractory character of the DOC leached.
The findings from both field and laboratory showed that the quantity and quality of dissolved organic C and N were controlled by the biological (microbial activity, tree species), physical (flushing and leaching) and hydrological (precipitation) processes.
In conclusion, this study demonstrated the overwhelming effect of heavy precipitation events on the export of dissolved and particulate organic matter from forested watersheds. Future changes in the precipitation regime and tree species will cause changes in the export of organic
C and N from forested watersheds into aquatic ecosystems.

Abstract in weiterer Sprache

Extreme Niederschlagsereignisse werden in Zukunft in Folge des Klimawandels zunehmen. Das veränderte Klima wird darüber hinaus auch in der temperaten Zone zu einer Zunahme der Fläche an Laubwäldern führen, da diese vermutlich besser an zukünftige Klimabedingungen angepasst sind als Koniferen.
Das generelle Ziel der Arbeit war es die Auswirkungen extremer Niederschlagsereignisse und der Baumart auf den Export von gelöstem organischen Kohlenstoff (DOC) und Stickstoff (DON) sowie von fein-partikulärem Kohlenstoff und Stickstoff (FPOC, FPON) in bewaldeten Einzugsgebieten zu untersuchen. Dazu wurden die Konzentrationen von DOC, DON, FPOC und FPON, die Isotopensignaturen 13C und 15N sowie die spektroskopische Eigenschaften der gelösten organischen Komponenten (SUVA280, HIXem und Fluoreszenzintensität) in Bodenlösungen und Abflussproben in einem Laubwald- (PD) und in einem Mischwald- (Laub und Nadelwald, MCD) Einzugsgebiet in Korea während der Monsun-Saison 2013 bestimmt.
In Laborversuchen wurde darüber hinaus in Batch- und Perkolationsexperimenten die Dynamik der Erneuerung der Pools von DOC und DON nach einer massiven Extraktion mit hohen Wassermengen untersucht. Dazu wurden Proben aus Humusauflagen von Buche, Fichte, Lärche und einem Laub-Mischwald verwendet.
In den bewaldeten Einzugsgebieten war DOC die dominante Form des Exports von organischem Kohlenstoff sowohl in der Trockenzeit als auch in der Monsun-Saison. Nur nach extremen Niederschlägen kam es vereinzelt zu einem Überwiegen der Flüsse an FPOC. Die Verhältnisse von DOC/DON im Abfluss variierten mit der Abflusshöhe, während die Verhältnisse von FPOC/FPON konstant blieben. Die gelösten Substanzen im Abfluss stammten zum größten Teil aus der Humusauflage und die partikulären vom oberen Mineralboden. Die Qualitätsparameter von DOC zeigten eine Änderung der hydrologischen Fließwege bei hohen Niederschlägen an, hin zum Oberboden. Im MCD Einzugsgebiet resultierte der DOC im Abfluss dennoch meist aus tieferen Bodenschichten, während tiefere Bodenschichten im PD Einzugsgebiet als Quelle für DOC nur in der Trockenzeit agierten.
In der Monsun-Saison erreichte der DOC Austrag aus dem PD Einzugsgebiet mit 16 kg C ha-1 einen deutlich höheren Wert als im MCD Einzugsgebiet (7 kg C ha-1). Die Austräge an NO3-N in der Monsun-Saison waren mit 5 kg N ha-1 im MCD höher als im PD Einzugsgebiet (3 kg N ha-1). Die Austräge von DON, FPOC und FPON waren hingegen in beiden Einzugsgebieten ähnlich.
In den beiden Laborexperimenten verhielten sich DOC und DON identisch in Hinblick auf die Dynamik bei Freisetzung und Erneuerung der Pools. Die Erneuerung der Pools von DOC und DON nach massiver Freisetzung war relativ rasch, innerhalb von < 14 Tagen und hing von der biologischen Aktivität (Temperatur) und der Baumart ab. Die Rate der Erneuerung war in der Reihenfolge hohe Temperatur > geringe Temperatur, hohes Extraktionsvolumen > geringes Extraktionsvolumen, L > Of > Oh Lage und Laubbäume > Nadelbäume.
Die Extraktion von DOC erniedrigte die CO2 Emission der Bodenproben nicht oder nur gering, was den rekalzitranten Charakter des extrahierten DOC unterstreicht.
Die Ergebnisse der Freiland- und Laborstudien zeigten somit den Einfluss von biologischen (mikrobielle Aktivität und Baumart), physikalischen (Fließwege) und hydrologischen (Niederschlagsereignisse) Prozessen auf die Dynamik von DOC und DON in Böden und in Einzugsgebieten.
Zusammenfassend zeigt diese Arbeit den dominierenden Effekt hoher Niederschlagsereignisse auf den Export von gelösten und partikulären organischen C und N Verbindungen in bewaldeten Einzugsgebieten. Zukünftige Änderungen der Niederschlagsintensitäten und der Baumart werden daher die Exporte von C und N aus bewaldeten Einzugsgebieten in nachgeschaltete aquatische Systeme verändern.