Soluble phosphorus in forest soil : Effects of drying and rewetting

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Dinh, Mai-Van:
Soluble phosphorus in forest soil : Effects of drying and rewetting.
Bayreuth , 2017 . - XI, 98 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Drying and rewetting (D/W) of soils might have strong effects on the release of phosphorus (P) into soil solution and on the turnover of P in terrestrial ecosystems. Former studies on the release of dissolved P after D/W only have focused on mineral soils from arable or grassland systems. Many open questions with regard to the effect of D/W on the release of P in forest soils and the role of organic layers still await answers.
This study aimed to determine the effects of repeated D/W of forest floors on soluble P. The response of specific groups of microorganism to D/W was investigated as well as the dynamic of soluble P and the microbial biomass P (Pmic) following D/W of forest floors.
Forest floor samples were analysed from European beech and Norway spruce sites in Germany for study I and III. In study II, an artificial soil amended with growth medium was inoculated separately with the bacteria species Pseudomonas fluorescens (gram-negative), and Micrococcus luteus (gram-positive), or with the fungus Penicillium chrysogenum. All experiments were conducted at 20°C. Samples were adjusted to 50% water holding capacity and pre-incubated from one to three weeks before starting D/W experiments. D/W samples were desiccated up to pF 6 (–100 MPa), while the controls were kept permanently at 50% water holding capacity (WHC). In study I, three D/W cycles were applied, while in study III the samples were maintained at 50% WHC after only one D/W cycle. In study II, samples of the artificial soil with the defined microbial cultures was collected at different degrees of desiccation to extract water soluble P. Water soluble P (total dissolved phosphorus (TDP), dissolved inorganic phosphorus (DIP), dissolved organic phosphorus (DOP)) and microbial biomass was measured.
The largest increase in TDP concentration after D/W was observed in Oe layers (average concentrations 120-130 mg P kg-1). In all samples, the net release of TDP after D/W cycles was mostly in the form of DIP except for the A horizons. The net release of DIP after D/W was largest from the Oe horizons (average net release 30-60 mg P kg–1) of both beech and spruce forest soils. In the A horizons, net DIP release was similar in beech and spruce soils with 0.4 mg P kg–1. The release of DIP and DOP was positively correlated to the initial microbial biomass in Oe and Oa layers but not in Oi layers. Repeated cycles did not increase the release of DIP and DOP.

The TDP concentrations decreased after rewetting strongly with time in forest floor Oi layers (within 1 day in beech and 4 days in spruce), while the TDP concentrations kept rather stable in Oe layers for 14 days. The net release of TDP still amounted to 30 mg P kg-1 in beech and 40 mg P kg-1 in spruce Oe at day 14 after rewetting. After rewetting, Pmic in spruce Oi and Oe was reduced by the D/W treatment. Pmic recovered in spruce Oi already at day 1, while the reduction of Pmic in spruce Oe persisted until day 14. For beech, there was only a tendency Pmic reduction after desiccation. In the spruce samples, the release of TDP and its dynamic was linked to the decrease of the microbial P pool after desiccation and its recovery after rewetting.
The average ratio of TDP net release/Pmic in soils incubated with P. fluorescens was from 0.4 to 1.2 mg mg-1. The net release of TDP/Pmic from the soils incubated with P. fluorescens started at pF 3.9 and increased with the degree of desiccation prior to rewetting. The ratio of net release of TDP/Pmic in the P. chrysogenum incubation was similar to the ratio in the M. luteus incubation with 0.25 mg mg-1 after desiccation to pF 6.
As a conclusion, D/W cycles of forest floors contribute significantly to water soluble and plant available P and to the overall P cycling as related to the annual P flux with litterfall and the net P mineralization in forest ecosystems. The effect of D/W on P release from microbial biomass depends largely on the microbial community composition, with fungi and gram-positive bacteria being less susceptible to D/W than gram-negative bacteria. The decline and recovery of the microbial biomass P affect the temporal dynamics of soluble P after D/W cycles.

Abstract in weiterer Sprache

Austrocknung und Wiederbefeuchtung (A/W) von Böden kann einen großen Einfluss auf die Menge an gelöstem Phosphor (P) haben und damit eine Bedeutung für den gesamten P Kreislauf in terrestrischen Ökosystemen erlangen. Bisherige Arbeiten zur Freisetzung von gelöstem P nach A/W haben sich auf Mineralböden unter Grünland oder Ackernutzung beschränkt. Unklar war hingegen die Bedeutung von A/W für den P Umsatz in organischen Auflagen in Waldböden.
Das Ziel der Arbeit war es daher die Effekte von A/W auf gelösten P in organischen Auflagen zu untersuchen und die zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen. Daher wurden Experimente mit wiederholten A/W Zyklen und an Kulturen definierten Mikroorganismen durchgeführt. Ferner wurde die Dynamik des an gelösten P nach Wiederbefeuchtung verfolgt und die Relation zur Dynamik der mikrobiellen Biomasse untersucht.
In den Studien I und III wurden Proben aus verschiedenen Horizonten der Auflage und aus dem A Horizont in einem Buchenbestand und einem Fichtenbestand in Deutschland entnommen. In Studie II wurde ein künstlicher Boden jeweils mit einem definierten Mikroorganismus inokuliert (Pseudomonas fluorescens (gram-negatives Bakterium), Micrococcus luteus (gram-positives Bakterium), Penicilium chryosporum (Pilz)). Alle Experimente wurden bei 20oC durchgeführt. Der Wassergehalt der Proben wurde zunächst auf 50% der Wasserhaltekapazität eingestellt und die Proben wurden 1 bis 3 Wochen vorinkubiert bevor die A/W Experimente begannen. In Studie I wurden die Proben 3 mal hintereinander bis auf pF 6 (-100 MPa) ausgetrocknet und anschließend wiederbefeuchtet. Die Kontrollen verblieben bei 50% Wasserhaltekapazität. In Studie III wurden die Proben nur einmal bis auf pF 6 ausgetrocknet und dann bei einem Wassergehalt von 50% der Wasserhaltekapazität weiter inkubiert. In Studie II wurde der künstliche Boden mit den definierten Kulturen nach Erreichen definierter Austrocknungsstufen beprobt und wiederbefeuchtet. In den wässrigen Extrakten wurde der gelöste P gesamt (TDP) sowie als inorganischer P (DIP) und organischer (DOP) bestimmt. Hinzu kamen Messungen der mikrobiellen Biomasse und des darin gebundenen P (Pmic).
Der höchste Anstieg der TDP Konzentrationen nach A/W wurde für die Of Horizonte gefunden (im Mittel bis auf 120-130 mg P kg-1). In allen Proben erfolgte die Freisetzung
von P vornehmlich in Form von DIP, mit Ausnahme der A Horizonte. Die Netto-Freisetzung von DIP war ebenfalls am größten in den Of Horizonten (im Mittel 30-60 mg P kg-1). Für die A Horizonte lag die Netto-Freisetzung bei 0.4 mg P kg-1. Die Freisetzung von DIP und DOP war positiv mit der initialen mikrobiellen Biomasse in den Of und Oh Horizonten, Korreliert aber nicht in den L Horizonten. Wiederholte A/W Zyklen führten nicht zu einer Verstärkung der P Freisetzung.
In den L Horizonten nahmen die Konzentrationen an TDP nach Wiederbefeuchtung rasch ab (in 1 bis 4 Tagen). Hingegen blieben die Konzentrationen in den Of Horizonten auch nach 14 Tagen noch hoch mit 30-40 mg P kg-1. Der Pool von P in der mikrobiellen Biomasse nahm nach Austrocknung in den L und Of Horizonten der Fichtenauflagen ab und erholte sich in den L Horizonten bereits nach einem Tag. Hingegen war Pmic auch nach 14 Tagen in den Of Horizonten reduziert. Für die Proben aus dem Buchenstandort war nur eine Tendenz zur Verringerung der Pmic Gehalte nach Austrocknung zu finden. Für die Fichtenproben konnte die Dynamik des TDP nach A/W mit der Dynamik der Veränderungen der Pmic Gehalte erklärt werden.
Die Freisetzung von TDP aus den Kulturen von P. fluorescens im künstlichen Boden war am höchsten (0.4-1.2 mg P mg-1 Pmic), stieg mit der Austrocknungsintensität an und begann bereits bei pF 3.9. Die TDP Freisetzung aus Kulturen von P. chysogenum und M. luteus war ähnlich aber erst nach starker Austrocknung zu beobachten mit Werten von 0.25 mg P mg-1 Pmic bei pF 6.
Zyklen von A/W führen zu einer deutlichen Erhöhung des Gehaltes an gelöstem P in Auflagen von Waldböden. Die freigesetzten Mengen sind auch vor dem Hintergrund der P Umsätze im Ökosystem durch Mineralisation oder Streufall signifikant. Der Effekt von A/W wird stark von der vorherrschenden mikrobiellen Gemeinschaft abhängen mit geringeren Effekten bei Dominanz von gram-positiven Bakterien und Pilzen. Die Schädigung der mikrobiellen Biomasse und ihre Erholung nach Wiederbefeuchtung beeinflusst die Dynamic des gelösten P.