Kurzfassung Band 72

Meyer, N. (2018): Sensitivität des Umsatzes der organischen Bodensubstanz für Temperatur und Nährstoffversorgung

Kurzfassung
Der Umsatz von organischem Bodenkohlenstoff (SOC) ist eine wesentliche Komponente des globalen Kohlenstoffkreislaufs. Allerdings ist der SOC-Umsatz zunehmend durch den globalen Wandel beeinflusst, der unter anderem steigende Temperaturen und einen erhöhten Eintrag von Stickstoff (N) und Phosphor (P) in Böden zur Folge hat. Inwieweit der SOC-Umsatz auf Änderungen von Temperatur und Nährstoffversorgung reagiert, ist jedoch noch umstritten. Ziel dieser Arbeit war es, die Reaktion des SOC-Umsatzes auf Änderungen von Temperatur und Nährstoffversorgung zu untersuchen, die Variabilität zu erfassen, und die steuernden Faktoren dieser Variabilität zu bestimmen. Insbesondere habe ich mich dabei auf die folgenden Forschungsfragen und Hypothesen fokussiert:
(i) Was beeinflusst die Temperaturabhängigkeit (Q10) der Bodenatmung? Ich habe angenommen, dass die Temperaturabhängigkeit (Q10) der Bodenatmung in Abhängigkeit von „environmental soil classes“ (ESC, Kombination von Landnutzung, Bodentyp und Bodenart) und Bodenfeuchte variiert, was eine flächendeckende Abschätzung von Q10 Werten auf einer Regionalskala ermöglichen würde.
(ii) Kann man mit mittlerer Infrarotspektroskopie (MIRS) den Q10-Wert und die Bodenatmung zeitsparend abschätzen? Ich habe angenommen, dass mit MIRS eine schnelle und kostengünstige Abschätzung der Bodenatmung und des Q10-Wertes erreicht werden kann, was eine umfangreiche Untersuchung von räumlichen Mustern bei großer Probenanzahl ermöglichen würde.
(iii) Welchen Einfluss hat die Stickstoff- und Phosphorversorgung auf den SOC Umsatz? Ich ging davon aus, dass Mikroorganismen in der Lage sind, Nährstoffmangel durch „microbial nutrient mining“, d.h. durch einen erhöhten Abbau der organischen Bodensubstanz zwecks Nährstofffreisetzung auszugleichen. Da dieser Prozess in nährstoffreichen Böden vermutlich nicht stattfindet, war zu erwarten, dass eine erhöhte Nährstoffzufuhr den SOC Umsatz hemmt. Dementsprechend nahm ich an, dass eine Änderung in der N und P Versorgung unterschiedliche Auswirkungen auf den SOC Umsatz hat, in Abhängigkeit von den vorhandenen Nährstoffbedingungen.
Zur Beantwortung der Fragestellungen (i) und (ii) habe ich Proben in verschiedenen ESCs auf einer Regionalskala (Rur-Einzugsgebiet, Deutschland/Belgien/Niederlande) genommen und bei fünf Temperaturen von 5-25°C und vier Bodenfeuchtestufen in einem Respicond inkubiert. Ich habe MIRS-Messungen durchgeführt und mittels „partial least square regression“ (PLSR) und „Random Forest“ ein Vorhersagemodell zur Abschätzung der Q10-Werten und Bodenatmung erstellt. Für die Verifizierung der Hypothese (iii) habe ich Böden mit ausgeprägten räumlichen, zeitlichen und vertikalen Nährstoffgradienten untersucht. Dazu habe ich wiederholt eine Schwarzbrache aus dem oben genannten Rur-Einzugsgebiet (Selhausen, Deutschland) beprobt, die sich durch zunehmende N Limitierung bei ausreichendem P Angebot auszeichnet. Zusätzlich habe ich in tropischen Regenwäldern und Kautschukplantagen (Kalimantan, Indonesien) Bodenproben aus 0 bis 4 m Tiefe genommen, die zusätzlich anfällig für P Limitierung sind. Ich habe Substrat-induzierte Atmung (SIR) nach Glukose-Zugabe mit und ohne zusätzliche N und P Zugabe gemessen und ein Experiment mit 13C markiertem Zucker durchgeführt, um die Herkunft des freigesetzten CO2 (Zucker vs. SOC) zu quantifizieren.
Die Ergebnisse zeigten, dass (i) der Faktor, mit dem die Bodenatmung bei einer Temperaturerhöhung von 10°C ansteigt (Q10 Wert), je nach Boden zwischen 1,2 und 2,8 variierte. Diese Variabilität ließ sich durch Bodeneigenschaften wie pH-Wert, C/N Verhältnis sowie potenzieller SOC-Abbaubarkeit erklären. Da ein Großteil dieser Faktoren durch ESC gesteuert wird, konnte mittels ESC 44% und 36% der Q10 Variabilität bei niedriger und mittlerer Bodenfeuchte erklärt werden. Hierbei wurden die niedrigsten Q10 Werte in Ackerböden, mittlere Q10 Werte in Grünlandböden und höchste Q10 Werte in Waldböden gemessen. Auch die Bodenfeuchte hatte einen ESC-spezifischen Einfluss auf Q10-Werte: Q10-Werte stiegen mit zunehmender Bodenfeuchte in Ackerböden an, nahmen in Waldböden jedoch signifikant ab. Insgesamt konnte mittels ESC und Bodenfeuchte eine Parametrisierung für die flächendeckende Abschätzung von Q10 Werten auf einer Regionalskala erreicht werden.
Um zukünftig eine schnellere Abschätzung des SOC Umsatzes unter veränderten Temperatur- und Feuchtebedingungen zu ermöglichen, konnte (ii) mittels MIRS-PLSR die Bodenatmung bei standardisierter Temperatur und Bodenfeuchte zuverlässig abgeschätzt werden (R² = 0,83). Auch der Q10-Wert war für Grünlandböden (R² = 0,75) und Ackerböden (R² =0,72) vorhersagbar, wobei jedoch keine zuverlässige Abschätzung von Q10-Werten in Waldböden erfolgen konnte. Jedoch ermöglichte ein Random Forest Modell eine simultane Abschätzung der Bodenatmung für verschiedene Temperaturen und Bodenfeuchten (R² = 0,73).
Die Entwicklung der SOC Vorräte unter dem Einfluss des globalen Wandels hängt neben der Temperatursensitivität zudem auch von der Sensitivität des SOC Umsatzes auf veränderte Nährstoffversorgung ab. Ich konnte zeigen, dass (iii) Nährstoffmangel durch „microbial nutrient mining“, d.h. einer Nährstofffreisetzung aus zunächst nicht verfügbaren Pools der organischen Bodensubstanz, kompensiert werden kann. Damit zeigte ein Nährstoffmangel weder positive noch negative Effekte auf den SOC Umsatz, zumindest so lange das Angebot der freigesetzten Nährstoffe der mikrobiellen Nachfrage entsprach. Letzteres wurde jedoch in tropischen Unterböden durch Co-Limitierung (N und P Mangel) oder das Fehlen von potenziell verfügbaren Nährstoffpools verhindert, was zu einer Limitierung des SOC Umsatzes führte. In Falle einer Co-Limitierung deuteten meine Ergebnisse jedoch auf Wechselwirkungen zwischen den Nährstoff-Kreisläufen hin: Erst die Zugabe eines der benötigten Nährstoffe ermöglichte die Freisetzung eines weiteren benötigten Nährstoffes. Damit konnte ich zeigen, dass sich eine Veränderung in der Nährstoffversorgung je nach bereits vorhandenen Nährstoffbedingungen unterschiedlich auf den SOC Umsatz auswirkt.
Zusammenfassend zeigen meine Ergebnisse eine variable Reaktion des SOC Umsatzes auf Änderungen von Temperatur und Nährstoffversorgung, die sich jedoch größtenteils über ESC und Nährstoffbedingungen vorhersagen lässt. Die Identifizierung von räumlichen Mustern und Steuerfaktoren ist eine erste Basis, um die beobachtete Variabilität innerhalb der Landschaft zu systematisieren und in Erdsystemmodelle zu integrieren. Die Berücksichtigung variabler Effekte ist dringend empfohlen, um Kohlenstoffflüsse innerhalb des Boden-Vegetations-Atmosphären-Systems zuverlässig abschätzen zu können und eine Prognose über zukünftige Feedbacks zum Klimawandel treffen zu können.

Abstract Band 72

Meyer, N (2018): Sensitivity of soil organic matter turnover to temperature and nutrient supply

Abstract

Soil organic carbon (SOC) turnover plays an important role in the Earth’s carbon (C) cycle but is increasingly affected by global change, which includes, amongst others, rising temperatures, increasing nitrogen (N) deposition, and altered phosphorus (P) supply. The degree and direction by which SOC turnover responds to changing temperature and nutrient supply, however, are still a matter of debate. Thus, the overall aim of my work was to identify the variability in the response of SOC turnover to changes in temperature and nutrient supply and to derive the regulating factors. In detail I addressed the following questions and hypotheses: 
(i) What determines the temperature sensitivity (Q10) of soil respiration? I hypothesized that the temperature sensitivity (Q10) of soil respiration is regulated by environmental soil classes (ESC, a combinations of land use, soil group, and texture) and by soil moisture, and assumed that this parameterization allows for a spatially continuous estimate of Q10 values at regional scale. 
(ii) Does mid-infrared spectroscopy (MIRS) allow for a rapid estimate of Q10 values and soil respiration rates? I assumed that MIRS has a large potential to study spatial patterns of soil respiration and Q10 more comprehensively by allowing for their rapid estimate. 
(iii) What is the effect of nitrogen and phosphorus supply on SOC turnover? I hypothesized that microbes are able to compensate for nutrient deficiency by nutrient mining from soil organic matter and that nutrient mining induces elevated SOC turnover. This mechanism might be absent in nutrient rich soils, resulting in lower SOC turnover rates. In line with the theory of microbial nutrient mining, I assumed that a change in N and P supply has variable effects on SOC turnover, depending on the pre-existing nutrient conditions.
Hypotheses (i) and (ii) were investigated on a regional scale (Rur catchment, Germany/Belgium/Netherlands). I took samples from diverse ESCs and incubated them at five temperatures from 5-25°C and four soil moisture levels using a Respicond system. Mid-infrared spectroscopy was performed coupled with partial least square regressions (PLSR) and Random Forest analyses to relate the spectral information to the measured values of soil respiration and Q10. To verify hypothesis (iii), I investigated soils with pronounced spatial, temporal, and vertical gradients of nutrient availability. I repeatedly sampled a field site with sufficient P supply but potential N limitations under long-term bare fallow management within the above-mentioned catchment (Selhausen, Germany), and additionally collected samples from tropical forests and rubber gardens (Kalimantan, Indonesia) from the topsoil to the deep subsoil (up to 4 m), which are additionally prone to P deficiency. I measured substrate-induced respiration (SIR) after glucose addition with and without N and P additions and in combination with a 13C labeling experiment to quantify the source of CO2 (sugar vs. SOC). 
The results revealed that (i) the factor, by which soil respiration increases at a 10° temperature rise (Q10), was variable across soils and ranged from 1.2 to 2.8. The variability of Q10 values was related to physicochemical soil properties like pH, C/N, and potential SOC degradability. As ESCs captured large parts of this variability, they were also indicative for the spatial variability of Q10 values and explained 44% and 36% of Q10 variability at low and intermediate soil moisture conditions, respectively. Here, Q10 values increased from croplands via grasslands to forests. The effect of soil moisture on Q10 was ESC-specific and ranged from positive (croplands) to negative (forests) relations. Hence, ESC and soil moisture provide a parameterization for the spatially continuous estimate of Q10 values. 
For mapping purposes and future rapid assessments of SOC responses to changing temperature and soil moisture, (ii) MIRS-PLSR succeeded to predict soil respiration at standardized conditions of temperature and soil moisture (R² = 0.83). Also, Q10 values were predictable by MIRS-PLSR for a grassland subset (R² = 0.75) and a cropland subset (R² = 0.72), although no accurate predictions were obtained for a forest subset. A Random Forest model, however, allowed estimating soil respiration across arbitrary conditions of temperature and soil moisture simultaneously (R² = 0.73).
Besides temperature, the fate of the SOC stock under global change may further depend on its sensitivity to altered nutrient supply. My data revealed that (iii) microorganisms were able to compensate a lack of nutrients by nutrient mining from previously unavailable pools. As a result, nutrient deficiency did neither promote nor reduce SOC turnover as long as the amount of released nutrients was sufficient to meet microbial demand. The latter, however, was hampered by co-limitation (N and P deficiency) or by the absence of potentially acquirable nutrient reserves, which occurred in the tropical subsoil and limited the turnover of SOC. If this was the case, my results pointed to interactions between nutrient cycles: first the addition of one deficient nutrient to co-limited soils favored mining of other required nutrients. As a consequence, changes in nutrient supply had variable effects on SOC turnover, which were regulated by the pre-existing nutrient conditions.
In summary, my work indicated that the response of SOC turnover to temperature and altered nutrient supply is highly variable but largely predictable by ESC and soil nutrient conditions. The identification of spatial patterns and their regulating factors provides a first basis to systematize the observed variability across the landscape towards their representation in earth system models. A consideration of variable effects in modeling approaches is highly recommended to accurately estimate C fluxes within the soil-vegetation-atmosphere and to predict future climate change feedbacks.