Tree species effects on the release of dissolved organic carbon and nitrogen from decomposing logs

Titelangaben

Bantle, Andreas:
Tree species effects on the release of dissolved organic carbon and nitrogen from decomposing logs.
Bayreuth , 2015 . - XIV, 124 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Besides carbon dioxide emissions, the leaching of dissolved organic carbon (DOC) and nitrogen (DON) is the most important process contributing to the mass loss of coarse woody debris (CWD comprising all dead woody material with at least >7 cm in diameter). Increased DOC and nitrogen (N) inputs into the forest floor can be expected from CWD. Since the fate of leached DOC depends on its biodegradability, the latter might play a substantial role for carbon sequestration in forest soils. The general goal of this study was the investigation of tree species effects, forest management type and site conditions on the release and quality of dissolved organic C and N from CWD. Within the Biodiversity Exploratories, a long-term and large scale biodiversity project funded by the DFG, logs of 13 different coniferous and deciduous European tree species were exposed to decomposition on the soil under natural environmental conditions in winter 2008/2009. Logs were exposed at three geographically distinct Exploratory sites in Germany (Schorfheide/Brandenburg, Hainich/Thuringia, Swabian Alb/Baden-Württemberg) underneath different forest management types. From June 2011 until November 2012, CWD runoff from 120 logs was collected periodically at the three Exploratories. After filtration (0.45 µm) the amount of DOC, DON, NO3 and NH was measured to calculate C and N budgets. Quality of DOC was measured in runoff and in incubation solutions, namely the content of phenols, hydrolysable carbohydrates, spectroscopic properties as SUVA280nm, HIXem and FTIR. Furthermore initial parameters of wood and bark were determined. In order to quantify DOC biodegradation an incubation experiment lasting 64 days was carried out. As proxy for biodegradation the CO2 production was adapted to a 2-phase first order kinetic model. DOC concentrations in CWD log runoff were 3-10 times higher than in throughfall for all 13 tree species. The highest concentrations and accordingly the largest net release were found for Prunus and Quercus (56 resp. 60 g DOC m-2 yr-1), the lowest for Fraxinus (14.8 g m-2 yr-1). On monthly to annual scale, the amount of precipitation had only minor influence on DOC net release, but a clear seasonality resulted in a higher net release during the growing season. Carbohydrate concentrations in CWD runoff ranged from 2.5-9.4 mg L-1 and phenols from 2.7-9.5 mg L-1. The spectroscopic measurements indicated microbial modification of the leached DOC compared to DOC extracted initially from CWD. The most dominant N form in runoff from CWD was DON and a net release of N was found for all tree species, even though there was a high variation. The net N release was not related to the initial C/N ratio of bark and sapwood. The NH4-N net release was larger in the dormant than in the growing season. For NO3-N the seasonality was opposite to NH4-N. No seasonality was found for DON net release. Throughfall amount as well as temperature had only minor influence on the total release of N from CWD pointing to other key drivers. The linear mixed effect model based on single sampling dates revealed management effects on DOC and DON net release, whereas effects of Exploratory were only observed for DON. However these factors were not identified for the cumulative net release of C and N. The biodegradation of DOC was quite similar for all tree species, ranging from 14 to 29% of the initial DOC in 64 days and no significant differences in the mean residence times (MRT) were found between coniferous and deciduous species. As a conclusion, CWD-derived DOC is tree species specific and causes large C inputs to the soil underneath CWD. Depending on time scales, DOC derived from CWD has the potential to increase soil organic matter (SOM) pools beneath CWD. Furthermore it was shown, that CWD provides a source for solute N, even in the early phase of decomposition. The general goal of this study was the investigation of tree species effects, forest management type and site conditions on the release and quality of dissolved organic C and N from CWD. Within the Biodiversity Exploratories, a long-term and large scale biodiversity project funded by the DFG, logs of 13 different coniferous and deciduous European tree species were exposed to decomposition on the soil under natural environmental conditions in winter 2008/2009. Logs were exposed at three geographically distinct Exploratory sites in Germany (Schorfheide/Brandenburg, Hainich/Thuringia, Swabian Alb/Baden-Württemberg) underneath different forest management types. From June 2011 until November 2012, CWD runoff from 120 logs was collected periodically at the three Exploratories. After filtration (0.45 µm) the amount of DOC, DON, NO3 and NH was measured to calculate C and N budgets. Quality of DOC was measured in runoff and in incubation solutions, namely the content of phenols, hydrolysable carbohydrates, spectroscopic properties as SUVA280nm, HIXem and FTIR. Furthermore initial parameters of wood and bark were determined. In order to quantify DOC biodegradation an incubation experiment lasting 64 days was carried out. As proxy for biodegradation the CO2 production was adapted to a 2-phase first order kinetic model. DOC concentrations in CWD log runoff were 3-10 times higher than in throughfall for all 13 tree species. The highest concentrations and accordingly the largest net release were found for Prunus and Quercus (56 resp. 60 g DOC m-2 yr-1), the lowest for Fraxinus (14.8 g m-2 yr-1). On monthly to annual scale, the amount of precipitation had only minor influence on DOC net release, but a clear seasonality resulted in a higher net release during the growing season. Carbohydrate concentrations in CWD runoff ranged from 2.5-9.4 mg L-1 and phenols from 2.7-9.5 mg L-1. The spectroscopic measurements indicated microbial modification of the leached DOC compared to DOC extracted initially from CWD. The most dominant N form in runoff from CWD was DON and a net release of N was found for all tree species, even though there was a high variation. The net N release was not related to the initial C/N ratio of bark and sapwood. The NH4-N net release was larger in the dormant than in the growing season. For NO3-N the seasonality was opposite to NH4-N. No seasonality was found for DON net release. Throughfall amount as well as temperature had only minor influence on the total release of N from CWD pointing to other key drivers. The linear mixed effect model based on single sampling dates revealed management effects on DOC and DON net release, whereas effects of Exploratory were only observed for DON. However these factors were not identified for the cumulative net release of C and N. The biodegradation of DOC was quite similar for all tree species, ranging from 14 to 29% of the initial DOC in 64 days and no significant differences in the mean residence times (MRT) were found between coniferous and deciduous species. As a conclusion, CWD-derived DOC is tree species specific and causes large C inputs to the soil underneath CWD. Depending on time scales, DOC derived from CWD has the potential to increase soil organic matter (SOM) pools beneath CWD. Furthermore it was shown, that CWD provides a source for solute N, even in the early phase of decomposition.

Abstract in weiterer Sprache

Neben der Freisetzung von Kohlenstoffdioxid (CO2) leistet die Auswaschung von gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) und Stickstoff (DON) aus Totholz den wichtigsten Beitrag zum Massenverlust von grobem Totholz. Hierzu zählt Totholz mit einem Durchmesser von >7cm. Die Zersetzung von Totholz kann zu einem erhöhten Eintrag von C und N in den Auflagehumus von Waldböden führen. Da der Verbleib des DOC aus Totholz direkt von seiner Abbaubarkeit abhängt, ist die Kinetik des Abbaus eine wichtige Größe für die Kohlenstoffbindung in Waldböden. Das übergeordnete Ziel dieser Studie war es, Baumarteneffekte, den Einfluss des Managementtyps eines Bestandes, und die Auswirkungen von klimatischen Bedingungen auf die Freisetzung und Qualität von DOC und DON aus Totholz zu ermitteln. Im Rahmen der Biodiversitäts-Exploratorien, einem DFG-finanzierten Langzeitexperiment zur großräumigen Erforschung von Biodiversität, wurden im Winter 2008/2009 Stämme von 13 europäischen Baumarten in Wäldern ausgebracht und unter natürlichen Umweltbedingungen ihrer Zersetzung überlassen. Die Stämme wurden in drei geographisch separaten Exploratorien (Schorfheide/Brandenburg, Hainich/Thüringen, Schwäbische Alb/Baden-Württemberg) unter verschiedenen Bestandesmanagementtypen ausgebracht. Von Juni 2011 bis November 2012 wurde in allen drei Exploratorien der Abfluss von 120 Stämmen in etwa monatlichem Turnus beprobt. In den filtrierten Proben (0.45 µm) wurde der Gehalt an DOC, gelöstem Gesamt-N sowie Nitrat (NO3) und Ammonium (NH4) gemessen, um den Haushalt von gelöstem Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) zu bilanzieren. Die Qualität des DOC wurde sowohl in den Stammabfluss-Proben als auch in den Inkubationslösungen anhand ihres Gehaltes an Phenolen und hydrolysierbaren Kohlenhydraten, sowie ihrer spektroskopischen Eigenschaften (HIXem, FTIR und SUVA280nm) bestimmt. Des Weiteren wurden initiale Holz- und Rindeneigenschaften erhoben. Zur Charakterisierung der DOC-Stabilität wurde ein Inkubationsversuch für die Dauer von 64 Tagen angesetzt. Als Maß für den Abbau des DOC aus Totholz wurde die CO2-Produktion herangezogen und eine zwei-termige Exponentialfunktion an die Daten angepasst. Die DOC Konzentrationen im Totholzabfluss waren drei- bis zehnfach höher verglichen mit jenen im Bestandesniederschlag. Die höchsten DOC Konzentrationen und die größten Nettofreisetzungen wurden für Totholz von Prunus und Quercus (56 bzw. 60 g DOC m-2 yr-1) bestimmt. Die geringsten DOC -Freisetzungen lagen hingegen für Fraxinus (14.8 g m-2 yr-1) vor. Auf einer Zeitskala von Monaten bis Jahren konnte nur ein geringfügiger Zusammenhang zwischen der DOC-Nettofreisetzung und dem Bestandesniederschlag nachgewiesen werden. Allerdings führte eine deutliche Saisonalität zu höheren DOC Freisetzungen aus Totholz während der Vegetationsperiode. Die Kohlenhydratkonzentrationen im Totholz-Abfluss lagen im Bereich von 2,5-9,4 mg C L-1 und die Phenolkonzentrationen reichten von 2,7-9,5 mg C L-1. Die spektroskopische Charakterisierung des DOC ließ auf eine mikrobielle Umsetzung des aus dem Totholz stammenden DOCs im Vergleich zu den initialen Extrakten schließen. Den größten Anteil am gelösten Gesamtstickstoff bildete DON und trotz großer Variabilität wurde für alle Stickstoffkomponenten eine netto-Freisetzung aus Totholz gefunden. Diese stand jedoch in keinem Zusammenhang zu den initialen C/N-Verhältnissen der Rinde oder des Splintholzes. Die saisonale Freisetzung von NH4-N war während des Winters größer als während der Vegetationsperiode und traf umgekehrt für NO3-N zu. Die Freisetzung von DON unterlag hingegen keiner signifikanten Saisonalität. Der Bestandesniederschlag wie auch die Temperatur schien nur einen geringen Einfluss auf die Gesamtstickstoff-Freisetzung zu haben. Dies deutet auf andere abbau-relevante Schlüsselfaktoren hin. Während der Managementtyp des Bestandes die DOC- und DON-Freisetzung nach dem Ergebnis eines linearen Modells für alle Probenahmetermine („lme“ in R) signifikant beeinflusste, konnte ein Effekt des Exploratoriums nur für die DON Freisetzung nachgewiesen werden. Dies traf jedoch aufgrund der Daten-Aggregation nicht für die kumulierten Jahresflüsse zu. Der DOC-Abbau verhielt sich für alle Baumarten ähnlich (14-29% des initialen DOC-Gehaltes) und es wurden keine signifikanten Unterschiede für die mittleren Verweilzeiten (MRT) zwischen Koniferen und Laubbäumen gefunden. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die DOC Freisetzung aus Totholz baumartenspezifisch ist und zu einem substanziellen C-Eintrag in den Boden unter Totholz führt. Ferner konnte gezeigt werden, dass DOC aus Totholz das Potential zur Anreicherung der organischen Bodensubstanz in Böden unter Totholz hat. Darüber hinaus stellt Totholz auch während der frühen Zersetzungsphase eine Quelle für gelöste Stickstoffkomponenten dar. Das übergeordnete Ziel dieser Studie war es, Baumarteneffekte, den Einfluss des Managementtyps eines Bestandes, und die Auswirkungen von klimatischen Bedingungen auf die Freisetzung und Qualität von DOC und DON aus Totholz zu ermitteln. Im Rahmen der Biodiversitäts-Exploratorien, einem DFG-finanzierten Langzeitexperiment zur großräumigen Erforschung von Biodiversität, wurden im Winter 2008/2009 Stämme von 13 europäischen Baumarten in Wäldern ausgebracht und unter natürlichen Umweltbedingungen ihrer Zersetzung überlassen. Die Stämme wurden in drei geographisch separaten Exploratorien (Schorfheide/Brandenburg, Hainich/Thüringen, Schwäbische Alb/Baden-Württemberg) unter verschiedenen Bestandesmanagementtypen ausgebracht. Von Juni 2011 bis November 2012 wurde in allen drei Exploratorien der Abfluss von 120 Stämmen in etwa monatlichem Turnus beprobt. In den filtrierten Proben (0.45 µm) wurde der Gehalt an DOC, gelöstem Gesamt-N sowie Nitrat (NO3) und Ammonium (NH4) gemessen, um den Haushalt von gelöstem Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) zu bilanzieren. Die Qualität des DOC wurde sowohl in den Stammabfluss-Proben als auch in den Inkubationslösungen anhand ihres Gehaltes an Phenolen und hydrolysierbaren Kohlenhydraten, sowie ihrer spektroskopischen Eigenschaften (HIXem, FTIR und SUVA280nm) bestimmt. Des Weiteren wurden initiale Holz- und Rindeneigenschaften erhoben. Zur Charakterisierung der DOC-Stabilität wurde ein Inkubationsversuch für die Dauer von 64 Tagen angesetzt. Als Maß für den Abbau des DOC aus Totholz wurde die CO2-Produktion herangezogen und eine zwei-termige Exponentialfunktion an die Daten angepasst. Die DOC Konzentrationen im Totholzabfluss waren drei- bis zehnfach höher verglichen mit jenen im Bestandesniederschlag. Die höchsten DOC Konzentrationen und die größten Nettofreisetzungen wurden für Totholz von Prunus und Quercus (56 bzw. 60 g DOC m-2 yr-1) bestimmt. Die geringsten DOC -Freisetzungen lagen hingegen für Fraxinus (14.8 g m-2 yr-1) vor. Auf einer Zeitskala von Monaten bis Jahren konnte nur ein geringfügiger Zusammenhang zwischen der DOC-Nettofreisetzung und dem Bestandesniederschlag nachgewiesen werden. Allerdings führte eine deutliche Saisonalität zu höheren DOC Freisetzungen aus Totholz während der Vegetationsperiode. Die Kohlenhydratkonzentrationen im Totholz-Abfluss lagen im Bereich von 2,5-9,4 mg C L-1 und die Phenolkonzentrationen reichten von 2,7-9,5 mg C L-1. Die spektroskopische Charakterisierung des DOC ließ auf eine mikrobielle Umsetzung des aus dem Totholz stammenden DOCs im Vergleich zu den initialen Extrakten schließen. Den größten Anteil am gelösten Gesamtstickstoff bildete DON und trotz großer Variabilität wurde für alle Stickstoffkomponenten eine netto-Freisetzung aus Totholz gefunden. Diese stand jedoch in keinem Zusammenhang zu den initialen C/N-Verhältnissen der Rinde oder des Splintholzes. Die saisonale Freisetzung von NH4-N war während des Winters größer als während der Vegetationsperiode und traf umgekehrt für NO3-N zu. Die Freisetzung von DON unterlag hingegen keiner signifikanten Saisonalität. Der Bestandesniederschlag wie auch die Temperatur schien nur einen geringen Einfluss auf die Gesamtstickstoff-Freisetzung zu haben. Dies deutet auf andere abbau-relevante Schlüsselfaktoren hin. Während der Managementtyp des Bestandes die DOC- und DON-Freisetzung nach dem Ergebnis eines linearen Modells für alle Probenahmetermine („lme“ in R) signifikant beeinflusste, konnte ein Effekt des Exploratoriums nur für die DON Freisetzung nachgewiesen werden. Dies traf jedoch aufgrund der Daten-Aggregation nicht für die kumulierten Jahresflüsse zu. Der DOC-Abbau verhielt sich für alle Baumarten ähnlich (14-29% des initialen DOC-Gehaltes) und es wurden keine signifikanten Unterschiede für die mittleren Verweilzeiten (MRT) zwischen Koniferen und Laubbäumen gefunden. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die DOC Freisetzung aus Totholz baumartenspezifisch ist und zu einem substanziellen C-Eintrag in den Boden unter Totholz führt. Ferner konnte gezeigt werden, dass DOC aus Totholz das Potential zur Anreicherung der organischen Bodensubstanz in Böden unter Totholz hat. Darüber hinaus stellt Totholz auch während der frühen Zersetzungsphase eine Quelle für gelöste Stickstoffkomponenten dar.