Carbon dynamics under natural and manipulated meteorological boundary conditions in a forest and a fen ecosystem

Titelangaben

Muhr, Jan:
Carbon dynamics under natural and manipulated meteorological boundary conditions in a forest and a fen ecosystem.
Bayreuth , 2009 . - (BayCEER-online ; 6 )
( Dissertation, 2009 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Current climate models predict changes in the amount, intensity, frequency and type of precipitation within this century. These changes are likely to result in an increasing frequency of severe drought periods in summer, causing irregular and extreme drought stress in well-drained soils or a lowering of the water table in water-logged soils. Due to rising temperatures precipitation is more likely to occur as rain rather than snow, resulting in reduced snowpacks in winter. In some regions, this can lead to an increasing frequency of soil frost. In summary, changes in the global water cycle can significantly affect boundary conditions within soils. This thesis investigated the impact of extreme meteorological boundary conditions on CO2 fluxes in two ecosystems in South-eastern Germany. Using a combination of field site manipulation and laboratory experiments we investigated the effects of prolonged summer drought and soil frost on soil C dynamics in a Norway spruce forest. In a minerotrophic fen located nearby, the effect of water table lowering (as a result of summer drought) on ecosystem C dynamics was quantified. Additionally, soil C dynamics at both sites were modeled under current meteorological conditions. For the Norway spruce forest, modeling indicated that soil C turnover predominantly occurred within the organic horizons. During the last decades, the soil has acted as a small sink. The possibility of altered C dynamics at the site due to undocumented liming has to be considered when comparing results presented here to results from other sites. For the fen, modeling revealed that soil C turnover was dominated by processes occurring within the uppermost 15 cm of the peat and that root biomass was a very important soil C stock. Most important, modeling indicated that the fen was turned into a net C source during the last decades, presumably because of disturbance of the hydrological conditions. Results from this fen cannot be regarded as representative for undisturbed peatlands. Soil frost was induced at the forest site by removing the snowpack in the winter of 2005/2006. On the snow removal plots, soil frost occurred down to a depth of at least 15 cm and for several weeks, in contrast to the snow-covered control plots where no soil frost occurred. Soil C losses were significantly reduced not only during the soil frost period but also in the summer of 2006. This phenomenon could be explained by changes in the composition of the microbial community due to soil frost, primarily a reduction of fungal biomass. To investigate the effect of drought on soil C dynamics we experimentally induced prolonged drought at the forest-site by excluding throughfall with a transparent roof during the summers of 2006-2008. Additionally, undisturbed soil columns from the site were subjected to drought in the laboratory. In both experiments, drought reduced total soil C losses in comparison to C losses from a control. This reduction was mainly owed to decreased soil respiration rates during the actual drought period, but water repellency also hindered rewetting of the dry soil, thus further prolonging the period of reduced soil respiration rates. In the past, mobilization of stabilized C due to drying-wetting has been repeatedly discussed as a possibility to actually enhance soil C losses. In the studies presented here, no evidence for this assumption was found. Soil C mineralization rates were reduced during drought and recovery was slow, possibly delayed by water repellency and preferential flow. At the fen site we used two approaches: (i) Experimental lowering of water tables to measure resulting C fluxes in comparison to C fluxes under natural conditions (i.e. control plots), and (ii) repeated measurements under varying natural conditions to be able to later statistically identify the main drivers of CO2 fluxes. We included measurements of C uptake and respiration by aboveground vegetation, thus being able to study ecosystem rather than soil C dynamics at the fen site. In summary, the impact of the water table on CO2 fluxes in and out of the fen ecosystem was minimal. Soil respiration was not affected at all by the manipulative lowering of the water table from ca. 15 cm down to more than 60 cm, most likely due to low substrate quality in deeper peat. Measurements of the natural C dynamics indicate that water table could have an impact on soil respiration within the uppermost 0-15 cm of the soil, but predominantly low water tables during summer under current boundary conditions make it unlikely that further lowered water tables due to climate change will markedly affect soil respiration rates at this site. In summary, CO2 fluxes at the site are presumably very resilient towards an increasing frequency of summer drought resulting in lowering of the water table.

Abstract in weiterer Sprache

Klimamodelle sagen für dieses Jahrhundert Änderungen der Niederschlagsmenge, -intensität, -häufigkeit und -art voraus. Sommerliche Trockenperioden werden wahrscheinlicher, und somit auch Trockenstress in gut dränierten Böden bzw. Absenkung des Wasserspiegels in wassergesättigten Böden. Wegen steigender Jahresmitteltemperaturen wird Niederschlag zunehmend in Form von Regen anstelle von Schnee fallen -eine verringerte Mächtigkeit der Schneedecke im Winter ist die Folge. In einigen Gebieten kann dies zu gehäuftem Auftreten von Bodenfrost führen. Insgesamt ist davon auszugehen, dass klimawandelbedingte Änderungen im globalen Wasserhaushalt sich signifikant auf die Randbedingungen in Böden auswirken werden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss von extremen meteorologischen Randbedingungen auf die CO2-Flüsse in zwei Ökosystemen in Südostdeutschland. In einem Fichtenwald wurde in Freiland- und Laborexperimenten untersucht wie sich Trockenheit und Bodenfrost auf die Kohlenstoff (C)-Umsätze im Boden auswirken, während in einem nahegelegenen Niedermoor untersucht wurde, wie sich Wasserspiegelabsenkungen auf die C-Umsätze des Ökosystems auswirken. An beiden Standorten wurden außerdem die C-Umsätze unter augenblicklich vorherrschenden meteorologischen Randbedingungen modelliert. Im Fichtenwald ergaben die Modellergebnisse, dass der größte Teil der C-Umsätze in den organischen Horizonten stattfand. Während der letzten Jahrzehnte war der Boden am Waldstandort eine schwache C-Senke. Im Hinblick auf die Vergleichbarkeit mit Ergebnissen von anderen Standorten muss berücksichtigt werden, dass mögliche Kalkung des Standorts in der Vergangenheit zu einer geringfügigen Störung der C-Umsätze geführt haben könnte. Für den Niedermoorstandort ergab die Modellierung, dass die C-Umsätze eindeutig von Umsätzen in den obersten 15 cm dominiert wurden. Wurzelbiomasse erwies sich als bedeutender C-Pool. Die Modellierung ergab, dass das Moor in den letzten Jahrzehnten eine Nettokohlenstoffquelle war, höchstwahrscheinlich in Folge von Störungen der hydrologischen Randbedingungen. Die Ergebnisse können daher nicht als repräsentativ für ungestörte Moorstandorte gesehen werden. Bodenfrost wurde am Waldstandort durch die Entfernung der Schneedecke im Winter 2005/2006 induziert. Bodenfrost konnte bis in eine Tiefe von wenigstens 15 cm und für die Dauer von mehreren Wochen auf den Flächen nachgewiesen werden, auf denen die Schneedecke entfernt worden war. Im Gegensatz dazu blieben die schneebedeckten Flächen frostfrei. Bodenfrost führte zu verringerten CO2 Flüssen während der Frostperiode selbst und im darauf folgenden Sommer 2006. Mögliche Erklärung könnte eine veränderte Zusammensetzung der mikrobiellen Zersetzergemeinschaft sein, insbesondere eine Verringerung des Anteils pilzlicher Biomasse. Mit transparenten Dächern wurde der Bestandesniederschlag am Waldstandort ausgeschlossen um Sommertrockenheit experimentell herbeizuführen bzw. zu verlängern. Zusätzlich wurden im Labor Austrocknungs-Experimente an ungestörten Bodensäulen durchgeführt. In beiden Fällen führte Trockenheit zu einer Verringerung der CO2-Flüsse aus dem Boden im Vergleich zu einer Kontrollgruppe, in erster Linie weil die Bodenrespirationsraten während der eigentlichen Trockenperiode geringer waren. Verstärkt wurde der Effekt, weil sich CO2-Flüsse bei Wiederbefeuchtung nur langsam erholten, möglicherweise weil Hydrophobizität die Wiederbefeuchtung des Bodens behinderte. In der Vergangenheit wurde wiederholt diskutiert, ob es durch den Wechsel von Austrocknung und Wiederbefeuchtung zu einer Freisetzung von stabilisiertem Bodenkohlenstoff kommen kann, was letztlich zu einer Erhöhung der Bodenkohlenstoffverluste führen könnte. In dieser Arbeit wurden keinerlei Belege für die Richtigkeit dieser Annahme gefunden. Am Niedermoorstandort wurden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt um den Einfluss des Wasserspiegels auf die C-Umsätze zu messen: (i) Die C-Flüsse auf Flächen mit experimentell abgesenktem Wasserspiegel wurden verglichen mit den C-Flüssen auf Kontrollflächen; (ii) CO2-Flüsse wurden über ein weites Spektrum natürlicher Bedingungen gemessen mit dem Ziel, die Haupteinflussfaktoren für die CO2-Flüsse bestimmen zu können. Aufnahme und Abgabe von Kohlenstoff durch oberirdische Vegetation wurden hier mit in die Untersuchung aufgenommen. Insgesamt zeigte sich, dass der Wasserspiegel eine geringe Bedeutung für die C-Umsätze im Niedermoor hatte. Die Bodenrespiration wurde durch die manipulative Absenkung des Wasserspiegels von etwa 15 auf mehr als 60 cm nicht beeinflusst. Die Messungen der CO2-Flüsse unter natürlichen Bedingungen lassen vermuten, dass Wasserspiegelschwankungen innerhalb der obersten 15 cm des Bodens einen Einfluss auf die Bodenrespiration haben könnten. Wegen des im Sommer vorherrschenden niedrigen Wasserspiegels sind die CO2-Flüsse in diesem Ökosystems vermutlich stabil gegenüber weiterer Absenkung des Wasserspiegels.