Tree fine root and soil organic carbon dynamics under climate warming : insights from a long-term soil warming experiment in a temperate forest

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Kwatcho Kengdo, Steve:
Tree fine root and soil organic carbon dynamics under climate warming : insights from a long-term soil warming experiment in a temperate forest.
Bayreuth , 2025 . - vi, 209 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Temperate forest soils store large amounts of organic carbon and thus are crucial for the global carbon cycle. There is a concern that these soils lose carbon as the global temperature rises, causing a further increase in the concentration of carbon dioxide (CO2) in the atmosphere. The organic carbon stock of forest soils relies to some extent on the input of carbon by fine root systems, but long-term studies on the response of fine roots to increasing temperatures are scarce. The main aim of this thesis was to assess the dynamics of fine roots and soil organic carbon in response to long-term soil warming in a temperate mountain forest. We took advantage of the existing long-term soil warming experiment at Achenkirch, Tyrol, Austria, where soil temperature was increased by + 4°C in the warmed plots (as compared to control) since 2005. We combined soil coring on two sampling occasions (2012 and 2019) and DNA extractions on ectomycorrhizal (EcM) root tips (sampled in 2019) to study the effect of warming on fine root biomass, fine root morphology, and EcM fungal community (Study I). Fine root turnover times and carbon input into the soil by fine root litter were studied by combining ingrowth cores and radiocarbon modeling (Study II). Furthermore, soil CO2 efflux measured in 2006, 2010, 2015, and 2019 was used to assess the dynamics of soil organic carbon in response to warming. In addition, radiocarbon modeling was used to assess the transit time of carbon in the soil, the radiocarbon distribution of soil organic carbon, and the carbon released by soil organic carbon mineralization (Study III). Fine root biomass increased by 13% and 17% with soil warming in 2012 and 2019, respectively. Fine root production in ingrowth cores was 128% higher in the warmed plots after one year and 35% higher after two years. In addition, fine root turnover estimated with ingrowth cores increased by 33%, and by 36 – 59% when considering modeled fine root turnover times and fine root biomass from soil coring. Fine root morphology also changed with soil warming on both occasions. Specific root length increased by 17 – 28%, specific root area by 18 – 84%, and root tip density by 28 – 66%. Soil warming did not affect EcM exploration types. However, it shaped the EcM community composition with an increase in the relative abundance of EcM of the genus Cenococcum, Sebacina, and Boletus in the warmed plots. Overall, changes in the fine root system were driven by low soil potassium and phosphorus availability in the warmed plots. Annual soil CO2 efflux increased by 41% on average over the investigated years, while no difference between soil organic carbon stocks was observed between control and warmed plots. In addition, radiocarbon modeling showed that the mineralization of soil organic carbon accounted for 37 and 29 % of the total annual soil CO2 efflux in control and warmed plots, respectively. Together, our findings suggest that climate warming may increase belowground carbon allocation of trees, the input of carbon into the soil by fine root litter, and the absorptive capacity of the fine root system for water and nutrient uptake. Although soil CO2 efflux increased with warming, similar soil organic carbon stocks in both treatments suggest that rhizosphere respiration primarily contributes to the increase in soil CO2 efflux by warming in this forest site. Further, increased root litter input can fully or partly compensate for carbon losses by enhanced soil organic carbon mineralization with increasing global temperatures.

Abstract in weiterer Sprache

Böden der gemäßigten Wälder speichern große Mengen an organischem Kohlenstoff und sind somit entscheidend für den globalen Kohlenstoffkreislauf. Es besteht die Sorge, dass diese Böden bei einem globalen Temperaturanstieg einen Teil des Kohlenstoffs durch erhöhte Mineralisation verlieren, was zu einem weiteren Anstieg der Kohlendioxidkonzentration (CO2) in der Atmosphäre führen würde. Der organische Kohlenstoffvorrat von Waldböden hängt zu einem gewissen Grad vom Kohlenstoffeintrag durch Feinwurzelsysteme ab, doch gibt es nur wenige Langzeitstudien zur Reaktion von Feinwurzeln auf steigende Temperaturen. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, den Einfluss langfristiger Bodenerwärmung auf die Morphologie und den Umsatz von Feinwurzeln sowie auf die Freisetzung von organischem Bodenkohlenstoff in einem gemäßigten Bergwald zu untersuchen. Hierzu nutzten wir das Langzeit-Bodenerwärmungsexperiment in Achenkirch, Tirol, Österreich, wo die Bodentemperatur in den erwärmten Parzellen (im Vergleich zur Kontrolle) um + 4 °C seit 2005 erhöht wurde. Durch Analyse von Wurzelparametern (2012 und 2019) und DNA-Extraktionen von mykorrhizierten Wurzelspitzen (2019) konnten die Auswirkungen der Erwärmung auf die Feinwurzelbiomasse, die Feinwurzelmorphologie und die Gemeinschaft der Ektomycorrhiza (EcM) bestimmt werden (Studie I). Feinwurzelumsatzzeiten und Kohlenstoffeintrag durch Feinwurzelstreu in den Boden wurden durch Kombination von Einwuchskernen und Modellierung auf Basis von Radiokarbonsignaturen untersucht (Studie II). Zudem wurde mit Radiokarbonsignaturen der bodenorganischen Substanz, der oberirdischen und unterirdischen Kohlenstoffeinträge und der Bodenkohlenstoffvorräte die Transitzeit und die Altersverteilung des organischen Kohlenstoffs im Boden und der jährliche Kohlenstoffaustrag durch Mineralisation der organischen Substanz aus dem Boden modelliert. Die in den Jahren 2006, 2010, 2015 und 2019 gemessenen CO2-Emissionen des Boden wurden den modellierten Kohlenstoffausträgen gegenübergestellt, um das Potenzial von Vorratsänderungen im Boden durch Erwärmung abzuschätzen (Studie III). Die Feinwurzelbiomasse stieg mit der Bodenerwärmung um 13 % (2012) bzw. 17 % (2019) an. Die Feinwurzelproduktion in Einwuchskernen war in den erwärmten Parzellen nach einem Jahr um 128 % höher und nach zwei Jahren um 35 % höher. Darüber hinaus stieg der mit Einwuchskernen geschätzte Feinwurzelumsatz um 33 % bzw. um 36 – 59 %, wenn die modellierten Feinwurzelumsatzzeiten und die Feinwurzelbiomasse aus dem Bodenproben berücksichtigt wurden. Auch die Feinwurzelmorphologie änderte sich in beiden Jahren mit der Bodenerwärmung. Die Zunahme der spezifischen Wurzellänge betrug 17 – 28 %, der spezifischen Wurzelfläche 18 – 84 % und der Wurzelspitzendichte 28 – 66 %. Die Bodenerwärmung hatte keinen Einfluss auf die EcM-Explorationstypen. Sie prägte jedoch die Zusammensetzung der EcM-Gemeinschaft mit einer Zunahme der relativen Häufigkeit der Gattungen Cenococcum, Sebacina und Boletus in den erwärmten Parzellen. Insgesamt bestand ein Zusammenhang zwischen den Veränderungen im Feinwurzelsystem und geringer Kalium- und Phosphorgehalte im Boden der erwärmten Parzellen. Der jährliche CO2-Ausstoß aus dem Boden stieg in den untersuchten Jahren um durchschnittlich 41 %, während kein Unterschied zwischen den Vorräten an organischem Kohlenstoff im Boden zwischen Kontroll- und erwärmten Parzellen beobachtet wurde. Darüber hinaus zeigte die Radiokarbonmodellierung, dass die Mineralisierung des organischen Bodenkohlenstoffs 37 bzw. 29 % des gesamten jährlichen CO2-Ausstoßes aus dem Boden in Kontroll- und erwärmten Parzellen ausmachte. Zusammengenommen deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die Klimaerwärmung die unterirdische Kohlenstoffallokation von Bäumen, den Eintrag von Kohlenstoff in den Boden durch Feinwurzelstreu und die Absorptionskapazität des Feinwurzelsystems für die Wasser- und Nährstoffaufnahme erhöhen kann. Obwohl der CO2-Ausstoß aus dem Boden mit der Erwärmung zunahm, deuten ähnliche Vorräte an organischem Kohlenstoff im Boden in beiden Behandlungen darauf hin, dass die Rhizosphärenatmung hauptsächlich zum Anstieg des CO2-Ausstoßes aus dem Boden durch Erwärmung an diesem Waldstandort beiträgt. Erhöhte CO2-Emissionen sind kein Indikator für Kohlenstoffverluste im Boden durch Erwärmung. Ein erhöhter Streueintrag könnte Kohlenstoffverluste in temperaten Waldböden durch die Klimaerwämung vollständig oder teilweise kompensieren.