Effects of silicon and calcium availability on the sustainability of carbon in Arctic permafrost soils based on laboratory experiments

Titelangaben

Stimmler, Peter:
Effects of silicon and calcium availability on the sustainability of carbon in Arctic permafrost soils based on laboratory experiments.
Bayreuth , 2024 . - 193 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The Arctic warms twice as fast as the global average. Consequently, the permafrost thaws deeper and releases huge amounts of recently bound organic carbon (C) and further elements like amorphous silicon (ASi), silicon (Si), calcium (Ca), iron (Fe), aluminium (Al), and phosphorous (P). The elements Si and Ca as main components of mineral soil phases interact closely with the C-cycle and hold the potential to quicken the permafrost-C feedback. In Stimmler, Goeckede, Natali, et al. (2022) we show available concentrations of these six elements in different depthsfor 50% of the Arctic on-shore regions and discuss the potential of element release. For soils of five locations we observed a enhancing, positive effect of Si on carbon dioxide (CO2) release, whereas Ca showed an inhibiting, negative effect on CO2 release. In frozen soils, the positive Si effect prevails, whereas in thawed soils the negative Ca effect dominates (Schaller, Stimmler, et al. 2022). The microbial processes behind these effects are shown for two Greenlandic soils in Stimmler, Goeckede, Natali, et al. (2022). High CO2 fluxes correlated positively with a gram(+) dominated microbial community structure (MCS). We hypothesized, Si promoted an increased availability of H2O and P. Ca induced low CO2 fluxes that were caused by a reduced microbial abundance and promotion of a MCS dominated by spore-forming, dormant gram(+) bacteria. This could be an adaption to increased salinity. At the mineral level we observed an increase in low crystallized ferrous phases with Si, leading to higher Fe availability (Stimmler, M. Obst, Stein, et al. 2023). The availability of toxic Al in presence of Si and Ca depended on the pH of the soil. These results show the complexity the biogeochemical processes of Si and Ca and how they and the associated global warming determine the C release from Arctic permafrost soils.

Abstract in weiterer Sprache

Die Arktis erwärmt sich doppelt so schnell zum weltweiten Durchschnitt. In Folge dessen tauen die Permafrostböden tiefer auf und setzen große Mengen an bis dahin gebundenen organischen Kohlenstoffs (C) und weiteren Elementen wie amorphen Silicum (ASi), Silicium (Si), Calcium (Ca), Eisen (Fe), Aluminium (Al) und Phosphor (P) frei. Die Elemente Si und Ca als mineralische Hauptbestandteile des Bodens sind eng in den C-Zyklus eingebunden und haben das Potenzial die C-Freisetzung zu verstärken. In Stimmler, Goeckede, Elberling, et al. (2022) zeigen wir für ca. 50% der Landfläche der Arktis die verfügbaren Elementkonzentrationen dieser sechs Elemente in verschiedenen Tiefen und disktuieren das Potenzial der Mobilisierung in verschiedenen Regionen. Für Böden aus fünf Standorten konnten wir positive Effekte von Si und negative Effekte von Ca auf die CO2-Freisetzung zeigen (Stimmler, Goeckede, Natali, et al. 2022). Im gefrorenen Boden überwog der positive Si-Effekt, im getauten Boden der negative Ca-Effekt (Schaller, Stimmler, et al. 2022). Die mikrobiologischen Prozesse hinter den Effekten werden in Stimmler, Priemé, et al. (2022) für zwei grönländische Böden gezeigt. Hohe CO2-Flüsse korrelierten mit einer gram(-) dominierten Mikrobenstruktur, welche wahrscheinlich durch die Si bedingte Erhöhung der H2O- und P-Verfügbarkeit gefördert wurden. Ca bedingte niedrige CO2-Flüsse korrelierten mit verringerter Mikrobenanzahl und mehr sporenbildenden, physiologisch inaktiven gram(+) Bakterien, die für eine erhöhte Salinität sprechen. Auf mineralischer Ebene konnten wir in Stimmler, M. Obst, Stein, et al. (2023) erhöhte Anteile an Fe2+-Phasen in Gegenwart von Si zeigen, die mit einer Mobilisierung der Fe- Verfügbarkeit einherging. Die Verfügbarkeit von toxischem Al war pH-abhängig. Diese Ergebnisse zeigen, wie komplex die biogeochemischen Prozesse von Si und Ca sind und wie sehr sie über die Zukunft des C in arktischen Permafrostböden und somit über die globale Erwärmung bestimmen.