Modelling the role of temperature and soil moisture on soil organic carbon decomposition

Titelangaben

Pallandt, Marga Helene:
Modelling the role of temperature and soil moisture on soil organic carbon decomposition.
Bayreuth , 2025 . - 133 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Soil organic carbon (SOC) is the largest terrestrial carbon (C) pool, and even small relative changes in SOC stocks have large consequences for the future carbon-climate feedback. Microbes are the main actors in the decomposition of litter and SOC, and microbial decomposition rates are strongly affected by soil temperature and soil moisture. Yet, large-scale model representations of the sensitivity of SOC to soil moisture, through microbial decomposition and interactions with mineral surfaces, are largely empirical to semi-empirical and uncertain. Therefore, there is a strong need for soil biogeochemistry models that reflect current process understanding to accurately represent the response of SOC to environmental change. Higher temperatures can promote microbial decomposition and increase soil respiration rates, but the response to soil moisture is less certain. Soil moisture variations confound temperature effects on soil respiration, lowering the high apparent temperature sensitivity values that can be observed under optimal soil moisture conditions as soils dry out or get wetter. Additionally, many soil properties such as SOC content, microbial biomass and organo-mineral associations vary with depth, while soil columns may not evenly dry out or become wetter under a changing climate. This vertical heterogeneity in soils is largely ignored in most current model SOC decomposition modelling approaches and warrants further research. This thesis investigates how soil moisture and soil temperature changes can affect microbial SOC decomposition by applying a mechanistic model that disentangles their combined effects along a vertical soil gradient. In the first study, a simple model (the DAMM model) is introduced to describe the interactions between soil moisture, soil temperature and microbial decomposition and apply it to site-level soil respiration measurements. We show that in addition to soil temperature, the inclusion of soil moisture controls are vital to correctly model observed soil respiration rates, especially after rewetting events, and discuss which soil moisture control is dominant under different soil moisture conditions. The second study investigates differences in top- and subsoil moisture changes as simulated by global land surface models and how these changes affect respiration rates under a warming climate. The key finding is that the inclusion of soil moisture controls can have diverging effects on both the speed and direction of projected decomposition rates (up to ±20%), compared to a temperature-only approach. In the topsoil, the majority of these changes is driven by substrate availability. In deeper soil layers, oxygen availability plays a relatively stronger role. The research illustrates that vertical model representations of SOC dynamics will be crucial, due to the diverging responses of top- and subsoil layers to climatic drivers. The third study of this thesis describes the dynamic interactions between soil moisture, soil temperature and substrate within a vertically explicit microbial SOC decomposition model. We focus on the depolymerisation of litter and microbial residues at different soil depths, and its sensitivities to soil warming and different drought intensities. The main finding is that soil warming leads to long-term SOC losses, but that depending on SOC composition and its associated temperature sensitivities, these losses can be either reduced or further accelerated, especially in the subsoil. Droughts can alleviate the effects of soil warming and reduce SOC losses, and even lead to SOC gains. Furthermore, a combination of drought and the use of different temperature sensitivities for the half-saturation constants associated with the breakdown of litter or microbial residues can have counteracting effects on the overall SOC decomposition rates. While absolute SOC changes driven by soil warming and drought are highest in the topsoil, SOC in the subsoil is more sensitive to change through the interactions between the half-saturation constant, temperature and soil moisture changes, and mineral-associated SOC. Summarising, this thesis provides new insights into the complex feedback between climate change and SOC dynamics to aid the further development of process-based soil models. In particular, the workI demonstrates that the next generation of models would benefit from including vertical representations of soil processes, with microbial dynamics and moisture functions that reflect our mechanistic understanding of the effects of soil drying and wetting. Incorporating such models into coupled climate or land surface models will enable us to study the effects and potential feedbacks of climate change on SOC stocks and CO₂-release to the atmosphere.

Abstract in weiterer Sprache

Organischer Bodenkohlenstoff (SOC) ist der größte terrestrische Kohlenstoffpool, und selbst kleine relative Veränderungen der SOC-Bestände haben große Auswirkungen auf die künftige Kohlenstoff-Klima-Rückkopplung. Mikroben sind die Hauptakteure bei der Zersetzung von Streu und SOC, und die mikrobiellen Zersetzungsraten werden stark von Bodentemperatur und Bodenfeuchtigkeit beeinflusst. Dennoch sind großmaßstäbliche Modelldarstellungen der Empfindlichkeit von SOC gegenüber der Bodenfeuchtigkeit durch mikrobielle Zersetzung und Wechselwirkungen mit mineralischen Oberflächen weitgehend empirisch bis halbempirisch und unsicher. Daher besteht ein dringender Bedarf an biogeochemischen Bodenmodellen, die das aktuelle Prozessverständnis widerspiegeln, um die Reaktion von SOC auf Umweltveränderungen genau darzustellen. Höhere Temperaturen können die mikrobielle Zersetzung fördern und die Atmungsrate des Bodens erhöhen, aber die Reaktion auf die Bodenfeuchtigkeit ist weniger sicher. Schwankungen der Bodenfeuchtigkeit vermindern die Auswirkungen der Temperatur auf die Bodenatmung und senken die scheinbar hohen Werte für die Temperaturempfindlichkeit, die bei optimaler Bodenfeuchtigkeit beobachtet werden können, wenn die Böden austrocknen oder feuchter werden. Darüber hinaus variieren viele Bodeneigenschaften wie der SOC-Gehalt, die mikrobielle Biomasse und die organisch-mineralischen Assoziationen mit der Tiefe, während die Bodensäulen unter einem sich ändernden Klima nicht gleichmäßig austrocknen oder feuchter werden. Diese vertikale Heterogenität in Böden wird in den meisten aktuellen Modellierungsansätzen für den SOC-Abbau weitgehend ignoriert und bedarf weiterer Forschung. In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich Änderungen der Bodenfeuchte und der Bodentemperatur auf den mikrobiellen SOC-Abbau auswirken können. Dazu wird ein mechanistisches Modell angewandt, das ihre kombinierten Auswirkungen entlang eines vertikalen Bodengradienten entschlüsselt. In der ersten Studie wird ein einfaches Modell (das DAMM-Modell) zur Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen Bodenfeuchte, Bodentemperatur und mikrobiellem Abbau eingeführt und auf Messungen der Bodenatmung an einem Standort angewendet. Wir zeigen, dass neben der Bodentemperatur die Einbeziehung der Bodenfeuchte entscheidend ist, um die beobachteten Bodenatmungsraten korrekt zu modellieren, insbesondere nach Wiederbefeuchtungsereignissen, und erörtere, welcher Prozess bei unterschiedlichen Bodenfeuchtebedingungen dominiert. Die zweite Studie untersucht die Unterschiede in den von globalen Landoberflächen-Modellen simulierten Veränderungen der Feuchte im Ober- und Unterboden und wie sich diese Veränderungen auf die Atmungsraten in einem wärmeren Klima auswirken. Das wichtigste Ergebnis ist, dass die Einbeziehung der Bodenfeuchte sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung der prognostizierten Zersetzungsraten unterschiedlich beeinflussen kann (bis zu ±20 %), verglichen mit einem reinen Temperaturansatz. Im Oberboden wird der Großteil dieser Veränderungen durch die Substratverfügbarkeit bestimmt. In tieferen Bodenschichten spielt die Sauerstoffverfügbarkeit eine relativ stärkere Rolle. Die Untersuchung zeigt, dass vertikale Modelldarstellungen der SOC-Dynamik aufgrund der unterschiedlichen Reaktionen der oberen und unteren Bodenschichten auf klimatische Faktoren von entscheidender Bedeutung sind. Die dritte Studie dieser Arbeit beschreibt die dynamischen Wechselwirkungen zwischen Bodenfeuchte, Bodentemperatur und Substrat in einem vertikal expliziten mikrobiellen SOC-Umsatzmodell. Wir konzentrieren uns auf die Depolymerisation von Streu und mikrobiellen Resten in verschiedenen Bodentiefen und ihre Sensitivitätin Bezug auf Bodenerwärmung und unterschiedlichen Trockenheitsintensitäten. Das Hauptergebnis ist, dass die Bodenerwärmung zu langfristigen SOC-Verlusten führt, dass aber je nach SOC-Zusammensetzung und den damit verbundenen Temperaturempfindlichkeiten diese Verluste entweder verringert oder weiter beschleunigt werden können, insbesondere im Unterboden. Dürren können die Auswirkungen der Bodenerwärmung abmildern und die SOC-Verluste verringern und sogar zu SOC-Gewinnen führen. Darüber hinaus kann eine Kombination aus Trockenheit und der Verwendung unterschiedlicher Temperaturempfindlichkeiten für die mit dem Abbau von Streu oder mikrobiellen Rückständen verbundenen Halbsättigungskonstanten gegenläufige Auswirkungen auf die Gesamtabbauraten des SOC haben. Während die absoluten SOC-Änderungen aufgrund von Bodenerwärmung und Trockenheit im Oberboden am stärksten sind, reagiert der SOC im Unterboden aufgrund der Wechselwirkungen zwischen der Halbsättigungskonstante, Temperatur- und Bodenfeuchtigkeitsänderungen und dem mineralassoziierten SOC empfindlicher auf Veränderungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neue Erkenntnisse über die komplexen Rückkopplungen zwischen Klimawandel und SOC-Dynamik liefert, die die weitere Entwicklung prozessbasierter Bodenmodelle unterstützen. Insbesondere zeigt die Arbeit, dass die nächste Generation von Modellen von der Einbeziehung vertikaler Darstellungen von Bodenprozessen mit mikrobieller Dynamik und Feuchtigkeitsfunktionen profitieren würde, die unser mechanistisches Verständnis der Auswirkungen von Bodentrocknung und -befeuchtung widerspiegeln. Die Einbindung solcher Modelle in gekoppelte Klima- oder Landoberflächenmodelle wird es uns ermöglichen, die Auswirkungen und potenziellen Rückkopplungen des Klimawandels auf die SOC-Bestände und die CO₂-Freisetzung in die Atmosphäre zu untersuchen.