Soil Carbon Dioxide dynamics and Nitrogen cycling in an Eastern Amazonian Rainforest, Caxiuana, Brazil

Abstract

Es ist noch unbekannt, wie sich Klimaänderungen und steigende N-Einträge auf den Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf tropischer Böden auswirken. In dieser Studie bewertete ich die CO2-Dynamik im Boden sowie den N-Kreislauf in einem Primärwald. Die Studie gliedert sich in drei Teile: 1) Messung der CO2 Ausgasungsrate und deren standörtliche Steuergrößen an zwei Oxisol Standorten mit unterschiedlicher Bodentextur und Geländelage, 2) die Untersuchung wie stark sich bei Ausschluss des Bestandesniederschlages (TFE Experiment) die Boden-CO2 Produktion in einem stark verwitterten sandigen Oxisol verändert und 3) eine Bewertung des Boden-Stickstoffstatus an zwei stark verwitterten Oxisolen unterschiedlicher Textur (sandig versus tonig). Zwei Jahre lang wurden die Boden-CO2-Ausgasungsraten, CO2-Konzentrationen, die Bodentemperatur und die Feuchtigkeit der Profile bis in 3 m Tiefe gemessen. Mittels Isotopenverdünnungsanalyse wurden für beide Böden die Raten der N- Transformierung sowie der N-Retention gemessen. Die wichtigsten Ergebnisse sind:1) Die durchschnittliche CO2-Ausgasungsrate war im Sand (3.93 ± 0.06 µmol CO2 m-2s-1) 21 % höher als im Ton (3.08 ± 0.07 µmol CO2 m-2s-1). Keine Unterschiede wurden in der Bodentemperatur zwischen beiden Standorten gemessen, während der Bodenwassergehalt im sandigen Boden (23.2 ± 0.33 %) geringer war als im tonigen Boden (34.5 ± 0.98 %). Die Boden-CO2-Ausgasungsrate unterschied sich nicht zwischen der Trocken und Regenzeit, aber ich fand eine signifikante Wechselwirkung zwischen der Jahreszeit und der topografischen Lage. Der mittlere Beitrag der Streu zur CO2-Ausgasungsrate war 20 % und variierte von 25 % innerhalb der Regenzeit bis nahezu 0 % während der Trockenzeit. Die Ergebnisse unserer Studie zeigen, dass Bodenwasser eine steuernde Größe der zeitlichen Variation der Boden-CO2-Ausgasungsraten in diesem Primärwald ist. Bei der Extrapolation der CO2-Ausgasungsraten zu größeren Flachen zeigt der signifikante Einfluss von Bodentextur, Streu und Wechselwirkung der topografischen Lage und Zeit, dass es notwendig, ist diesen Anteil der Landschaftskomplexität mit zu berücksichtigen.2) TFE reduzierten den Boden von 4.3 ± 0.1 µmol CO2 m-2 s-1 (Kontrolle) zu 3.2 ± 0.1 µmol CO2 m-2 s-1 (TFE). Der Beitrag des Unterbodens (unterhalb 0.5 m Tiefe) zur der Gesamtproduktion von CO2 war in dem TFE Plot größer (28 %) als in dem Kontrollplot (17 %) und er unterschied sich nicht zwischen den Jahren. Ich unterschied drei Phasen der Trocknung nachdem TFE gestartet war. Die erste Phase war durch die Umschichtung der Wasseraufnahme (und begleitender Wurzelaktivität) zu tieferen Schichten und durch einen zu geringen Wasserstress um die mikrobielle Aktivität und/oder die Wurzelatmung zu beeinflussen charakterisiert. Während der zweiten Phase stand die Aktivität von Boden und Streuzersetzern mit der Reduzierung der gesamten Boden-CO2-Ausgasungsrate in dem TFE Plot in Beziehung. Die dritte Trocknungsphase war durch einen kontinuierlichen Abfall der Boden CO2 Produktion charakterisiert, der durch einen Wasserstress induzierten Abfall in der gesamten Wurzelatmung hervorgerufen wurde. Diese Ergebnisse unterscheiden sich stark von einem Trocknungsexperiment in einem tonigem Oxisol, was ich durch Unterschiede in der Wasserhaltekapazität und Durchwurzelungstiefe erkläre. Ich folgere, dass Waldökosysteme in Amazonien, die sich auf Böden mit einer groben Textur befinden, sensitiver gegenüber Trockenheit sind als Wälder, die sich auf schwereren Böden befinden. Letztere können die relativ geringe Wasserhaltekapazität der Oberböden mit Wasser aus tieferen Bodenschichten kompensieren.3) Der tonige Oxisol hatte eine große Bruttorate der N-Mineralisation, Nitrifizierung und des 15N -Anreicherungsfaktors und somit ein großes Potential für N Verluste. Demgegenüber hatte der sandige Oxisol vergleichsweise niedrige Bruttoraten und reagierte ähnlich einem Boden der N limitiert ist. Schnellere Umsatzzeiten von NH4 im Vergleich zu NO3 zeigten an, dass NH4 schneller durch Mikroorganismen umgesetzt wird als NO3, möglicherweise führt dies zu einer besseren Retention von NH4 im Vergleich zu NO3. Jedoch war dieser Prozess bei abiotischen Retentionsprozessen umgekehrt, welcher für NO3höhere Umwandlung zum organischen N Pool zeigte als NH4. Die verknüpften Ergebnisse zeigen, dass einige Waldböden in Amazonien höhere N-Verfügbarkeit als andere haben, was entscheidende Konsequenzen für den Kreislauf und Verluste des Bodenstickstoffs hat, wenn der vorhergesagte Anstieg anthropogener N Einträge stattfindet.