The rhizosphere effects of Fagus sylvatica L. and Fraxinus excelsior L. saplings on greenhouse gas fluxes between soil and atmosphere
Rhizosphären-Effekte der Jungpflanzen von Fagus sylvatica L. und Fraxinus excelsior L. auf den Treibhausgasaustausch von Boden und Atmosphäre
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-3337
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Abstract
English
Tree species influence the soil through stemflow and throughfall water, leaf litter and the root system. Little is known about the effects of tree roots on the C and N dynamics of the soil and the gas exchange with the atmosphere. In the present study, the effects of European beech (Fagus sylvatica) and Common ash (Fraxinus excelsior L.) saplings, as important European broad-leaved tree species, on C and N fluxes in the soil of a species-rich temperate forest were investigated under constant climatic conditions. The main objective was to identify root-induced changes in the greenhouse gas fluxes of CO2, CH4, and N2O between soil and atmosphere. A stepwise experimental approach was used to extend the knowledge about rhizosphere effects on soil biogeochemistry. In the first step, the effects of simple C and N alteration by KNO3 (equivalent to 200 kg N ha-1 yr-1) and glucose addition (equivalent to 9419 kg C kg ha-1 yr-1) on the fluxes of CO2, CH4, and N2O were investigated for a basic understanding of the C and N dynamics in the incubated forest soil (Chapters 2 and 3). In the next step, the changes due to C and N alteration were compared with the putatively complex effects of ash roots on CO2 and N2O emissions in soil columns (Chapter 4). Finally, species-specific effects of the roots of beech and ash saplings on the C and N cycling of the soil were analysed in soil columns and novel double-split-root rhizotrons (Chapters 4, 5, and 6).
The experimental investigation of the effects of NO3- and glucose addition on the greenhouse gas exchange (Chapter 2) revealed a large reduction in net CH4 uptake due to increased N availability and saturating doses of C (reductions up to 86% and 83%, respectively). Moreover, addition of NO3- and glucose increased the N2O emissions by factors of 8 and 39, respectively, whereas the CO2 efflux remained constant after N addition and increased dramatically up to 11-fold after C addition (Chapter 3). A synergistic effect of C and N addition on all three investigated gas fluxes could be shown. The results of the simple C and N addition experiments suggest that the effect of the large C addition on all three investigated greenhouse gases, including the measured N emissions, was larger than the effect of elevated N availability, which might be important under a variable climate.
The comparison of the effects of N addition and the presence of ash roots on CO2 and N2O emissions showed that the ash roots greatly reduced the N2O emissions by up to 98%, whereas N addition increased the N2O emissions just by 54% (Chapter 4). These results indicate that the effect of ash saplings on N2O might not be exclusively explained by the N uptake of the roots, and that plant species effects of the rhizosphere changes should achieve a higher attention in future studies on the greenhouse gas balance of forest soils.
As in the soil columns, the rhizotron experiment showed a large reduction of N2O emissions by ash roots (Chapter 5). In contrast, the reduction of N2O release in presence of beech saplings was only slight or not visible in the rhizotrons and the soil columns (Chapters 4 and 5). The CO2 emissions from soil planted with ash tended to be higher than, or were similar to, the emissions from soil planted with beech (Chapters 4 and 5). Due to the higher relative contribution of root respiration to total soil respiration in ash rhizotrons (35.5 ± 8.5 vs. 9.0 ± 2.7 %, Chapter 5), we assume that a higher activity of saprotrophic fungi and a larger microbial-specific respiration was responsible for the similar CO2 effluxes from soil under beech and ash (Chapter 6). In the rhizotron approach, the CH4 uptake was significantly increased under ash compared to the control soil (Chapter 5), while beech saplings did not significantly affect the CH4 uptake. In contrast to the observed changes in greenhouse gas fluxes, the C and N stocks of soil under beech and ash were only slightly different. In conclusion, the gas fluxes from the soil to the atmosphere can be used as sensitive indicators of even small changes in the biogeochemical processes of forests.
Despite the higher CO2 efflux from soil under ash, the greenhouse gas balance calculated as the sum of CO2, CH4, and N2O fluxes tended to be more favourable for soil under ash than for soil under beech saplings in all experiments, which indicates a mitigating influence of European ash on the greenhouse gas balance of temperate forest soils. Further field and laboratory research on the relation between root systems and greenhouse gas fluxes from the soil are needed for realistic predictions of the future greenhouse gas balance under changing climatic conditions.
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Der Waldboden wird durch den Stammabfluss, den Bestandesniederschlag, die Blattstreu und das Wurzelsystem von den im Wald wachsenden Baumarten beeinflusst. Dabei ist bisher wenig über den großräumigen Einfluss des Wurzelsystems auf die Kohlenstoff- und Stickstoffdynamik im Boden und den daraus resultierenden Spurengas-Austausch mit der Atmosphäre bekannt. In der vorliegenden Studie wurde im Rahmen von Labor-Experimenten der Einfluss der Rotbuche (Fagus sylvatica L.) und Gemeinen Esche (Fraxinus excelsior L.), zwei bedeutende Baumarten europäischer Laubwälder, auf die Kohlenstoff- und Stickstoffflüsse im Boden eines artenreichen Laubmischwaldes untersucht. Der Schwerpunkt der Untersuchung lag auf der Quellen- und Senkenfunktion des Waldbodens für CO2, CH4 und N2O unter dem Einfluss der artspezifischen Rhizopshäre dieser beiden Baumarten unter konstanten klimatischen Bedingungen. Um ein grundlegendes Verständnis des Kohlenstoff- und Stickstoffkreislaufes des Waldbodens nach experimentellen Veränderungen der Kohlenstoff- und Stickstoffdynamik zu erhalten, wurde mittels Bodensäulen zunächst die Auswirkung der Zugabe von labilem Kohlenstoff (9419 kg C kg ha-1 yr-1 als Glukose) und mineralischem Stickstoff (200 kg N ha-1 yr-1 als KNO3) auf die CO2-, CH4- und N2O-Flüsse aus dem Boden untersucht (Kapitel 2 und 3). Des Weiteren wurde der Einfluss von Eschenjungwuchs mit dem Effekt der Zugabe von 200 kg N ha-1 yr-1 als KNO3 auf die CO2- und N2O-Emissionen verglichen (Kapitel 4). Die Untersuchung des Einflusses der Baumarten wurde in Bodensulen und neu entwickelten „double-split-root“-Rhizotronen durchge führt (Kapitel 4, 5 und 6).
Die Ergebnisse in Kapitel 2 zeigten eine deutliche Verringerung der CH4-Aufnahme des Bodens um 86% nach der Zugabe von Kaliumnitrat und um 83% nach der Zugabe von Glukose. Dagegen wurde die N2O-Emission durch die N-Düngung um das 8-fache, und durch die Applikation von Glukose um das 39-fache erhöht. Die CO2-Emission blieb nach der Stickstoffdüngung konstant, während die Glukose-Zugabe einen drastischen Anstieg um das 11-fache verursachte (Kapitel 3). Für alle drei untersuchten Treibhausgase war ein mehr als additiver Effekt der gleichzeitigen Kohlenstoff- und Stickstoff-Zugabe zu beobachten. Das Experiment zeigte einen deutlich größeren Einfluss von labilem Kohlenstoff im Boden auf die Spurengasdynamik als die Nitrat-Düngung, was besonders vor dem Hintergrund der zukünftigen Klima-Entwicklung an Bedeutung gewinnt.
Der Vergleich der Wirkung der Stickstoff-Düngung mit der Wirkung von Eschenwurzeln auf die N2O-Flüsse aus dem Boden ergab eine deutliche Verringerung der N2O-Emissionen um 94 % in eschendurchwurzeltem Boden von 210 ± 19 mg N m-2 28 d-1 auf 14 ± 2 mg N m-2 28 d-1, welche die Erhöhung der Emission durch Nitrat-Zugabe um 54% deutlich überstieg (Kapitel 4). Auch unter erhöthem Stickstoffgehalt im Boden bewirkten die Eschenjungpflanzen eine drastische Reduktion der N2O-Emission um 98 % (von 326 ± 55 mg N m-2 28 d-1 auf 8 ± 16 mg N m-2 28 d-1 ). Die Ergebnisse des Versuches deuten darauf hin, dass der pflanzengenerierte reduzierende Einfluss auf die N2O-Flüsse nicht allein auf die Stickstoff-Aufnahme der Eschenjungpflanzen aus dem Boden zurückzuführen ist, sondern andere Prozesse, wie die Abgabe von Wurzel-Exudaten die Stickstoffdynamik im Boden beeinflussen.
Außerdem unterstreichen die Ergebnisse die Bedeutung der Pflanzenwurzeln für den Spurengasaustausch des Bodens mit der Atmosphäre, was in künftigen ökosystemaren Studien stärker berücksichtigt werden sollte.
Auch im split-root-Ansatz mit Eschen und Buchen wurde eine Verringerung der N2O-Emissionen um 30 % durch die Eschenwurzeln im Vergleich zur Kontrolle ohne Baumjungwuchs ermittelt (Kapitel 5). Im Gegensatz zum deutlichen Einfluss der Eschen, veränderten die Buchenjungpflanzen die N2O-Emissionen nicht (Kapitel 4 und 5). Die Gesamt-CO2-Emissionen aus dem mit Eschen bepflanzten Boden waren in Kapitel 4 um 60% nicht-signifikant höher als aus dem mit Buchen bepflanzten Boden, während in den Rhizotronen die CO2-Emissionen aus dem Boden unter Buchen und Eschen gleich waren (Kapitel 5). In den Eschen-Rhizotronen wurde ein größerer Anteil an der gesamten CO2-Emission (35.5 ± 8.5 vs. 9.0 ± 2.7 %) durch Wurzelatmung emittiert, was mit den ähnlichen Gesamt-CO2-Emissionen von buchen- und eschenbepflanzten Rhizotronen einen höheren Anteil mikrobieller Respiration und Pilz-Atmung durch die Buchenjungpflanzen vermuten lässt (Kapitel 5 und 6). Die Methanaufnahme wurde durch die Präsenz von Eschenwurzeln signifikant erhöht (Kapitel 5), wohingegen die Buchen keinen Einfluss auf die Methan-Flüsse erkennen ließen. Die Treibhausgasbilanz – Summe der CO2, CH4 und N2O-Flüsse – war für den Boden unter Eschenjungwuchs tendenziell geringer als unter Buchenjungwuchs, was als reduzierender Einfluss der Eschen auf den Treibhausgas-Haushalt gewertet werden kann. Die vorliegende Studie zeigt, dass die Spurengase CO2, CH4 und N2O als sensitive Indikatoren für Veränderungen der biogeochemischen Prozesse im Boden fungieren. Weitere Labor- und Feldstudien sind notwendig, um Treibhausgasbilanzen unter sich ändernden Klimabedingungen präziser einschätzen zu können.
