Nitrate uptake, root exudation, and litter quality - crop plant effects on denitrification and its product stoichiometry

by Pauline Sophie Rummel
Doctoral thesis
Date of Examination:2020-07-13
Date of issue:2021-06-18
Advisor:Prof. Dr. Klaus Dittert
Referee:Prof. Dr. Klaus Dittert
Referee:Prof. Dr. Johanna Pausch
Referee:Prof. PhD Søren O. Petersen
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8673

 

 

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Abstract

English

Agricultural soils are the largest anthropogenic source of nitrous oxide (N2O) – a potent greenhouse gas that is primarily originating from the microbial processes denitrification and nitrification. While denitrification mainly occurs when O2 partial pressure (pO2) is low, nitrification is a strictly aerobic process. The presence of plants strongly alters both N cycling processes in soils by affecting C and N availability for microorganisms. Growing plants take up N from the soil competing with microorganisms for available N. At the same time, plant roots exude organic C compounds increasing Corg availability in rooted soils, thus controlling the main substrates for denitrification. The first chapter of this thesis investigated the effect of NO3- uptake and Corg exudation on total and denitrification-derived N2O emissions. Healthy growing plants decreased soil moisture and NO3- content which restricted N2O emissions. In contrast, high denitrification-derived N2O+N2 emissions were measured from poorly growing plants with lower water and NO3 - uptake. As NO3- was the limiting substrate for denitrifiers, Corg availability did not affect N2O+N2 emissions. After harvest, plant litter is incorporated into the soil increasing C availability for microorganisms. Depending on its chemical quality (C:N ratio, C compounds), litter may lead to increased NO3- availability from mineralization or to immobilization of N to decompose C compounds. In both studies presented, addition of plant litter increased N2O losses compared to the unamended control. In chapter 2, water-soluble C from litter together with NO3- from mineralization controlled both CO2 and N2O emissions. Increased microbial respiration reduced pO2 leading to the formation of plant litter associated hotspots for denitrification when both Corg and NO3- were available. In chapter 3, N2O+N2 emissions increased linearly with litter C input. Litter C:N ratio controlled mineralization and immobilization and the N2O/(N2O+N2) ratio although NO3- was not limited. During the oxic incubation phase, most denitrification took place in anoxic hotsports where N2O was directly reduced to N2. When N was mineralized, nitrification contributed to NO and N2O formation with a subsequent shift towards fungal denitrification in litter-amended soil. Altogether, these studies showed that the presence of plants increased C availability for soil microorganisms, while N availability depended on plant N uptake and mineralization. However, only when both NO3- and Corg availability were high, high denitrification-derived N2O emissions were detected. Furthermore, the ratio of available C to available NO3- controlled the product ratio of denitrification N2O/(N2O+N2), and together with pO2 affected the share of nitrification, bacterial and fungal denitrification to N2O formation.
Keywords: Denitrification; Nitrogen cycling; Carbon cycling

German

Landwirtschaftliche Böden sind die größte anthropogene Lachgasquelle (N2O). N2O ist ein starkes Treibhausgas, dass größtenteils in den mikrobiellen Prozessen Nitrifikation und Denitrifikation entsteht. Während Denitrifikation hauptsächlich stattfindet, wenn Sauerstoff (O2) knapp ist, ist die Nitrifikation ein strikt aerober Prozess. Pflanzen beeinflussen beide N-Umsetzungsprozesse indem sie die Verfügbarkeit von C und N für Mikroorganismen verändern. Wachsende Pflanzen nehmen N aus dem Boden auf und konkurrieren dabei mit Mikroorganismen um verfügbaren N. Gleichzeitig scheiden Pflanzenwurzeln C-haltige Verbindungen aus und erhöhen die C-Verfügbarkeit im Boden. Dadurch beeinflussen Pflanzen die beiden wichtigsten Substrate für die Denitrifikation. Im ersten Kapitel dieser Dissertation wurde der Einfluss von NO3- -Aufnahme und Corg-Exudation auf die gesamten und aus Denitrifikation stammenden N2O Emissionen untersucht. Gesunde, wachsende Pflanzen verringerten die Bodenfeuchte und den NO3- -Gehalt, sodass nur geringe N2O Emissionen gemessen wurden. Im Gegensatz dazu wurden hohe N2O+N2 Emissionen aus Denitrifikation gemessen, wenn die Pflanzen schlecht wuchsen und ihre Wasser- und NO3- -Aufnahme geringer war. Da NO3- das limitierende Substrat für die Denitrifikation war, hatte die Corg-Verfügbarkeit keinen Einfluss auf die N2O+N2 Emissionen. Nach der Ernte werden Pflanzenrückstände in den Boden eingearbeitet und erhöhen die C-Verfügbarkeit für Mikroorganismen. Abhängig ihrer chemischen Qualität (C:N Verhältnis, C-Verbindungen) können diese Erntereste sowohl zu erhöhter NO3- -Verfügbarkeit durch Mineralisierung organischer Verbindungen führen als auch zu Immobilisierung von N um C-Verbindungen abzubauen. In den beiden vorgestellten Studien wurden höhere N2O Emissionen mit Erntereste n gemessen als in der Kontrolle. Im 2. Kapitel wurden die N2O und CO2 Emissionen hauptsächlich durch den Anteil an wasserlöslichem C aus den Ernteresten und durch NO3- -Verfügbarkeit aus Mineralisierung beeinflusst. Ein Anstieg der mikrobiellen Atmung führte zur Bildung von Hotspots für die Denitrifikation, wenn sowohl NO3 - als auch Corg verfügbar waren. Im 3. Kapitel stiegen die N2O+N2 Emissionen mit steigendem C-Input aus Ernteresten linear an. Das C:N Verhältnis der Streu beeinflusste die Mineralisierung bzw. Immobilisierung und das N2O/(N2O+N2) Verhältnis, obwohl NO3 - nicht limitierend war. Während der oxischen Inkubationsphase fand die meiste Denitrifikation in anoxische Hotspots statt wo N2O direkt zu N2 reduziert wurde. Wenn N mineralisiert wurde, trug Nitrifikation zur Bildung von NO und N2O bei, während pilzliche Denitrifikation mit fortlaufender Inkubationszeit zunahm. Insgesamt zeigen diese Studien, dass Pflanzen die C-Verfügbarkeit für Bodenmikroorganismen erhöhen, während die N-Verfügbarkeit von der N-Aufnahme der Pflanzen und der N-Mineralisierung im Boden abhängt. Nur wenn sowohl NO3- als auch Corg verfügbar waren, wurden hohe N2O Emissionen aus Denitrifikation gemessen. Außerdem war beeinflusste das Verhältnis an verfügbarem C zu NO3- abhängig das Produktratio der Denitrifikation N2O/(N2O+N2) und zusammen mit der O2-Verfügbarkeit die Anteile von Nitrifikation, bakterieller und pilzlicher Denitrifikation an der Lachgasbildung.
 
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