Controls on soil organic matter decomposition along a latitudinal transect in Western Siberia

• Main Author: Teufl, Anna
• Format: Thesis
• Language: unknown
• Published: 2015
• Subjects: 42.91 Terrestrische Ökologie; 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines; 43.47 Globale Umweltprobleme; 42.90 Ökologie: Allgemeines; Humusabbau / Stickstofflimitierung / mineralischer Bodenhorizont / Tundra / Taiga / Steppe / Transekt / Incubationsexperiment / Respiration / Enzyme; SOM decomposition / priming effect / nitrogen limitation / mineral soil horizon / tundra / taiga / steppe / transect / incubation experiment / respiration / enzyme; Langen; Arktis*; taiga; Tundra; Siberia
• Online Access: http://othes.univie.ac.at/39511/

Die Veränderungen des globalen Kohlenstoffkreislaufs werden voraussichtlich die Einträge von organischem Material in Böden beeinflussen und dadurch auch den mikrobiellen Abbau von organischem Material modifizieren. Vor allem in arktischen und subarktischen Ökosystemen können die Auswirkungen solcher Veränderungen beachtlich sein, da deren Produktivität und Abbauraten durch die Stickstoffverfügbarkeit stark limitiert sind. Bisherige Studien deuten darauf hin, dass mit der geographischen Breite die Stickstofflimitierung zunimmt und die Energieverfügbarkeit (Kohlenstoff) mit der Bodentiefe stagniert. Jedoch ist bisher noch wenig über die Veränderungen des Abbaus in verschiedenen Bodenschichten entlang eines Breitengradienten bekannt. Ebenso fraglich ist, wie sich diese in Folge von veränderter Nährstoffzufuhr verhalten werden. Zu diesem Zweck wurden in dieser Studie Bodenproben des ersten und zweiten mineralischen Bodenhorizontes eines 1 500 km langen kontinentalen Transekts durch Westsibirien, welcher sich über vier nördliche Ökosysteme erstreckt, mit zusätzlichen Nährstoffen versetzt. Zellulose und Protein wurden hierzu als Energiequelle bzw. Protein als zusätzliche Stickstoffquelle ausgewählt. Den Teilgruppen wurden einerseits nur Zellulose und andererseits Zellulose mit Protein (C:N Verhältnis von 10:1) hinzugefügt. Es wurden wöchentliche Messungen der Respirationsraten durchgeführt sowie die Kohlenstoff- und Stickstoff-Pools, mikrobielle Biomasse und potentielle Enzymaktivitäten vor und nach der sechswöchigen Inkubationszeit ermittelt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von Zellulose und Protein die Respirationsraten signifikant steigern konnten, jedoch diese Steigerungen keinem klaren Muster über die Breitengrade hinweg folgten. Gleiches gilt für die mikrobielle Aktivität in Form von Enzymproduktion, die mit zusätzlichem Stickstoff, ohne Einfluss von Breitengraden oder Enzymart, erhöht werden konnte. Entgegen der Erwartungen konnte die Zugabe von Zellulose als Energiequelle weder einen Anstieg der Respiration noch der mikrobellen Biomasse in beiden Horizonten bedingen. Dies unterstreicht die Wichtigkeit der Stickstoffverfügbarkeit für mikrobielle Prozesse auch in tiefen mineralischen Bodenhorizonten, welche als energie- oder kohlenstofflimitiert vermutet wurden. Zusammenfassend konnte ich mit meiner Studie weder die verbessernde Wirkung von Zellulose auf die mikrobiellen Zersetzer in tiefen Bodenschichten noch die unterschiedliche Wirkungsweise von Stickstoffzufuhr entlang des Gradienten beweisen. Es konnte allerdings gezeigt werden, dass die zusätzliche Proteingabe die mikrobielle Aktivitäten wie Respiration und Enzymproduktion signifikant steigern kann und die Verfügbarkeit von stickstoffhaltigem Material potentiell die Aktivität von mikrobiellen Zersetzern, in zur Zeit noch limitierten nördlichen Ökosystemen, erhöhen kann. Climate change induced alterations in the global carbon cycle are predicted to influence the input of organic matter into soils and - as a result – alter microbial decomposition of soil organic matter. These alterations may be specifically pronounced in high latitudinal ecosystems where production and decomposition rates are exceedingly limited by nitrogen. Even though it is commonly assumed that nitrogen limitation increases with latitude and available energy (carbon) decreases with soil depth, little is known about changes in decomposition rates of different soil horizons along a latitudinal transect and how this may change due to alterations in organic matter input. I here report a study in which soil samples of the first and second mineral horizon of four biomes along a 1.500 km continental latitudinal transect in Western Siberia were supplemented with cellulose and protein in a laboratory incubation experiment. I measured respiration rates, soil carbon and nitrogen pools, microbial biomass and potential enzyme activities. My results show a significant increase in respiration rates after cellulose plus protein amendments; however, these increases exhibited no clear latitudinal pattern. Similarly, microbial activity estimated as potential enzyme activities was shown to be positively influenced by nitrogen amendments without any effect of latitude or type of enzyme. In contrast, cellulose amendment failed to increase respiration or microbial biomass production in both horizons, corroborating the importance of nitrogen for microbial processes, even in lower mineral horizons, which were thought to be carbon (energy) limited. In conclusion, neither the suggested ameliorating effects of cellulose amendments on decomposer communities in deeper soil nor a latitudinal pattern of the effect of protein addition could be found in our study. However, additional protein amendment increased the respiration and enzyme production of decomposer communities, which lead us to the conclusion that the input of nitrogen containing organic matter has the potential to enhance the activity of decomposers in northern ecosystems.