Nitrogen deposition and elevated CO₂ effects on geochemical biomarkers in soil fractions

Anthropogenic activities are globally changing the biogeochemical cycles of carbon (C) and nitrogen (N), because of increasing emissions of carbon dioxide (CO2) and reactive N into the atmosphere. The main sources are burning of fossil fuels and fertilizer applications. Globally, soils store the largest amount of terrestrial C and annually exchange high quantities of C with plants and the atmosphere. However, under the current anthropogenic environmental changes it is not clear if soils act as sources or sinks of C. It is therefore a major challenge to study the effects of elevated atmospheric CO2 concentrations and N deposition on the stabilization and turnover of organic matter (OM) in plants and soils. Stabilization mechanisms of soil OM have recently been investigated using soil density fractionation to separate distinct soil fractions that conceptually relate to different stabilization mechanisms. Stable C isotope analysis (δ13C) of biomarkers in plant biomass and soil fractions offers the possibility to trace OM dynamics at the molecular scale and to distinguish the sources of plant- and microbial-derived OM. The aim of this dissertation is to investigate the effects of elevated atmospheric CO2 concentrations and N deposition on the stabilization and turnover of plant- and microbial-derived OM in plant biomass and soil fractions. Model forest ecosystems were established with beech and spruce trees on an acidic soil and treated with ambient and elevated CO2 concentrations in combination with two levels of N13 deposition for four years. C-depleted CO2 was used to distinguish between “new” (experimental-derived) and “old” (pre-experimental) OM. Stable C isotope analysis (δ13C) of plant- (long-chain fatty acids) and microbial-derived (amino sugars) biomarkers was performed in above- and belowground biomass of the two tree species and in soil density fractions. Total organic C and microbial biomarkers (bacterial and fungal) were mainly stabilized by association with soil minerals. Bacterial biomarkers were relatively enriched at soil minerals compared to fungal biomarkers. In contrast, plant biomarkers did not accumulate at soil minerals, which suggest that they are not as effectively stabilized by association with soil minerals as total organic C or microbial biomarkers. These results indicate that stable OM in soils is mainly of microbial origin and preferentially stabilized at soil minerals. Plant and fungal biomarkers showed equal turnover compared to total organic C, while bacterial biomarkers had slightly lower turnover. These results suggest that soil OM from different origins has generally a similar turnover, independent of its chemical structure and that soil OM turnover is instead controlled by processes like aggregation or interaction with soil minerals that protect OM from microbial degradation. N deposition effects on “new” (experimental-derived) biomarkers were only apparent for fungal biomarkers, while “old” (pre-experimental) biomarkers were often affected. Under increased N deposition, a retarded decomposition of “old” OM in fine mineral soil fractions was observed for both, plant and microbial biomarkers. These results support previous observations for total OM. The retarded decomposition of “old” OM might be attributed to reduced mining of microorganisms for N in native soil OM, if additional inorganic N is available. This mechanism might be especially important in fine mineral soil fractions, where OM is protected from microbial degradation by association with soil minerals. Temperate forests are the major ecosystem in Europe and the reduced mining of microorganisms for native soil organic C under increased N deposition might affect the C balance of European soils, because it potentially increases soil C sequestration. However, on a global basis, temperate forest soils account for only 11 % of global soil C. In this respect, the study of tropical forest ecosystems is a potential area of future research with high relevance to global soil C storage. ZUSAMMENFASSUNG Anthropogene Tatigkeiten verandern durch steigende Emissionen von Kohlenstoffdioxid (CO2) und reaktivem Stickstoff in die Atmosphare die globalen biogeochemischen Kreislaufe von Kohlenstoff und Stickstoff. Ausschlaggebende Quellen sind die Verbrennung fossiler Brennstoffe sowie die Erzeugung und Ausbringung von Dungemitteln. Boden speichern global die grossten Mengen von terrestrischem Kohlenstoff und tauschen jahrlich hohe Mengen an Kohlenstoff mit Pflanzen und der Atmosphare aus. Unter den derzeitigen anthropogenen Umweltveranderungen ist jedoch nicht klar, ob Boden als Quellen oder Senken von Kohlenstoff wirken. Daher ist die Untersuchung der Auswirkungen von erhohten atmospharischen CO2-Konzentrationen und Stickstoffdepositionen auf die Stabilisierung und den Umsatz der organischen Substanz in Pflanzen und Boden eine bedeutende Aufgabe. Stabilisierungsmechanismen der organischen Bodensubstanz wurden jungst mittels Dichtefraktionierung von Boden erforscht. Dies ermoglicht eine Trennung unterschiedlicher Bodenfraktionen, welche konzeptuell in Beziehung zu verschiedenen Stabilisierungsmechanismen stehen. Die Analyse stabiler Kohlenstoffisotope (δ13C) in Biomarkern bietet zudem die Moglichkeit, die Dynamik der organischen Substanz auf der molekularen Ebene zu verfolgen und zwischen organischer Substanz aus pflanzlichen und mikrobiellen Quellen zu unterscheiden. Die vorliegende Dissertation beabsichtigt, die Auswirkungen von erhohten atmospharischen CO2-Konzentrationen und Stickstoffdepositionen auf die Stabilisierung und den Umsatz von pflanzlichen und mikrobiellen Biomarkern in Pflanzenbiomasse und Bodenfraktionen zu untersuchen. Modellwaldokosysteme wurden mit Buchen und Fichten auf einem sauren Boden errichtet und mit umgebenden und erhohten CO2-Konzentrationen in Kombination mit zwei Stufen von 13 Stickstoffdepositionen fur vier Jahre behandelt. C-abgereichertes CO2 wurde benutzt, um zwischen „neuer“ (wahrend dem Experiment entstandener) und „alter“ (vor dem Experiment bestehender) organischer Substanz zu unterscheiden. Stabile Kohlenstoffisotope (δ13C) von pflanzlichen (langkettige Fettsauren) und mikrobiellen (Aminozucker) Biomarkern wurden in ober- und unterirdischer Biomasse der zwei Baumarten sowie in Bodendichtefraktionen analysiert. Der gesamte organische Kohlenstoff und die mikrobiellen Biomarker (bakterielle und pilzliche) wurden hauptsachlich durch Assoziation mit Bodenmineralen stabilisiert. Bakterielle Biomarker waren an Bodenmineralen relativ angereichert im Vergleich zu pilzlichen Biomarkern. Im Gegensatz dazu akkumulierten pflanzliche Biomarker nicht an Bodenmineralen, was darauf hinweist, dass diese nicht so effektiv durch Assoziation mit Bodenmineralen stabilisiert werden als der gesamte organische Kohlenstoff oder mikrobielle Biomarker. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die stabile organische Bodensubstanz hauptsachlich mikrobiellen Ursprungs und praferenziell an Bodenmineralen stabilisiert ist. Pflanzliche und pilzliche Biomarker zeigten einen ahnlichen Umsatz im Vergleich zum gesamten organischen Kohlenstoff, wahrend bakterielle Biomarker einen etwas niedrigeren Umsatz hatten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass organische Bodensubstanz aus verschiedenen Quellen generell einen ahnlichen Umsatz hat und dass der Umsatz unabhangig von der chemischen Zusammensetzung ist. Der Umsatz der organischen Bodensubstanz scheint vielmehr von Prozessen wie Aggregation und Interaktion mit Bodenmineralen kontrolliert zu werden, welche die organische Bodensubstanz vor mikrobiellem Abbau schutzen. Auswirkungen von Stickstoffdeposition auf „neue“ Biomarker wurden nur fur pilzliche Biomarker beobachtet, wohingegen „alte“ Biomarker ofter von Stickstoffdeposition beeinflusst wurden. Ein gehemmter Abbau von „alter“ organischer Substanz in feinen mineralischen Bodenfraktionen wurde fur beide, pflanzliche sowie mikrobielle Biomarker unter erhohter Stickstoffdeposition beobachtet. Diese Resultate bestatigen fruhere Beobachtungen an der gesamten organischen Bodensubstanz. Der gehemmte Abbau „alter“ organischer Bodensubstanz kann auf ein vermindertes Ausbeuten der nativen organischen Bodensubstanz zur Stickstoffgewinnung durch Mikroorganismen zuruckgefuhrt werden, wenn diese zusatzlich anorganischen Stickstoff zur Verfugung haben. Dieser Mechanismus scheint in feinen mineralischen Bodenfraktionen besonders wichtig zu sein, da die organische Bodensubstanz dort durch Assoziation mit Bodenmineralen vom mikrobiellen Abbau geschutzt ist. Temperierte Walder sind die bedeutendsten Okosysteme in Europa. Der gehemmte Abbau der nativen organischen Bodensubstanz durch Mikroorganismen unter erhohten Stickstoffdepositionen konnte Auswirkungen auf die Kohlenstoffbilanz europaischer Boden haben, da es potentiell zu einer erhohten Speicherung von Kohlenstoff in Boden kommen kann. Weltweit tragen Boden in temperierten Waldern jedoch nur 11 % zum globalen Bodenkohlenstoff bei. Daher ist die Untersuchung tropischer Waldokosysteme ein potentielles Feld zukunftiger Forschung, da diese eine grossere Relevanz fur die Speicherung von organischem Bodenkohlenstoff auf globaler Ebene haben.