Gross N2O fluxes across soil-atmosphere interface and stem N2O emissions from temperate forests

Obwohl Distickstoffmonoxid (N2O) zu den Nebenbestandteilen der Atmosphäre zählt, ist es doch von großer Bedeutung. Es hat signifikanten Einfluss auf die Physik und Chemie der Atmosphäre und beeinflusst damit das Klima auf der Erde. Der Boden ist eine wichtige N2O-Quelle, mit mikrobieller Nitrifikation und Denitrifikation als bestimmende Prozesse der N2O-Produktion. Boden-N2O-Flüsse zeigen gewöhnlich hohe räumlich-zeitliche Variabilität, denn mikrobielle Prozesse von N2O-Produktion und -Verbrauch sind jeweils von der Substratverfügbarkeit, dem Redoxpotential und der Temperatur abhängig. Auch können Pflanzen die N2O-Flüsse beeinflussen, indem sie Bodeneigenschaften und mikrobielle Gesellschaften verändern und als zusätzlicher Transportkanal für bodenbürtiges N2O dienen. Dennoch fällt es schwer, die volle Komplexität von Prozesse der N2O-Produktion, des -Verbrauchs und des -Transports zu verstehen sowie ebenfalls die Verbindungen zu den abiotischen Faktoren (z.B. Bodenklima, -physik und -chemie) und biotischen Faktoren (z.B. Interaktion mikrobielle Biomasse/Pflanze/Boden). Die Schwierigkeit, N2O-Produktion und -Verbrauch im Boden zu messen wirkt sich auf die Möglichkeit der Vorhersage von N2O-Dynamiken im System Boden/Atmosphäre aus. Das Ziel der ersten Studie war es, N2O-Produktion und-Verbrauch voneinander zu trennen, indem 15N2O pool dilution (PD)- und gas-flow soil core (GFSC)-Messungen verglichen wurden. Intakte Bodenzylinder wurden in Grasland, Ackerland, Buchen- und Kiefernwäldern genommen um verschiedene Vegetation, Bodentypen und Klimabedingungen abzudecken. Über die Versuchsflächen war die N2O-Produktion und -Verbrauch, gemessen mit 15N2OPD nur 10% bzw. 6% derer, die mit GFSC gemessen wurden. Daher schlagen wir eine unterschiedliche Terminologie für die N2O-Flüsse nach den jeweiligen Methoden vor: ‘Brutto-N2O-Emmission und -Aufnahme’ sind für 15N2OPD geeignet, welche den Gasaustausch zwischen den 15N2O-markierten luftgefüllten Bodenporen umfasst; ‘Brutto-N2O-Produktion und -Verbrauch’ kann für GFSC genutzt werden, welches das N2O beinhaltet, welches in anaeroben Mikroarealen zu N2 reduziert wird. Obwohl die 15N2OPD nur einen Teil der Brutto-N2O-Produktion im Boden messen konnte ist sie die einzige Methode, die unter Feldbedingungen zur Quantifizierung der atmosphärischen N2O-Aufnahme genutzt werden kann, welches ein wichtiger, oft nicht quantifizierter Prozess vieler Ökosysteme ist. Das Ziel der zweiten Studie war es, zeitliche Variabilität und Umwelteinflüsse auf N2O-Flüsse zu quantifizieren. Es wurden die Brutto-N2O-Emission und Brutto-N2O-Aufnahme mit Hilfe der 15N2OPD-Technik gemessen, welche in der ersten Studie validiert wurde. Die asymbiotische N2-Fixierung wurde ebenfalls gemessen, um Rückschlüsse auf das gasförmige N-Gleichgewicht zu ziehen. Dieses Experiment wurde in angrenzenden Fichten- und Buchenwäldern in der Mitte Deutschlands durchgeführt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Buchenbestände höhere Boden-Brutto- und -Netto-N2O-Emissionen und asymbiotische Stickstoff(N2)-Fixierung aufwiesen als die Fichtenbestände. Die saisonale Variabilität der Brutto-N2O-Emission wurde hauptsächlich durch die Boden-Nitrat(NO3)-Konzentration bestimmt; die Brutto- N2O-Aufnahme war stark durch den aus dem Boden extrahierbaren organischen Kohlenstoff(C) beeinflusst; und die asymbiotische N2-Fixierung korrelierte mit dem aus dem Boden extrahierbaren C und der Temperatur. Die asymbiotische N2-Fixierung war eine Magnitude niedriger als die Brutto-N2O-Aufnahme in diesen stark sauren, N-angereicherten Waldböden. Das Ziel der dritten Studie war es, die baumbürtigen N2O-Flüsse unter Feldbedingungen zu ermitteln und ihren Anteil an den N2O-Gesamtflüssen im Wald zu bestimmen. Hierbei wurden die in situ-Stamm-N2O-Flüsse von großen Erlen auf schlecht abfließenden Böden und großen Buchen und Fichten auf gut abfließenden Böden quantifiziert. Erle, Buche und Fichte emittierten konsistent N2O über den Stamm und zeigten alle höhere Emissionsraten im Sommer als im Frühjahr und Herbst. Stamm-N2O-Flüsse von Erle waren höher als von Buche und Fichte, auf Grund der Anwesenheit von Parenchym und Lentizellen sowie höherem Bodenwasseranteil und der Boden-C- und -N-Verfügbarkeit im Erlenbestand. Die Stamm-N2O-Flüsse bildeten 8-11% der Gesamt(Boden + Stamm)-N2O-Flüsse im Fichten- und Buchenbestand, wobei sie im Erlenbestand mit seinen hohen N2O-Emissionen nur 1% der Gesamtflüsse ausmachten. Insgesamt bietet die Studie neue Einblicke in die Brutto-N2O-Flüsse und asymbiotische N2-Fixierung welche bisher nicht in anderen Ökosystemen untersucht wurden, und bringt eine Abschätzung von baumbürtigen N2O-Flüssen, die das N-Budget von Waldökosystemen verbessern kann. Unsere Befunde zeigen, dass die 15N2OPD-Technik ein wertvolles Werkzeug darstellt, um die Netto-N2O-Flüsse von Brutto-N2O-Emission und -Aufnahme in der Gasphase von Böden zu separieren. Sie erlaubte es jedoch wahrscheinlich nicht, Brutto- N2O-Produktion und -Verbrauch in anaeroben Mikroarealen zu messen. Brutto-N2O-Emission spielte eine bedeutende Rolle in der Änderung der Richtung und der Magnitude der N2O-Flüsse und ihre regressiven Beziehungen eröffnen auch die Möglichkeit, Schätzungen der Boden-Brutto-N2O-Emissionen basierend auf den gemessenen Boden-Netto-N2O-Emissionen. Die Baumart hatte großen Einfluss auf die N2O-Emission, den Netto N2O-Fluss und die asymbiotische N2-Fixierung. Somit ist eine großskalige Quantifizierung im Feld bei vergleichbaren Bodentypen und klimatischen Bedingungen auf der Basis von Baumartenstratifizierung erfolgversprechend. Bäume feuchter Gebiete und solche höhergelegener Gebiete funktionieren als Kanal von bodengeneriertem N2O und der relative Beitrag von baumbürtigen N2O-Flüsse ist wichtiger für Bäume hochgelegener Gebiete als für Bäume feuchter Gebiete.

Although nitrous oxide (N2O) is a minor constituent of the atmosphere, it is still of great concern. This is because N2O can significantly affect the physics and chemistry of the atmosphere and thus influence the climate on Earth. Soil is a major source of N2O, and microbial nitrification and denitrification are the dominant N2O producing processes. Soil N2O fluxes usually exhibit significantly spatio-temporal variability since the microbial processes of N2O production and consumption are both affected by the substrate availability, redox potential and temperature. Moreover, plants can influence soil N2O fluxes through altering soil properties and microbial communities and through serving as additional conduits for transport of soil-generated N2O. However, we are still struggling to fully understand the complexity of N2O production, consumption and transportation processes in soil, and the links to abiotic (e.g. soil climate, physics and chemistry) and biotic (e.g. microbial–plant–soil interactions) factors. The difficulty of measuring gross N2O production and consumption in soil impedes our ability to predict N2O dynamics across the soil-atmosphere interface. The aim of the first study was to disentangle gross N2O production and consumption in soil by comparing 15N2O pool dilution (PD) and gas-flow soil core (GFSC) measurements. Intact soil cores were taken from grassland, cropland, beech and pine forests, covering different vegetation, soil types and climatic conditions. Across sites, gross N2O production and consumption measured by 15N2OPD were only 10% and 6%, respectively, of those measured by GFSC. Hence, we proposed to use different terminologies for the two methods. ‘Gross N2O emission and uptake’ are appropriate for 15N2OPD, which encompasses gas exchange within the 15N2O-labelled, soil air-filled pores; while ‘gross N2O production and consumption’ can be used for GFSC, which includes N2O directly reduced to N2 in anaerobic microsites. Although the 15N2OPD could measure only part of gross N2O production in soil, it is the only method that can be used under field conditions to quantify atmospheric N2O uptake, an important process commonly unquantified in many ecosystems. The aim of the second study was to quantify temporal variability and environmental controls of gross N2O fluxes. We measured gross N2O emission and gross N2O uptake using the 15N2OPD technique that we validated in the first study. Asymbiotic N2 fixation was also measured to infer the gaseous N balance. This experiment was conducted in adjacent spruce and beech forests in central Germany. Our results showed that the beech stand had higher soil gross and net N2O emissions and asymbiotic N2 fixation than the spruce stand. Seasonal variation of gross N2O emission was mainly controlled by soil NO3- concentration; gross N2O uptake was largely influenced by soil extractable organic C; and asymbiotic N2 fixation was correlated with soil extractable organic C and temperature. Asymbiotic N2 fixation was an order of magnitude lower than gross N2O uptake in these highly acidic, N-enriched forest soils. The aim of the third study was to determine tree-mediated N2O fluxes under field conditions as well as their contributions to total forest N2O fluxes. Here, we quantified in situ stem N2O fluxes from mature alder trees on poorly-drained soil and mature beech and spruce trees on well-drained soils in central Germany. Alder, beech and spruce consistently emitted N2O via stems and all displayed higher emission rates in summer than in spring and autumn. Stem N2O fluxes from alder were higher than beech and spruce due to the presence of aerenchyma and lenticels as well as higher soil water content and soil C and N availability in the alder stand. Stem N2O fluxes represented 8-11% of the total (soil + stem) N2O fluxes in the spruce and beech stands, whereas in the alder stand with its large soil N2O emission stem emission contributed only 1% of the total flux. Overall, this research provides new insights into gross N2O fluxes and their environmental factors, and also provides an estimate of tree-mediate N2O fluxes which can improve N budgets of forest ecosystems. Our findings show that the 15N2O PD technique was a valuable tool to separate the net N2O flux into gross N2O emission and gross N2O uptake in the gas phase of the soils, but probably did not allow measuring gross N2O production and consumption in anaerobic microsites. Gross N2O emission played an important role in controlling the direction and magnitude of net N2O flux. And the regression relationships between gross N2O emission and net N2O fluxes also open the possibility of making estimates of soil gross N2O emissions based on measured soil net N2O emissions. Tree species had a large influence on gross N2O emission, net N2O flux and asymbiotic N2 fixation, and thus large-scale field quantification under similar soil types and climatic conditions can be based on tree-species stratification as a promising basis to scale up these rates. Lastly, both wetland trees and upland trees act as important conduits for soil-generated N2O and the relative contribution of tree-mediated N2O fluxes to the total N2O fluxes is more important in upland trees than in wetland trees.