Soil Carbon Dioxide dynamics and Nitrogen cycling in an Eastern Amazonian Rainforest, Caxiuana, Brazil | Boden Kohlendioxyd-Dynamik und Stickstoffkreislauf in einem Regenwald in Ostamazonien Caxiuana, Brasilien

Es ist noch unbekannt, wie sich Klimaänderungen und steigende N-Einträge auf den Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf tropischer Böden auswirken. In dieser Studie bewertete ich die CO2-Dynamik im Boden sowie den N-Kreislauf in einem Primärwald. Die Studie gliedert sich in drei Teile: 1) Messung der CO2 Ausgasungsrate und deren standörtliche Steuergrößen an zwei Oxisol Standorten mit unterschiedlicher Bodentextur und Geländelage, 2) die Untersuchung wie stark sich bei Ausschluss des Bestandesniederschlages (TFE Experiment) die Boden-CO2 Produktion in einem stark verwitterten sandigen Oxisol verändert und 3) eine Bewertung des Boden-Stickstoffstatus an zwei stark verwitterten Oxisolen unterschiedlicher Textur (sandig versus tonig). Zwei Jahre lang wurden die Boden-CO2-Ausgasungsraten, CO2-Konzentrationen, die Bodentemperatur und die Feuchtigkeit der Profile bis in 3 m Tiefe gemessen. Mittels Isotopenverdünnungsanalyse wurden für beide Böden die Raten der N- Transformierung sowie der N-Retention gemessen. Die wichtigsten Ergebnisse sind:1) Die durchschnittliche CO2-Ausgasungsrate war im Sand (3.93 ± 0.06 µmol CO2 m-2s-1) 21 % höher als im Ton (3.08 ± 0.07 µmol CO2 m-2s-1). Keine Unterschiede wurden in der Bodentemperatur zwischen beiden Standorten gemessen, während der Bodenwassergehalt im sandigen Boden (23.2 ± 0.33 %) geringer war als im tonigen Boden (34.5 ± 0.98 %). Die Boden-CO2-Ausgasungsrate unterschied sich nicht zwischen der Trocken und Regenzeit, aber ich fand eine signifikante Wechselwirkung zwischen der Jahreszeit und der topografischen Lage. Der mittlere Beitrag der Streu zur CO2-Ausgasungsrate war 20 % und variierte von 25 % innerhalb der Regenzeit bis nahezu 0 % während der Trockenzeit. Die Ergebnisse unserer Studie zeigen, dass Bodenwasser eine steuernde Größe der zeitlichen Variation der Boden-CO2-Ausgasungsraten in diesem Primärwald ist. Bei der Extrapolation der CO2-Ausgasungsraten zu größeren Flachen zeigt der signifikante Einfluss von Bodentextur, Streu und Wechselwirkung der topografischen Lage und Zeit, dass es notwendig, ist diesen Anteil der Landschaftskomplexität mit zu berücksichtigen.2) TFE reduzierten den Boden von 4.3 ± 0.1 µmol CO2 m-2 s-1 (Kontrolle) zu 3.2 ± 0.1 µmol CO2 m-2 s-1 (TFE). Der Beitrag des Unterbodens (unterhalb 0.5 m Tiefe) zur der Gesamtproduktion von CO2 war in dem TFE Plot größer (28 %) als in dem Kontrollplot (17 %) und er unterschied sich nicht zwischen den Jahren. Ich unterschied drei Phasen der Trocknung nachdem TFE gestartet war. Die erste Phase war durch die Umschichtung der Wasseraufnahme (und begleitender Wurzelaktivität) zu tieferen Schichten und durch einen zu geringen Wasserstress um die mikrobielle Aktivität und/oder die Wurzelatmung zu beeinflussen charakterisiert. Während der zweiten Phase stand die Aktivität von Boden und Streuzersetzern mit der Reduzierung der gesamten Boden-CO2-Ausgasungsrate in dem TFE Plot in Beziehung. Die dritte Trocknungsphase war durch einen kontinuierlichen Abfall der Boden CO2 Produktion charakterisiert, der durch einen Wasserstress induzierten Abfall in der gesamten Wurzelatmung hervorgerufen wurde. Diese Ergebnisse unterscheiden sich stark von einem Trocknungsexperiment in einem tonigem Oxisol, was ich durch Unterschiede in der Wasserhaltekapazität und Durchwurzelungstiefe erkläre. Ich folgere, dass Waldökosysteme in Amazonien, die sich auf Böden mit einer groben Textur befinden, sensitiver gegenüber Trockenheit sind als Wälder, die sich auf schwereren Böden befinden. Letztere können die relativ geringe Wasserhaltekapazität der Oberböden mit Wasser aus tieferen Bodenschichten kompensieren.3) Der tonige Oxisol hatte eine große Bruttorate der N-Mineralisation, Nitrifizierung und des 15N -Anreicherungsfaktors und somit ein großes Potential für N Verluste. Demgegenüber hatte der sandige Oxisol vergleichsweise niedrige Bruttoraten und reagierte ähnlich einem Boden der N limitiert ist. Schnellere Umsatzzeiten von NH4 im Vergleich zu NO3 zeigten an, dass NH4 schneller durch Mikroorganismen umgesetzt wird als NO3, möglicherweise führt dies zu einer besseren Retention von NH4 im Vergleich zu NO3. Jedoch war dieser Prozess bei abiotischen Retentionsprozessen umgekehrt, welcher für NO3höhere Umwandlung zum organischen N Pool zeigte als NH4. Die verknüpften Ergebnisse zeigen, dass einige Waldböden in Amazonien höhere N-Verfügbarkeit als andere haben, was entscheidende Konsequenzen für den Kreislauf und Verluste des Bodenstickstoffs hat, wenn der vorhergesagte Anstieg anthropogener N Einträge stattfindet.

The significance of climate changes and of increasing N deposition to the interaction of both carbon and nitrogen cycles in tropical soils is still unknown and deserves more attention. In this study I evaluate soil CO2 dynamics and N cycling in an old-growth forest. The study was divided in three parts: 1) measurement of soil CO2 efflux and its environmental controls from two Oxisol sites with contrasting soil texture and at different landscape positions, 2) observation of how a throughfall exclusion (TFE) experiment affected soil CO2 production in a deeply weathered sandy Oxisol of Caxiuanã, and 3) evaluation of the soil N status of two heavily weathered soils which contrast in texture (sand versus clay). Over the course of two years, soil CO2 efflux and soil CO2 concentrations, soil temperature and moisture in pits down to 3 m depth was measured. Using 15N pool dilution, for both soils rates of N cycling (gross rates of N transformation) and N retention (microbial N immobilization, dissimilatory NO3- reduction to NH4+, and abiotic N immobilization) were quantified. The most important results are:1) Average CO2 efflux was 21% higher for sand (3.93 ± 0.06 µmol CO2 m-2s-1) than for the clay (3.08 ± 0.07 µmol CO2 m-2s-1). No difference was detected for soil temperature between sites, while soil water content in sandy soil (23.2 ± 0.33 %) was much lower than the clay soil (34.5 ± 0.98 %), for the two-year period. Soil CO2 efflux did not differ between dry and wet season, but I detected a significant interaction between season and topographic position. Mean contribution of the litter layer to the CO2 efflux rates was 20 % and varied from 25 % during the wet season to close to 0 % during the dry season. The results of our study illustrate that soil moisture is an important driver of temporal variations in soil CO2 efflux in this old-growth forest. When extrapolating soil CO2 efflux to larger areas, a significant influences of soil texture, litter, and the interaction of topographical position and time illustrate that it is necessary to include some of the complexity of landscapes.2) TFE reduced soil CO2 efflux from 4.3 ± 0.1 µmol CO2 m-2 s-1 (control) to 3.2 ± 0.1 µmol CO2 m-2 s-1 (TFE). The contribution of the subsoil (below 0.5 m depth) to the total soil CO2 production was higher in the TFE plot (28 %) compared to the control plot (17 %), and it did not differ between years. I distinguished three phases of drying after the TFE was started. The first phase was characterized by a translocation of water uptake (and accompanying root activity) to deeper layers and not enough water stress to affect microbial activity and/or total root respiration. During the second phase a reduction in total soil CO2 efflux in the TFE plot was related to a reduction of soil- and litter decomposers activity. The third phase of drying, characterized by a continuing decrease in soil CO2 production was dominated by a water stress-induced decrease in total root respiration. These results strongly contrast to results of a drought experiment on clay Oxisols which I explain with differences in water holding capacity and depth of rooting zone. I conclude that Amazonian forest ecosystems located on soils with coarse texture are more sensitive to drought than forests located on heavier textures because they cannot compensate the relatively low water holding capacity in the top soil with water stored in deeper soil layers.3) The clay Oxisol had high gross rates of N mineralization, nitrification and 15N enrichment factor and hence high potential for N losses. The sand Oxisol had low gross rates of N cycling and 15N enrichment factor, and reacted more like a soil that is N-limited. Faster turnover rates of NH4+ compared to NO3- signified that NH4+ cycles faster through microorganisms than NO3-, possibly contributing to better retention of NH4+ than NO3-. However this was opposite to abiotic retention processes, which showed higher conversion of NO3- to the organic N pool than NH4+. The combined results suggest that some Amazonian forest soils have higher N availability than others which will have important consequences for soil N cycling and losses when projected increases in anthropogenic N deposition will occur.