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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-83000
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8300/


Kothieringer, Katja

Soil-borne gaseous C- and N-isotopic fluxes in a Bavarian spruce forest ecosystem

Bodenbürtige gasförmige C- und N-Isotopenflüsse in einem bayerischen Fichtenwaldökosystem

Dokument1.pdf (2.428 KB) (md5sum: 1e343baee81c5c4bcb7358f9ed55e956)

Kurzfassung in Englisch

Carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O) are two of the most important greenhouse gases due to their global warming potential and longevity in the atmosphere. A precise global budget of these two trace gases has not yet been determined due to a persistent uncertainty about the magnitude of sources and sinks of CO2 and N2O. However, great improvement of the understanding of sources, sinks, and especially of underlying processes, leading to the emission and uptake of these two trace gases in vegetation and soils, has been recently achieved by the application of stable isotope ratio analysis. In biogeochemical research, stable isotopes mainly are useful for process-oriented studies – besides the application to analytical purposes – by allowing the determination of the influence of various biogeochemical processes on the isotopic signature of specific compounds, and ensuring a preferably low anthropogenic bias of the samples. This is where the present study started at. The aim was to investigate carbon and nitrogen cycling, its spatio-temporal variability, and the role of plant-soil interactions in it, at two sampling sites, one control site and one clear-cut site, at a long-term forest monitoring station (Höglwald) in Bavaria by means of mainly natural abundance isotope analysis of 13C, 15N and 18O. The work comprised regular field work by taking soil and air samples in the forest, and subsequent laboratory work by applying microbiological, molecular biological, and especially stable isotope techniques.
One of the main objectives of the thesis was the determination of a long-term course of the C and N content of soil microbial biomass which plays a key role in soil C and N cycling and in the production of N2O. The determination showed significant unexpectedly high microbial C-to-N ratios in some months, deviating strongly from the long-term average value, which was probably due to fluctuations of bacterial and fungal populations in the soil. This assumption was supported by the application of a molecular biological method recently developed at the biological department of the IMK-IFU Garmisch-Partenkirchen, which allowed determining the DNA of microbial communities in selected soil samples to quantify the presence of bacteria and fungi in the Höglwald soil.
Fluxes and C- and O-isotopic signatures of CO2 gas exchange between Höglwald spruce saplings and the atmosphere were determined in two laboratory experiments under modulated environmental conditions. Investigations included responses to changes in light intensity, CO2 concentration, and air humidity. Shoots and roots were placed in different cuvettes and separated gas-tight from each other. The application of TDLAS (tunable diode laser absorption spectroscopy) allowed a temporally highly resolved analysis of shoot and root/soil CO2 exchange. Especially the delta18O value of CO2 showed a distinctive pattern with a strong increase, followed by a slow decrease, with each light-dark and dark-light transition.
Finally, the seasonal course of N- and O-isotopic compositions and emissions of N2O from Höglwald soil were quantified and analyzed to determine the location of potential sources of N2O production at different soil depths. Here, a custom-made automated sampling system recently developed at the IMK-IFU was applied for the determination of the N- and O-isotopic signatures of N2O. N2O concentrations increased with increasing soil depth, whereas delta15N and delta18O values decreased simultaneously. Furthermore, the focus was on N2O peak emissions in summer 2008 and after freeze-thawing events in February 2009, dominating the N2O budget at both sites. Additionally, the influence of microclimatological parameters, such as soil temperature and soil moisture, was a key aspect under which N2O emissions were analyzed.


Kurzfassung in Deutsch

Kohlendioxid (CO2) und Distickstoffoxid (N2O) sind aufgrund ihres Treibhauspotenzials und ihrer Langlebigkeit zwei der wichtigsten Spurengase in der Atmosphäre. Bisher war es noch nicht möglich, ein genaues globales Budget zu bestimmen, da die Größenordnung der Quellen und Senken von CO2 und N2O noch immer sehr ungewiss ist. Jedoch konnte in letzter Zeit die Kenntnis von Quellen und Senken und insbesondere das Prozessverständnis von Emission und Aufnahme dieser zwei Spurengase in Vegetation und Böden über die Anwendung stabiler Isotope im natürlichen Häufigkeitsbereich verbessert werden. In der biogeochemischen Forschung eignen sich stabile Isotope – neben analytischen Zwecken – vor allem zur Anwendung in prozessorientierten Studien, da sie die Bestimmung der Auswirkungen von biogeochemischen Prozessen auf die Isotopensignatur von spezifischen Verbindungen ermöglichen und einen möglichst geringen anthropogenen Eingriff in die Proben gewährleisten. An diesem Punkt setzt die vorliegende Doktorarbeit an. Ziel war es, Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufe, ihre raum-zeitliche Variabilität und die Bedeutung von Pflanzen-Boden-Wechselwirkungen in diesen Kreisläufen auf zwei Versuchsflächen, einer Kontrollfläche und einer Kahlschlagfläche, in einem Modellwaldökosystem (Höglwald, Bayern) mittels stabiler Isotope hauptsächlich im natürlichen Häufigkeitsbereich (13C, 15N und 18O) zu untersuchen. Die Arbeit umfasste regelmäßige Feldarbeit in Form von Boden- und Luftprobenahmen im Wald, sowie die anschließende Aufbereitung der Proben mittels Anwendung von mikro- und molekularbiologischen Labormethoden und vor allem von stabilen Isotopentechniken.
Eines der Hauptziele dieser Doktorarbeit war die Bestimmung des Langzeitverlaufes von C- und N-Gehalten in der mikrobiellen Biomasse, welche eine Schlüsselrolle für den C- und N-Kreislauf und die Produktion von N2O im Boden spielt. Die Analyse zeigte ein in manchen Monaten unerwartet hohes mikrobielles C/N-Verhältnis, das signifikant vom Mittelwert abwich. Ein Grund dafür waren vermutlich starke Schwankungen der Bakterien- und Pilzpopulationen als Hauptanteile in der mikrobiellen Biomasse im Boden. Diese Annahme konnte mittels Anwendung einer molekularbiologischen Methode, die kürzlich an der biologischen Abteilung des IMK-IFU Garmisch-Partenkirchen entwickelt wurde und die Bestimmung der DNS von mikrobiellen Gesellschaften in ausgewählten Bodenproben ermöglicht, gestützt werden.
Im Rahmen von zwei Laborexperimenten wurde die Auswirkung verschiedener Umweltbedingungen auf die Flüsse sowie C- und O-Isotopensignaturen von CO2 im Nadel- und Wurzelraum von jungen Fichten aus dem Höglwald bestimmt. Dabei wurden die Parameter Lichtintensität, CO2-Konzentration der zugeführten Luft und Luftfeuchtigkeit variiert. Die Fichten wurden in luftdicht verschlossenen Küvetten platziert, wobei der Wurzelraum durch eine Trennscheibe vom Nadelraum gasdicht abgetrennt war. Die Anwendung von Absorptionsspektroskopie mittels durchstimmbarer Laserdioden (tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS) ermöglichte eine zeitlich sehr hoch aufgelöste Bestimmung der CO2-Flüsse und C- und O-Isotopensignaturen. Vor allem die delta18O-Werte des CO2 zeigten ein ausgeprägtes Muster mit einem sprunghaften Anstieg bei jedem Licht-Dunkel-/Dunkel-Licht-Übergang, gefolgt von einem langsamen Absinken der Werte.
Abschließend wurde der jahreszeitliche Verlauf von N- und O-Isotopensignaturen und Emissionen von N2O aus dem Höglwaldboden quantifiziert und analysiert, um die Lage von potenziellen Quellen der N2O-Produktion in verschiedenen Bodentiefen zu bestimmen. Zur Bestimmung der N- und O-Isotopensignaturen von N2O wurde ein automatisiertes Probenaufgabesystem, das kürzlich am IMK-IFU entwickelt wurde, verwendet. Es ergab sich ein markantes Muster, wobei N2O-Konzentrationen mit zunehmender Bodentiefe anstiegen und delta18O- und delta15N-Werte gleichzeitig abnahmen. Weiterhin lag der Fokus auf bodenbürtigen N2O-Emissionen im Sommer und im Zuge von Gefrier-Auftau-Ereignissen im Winter, welche das N2O-Budget auf beiden Flächen dominierten. Zusätzlich wurde der potenzielle Einfluss des Kahlschlagereignisses sowie der mikroklimatologischen Parameter Bodentemperatur und -feuchte auf die N2O-Emissionen untersucht.


SWD-Schlagwörter: Isotopenhäufigkeit , Stickstoffkreislauf , Kohlenstoffkreislauf , Kahlschlag , Höglwald , Kohlendioxid , Distickstoffmonoxid
Freie Schlagwörter (deutsch): Stabile Isotope , mikrobielle Biomasse , Denitrifikation , Nitrifikation , Assimilation , Respiration
Freie Schlagwörter (englisch): stable isotopes , microbial biomass , denitrification , nitrification , assimilation , respiration
Institut: Dekanat Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften
Fakultät: Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften
DDC-Sachgruppe: Land- und Forstwirtschaft, Veterinärmedizin
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Papen, Hans (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 21.06.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 29.09.2011
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