Retention and stabilization of organic matter in forest subsoils

Abstract

Soils represent a major terrestrial carbon (C) reservoir and are herewith an important constituent of global climate change. They can act either as C sinks or as C sources, depending on the respective environmental conditions and management practices. At present, global forest ecosystems, including temperate European forests, are considered as C sinks. Whereas mineral topsoils under forest were found to be close to C saturation, it is assumed that especially subsoils provide large capacities for additional C storage in future. This is related to a high availability of sorption sites on mineral surfaces for organic matter compounds, which is frequently observed in laboratory experiments. However, sources of subsoil C are still under discussion and the potentials of mineral subsoils for C stabilization were not sufficiently investigated under field conditions so far. The crucial question remains, if forest subsoils can effectively retain and stabilize additional C inputs under the current environmental conditions, and thus contribute to mitigate global climate change. Therefore, this thesis aimed at evaluating (1) the role of the recent litter layer as a source for soil organic carbon (SOC), (2) at investigating dissolved organic carbon (DOC) dynamics as a controlling factor for organic C (OC) translocation in soils, and (3) the capability of subsoil to retain and stabilize fresh OC inputs. The objectives were addressed by conducting different 13C manipulation experiments in central European beech forests (Lower Saxony, Germany). This included (i) a 13C litter manipulation combined with DOC and CO2 monitoring at the Grinderwald subsoil observatories, (ii) injection of DO13C solution into three forest top- and subsoils, and (iii) burial and subsequent field incubation of 13C-coated minerals. Field approaches were complemented by (iv) laboratory sorption and desorption experiments. The field approaches comprised soil samplings down to the deep subsoil of > 100 cm and included recurring samplings for assessing the stability of the translocated OC. The soils in this thesis included Cambisols and Luvisols and the parent materials ranged from Pleistocene glacio-fluvial sand and Triassic upper red sandstone to Weichselian loess. Litter manipulation revealed that carbon inputs originating from the recent litter layer facilitated the actively cycling C pool in the mineral topsoil, but were not a major source of subsoil OC. Main acceptors of the litter-derived inputs in the soil were mineral surfaces, thereby forming mineral-associated organic carbon (MAOC). Migration of OC from the soil surface to the subsoil followed a sequence of sorption, microbial processing, and desorption cycles, resulting in a time offset until significant inputs reached the subsoil via DOC in the leaching soil solution. Bypassing this cascade of cycles in preferential flow paths caused a fast translocation into the subsoil, but DOC and CO2 monitoring suggest that these inputs were prone to microbial decomposition. Undersaturation of sorption capacities for OC binding in the forest subsoil, obtained in laboratory experiments, was not replicated under field conditions, since the injection of a 200 ppm DOC solution into subsoils did not result in additional C accumulation three months later. This suggests that under natural conditions, the stability of retained OC is more decisive for C accumulation in subsoils than the potential free sorption capacities based on laboratory experiments. But at a scale of years, the majority of fresh inputs of OC to top- and subsoils were not effectively preserved, neither in particulate form, nor in association with soil minerals. Accumulation of organic matter (OM) on mineral surfaces may even stimulate the activity of the microbial community due to an increased availability of easily accessible OM substrate, thus promoting decomposition and mobilization instead of stabilization. At present, the temperate forest top- and subsoils are neither sinks nor sources of C since they are situated in an equilibrium state of C inputs and C outputs, thereby maintaining their current C level through processes including sorption, microbial processing, and desorption. Additional C inputs likely promote mineralization and mobilization of fresh and also older SOC and thus cannot be effectively stabilized in forest subsoils. Hence it can be expected that the potential free capacities of forest subsoils for additional C uptake are not exploitable under the current environmental conditions and eventually, forest (sub)soils will not notably contribute to climate change mitigation. Upcoming investigations of subsoils and estimations of their OM stabilization potential should not rely on laboratory studies only, but rather integrate both laboratory and field approaches to obtain more precise insights into subsoil C dynamics.

Böden stellen ein großes terrestrisches Kohlenstoff (C)-Reservoir dar und sind damit ein wichtiger Wirkungsfaktor beim globalen Klimawandel. Sie können entweder als C-Senken oder als C-Quellen fungieren, abhängig von den jeweiligen Umweltbedingungen und ihrer Bewirtschaftung. Gegenwärtig werden die globalen Waldökosysteme, einschließlich der gemäßigten europäischen Wälder, als C-Senken angesehen. Während die mineralischen Oberböden unter Wald nahezu C-gesättigt sind, wird angenommen, dass insbesondere die Unterböden große Kapazitäten für eine zusätzliche C-Speicherung in der Zukunft bieten. Dies hängt mit einer hohen Verfügbarkeit von Sorptionsplätzen an mineralischen Oberflächen für Komponenten der organischen Substanz zusammen, die in Laborexperimenten häufig beobachtet wird. Die Quellen des Unterboden-Cs werden jedoch noch diskutiert, und die Potenziale mineralischer Unterböden zur C-Stabilisierung wurden bisher unter Feldbedingungen nicht ausreichend untersucht. Die entscheidende Frage bleibt, ob Waldböden unter den derzeitigen Umweltbedingungen zusätzliche C-Einträge effektiv zurückhalten und stabilisieren können und damit einen Beitrag zur Abschwächung des globalen Klimawandels leisten können. Daher zielte diese Arbeit darauf ab, (1) die Rolle der rezenten Streuschicht als Quelle für organischen Kohlenstoff (SOC) im Boden zu untersuchen, (2) die Dynamik des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) als kontrollierenden Faktor für die Verlagerung von organischem Kohlenstoff (OC) in Böden zu untersuchen und (3) die Fähigkeit des Unterbodens zu bewerten, frische OC-Einträge zurückzuhalten und zu stabilisieren. Die Ziele wurden durch die Durchführung verschiedener 13C-Manipulationsexperimente in mitteleuropäischen Buchenwäldern (Niedersachsen, Deutschland) verfolgt. Dazu gehörten (i) eine 13C-Streu-Manipulation in Kombination mit DOC- und CO2-Messungen in den Grinderwald-Unterboden-Observatorien, (ii) die Injektion von DO13C-Lösung in drei Ober- und –Unterböden unter Wald, und (iii) das Vergraben mit anschließender Feldinkubation von 13C-belegten Mineralen. Die Feldansätze wurden ergänzt durch (iv) Sorptions- und Desorptionsexperimente im Labor. Die Feldansätze umfassten Probenahmen bis in den tiefen Unterboden von > 100 cm und beinhalteten wiederkehrende Beprobungen zur Beurteilung der Stabilität des verlagerten OCs. Die Böden in dieser Arbeit umfassten Braunerden und Parabraunerden und die Ausgangsmaterialien reichten von pleistozänen glazi-fluviatilen Sand und triassischem Buntsandstein bis hin zu weichselzeitlichem Löss. Die Streu-Manipulation ergab, dass Kohlenstoffeinträge aus der rezenten Streuschicht den aktiv zirkulierenden C-Pool im mineralischen Oberboden unterstützten, aber keine wesentliche Quelle für OC im Unterboden darstellten. Die Hauptempfänger der Streu-bürtigen Einträge in den Boden waren mineralische Oberflächen, wodurch mineral-assoziierter organischer Kohlenstoff (MAOC) gebildet wurde. Die Migration von OC von der Bodenoberfläche in den Unterboden folgte einer Abfolge von Sorptions-, mikrobiellen Verarbeitungs- und Desorptionszyklen, was zu einer zeitlichen Verschiebung führte, bis signifikante Einträge den Unterboden, über DOC in der Bodenlösung, erreichten. Präferentieller Fluss umging diese Kaskade von Zyklen und führte zu einer schnellen Verlagerung in den Unterboden. Die DOC- und CO2-Messungen deuten aber darauf hin, dass diese Einträge anfällig für mikrobiellen Abbau waren. Die in Laborexperimenten ermittelte Untersättigung der Sorptionskapazitäten für die Bindung von OC in Waldunterböden konnte unter Feldbedingungen nicht repliziert werden, denn die Injektion einer 200 ppm DOC-Lösung in Unterböden führte drei Monate später nicht zu einer zusätzlichen C-Akkumulation. Dies deutet darauf hin, dass unter natürlichen Bedingungen die Stabilität des gebundenen OC in Unterböden entscheidender für die C-Akkumulation ist als die potenziellen freien Sorptionskapazitäten, die auf Laborexperimenten basieren. Auf einer Skala von Jahren wurde der Großteil der frischen Einträge von OC in Ober- und Unterböden jedoch nicht effektiv konserviert, weder in partikulärer Form noch in Verbindung mit Bodenmineralen. Die Akkumulation von organischer Substanz (OM) auf mineralischen Oberflächen könnte sogar die Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaft aufgrund einer erhöhten Verfügbarkeit von leicht zugänglichem OM-Substrat stimulieren und so Zersetzung und Mobilisierung statt Stabilisierung fördern. Gegenwärtig sind die Ober- und Unterböden gemäßigter Wälder weder Senken noch Quellen für C, da sie sich in einem Gleichgewichtszustand von C-Einträgen und C-Austrägen befinden und somit ihr aktuelles C-Niveau durch Prozesse wie Sorption, mikrobielle Verarbeitung und Desorption aufrechterhalten. Voraussichtlich fördern zusätzliche C-Einträge eher die Mineralisierung und Mobilisierung von frischem und auch älterem SOC und können daher im Waldunterboden nicht effektiv stabilisiert werden. Folglich ist anzunehmen, dass die potenziellen freien Kapazitäten von Waldunterböden für eine zusätzliche C-Aufnahme unter den gegenwärtigen Umweltbedingungen nicht ausgenutzt werden können und Wald(unter)böden letztlich keinen nennenswerten Beitrag zur Abschwächung des Klimawandels leisten werden. Zukünftige Untersuchungen von Unterböden und Abschätzungen ihres OM-Stabilisierungspotenzials sollten sich nicht nur auf Laborstudien stützen, sondern sowohl Labor- als auch Feldansätze integrieren, um genauere Erkenntnisse über die C-Dynamik im Unterboden zu erhalten.