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Carbon fluxes from decaying beech litter : insights from a ¹³C-tracer experiment and a new method to analyse the stable isotopes in soil CO₂ effluxes


Kammer, Adrian. Carbon fluxes from decaying beech litter : insights from a ¹³C-tracer experiment and a new method to analyse the stable isotopes in soil CO₂ effluxes. 2011, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Summary Forest soils contain large amounts of organic C, and thus are important potential sinks or sources of atmospheric CO2. The C accumulation in forest soils is greatly driven by the rates at which C from aboveground plant litter is either mineralised to CO2 or transported to the mineral soil via soil fauna and dissolved organic C (DOC). However, very few field studies, commonly using an isotopic tracer, have quantitatively assessed the different pathways of litter-derived C. Information is especially sparse for the decomposition of fine-woody litter, even though this litter type accounts for about 30% of the annual litter fall in temperate forests and, as it might mineralise more slowly than non-woody litter, could contribute substantially to the C pool in forest soils. In my PhD research, I performed a tracer experiment in two forest soils (Rendzina and Cambisol) in the Swiss Jura mountains using 13C-depleted beech litter (leaves and twigs). The main goal was to quantify the different pathways of litter-derived C for one year by tracking the labelled C into the CO2 and DOC fluxes as well as into different fractions of the topsoil. In addition, I applied for the first time a new generation of spectrometer (QCLS: quantum cascade laser-based spectrometer) in a closed soil-chamber system to analyse the isotopic ratios of soil-respired CO2 (δ13Cresp, δ18Oresp) at unique temporal resolutions. The 13C-tracer experiment revealed that the fate of the litter C depended on the 'quality' of the litter. While the woody twig litter decomposed largely in situ on the soil surface, large amounts of the leaf litter were transported to the mineral soil via soil fauna (~ 35% of the initial litter C). Moreover, the DOC leached from the twigs amounted only to half of that from the leaves throughout the year. However, the mineralisation rates differed little between the two litter types. After one year, the leaves had lost 29–34% of their initial C through CO2 and the twigs 22–27%. This small difference between woody and non-woody litter is against the assumption of most soil C models. In combination, my findings suggest that twig litter is clearly less important for the C storage in these forest soils than leaf litter. Although in deciduous forests leaf litter falls on the forest floor mostly at the beginning of the winter, we still know little about the decay and transport of this labile C pool during the 13 cold season. My results show that the leaching of DOC from the C-labelled litter occurred mainly in winter (~ 80%). By contrast, the C mineralisation during the five winter months contributed to 'only' 20–25% of the annual C losses from the litter through CO2. This indicates that C mineralization and leaching of DOC from fresh litter are not basically linked. My tracer experiment also revealed that litter-derived CO2 is a highly variable component of the winter soil respiration greatly driven by the air temperature. While on warm winter days (T-air > 5°C) litter mineralisation accounted for up to 60% of the soil CO2 effluxes, this CO2 source was almost negligible on cold winter days (T-air < 1°C). On an annual scale, decaying leaf litter contributed to 10–12% of the soil CO2 effluxes and twig litter 4–6%. The DOC fluxes measured at three different depths (0, 5, 10 cm) were rather small as compared to other forest ecosystems. The leaching of DOC from the litter, for instance, contributed 6–10 times less to the total C loss from the litter than the C mineralisation. Nevertheless, in the long term, litter-derived DOC could be important for the storage of soil C in this forest ecosystem. I have several evidences that the litter DOC was strongly adsorbed on mineral surfaces, and thus was likely an important source of the 'new' C recovered in the heavy soil fraction (>1.6 g cm–3) at 0–2 cm depth (2–4% of the initial litter C). This fraction is known to have much longer residence times in the soil than the light fraction. Moreover, I have evidence that a substantial part of the litter-derived DOC (20–40%) was rapidly mineralised by soil microbes. Together, physico-chemical interactions and biodegradation retained more than 90% of the DOC leached from the litter layer within the top centimetres of the mineral soil. Laser spectroscopy is an emerging technique to analyse the isotopic composition of soil CO2 effluxes in situ and at high temporal resolution. In collaboration with the EMPA, I employed the most recent spectrometer (QCLS) during a short field campaign. With a one- second interval, the QCLS measured the stable isotopes of CO2 that accumulated in the headspace of a closed soil-chamber system. The unique resolution of the QCLS measurements allowed us to analyse non-linearities in the isotopic composition of CO2 effluxes. This information was used to improve the estimation of δ13Cresp and δ18Oresp. To determine δ13Cresp, for instance, we used only the first 10 out of 20 minutes of CO2 accumulation because there was a systematic shift in δ13Cresp of 1.9‰ in the second part of the chamber measurements. This bias was probably the result of a ‘kinetic fractionation’ during CO2 diffusion as it has recently been suggested by simulation studies, but so fare, has not been proven in field experiments. We estimated δ13Cresp from both high resolution Keeling plots 12 13 and directly from the ratio of the CO2- and CO2-flux rates. If the isotopic fluxes were derived from simple linear regression, the flux ratios were equal to the Keeling plot intercepts. The calculation of the fluxes with quadratic curve fits, however, resulted in, on average, 0.8‰ lower values for δ13Cresp. For the estimation of δ18Oresp, we used a new approach based on 18 quadratic curve fits of the O-Keeling plots. This was necessary as the δ18Oresp increased immediately after the chamber system was closed probably due to the invasion of chamber 18 CO2 into the first few centimetres of soil, where the O of the CO2 equilibrated partly with the soil water. In summary, this thesis provides deep insights into the dynamic of both the decomposition of beech litter and the isotopic composition of soil CO2 effluxes. It suggests rethinking the importance of fine-woody litter for the C storage in forest soils, and thus could contribute to improved soil C models. The evaluation of a QCLS in combination with a closed soil- chamber system clears the way for future studies that will use this new and promising method to determine the stable isotopes in soil-respired CO2.

Kurzfassung Waldböden enthalten grosse Mengen an organischem C und sind somit bedeutende potentielle Senken oder Quellen von atmosphärischem CO2. Die Akkumulation von C in Waldböden wird wesentlich durch die Raten bestimmt, mit denen der C aus der oberirdischen Pflanzenstreu entweder durch mikrobielle Abbauprozesse als CO2 veratmet wird oder mittels Bodenfauna und in gelöster Form (DOC) in den Mineralboden gelangt. Dennoch haben nur wenige Feldstudien, meist unter Verwendung einer isotopischen Markierung, die verschie- denen Flusswege von streubürtigem C quantitativ untersucht. Besonders wenig wissen wir über die Zersetzung von feiner Holzstreu, obwohl diese in temperierten Wäldern rund 30% des jährlichen Streufalls ausmacht und auf Grund ihrer langsamen Zersetzung erheblich zur C Speicherung in Waldböden beitragen könnte. In meinem Forschungsprojekt führte ich in zwei Waldböden (Rendzina und saure 13 Braunerde) des nördlichen Jura Gebirges ein Experiment mit C-markierter Buchenstreu (Laub und Ästchen) durch. Während eines Jahres spürte ich den markierten C des sich zersetzenden Pflanzenmaterials in den CO2 und DOC Flüssen sowie in verschiedenen Fraktionen des Oberbodens auf. Dies ermöglichte mir, die Flusswege des Streu C umfasssend zu quantifizieren. Zudem wendete ich erstmals einen neuartigen Spektrometer (QCLS: Quantum Cascade Laser-based Spectrometer) in Kombination mit einem geschlossenen Boden-Kammersystem an, um die Isotopensignatur der Bodenatmung (δ13Cresp, δ18Oresp) mit einer einmaligen zeitlichen Auflösung zu analysieren. 13 Das C-Markierungsexperiment zeigte, dass der Verbleib des streubürtigen C von der Qualität der Streu abhing. Während die verholzten Ästchen weitgehend in situ an der Bodenoberfläche verrotteten, hatte die Bodenfauna nach einem Jahr grosse Mengen des Laubes (~ 35% des anfänglichen Streu C) in den Mineralboden transportiert. Des Weiteren wurde aus dem Laub rund doppelt so viel DOC ausgewaschen wie aus den Ästchen. Hingegen unterschieden sich die Mineralisierungsraten der beiden Streuarten nur wenig. Nach einem Jahr hatte die Laubstreu 29–34% und die holzige Streu 22–27% ihrer anfänglichen C Menge über die Freisetzung von CO2 verloren. Dieser Unterschied ist deutlich geringer als er für die Parametrisierung der meisten Boden C Modelle angenommen wird. Insgesamt legen meine Ergebnisse nahe, dass die feine Holzstreu für die C Speicherung in diesen Waldböden deutlich weniger wichtig ist als die Laubstreu. Obwohl in Laubwäldern die Laubstreu hauptsächlich zu Beginn des Winters auf den Boden fällt, weiss man nur wenig über den Abbau und Transport dieses labilen C Pools während der kalten Jahreszeit. Meine Messungen und Modellierungen zeigen, dass die DOC 13 Auswaschung aus der C-markierten Streu vor allem im Winter erfolgte (~ 80%). Dagegen trug die C Mineralisierung während der fünf Wintermonate 'nur' 20–25% zum jährlichen C Verlust aus der Streu durch CO2 bei. Mineralisierung und DOC Auswaschung aus frischer Streu scheinen also nicht grundsätzlich miteinander verknüpft zu sein. Mein Markierungs- experiment zeigte auch, dass das aus der Streuschicht stammende CO2 ein hochvariabler Bestandteil der winterlichen Bodenatmung ist, wobei die Lufttemperatur eine entscheidende Rolle spielt. Während an warmen Wintertagen (T-Luft > 5°C) die Mineralisierung von frischer Streu bis zu 60% der Boden CO2 Ausflüsse ausmachte, war diese CO2 Quelle an kalten Wintertagen (T-Luft < 1°C) kaum nachweisbar. Über das ganze Jahr trug die verrottende Laubstreu 10–12% zur Bodenatmung bei und die holzige Streu 4–6%. Die DOC Flüsse des untersuchten Buchenwaldes waren im Vergleich mit anderen Waldökosystemen eher gering. So trug die DOC Auswaschung 6–10 Mal weniger zum gesamten C Verlust aus der Streu bei als die C Mineralisierung. Für die langfristige Speicherung von Boden C in diesem Ökosystem könnte streubürtiges DOC gleichwohl von Bedeutung sein. Ich habe nämlich Indizien, dass das Streu DOC stark an Mineraloberflächen adsorbiert wurde und eine Hauptquelle des 'neuen' C war, der am Ende des Experimentes in der schweren Bodenfraktion (> 1.6 g cm–3) in 0–2 cm Tiefe gespeichert war (2–4% des anfänglichen Streu C). Diese Fraktion hat bekanntlich deutlich längere Aufenthaltszeiten im Boden als die leichte Fraktion. Meine Resultate deuten auch darauf hin, dass ein bedeutender Teil des aus der Streu stammenden DOC (20–40%) rasch durch Bodenmikroorganismen mineralisiert wurde. Mit Hilfe der Isotopenmarkierung konnte ich zeigen, dass physikalisch- chemische Interaktionen und mikrobieller Abbau mehr als 90% des von der Streuschicht ausgewaschenen DOC innerhalb der ersten Zentimeter des Mineralbodens zurückhielten. Laser Spektroskopie ist eine relativ neue und viel versprechende Technik, um die isotopische Zusammensetzung von Boden CO2 Ausflüssen in situ und mit hoher zeitlicher Auflösung zu analysieren. In Zusammenarbeit mit der EMPA setzte ich während einer kurzen Feldkampagne den neusten Spektrometer (QCLS) ein. Mit einem Intervall von einer Sekunde bestimmte der QCLS die Isotopensignatur des CO2 (δ13C, δ18O), das sich im Gasraum eines geschlossenen Boden-Kammersystems akkumulierte. Die hohe Genauigkeit und Auflösung der QSLS Messungen ermöglichten uns, Nichtlinearitäten in der isotopischen Zusammen- setzung der CO2 Flüsse zu analysieren. Mit diesen Informationen konnten wir die Genauigkeit der δ13Cresp und δ18Oresp Schätzungen deutlich verbessern. Um das δ13Cresp zu bestimmen, verwendeten wir zum Beispiel nur die ersten 10 Minuten der 20-minütigen Kammermessungen, da wir im zweiten Teil der Messungen eine systematische Verschiebung des δ13Cresp von 1.9‰ feststellten. Dieser Bias resultierte wahrscheinlich aus einer kinetischen Fraktionierung während der CO2 Diffusion aus dem Boden, wie sie kürzlich in Simulationsstudien beschrieben, bis anhin aber noch nie in Feldexperimenten nachgewiesen werden konnte. Das δ13Cresp schätzten wir sowohl aus hoch 12 13 aufgelösten Keeling Plots als auch direkt aus dem Verhältnis der CO2 und CO2 Flussraten. Falls die isotopischen Flüsse durch lineare Regression ermittelt wurden, war das Flussratio identisch mit dem Achsenabschnitt des Keeling Plots. Die Berechnung der Flüsse mit einer quadratischen Kurvenanpassung führte dagegen zu durchschnittlich 0.8‰ tieferen Werten für das δ13Cresp. Für die Bestimmung des δ18Oresp wendeten wir einen neuen Ansatz an, der auf einer quadratischen Kurvenanpassung der δ18O-Keeling plots beruht. Dies war notwendig, weil sich das δ18Oresp unmittelbar nach der Schliessung der Bodenkammer stetig erhöhte. Wir vermuten, dass akkumuliertes CO2 in die obersten Zentimeter des Bodens 18 eindrang und dort teilweise die O Signatur des Bodenwassers annahm, bevor es zurück in die Bodenkammer gelangte. Die vorliegende Arbeit vermittelt tiefe Einblicke in die Dynamik sowohl der Zersetzung von Buchenstreu als auch der isotopischen Zusammensetzung von Boden CO2 Ausflüssen. Sie zeigt auf, dass die Bedeutung von feiner Holzstreu für die C Speicherung in Waldböden überdenkt werden muss und könnte somit zu verbesserten Boden C Modellen beitragen. Die Evaluation eines QCLS in Kombination mit einem geschlossenen Kammersystem ebnet den Weg für zukünftige Studien, welche diese neue und viel versprechende Methode zur Bestimmung der stabilen Isotope in der Bodenatmung anwenden wollen.

Abstract

Summary Forest soils contain large amounts of organic C, and thus are important potential sinks or sources of atmospheric CO2. The C accumulation in forest soils is greatly driven by the rates at which C from aboveground plant litter is either mineralised to CO2 or transported to the mineral soil via soil fauna and dissolved organic C (DOC). However, very few field studies, commonly using an isotopic tracer, have quantitatively assessed the different pathways of litter-derived C. Information is especially sparse for the decomposition of fine-woody litter, even though this litter type accounts for about 30% of the annual litter fall in temperate forests and, as it might mineralise more slowly than non-woody litter, could contribute substantially to the C pool in forest soils. In my PhD research, I performed a tracer experiment in two forest soils (Rendzina and Cambisol) in the Swiss Jura mountains using 13C-depleted beech litter (leaves and twigs). The main goal was to quantify the different pathways of litter-derived C for one year by tracking the labelled C into the CO2 and DOC fluxes as well as into different fractions of the topsoil. In addition, I applied for the first time a new generation of spectrometer (QCLS: quantum cascade laser-based spectrometer) in a closed soil-chamber system to analyse the isotopic ratios of soil-respired CO2 (δ13Cresp, δ18Oresp) at unique temporal resolutions. The 13C-tracer experiment revealed that the fate of the litter C depended on the 'quality' of the litter. While the woody twig litter decomposed largely in situ on the soil surface, large amounts of the leaf litter were transported to the mineral soil via soil fauna (~ 35% of the initial litter C). Moreover, the DOC leached from the twigs amounted only to half of that from the leaves throughout the year. However, the mineralisation rates differed little between the two litter types. After one year, the leaves had lost 29–34% of their initial C through CO2 and the twigs 22–27%. This small difference between woody and non-woody litter is against the assumption of most soil C models. In combination, my findings suggest that twig litter is clearly less important for the C storage in these forest soils than leaf litter. Although in deciduous forests leaf litter falls on the forest floor mostly at the beginning of the winter, we still know little about the decay and transport of this labile C pool during the 13 cold season. My results show that the leaching of DOC from the C-labelled litter occurred mainly in winter (~ 80%). By contrast, the C mineralisation during the five winter months contributed to 'only' 20–25% of the annual C losses from the litter through CO2. This indicates that C mineralization and leaching of DOC from fresh litter are not basically linked. My tracer experiment also revealed that litter-derived CO2 is a highly variable component of the winter soil respiration greatly driven by the air temperature. While on warm winter days (T-air > 5°C) litter mineralisation accounted for up to 60% of the soil CO2 effluxes, this CO2 source was almost negligible on cold winter days (T-air < 1°C). On an annual scale, decaying leaf litter contributed to 10–12% of the soil CO2 effluxes and twig litter 4–6%. The DOC fluxes measured at three different depths (0, 5, 10 cm) were rather small as compared to other forest ecosystems. The leaching of DOC from the litter, for instance, contributed 6–10 times less to the total C loss from the litter than the C mineralisation. Nevertheless, in the long term, litter-derived DOC could be important for the storage of soil C in this forest ecosystem. I have several evidences that the litter DOC was strongly adsorbed on mineral surfaces, and thus was likely an important source of the 'new' C recovered in the heavy soil fraction (>1.6 g cm–3) at 0–2 cm depth (2–4% of the initial litter C). This fraction is known to have much longer residence times in the soil than the light fraction. Moreover, I have evidence that a substantial part of the litter-derived DOC (20–40%) was rapidly mineralised by soil microbes. Together, physico-chemical interactions and biodegradation retained more than 90% of the DOC leached from the litter layer within the top centimetres of the mineral soil. Laser spectroscopy is an emerging technique to analyse the isotopic composition of soil CO2 effluxes in situ and at high temporal resolution. In collaboration with the EMPA, I employed the most recent spectrometer (QCLS) during a short field campaign. With a one- second interval, the QCLS measured the stable isotopes of CO2 that accumulated in the headspace of a closed soil-chamber system. The unique resolution of the QCLS measurements allowed us to analyse non-linearities in the isotopic composition of CO2 effluxes. This information was used to improve the estimation of δ13Cresp and δ18Oresp. To determine δ13Cresp, for instance, we used only the first 10 out of 20 minutes of CO2 accumulation because there was a systematic shift in δ13Cresp of 1.9‰ in the second part of the chamber measurements. This bias was probably the result of a ‘kinetic fractionation’ during CO2 diffusion as it has recently been suggested by simulation studies, but so fare, has not been proven in field experiments. We estimated δ13Cresp from both high resolution Keeling plots 12 13 and directly from the ratio of the CO2- and CO2-flux rates. If the isotopic fluxes were derived from simple linear regression, the flux ratios were equal to the Keeling plot intercepts. The calculation of the fluxes with quadratic curve fits, however, resulted in, on average, 0.8‰ lower values for δ13Cresp. For the estimation of δ18Oresp, we used a new approach based on 18 quadratic curve fits of the O-Keeling plots. This was necessary as the δ18Oresp increased immediately after the chamber system was closed probably due to the invasion of chamber 18 CO2 into the first few centimetres of soil, where the O of the CO2 equilibrated partly with the soil water. In summary, this thesis provides deep insights into the dynamic of both the decomposition of beech litter and the isotopic composition of soil CO2 effluxes. It suggests rethinking the importance of fine-woody litter for the C storage in forest soils, and thus could contribute to improved soil C models. The evaluation of a QCLS in combination with a closed soil- chamber system clears the way for future studies that will use this new and promising method to determine the stable isotopes in soil-respired CO2.

Kurzfassung Waldböden enthalten grosse Mengen an organischem C und sind somit bedeutende potentielle Senken oder Quellen von atmosphärischem CO2. Die Akkumulation von C in Waldböden wird wesentlich durch die Raten bestimmt, mit denen der C aus der oberirdischen Pflanzenstreu entweder durch mikrobielle Abbauprozesse als CO2 veratmet wird oder mittels Bodenfauna und in gelöster Form (DOC) in den Mineralboden gelangt. Dennoch haben nur wenige Feldstudien, meist unter Verwendung einer isotopischen Markierung, die verschie- denen Flusswege von streubürtigem C quantitativ untersucht. Besonders wenig wissen wir über die Zersetzung von feiner Holzstreu, obwohl diese in temperierten Wäldern rund 30% des jährlichen Streufalls ausmacht und auf Grund ihrer langsamen Zersetzung erheblich zur C Speicherung in Waldböden beitragen könnte. In meinem Forschungsprojekt führte ich in zwei Waldböden (Rendzina und saure 13 Braunerde) des nördlichen Jura Gebirges ein Experiment mit C-markierter Buchenstreu (Laub und Ästchen) durch. Während eines Jahres spürte ich den markierten C des sich zersetzenden Pflanzenmaterials in den CO2 und DOC Flüssen sowie in verschiedenen Fraktionen des Oberbodens auf. Dies ermöglichte mir, die Flusswege des Streu C umfasssend zu quantifizieren. Zudem wendete ich erstmals einen neuartigen Spektrometer (QCLS: Quantum Cascade Laser-based Spectrometer) in Kombination mit einem geschlossenen Boden-Kammersystem an, um die Isotopensignatur der Bodenatmung (δ13Cresp, δ18Oresp) mit einer einmaligen zeitlichen Auflösung zu analysieren. 13 Das C-Markierungsexperiment zeigte, dass der Verbleib des streubürtigen C von der Qualität der Streu abhing. Während die verholzten Ästchen weitgehend in situ an der Bodenoberfläche verrotteten, hatte die Bodenfauna nach einem Jahr grosse Mengen des Laubes (~ 35% des anfänglichen Streu C) in den Mineralboden transportiert. Des Weiteren wurde aus dem Laub rund doppelt so viel DOC ausgewaschen wie aus den Ästchen. Hingegen unterschieden sich die Mineralisierungsraten der beiden Streuarten nur wenig. Nach einem Jahr hatte die Laubstreu 29–34% und die holzige Streu 22–27% ihrer anfänglichen C Menge über die Freisetzung von CO2 verloren. Dieser Unterschied ist deutlich geringer als er für die Parametrisierung der meisten Boden C Modelle angenommen wird. Insgesamt legen meine Ergebnisse nahe, dass die feine Holzstreu für die C Speicherung in diesen Waldböden deutlich weniger wichtig ist als die Laubstreu. Obwohl in Laubwäldern die Laubstreu hauptsächlich zu Beginn des Winters auf den Boden fällt, weiss man nur wenig über den Abbau und Transport dieses labilen C Pools während der kalten Jahreszeit. Meine Messungen und Modellierungen zeigen, dass die DOC 13 Auswaschung aus der C-markierten Streu vor allem im Winter erfolgte (~ 80%). Dagegen trug die C Mineralisierung während der fünf Wintermonate 'nur' 20–25% zum jährlichen C Verlust aus der Streu durch CO2 bei. Mineralisierung und DOC Auswaschung aus frischer Streu scheinen also nicht grundsätzlich miteinander verknüpft zu sein. Mein Markierungs- experiment zeigte auch, dass das aus der Streuschicht stammende CO2 ein hochvariabler Bestandteil der winterlichen Bodenatmung ist, wobei die Lufttemperatur eine entscheidende Rolle spielt. Während an warmen Wintertagen (T-Luft > 5°C) die Mineralisierung von frischer Streu bis zu 60% der Boden CO2 Ausflüsse ausmachte, war diese CO2 Quelle an kalten Wintertagen (T-Luft < 1°C) kaum nachweisbar. Über das ganze Jahr trug die verrottende Laubstreu 10–12% zur Bodenatmung bei und die holzige Streu 4–6%. Die DOC Flüsse des untersuchten Buchenwaldes waren im Vergleich mit anderen Waldökosystemen eher gering. So trug die DOC Auswaschung 6–10 Mal weniger zum gesamten C Verlust aus der Streu bei als die C Mineralisierung. Für die langfristige Speicherung von Boden C in diesem Ökosystem könnte streubürtiges DOC gleichwohl von Bedeutung sein. Ich habe nämlich Indizien, dass das Streu DOC stark an Mineraloberflächen adsorbiert wurde und eine Hauptquelle des 'neuen' C war, der am Ende des Experimentes in der schweren Bodenfraktion (> 1.6 g cm–3) in 0–2 cm Tiefe gespeichert war (2–4% des anfänglichen Streu C). Diese Fraktion hat bekanntlich deutlich längere Aufenthaltszeiten im Boden als die leichte Fraktion. Meine Resultate deuten auch darauf hin, dass ein bedeutender Teil des aus der Streu stammenden DOC (20–40%) rasch durch Bodenmikroorganismen mineralisiert wurde. Mit Hilfe der Isotopenmarkierung konnte ich zeigen, dass physikalisch- chemische Interaktionen und mikrobieller Abbau mehr als 90% des von der Streuschicht ausgewaschenen DOC innerhalb der ersten Zentimeter des Mineralbodens zurückhielten. Laser Spektroskopie ist eine relativ neue und viel versprechende Technik, um die isotopische Zusammensetzung von Boden CO2 Ausflüssen in situ und mit hoher zeitlicher Auflösung zu analysieren. In Zusammenarbeit mit der EMPA setzte ich während einer kurzen Feldkampagne den neusten Spektrometer (QCLS) ein. Mit einem Intervall von einer Sekunde bestimmte der QCLS die Isotopensignatur des CO2 (δ13C, δ18O), das sich im Gasraum eines geschlossenen Boden-Kammersystems akkumulierte. Die hohe Genauigkeit und Auflösung der QSLS Messungen ermöglichten uns, Nichtlinearitäten in der isotopischen Zusammen- setzung der CO2 Flüsse zu analysieren. Mit diesen Informationen konnten wir die Genauigkeit der δ13Cresp und δ18Oresp Schätzungen deutlich verbessern. Um das δ13Cresp zu bestimmen, verwendeten wir zum Beispiel nur die ersten 10 Minuten der 20-minütigen Kammermessungen, da wir im zweiten Teil der Messungen eine systematische Verschiebung des δ13Cresp von 1.9‰ feststellten. Dieser Bias resultierte wahrscheinlich aus einer kinetischen Fraktionierung während der CO2 Diffusion aus dem Boden, wie sie kürzlich in Simulationsstudien beschrieben, bis anhin aber noch nie in Feldexperimenten nachgewiesen werden konnte. Das δ13Cresp schätzten wir sowohl aus hoch 12 13 aufgelösten Keeling Plots als auch direkt aus dem Verhältnis der CO2 und CO2 Flussraten. Falls die isotopischen Flüsse durch lineare Regression ermittelt wurden, war das Flussratio identisch mit dem Achsenabschnitt des Keeling Plots. Die Berechnung der Flüsse mit einer quadratischen Kurvenanpassung führte dagegen zu durchschnittlich 0.8‰ tieferen Werten für das δ13Cresp. Für die Bestimmung des δ18Oresp wendeten wir einen neuen Ansatz an, der auf einer quadratischen Kurvenanpassung der δ18O-Keeling plots beruht. Dies war notwendig, weil sich das δ18Oresp unmittelbar nach der Schliessung der Bodenkammer stetig erhöhte. Wir vermuten, dass akkumuliertes CO2 in die obersten Zentimeter des Bodens 18 eindrang und dort teilweise die O Signatur des Bodenwassers annahm, bevor es zurück in die Bodenkammer gelangte. Die vorliegende Arbeit vermittelt tiefe Einblicke in die Dynamik sowohl der Zersetzung von Buchenstreu als auch der isotopischen Zusammensetzung von Boden CO2 Ausflüssen. Sie zeigt auf, dass die Bedeutung von feiner Holzstreu für die C Speicherung in Waldböden überdenkt werden muss und könnte somit zu verbesserten Boden C Modellen beitragen. Die Evaluation eines QCLS in Kombination mit einem geschlossenen Kammersystem ebnet den Weg für zukünftige Studien, welche diese neue und viel versprechende Methode zur Bestimmung der stabilen Isotope in der Bodenatmung anwenden wollen.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Schmidt Michael W I, Hagedorn Frank
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:910 Geography & travel
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2011
Deposited On:19 Mar 2012 14:29
Last Modified:25 Oct 2019 12:54
Number of Pages:122
Additional Information:Enthält Sonderdrucke
OA Status:Green
Official URL:http://opac.nebis.ch/ediss/20121297.pdf
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod006847382&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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