Universitätsbibliothek Wien

Long-term responses of soil microbial activities to soil warming in a temperate forest demonstrate strong changes in element cycling and microbial element limitation

Urbina, Malo Carolina (2020) Long-term responses of soil microbial activities to soil warming in a temperate forest demonstrate strong changes in element cycling and microbial element limitation.
Masterarbeit, University of Vienna. Fakultät für Lebenswissenschaften
BetreuerIn: Wanek, Wolfgang

[img] PDF-File
Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved

Download (916Kb)
DOI: 10.25365/thesis.63703
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-24399.19585.430861-9

Link zu u:search

Abstract in English

Despite the intensified efforts to understand the impacts of climate change on forest soil C dynamics, few studies have addressed the long-term effects of warming on microbial mediated soil C and nutrient processes. In long-term soil warming experiments the initial stimulation of soil C cycling diminished with time, due to thermal acclimation of the microbial community or due to depletion of labile soil C as the major substrate for heterotrophic soil microbes. Thermal acclimation can arise because of prolonged warming and is defined as the direct organism response to elevated temperature across annual to decadal timescales which manifest as a physiological change of the soil microbial community. This mechanism is clearly different from apparent thermal acclimation, where the attenuated response of soil microbial processes to warming is due to the exhaustion of the labile soil C pool. The Achenkirch experiment, situated in the Northern Limestone Alps, Austria (47°34’ 50’’ N; 11°38’ 21’’ E; 910 m a.s.l.) is a long term soil warming experiment (>15 yrs, +4 °C warming above ambient) that has provided key insights into the effects of global warming on the forest soil C cycle. At the Achenkirch site, we have observed a sustained positive response of heterotrophic soil respiration and of soil CO2 efflux to warming after nine years (2013), making it an appropriate setting for testing hypotheses about continued or decreasing warming effects at decadal scales. We collected soil from six heated and six control plots in October 2019, from 0-10 cm and 10-20 cm soil depth, and incubated them at three different temperatures: ambient, +4 °C, and +10 °C. We measured potential soil enzyme activities with fluorometric assays, gross rates of protein depolymerization, N mineralization, and nitrification with 15N isotope pool dilution approaches, and microbial growth, respiration, and C and N use efficiencies based on the 18O incorporation in DNA. Our results show that the potential enzyme activities including leucine aminopeptidase, N-acetylglucosaminidase, B-glucosidase, and acid phosphatase were significantly up-regulated by decadal soil warming (1.3- to 3.3-fold in R10). In contrast, their temperature sensitivity (Q10) decreased with soil warming, particularly for C- and N-related enzyme activities, indicating thermal acclimation of the microbes and the production of new isoenzymes. For microbial C processes, we found no down-regulation (R10) due to chronic warming while soil warming notably decreased the Q10 of microbial anabolic processes (growth) but not of catabolic processes (respiration). This effectively caused a decrease in the thermal sensitivity of microbial CUE in warmed soils. At the same time, microbial CUE had Q10 values lower than one, demonstrating that in the short-term microbial CUE decreases with short-term temperature increases. This triggered a decrease in microbial CUE under warmed soil conditions in a future world, while microbial biomass turnover time decreased, pointing to faster microbial turnover and necromass formation. Soil N cycle processes were also not down-regulated (R10) though we found thermal acclimation on protein depolymerization (decrease in Q10). Under field conditions (Rfield), warmer soils did not show differences in soil N processes other than protein depolymerization (decrease). Overall, our results indicate a complex response of microbial C and N cycle processes. Microbial C and N processes were not down-regulated (R10), but the temperature sensitivity (Q10) of most of them decreased, leading to a slight attenuation but still a stimulation of these processes in warmed soils (Rfield). The stimulation of soil enzymes therefore did not translate into higher C and N process rates, indicating increased substrate limitation in warmer soils.

Schlagwörter in Englisch

Soil warming / CUE / NUE / Q10

Abstract in German

Trotz der verstärkten Bemühungen, die Auswirkungen des Klimawandels auf die Kohlenstoff (C) Dynamik des Waldbodens zu verstehen, haben sich nur wenige Studien mit den langfristigen Auswirkungen der Erwärmung auf durch Mikroben vermittelte Boden-C- und Nährstoffprozesse befasst. Aufgrund der thermischen Akklimatisierung der mikrobiellen Gemeinschaft oder der Erschöpfung des labilen Boden-C als Hauptsubstrat für heterotrophe Bodenmikroben, lässt die anfängliche Stimulation des C-Zyklus des Bodens mit der Zeit in Langzeitversuchen zur Bodenerwärmung nach. Die thermische Akklimatisation kann wegen einer längeren Erwärmung auftreten und ist definiert als die direkte Reaktion des Organismus auf erhöhten Temperaturen über jährliche bis dekadische Zeitskalen, die sich als physiologische Veränderungen der mikrobiellen Gemeinschaft im Boden manifestieren. Dieser Mechanismus unterscheidet sich deutlich von der offensichtlichen thermischen Akklimatisation, bei der die abgeschwächte Reaktion von mikrobiellen Prozessen im Boden auf die Erwärmung auf die Erschöpfung der labilen C-Pools im Boden zurückzuführen ist. Das Achenkirch-Experiment in den nördlichen Kalksteinalpen in Österreich (47° 34' 50'' N; 11° 38' 21'' O; 910 m ü.M.) ist ein langfristiges Experiment zur Bodenerwärmung (> 15 Jahre, +4 °C Erwärmung über der Umgebung), die wichtige Einblicke in die Auswirkungen der globalen Erwärmung auf den C-Zyklus des Waldbodens liefert. Am Standort Achenkirch haben wir nach neun Jahren (2013) eine anhaltend positive Reaktion der heterotrophen Bodenatmung und des CO2-Ausflusses auf die Erwärmung beobachtet, die zu einer geeigneten Umgebung wurde für die Prüfung von Hypothesen über anhaltende oder abnehmende Erwärmungseffekte auf dekadischen Skalen. Wir haben im Oktober 2019 Erdeproben von sechs beheizten und sechs Kontrollflächen mit Bodentiefe von 0-10 cm und 10-20 cm gesammelt und bei drei verschiedenen Temperaturen inkubiert: Außentemperatur, +4 ° C und +10 ° C. Wir haben die potenzielle Bodenenzymaktivitäten mit fluorometrischen Assays, die Bruttoraten der Protein-depolymerisation, Stickstoff (N)-Mineralisierung und Nitrifikation anhand den 15N-Isotopenpool-Verdünnungsansätzen sowie die mikrobiellen Wachstum- und CO2 Produktion- und die Effizienz der C- und N-Nutzungen basierend auf dem 18O-Einbau in DNA gemessen. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die potenziellen Enzymaktivitäten, einschließlich Leucinaminopeptidase, N-Acetylglucosaminidase, -Glucosidase und saurer Phosphatase, durch dekadische Bodenerwärmung signifikant 43 hochreguliert wurden (1,3- bis 3,3-fach in R10). Im Gegensatz dazu nahm ihre Temperaturempfindlichkeit (Q10) mit der Erwärmung des Bodens ab, insbesondere für C- und N-bezogene Enzymaktivitäten, was auf eine thermische Akklimatisierung der Mikroben und die Produktion neuer Isoenzyme hinweist. Bei mikrobiellen C-Prozessen fanden wir keine Herunterregulierung (R10) mit chronischer Erwärmung, während die Bodenerwärmung die Q10 von mikrobiellen anabolen Prozessen merklich verringerte (Wachstum), blieb diese Verringerung bei Q10 von katabolen Prozessen (Atmung) aus. Dies führte effektiv zu einer Abnahme der thermischen Empfindlichkeit von mikrobiellem CUE in erwärmten Böden. Gleichzeitig hatten die Q10-Werte der mikrobiellen CUE weniger als eins, was zeigt, dass die mikrobielle CUE mit kurzfristigen Temperaturerhöhungen abnimmt. Dies löste in der Zukunft unter erwärmten Bodenbedingungen eine Abnahme des mikrobiellen CUE aus, während die Umschlagsdauer für mikrobielle Biomasse abnahm, was auf einen schnelleren mikrobiellen Umsatz und eine schnellere Bildung von Nekromassen hinweist. Boden-N-Prozesse wurden ebenfalls nicht herunterreguliert (R10), obwohl wir eine thermische Akklimatisierung der Protein-Depolymerisation (Abnahme von Q10) fanden. Unter Feldbedingungen (Rfield) zeigten wärmere Böden keine Unterschiede in den Boden-N-Prozessen außer der Protein-depolymerisation (Abnahme). Insgesamt deuteten unsere Ergebnisse auf komplexe Reaktionen von mikrobiellen C- und N-Prozessen hin. Mikrobielle C- und N-Prozesse wurden nicht herunterreguliert (R10), aber die Temperaturempfindlichkeit (Q10) der meisten mikrobiellen C- und N-Prozessen nahm ab, was zu einer leichten Abschwächung aber dennoch zu einer Stimulierung dieser Prozessen in erwärmten Böden (Rfield) führte. Die Stimulation von Bodenenzymen führte daher nicht zu höheren C- und N-Prozessraten, was auf eine erhöhte Substratbegrenzung in wärmeren Böden hinweist.

Schlagwörter in Deutsch

Bodenerwärmung / CUE / NUE / Q10

Item Type: Hochschulschrift (Masterarbeit)
Author: Urbina, Malo Carolina
Title: Long-term responses of soil microbial activities to soil warming in a temperate forest demonstrate strong changes in element cycling and microbial element limitation
Umfangsangabe: 48 Seiten : Diagramme
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Masterstudium Ecology and Ecosystems
Publication year: 2020
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Wanek, Wolfgang
Assessor: Wanek, Wolfgang
Classification: 30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines
AC Number: AC16152022
Item ID: 63703
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

Urheberrechtshinweis: Für Dokumente, die in elektronischer Form über Datennetze angeboten werden, gilt uneingeschränkt das österreichische Urheberrechtsgesetz; insbesondere sind gemäß § 42 UrhG Kopien und Vervielfältigungen nur zum eigenen und privaten Gebrauch gestattet. Details siehe Gesetzestext.

Edit item (Administrators only) Edit item (Administrators only)