Universität zu Köln

Organic matter composition and dynamic in polygonal tundra soils

Höfle, Silke Tamara (2015) Organic matter composition and dynamic in polygonal tundra soils. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Arctic permafrost regions are postulated to be most strongly affected by the on-going global warming resulting in longer summer seasons and higher temperatures. This may cause the degradation of permafrost and increase the thickness of the annual superficial thawing layer (active layer) of permafrost soils. Thereby permafrost soils may turn from carbon sinks into carbon sources for the atmosphere as large, previously frozen carbon pools become available for microbial degradation, a key factor in the soil organic matter (OM) degradation. The aim of this thesis was to investigate soil organic matter of permafrost soil to identify stabilization mechanisms, soil bacterial communities and carbon pools preferably metabolised by soil bacteria using bulk, molecular lipid-biomarker, physical fractionation and radiocarbon analysis. In temperate soils stabilization mechanism of OM, mainly organo-mineral associations and soil aggregations, are well studied by separating the OM into functional pools with different turnover rates, which are determined by their chemical properties and bioavailability. However, little is known about the quality of the soil OM, its stability and its accessibility for the microbial community in permafrost soils. The most important location for microbial metabolic activity in permafrost soils is the active layer. Therefore, this thesis concentrated on investigating different soil horizons of the active layer and the still frozen permafrost top layer of the polygonal tundra in the Siberian Lena Delta, Russia. Soil samples were predominantly taken from Samoylov Island and for the characterisation of soil bacterial communities additional samples from Kurungnakh Island were also analysed. The results show that the OM of both different cryogenic structures (polygon rim and centre) on Samoylov Island is dominated by little-decomposed, higher plant-derived material as indicated by the dominance of long-chain lipid biomarkers (n-alkanes and n-fatty acids) and high C/N ratios (16-51). The bulk soil OM of the active layer of the water saturated polygon centre is very young (0 to 43 cm depth: modern to 300 yrs BP) indicating that plant roots introduce modern carbon into deeper soil horizons. In contrast, the 14C age of the bulk OM of the polygon rim increases strongly with depth in the active layer (0 to 32 cm depth: modern to 1950 yrs BP) and even further in the permafrost top layer (32-37 cm depth: 3050 yrs BP) suggesting a slow microbial OM degradation in this cold environment. Soil organic carbon in the polygon rim is mainly stored in the clay and fine silt sized fractions (< 6.3 μm). These fractions are surprisingly ‘young’ with 14C contents similar to the bulk soil values suggesting that organo-mineral associations are of little importance in the OM stabilization. Particular OM occluded in soil aggregates has increased carbon contents with depth and higher 14C ages (55-3080 yrs BP) than free light particular OM (modern-1240 yrs BP). This indicates that soil aggregation seems to be of a stabilization mechanism occurring only at greater soil depth. The living microbial soil biomass is dominated by Gram-positive and Gram-negative bacteria as indicated by the dominance of their phospholipid fatty acid biomarkers (PLFAs, membrane lipids of living microbial cells). Another bacterial biomarker are bacteriohopanepolyols (BHPs), which are almost exclusively produced by bacteria. In different soil horizons on Samoylov and Kurungnakh Island the soil horizons differed in the abundances of methanotrophs, cyanobacteria, soil-marker BHP-producing bacteria and unknown BHP-producing bacteria. The greatest structural diversity and highest BHP concentrations probably indicating a great bacterial diversity and biomass were observed in the uppermost organic soil horizons (Oi) of the polygon rim and centre. It seems that several soil properties as high organic carbon content and relatively low soil pH have a positive influence on the diversity of the BHP-producing bacterial community. Microorganisms seem to predominantly metabolise the youngest, presumably labile OM pools available, as the 14C ages of individual PLFA biomarkers were always lower than the 14C ages of the bulk OM from which the biomarkers were isolated. It can be further suggested that the microbial utilized labile OM pools are plant-derived as the microbial PLFA biomarkers have similar 14C ages the as long-chain (plant-derived) lipid biomarkers and the free particular organic matter (fPOM). The increasing 14C age of microbial PLFAs with soil depths suggested that microorganisms metabolise older carbon sources in greater soil depth. However, these sources are most likely still the most labile and plantderived OM pools available as fPOM has similar 14C ages as the PLFAs. Therefore, it is possible either that ‘old’, presumably more stable carbon pools are not in favour to microbial decomposition or are not bioavailable or are degraded by microorganism other than (aerobic) soil bacteria.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die Permafrostregionen der Arktis werden durch die gegenwärtige globale Erwärmung vermutlich am stärksten beeinflusst, wodurch es zu längeren Sommerperioden und höheren Temperaturen kommen wird. Dies könnte zu einer Degradierung des Permafrostes führen und die jährliche oberflächliche Auftauschicht (active layer) der Permafrostböden an Mächtigkeit gewinnen lassen. Dadurch würden sich die Permafrostböden von Kohlenstoffsenken zu Kohlenstoffquellen für die Atmosphäre wandeln, weil große, früher eingefrorene Kohlenstoffreservoirs für den mikrobiellen Abbau, ein Schlüsselfaktor der Zersetzung von organischer Bodensubstanz, zur Verfügung stünden. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung organischer Bodensubstanz in Permafrostböden zur Identifikation von Stabilisierungsmechanismen, Bodenbakteriengesellschaften und Kohlenstoffpools, die vorranging von Bodenbakterien verstoffwechselt werden. Dies wurde mit Hilfe von bodenkundlichen Summenparametern, molekularen Lipid-Biomarkern, physikalischer Bodenfraktionierung und Radiokohlenstoffanalysen untersucht. In Böden der gemäßigten Zone sind die Stabilisierungsmechanismen der organischen Bodensubstanz (hauptsächlich organo-mineralische Verbindungen und Bodenaggregate) gut untersucht. Dafür wurde die organische Bodensubstanz dieser Böden in verschiedene funktionelle Pools mit unterschiedlichen Umsetzungsraten, die durch die chemischen Eigenschaften und der Bioverfügbarkeit der Pools bestimmt werden, aufgetrennt. Allerdings ist wenig über die Qualität, die Stabilität und die Bioverfügbarkeit für mikrobielle Gemeinschaften von organischer Bodensubstanz in Permafrostböden bekannt. Der Hauptort für mikrobielle Stoffwechselprozesse in Permafrostböden ist die jährliche Auftauschicht (active layer). Deshalb konzentrierte sich diese Arbeit auf die verschiedenen Bodenhorizonte der Auftauschicht und auf den obersten, noch gefrorenen Permafrostbereich in der polygonalen Tundra des sibirischen Lenadeltas, Russland. Die Bodenproben stammten hauptsächlich von der dortigen Insel Samoylov. Für die Charakterisierung der bakteriellen Bodengemeinschaften wurden zusätzlich Proben von der Insel Kurungnakh untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die organische Bodensubstanz der beiden kryogenen Strukturen (Polygonwall und Polygonzentrum) auf der Insel Samoylov von wenig zersetztem Material pflanzlichen Ursprungs dominiert wird, da langkettige Lipid-Biomarker (n-Alkane und n-Fettsäuren) überwiegen und die C/N-Verhältnisse (16-51) hoch sind. Das organische Bodenmaterial der Auftauschicht des wassergesättigten Polygonzentrums ist sehr jung (0 bis 43 cm Tiefe: modern bis 300 Jahre BP). Dies lässt vermuten, dass Pflanzenwurzeln modernen Kohlenstoff in tiefere Bodenhorizonte transportieren und dort abgeben. Im Gegensatz hierzu steigt das 14C-Alter des organischen Materials im Polygonwall mit zunehmender Tiefe der Auftauschicht stark an (0 bis 32 cm Tiefe: modern bis 1950 Jahre BP) und steigt in der obersten Permafrostschicht sogar noch weiter (32-37 cm Tiefe: 3050 Jahre BP), was eine geringe mikrobielle Umsetzung des organischen Materials in dieser kalten Umwelt vermuten lässt. Organischer Bodenkohlenstoff ist im Polygonwall hauptsächlich in den Ton- und Feinschluff-Fraktionen (< 6.3 μm) gespeichert. Allerdings sind diese Fraktionen mit 14C-Gehalten ähnlich des Gesamtbodens überraschend jung, was darauf schließen lässt, dass organo-mineralische Verbindungen bei der Stabilisierung des organischen Materials nur eine untergeordnete Bedeutung spielen. Partikuläres und in Bodenaggregaten gebundenes organisches Material (oPOM) hat mit der Tiefe höhere Kohlenstoffgehalte. Zudem ist das 14C-Alter der oPOM-Fraktion (55-3080 yrs BP) größer als die des freien partikulären organischen Materials (fPOM: modern-1240 yrs BP), was darauf hindeutet, dass Bodenaggregate nur in größerer Bodentiefe ein Stabilisierungsmechanismus sind. Die lebende mikrobielle Biomasse wird von Gram-positiven und Gram-negativen Bakterien dominiert, was durch die Dominanz ihrer Phospholipid-Fettsäuren (PLFAs, Membranlipide der lebenden mikrobiellen Zellen) angezeigt wird. Bei der Analyse von Bakteriohopanpolyolen (BHPs), die fast ausschließlich von Bakterien produziert werden, zeigte sich für die verschiedenen Bodenhorizonten der Inseln Samoylov und Kurungnakh eine unterschiedliche Zusammensetzung von Methanotrophen, Cyanobakterien, bodenspezifischen BHP-produzierenden Bakterien und unbekannten BHPproduzierenden Bakterien. Eine große bakterielle Vielfalt und Biomasse scheint in den obersten, organikreichen Oi-Horizonten der Polygonwälle und -zentren vorzuliegen, da dort die höchste strukturelle Diversität und die höchsten Konzentrationen an BHPs gemessen wurden. Es scheint, dass die Bodeneigenschaften wie ein hoher Gehalt an organischem Kohlenstoff und relativ geringe pH-Werte einen positiven Einfluss auf die Diversität der BHP-produzierenden bakteriellen Gemeinschaft haben. Mikroorganismen scheinen die jüngsten, vermutlich labilsten zur Verfügung stehenden Kohlenstoffpools zu verstoffwechseln, da das 14C-Alter einzelner PLFA-Biomarker immer geringer war als das 14C-Alter der Bodenhorizonte aus denen sie isoliert wurden. Es kann zudem vermutet werden, dass diese mikrobiell genutzte organische Bodensubstanz pflanzlichen Ursprungs ist, da die mikrobiellen PLFA-Biomarker ein ähnliches 14C-Alter wie die langkettigen Lipid-Biomarker (n-Alkane und n-Fettsäuren) und das freie partikuläre organische Material (fPOM) haben. Das ansteigende 14C-Alter der mikrobiellen PLFAs mit der Bodentiefe deutet darauf hin, dass Mikroorganismen mit der Tiefe ältere Kohlenstoffquellen nutzen. Diese Quellen scheinen aber immer noch das labilste verfügbare organische Material pflanzlichen Ursprungs zu sein, da die fPOM-Fraktion ein ähnliches 14C-Alter wie die PLFAs aufweist. Daher ist es möglich, dass entweder ‚alte‘, vermutlich stabilere Kohlenstoffpools nicht von den Mikroorganismen favorisiert werden oder diese nicht bioverfügbar sind oder diese von anderen als den hier untersuchten (aeroben) Bodenbakterien umgesetzt werden.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Höfle, Silke Tamarasilke.hoefle@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-61849
    Subjects: Earth sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    permafrost, soil sience, organic Biogeochemistry, soil organic matter, organic matter stabilization, lipid biomarkers, compound-specific radiocarbon analysisEnglish
    Permafrost, Bodenkunde, organische Biogeochemie, organisches Bodenmaterial, Stabilisierung von organischem Bodenmaterial, Lipid-Biomarker, komponenten-spezifische 14C-AnalysenGerman
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Geologie und Mineralogie
    Language: English
    Date: 2015
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 08 April 2015
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 24 Aug 2015 14:32:41
    Referee
    NameAcademic Title
    Rethemeyer, JanetProf. Dr.
    Kutzbach, LarsProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6184

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