The @effect of elevated atmospheric CO2 on soil C and N dynamics and its feedback on CO2 and N2O emissions from a temperate grassland ecosystem : results from a long-term Free Air CO2 Enrichment (FACE) experiment

Abstract

Rising atmospheric CO2 concentrations are affecting the cycling of carbon (C) and nitrogen (N)in ecosystems, which has the potential to alter the emissions of the stable greenhouse gases CO2 and N2O to the atmosphere. Despite the relevance of these processes to affect global warmingcurrent knowledge is fragmentary and relies mostly on short-term studies.At the Giessen Free Air CO2 Enrichment Experiment (Gi-FACE) the effect of +20% above ambient CO2 concentration (corresponds to conditions reached 2035-2045) in a temperate grassland has been investigated since 1998. Consequently, observations from this site allow to investigate long-term effects of elevated CO2 (eCO2).The main objective of the present work was to contribute to a better understanding of soil C and N dynamics under long-term eCO2, which are governing the formation and emission of CO2 and N2O from a temperate grassland ecosystem. Towards this objective we assessed the seasonal effects of long-term eCO2 on soil respiration (study I). We further elucidated the distribution of soil aggregate-size classes at different soil depths under eCO2 (within 13.5 years) by physical fractionation, estimated the associated mean residence time (MRT) under eCO2 by applying an isotope mixing model and measured the resulting soil organic carbon (SOC) content (study II). Moreover, we quantified N transformations via 15N labelling and by applying a 15N tracing model and measured the resulting N2O emissions (study III).The results of weekly soil respiration measurements for a period of three years (2008-2010) revealed a pronounced and repeated increase of soil respiration under eCO2 during late autumn and winter dormancy. Increased CO2 losses during the autumn season (September October) were 15.7% higher and during the winter season (November March) were 17.4% higher compared to respiration from ambient CO2 plots. However, during spring time and summer,which are characterized by strong above- and below-ground plant growth, no significant change in soil respiration was observed at the Gi-FACE site under eCO2. Further, a depth-dependent response of macroaggregation to eCO2 was observed: While in subsoil (15 45cm depth) macroaggregation increased under eCO2, no CO2-induced change in macroaggregation was detected in topsoil (0 15 cm). MRT of SOC in aggregate-size classes were not different among each other under eCO2. However, macroaggregates and bulk soil differed in their MRT between soil depths under eCO2. Despite increased macroaggregation and an estimated high SOC sequestration potential in subsoil, we could not observe an increase in SOC content of bulk soil within 13.5 years of eCO2.Results from the 15N study showed that the major source for twofold increases of N2O emissions under eCO2 was the oxidation of organic N followed by incomplete NO2 - reduction. From these results we suggest that a CO2-induced priming effect resulted in stimulated mineralization of soil organic matter (SOM) and fostered the activity of bacterial nitrite reductase, which was responsible for increased N2O emissions.To sum up, the present work showed a positive feedback of long-term eCO2 in a temperate grassland on N2O and soil CO2 emissions which further accelerate global warming. This indicates that temperate European grasslands may gradually turn into greenhouse gas (GHG) sources with rising atmospheric CO2 due to enhanced CO2 losses during autumn and winter and increased N2O emissions. Der zunehmende Anstieg atmosphärischer CO2 Konzentrationen beeinflusst die Umsetzungsprozesse von Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) in unseren Ökosystemen, welches zu Rückkoppelungseffekten hinsichtlich atmosphärischer CO2 und N2O Konzentrationen führen kann. Trotz der Relevanz dieser Zusammenhänge und der beteiligten Prozesse hinsichtlich der Beeinflussung globaler Erwärmung, ist der aktuelle Wissensstand noch lückenhaft und beruht größtenteils auf Kurzzeitstudien.Im Rahmen des Giessener Freiland-CO2 Anreicherungsexperiments (Free Air CO2 Enrichment; Gi-FACE) werden seit 1998 die Auswirkungen von +20% erhöhten CO2 Konzentrationen (entspricht den Bedingungen, die 2035-2045 erwartet werden) in einem gemäßigten Grünlandökosystem untersucht. Somit bietet das Gi-FACE die Möglichkeit Langzeitstudien zu den Auswirkungen von erhöhten atmosphärischen CO2 Konzentrationen zu untersuchen.Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, zu einem besseren Verständnis von C- und N Umsetzungsprozessen im Boden unter langzeitig erhöhtem CO2 beizutragen, die für die Entstehung von CO2- und N2O-Emissionen aus einem gemäßigten Grünlandökosystem verantwortlich sind. Dazu wurde der jahreszeitliche Effekt von langzeitig erhöhtem CO2 auf die Bodenatmung untersucht (Studie I). Weiterhin wurden die Effekte von erhöhtem CO2 aufdie Aggregatstruktur des Bodens in verschiedenen Bodentiefen über einen Zeitraum von 13,5 Jahren, anhand physikalischer Fraktionierung, untersucht, sowie der C-Umsatz mit Hilfe eines Isotopenmischungsmodells ermittelt und der organische C-Gehalt des Gesamtbodens sowie der Aggregatsklassen analysiert (Studie II). Darüber hinaus wurden in der 15N-Markierungsstudie (Studie III), anhand eines angewandten Markierungsmodells, die N-Transformationen imBoden quantifiziert und die aus den verschiedenen Boden-N-Umsetzungsprozessen resultierenden N2O-Emissionen gemessen (Studie III).Über einen Zeitraum von 3 Jahren (2008-2010) mit wöchentlichen Messungen zeigten die Ergebnisse einen ausgeprägten und wiederholten Anstieg der Bodenatmung unter erhöhtem CO2 im spätem Herbst und in der Vegetationsruhe an. Im Herbst war die Bodenatmung um 15.7% angestiegen, über die Vegetationsruheperiode um 17.4% im Vergleich zur Bodenatmung auf den Kontrollflächen. In den Frühlings- und Sommerperioden, die durch ein starkesPflanzenwachstum charakterisiert sind, wurde hingegen keine signifikante Änderung der Bodenatmungsrate unter erhöhtem CO2 festgestellt. Weiterhin wurde eine von der Bodentiefe abhängige verstärkte Makro-Aggregation unter erhöhtem CO2 festgestellt: Während im Unterboden (15-45 cm Tiefe) die Makro-Aggregation unter erhöhtem CO2 zunahm, wurde keine CO2-abhängige Veränderung der Makro-Aggregation im Oberboden (0-15 cm Tiefe) beobachtet. Der C-Umsatz unterschied sich nicht zwischen den verschiedenen Bodenaggregatsklassen unter erhöhtem CO2. Allerdings unterschied sich der C-Umsatz beimGesamtboden und bei den Makro-Aggregaten zwischen den Bodentiefen unter erhöhten CO2.Trotz zunehmender Makro-Aggregation und eines ermittelten hohen C-Bindungspotentials des Unterbodens konnte keine Zunahme des organischen Kohlenstoffgehaltes des Gesamtbodens innerhalb 13.5 Jahren CO2 Anreicherung festgestellt werden.Ergebnisse der 15N-Markierungsstudie zeigten, dass die Oxidation von organischen N gefolgt von unvollständiger NO2-Reduktion die hauptsächlichen Prozesse für die Verdoppelung der N2O-Emissionen unter erhöhtem CO2 im untersuchten Grünlandökosystem darstellen. Anhand der Ergebnisse schließen wir, dass, bedingt durch die CO2-Anreicherung, eine angeregte Mineralisierung der organischen Bodensubstanz erfolgt, welches die Aktivität von bakteriellerNitritreduktase fördert und für die zusätzlichen N2O-Emissionen verantwortlich ist.Insgesamt zeigt die vorliegende Arbeit eine positive Rückkoppelung von langzeitig erhöhtem CO2 auf N2O- und CO2-Emissionen eines gemäßigten Grünlandökosystems auf, die zu einer weiteren Erderwärmung beiträgt. Folglich deuten die Ergebnisse darauf hin, dass europäische gemäßigte Grünlandökosysteme sich eher zu Treibhausgasquellen entwickeln können aufgrund von erhöhten CO2 Verlusten während Herbst und Winter und höheren N2O-Emissionen mit zunehmenden atmosphärischen CO2 Konzentrationen.