Improvement of the Barometric Process Separation (BaPS) technique to measure microbial C and N transformation rates in arable high-pH soils

Abstract

The Barometric Process Separation (BaPS) technique provides a simple way to determine the rates of heterotrophic microbial respiration, gross nitrification and denitrification in soils by crossbalancing CO2 and O2 production and consumption rates in a closed incubation system via gas balances. The BaPS measuring system has some methodological limitations, especially in soils of pH above 6.5. In these soils, the CO2 balance of the incubation system is strongly influenced by abiotic fluxes driven by thermodynamic equilibration of the CO2 - carbonate system of the soil solution, i.e. a non-negligible fraction of CO2 produced via respiration is buffered by the soil solution. Correct quantification of this flux is necessary to correctly determine the microbial process rates. It has been shown that the thermodynamic calculation of CO2 dissolution does not deliver accurate results, leading to uncertainty in and considerable over- and underestimations of the microbial process rates. In this dissertation, this problem has been solved by developing a method to experimentally determine abiotic CO2 buffering, the Sterilization-CO2-Injection (SCI) method. Moreover, the soil specific adaptation of the Respiratory Quotient (RQ) has been studied in detail in order to reestablishes the advantage of the BaPS of operating isotope-free. Furthermore, in this dissertation we present an easy on-site calibration method for the BaPS sensor set in order to garantee optimal data quality although the maintenance service by the manufacturer has been canceled. Overall, the presented adaptations and improvements enhance the accuracy of BaPS measurements and might enhance its value as a tool for measuring gross nitrification rates in the future.

Die Barometrischen Prozessseparation (BaPS) Methode bietet eine einfache Möglichkeit, die Raten der heterotrophen mikrobiellen Atmung, der Bruttonitrifikation und der Denitrifikation in Böden zu bestimmen, indem die CO2- und O2-Produktions- und Verbrauchsraten in einem geschlossenen Inkubationssystem gemessen und über Gasbilanzen abgeleitet werden. Das BaPS-Messsystem hat einige methodische Einschränkungen, insbesondere in Böden mit einem pH-Wert über 6,5. In diesen Böden wird die CO2-Bilanz des Inkubationssystems stark von abiotischen Flüssen beeinflusst, die durch das thermodynamische Gleichgewicht des CO2-Karbonat-Systems der Bodenlösung angetrieben werden, d. h. ein nicht zu vernachlässigender Anteil des durch die Atmung erzeugten CO2 wird von der Bodenlösung gepuffert. Eine korrekte Quantifizierung dieses Flusses ist notwendig, um die mikrobiellen Prozessraten korrekt zu bestimmen. Es hat sich gezeigt, dass die thermodynamische Berechnung der CO2-Löslichkeit keine genauen Ergebnisse liefert, was zu Ungenauigkeiten und erheblichen Über- und Unterschätzungen der mikrobiellen Prozessraten führt. In dieser Dissertation wurde dieses Problem gelöst, indem eine Methode entwickelt wurde, um die abiotische CO2-Pufferung experimentell zu bestimmen, die Sterilisations-CO2-Injektionsmethode (SCI). Außerdem wurde die bodenspezifische Anpassung des Respiratorischen Quotienten (RQ) im Detail untersucht, um den Vorteil des BaPS, isotopenfrei zu arbeiten, wiederherzustellen. Des weiteren stellen wir in dieser Dissertation eine einfache Vor-Ort-Kalibrationsmethode für die BaPS-Sensoren vor, um eine optimale Datenqualität zu gewährleisten, obwohl der Wartungsdienst des Herstellers eingestellt wurde. Insgesamt erhöhen die vorgestellten Anpassungen und Verbesserungen die Genauigkeit der BaPS-Messungen und könnten ihren Wert als Instrument zur Messung der Bruttonitrifikationsraten in Zukunft steigern.