Influence of land use on abundance, function and spatial distribution of N-cycling microorganisms in grassland soils

Abstract

This thesis focuses on the influence of land use on the abundance, function and spatial distribution of N-cycling microorganisms in grassland soils, but also on soil biogeochemical properties, as well as on enzyme activities involved in the carbon-, nitrogen-, and phosphorous cycle. The objective of this thesis was tackled in three studies. All study sites that were investigated as part of this thesis were preselected and assigned according to study region and land use within the framework of the “Exploratories for Functional Biodiversity Research – The Biodiversity Exploratories” of the Deutsche Forschungsgemeinschaft priority program 1374. The first study addressed the question whether land-use intensity influences soil biogeochemical properties, as well as the abundance and spatial distributions of ammonia-oxidizing and denitrifying microorganisms in grasslands of the Schwäbische Alb. To this end, a geostatistical approach on replicated grassland sites (10 m × 10 m), belonging to either unfertilized pastures (n = 3) or fertilized mown meadows (n = 3), representing low and high land-use intensity, was applied. Results of this study revealed that land-use intensity changed spatial patterns of both soil biogeochemical properties and N-cycling microorganisms at the plot scale. For soil biogeochemical properties, spatial heterogeneity decreased with higher land-use intensity, but increased for ammonia oxidizers and nirS-type denitrifiers. This suggests that other factors, both biotic and abiotic than those measured, are driving the spatial distribution of these microorganisms at the plot scale. Furterhmore, the geostatistical analysis indicated spatial coexistence for ammonia oxidizers (amoA ammonia-oxidizing archaea and amoA ammonia-oxidizing bacteria) and nitrate reducers (napA and narG), but niche partitioning between nirK- and nirS-type denitrifiers. The second study aimed at whether land-use intensity contributes to spatial variation in microbial abundance and function in grassland ecosystems of the Schwäbische Alb assigned to either low (unfertilized pastures, n = 3), intermediate (fertilized mown pastures, n = 3), or high (fertilized mown meadows, n = 3) land-use intensity. Plot-scale (10 m × 10 m) spatial heterogeneity and autocorrelation of soil biogeochemical properties, microbial biomass and enzymes involved in C, N, and P cycle were investigated using a geostatistical approach. Geostatistics revealed spatial autocorrelations (p-Range) of chemical soil properties within the maximum sampling distance of the investigated plots, while greater variations of p-Ranges of soil microbiological properties indicated spatial heterogeneity at multiple scales. An expected decrease in small-scale spatial heterogeneity in high land-use intensity could not be confirmed for microbiological soil properties. Finding smaller spatial autocorrelations for most of the investigated properties indicated increased habitat heterogeneity at smaller scales under high land-use intensity. In the third study, the effects of warming and drought on the abundance of denitrifier marker genes, the potential denitrification activity and the N2O emission potential from grassland ecosystems located in the Schwäbische Alb, the Hainich, and the Schorfheide region were investigated. Land use was defined individually for each grassland site by a land-use index that integrated mowing, grazing and fertilization at the sites over the last three years before sampling of the soil. It was tested if the microbial community response to warming and drought depended on more static site properties (soil organic carbon, water holding capacity, pH) in interaction with land use, the study region and the climate change treatment. It was further tested to which extent the N2O emission potential was influenced by more dynamic properties, e.g. the actual water content, the availability of organic carbon and nitrate, or the size of the denitrifier community. Warming effects in enhanced the potential denitrification of denitrifying microorganisms. While differences among the study regions were mainly related to soil chemical and physical properties, the land-use index was a stronger driver for potential denitrification, and grasslands with higher land use also had greater potentials for N2O emissions. The total bacterial community did not respond to experimental treatments, displaying resilience to minor and short-term effects of climate change. In contrast, the denitrifier community tended to be influenced by the experimental treatments and particularly the nosZ abundance was influenced by drought. The results indicate that warming and drought affected the denitrifying communities and the potential denitrification, but these effects are overruled by study region and site-specific land-use index. This thesis gives novel insights into the performance of N-cycling microorganisms in grassland ecosystems. The spatial distribution of soil biogeochemical properties is strongly dependent on land-use intensity, as in return is the spatial distribution of nitrifying and denitrifying microorganisms and the ecosystem services they perform. Yet, future work will be necessary to fully understand the interrelating factors and seasonal variability, which influence the ecosystem functioning and ecosystem services that are provided by N-cycling soil microorganisms at multiple scales.

Diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss von Landnutzungsintensität von Grünländern auf die Abundanz, Funktion und räumliche Verteilung von Stickstoff umsetzenden Bodenmikroorganismen, sowie dem Einfluss der Nutzungsintensität auf biogeochemische Bodeneigenschaften und Enzymaktivitäten des C-, N- und P-Kreislaufs. Die Fragestellung dieser Arbeit wurde in drei Studien bearbeitet, die im Rahmen des DFG Schwerpunktprogrammes 1374 „Biodiversitäts-Exploratorien“ durchgeführt wurden. Die erste Studie sollte klären, wie sich die Landnutzungsintensität auf biogeochemische Bodeneigenschaften, Abundanz und räumliche Verteilung von Nitrifizierern und Denitrifizierern in Grünländern der Schwäbischen Alb auswirkt. Dafür wurde auf Grünländern (10 m × 10 m) mit replizierten Nutzungsintensitäten (ungedüngte Weiden, n = 3; gedüngte Mähwiesen, n = 3) ein geostatistischer Ansatz angewandt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Landnutzungsintensität die räumliche Verteilung der biogeochemischen Bodeneigenschaften und die der Stickstoff umsetzenden Mikroorganismen auf der Plot-Ebene beeinflusste: Die räumliche Heterogenität nahm für die untersuchten Bodenparameter mit zunehmender Landnutzungsintensität ab. Im Gegensatz dazu konnte eine Zunahme der räumlichen Heterogenität für Ammoniak oxidierende Mikroorganismen und nirS-Denitrifizierer bei steigender Landnutzungsintensität gezeigt werden. Diese Ergebnisse indizieren, dass auf der Plot-Skala andere abiotisch / biotisch Faktoren als jene, die in der Studie erfasst wurden, die räumliche Verteilung dieser Mikroorganismen bedingen. Weiterhin wurde gezeigt, dass Nitrifizierer (amoA AOA und amoA AOB) und Nitrat-Reduzierer (napA und narG) koexistieren, während nirK- und nirS-Denitrifizierer unterschiedliche ökologische Nischen besetzen. Die zweite Studie thematisierte den Einfluss von Landnutzungsintensität auf die räumliche Variabilität mikrobieller Abundanz und Funktion in Grünlandböden der Schwäbischen Alb. Die Landnutzung war 3 Stufen zugeordnet: niedrig (ungedüngte Weiden, n = 3), mittel (gedüngte Mähweiden, n = 3) und hoch (gedüngte Mähwiesen, n = 3). Ein geostatistischer Ansatz erlaubte es, auf der Plot-Ebene (10 m × 10 m) die räumliche Heterogenität von biogeochemische Bodeneigenschaften, mikrobieller Biomasse und von Enzymen des C-, N-, und P-Kreislaufes zu untersuchen. Die geostatistische Analyse der chemischen Bodeneigenschaften ergab räumliche Autokorrelationen (p-Range), die innerhalb der maximalen Beprobungsdistanz lagen. Eine größere Variation der p-Ranges für mikrobiologische Bodenparameter indizierte räumliche Heterogenität auf unterschiedlichen Ebenen. Die erwartete Abnahme kleinskaliger räumlicher Heterogenität mikrobieller Parameter konnte nicht bestätigt werden da für die meisten Kenngrößen eine geringere räumliche Autokorrelation bei hoher Landnutzungsintensität gefunden wurde. Dies lässt den Schluss zu, dass bei hoher Landnutzungsintensität eine erhöhte, kleinskalige Habitat-Heterogenität vorliegt. In der dritten Studie wurde untersucht, wie sich Bodenerwärmung im Frühjahr und Dürre im Sommer auf die Abundanz denitrifizierender Bakterien sowie das N2O-Emissionspotenzial in drei Grünlandökosystemen auswirken. Das Studiendesign wurde in replizierten Grünlandflächen unterschiedlicher Landnutzung und unterschiedlicher geographischer Herkunft umgesetzt (Schwäbische Alb, Hainich und Schorfheide). Die Landnutzung war für jedes Grünland durch einen individuellen Landnutzungsindex definiert der Mahd, Beweidung und Düngung während der letzten drei Jahre vor der Probennahme berücksichtigte. Es wurde untersucht, ob die von Erwärmung und Dürre induzierten Effekte von statischen Standorteigenschaften (z.B. organischer Kohlenstoffgehalt, Wasserhaltekapazität oder pH-Wert) in Zusammenhang mit der Landnutzung abhängen, und in wie weit die potentielle Denitrifikation von dynamischen Standorteigenschaften (z.B. aktueller Bodenwassergehalt, organischer Kohlenstoff, Nitrat) und der Abundanz der Denitrifizierer selbst beeinflusst ist. Erwärmung steigerte die Aktivität der Denitrifizierer und führte zu erhöhter potentieller Denitrifikation. Die Unterschiede zwischen den Untersuchungsgebieten wurden hauptsächlich durch bodenchemisch-physikalische Eigenschaften erklärt. Der Landnutzungsindex war ein starker bestimmender Faktor für die potentielle Denitrifikation und Flächen mit einem höheren Flächennutzungsindex zeigten ein erhöhtes Potential für N2O-Emissionen. Während die mikrobielle Gemeinschaft (16S rRNA Abundanz) das Potential hatte Effekte der experimentellen Erwärmung und Dürre aufzufangen, zeigten die Denitrifizierer und hier insbesondere nosZ-Denitrifizierer eine Reaktion auf das Dürreexperiment. Insgesamt zeigten Grünländer mit hohem Landnutzungsindex ein größeres Potential zu erhöhten N2O-Emissionen als Flächen mit niedrigerem Nutzungsindex, und die Ausprägung der Effekte auf die denitrifizierenden Mikroorganismen waren hauptsächlich von der Untersuchungsregion und dem Landnutzungsindex abhängig. Diese Arbeit erweitert die Kenntnisse über die Funktion und Rolle Stickstoff umsetzender Mikroorganismen in Grünland-Ökosystemen. Die räumliche Verteilung von biogeochemischen Bodenparametern wird von der Landnutzungsintensität beeinflusst und wirkt sich auf die räumliche Verteilung der Nitrifizierer und Denitrifizierer sowie deren Ökosystemleistungen aus. Um die vielfältigen Ökosystemfunktionen, die von Stickstoff umsetzenden Bodenmikroorganismen bewältigt werden auf allen Ebenen zu verstehen, sind jedoch weitere Untersuchungen notwendig, um beispielsweise die zeitliche Variabilität dieser Funktionen besser zu verstehen.