Function and composition of the soil microbial community in calcareous grassland exposed to elevated atmospheric carbon dioxide

Abstract

Terrestrial ecosystems generally respond to rising atmospheric carbon dioxide (CO2) concentrations with increased net primary productivity and increased water use efficiency. This may change the amount and quality of organic substances entering the soil and fuelling microbial metabolism. Soil microorganisms and their activity might also be affected by increased soil moisture at elevated CO2. This thesis was designed to analyse the response of the soil microbial community in a species-rich calcareous grassland in the Swiss Jura Mountains, which had been exposed to ambient and elevated CO2 concentrations (365 and 600 ppm) for six growing seasons. In the first study, laboratory incubation experiments were conducted to explore the relationship between litter quality under elevated carbon dioxide and enzymes involved in carbon cycling. Naturally senescent, mixed litter from the long-term field experiment was incubated with soil material for 10, 30 and 60 days. Soil samples were then obtained close to the litter layer using a microtome cutting device. Litter and soil samples were analysed for invertase and xylanase activity. The lower litter quality produced under elevated CO2, i.e. wider C/N ratio, yielded lower invertase and xylanase activities of litter. Litter addition stimulated activities in adjacent soil. Invertase activities of adjacent soil were not affected by litter quality, while soil xylanase activity was higher in soil compartments adjacent to litter from elevated CO2 plots. The reduced enzyme activities of litter produced under elevated CO2 can slow decomposition, at least during the initial stages. Since the effects of litter quality on enzyme activities in adjacent soil were small, we conclude that CO2-induced belowground C-inputs (e.g. increased root mass) and altered moisture conditions are more important controls of enzyme activities than altered litter quality. In the second study, functional diversity of the soil microbial community was assessed by analysing N-mineralisation and activities of enzymes of the C-, N-, P- and S-cycle of soil samples taken in spring and summer 1999, in the 6th season of CO2 exposure. In spring, N-mineralisation increased significantly by 30% at elevated CO2, while there was no significant difference between treatments in summer. The response of soil enzymes to CO2 enrichment was also more pronounced in spring, when alkaline phosphatase and urease activities were increased most strongly, by 32% and 21%, respectively. In summer, activity differences between CO2 treatments were greatest in the case of urease and protease (+21% and +17% at elevated CO2). The significant stimulation of N-mineralisation and enzyme activities at elevated CO2 was probably caused by higher soil moisture and/or increased root biomass. In the third study, soil microbial community structure of soil samples taken in spring and summer 1999 was analysed by means of PLFA profiles and 16S rDNA fingerprints obtained by PCR-DGGE. PLFA profiles were not affected by elevated CO2. Ordination analysis of DNA fingerprints revealed a significant relation between CO2 enrichment and variation in DNA fingerprints. This variation must be attributed to low intensity bands because dominant bands did not differ between treatments. Diversity of the bacterial community (number of bands in DNA fingerprints and Shannon indices) was not affected. The observed minute, but significant changes in the structure of the soil bacterial community might be caused by changes in the quality of rhizodeposits at elevated CO2. These could either result from altered rhizodeposition of individual plants or from altered species composition of the calcareous grassland.The 4th part of the thesis compiles data on soil microorganisms, soil fauna, soil structure and nitrogen cycle of calcareous grassland after CO2 exposure for six growing seasons. Microbial biomass, soil basal respiration and the metabolic quotient were not altered significantly. PLFA analysis revealed no significant shift in the ratio of fungi to bacteria. Protozoans, bacterivorous and fungivorous nematodes, acarians, collembolans, and root-feeding nematodes were not affected by elevated CO2. Total nematode numbers averaged slightly lower (-16%) and nematode mass was significantly reduced (by 43%) due to fewer large-diameter nematodes classified as omnivorous and predacious. CO2 exposure resulted in a shift towards smaller aggregate sizes; this was caused by higher soil moisture. Reduced aggregate sizes result in reduced pore neck diameters. This can confine the locomotion of large-diameter nematodes and possibly accounts for their decrease. The CO2 enrichment also affected the nitrogen cycle. N stocks in living plants and surface litter increased, but N in soil organic matter and microorganisms remained unaltered. N mineralisation increased considerably, but microbial N did not differ between treatments, indicating that net N immobilization rates were unaltered.

Terrestrische Ökosysteme reagieren auf die gegenwärtige Erhöhung der atmosphärischen CO2-Konzentration mit Steigerung der Nettoprimärproduktion und verbesserter Effektivität der Wassernutzung. Dies kann dazu führen, dass sich Menge und Qualität der organischen Substanzen, die in den Boden gelangen und den heterotrophen Bodenmikroorganismen als Energiequelle dienen, verändern. Bodenmikroorganismen und ihre Aktivität können zudem durch die höhere Bodenfeuchte unter erhöhtem CO2 beeinflusst werden. Diese Dissertation hatte zum Ziel, die Reaktion der bodenmikrobiellen Gemeinschaft eines Kalkmagerrasens, der über sechs Vegetationsperioden mit CO2-angereicherter Luft (600 ppm) begast wurde, näher zu charakterisieren.Im ersten Teil der Dissertation wurde ein Laborexperiment durchgeführt, um den Einfluss der Streuqualität unter erhöhtem CO2 auf die Aktivität von Enzymen des C-Kreislaufes zu bestimmen. Hierzu wurde gemischte Streu mit Boden inkubiert, und Proben in unmittelbarer Nähe der Streu gewonnen. Die Invertase- und Xylanaseaktivität der Streu, die unter erhöhtem CO2 produziert wurde, war generell erniedrigt. Die Streuzugabe stimulierte die Enzymaktivitäten im angrenzenden Boden. Die Invertaseaktiviät im angrenzenden Boden wurde durch die Herkunft der Streu nicht beeinflusst, die Xylanaseaktivität wies jedoch höhere Werte bei Inkubation mit Streu aus der erhöhten-CO2-Variante auf. Die geminderten Enzymaktivitäten der Streu, die unter erhöhtem CO2 produziert wurde, können geringere Abbauraten im Initialstadium des Abbaus zur Folge habe. Da die Streuqualität insgesamt nur wenig Einfluss auf die Aktivitäten im direkt angrenzenden Boden hatte, sind für die Bodenenzymaktivitäten CO2-induzierte Änderungen der C-Einträge über die Wurzeln und das veränderte Feuchteregime vermutlich bedeutsamer als die Streuqualität.In der zweiten Studie wurde die funktionelle Diversität der Bodenmikroorganismen durch die Bestimmung der N-Mineralisation und der Aktivitäten von Enzymen der C-, N-, P- und S-Kreisläufe charakterisiert. Hierzu wurden Proben im Frühjahr und Sommer 1999 genommen. Unter erhöhtem CO2 war die N-Mineralisation im Frühjahr um 30% erhöht, während im Sommer kein signifikanter Anstieg zu verzeichnen war. Die Enzyme reagierten ebenfalls im Frühjahr stärker auf die CO2-Anreicherung als im Sommer, wobei die Aktivitäten der Alkalischen Phosphatase und Urease unter erhöhtem CO2 am stärksten gesteigert waren (+32% bzw. +21%). Im Sommer waren die Unterschiede zwischen den CO2-Varianten für Urease (+21%) und Protease (+17%) am größten. Die signifikante Steigerung der N-Mineralisation und der Enzymaktivitäten kann man auf die höhere Bodenfeuchte und die größere Wurzelmasse unter erhöhtem CO2 zurückführen. Im dritten Teil der Arbeit wurden die bodenmikrobielle Gemeinschaftsstruktur der Proben aus dem Frühjahr und Sommer 1999 mittels PLFA-Mustern und DGGE-Profilen der 16S rDNA charakterisiert. Die PLFA-Muster wurden durch die CO2-Anreicherung nicht beeinflusst. Eine Ordinationsanalyse der DNA-Profile zeigte, dass es im Fall der Sommer-Proben eine signifikante Beziehung zwischen CO2-Anreicherung und Variation in den DNA-Profilen gab. Diese Variation muss allerdings Banden mit geringer Intensität zugeschrieben werden, da sich die dominanten Banden zwischen den Varianten nicht unterschieden haben. Die geringen, aber signifikanten Effekte in der bakteriellen Gemeinschaftsstruktur wurden möglicherweise durch qualitative Änderungen der Rhizodeposition, resultierend entweder aus einer veränderte Rhizodeposition einzelner Pflanzenarten oder aber aus der veränderten Artenzusammensetzung, hervorgerufen.Der vierte Teil besteht aus einer Synthese von Daten zu Mikroorganismen, Bodenfauna, Bodenstruktur und N-Kreislauf nach 6 Jahren CO2-Anreicherung des Kalkmagerrasens. Mikrobielle Biomasse, Basalatmung, metabolischer Quotient und das Pilz/Bakterien-Verhältnis zeigten keine signifikante Änderung unter erhöhtem CO2. Protozoen, bakterivore und fungivore Nematoden, Milben und Collembolen, und wurzelfressenden Nematoden wurden ebenfalls nicht beeinflusst. Die Gesamtindividuenzahl der Nematoden war allerdings etwas erniedrigt unter erhöhtem CO2 (-16%), ihre Biomasse war signifikant um 43% reduziert. Dies ist auf den Rückgang der omnivoren und räuberischen Nematoden mit einem großen Körperdurchmesser zurückzuführen. Die CO2-Anreicherung bewirkte eine Verschiebung zu kleineren Aggregatgrößen, vermutlich verursacht durch die erhöhte Bodenfeuchte. Kleinere Aggregatgrößen bedingen geringere Porendurchmesser, was die Bewegung großer Nematoden einschränken kann. Die CO2-Anreicherung beeinflusste auch den N-Kreislauf: die N-Vorräte in Pflanzen und Streu nahmen unter erhöhtem CO2 zu, während die N-Vorräte in der bodenorganischen Substanz und den Mikroorganismen gleich blieben. Obwohl die N-Mineralisation zeitweise stark erhöht war, unterlag der mikrobielle N keiner Veränderung, so dass die netto N-Immobilisierungsraten vermutlich unverändert blieben.