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Origin and fate of dissolved organic matter in the subsoil

Dissolved organic matter (DOM) is one major source of subsoil organic matter (OM). P5 aims at quantifying the impact of DOM input, transport, and transformation to the OC storage in the subsoil environment. The central hypotheses of this proposal are that in matric soil the increasing 14C age of organic carbon (OC) with soil depth is due to a cascade effect, thus, leading to old OC in young subsoil, whereas within preferential flowpaths sorptive stabilization is weak, and young and bioa-vailable DOM is translocated to the subsoil at high quantities. These hypotheses will be tested by a combination of DOC flux measurements with the comparative analysis of the composition and the turnover of DOM and mineral-associated OM. The work programme utilizes a DOM monitoring at the Grinderwald subsoil observatory, supplemented by defined experiments under field and labora-tory conditions, and laboratory DOM leaching experiments on soils of regional variability. A central aspect of the experiments is the link of a 13C-leaf litter labelling experiment to the 14C age of DOM and OM. With that P5 contributes to the grand goal of the research unit and addresses the general hypotheses that subsoil OM largely consists of displaced and old OM from overlying horizons, the sorption capacity of DOM and the pool size of mineral-associated OM are controlled by interaction with minerals, and that preferential flowpaths represent 'hot spots' of high substrate availability.

Vertical partitioning and sources of CO2 production and effects of temperature, oxygen and root location within the soil profile on C turnover

For surface soils, the mechanisms controlling soil organic C turnover have been thoroughly investigated. The database on subsoil C dynamics, however, is scarce, although greater than 50 percent of SOC stocks are stored in deeper soil horizons. The transfer of results obtained from surface soil studies to deeper soil horizons is limited, because soil organic matter (SOM) in deeper soil layers is exposed to contrasting environmental conditions (e.g. more constant temperature and moisture regime, higher CO2 and lower O2 concentrations, increasing N and P limitation to C mineralization with soil depth) and differs in composition compared to SOM of the surface layer, which in turn entails differences in its decomposition. For a quantitative analysis of subsoil SOC dynamics, it is necessary to trace the origins of the soil organic compounds and the pathways of their transformations. Since SOM is composed of various C pools which turn over on different time scales, from hours to millennia, bulk measurements do not reflect the response of specific pools to both transient and long-term change and may significantly underestimate CO2 fluxes. More detailed information can be gained from the fractionation of subsoil SOM into different functional pools in combination with the use of stable and radioactive isotopes. Additionally, soil-respired CO2 isotopic signatures can be used to understand the role of environmental factors on the rate of SOM decomposition and the magnitude and source of CO2 fluxes. The aims of this study are to (i) determine CO2 production and subsoil C mineralization in situ, (ii) investigate the vertical distribution and origin of CO2 in the soil profile using 14CO2 and 13CO2 analyses in the Grinderwald, and to (iii) determine the effect of environmental controls (temperature, oxygen) on subsoil C turnover. We hypothesize that in-situ CO2 production in subsoils is mainly controlled by root distribution and activity and that CO2 produced in deeper soil depth derives to a large part from the mineralization of fresh root derived C inputs. Further, we hypothesize that a large part of the subsoil C is potentially degradable, but is mineralized slower compared with the surface soil due to possible temperature or oxygen limitation.

Effects of water content, input of roots and dissolved organic matter and spatial inaccessibility on C turnover & determination of the spatial variability of subsoil properties

It is well established that reduced supply of fresh organic matter, interactions of organic matter with mineral phases and spatial inaccessibility affect C stocks in subsoils. However, quantitative information required for a better understanding of the contribution of each of the different processes to C sequestration in subsoils and for improvements of subsoil C models is scarce. The same is true for the main controlling factors of the decomposition rates of soil organic matter in subsoils. Moreover, information on spatial variabilities of different properties in the subsoil is rare. The few studies available which couple near and middle infrared spectroscopy (NIRS/MIRS) with geostatistical approaches indicate a potential for the creation of spatial maps which may show hot spots with increased biological activities in the soil profile and their effects on the distribution of C contents. Objectives are (i) to determine the mean residence time of subsoil C in different fractions by applying fractionation procedures in combination with 14C measurements; (ii) to study the effects of water content, input of 13C-labelled roots and dissolved organic matter and spatial inaccessibility on C turnover in an automatic microcosm system; (iii) to determine general soil properties and soil biological and chemical characteristics using NIRS and MIRS, and (iv) to extrapolate the measured and estimated soil properties to the vertical profiles by using different spatial interpolation techniques. For the NIRS/MIRS applications, sample pretreatment (air-dried vs. freeze-dried samples) and calibration procedures (a modified partial least square (MPLS) approach vs. a genetic algorithm coupled with MPLS or PLS) will be optimized. We hypothesize that the combined application of chemical fractionation in combination with 14C measurements and the results of the incubation experiments will give the pool sizes of passive, intermediate, labile and very labile C and N and the mean residence times of labile and very labile C and N. These results will make it possible to initialize the new quantitative model to be developed by subproject PC. Additionally, we hypothesize that the sample pretreatment 'freeze-drying' will be more useful for the estimation of soil biological characteristics than air-drying. The GA-MPLS and GA-PLS approaches are expected to give better estimates of the soil characteristics than the MPLS and PLS approaches. The spatial maps for the different subsoil characteristics in combination with the spatial maps of temperature and water contents will presumably enable us to explain the spatial heterogeneity of C contents.

Spatial heterogeneity and substrate availability as limiting factors for subsoil C-turnover

In subsoils, organic matter (SOM) concentrations and microbial densities are much lower than in topsoils and most likely highly heterogeneously distributed. We therefore hypothesize, that the spatial separation between consumers (microorganisms) and their substrates (SOM) is an important limiting factor for carbon turnover in subsoils. Further, we expect microbial activity to occur mainly in few hot spots, such as the rhizosphere or flow paths where fresh substrate inputs are rapidly mineralized. In a first step, the spatial distribution of enzyme and microbial activities in top- and subsoils will be determined in order to identify hot spots and relate this to apparent 14C age, SOM composition, microbial community composition and soil properties, as determined by the other projects within the research unit. In a further step it will be determined, if microbial activity and SOM turnover is limited by substrate availability in spatially distinct soil microsites. By relating this data to root distribution and preferential flow paths we will contribute to the understanding of stabilizing and destabilizing processes of subsoil organic matter. As it is unclear, at which spatial scale these differentiating processes are effective, the analysis of spatial variability will cover the dm to the mm scale. As spatial segregation between consumers and substrates will depend on the pore and aggregate architecture of the soil, the role of the physical integrity of these structures on SOM turnover will also be investigated in laboratory experiments.

Calcium cycling in the soil-fig-bat compartment of a neotropical rain forest on spatially heterogeneous substrate

Calcium supply in tropical soils is variable and frequently low. In spite of the heterogeneous Ca supply, some plant species, such as figs, maintain high Ca concentrations in their tissues. Figs are keystone species with more than proportional importance for the functioning of a tropical rain forest. High Ca concentrations in fig fruits may render them particularly attractive for frugivorous vertebrates. We propose to study the whole Ca cycling from soil through a selected fig species, Ficus insipida Willd. and frugivorous bats, their main dispersers, back to soil. The study will be conducted in Panama on sites differing in soil Ca status to assess the importance of soil Ca availability for fig fruit content and bat reproduction. We will quantify aboveground Ca fluxes for 16 trees along a gradient of Ca availability in soil. We will determine (1) Ca concentrations in soils, figs and leaves, (2) nutritional quality of fig and other bat-dispersed fruits and their importance for Ca balance in relation to reproduction of fruit-eating bats, (3) Ca fluxes with litterfall, throughfall, stemflow, bat pellets and faeces, (4) the importance of the contribution of bats to the Ca cycle of individual fig trees, and (5) the effect of fig trees on soil Ca concentrations.

Bodengefährdung - potentielle Verdichtungsempfindlichkeit unter Ackerbau (Oktober - April)

Verdichtungsempfindlichkeit des Unterboden unter typischen Bedingungen des Ackerbaus im Winter, d.h. im langjährigen Durchschnitt (1975-2005) für den Zeitraum Oktober bis April. Die Klassifikation reicht von sehr geringer bis sehr hoher Verdichtungsempfindlichkeit. Bodenverdichtungen sind bereits seit längerem ein Problem des Bodenschutzes, das durch den Einsatz von immer schwereren Maschinen vor allem in der Landwirtschaft und in der Bauwirtschaft verschärft wird. Diese Karten können als Instrument des vorsorgenden Bodenschutzes z. B. die Frage beantworten, ob ein Erntetransport, der im Juli/August relativ risikolos war, im Oktober bereits ein hohes Risiko für Bodenschadverdichtungen birgt. Um möglichst viele Fragestellungen mit verschiedenem räumlichen Bezug zu bedienen, stehen Karten in sechs verschiedene Maßstabsebenen bereit: 1 : 2.000 für die konkrete Landbewirtschaftung oder Bauausführung vor Ort oder für eine hochaufgelöste Planung 1 : 10.000 für eine parzellenscharfe Planung 1 : 25.000 für Planungen auf Gemeindeebene 1 : 100.000 für Planungen in größeren Regionen 1 : 250.000 für eine landesweit differenzierte Planung 1 : 1000.000 für eine landesweite bis bundesweite Planung Weitere Kartenserien zur potentielle Verdichtungsempfindlichkeit existieren für den Zeitraum Oktober- April sowie für die Grünlandnutzung.

Bodengefährdung - potentielle Verdichtungsempfindlichkeit unter Ackerbau (Mai - September)

In der Kartenserie wird die Verdichtungsempfindlichkeit des Unterboden unter typischen Bedingungen des Ackerbaus im Sommer, d.h. im langjährigen Durchschnitt (1975-2005) für den Zeitraum Mai bis September abgebildet. Die Klassifikation reicht von sehr geringer bis sehr hoher Verdichtungsempfindlichkeit. Bodenverdichtungen sind bereits seit längerem ein Problem des Bodenschutzes, das durch den Einsatz von immer schwereren Maschinen vor allem in der Landwirtschaft und in der Bauwirtschaft verschärft wird. Diese Karten können als Instrument des vorsorgenden Bodenschutzes z. B. die Frage beantworten, ob ein Erntetransport, der im Juli/August relativ risikolos war, im Oktober bereits ein hohes Risiko für Bodenschadverdichtungen birgt. Um möglichst viele Fragestellungen mit verschiedenem räumlichen Bezug zu bedienen, stehen Karten in sechs verschiedene Maßstabsebenen bereit: 1 : 2.000 für die konkrete Landbewirtschaftung oder Bauausführung vor Ort oder für eine hochaufgelöste Planung 1 : 10.000 für eine parzellenscharfe Planung 1 : 25.000 für Planungen auf Gemeindeebene 1 : 100.000 für Planungen in größeren Regionen 1 : 250.000 für eine landesweit differenzierte Planung 1 : 1000.000 für eine landesweite bis bundesweite Planung Weitere Kartenserien zur potentielle Verdichtungsempfindlichkeit existieren für den Zeitraum Oktober- April sowie für die Grünlandnutzung.

Bodengefährdung - potentielle Verdichtungsempfindlichkeit unter Grünland (Mai - September)

In der Kartenserie wird die Verdichtungsempfindlichkeit des Unterboden unter typischen Bedingungen der Grünlandbewirtschaftung im Sommer, d.h. im langjährigen Durchschnitt (1975-2005) für den Zeitraum Mai bis September abgebildet. Die Klassifikation reicht von sehr geringer bis sehr hoher Verdichtungsempfindlichkeit. Bodenverdichtungen sind bereits seit längerem ein Problem des Bodenschutzes, das durch den Einsatz von immer schwereren Maschinen vor allem in der Landwirtschaft und in der Bauwirtschaft verschärft wird. Diese Karten können als Instrument des vorsorgenden Bodenschutzes z. B. die Frage beantworten, ob ein Erntetransport, der im Juli/August relativ risikolos war, im Oktober bereits ein hohes Risiko für Bodenschadverdichtungen birgt. Um möglichst viele Fragestellungen mit verschiedenem räumlichen Bezug zu bedienen, stehen Karten in sechs verschiedene Maßstabsebenen bereit: 1 : 2.000 für die konkrete Landbewirtschaftung oder Bauausführung vor Ort oder für eine hochaufgelöste Planung 1 : 10.000 für eine parzellenscharfe Planung 1 : 25.000 für Planungen auf Gemeindeebene 1 : 100.000 für Planungen in größeren Regionen 1 : 250.000 für eine landesweit differenzierte Planung 1 : 1000.000 für eine landesweite bis bundesweite Planung Weitere Kartenserien zur potentielle Verdichtungsempfindlichkeit existieren für den Zeitraum Oktober- April sowie für die Grünlandnutzung.

Bodengefährdung - potentielle Verdichtungsempfindlichkeit unter Grünland (Oktober - April)

In der Kartenserie wird die Verdichtungsempfindlichkeit des Unterboden unter typischen Bedingungen der Grünlandbewirtschaftung im Winter, d.h. im langjährigen Durchschnitt (1975-2005) für den Zeitraum Oktober bis April abgebildet. Die Klassifikation reicht von sehr geringer bis sehr hoher Verdichtungsempfindlichkeit. Bodenverdichtungen sind bereits seit längerem ein Problem des Bodenschutzes, das durch den Einsatz von immer schwereren Maschinen vor allem in der Landwirtschaft und in der Bauwirtschaft verschärft wird. Diese Karten können als Instrument des vorsorgenden Bodenschutzes z. B. die Frage beantworten, ob ein Erntetransport, der im Juli/August relativ risikolos war, im Oktober bereits ein hohes Risiko für Bodenschadverdichtungen birgt. Um möglichst viele Fragestellungen mit verschiedenem räumlichen Bezug zu bedienen, stehen Karten in sechs verschiedene Maßstabsebenen bereit: 1 : 2.000 für die konkrete Landbewirtschaftung oder Bauausführung vor Ort oder für eine hochaufgelöste Planung 1 : 10.000 für eine parzellenscharfe Planung 1 : 25.000 für Planungen auf Gemeindeebene 1 : 100.000 für Planungen in größeren Regionen 1 : 250.000 für eine landesweit differenzierte Planung 1 : 1000.000 für eine landesweite bis bundesweite Planung Weitere Kartenserien zur potentielle Verdichtungsempfindlichkeit existieren für den Zeitraum Oktober- April sowie für die Grünlandnutzung.

Bodengefährdung - potentielle Verdichtungsempfindlichkeit unter Ackerbau (Mai - September)

In der Kartenserie wird die Verdichtungsempfindlichkeit des Unterboden unter typischen Bedingungen des Ackerbaus im Sommer, d.h. im langjährigen Durchschnitt (1975-2005) für den Zeitraum Mai bis September abgebildet. Die Klassifikation reicht von sehr geringer bis sehr hoher Verdichtungsempfindlichkeit. Bodenverdichtungen sind bereits seit längerem ein Problem des Bodenschutzes, das durch den Einsatz von immer schwereren Maschinen vor allem in der Landwirtschaft und in der Bauwirtschaft verschärft wird. Diese Karten können als Instrument des vorsorgenden Bodenschutzes z. B. die Frage beantworten, ob ein Erntetransport, der im Juli/August relativ risikolos war, im Oktober bereits ein hohes Risiko für Bodenschadverdichtungen birgt. Um möglichst viele Fragestellungen mit verschiedenem räumlichen Bezug zu bedienen, stehen Karten in sechs verschiedene Maßstabsebenen bereit: 1 : 2.000 für die konkrete Landbewirtschaftung oder Bauausführung vor Ort oder für eine hochaufgelöste Planung 1 : 10.000 für eine parzellenscharfe Planung 1 : 25.000 für Planungen auf Gemeindeebene 1 : 100.000 für Planungen in größeren Regionen 1 : 250.000 für eine landesweit differenzierte Planung 1 : 1000.000 für eine landesweite bis bundesweite Planung Weitere Kartenserien zur potentielle Verdichtungsempfindlichkeit existieren für den Zeitraum Oktober- April sowie für die Grünlandnutzung.

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