Global change effects on soil C and soil C cycling

Dieleman, Wouter (2012) Global change effects on soil C and soil C cycling. PhD thesis, James Cook University.

[img]
Preview
PDF (Thesis)
Download (3MB) | Preview
 
43


Abstract

The concentration of carbon dioxide (COx) in the atmosphere represents the balance between COx uptake and COx release by the terrestrial and oceanic biosphere. In the absence of anthropogenic greenhouse gas emissions, COx uptake and release are approximately in balance, and atmospheric COx concentrations remain relatively constant over time. However, fossil fuel burning and land-use change have increased greenhouse gas emissions considerably, with an increase in global mean temperatures as a consequence. In addition, the changes in global temperatures are inducing alterations in precipitation patterns, and fossil fuel emissions are increasing the amount of reactive nitrogen deposition. These changes will, alone and in combination, affect the COx exchange of terrestrial ecosystems with the atmosphere through changes in plant productivity, soil nutrient and water balances, and carbon storage in biomass and soils.

In this thesis, I have addressed this topic by evaluating the effects of four major global changes (elevated COx, rising temperatures, increasing N deposition, and changing water availability) on soil carbon (C) storage and soil C cycling in terrestrial ecosystems. Using a database with results from global change manipulation experiments across a range of different ecosystems, and a soil sampling campaign along an altitudinal gradient in tropical forest, I assessed whether global changes affected C storage in soils and tried to uncover the mechanisms behind the effects of global change on soil C content and soil C cycling.

First, I have tested whether elevated COx concentrations can increase soil C content through increased plant productivity, and found that elevated COx accelerates soil C cycling, but does not increase soil C content. Effects of nitrogen (N) availability were important in the COx response of soil C processes, as we found that soil C content did increase in elevated COx when sufficient amounts of N fertilizer were added. In addition, I have shown that initial soil N content affected responses of fine roots, microbial decomposition and soil C content to elevated COx. Secondly, I have tested the hypothesis that N fertilization consistently decreases decomposition processes, and found a strong negative effect of N fertilization on microbial biomass and activity. I have revealed possible mechanisms behind these effects and indicated that N fertilization can thus lead to increases in soil C content. Thirdly, I analyzed a dataset of warming experiments to test whether warming consistently stimulates microbial decomposition rates. I did not find a consistent increase in microbial respiration or soil respiration, due to large variation between experiments. Here, I concluded that interactions and feedbacks related to soil water and nutrient status, and ecosystem-specific responses were causing the large range of observed effects. Futher, in an analysis of combined elevated COx and warming experiments, I have shown that elevated COx and warming can alleviate (part) of each other's limitations, resulting in synergistic interactions between different global change drivers. But more often, effects of combined global changes are unpredictable, suggesting the need for global models to validate their models structure against results from studies combining multiple global changes, rather than against effects of individual global changes. Lastly, due to spatial variability and differences in sensitivity of different terrestrial ecosystems, I have indicated the importance of a high quality documentation of site variables to be able to explain the observed effects of global change drivers.

In this thesis, I have increased the understanding of mechanisms and patterns behind effects of N fertilization and elevated COx concentrations, and have synthesized and clarified some effects and responses patterns in warming experiments. In addition, I have indicated gaps in our current understanding of soil C cycling processes due to lack of data, or low data quality. To increase the understanding of mechanisms behind global change effects on soil processes, I call for a more integrated approach where effects on soil C inputs, C pools, and C losses are simultaneously addressed, with a stronger attention for documentation of, and effects on, soil nutrient and water balances.

Item ID: 28994
Item Type: Thesis (PhD)
Additional Information:

Title (German): Het effect van global change op bodem C en bodem C cyclering.

Abstract (German):

De concentratie van koolstof dioxide (COx) in de atmosfeer is het resulstaat van de balans tussen COx opname door plantengroei, en COx vrigave door respiratie. Zonder de uitstoot van broeikaassen, die veroorzaakt wordt door menselijke activiteten, is de balans tussen COx opname en vrigave nagenoeg constant. Gedurende de voorbije decennia heeft de stijging in het verbruik van fossiele brandstoffen er echter voor gezorgd dat de concentratie van broeikaassen in de atmosfeer aanzienlijk is gestegen. Dit heeft als evolg dat de gemiddelde temperatuur op aarde stijgt. Daarenboven werkt deze stijging in temperatuur ook veranderingen in patronen en intensiteit van regenval in de hand, en de verbranding van fossiele energiebronnen verhoogt ood de hoeveelheid stikstof (N) depositie. Deze vernanderingen in het klimaat en de atmosfeer zullen elk op zich, en in combatinatie met elkaar, de uitwisseling van COx tussen terrestrische ecosystemen en de atmosfeer beinvloeden door veranderingen in de productiviteit van planten, veranderingen in beschikbaarheid van water en nutrienten in de bodem, en veranderingen in de opslag van koolstof (C) in biomassa en de bodem.

In deze thesis kom ik tegemoet aan enkele van de vragen die deze veranderingen opwerpen, door het effect van vier grote 'Global Change' factoren op de C inhoud van de bodem en de cyclering van C in de bodem in terrestrische ecosystemen te bestuderen. Aan de hand van een databank die resultaten uit global change manipulatie experimenten in een waaier aan verschillende types ecosystemen bevat, en een velstudie rond bodem C langs een hoogtegradient in tropisch regenwoud, heb ik getest of de globale veranderingen in atmosfeer en klimaat de C oplsag in de bodem beinvloedt en heb ik geprobeerd om de mechanismen achter effecten te achterhalen.

Ten eerste ben ik nagegaan of er onder verhoogde atmosferische COx concentraties een stijging in C opslag in de bodem kan worden bekomen. Daarop heb ik gevonden dat verhoogde COx concentraties de cyclering van C wel versnelt, maar dat een verhoogde C opslag in de bodem onwaarscijnlijk is. Van uiterst belang hierbij zijn de effecten van N beschikbaarheid aangezien de opslag van C in de bodem in vedrhoogde COx concentraties wel toeneemt bij bemesting met aanzienlijke hoeveelheden N. Bovendien heb ik ook aanetoond dat de initiele N inhoud van de bodem patronen in wortelgeroei, microbiele respiratie en bodem C onder verhoogde atmosferische COx concentraties bienvoeldt. Ten tweede heb ik de hypothese dat N bemesting de decompositie van organisch materiaal zou vetragen getest, en heb ik aagegtoond dat N bemesting inderaad negatieve effecten op microbiele groei en respiratie heeft. Daarenboven heb ik een aantal verschillende mechanismen gesuggereerd en daarbim aanetoond dat N bemesting de C inhoud van de bodem kan verhogen. Wat betreft effecten van stijgende temperaturen ben ik nagegaan of microbiele respiratie consistent wordt gestimuleerd door hogere temperaturen. Ik vond geen onvoorwaardelijk gestimuleerde microbiele activiteit, deels te verklaren door de grote variatie tussen verschillende experimenten. Hier concludeerde ik dat interacties en feedbacks gerelateerd aan beschikbaarheid van water of nutrienten, en de verschillende respons in verschillende types ecosystemen veraantwoordelijk warren voor de waaier aan verschillende effecten. In een analyse waar verhoogde atmosferische COx concentraies en hogere temperaturen werden gecombineerd, heb ik aangetoond dat beide global change factoren elkaars limiteringen kunnen opheffen, wat syngergistische effecten moelijk zou kunnen maken. Veel vaker echter, waren de effecten als gevolg van gecombineerde global change factoren onvoorspelbaar. Dit geeft aan dat modellen bij voorkeur zouden moeten etest worden tegen resultaten uit experimenten met gecomineerde global change factoren, in plaats van experimenten die individuele global change factoren bestuderen. Tenslotte, omdat de ruimtelijke variatie en de verschillende geoeligheid van bepaalde terresstrische ecosystemen de interpretatie van effecten van global change bemoeilijkg, heb ik meeredere keren het belang va een kwalitatief goede beschrijvin van experimentele omstandigheden aangegeven om effecten voldoende te kunnen verklaren.

Date Deposited: 31 Mar 2015 02:39
FoR Codes: 05 ENVIRONMENTAL SCIENCES > 0501 Ecological Applications > 050101 Ecological Impacts of Climate Change @ 34%
05 ENVIRONMENTAL SCIENCES > 0502 Environmental Science and Management > 050204 Environmental Impact Assessment @ 33%
05 ENVIRONMENTAL SCIENCES > 0503 Soil Sciences > 050301 Carbon Sequestration Science @ 33%
SEO Codes: 96 ENVIRONMENT > 9603 Climate and Climate Change > 960305 Ecosystem Adaptation to Climate Change @ 34%
96 ENVIRONMENT > 9603 Climate and Climate Change > 960309 Effects of Climate Change and Variability on the South Pacific (excl. Australia and New Zealand) (excl. Social Impacts) @ 33%
96 ENVIRONMENT > 9603 Climate and Climate Change > 960310 Global Effects of Climate Change and Variability (excl. Australia, New Zealand, Antarctica and the South Pacific) @ 33%
Downloads: Total: 43
Last 12 Months: 1
More Statistics

Actions (Repository Staff Only)

Item Control Page Item Control Page