Dynamics of dissolved organic matter in forest ecosystems in Flanders

Opgelost organisch materiaal (DOM) is het organisch materiaal (OM) opgelost in de waterige fase. Hoewel deze DOM pool slechts een beperkt deel uitmaakt van de totale OM pool, toch is het de meest mobiele en hoogstwaarschijnlijk de meest reactieve van alle pools. De hoge mobiliteit van DOM maakt transport van organisch materiaal en nutriënten mogelijk zowel binnenin als tussen verschillende ecosystemen. Het neerwaarts transport van DOM en geassocieerde elementen met het percolerend water speelt daarnaast een belangrijke rol bij bodemvorming, verlies van nutriënten en eutrofiëring van grond- en oppervlaktewater. De hoofdbedoeling van deze studie was het begroten van de dynamiek van opgelost organisch materiaal in bosecosystemen onder historisch hoge stikstofdeposities op zandige bodems in Vlaanderen. Het eerste deel van dit werk focuste op de analytische methode voor het bepalen van opgeloste organische stikstof (DON). Waterige stalen afkomstig uit Vlaamse bosecosystemen worden gekenmerkt door hoge anorganische stikstofconcentraties (nitraat en ammonium). Gezien DON enkel kan bepaald worden uit het verschil tussen de totale opgeloste stikstofconcentratie (TDN) en de opgeloste anorganische stikstofconcentratie (DIN), accumuleren analytische fouten op deze DON bepaling. Deze fout overschrijdt zelfs de absolute DON concentratie in een aanzienlijk aantal van de gevallen. Systematisch hogere TDN concentraties werden teruggevonden aan de hand van de basische persulfaat oxidatie (PO) in vergelijking met de vaak gebruikte hoge temperatuur katalytische oxidatie (HTCO) methode. Daarom werd de PO verder gebruikt voor de TDN bepalingen in deze studie. Het potentieel van een verfijnde dialyse-voorbehandeling om de precisie van de DON bepalingen te verhogen werd bepaald en positief bevonden, hoewel de methode arbeidsintensief is en dus moeilijk routinematig toe te passen valt. Het tweede deel van dit werk had de bedoeling om de concentraties en fluxen van opgeloste organische koolstof (DOC) en stikstof (DON) te begroten in de verschillende ecosysteemniveau’s van drie bosbestanden in Vlaanderen. De fluxen werden bepaald aan de hand van de resultaten van een intensieve, éénjarige meetcampagne en liet toe om de belangrijkste bronnen en verliesposten van DOM in deze ecosystemen te lokaliseren. Atmosferische depositie was de belangrijkste bron van DON in deze ecosystemen, terwijl de boomkruinen en de strooisellaag de meeste DOC in oplossing brachten. Hoewel aanzienlijke hoeveelheden DOC en DON in de onverzadigde zone onder de wortelzone werden weerhouden, greep de meeste DOM retentie plaats in de bovenste 90 cm van de minerale bodem. Als gevolg van de efficiënte DOM retentie in de volledige onverzadigde zone bereikten vrij lage hoeveelheden aan DOM jaarlijks het grondwater. Aangezien de strooisellaag als belangrijkste bron van DOM werd geïdentificeerd in deze bosecosystemen in Vlaanderen en aangezien aanzienlijke verschillen in DOM vrijstelling uit de strooisellaag werden gevonden tussen de drie bosbestanden, werden de factoren die deze DOM vrijstelling beïnvloeden verder in detail onderzocht. De combinatie van observaties tijdens de veldmetingen en tijdens labo-experimenten, samen met gegevens uit de literatuur, liet toe om een conceptueel model op te stellen voor de mechanismen die betrokken zijn bij de vrijstelling van DOM uit de strooisellaag. De verschillen in DOM vrijstelling uit de strooisellagen van de drie bosbestanden werden uitgelegd aan de hand van dit conceptueel model. Bovendien werd gevonden dat microbiële activiteit (gedeeltelijk) verantwoordelijk is voor de verschillen in snelheid en verloop tussen DOC en DON. Hoewel de minerale bodem als belangrijkste verliespost voor DOM werd geïdentificeerd, toch lieten de resultaten van de veldmetingen niet toe om de processen die hiervoor verantwoordelijk zijn te bepalen. Daarom werden een aantal laboratoriumexperimenten opgezet om het belang van de individuele verwijderingsprocessen te kwantificeren. Het eerste mechanisme dat onder gecontrolleerde laboratorium omstandigheden werd getest, was microbiële afbraak van DOM. Daarvoor werden DOM oplossingen van uiteenlopende origine geïnoculeerd met een mengsel van aanwezige microorganismen en geïncubeerd voor een totale duur van 1 jaar. De resultaten lieten zien dat slechts een beperkt deel van de DOM in strooiselwater werd gemineralizeerd (27-34 %) gedurende het experiment, waarbij ook slechts een beperkt invloed te merken was van de oorsprong van de oplossing. Bovendien neigde de afbreekbaarheid van DOM toe te nemen met toenemende diepte in de bodem. Deze bevindingen duiden aan dat microbiële afbraak hoogstwaarschijnlijk niet het belangrijkste mechanisme is dat instaat voor de hoge DOM retentie in de minerale bodem. Naast microbiële afbraak werd fysische sorptie op de minerale bodemdeeltjes onderzocht als mogelijk mechanisme verantwoordelijk voor het weerhouden van DOM. In een eerste experiment werd bepaald welk van de courantste modellen voor het beschrijven van sorptie-isothermen het beste fit en de meest betrouwbare en realistische parameterschattingen oplevert. De resultaten gaven aan dat de DOM concentraties geschat op basis van de sorptie-isothermen goed overeenkwamen met de gemeten concentraties in het veld. Een tweede experiment werd uitgevoerd in een poging om de DOM concentraties in gelaagde bodemprofielen beter te voorspellen door de veldomstandigheden beter te benaderen. Daarvoor werd een sequentiele batch methode ontwikkeld waarbij de DOM oplossing wordt in evenwicht gebracht met de opeenvolgende minerale bodemhorizonten. Er werd gevonden dat deze nieuwe methode in staat is om de DOM en in het bijzonder DOC concentraties in functie van de diepte beter te voorspellen dan de conventionele methode. Bovendien werd gevonden dat deze nieuwe methode de sorptie-geïnduceerde fractionatie van DOM in deze podzolprofielen zeer goed beschrijft, wat de bruikbaarheid van deze method voor DOM transport modellen onderstreept. Samengevat onthult dit werk het belang van opgelost organisch materiaal in een waaier van milieukwesties. Eerst en vooral vormt DOM een belangrijke drager van koolstof bij het transport van bovengrondse bronnen naar de minerale bodem. Adsorptie aan de bodemdeeltjes samen met zijn inherente recalcitrantie of externe stabilisatiemechanismen, benadrukken de mogelijke rol van DOM bij de ondergrondse koolstofsequestratie in bosecosystemen. Het in rekening brengen van DON in de totale stikstofbalans van deze eutrofe bosecosystemen geeft een ander en beter beeld van de totale N input, output en retentie

Patterns of dissolved organic carbon and nitrogen fluxes in deciduous and coniferous forests under historic high nitrogen deposition

Numerous recent studies have indicated that dissolved organic carbon (DOC) and nitrogen (DON) play an important role in C and N cycling in natural ecosystems, and have shown that N deposition alters the concentrations and fluxes of dissolved organic substances and may increase leaching losses from forests. Our study was set up to accurately quantify concentrations and flux patterns of DOC, DON and dissolved inorganic nitrogen (DIN) in deciduous and coniferous forest in Flanders, Belgium, under historical high nitrogen deposition. We measured DOC, DON and DIN concentrations at two weekly intervals in a silver birch (SB) stand, a corsican pine (CP) stand and a pine stand with higher N deposition (CPN), and used the SWAP model (calibrated with PEST) for generating accurate water and matter fluxes. The input with precipitation was an important source of DON, but not for DOC. Release of DOC from the forest floor was minimally affected by forest type, but higher N deposition (CPN stand) caused an 82% increase of DOC release from the forest floor. Adsorption to mineral soil material rich in iron and/or aluminum oxyhydroxides was suggested to be the most important process removing DOC from the soil solution, responsible for substantial retention (67–84%) of DOC entering the mineral soil profile with forest floor leachate. Generally, DON was less reactive (i.e. less removal from the soil solution) than DOC, resulting in decreasing DOC/DON ratios with soil depth. We found increased DOC retention in the mineral soil as a result of higher N deposition (84 kg ha−1 yr−1 additional DOC retention in CPN compared to CP). Overall DON leaching losses were 2.2, 3.3 and 5.0 kg N yr−1 for SB, CP and CPN, respectively, contributing between 9–28% to total dissolved N (TDN) leaching. The relative contribution to TDN leaching from DON loss from SB and CP was mainly determined by (large) differences in DIN leaching. The large TDN leaching losses are alarming, especially in the CPN stand that was N saturated

Nutrient cycling in two continuous cover scenarios for forest conversion of pine plantations on sandy soil, II: nutrient cycling via throughfall deposition and seepage flux

This study examined ion throughfall deposition and seepage fluxes in silver birch (Betula pendula L.) and Scots pine (Pinus sylvestris L.) regenerations a decade after a forest conversion intervention in two continuous cover scenarios (shelterwood cut versus group cut), as well as a 70-year-old control stand of Scots pine. Ion throughfall deposition was significantly influenced by the conversion scenario, being higher in the shelterwood cut than in the group cut. Compared with the control stand, nitrogen and acidifying throughfall deposition was significantly lower (-60%) in all regeneration types except for the birch regeneration under shelter. After shelter removal, ion throughfall deposition was significantly lower in all regeneration types than in the control stand. Seepage of NO3- and SO42- was significantly affected by the tree species, being higher in the birch than the pine regenerations, and SO42- seepage was significantly higher under shelter than in the group cut. After shelter removal, neither tree species nor scenario influenced the SO42- seepage, whereas the tree species still affected NO3- seepage. We conclude that the chosen forest conversion scenario is of profound influence on the ion throughfall and seepage fluxes during the first phase of a forest conversion process