Impact of nitrogen deposition on forest biogeochemical processes investigated using a tool kit of stable isotope methods

Über 50 Prozent der gegenwärtigen atmosphärischen Stickstoffdepositionen werden durch anthropogene Aktivitäten verursacht und durch den atmosphärischen Stickstofftransport teils kilometerweit transportiert. Diese anthropogenen Veränderungen der biogeochemischen Kreisläufe von Stickstoff und folge dessen auch von Kohlenstoff verstärken die aktuelle Klimakrise in vielen Bereichen. Terrestrische Ökosysteme spielen eine essentielle Rolle in der Regulierung des Klimawandels da terrestrische Böden die signifikantesten Kohlenstoffsenken an Land sind. Mikrobielle Gemeinschaften in Waldböden sind ein essentieller Teil des terrestrischen Stickstoffkreislaufs da sie Stickstofftransformationen vermitteln und den Kohlenstoffhaushalt beeinflussen. In dieser Studie wurden die Effekte einer Langzeitbelastung durch erhöhten Stickstoffeintrag in temperate Waldböden in 4 Ländern durch stabile Isotopenmethoden gemessen. 15N und 13C Konzentrationen wurden in Bodenproben und in mikrobiellen Bodengemeinschaften mittels verschiedener Tracer-Experimente gemessen. Ungeachtet der unterschiedlichen klimatischen und bodenchemischen Parameter verhielten sich alle Böden der untersuchten Waldgebiete hinsichtlich der Reaktionen in Stickstoff- und Kohlenstoffparametern gleich. Mittels statistischer Analysen konnten wir signifikante Unterschiede zwischen Kontrollböden und mit Stickstoff gedüngten Böden feststellen. Auch bei PLFA Untersuchungen verhielten sich die untersuchten Böden der verschiedenen Standorte gleich, mit signifikanten Unterschieden zwischen den Behandlungen, wobei wir hier eine Reduktion des gram-negative zu gram-positive Verhältnisses beobachteten. Bodenrespirationsmessungen und Messungen des in der mikrobiellen Biomasse enthaltenen Stickstoffes ergaben widersprüchliche Ergebnisse. Unsere Hypothese besagte, dass sich die Zersetzung des biologischen Bodenmaterials durch eine höhere Stickstoffzufuhr erhöhen wird, was wir in unseren Versuchsstandorten in Deutschland und Schweden bestätigen konnten, jedoch nicht in Österreich und Großbritannien. Diese Ergebnisse könnten bedeuten, dass in diesen Waldböden andere Parameter wichtiger für die mikrobielle Aktivität sind.Contemporary sources of atmospheric reactive nitrogen are to approximately 50% associated with human activities. Due to atmospheric transport of reactive nitrogen, nitrogen is often introduced into nitrogen-limited ecosystems like temperate forest ecosystems. Those anthropogenic changes to the biogeochemical cycle of nitrogen and subsequently of carbon add to the current climate crisis in many ways. Terrestrial ecosystems play a crucial role in regulating climate and affect climate change, with terrestrial soils being the most significant carbon sink on land. Soil microbial communities are a crucial part of the nitrogen cycle as microbes mediate most soil nitrogen transformations. In this report, we investigated the effects of medium-term exposure to elevated nitrogen input in temperate forest soils (80 to 100 kg ha-1 yr-1 for 3-7 years) by tracing 15N- and 13C-labelled litter material in bulk soils as well as in soil microbial communities at multiple sites across Europe (Austria, Germany, UK, and Sweden). Irrespective of differences in climatic parameters and soil chemistry, all study sites showed a faster decomposition in bulk soil nitrogen measurements. A significantly increased soil 13C and 15N retention was found across all four study sites. Phospholipid acid (PLFA) analysis showed the same pattern at both investigated study sites, with decreasing the gram-negative to gram-positive bacteria ratios under elevated nitrogen inputs. Soil respiration and soil microbial biomass nitrogen measurements revealed contradictory results. We hypothesised an increased rate of organic matter breakdown through added nitrogen inputs, which could be confirmed in Germany and Sweden, but not in Austria and the UK. This indicates that other parameters than nitrogen availability might be more important to control soil microbial activity in those forests