Does long-term soil warming affect microbial element limitation? A test by short-term assays of microbial growth responses to labile C, N and P additions

Increasing global temperatures have been reported to accelerate soil carbon (C) cycling, but also to promote nitrogen (N) and phosphorus (P) dynamics in terrestrial ecosystems. However, warming can differentially affect ecosystem C, N and P dynamics, potentially intensifying elemental imbalances between soil resources, plants and soil microorganisms. Here, we investigated the effect of long-term soil warming on microbial resource limitation, based on measurements of microbial growth (18O incorporation into DNA) and respiration after C, N and P amendments. Soil samples were taken from two soil depths (0–10, 10–20 cm) in control and warmed (>14 years warming, +4°C) plots in the Achenkirch soil warming experiment. Soils were amended with combinations of glucose-C, inorganic/organic N and inorganic/organic P in a full factorial design, followed by incubation at their respective mean field temperatures for 24 h. Soil microbes were generally C-limited, exhibiting 1.8-fold to 8.8-fold increases in microbial growth upon C addition. Warming consistently caused soil microorganisms to shift from being predominately C limited to become C-P co-limited. This P limitation possibly was due to increased abiotic P immobilization in warmed soils. Microbes further showed stronger growth stimulation under combined glucose and inorganic nutrient amendments compared to organic nutrient additions. This may be related to a prolonged lag phase in organic N (glucosamine) mineralization and utilization compared to glucose. Soil respiration strongly positively responded to all kinds of glucose-C amendments, while responses of microbial growth were less pronounced in many of these treatments. This highlights that respiration–though easy and cheap to measure—is not a good substitute of growth when assessing microbial element limitation. Overall, we demonstrate a significant shift in microbial element limitation in warmed soils, from C to C-P co-limitation, with strong repercussions on the linkage between soil C, N and P cycles under long-term warming

Long-term soil warming decreases microbial phosphorus utilization by increasing abiotic phosphorus sorption and phosphorus losses

Phosphorus (P) is an essential and often limiting element that could play a crucial role in terrestrial ecosystem responses to climate warming. However, it has yet remained unclear how different P cycling processes are affected by warming. Here we investigate the response of soil P pools and P cycling processes in a mountain forest after 14 years of soil warming (+4 °C). Long-term warming decreased soil total P pools, likely due to higher outputs of P from soils by increasing net plant P uptake and downward transportation of colloidal and particulate P. Warming increased the sorption strength to more recalcitrant soil P fractions (absorbed to iron oxyhydroxides and clays), thereby further reducing bioavailable P in soil solution. As a response, soil microbes enhanced the production of acid phosphatase, though this was not sufficient to avoid decreases of soil bioavailable P and microbial biomass P (and biotic phosphate immobilization). This study therefore highlights how long-term soil warming triggers changes in biotic and abiotic soil P pools and processes, which can potentially aggravate the P constraints of the trees and soil microbes and thereby negatively affect the C sequestration potential of these forests

Does long-term soil warming affect microbial element limitation?

Seit der industriellen Revolution wurde durch das Einwirken der Menschen eine globale Erwärmung um 0, 95 °C verursacht und die Durchschnittstemperatur in Österreich ist seit 1880 um fast 2 °C gestiegen. Es wurde berichtet, dass die erhöhten globalen Durchschnittstemperaturen nicht nur den Kohlenstoff (C) Zyklus sondern auch die Dynamik von Stickstoff (N)- und Phosphor (P) in terrestrischen Ökosystemen beschleunigen. Das Ausmaß der durch die Erwärmung verursachten Zunahme der C-, N- und P Prozessen in der Erde kann jedoch unterschiedlich sein, was zu einer eventuellen Entkopplung der biogeochemischen C-, N- und P Zyklen und zu veränderten elementaren Ungleichgewichten zwischen verfügbaren Pflanzen-, Bodenressourcen- und bodenmikrobiellen Gemeinschaften führt. Die veränderte Dynamik von Boden C- und Nährstoffverfügbarkeit, die durch eine erhöhte Bodentemperatur verursacht wird, könnte das wachstumslimitierende Element für Bodenmikroorganismen ändern und sich stark auf die Zersetzung, Mineralisierung und Sequestrierung von organischem C und Nährstoffen auswirken. 6 Letzteres bezieht sich auf die konservative Verarbeitung und den Kreislauf von limitierenden Elementen durch Mikroben während überschüssige Elemente mineralisiert und von mikrobiellen Gemeinschaften freigesetzt werden. Trotz der vielen Labor- und In-situ Studien in denen Faktoren untersucht wurden, die die mikrobielle Aktivität im Boden beschränken, untersuchten die meisten von ihnen die Auswirkungen der Nährstoffzugabe auf die CO2 Produktion oder die Enzymaktivitäten. Eine kritische Bewertung zeigte jedoch deutlich, dass diese Maßnahmen unangemessen sind, um wachstumslimitierende Nährstoffe für Bodenmikroben zu identifizieren. Ähnlich wie bei Studien über wachstumslimitierenden Nährstoffen für Pflanzen kann eine eindeutige Bewertung der wachstumslimitierenden Elementen für Mikroorganismen in der Erde nur aus der Reaktion des mikrobiellen Wachstums auf Nährstoffzugabe abgeleitet werden. Nach unserer Kenntnis wurde dies bisher nicht in Erden durchgeführt, welche einer langfristigen Bodenerwärmung ausgesetzt waren. In dieser Studie untersuchten wir daher den Einfluss der langfristigen Bodenerwärmung auf die mikrobielle Nährstofflimitation anhand von Messungen des mikrobiellen Wachstums in einem gemäßigten kalkhaltigen Waldboden. Im Achenkirch-Bodenerwärmungsprojekt (>15 Jahre Bodenerwärmung um + 4 °C) wurden Bodenproben aus zwei Bodentiefen (0-10 cm, 10-20 cm) sowohl in Kontroll- als auch in beheizten Parzellen entnommen. Die Proben wurden nach dem Sieben und Entfernen der sichtbaren Wurzeln bei ihrer entsprechenden Feldtemperatur inkubiert. Verschiedene Kombinationen von Glucose-C, anorganischem/organischem N und anorganischem/organischem P in einem vollständig faktoriellen Design wurden anschließend den Erden zugeführt, wobei diese Substrate vorher in 18O-Wasser gelöst wurden. Nach 24 Stunden Inkubation wurde das mikrobielle Wachstum basierend auf dem 18O-Einbau in genomischer DNA gemessen. Die wachstumslimitierten Elemente wurden durch Vergleichen des mikrobiellen Wachstums in den C und Nährstoffe zugeführte Erden mit Erden welcher nichts zugegeben wurde, bestimmt. Die CO2 Produktion durch Bodenmikroorganismen wurde beruhend auf den Anstieg des Headspace-CO2 gemessen, wodurch die Effizienz der mikrobiellen CNutzung (CUE) abgeschätzt werden konnte. Das Schicksal vom zugegebenem C- und den Nährstoffen wurde schließlich durch Messungen der anorganischen und organischen extrahierbaren und mikrobiellen Biomasse C, N und P verfolgt. Diese Studie wird damit wichtige Einblicke in mögliche Wechselungen von limitierenden Elementen für das mikrobielle Wachstum unter langfristiger Bodenerwärmung liefern und gleichzeitig in deren Auswirkungen auf Boden C und Nährstoffkreisläufe. Wir nehmen folgende Hypothese an: (i) Das Wachstum von Bodenmikroorganismen von zwei Feldtemperaturen und Bodentiefen sind hauptsächlich durch C begrenzt. (ii) Frühere Studien vor Ort zeigten eine beschleunigte mikrobielle Verarbeitung von SOM, was durch eine stabile positive Reaktion von CO2 Produktion des Bodens (~ 40% Zunahme) aufgrund der Erwärmung angezeigt wird. (Schindlbacher et al., 2012). Anlässlich der im Vergleich zu C und N weniger engen Kopplung zwischen der 7 Versorgung der verfügbarem Boden C und P könnte eine Bodenerwärmung von über 15 Jahren möglicherweise die Verfügbarkeit von N in größerem Maße verbessern, was zu einer mikrobiellen PLimitation führen könnte. (iii) Das mikrobielle Wachstum wird unterschiedlich auf die Zugabe von organischem und anorganischem Nährstoffen reagieren, da die Effizienz der Assimilation von Substrat von der Aktivität spezifischer Transporter auf die mikrobielle Zellmembran und die elementare Limitation von Bodenmikroorganismen abhängt. Unser Ergebnis zeigte, dass die Erwärmung-induzierte Dynamik in Boden C-, N- und P Prozessen seit 2005 zu einer starken CP Co-Limitation des mikrobiellem Wachstum geführt hat, während Mikroben in ungeheizten Parzellen hauptsächlich durch C begrenzt waren. Darüber hinaus begrenzte C immer noch hauptsächlich das mikrobielle Wachstum in beiden Bodentiefen und Bodentemperaturen. Mikroben zeigten eine stärkere Wachstumsreaktion unter Zugabe von kombiniertem Glukose- und anorganischen Nährstoffen im Vergleich zur organischen Nährstoffzugabe mit dem gleichen molaren Verhältnis von C zu Nährstoffen. Eine schwächere Aktivität der Transporter von spezifischen organischen Nährstoffen auf die mikrobielle Zellmembran könnte diesen Befund erklären. Darüber hinaus wurde Glucosamine in Glucosamine-6-P (enthält C, N und P) effizienter mineralisiert als Glucosamine (enthält C und N) behandelte Erden, was mit dem direkten Nachweis einer starken P-Limitation in beheizten Parzellen zusammenfällt, da das Ausfallen einer P-Limitation mikrobielle Mineralisation von Glucosamine effizienter machen würde (Growth rate Hypothese). Unsere Ergebnisse bestätigten, dass das C:P-Verhältnis in der mikrobiellen Biomasse nicht homöostatisch war, als die Erde für eine hohe Verfügbarkeit von labilem P anfällig waren (solange der Boden nicht mit P übersättigt ist). Wir fanden auch heraus, dass die organische P-Mineralisierung hauptsächlich durch den mikrobiellen P-Bedarf sowohl in C-limitierten als auch in CPco-limitierten gemäßigten Waldböden ausgelöst wurde.Human activities have caused global warming by 0.95 °C since the industrial revolution, and average temperatures in Austria have risen by almost 2 °C since 1880. Increased global mean temperatures have been reported to accelerate carbon (C) cycling, but also to promote nitrogen (N) and phosphorus (P) dynamics in terrestrial ecosystems. However, the extent of warming-induced increases in soil C, N and P processes can differ, causing an eventual uncoupling of biogeochemical C, N and P cycles, and leading to altered elemental imbalances between available plant and soil resources and soil microbial communities. The altered dynamics in soil C and nutrient availability caused by increased soil temperature could shift the growth-limiting element for soil microorganisms, with strong repercussions on the decomposition, mineralization and sequestration of organic C and nutrients. The latter relates to the conservative cycling of limiting elements while elements in excess are mineralized and released at greater rates by microbial communities. Despite the many laboratory and in situ studies investigating factors that limit soil microbial activity, most of them explored nutrient addition effects on soil respiration or soil enzyme activities. A critical assessment, however, clearly indicated the inappropriateness of these measures to deduce growthlimiting nutrients for soil microbes. Similar to studies of plant nutrient limitation, unequivocal assessment of soil microbial element limitation can only be derived from the response of microbial growth to element amendments. To our knowledge this has not been performed on soils undergoing long-term soil warming. In this study, we therefore investigated the effect of long-term soil warming on microbial nutrient limitation based on microbial growth measurements in a temperate calcareous forest soil. Soil samples were taken from two soil depths (0-10, 10-20 cm) in both control and heated plots in the Achenkirch soil warming project (>15 yrs soil warming by + 4 °C). Soil samples were pre-incubated at their corresponding field temperature after sieving and removal of visible roots. The soils were amended with different combinations of glucose-C, inorganic/organic N and inorganic/organic P in a full factorial design, the nutrients being dissolved in 18O-water. After 24 hours of incubation, microbial growth was measured based on the 18O incorporation into genomic DNA. Nutrient (co)limitation was determined by comparing microbial growth responses upon C and nutrient additions relative to unamended controls. Basal respiration was also measured based on the increase in headspace CO2, allowing to estimate microbial C use efficiency (CUE). The fate of C and nutrient amendments was finally traced by measurements of inorganic and organic extractable and microbial biomass C, N and P. This study will thereby provide key insights into potential shifts in limiting nutrients for microbial growth under long-term soil warming, and into concomitant effects on soil C and nutrient cycles. 5 We hypothesize the following: (i) soil microorganisms at two field temperatures (control soils: 16 °C, heated soils: 20 °C) and from two soil depths (0-10 cm, 10-20cm) are primarily limited by C. (ii) Previous studies at the same site displayed accelerated microbial processing of SOM indicated by stable positive response (~40% increase) of soil respiration to warming (Schindlbacher et al., 2012). Due to less tight coupling between the supply of soil available C and P compared to C and N, >15 yrs soil warming could potentially enhance soil N availability to a larger extent, leading to microbial P limitation. (iii) As the efficiency of microbial substrate assimilation depends on the activity of specific transporters on cell membrane and microbial element limitation, microbial growth would respond differently to organic and inorganic nutrient additions of the same molar C to nutrient ratios. Our result showed that warming-induced dynamics in soil C, N and P processes since 2005 caused soil microorganisms from being mainly C-limited in control soils to CP co-limited in heated soils at both soil depths. In addition to that, C still primarily limited microbial growth in both heated and control soils at both soil depth. Microbes showed stronger growth stimulation under combined glucose and inorganic nutrient amendments compared to organic nutrient additions. Lower activity of organic nutrient transporters could explain this finding. Moreover, glucosamine was mineralized more efficiently in glucosamine-6-P (contains C, N and P) compared to glucosamine (contains C and N) treated soils, which coincides with the direct evidence of strong P limitation in heated plots, as the alleviation of P limitation would make microbes more active in mining C by mineralizing glucosamine. Our results confirmed that C:P ratio within microbial biomass was non-homeostatic when the soil was susceptible to high labile P availability, irrespective of native nutrient status of the soil (as long as the soil is not over-saturated with P). We also found that organic P mineralization was triggered primarily by microbial P demand in both C limited and CP co-limited temperate forest soils