Nutrient and Organic Matter Dynamics in Beech Forest Floors, in Relation to the Presence of Ground Flora

Abstract

The objective of this thesis was to quantify differences between adjacent patches with and without ground flora of Deschampsia flexuosa L. Trin or Anemone nemorosa L. in two acid European beech (Fagus sylvatica L.) forest floors in south-west of Sweden. The studies included soil properties and chemistry, N mineralisation and bioavailability of dissolved organic carbon (DOC), in soil leachates (SL), soil matrix solution (SMS) and soil water extractions (SWE).



The studies showed that soil properties and chemistry and N mineralisation differ between plots with and without ground flora. Whereas there were no differences in bioavailability of DOC in soil solutions from plots with and without ground flora. I found higher pH in plots with D. flexuosa and lower soil organic matter (SOM) content, water content, cation exchange capacity, base saturation and N concentration, than in plots without grass. At the A. nemorosa site, pH, and base saturation were higher in plots with ground flora than without. N mineralisation rate was lower in plots with D. flexuosa than without. Contrary, the amount of mineralised N was higher in plots with A. nemorosa than without. In June at the A. nemorosa site, the nitrogen concentrations in SL were higher in plots with A. nemorosa than without. This may be due to plant uptake or microbial immobilisation. At the D. flexuosa site mean NO3-N concentration in SL and SMS was lower in plots with grass than without.



The amount of mineralised N in the soil from the A. nemorosa site was twice as high as in the soil from the D. flexuosa site, with domination of NO3-N and NH4-N respectively. These differences were probably caused by lower pH (KCl) and higher SOM content in the D. flexuosa soil than in the A. nemorosa soil. Mixing the nitrifying soil from the A. nemorosa site with the low nitrifying soil from the D. flexuosa site, induced nitrification and ammonification rate in the D. flexuosa soil, in plots with grass. These results indicate that the microorganisms are limited by C at the A. nemorosa site and N at the D. flexuosa site.



SMS was more acid than the SL at both sites. Probably due to the more rapid passage of incoming rain water and hence a lower contact time and ion exchange rate with the acidic soil matrix in SL. At the D. flexuosa site, NO3-N, NH4-N, DON and PO4-P concentrations were lower in SMS than in SL, indicating plant uptake, microbial immobilisation and/or adsorption in the soil. A higher concentration of NO3-N was found in SMS than in SL at the A. nemorosa site, probably due to a higher nitrification rate in the smaller pores and/or longer contact time between soil and water and a larger population of nitrifiers. The bioavailability of DOC differed between soil solution types. DOC in SWE was the most bioavailable and DOC in SMS was the least bioavailable. These results are probably reflecting different origin of DOC in soil solutions in larger and smaller pores of the forest floor, which will influence the quality of DOC.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Fältskiktet gör skillnaden!



Dynamiken av näringsämnen och organiskt material i bokskogens övre markskikt



Frida Andreasson, Växtekologi och systematik, Lunds universitet



Det övre markskiktet i bokskogen är markens mest biologiskt aktiva del. Därför är kunskapen om denna del av marken, dess egenskaper och kemi, angelägen. Särskilt viktig är kunskapen om mineraliseringen av organiskt bundet kväve, kemin i marklösningen och biologisk tillgänglighet av lösliga organiska kolföreningar, eftersom dessa egenskaper och processer är betydelsefulla för hela bokskogens ekosystem.



Det är allmänt känt att biologiska och kemiska processer i marken påverkas av träden i skogsekosystemet. I skogsekosystemet står träden för största delen av biomassan och produktionen av biomassa, medan fältsiktet endast står för en mindre del av skogens totala biomassa. Ändå kan fältskiktet ha en viktig roll i omsättningen av näringsämnen och kol i ett skogsekosystem. Detta bl.a. eftersom fältskiktet genom upptag, nedbrytning och mineralisering kan skapa cykler med snabbare omsättning av näringsämnen och kol under vissa perioder under året eller inom mindre områden.



I denna avhandling har jag studerat innehåll samt tillgängligheten av näringsämnen och organiskt material i bokskogens övre markskikt, i relation till förekomsten av fältskikt. Jag har även undersökt variationer under vegetationssäsongen och skillnader mellan två skogar, en med mulljord och en med mårjord. För att kunna genomföra dessa studier har jag använt mig av två bestånd av bokskog, ett med fältskikt av vitsippa och ett med kruståtel, som båda ligger i nordvästra Skåne. Ett område i varje bestånd har valts ut, där det fanns en tydlig gräns mellan barmark och fältskikt. Provtagning gjordes i fem olika block med och utan fältskikt, på närliggande provytor. Vitsippa är en ört som växer ovanjord endast på våren medan kruståtel ett gräs som växer året om och är grönt även på vintern.



Begränsningar för kvävemineralisering



I skogen med vitsippa var nitrat den dominerande formen av kväve. I skogen med kruståtel var å andra sidan nitratvärdena låga och här dominerade istället ammonium och löst organiskt kväve. De låga nitratvärdena i skogen med kruståtel beror troligen på lågt pH, eftersom nitrifikation (omvandling av ammonium till nitrat) sällan sker där marken är surare än pH 4,5. Andra troliga orsaker till den låga nitrifikationen kan vara resursbegränsning. Resursbegränsningen innebär troligen i det här fallet att det inte finns tillräckligt med ammonium för nitrifierande mikroorganismerna att omvandla till nitrat eller att det inte finns tillräckligt med organiskt bundet kväve för mineraliserande mikroorganismerna att omvandla till ammonium, som är mikroorganismernas utgångsmaterial i nitrifikationen. Det översta marklagret i skogen med kruståtel är ett mårskikt med hög halt organiskt material samt mycket kol i förhållande till kväve, vilket tyder på låg nedbrytning, som troligtvis leder till låg ammonifikation, vilket ger låg nitrifikation. Detta innebär att aktiviteten hos de nitrifierande mikroorganismerna i det översta marksiktet i skogen med kruståtel är begränsade av kväve. Nitrifikationen är relativt hög i skogen med vitsippa. Här är de nitrifierande mikroorganismerna troligtvis begränsade av markens kolinnehåll, eftersom marken här är ett väl omblandat mullskikt med lägre organiskhalt och det finns mycket kväve i förhållande till kol.



Betydelsen av fältskikt under våren



Under våren, innan bladen på träden slagit ut och börjat fotosyntetisera är fältskiktet viktigt för ekosystemets näringsomsättning i bokskogen. Särskilt viktigt är det i skogar där fältskiktet domineras av örter som har sin aktiva period under våren, som t.ex. vitsippa. Fältskiktet tar på våren upp näringsämnen som annars kunde ha läckt från markens översta skikt. Senare på sommaren återförs näringsämnena till marken när fältskiktet vissnar, och blir på så vis tillgängliga för träden, som under denna period är aktiva och tar upp näring. På våren i skogen med vitsippa är kvävekoncentrationen i marken lägre i ytor med fältskikt än i ytor utan. Det verkar därför som att vitsippan binder kväve tillfälligt och minskar läckaget av kväve från bokskogens översta markskikt.



Lösligt organiskt kol och dess nedbrytbarhet



I ytor med kruståtel är det lägre halt av organiskt material än i ytor utan gräs, detta kan bero på högre nedbrytningshastighet där gräset växer. Emellertid finns det ingen skillnad i hur tillgängligt det lösliga organiska kolet i markvattnet är för mikroorganismerna som genomför nedbrytningen, mellan ytor med och utan fältskikt varken i skogen med vitsippa eller kruståtel.



I studien av det lösliga organiska kolets tillgänglighet för mikroorganismer som utför nedbrytning och mineralisering av kolföreningar i de båda bokskogarnas övre markskikt har jag undersökt olika fraktioner av det organiska materialet. En sådan fraktion finns i vattnet i markens stora porer, som snabbt dräneras vid regn. Den andra fraktionen finns i vattnet i markens mindre porer och är tillgängligt för växter. Den tredje fraktionen är ett vattenextrakt, d.v.s. jord från markens övre skikt har skakats med vatten. Vattenextraktet innehöll den största andelen kol tillgängligt för mikroorganismer. Därefter kom kolet i vattnet i de största porerna, och minst andel kol tillgängligt för mikroorganismer fanns i markens små porer. Dessa skillnader i tillgänglighet av kol för mikroorganismerna beror på att det organiska materialet har olika ursprung, vilket påverkar dess kvalitet och tillgänglighet. I vattenextrakten finns en stor del vattenlösligt organiskt kol, vilket är mer tillgängligt för nedbrytning. Kolet som finns i vattnet i små porer har varit utsatt för nedbrytning under en längre tid än vattenextraktets kol, vilket innebär att de lättillgängliga kolföreningarna brutits ner och kvar finns de mer svår nedbrytbara. Vattnet i de större markporerna består till stor del av regnvatten och krondropp, kolföreningarna i detta vatten är också relativt lätta att bryta ner.



Slutsats



Mina resultat visar att det finns ett samband mellan närvaro av fältskikt och innehållet och omsättningen av näringsämnen samt organiskt material. Detta stödjer tanken om att fältskiktet kan spela en viktig roll för omsättningen av näringsämnen och kol i hela skogsekosystemet. Denna kunskap kan också vara viktig att ha i åtanke vid utformningen av ekologiska studier där marken är inkluderad.



Resultaten visar också att skillnader i halten organiskt material, typ av jord (mull- eller mårjord), och i nitrifikationen kan påverka omsättningen av både organiskt material och näringsämnen i bokskogens översta markskikt.

• author: Andréasson, Frida
• supervisor: Bo Bergkvist
• opponent: Senior researcher Gundersen, Per, University of Copenhagen
• organization: Department of Biology
• publishing date: 2007
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Ecology
• keywords: bioavailability, mineralisation, soil acidity, soil matrix solution, soil leachate, nitrate, ammonia, dissolved organic carbon, beech, Ground flora, forest floor, O horizon, A horizon, Plant ecology, Växtekologi
• pages: 96 pages
• defense location: Blå Hallen, Department of Ecology, Ecology Building, Sölvegatan 37, Lund
• defense date: 2007-10-10 10:00:00
• ISBN: 91-7105-265-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Plant Ecology and Systematics (Closed 2011) (011004000)
• id: e37b999e-6b6d-4372-b52b-e253b3b1251f (old id 598927)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:05:26
• date last changed: 2018-11-21 20:56:40