Advanced

The role of ectomycorrhizal fungi in nitrogen retention in spruce forests fertilized with N, P or N+P

Forsmark, Benjamin (2015) BION01 20151
Degree Projects in Biology
Abstract
Ectomycorrhizal fungi (EMF) mediate nutrient exchange between trees and soil in coniferous forests. Nitrogen (N) currently limits net primary productivity (NPP) in many terrestrial ecosystems but N deposition may alleviate this limitation, inducing limitation of phosphorous (P) instead. Studies have shown reductions in production of EMF mycelia (EMM) when trees are alleviated limitation of N, unless limitation of P is induced. Leaching of N is a common symptom in forests exposed to chronic N deposition. Elevated leaching and reduced production of EMM coincide in many studies, but it has not been shown to what extent EMM contributes to mitigate leaching. We incubated fungal ingrowth mesh bags in a spruce forest in a region where N... (More)
Ectomycorrhizal fungi (EMF) mediate nutrient exchange between trees and soil in coniferous forests. Nitrogen (N) currently limits net primary productivity (NPP) in many terrestrial ecosystems but N deposition may alleviate this limitation, inducing limitation of phosphorous (P) instead. Studies have shown reductions in production of EMF mycelia (EMM) when trees are alleviated limitation of N, unless limitation of P is induced. Leaching of N is a common symptom in forests exposed to chronic N deposition. Elevated leaching and reduced production of EMM coincide in many studies, but it has not been shown to what extent EMM contributes to mitigate leaching. We incubated fungal ingrowth mesh bags in a spruce forest in a region where N deposition is high, and limitation of NPP hypothesized to transit from N to P. The forest was fertilized with N, P and N and P combined to induce N or P limitation, or alleviate trees from growth limitations of both elements. After 4 months incubation, we added 15N to the mesh bag in order to trace N uptake in mycelia and leaching of N. We found a strong correlation between EMM growth and N retention, resulting in elevated leaching of N where the production of EMM was low. Production of EMM was significantly repressed at N+P fertilized plots but not where N and P were added separately. Recovery of 15N in mycelia did not explain leaching of N. The 15N content per fungal biomass unit, on the other hand, was significantly lower at plots hypothesized to be severely N limited (fertilized with P). We argue that the specific amount of 15N in the mycelia reflects rates of N transfer to trees and we suggest controlled experiments to reveal the mechanisms determining the rate of transfer of fungal N for tree C. Our result indicates that EMM play a pivotal role in retaining N in spruce forest soils, and that the ability to mitigate leaching is strongly dependent on the nutrient status of the soil. In conclusion, leaching of N appears to be determined by the amount of EMM produced, in turn determined by the nutrient status of the soil, as perceived by the tree. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Mykorrhiza motverkar läckage av kväve

Tillgången på kväve (N) begränsar tillväxt i nästan alla land-ekosystem. Därför förväntas ekosystem optimeras för att hushålla med denna resurs. Förbränning av fossila bränslen och industriell tillverkning har nyligen fördubblat tillgången på N. Jag har undersökt hur träd ingår partnerskap med svampar för att effektivisera sitt upptag av N, och hur deras relation påverkas när N blir allt tillgängligare och tillväxt-begränsningen till slut övergår i begränsning av fosfor (P). Jag har visat att svamparna växer sämre när man tillför N och P och att det leder till att N hålls kvar sämre i skogsmarken.

Nästan alla träd på våra breddgrader tar upp näring ur marken med hjälp av vissa svampar. De täcker... (More)
Mykorrhiza motverkar läckage av kväve

Tillgången på kväve (N) begränsar tillväxt i nästan alla land-ekosystem. Därför förväntas ekosystem optimeras för att hushålla med denna resurs. Förbränning av fossila bränslen och industriell tillverkning har nyligen fördubblat tillgången på N. Jag har undersökt hur träd ingår partnerskap med svampar för att effektivisera sitt upptag av N, och hur deras relation påverkas när N blir allt tillgängligare och tillväxt-begränsningen till slut övergår i begränsning av fosfor (P). Jag har visat att svamparna växer sämre när man tillför N och P och att det leder till att N hålls kvar sämre i skogsmarken.

Nästan alla träd på våra breddgrader tar upp näring ur marken med hjälp av vissa svampar. De täcker trädens rötter och bildar en så kallad svamprot (grek. mykorrhiza). Svampen består i huvudsak av tunna trådar som kallas hyfer, med oslagbar förmåga att sträcka sig ut genom jorden och leta efter näringsämnen. De bildar ett omfattande nätverk av hyfer som kallas mycel, som effektivt tar upp näringsämnen och samtidigt bidrar till att stabilisera jorden. Genom fotosyntesen omvandlar träd koldioxid (CO2) ifrån luften och tillverkar energi-rika sockerarter (C) som de transporterar ner under jorden till sin mykorrhiza, för att förse svamparna med den energi de behöver för att ta upp näringsämnen. Det verkar som att utbytet styrs av tillgången och efterfrågan av de två viktigaste näringsämnena kväve (N) och fosfor (P). Träden behöver dem för att växa, men svampen behöver C från träden. I en skog kan 25-60% av det energi-överskott träden producerar transporteras ner till mykorrhiza i jorden. Det betyder att mycket av det organiska material man ser i marken i skogen inte kommer från multnande växtdelar som fallit ovanpå markytan, utan istället härrör från rötter och svampar som alltså bidragit till att bygga upp jorden underifrån!

Jag mätte tillväxten av mykorrhiza-mycel och relaterade det till trädens näringsstatus i en granskog där man tillfört N eller P, eller båda näringsämnena tillsammans. Det visade sig att mycelet fortsatte tillväxa när begränsningen av N lättade, men bara om P kom att bli begränsande. När båda ämnena (N+P) tillförts reducerades tillväxten av mycel radikalt. När vi mätte hur mängden svamp påverkade läckaget av N, visade det sig att läckaget minskade linjärt med tillväxten av mycel. Därför drog vi slutsatsen att trädens näringsstatus påverkar läckaget av N från skogsmarker, genom förändringar i investeringar i mycorrhiza-svampar. Denna insikt är viktig eftersom skog täcker större delen av Sveriges yta (75 %) och näringsämnen som läcker ur dessa enorma landarealer ackumuleras i sjöar och vattendrag där de leder till övergödning, med väldokumenterade effekter som exempelvis algblomningar och bottendöd som följd. Inom miljörörelsen har fastläggning av C och N i skogsmarken länge känts igen som en viktig ekosystemtjänst som motverkar växthuseffekten och minskar övergödningen av vattendrag. Inom skogsindustrin, som brukar betraktas som en motpol, är samma process synonym med produktion av virke och biobränslen. Min avhandling och en mängd tidigare studier pekar på mykorrhizans centrala roll i skogarnas förmåga att ta upp och omsätta CO2 och N nedfall i ökad produktivitet. Genom att implementera bred ekologisk insikt kan skogsvården moderniseras så att Sveriges skogar effektivare hushållar med näringsämnen, vilket skulle ge högre produktion av virke och biobränslen, och samtidigt motverka den globala uppvärmningen och föroreningen av våra vattenresurser.

Handledare: Håkan Wallander
Masterexamensarbete i Biologi 45 hp 2015
Biologiska institutionen, Lunds universitet (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Forsmark, Benjamin
supervisor
organization
course
BION01 20151
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
language
English
id
5469012
date added to LUP
2015-06-08 15:56:09
date last changed
2015-06-08 15:56:09
@misc{5469012,
  abstract     = {Ectomycorrhizal fungi (EMF) mediate nutrient exchange between trees and soil in coniferous forests. Nitrogen (N) currently limits net primary productivity (NPP) in many terrestrial ecosystems but N deposition may alleviate this limitation, inducing limitation of phosphorous (P) instead. Studies have shown reductions in production of EMF mycelia (EMM) when trees are alleviated limitation of N, unless limitation of P is induced. Leaching of N is a common symptom in forests exposed to chronic N deposition. Elevated leaching and reduced production of EMM coincide in many studies, but it has not been shown to what extent EMM contributes to mitigate leaching. We incubated fungal ingrowth mesh bags in a spruce forest in a region where N deposition is high, and limitation of NPP hypothesized to transit from N to P. The forest was fertilized with N, P and N and P combined to induce N or P limitation, or alleviate trees from growth limitations of both elements. After 4 months incubation, we added 15N to the mesh bag in order to trace N uptake in mycelia and leaching of N. We found a strong correlation between EMM growth and N retention, resulting in elevated leaching of N where the production of EMM was low. Production of EMM was significantly repressed at N+P fertilized plots but not where N and P were added separately. Recovery of 15N in mycelia did not explain leaching of N. The 15N content per fungal biomass unit, on the other hand, was significantly lower at plots hypothesized to be severely N limited (fertilized with P). We argue that the specific amount of 15N in the mycelia reflects rates of N transfer to trees and we suggest controlled experiments to reveal the mechanisms determining the rate of transfer of fungal N for tree C. Our result indicates that EMM play a pivotal role in retaining N in spruce forest soils, and that the ability to mitigate leaching is strongly dependent on the nutrient status of the soil. In conclusion, leaching of N appears to be determined by the amount of EMM produced, in turn determined by the nutrient status of the soil, as perceived by the tree.},
  author       = {Forsmark, Benjamin},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {The role of ectomycorrhizal fungi in nitrogen retention in spruce forests fertilized with N, P or N+P},
  year         = {2015},
}