Rhizosphere Priming and Methane Oxidation in Agricultural Soil - Effect of Land Use on Atmospheric Concentrations of CO2 and CH4 and Climate Change

Abstract

Rhizosphere interactions have high influence on the fluxes of carbon to and from terrestrial ecosystems. One very important part of the rhizosphere interactions is the rhizosphere priming effect (RPE) which is defined as changes in the decomposition rate of soil organic matter (SOM) in response to labile organic carbon input from plant roots. Changes in decomposition of SOM affect nutrient availability and nutrient cycling, and does also bring changes in emissions of CO2 from soil. Therefore, changes in the RPE can have a crucial impact in the ecosystems of soil and on the atmospheric concentrations of CO2. Oxidation of methane in soil is another component affecting carbon fluxes in soil and global climate. The aim of this study was to test whether differences in priming could be observed in soil of different agricultural land uses; arable land, pasture and ley, and at the same time measuring methane oxidation to test if any differences occurred between the three different land uses. According to the microbial mining hypothesis, it was hypothesized that the highest levels of priming would occur in pasture soil with low availability of nitrogen. Due to expected low concentrations of nitrogen and especially ammonium, methane oxidation was also expected to be highest in pasture. Priming was observed as significant changes in SOM decomposition due to glucose amendments. No significant differences were found between arable land, pasture and ley in terms of SOM respiration, priming or methane oxidation. However, a pattern supporting the stoichiometric decomposition theory was observed, as pasture on average had the lowest priming effect. At the same time, the highest methane oxidation rate was observed on pasture. This indicate low emissions of greenhouse gasses from pasture relative to arable land and ley. However, this pattern is not significantly evident and does need more research.

Popular Abstract (Swedish)

Från marken skickas växthusgaser ut i atmosfären - kan jordbruket påverka detta?

Klimatförändringarna har flera orsaker. Den största är naturligtvis avbränningen av fossila bränslen, men även mikrober i marken producerar stora mängder koldioxid när de bryter ner organiskt material i jorden. Andra typer av bakterier i jorden bryter ner metan som också är en viktig växthusgas. Nedbrytning av metan är bra för klimatet eftersom det kommer mindre upp i atmosfären, medan nedbrytningen av organiskt material inte är bra för klimatet eftersom det ökar mängden koldioxid i atmosfären!

I marken finns det många olika processer som är förbundna på olika sätt. Många av dem har vi ännu inte koll på hur de fungerar eller hur de hänger ihop med varandra. En sådan är den process som kallas ”the priming effect”. Man vet idag att ”priming” händer i den jord som ligger närmst växternas rötter, den så kallade rotzonen. Här är aktiviteten av mikroorganismer, så som bakterier och svampar, mycket stor i förhållande till i resten av jorden. En av orsakerna till detta är att växterna skickar ut sockerarter i jorden via rötterna, som mikroorganismerna kan tillgodogöra sig. ”Priming” definieras som förändringar i nedbrytningen av organiskt material orsakad av sockerarter från växters rötter. Nedbrytning av organiskt material orsakas av mikroorganismer i jorden och är en viktig del av näringskretsloppet i jorden, men den frigör också kol som släpps ut som till atmosfären i form av koldioxid (CO2). En annan viktig process är nedbrytningen av metan (CH4), som också är en växthusgas. Metan kan brytas ner av speciella bakterier i jorden, vilket gör att koncentrationen minskar i atmosfären. Forskarna vet fortfarande bara lite om vilka faktorer som styr dessa två processer, men att förstå hur de fungerar är nödvändigt för att kunna jobba med denna del av den globala klimatförändringen.
Syftet med denna studie var att ta reda på om det finns skillnader på hur olika typer av markanvändning inom jordbruket påverkar ”priming” och nedbrytning av metan. Detta är viktigt att veta för att jordbruket kan reducera sin klimatpåverkan. Jord från åkermark, betesmark och vall togs in i laboratoriet för att undersökas. En av de faktorer som har stor betydelse för mikroberna är tillgången till kväve, som är det viktigaste näringsämnet tillsammans med kol. Koncentrationen av kväve och kol i de olika jordtyperna testades därför på labbet. För att simulera rötternas utsöndring av sockerarter tillsattes glukos. Både den lägsta ”priming effect” och den högsta metannedbrytningen observerades i betesmark, och koncentrationen av kväve i jorden visade sig vara en viktig faktor för båda processer. Detta visar på att jorden i betesmarker skickar ut mindre växthusgaser än jorden i vall och åkermark, och av den anledningen är betesmark att föredra för att minska klimatpåverkan från jordbruket. Sambanden mellan markanvändning och “priming” respektive metannedbrytning var dock inte tydliga nog för att detta ska kunna fastställas med säkerhet, och antalet jordprover bör utökas i en eventuell liknande studie. Viktigt att påpeka är att detta bara är en utav många aspekter av jordbruket som påverkar klimatet.

Organiskt material = ofullständigt nedbrutna växtrester som innehåller grundämnet kol (C)
Sockerarter = lätt nedbrytbara ämnen som innehåller kol (C)
The priming effect = förändring i nedbrytningen av organiskt material i jorden orsakad av sockerarter från växters rötter

• author: Øster Mortensen, Esben
• supervisor: Per Bengtson
• organization: Studies in Environmental Science
• course: MVEK02 20171
• year: 2017
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Earth and Environmental Sciences; Biology and Life Sciences; Agriculture and Food Sciences
• keywords: The Priming Effect, Rhizosphere, Methane Oxidation, Land Use, Agriculture, Soil Ecology, Microorganisms, Climate Change, Atmospheric concentrations of CO2 and CH4.
• language: English
• id: 8910097
• date added to LUP: 2017-06-14 11:30:54
• date last changed: 2017-06-14 11:30:54