Intense droughts lead to higher rates of CO2 from soil: Microbial growth responses to rewetting in a grass-soil system

Abstract

Based on current climate data both drought intensity and frequency is expected to increase. Soil microbes react in a variety of ways to drought-imposed stresses, with only a fraction surviving until wetter conditions return. As drought ends and rain returns, these microbial communities respond with an associated pulse in soil CO2-emissions called the Birch effect. Understanding soil microbial responses to drought and rewetting (DRW) events is critical for understanding the terrestrial carbon balance. As DRW events become more common in historically wetter soils, soils not adapted to drought stress may exhibit disproportionately high carbon losses.

This study investigates how drought intensity affects soil respiration, fungal- and bacterial growth, and plant condition following rewetting, using controlled drought
treatments on grass-planted soils. Two drought regimes, intermediate (ID) and severe (SD) were applied for 12 days, followed by rewetting. Soil respiration and microbial growth response was monitored over the course of 19 days and compared with continually moist control.

Both drought treatments exhibited typical responses to rewetting associated with low carbon use efficiency (low portion of carbon uptake allocated to growth), characterized by a decoupling of soil respiration and growth. SD induced the largest cumulative carbon efflux as well as the highest rates of bacterial growth, while ID
exhibited higher rates of growth immediately after rewetting. Plant health and root integrity is suggested to play a critical role in modulating microbial dynamics and
their available resources.

The findings indicate that drought intensity increases soil organic matter availability through fine root death and soil structure disruption, while at the same inhibiting
microbial carbon use efficiency. Through this study, microscopic processes with potential of macroscopic implications are highlighted, contributing with an important puzzle-piece to understanding soil-atmosphere dynamics and carbon cycling.

Popular Abstract (Swedish)

Svårare torrperioder leder till högre koldioxidutsläpp från jorden

När det regnar på jord som varit utsatt för torka orsakar det total panik bland jordens mikroorganismer. En fotbollsplan kan då släppa ut lika mycket koldioxid på en vecka som en bil gör på tre månader. Effekten har varit känd sedan 60-talet, men tidigare forskning har inte testat vad som händer om det växer gräs i jorden under torkan.

Torka är ett växande problem som drabbar över 3,6 miljarder människor varje år. Klimatförändringar från mänskliga koldioxidutsläpp leder till att torka blir både vanligare och intensivare. Jord är världens största kolsänka efter havet, men dagens klimatförändringar har även visat sig kunna göra den till en kolkälla. Bakom de stora utsläppen ligger små mikrober som kämpar för sitt liv för att anpassa sig till plötsliga förändringar i markfuktighet. Under vanliga förhållanden bryter dessa mikrober ner dött material och förökar sig, vilket binder kol i marken. När torkad mark återväts försämras deras förmåga att binda ner kol, och de börjar istället göra det motsatta, ta lagrat kol från jorden och släppa ut i atmosfären. Koldioxiden som släpps ut förvärrar klimatförändringarna ytterligare, och en ond cirkel uppstår. Såna här återkopplingsmekanismer har fått mer uppmärksamhet på senare år. De är svåra att förutsäga och man är orolig att de nån gång kan sätta igång en oåterkallelig dominoeffekt. Jord påverkas kraftigt av det som växer i den, men trots det har nästan all tidigare forskning gjorts på ren jord. I den här studien undersöktes hur mikrobernas CO2-puls påverkades av två olika intensiteter på torka när det växte gräs i jorden. Torrare torka orsakade en märkbart förstärkt CO2-puls och större
tillväxt hos bakterierna, medan den mildare torkan istället verkar ha dämpat försämringen i kolinlagring. Resultaten pekade mot en viktig funktion hos gräsrötter: att kapsla in och lagra kol i kompakta jordklumpar. Gräsrötter som torkar ut och går sönder gör att mindre kol skyddas från nedbrytning, vilket föreslås som förklaring till varför svårare torka innebar högre CO2-puls. Hos den mildare torkan skyddade intakta och levande gräsrötter lagrat kol bättre, och kan även ha tillfört viktiga näringsämnen till mikroberna som gjorde dem stresståligare. Experimentet visar på vikten av att använda mark på ett sätt som hjälper jorden att behålla både struktur och fukt. Att ta hand om och värna om naturens egna kolsänkor är en förutsättning
om vi ska leva och trivas i en allt varmare värld.

• author: Andersson Bergill, Julius
• supervisor: Johannes Rousk; Sara Winterfeldt
• organization: Centre for Environmental and Climate Science (CEC)
• course: MVEK12 20251
• year: 2025
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: Climate change, droughts, soil carbon cycle, soil respiration, carbon use efficiency, drying-rewetting, Birch effect, soil organic matter, macroaggregate disruption, soil dynamics, rhizosphere interactions, aggregate stability, labile carbon, CO2 emissions from soil, climate change feedbacks, grass-soil interactions, soil organic matter decomposition, microbial stress response
• language: English
• id: 9204315
• date added to LUP: 2025-06-24 10:22:09
• date last changed: 2025-06-24 10:22:09