Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6870
Main Title: Dissolved organic matter in differently managed forest ecosystems
Translated Title: Gelöste organische Substanz in Wäldern mit unterschiedlichem Management
Author(s): Thieme, Lisa
Advisor(s): Kaupenjohann, Martin
Referee(s): Michalzik, Beate
Siemens, Jan
Kaupenjohann, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Dissolved organic matter (DOM) represents one of the most dynamic fractions of organic matter. It plays an important role in the biogeochemical cycles of carbon and nutrients, which in turn is strongly affected by its chemical quality. This thesis aims to improve the understanding of DOM quality and its changes along the water flow path through forested Mid-European ecosystems, as they are influenced by forest management. I hypothesized that (i) the composition and (ii) the biodegradability of DOM changes systematically along the water flow path through different compartments (throughfall, stemflow, litter leachate, mineral topsoil and subsoil solution), whereby DOM quality as well as the direction and magnitude of its changes depend on forest management practice. These include vegetation cover and intensity of management activity. These hypotheses were tested using samples from forest plots of the German “Biodiversity Exploratories”, which were located in three different regions of Germany (Schwäbische Alb, Hainich-Dün and Schorfheide-Chorin) and comprised age-class coniferous stands as well as age-class and unmanaged beech forests. The chemical and optical DOM properties were investigated with UV-vis and fluorescence spectroscopy as well as FT-ICR MS measurements, while DOM bioavailability was examined with an incubation experiment. These investigations were accompanied by an evaluation of the effects of sample preservation on dissolved organic carbon (DOC) concentration and DOM composition, which showed that freezing and thawing affected the DOC concentration, as well as spectral absorption and fluorescence DOM properties of all compartments. However, since all sample types were equally affected, it was possible to consider the under- or overestimations, caused by the storage protocol, when interpreting the results of DOM quality characterization. Throughfall showed the highest amount of protein-related substances and contained the lowest amounts of aromatic compounds. Decreasing amounts of protein-related constituents and increasing shares of aromatic compounds were detected when following the water via stemflow to litter leachate. Results of the biodegradability experiment confirmed that the increase of aromaticity was due to microbial processing, i.e. the preferential degradation and assimilation of non-aromatic compounds. After percolating further downward and passing organic soil layers, DOM of subsoil solution showed decreasing DOC concentration and decreasing amounts of aromatic components, likely due to preferential adsorption of the latter. The remaining DOM was characterized by an accumulation of products of microbial lignin degradation and other refractory compounds. DOM quality and DOC concentration differed between coniferous and beech forest stands for above ground samples. Following the water flow path below ground, DOM properties converged and vegetation-related differences disappeared. Apart from this tree-species effect, management categories like unmanaged and age-class beech forests, as well as established indices of forest management intensity had no statistically significant influence on DOM properties and DOC concentration. This thesis confirmed that DOM composition and bioavailability of forested ecosystems changes systematically along the water flow path from the canopy through organic soil layers to the subsoil. While properties of DOM in throughfall and stemflow samples differ between dominant tree species (coniferous trees versus beech trees), these differences disappear along the flow path belowground most likely as a consequence of microbial processing and interactions with the mineral soil. Hence, a better quantitative understanding of microbial generation and processing as well as sorption of DOM fractions in different soils might be necessary to identify effects of a management intensity on DOM quality and quantity. The suitability of DOM as indicator of management effects on carbon cycling in forests is limited by the multitude of factors that affect its quantity and quality.
Gelöste organische Substanz (DOM) repräsentiert eine der dynamischsten Fraktion von organischem Material. Sie spielt eine wichtige Rolle im biogeochemischen Kreislauf von Kohlenstoff und anderen Nährstoffen. Diese Rolle wird wiederum durch die DOM Qualität, also ihre chemische Zusammensetzung und Bioverfügbarkeit, beeinflusst. Ziel dieser Arbeit ist es, unser Verständnis über die Qualität von gelöster organischer Substanz und deren Änderung entlang des Wasserpfades in einem europäischen Waldökosystem zu vertiefen, sowie den Einfluss, den das Waldmanagement darauf ausübt, zu untersuchen. Es wurden die folgenden Hypothesen getestet: i) Die Zusammensetzung und ii) die Bioverfügbarkeit von DOM ändert sich systematisch entlang des Wasserweges durch unterschiedliche Schichten des Waldes, über Bestandsniederschlag und Stammabfluss, durch die Streuschicht hin durch mineralischen Ober- und Unterboden, wobei nicht nur die Qualität, sondern auch die Richtung und das Ausmaß der Änderung vom Waldmanagement abhängen. Dieses umfasst sowohl die Auswahl verschiedener Baumarten, als auch die Intensität der Bewirtschaftung. Die Proben zur Prüfung der Hypothesen wurden auf ausgewählten Waldflächen der „Exploratorien zur funktionellen Biodiversitätsforschung“ der DFG gewonnen. Diese befinden sich in drei Regionen Deutschlands und umfassen sowohl Altersklassenwälder als auch unbewirtschaftete Buchenwälder. Die chemischen und optischen Eigenschaften von DOM wurden mittels UV-vis - und Fluoreszenzsspektrometrie, sowie mit hochauflösender FT-ICR Massenspektrometrie untersucht, während zur Bestimmung der Bioverfügbarkeit ein Inkubationsversuch durchgeführt wurde. Begleitend zu der Charakterisierung wurde der Einfluss der Probenlagerung auf die DOM Zusammensetzung und Konzentration untersucht. Diese Methodenvalidierung zeigte, dass das Einfrieren der Proben die Konzentration sowie die Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften der DOM in allen untersuchten Proben beeinflusste. Da jedoch alle untersuchten Variablen unabhängig von der Waldschicht in gleicher Weise beeinflusst wurden, ist es möglich die Über- oder Unterschätzungen der einzelnen Parameter durch das Einfrieren bei der Interpretation von Änderungen der DOM-Qualität zu berücksichtigen. Der Bestandsniederschlag zeigte den höchsten Anteil proteinhaltiger und den geringsten Anteil an aromatischer DOM. Entlang des Wasserfließpfades über den Stammabfluss in die Streuschicht nahm der Anteil der Ersteren ab und der Zweiteren zu. Der Inkubationsversuch mit inokulierten Lösungsproben zeigt, dass die Zunahme der Aromatizität des DOM auf einem präferenziellen biologischen Abbau nicht-aromatischer Verbindungen beruht. Nach dem Bodeneintritt und dem Durchfließen von organischen Bodenschichten, zeigte die Mineralbodenlösung wieder eine Abnahme von aromatischen DOM-Bestandteilen, was wahrscheinlich auf deren selektiver Sorption an mineralischen Bodenbestandteilen zurückzuführen ist. Die verbleibende DOM zeigte eine Anreicherung von Lignin-Abbauprodukten und anderen refraktären Bestandteilen. Die DOM-Qualität und –Konzentration unterschied sich zwischen Nadel- und Buchenwäldern für oberirdische Probentypen. Im Boden verschwanden diese Unterschiede wieder. Statistisch signifikante Unterschiede zwischen der Zusammensetzung von DOM aus unterschiedlich bewirtschafteten Wäldern einer Baumart konnten nicht festgestellt werden. Diese Arbeit bestätigt, dass sich Quantität und Qualität von DOM entlang des Wasserfließweges durch Waldökosysteme systematisch verändern. Während die Qualität und Konzentration von DOM in Bestandsniederschlag und Stammabfluss signifikant durch die Hauptbaumart (Nadelbaum versus Buche) beeinflusst wird, verschwinden diese Unterschiede auf dem Weg durch den Boden, wahrscheinlich aufgrund der mikrobiellen Umsetzung und der Interaktion von DOM mit dem Mineralboden. Ein besseres Verständnis der mikrobiellen Produktion und Umsetzung aber auch der Sorption von DOM in verschiedenen Böden scheint eine Voraussetzung zur Aufklärung des Effektes von Management auf DOM zu sein. Die Eignung von DOM als Indikator für Managementeffekte auf den Kohlenstoffkreislauf von Wäldern wird durch die Vielzahl von Faktoren begrenzt, die seine Konzentration und Zusammensetzung beeinflussen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7692
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6870
Exam Date: 12-Jan-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 26-Apr-2018
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): forest management practice
dissolved organic matter
chemical characterization
Waldmanagement
gelöste organische Substanz
chemische Charakterisierung
Sponsor/Funder: DFG, SPP 1374, Elementkreisläufe in Wäldern und Grünländern der Biodiversitäts-Exploratorien: Reaktion auf Managementintensität und Biodiversität/BECycles
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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