Retention and stabilization of organic matter in forest subsoils

Soils represent a major terrestrial carbon (C) reservoir and are herewith an important constituent of global climate change. They can act either as C sinks or as C sources, depending on the respective environmental conditions and management practices. At present, global forest ecosystems, including temperate European forests, are considered as C sinks. Whereas mineral topsoils under forest were found to be close to C saturation, it is assumed that especially subsoils provide large capacities for additional C storage in future. This is related to a high availability of sorption sites on mineral surfaces for organic matter compounds, which is frequently observed in laboratory experiments. However, sources of subsoil C are still under discussion and the potentials of mineral subsoils for C stabilization were not sufficiently investigated under field conditions so far. The crucial question remains, if forest subsoils can effectively retain and stabilize additional C inputs under the current environmental conditions, and thus contribute to mitigate global climate change. Therefore, this thesis aimed at evaluating (1) the role of the recent litter layer as a source for soil organic carbon (SOC), (2) at investigating dissolved organic carbon (DOC) dynamics as a controlling factor for organic C (OC) translocation in soils, and (3) the capability of subsoil to retain and stabilize fresh OC inputs. The objectives were addressed by conducting different 13C manipulation experiments in central European beech forests (Lower Saxony, Germany). This included (i) a 13C litter manipulation combined with DOC and CO2 monitoring at the Grinderwald subsoil observatories, (ii) injection of DO13C solution into three forest top- and subsoils, and (iii) burial and subsequent field incubation of 13C-coated minerals. Field approaches were complemented by (iv) laboratory sorption and desorption experiments. The field approaches comprised soil samplings down to the deep subsoil of > 100 cm and in
Böden stellen ein großes terrestrisches Kohlenstoff (C)-Reservoir dar und sind damit ein wichtiger Wirkungsfaktor beim globalen Klimawandel. Sie können entweder als C-Senken oder als C-Quellen fungieren, abhängig von den jeweiligen Umweltbedingungen und ihrer Bewirtschaftung. Gegenwärtig werden die globalen Waldökosysteme, einschließlich der gemäßigten europäischen Wälder, als C-Senken angesehen. Während die mineralischen Oberböden unter Wald nahezu C-gesättigt sind, wird angenommen, dass insbesondere die Unterböden große Kapazitäten für eine zusätzliche C-Speicherung in der Zukunft bieten. Dies hängt mit einer hohen Verfügbarkeit von Sorptionsplätzen an mineralischen Oberflächen für Komponenten der organischen Substanz zusammen, die in Laborexperimenten häufig beobachtet wird. Die Quellen des Unterboden-Cs werden jedoch noch diskutiert, und die Potenziale mineralischer Unterböden zur C-Stabilisierung wurden bisher unter Feldbedingungen nicht ausreichend untersucht. Die entscheidende Frage bleibt, ob Waldböden unter den derzeitigen Umweltbedingungen zusätzliche C-Einträge effektiv zurückhalten und stabilisieren können und damit einen Beitrag zur Abschwächung des globalen Klimawandels leisten können. Daher zielte diese Arbeit darauf ab, (1) die Rolle der rezenten Streuschicht als Quelle für organischen Kohlenstoff (SOC) im Boden zu untersuchen, (2) die Dynamik des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) als kontrollierenden Faktor für die Verlagerung von organischem Kohlenstoff (OC) in Böden zu untersuchen und (3) die Fähigkeit des Unterbodens zu bewerten, frische OC-Einträge zurückzuhalten und zu stabilisieren. Die Ziele wurden durch die Durchführung verschiedener 13C-Manipulationsexperimente in mitteleuropäischen Buchenwäldern (Niedersachsen, Deutschland) verfolgt. Dazu gehörten (i) eine 13C-Streu-Manipulation in Kombination mit DOC- und CO2-Messungen in den Grinderwald-Unterboden-Observatorien, (ii) die Injektion von DO13C-Lösung in drei Ober- und –Unterböden unte