Dynamics of soil carbon and nitrogen in changing boreal environments

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2662-7
Title: Dynamics of soil carbon and nitrogen in changing boreal environments
Author: Laine, Merjo
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Environmental Sciences, Environmental Ecology
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2016-12-09
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2662-7
http://hdl.handle.net/10138/168768
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Anthropogenic actions and climate change greatly affect e.g. carbon (C) and nitrogen (N) cycles in soils. The consequences can differ in various soil types. The changes in soil C and N cycles may also have an effect on adjacent aquatic systems and in the atmosphere. Dissolved organic carbon (DOC), N, and phosphorus (P) loads to aquatic ecosystems in general have caused concern. In this thesis, I mostly discuss soil C and N cycles. To a minor extent I also cover C and N in aquatic ecosystems and in the atmosphere, as they are connected to soil cycles. My study involved two separate experimental areas, a peatland and an agroecosystem. In my peat soil mesocosm experiment, I studied peat profiles taken from a complex with a pristine and a forestry-drained peatland. My focus was on changes in DOC, dissolved organic nitrogen (DON), and ammonium (NH4+) concentrations in soil water as a response to hydrological manipulation. In my in situ mineral soil agroecosystem experiment I quantified gross N transformation process rates in no-till and moldboard-ploughed soils after harvesting. Hydrology remarkably impacted the element concentrations in pristine peat soil water. An increase in DON and NH4+ concentrations was seen as a response to hydrology, while DOC concentrations were not affected in comparison to control concentrations. However, DOC production in pristine peat, followed by its release into water, was also high enough to compensate the dilution caused by water additions to the mesocosms. These compounds were produced during the drought in the aerated soil layer and released to the added water by physicochemical processes when the mesocosms were rewetted. In drained peat mesocosms, the hydrological manipulation decreased the DOC concentrations, and the DON and NH4+ concentrations did not change significantly. My agricultural experiment results give some environmental support for no-till over ploughing. NH4+ is a substrate for nitrification, and nitrate (NO3 ) can easily leach into aquatic ecosystems, where it may cause eutrophication. Therefore, the observed higher gross immobilization rate, lower nitrification rate, and lower NO3 loss flux rate in no-till supported this practice when assessing the post-harvest leaching risk. In addition, a lower nitrification / immobilization ratio in the no-till indicated a decreased NO3 leaching risk. Higher post-harvest immobilization rate further supports no-till because it may be beneficial for crop growth during the following growing season.Ihmistoiminnot ja ilmastonmuutos vaikuttavat suuresti esimerkiksi hiilen ja typen kiertoihin maaperässä. Seuraukset voivat olla erilaisia eri maatyypeillä. Maaperän hiilen ja typen kiertojen muutokset vaikuttavat myös vesistöihin ja ilmakehään. Liuenneen orgaanisen hiilen (DOC), typen sekä fosforin vesistökuormitus ylipäätään on aiheuttanut huolta. Käsittelen väitöskirjassani etupäässä maaperän hiiltä ja typpeä. Lisäksi sivuan vesistöjen ja ilmakehän hiiltä ja typpeä, sillä ne ovat yhteydessä maaperän ainekiertoihin. Tutkimukseni sisälsi kaksi erillistä aluetta, turvemaan ja maatalousmaan. Turvemaan malliekosysteemikokeessa tutkin turveprofiileja, jotka haettiin suokompleksilta, jossa on luonnontilainen ja ojitettu osa. Keskityin DOC:n, liuenneen orgaanisen typen (DON), sekä ammoniumin (NH4+) pitoisuuksien muutoksiin suovedessä vasteena hydrologiselle manipulaatiolle. Maatalousmaa-kokeessani (mineraalimaa) kvantifioin in situ typen kierron prosessien bruttonopeuksia suorakylvetyllä ja kynnetyllä viljapelloilla sadonkorjuun jälkeen. Hydrologialla oli suuri vaikutus aineiden pitoisuuksiin luonnontilaisen turpeen vedessä. Havaitsin DON:n ja NH4+:n pitoisuuksien kasvua vasteena hydrologiselle manipulaatiolle. DOC:n pitoisuuksiin sillä ei ollut vaikutusta kontrolleihin verrattuna. Kuitenkin myös DOC:n tuotanto luonnontilaisessa turpeessa oli riittävän suurta kompensoidakseen laimenemisvaikutuksen, joka aiheutui vesilisäyksistä malliekosysteemeihin. Näiden yhdisteiden tuotanto lisääntyi kuivan kauden aikana aerobisessa maakerroksessa, ja ne vapautuivat malliekosysteemeihin myöhemmin lisättyyn veteen. Ojitetun turpeen uudelleen vettyessä DOC pitoisuus laski, eivätkä DON:n ja NH4+:n pitoisuudet muuttuneet merkitsevästi. Maatalousmaakokeen tulokset tukivat suorakylvöä kynnön sijaan ympäristönäkökulmasta tarkasteltuna. NH4+ toimii substraattina nitrifikaatiolle, ja nitraatti (NO3 ) huuhtoutuu helposti vesistöihin, joissa se saattaa aiheuttaa rehevöitymistä. Täten havaitsemani suorakylvön korkeampi immobilisaationopeus (brutto) sekä alhaisemmat nitrifikaatio- ja NO3 :n poistumavirtausnopeudet antoivat tukea suorakylvölle sadonkorjuun jälkeisen ravinnehuuhtoutumisen näkökulmasta tarkasteltuna. Lisäksi pienempi nitrifikaatio/immobilisaatio -suhde suorakylvöllä indikoi alhaisempaa NO3 :n huuhtoutumisriskiä. Nopeampi sadonkorjuun jälkeinen immobilisaatio tukee suorakylvöä myös siksi, että se saattaa hyödyttää viljelykasveja seuraavana kasvukautena.
Subject: ympäristöekologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Dynamics.pdf 775.3Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record