Microdialysis : a novel method to study plant-available nitrogen supply in boreal forest soil

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-201906122642
Title: Microdialysis : a novel method to study plant-available nitrogen supply in boreal forest soil
Author: Soronen, Päivi
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-201906122642
http://hdl.handle.net/10138/303045
Thesis level: master's thesis
Discipline: Maaperä- ja ympäristötiede
Environmental Soil Science
Mark- och miljövetenskap
Abstract: Typen (N) saatavuus on usein kasvien kasvua rajoittava tekijä boreaalisessa metsäekosysteemissä. Typen saatavuuden tutkimiseen ei ole ollut luotettavaa menetelmää, sillä perinteisesti käytetyssä kaliumkloridi (KCl) -uutossa maanäytteen otto ja esikäsittely häiritsevät maan rakennetta ja kiihdyttävät typen mineralisaatiota, jolloin epäorgaanisen typen, eli ammoniumin (NH4+) ja nitraatin (NO3-), osuus korostuu, ja orgaanisten typpiyhdisteiden, kuten aminohappojen osuus tulee aliarvioiduksi. Typen diffuusiovuota maassa voidaan tutkia mikrodialyysillä, joka on diffuusioon perustuva maanäytteenottotekniikka. Mikrodialyysilaitteiston keräin muistuttaa kasvin hienojuurta mittakaavaltaan ja osittain myös toiminnaltaan mahdollistaen typen saatavuuden tutkimisen mittakaavassa, jolla on merkitystä kasvien typenoton kannalta. Näytteenoton aikana veden virtaus keräimen sisällä aikaansaa liuenneiden aineiden diffuusiovuon membraanin pinnan läpi konsentraatiogradientin mukaisesti. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli testata mikrodialyysitekniikan toimivuutta maan eri vesipitoisuuksilla ja sen kykyä seurata ajallisia muutoksia typen diffuusiovuossa laboratoriokokein (ex situ). Maaperän typpidynamiikkaa tutkittiin lisäksi vertaamalla kenttämittauksissa (in situ) boreaalisessa metsämaassa havaittua typen diffuusiovuota useisiin tekijöihin, joiden ajatellaan vaikuttavan typen saatavuuteen maassa. Tässä tutkimuksessa NH4+-, NO3-- ja aminohappotypen diffuusiovuota tutkittiin ex situ seulotuista maanäytteistä, jotka oli otettu kolmelta eri kasvupaikalta marraskuussa 2017 Lapinjärveltä: avohakkuualalta (clear-cut) ja sen viereisestä kuusikosta (MT spruce), sekä männiköstä (VT pine). Ex situ mikrodialyysikokeissa typen diffuusiovuota maanäytteessä havainnoitiin kolmella eri kosteustasolla sekä typpilisäyksen jälkeen. Typen diffuusiovuota tutkittiin in situ hakkuutähdekokeella Lapinjärven avohakkuualalla ja viereisessä kuusikossa kesäkuussa 2018 sekä männyn hakkuutähdekokeella Kiikalassa syyskuussa 2018. In situ mikrodialyysin tuloksia verrattiin maan kosteuteen, pH-arvoon, C/N-suhteeseen, lämpötilaan sekä typen nettomineralisaatio- ja nettonitrifikaationopeuteen, mikrobibiomassan C- ja N-pitoisuuksiin sekä haihtuvien monoterpeenien ja kondensoituneiden tanniinien pitoisuuksiin, tekijöihin, joiden oletetaan vaikuttavan typen saatavuuteen metsämaassa. Avohakkuualalla totaaliaminohappojen vuo oli ainoastaan noin puolet siitä, mitä se oli viereisessä kuusikossa, kun taas NO3--vuo oli avohakkuualalla kaksinkertainen verrattuna kuusikkoon. Metsämaan NH4+-vuo oli kolminkertainen kosteuden ollessa 60 % vedenpidätyskapasiteetista (WHC, water-holding capacity) verrattuna NH4+-vuohon kenttäkosteudessa (44 % WHC). Typpilisäys puolestaan havaittiin kaikissa maanäytteissä kohonneena NH4+-vuona lisäyksen jälkeen, mitä seurasi vuon lasku alkuperäiselle tasolleen. In situ mikrodialyysin tuloksissa totaaliaminohappojen vuo oli 5–15 nmol N cm-2 h-1, ja niiden osuus kokonaistypen vuosta oli keskimääräisesti suurin sekä Lapinjärvellä että Kiikalassa. Pienin keskimääräinen aminohappotypen osuus (54 %) kokonaisvuosta havaittiin Lapinjärven hakkuutähdekokeen kontrollialoilla. KCl-uuttuvan NH4+-typen pitoisuuden ja ammoniumin diffuusiovuon välillä ei ollut korrelaatiota, mutta sen sijaan KCl-uuttuvan NH4+-typen pitoisuus korreloi positiivisesti sekä totaaliaminohappojen että nitraatin diffuusiovuon kanssa. Lisäksi ammoniumin diffuusiovuo korreloi positiivisesti typen nettomineralisaationopeuden kanssa. Yleiseti ottaen ex situ mikrodialyysinäytteenotoissa saatiin 2–10 kertaa korkeampia aminohappojen diffuusiovuon ja 10–20 kertaa korkeampia ammoniumin diffuusiovuon arvoja kuin in situ mikrodialyysillä, mikä heijastaa näytteenoton, säilytyksen ja esikäsittelyn vaikutuksia. Maan kosteuden vaikutusta typen diffuusiovuohon voitaisiin tutkia useammilla kosteustasoilla laboratoriossa ja kentällä. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että eri typpimuotojen diffuusiovuot eivät ole kytköksissä niiden pitoisuuteen maassa. Lisäksi mikrodialyysiä voitaisiin mahdollisesti käyttää typpiyhdisteiden muuntumisprosessien seurantaan ja kvantifiointiin lähes häiriintymättömästä maasta. Nämä tulokset vahvistavat aiempaa käsitystä siitä, että mikrodialyysillä pystytään havaitsemaan ajallisia muutoksia typen vuossa ja mahdollisesti saamaan uutta tietoa käynnissä olevista prosesseista maassa.Nitrogen (N) availability often limits plant growth in the boreal forest ecosystem. There has been a lack of reliable method to study soil N supply as in traditionally used potassium chloride (KCl) extraction sampling and sample preparation disturb soil structure and stimulate N mineralization, leading to the overestimation of inorganic N forms ammonium (NH4+) and nitrate (NO3-) and underestimation of organic N forms such as amino acids. Diffusion-based microdialysis technique for the sampling of soil diffusive N fluxes gives an opportunity to study soil N supply at a scale that is relevant for plant N uptake, as microdialysis probe has a membrane that reminds the plant fine root in its scale and also, to some extent, in its function. During sampling, the movement of water inside the microdialysis probe induces diffusive flux of solutes across the membrane surface along the concentration gradient. The aim of this study was to test the performance of microdialysis technique at different soil moisture content levels and its capability to monitor temporal changes in diffusive N fluxes in laboratory experiments (ex situ). Soil fine-scale N dynamics were further studied by comparing the diffusive N fluxes in the field (in situ) in boreal forest soil to multiple factors that are thought to affect forest soil N availability. In this study, soil diffusive NH4+, NO3- and amino acid N fluxes were sampled ex situ from sieved soils taken from three different sites – clear-cut, spruce stand (MT spruce) and pine stand (VT pine) in Lapinjärvi, Finland in November 2017. In ex situ microdialysis experiments, the diffusive N fluxes were observed at three different soil moisture content levels and after N addition. In situ microdialysis sampling was run at the logging residue experiment of the Lapinjärvi clear-cut site and at the MT spruce site in June 2018 and at the pine logging residue experiment in Kiikala, Finland in September 2018. The results from the in situ microdialysis were compared with soil moisture content, pH, C-to-N ratio and temperature as well as with the net N mineralization and net nitrification rates, microbial biomass C and N contents and the concentrations of volatile monoterpenes and condensed tannins, factors that are assumed to affect N availability in forest soil. Nitrogen fluxes sampled ex situ showed that the total amino acid flux in the soil taken from the clear-cut site was only half of that in the MT spruce soil whereas NO3- flux was two times higher at the clear-cut site than at the MT spruce site. MT spruce soil with a moisture content of 60 % water-holding capacity (WHC) had significantly higher NH4+ flux than the same soil in its field moisture content (44 % WHC). Nitrogen pulse was detected in all soil samples as increased NH4+ flux after the N addition, followed by a subsequent decrease near to the initial level. In situ microdialysis sampling showed that the total amino acid fluxes were 5–15 nmol N cm-2 h-1 and they dominated the total diffusive N fluxes in Lapinjärvi and Kiikala. On average, the smallest share of the total free amino acids (54 %) was observed at the control plots of the logging residue experiment in Lapinjärvi. No correlation between the KCl-extractable NH4+-N concentration and the diffusive NH4+ flux was found, but instead the KCl-extractable NH4+-N concentration showed a significant positive correlation with the diffusive fluxes of both total free amino acid N and nitrate. Moreover, the diffusive NH4+ flux correlated positively with the net N mineralization rate. In general, ex situ microdialysis sampling showed 2–10 times higher amino acid fluxes and 10–20 times higher ammonium fluxes than the in situ microdialysis that reflects the effect of sampling, sample storage and preparation. The effect of soil moisture on the diffusive N fluxes could be further studied in laboratory experiments and in situ. The results of this study showed that the diffusive fluxes of different N forms are decoupled from the bulk soil concentrations. Moreover, microdialysis could be possibly used to quantify the transformation processes of N compounds in soil. These results increase the evidence that microdialysis has potential to detect temporal changes in N fluxes and possibly give new information about the ongoing processes at soil microsites.
Subject: microdialysis
nitrogen availability
diffusive flux
ammonium
nitrate
amino acids
boreal forest soil
logging residue
mikrodialyysi
typen saatavuus
diffuusiovuo
ammonium
nitraatti
aminohapot
metsämaa
hakkuutähde


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Soronen_Paivi_Pro_gradu_2019.pdf 2.283Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record