dc.contributor.advisor | Mulder, Jan | |
dc.contributor.advisor | Dörsch, Peter | |
dc.contributor.advisor | Xiaoshan, Zhang | |
dc.contributor.advisor | Jing, Zhu | |
dc.contributor.author | Yu, Longfei | |
dc.coverage.spatial | China | nb_NO |
dc.date.accessioned | 2017-07-12T12:11:54Z | |
dc.date.available | 2017-07-12T12:11:54Z | |
dc.date.issued | 2017-07-12 | |
dc.identifier.isbn | 978-82-575-1397-9 | |
dc.identifier.issn | 1894-6402 | |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11250/2448567 | |
dc.description.abstract | Forests in the Chinese subtropics receive large amounts of nitrogen (N) from the
atmosphere, both as ammonium (NH4
+) and nitrate (NO3
-). Many of these forests are
considered to be “N-saturated”, i.e. are not able to take up all added N, but leach
significant amounts of NO3
- to waters or re-emit nitrogen to the atmosphere as gaseous N.
The main part of this thesis describes experimental work conducted in the well-studied
subtropical forest catchment, “TieShanPing” (TSP). TSP is situated in SW China, on a
sandstone ridge close to Chongqing city and is covered by a low-productive, mixed
evergreen forest. The forest receives up to 60 kg N ha-1 y-1 from atmospheric deposition,
without showing any sign of improved forest growth. Surprisingly, previous catchmentscale
studies at TSP and in other forests in South China, based on input-output budgets,
found large apparent retention of atmogenic N in the forest ecosystems, without
identifying the responsible mechanisms. This doctoral study focused on N-transformation
processes in soils, in an attempt to understand the fate of deposited NH4
+ and NO3
- in
more detail and to characterize the factors governing retention, removal and loss of
reactive nitrogen. A better understanding of transformation, retention and re-emission of
reactive N in semi-natural, forested ecosystems is important for regional N budgets,
particularly since N deposition is expected to increase in China in the near future.
The turnover of N was studied along hydrological flow paths at TSP and in seven
forested headwater catchments across China (Paper II), acknowledging that the
hydrological connectivity between different landscape elements, such as hillslopes and
riparian zones, is likely to play a key role for transformation, transport and removal of
deposited N. To characterize N turnover patterns spatially and temporarily, I used natural
isotopic signatures of NO3
- (15N and 18O, Paper I and II). The analysis of 15N and 18O in
NO3
- was carried out by a modified “denitrifier method”, which I helped to develop and
implement (Paper V). Gross rates of N transformation in hillslope soils were determined
by in situ 15N tracing (Paper III). This experiment also served to explore the origin of
N2O emissions (Paper III), which have been reported to be exceptionally large in welldrained
hillslope soils of the TSP forest (Paper IV). To evaluate whether phosphorous
(P) addition could alleviate P limitation and curtail N2O emissions by stimulating
biological N uptake, I started an in situ P addition experiment and monitored soil
chemistry and N2O emissions for 1.5 years (Paper IV). The N turnover in five subtropical (southern) and two temperate (northern) forest
catchments, as inferred from natural abundance nitrate isotopic signatures (Paper I and
II), revealed a consistent spatial pattern, emphasizing the importance of hydrological
connectivity between well-drained oxidative zones and groundwater-influenced,
reductive zones. 15N tracing (Paper III) revealed that freshly added NH4
+ is immobilized
first into the soil organic N pool, before being released and converted to NO3
- through
nitrification. Experiments with 15N labelled organic substrates (Paper III) confirmed that
“heterotrophic” nitrification, a poorly constrained biological process, contributes to NH4
+
oxidation in acid, subtropical soil. Once nitrified, the deposited NH4
+ leaches as NO3
- and
is transported, together with the deposited NO3
-, by “interflow” over argic (clay-enriched)
B horizons in the commonly found Acrisols to ground water discharge zones situated in
valley bottoms and on stream banks. My detailed study of natural abundance isotope
signals of NO3
- along this flow path (Paper I) convincingly demonstrated that the
groundwater influenced soils are “hot spots” for N removal by microbial denitrification,
thus explaining the “missing sink” for N in subtropical forest catchments. Appling the
same technique to a range of Chinese forest catchments (Paper II), I found that this
mechanism is of regional importance for monsoonal South China, but not for North China,
where precipitation is too small to develop spatially continuous reductive landscape
elements, which are hydrologically connected to oxidative environments upslope.
Comparing apparent N-retention in the southern Chinese catchments with annual N
deposition rates suggested that N removal in these subtropical catchments can be expected
to increase with increasing N input.
Removal of reactive nitrogen by coupled nitrification-denitrification involves nitrous
oxide (N2O) emission. Emission measurements carried out in the context of a
phosphorous (P) addition experiment on TSP hillslope soils (Paper IV) estimated N2O
emissions of up to 5.3 kg N ha-1 yr-1. This is consistent with previous reports, showing
that N2O-N losses equal about 10% of the annually deposited N. This large proportion of
N removed as N2O, is likely a result of rapid microbial N turnover in warm and moist
soils during monsoonal summers and the dominance of denitrification as N2O producing
process (Paper III). Addition of P caused a strong decrease (50%) in N2O emission
already 1.5 years after the treatment (Paper IV). This implies that P addition to the
naturally P-limited soils of the Chinese subtropics could enhance biological N uptake and
reduce N2O emissions at the same time. Overall, this thesis shows that acid, subtropical forest soils in South China support a
complex nitrogen cycle that can mediate both net N release and retention, depending on
scale and N form studied. While providing a mechanistic framework for the observed
strong N attenuation by denitrification at the catchment scale, mitigation options for N2O
emissions remain to be explored. | nb_NO |
dc.description.abstract | Skog i de kinesiske subtropene er utsatt for stor nitrogen (N) nedfall fra atmosfæren,
både som ammonium (NH4
+) og nitrat (NO3
-). Flere av disse skogene ansees til å være
«nitrogen-mettet», dvs. avsatt N blir ikke tatt opp men renner av som NO3
- til vann eller
re-emitteres som N-gas til luft. Hovedparten av denne oppgaven beskriver det
eksperimentelle arbeidet jeg har gjennomført i det godt undersøkt subtropisk nedbørsfelt
“TieShanPing” (TSP). TSP ligger i sørvest Kina, på en fjellrygg i nærheten av byen
Chongqing og har en blandet, eviggrønn skog som er lite produktiv. Nedfall av nitrogen
fra atmosfæren er opp til 60 kg N ha-1 år-1, uten at det har noe synlig effekt på skogens
produktivitet. Tidligere studier i TSP og lignende sørkinesiske skog som baserte seg
utelukkende på elementbudsjetter, fant at skogen holder igjen overaskende store mengder
N, men klarte ikke å identifisere de underliggende mekanismene. Den foreliggende
oppgaven setter fokus på omsetting av N i skogsjord for å bedre forstå denne «Nretensjonen
» i subtropisk skog. Kunnskap om prosessene og faktorene som bestemmer
N-retensjonen og N tap er viktig, for å kunne si noe om skjebnen til de store mengdene
avsatt NH4
+ and NO3
- på et regional skala. Nedfall av reaktiv nitrogen i kinesiske skog
forventes til å øke i nær fremtid, og det trengs mer kunnskap om hvordan N omsettinger
i disse skog påvirker regionale N budsjetter.
Jeg undersøkte N omsettinger langs avrenningsveier i nedbørfelt til syv ulike skoger i
Kina (Artikkel II). De utvalgte felt viste en mer eller mindre utpreget hydrologisk
kobling mellom skråning og en grunnvannsinfluert sone ved foten av bakken eller ved
elvebredden. De feltene ble valgt slik, fordi koblingen mellom skråning og
grunnvannsinfluert sone antas å være nøkkelen til forståelsen av hvordan nitrogen blir
omsatt, transportert, fjernet eller holdt tilbake i skogsøkosystemet. Jeg karakteriserte N
omsettinger i rom og tid på grunnlag av naturlige variasjoner i forekomsten av de stabile
isotopene 18O og 15N i NO3
- (Artikkel I og II). For å kunne analysere store mengder
prøver med god nøyaktighet, ble det brukt en metode som baserer seg på å omdanne NO3
-
til lystgass (N2O) gjennom denitrifikasjon. Denne metoden ble modifisert og
videreutviklet, noe jeg bidro til (Artikkel V). Bruttoratene til N omsettingsprosesser på
skråningene ble direkte bestemt i felt ved hjelp av 15N markeringsforsøk (Artikkel III).
Disse forsøk ble også brukt til å utforske opphavet til lystgass utslipp, som har vist seg å
være usedvanlig stort i de godt drenerte skråningene til TSP skogen (Artikkel III). For å
teste om fosfor (P) tilsetning til utarmet subtropisk jord kunne redusere N2O utslipp ved å stimulere N opptak i planter og mikroorganismer, startet jeg et feltforsøk og registrerte
forandringer i jordkjemi og N2O utslipp over halvannet år (Artikkel IV).
Nitrogen omsetningene langs hydrologiske avrenningsveier i fem subtropiske (sørlige)
skogsfelt og to tempererte (nordlige) felt (Artikkel I og II) viste et konsistent mønster.
Dette bekreftet at kobling mellom oksidative soner i skråningen og reduserende soner ved
utløpet eller elvebredden er sentral for N retensjonen. Markeringsforsøk med 15N
(Artikkel III) avslørte at ferskt tilført NH4
+ blir først immobilisert i jordens organiske N
lager, før den frigjøres og omdannes til NO3
- gjennom nitrifikasjon. Eksperimenter med
15N markert organisk substrat (Artikkel III) bekreftet at “heterotrof nitrifikasjon”, en lite
forstått biologisk prosess, bidrar vesentlig til NH4
+ oksidasjon i sur, subtropisk jord. Dette
betyr at NH4
+ fra nedfallet blir nesten kvantitativt oksidert og renner, sammen med avsatt
NO3
-, over et nokså tett leiresjikt ned til grunnvannsinfluerte soner. Slike leiresjikt ar
ganske utbredt i subtropisk jord. Mine detaljerte studier av naturlige isotopsignaler i NO3
-
langs slike avrenningsveier (Artikkel I) demonstrerte overbevisende at
grunnvannsinfluerte soner er “hot spots” for biologisk fjerning av N gjennom
denitrifikasjon i det subtropiske skoglandskapet og forklarer således det manglende sluket
i N budsjettet til subtropiske skog med høy N nedfall fra atmosfæren. Ved å bruke samme
teknikken i en rekke av kinesiske skogsfelt (Artikkel II), fant jeg at dette er tilfellet for
alle skog påvirket av monsun, men ikke for skog i det nordlige Kina, hvor nedbør er for
liten for å skape en hydrologisk forbindelse mellom de ulike landskapselementene. En
sammenligning mellom den tilsynelatende N retensjonen og N deposisjonen blant de fem
sørlige nedbørsfelt antydet at subtropisk skog tilbakeholder mer N med økende
atmosfærisk nedfall. Dermed har mine funn regional betydning for Sør-Kina.
Fjerning av nitrogen gjennom kombinert nitrifikasjon og denitrifikasjon innebærer
lystgassutslipp. Anslag av gjennomsnittlig N2O utslipp fra naturlig jord, basert på mine
utslippsmålinger i P eksperimentet på TSP skråningen (Artikkel IV), var 5.3 kg N ha-1
år-1. Slike høye utslippsrater stemmer overens med tidligere observasjoner som fant at
N2O-N tap kan utgjøre opp til 10% av N i nedfallet i TSP. Store N2O utslipp er med all
sannsynlighet resultat av de raske mikrobielle N omsettinger og dominansen av
denitrifikasjon blant de N2O dannende prosessene i et varmt-fuktig subtropisk klima
(Artikkel III). Tilsetting av P resulterte i en sterk (50%) nedgang av N2O emisjoner
allerede halvannet år etter tiltaket (Artikkel IV). Dette medfører at P tilsetting til naturlig P-utarmet skogsjord i de kinesiske subtropene kunne være en metode til å øke biologisk
opptak av N og dermed redusere N2O utslipp.
Denne oppgaven viser at sur, subtropisk skogsjord i Sør-Kina støtter en kompleks
nitrogensyklus, som kan både holde tilbake og frigjøre mineralsk N, avhengig av
nitrogenspesies og tidsskalaen den blir studert på. Mine studier tilfører innsikt i de
viktigste jordprosessene knyttet til N retensjon og fjerning på skogsfeltskala. Reduksjon
av lystgassutslipp fra disse økosystemene forblir viktig for fremtidens forskningsagenda. | nb_NO |
dc.language.iso | eng | nb_NO |
dc.publisher | Norwegian University of Life Sciences, Ås | |
dc.relation.ispartofseries | PhD Thesis;2016:81 | |
dc.rights | Navngivelse-Ikkekommersiell-IngenBearbeidelse 3.0 Norge | * |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/no/ | * |
dc.title | Nitrogen turnover and N2O emissions as a function of edaphic and hydrological conditions in subtropical forests of South China | nb_NO |
dc.title.alternative | Nitrogen-omsetning og N2O-utslipp som en funksjon av edafiske og hydrologiske forhold i subtropiske skoger i Sør-Kina | nb_NO |
dc.type | Doctoral thesis | nb_NO |
dc.source.pagenumber | 1 b. (flere pag.) | nb_NO |