Soil Organic Carbon Dynamics along Estuarine Gradients

Abstract

Estuarine tidal marshes are known for their substantial soil organic carbon (SOC) sequestration and storage capacities. To anticipate effects of climate change on SOC storage in estuarine marshes, a comprehensive understanding of its current biotic and abiotic controls is essential. Using the Elbe estuary in Northern Germany as a model system, this research assessed the role of estuarine environmental conditions on SOC storage and dynamics. The major focus was placed on the interactive effect of the estuarine salinity gradient, spatial variation in flooding frequency, local soil conditions, and biota on (I) litter decomposition, (II) SOC stocks and SOC stabilization mechanisms (aggregation, mineral-association), and (III) microbial SOC turnover and the potential SOC stability against mineralization. To account for the large heterogeneity of estuarine marshes, three marsh types were selected along the salinity gradient (salt marsh, brackish marsh, and freshwater marsh), as well as three marsh zones characterized by different flooding regimes (pioneer zones = daily flooding, low marshes = monthly flooding, and high marshes = yearly flooding). Litter decomposition was evaluated using standardized litter (Tea Bag Index) and native litter from each marsh location. Associated prokaryotic communities were examined by 16S rRNA gene amplicon sequencing. Soil samples were analyzed for SOC stocks, SOC fractions (density fractionation to separate free particulate, occluded particulate, and mineral-associated organic matter), as well as the mineralizability of SOC pools (oxic incubation followed by a two-pool model quantifying the fast C pool, slow C pool, and mean residence times). Local environmental conditions (e.g. soil texture, pH, electric conductivity, redox, and plant biomass) were characterized to identify potential drivers of SOC dynamics along the estuarine gradients. With increasing salinity, SOC contents decreased in the marshes of the Elbe Estuary. First, decreasing SOC contents aligned with a decline in aboveground biomass, as well as increasing litter decomposition rates due to reduced recalcitrance of the local vegetation. Second, the SOC associated with minerals decreased from freshwater to salt marshes, as a consequence of sedimentation patterns leading to decreasing clay contents. Moreover, SOC mineralizability increased with increasing salinity due to an increasing contribution of the fast C pool. Along the flooding gradient, SOC contents decreased with increasing flooding frequency which was closely linked to decreasing aboveground plant biomass. The effect of flooding on litter decomposition strongly depended on litter quality, as higher flooding frequencies increased mass loss of labile litter, but decreased mass loss of recalcitrant litter. The mineralizability of SOC increased with increasing flooding which was indicated by a shorter mean residence time and could be related to elevated contributions of free particulate organic matter and dissolved organic carbon to total SOC with increasing flooding. Moreover, SOC protection within aggregates was negatively affected by increasing flooding and high soil water content. In conclusion, SOC storage in estuarine marshes decreased with increasing salinity and flooding, which was attributed to a combination of biotic and abiotic drivers. The findings indicate that an increasing marine influence induced by climate change (sea-level rise and saltwater intrusion) is likely to change biogeochemical C cycling, reduce the SOC storage capacity, as well as hamper mechanisms of SOC stabilization in the estuarine marshes.

Ästuarine Marschen sind für ihre beträchtlichen Kapazitäten zur Bindung und Speicherung von organischem Bodenkohlenstoff bekannt. Um die Auswirkungen des Klimawandels auf die Speicherung von organischem Bodenkohlenstoff in ästuarinen Marschen abschätzen zu können, ist ein umfassendes Verständnis der derzeitigen biotischen und abiotischen Kontrollfaktoren erforderlich. Das norddeutsche Elbeästuar wurde als Modellsystem gewählt, um den Einfluss der vorherrschenden Umweltbedingungen im Ästuar auf die Bodenkohlenstoffspeicherung und -dynamik zu untersuchen. Der Schwerpunkt lag dabei auf einer Verknüpfung der Effekte des Salzgehaltsgradienten und der räumlichen Variation der Überflutungshäufigkeit mit lokalen Bodenbedingungen und Einflüssen der Vegetation und Bodenmikrobiologie. Im Speziellen wurden die Einflüsse auf (I) den Abbau von Streu, (II) die Menge an gespeichertem Bodenkohlenstoff und dessen Stabilisierungsmechanismen (Einschluss in Aggregate, Mineralassoziation) sowie (III) den mikrobiellen Umsatz und die potenzielle Stabilität des Bodenkohlenstoffs gegenüber Mineralisierung untersucht. Um die große Heterogenität von ästuarinen Marschen zu berücksichtigen, wurden drei Marschtypen entlang des Salinitätsgradienten (Salzmarsch, Brackmarsch und Süßwassermarsch) und drei Marschzonen mit unterschiedlichen Überflutungsregimen ausgewählt (Pionierzone = tägliche Überflutung, Untere Marsch = monatliche Überflutung und Obere Marsch = jährliche Überflutung). Die Zersetzung von Streu wurde anhand von standardisiertem Substrat (Tea Bag Index) und lokal heimischem Substrat untersucht. Die zugehörigen prokaryotischen Gemeinschaften wurden mittels 16S rRNAGenamplikon- Sequenzierung bestimmt. Bodenproben wurden auf Kohlenstoffgehalt, Kohlenstofffraktionen (Dichtefraktionierung zur Trennung von freier partikulärer, okkludierter partikulärer und mineralassoziierter organischer Substanz) sowie auf die Mineralisierbarkeit von Kohlenstoffpools (oxische Inkubation, Zwei-Pool-Modell-Anpassung zur Quantifizierung des schnellen Kohlenstoffpools, des langsamen Kohlenstoffpools und der mean residence time) untersucht. Lokale Umweltbedingungen (z.B. Bodentextur, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, Redoxbedingungen und Pflanzenbiomasse) wurden charakterisiert, um die relevanten Einflussfaktoren der Bodenkohlenstoffdynamik entlang der Gradienten im Ästuar zu identifizieren. Mit zunehmendem Salzgehalt nahm der Kohlenstoffgehalt in den Marschböden des Elbästuars ab. Diese Abnahme ging mit einem Rückgang der oberirdischen Biomasse sowie mit zunehmenden Zersetzungsraten der Streu aufgrund der geringeren Rekalzitranz der lokalen Vegetation einher. Darüber hinaus nahm der mineralassoziierte Kohlenstoff von der Süßwasser- zur Salzmarsch ab. Dies kann auf Sedimentationsmuster zurückgeführt werden, die sinkende Tongehalte im Boden zur Folge hatten. Die Mineralisierbarkeit des Bodenkohlenstoffs nahm mit zunehmendem Salzgehalt zu, was sich auf einen steigenden Beitrag des schnellen Kohlenstoffpools zurückführen lässt. Entlang des Überflutungsgradienten nahm der Bodenkohlenstoffgehalt mit zunehmender Überflutungshäufigkeit ab, was wiederum eng mit der abnehmenden Pflanzenbiomasse zusammenhing. Die Auswirkung der Überflutung auf die Zersetzung der Streu hing stark von deren chemischer Zusammensetzung ab, da höhere Überflutungshäufigkeiten einerseits den Massenverlust der labilen Streu erhöhten, andererseits jedoch den Massenverlust von schwer zersetzbarer Streu verringerten. Die Mineralisierbarkeit des Bodenkohlenstoffs nahm mit zunehmender Überflutung zu. Dies zeigte sich in einer kürzeren mean residence time und könnte mit erhöhten Anteilen an freier partikulärer organischer Substanz und gelöstem organischem Kohlenstoff am Gesamtbodenkohlenstoff bei zunehmender Überflutung zusammenhängen. Darüber hinaus wurde der Schutz des Bodenkohlenstoffes durch den Einschluss in Aggregate durch erhöhte Überflutungsraten und hohen Bodenwassergehalt negativ beeinflusst. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Bodenkohlenstoffspeicherung in ästuarinen Marschen durch eine Kombination aus biotischen und abiotischen Faktoren mit zunehmendem Salzgehalt und Überflutung abnahm. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein zunehmender mariner Einfluss aufgrund des Klimawandels (Anstieg des Meeresspiegels und zunehmender Salzgehalt) die biogeochemischen Prozessstrukturen verändern, und dadurch die Speicherkapazität für Bodenkohlenstoff und dessen Stabilisierungsmechanismen in Ästuaren verringern wird.