Analysis of heterotrophic respiration response to soil temperature and moisture

Abstract

The temperature and moisture response of heterotrophic soil respiration are crucial for a reliable prediction of carbon dynamics with respect to climatic changes. However, despite numerous studies there are many controversies and open questions.<br /> One objective of this thesis was to analyse the influence of different soil temperature and moisture response functions on the prediction of CO2 production and effluxes. For this purpose, soil temperature and moisture reduction functions of six soil carbon decomposition models (CANDY, CENTURY, DAISY, PATCIS, RothC, and SOILCO2) were implemented in the SOILCO2/RothC model. As a test scenario, a respiration experiment on a silt loam in Columbia (USA) was chosen. The cumulative CO2 fluxes simulated with different temperature reduction functions showed deviations up to 41% (1.77 t C ha-1) for a six-month period in 1981. The influence of moisture reduction was smaller with deviations up to 2% (0.10 t C ha-1). The functional sensitivity study showed that the choice of the soil temperature and soil moisture reduction function is a crucial factor for a reliable prediction of carbon turnover. <br /> Most multi-pool models describe the temperature dependence of carbon decomposition by a response function which uniformly scales the decomposition constants of all carbon pools. However, it is not clear whether the temperature response does, indeed, conform to such a simple formulation. Therefore, a wheat decomposition experiment under six different temperatures (5°C, 9°C, 15°C, 25°C, 35°C, and 45°C) was performed and the cumulative CO2 development over time was analyzed. Data were interpreted by assuming that litter could be sub-divided into two pools, a labile and a more recalcitrant one, that would each decay exponentially. The observed patterns of carbon loss were poorly described if the same relative temperature response functions for the decomposition of both pools was used and the same chemical recalcitrance (expressed as the ratio of labile and recalcitrant pool sizes) at all temperatures was assumed. Data prediction could be significantly improved by using different temperature response functions for the decomposition of the two different organic-matter fractions. Even better data prediction could be achieved by assuming that chemical recalcitrance varied with temperature. These findings thus suggest that the temperature dependence of organic matter decomposition cannot be fully described with the simple approaches usually employed in most laboratory experiments and modelling approaches, but that a more complicated interplay between the temperature dependence of decomposition rates and temperature effects on the chemical recalcitrance of different organic matter fractions exists. <br /> The classical approach for the in situ determination of the temperature response (Q10 or activation energy) from a linear regression between log-transformed CO2 fluxes and temperatures measured at predefined soil depths has been criticised for neglecting confounding factors as spatial and temporal changes in soil water content and soil organic matter quality and quantity. On the other hand, the derived temperature response is not unambiguous but depends on the depth of temperature measurement. To overcome both problems, we determined temperature and water content response equations of soil heterotrophic respiration by means of inverse parameter estimation using a 1-dimensional CO2 transport and carbon turnover model. Analysis of different formulations of temperature response resulted in estimated response factors that hardly deviated over the entire range of soil water contents and for temperatures < 25°C. For higher temperatures the temperature response was highly uncertain due to the infrequent occurrence of soil temperatures > 25°C. <br /> As an overall finding of all three studies, we can conclude that inverse parameter estimation using either conceptual or numerical models is a promising tool for a reliable determination of the temperature and water response of heterotrophic soil respiration.

<strong>Untersuchung der Temperatur- und Feuchteabhängigkeit der heterotrophen Bodenrespiration - Experimente und Modellierung</strong><br /> Die Temperatur- und Feuchteabhängigkeit der heterotrophen Bodenrespiration sind wesentliche Kenngrößen für eine zuverlässige Vorhersage der Kohlenstoffdynamik unter verändernden Klimabedingungen. Trotz zahlreicher Studien bestehen jedoch immer noch viele Unstimmigkeiten und offene Fragen.<br /> Ein Ziel dieser Arbeit bestand darin, den Einfluss verschiedener Temperatur- und Feuchteabhängigkeitsfunktionen auf die Modellvorhersage der CO2-Bildung und der CO2-Flüsse zu untersuchen. Dafür wurden Temperatur- und Feuchteabhängigkeitsfunktionen aus sechs Modellen für den Abbau von organischem Kohlenstoff im Boden in das SOILCO2/RothC-Modell implementiert. Als Testszenario wurden Daten eines Respirationsexperiments auf einem schluffigen Lehm in Columbia (USA) verwendet. Die modellierten kumulativen CO2-Flüsse, die unter Verwendung verschiedener Temperaturabhängigkeitsfunktionen berechnet wurden, wichen für den sechsmonatigen Beobachtungszeitraum im Jahre 1981 um bis zu 41% (1.77 t C ha-1) voneinander ab. Der Einfluss der Feuchteabhängigkeitsfunktionen ergab geringere Abweichungen bis zu 2% (0.10 t C ha-1). Diese Ergebnisse zeigen, dass die Wahl der Temperatur- und Feuchteabhängigkeitsfunktionen sehr wichtig für eine zuverlässige Vorhersage des Kohlenstoffumsatzes im Boden ist.<br /> In den meisten Multi-Pool-Modellen wird die Temperaturabhängigkeit des Kohlenstoffabbaus durch eine Abhängigkeitsfunktion beschrieben, die die Abbaukonstanten aller Kohlenstoff-Pools gemeinsam skaliert. Dabei ist es jedoch noch nicht eindeutig geklärt, ob die Temperaturabhängigkeit tatsächlich einen solch einfachen Zusammenhang widerspiegelt. In dieser Arbeit wurde daher ein Abbauexperiment mit Weizenrückständen durchgeführt und die zeitliche Entwicklung der CO2-Flüsse unter sechs verschiedenen Temperaturenszenarien (5°C, 9°C, 15°C, 25°C, 35°C und 45°C) analysiert. Für die Datenanalyse wurde angenommen, dass sich die Weizenrückstände aus zwei Pools zusammensetzen, einem labilen und einem abbauresistenteren Pool, die beide einem exponentiellen Abbau unterliegen. Die beobachteten CO2-Flüsse konnten jedoch nicht zufriedenstellend beschrieben werden, wenn die gleiche Temperaturabhängigkeit für den Abbau beider Pools und die gleiche chemische Abbaubarkeit (konstantes Verhältnis des labilen und abbauresistenteren Pools) angenommen wurden. Durch die Verwendung verschiedener Temperaturabhängigkeiten für den Abbau beider Pools konnte die Vorhersage der Messwerte jedoch deutlich verbessert werden. Eine noch deutlichere Verbesserung wurde durch die Annahme erzielt, dass die chemische Abbaubarkeit ebenfalls temperaturabhängig ist. Die Ergebnisse zeigten, dass die Temperaturabhängigkeit des Abbaus der organischen Bodensubstanz nicht vollständig durch die einfachen Ansätze beschrieben werden kann, die üblicherweise in konzeptionellen oder numerischen Modellen verwendet werden, sondern dass es eine kompliziertere Wechselwirkung zwischen der Temperaturabhängigkeit der Abbauraten und Temperatureffekten auf die chemische Abbaubarkeit verschiedener Fraktionen der organischen Bodensubstanz gibt. Der klassische Ansatz für die in situ-Bestimmung der Temperaturabhängigkeit (Q10-Wert oder Aktivierungsenergie) anhand einer linearen Regression von log-transformierten CO2-Flüssen und Temperaturmessungen in einer bestimmten Bodentiefe wurde in der Literatur bereits kritisiert, da dieses Vorgehen weitere Einflussgrößen wie z.B. die räumliche und zeitliche Veränderung des Bodenwasserhalts und der organischen Bodensubstanz nicht berücksichtigt. Außerdem ist die ermittelte Temperaturabhängigkeit nicht eindeutig, da sie von der gewählten Messtiefe der Bodentemperatur abhängig ist. Um beide genannten Probleme zu umgehen, wurden die Parameter der Temperatur- und Feuchteabhängigkeitsfunktionen der heterotrophen Bodenrespiration unter Verwendung eines 1-dimensionalen numerischen Modells für den CO2-Transport und den Kohlenstoffabbau gemeinsam invers geschätzt. Die Verwendung verschiedener Temperaturabhängigkeits-funktionen ergab Skalierungsfaktoren, die über den gesamten Feuchtebereich und für Temperaturen kleiner 25°C kaum Abweichungen aufwiesen. Für höhere Temperaturen war die Temperaturabhängigkeit sehr unsicher auf Grund des seltenen Auftretens von Bodentemperaturen oberhalb von 25°C. Die inverse Parameterschätzung unter Verwendung numerischer Modelle ist ein vielversprechendes Werkzeug für die zuverlässige Bestimmung der Temperatur- und Feuchteabhängigkeit der heterotrophen Bodenrespiration.