Alternative strategies to sustain N-fertility in acid and calcaric beech forests: Low microbial N-demand versus high biological activity

SummaryTo challenge the “conventional wisdom” that rates of net N-mineralization increase with pH, we measured net N-mineralization, respiration and/or microbial C and N in four Luxembourg beech forests with similar litter input, but different soil types, using laboratory incubation experiments. Litter input and fungal/bacterial colony ratios were also measured. To test whether the results could be explained by existing theoretical models, equations of C and N dynamics were reformulated to allow estimation of microbial growth efficiency, gross C and N release and microbial uptake, based on measured values of net N-mineralization, respiration and C:N ratios of substrate and microbes.Instead of an increase, net N-mineralization rates showed a significant sevenfold decrease from acid to calcaric soil in the organic layer, and a fourfold decrease in the mineral topsoil. At the same time, microbial N-demand increased with pH, as indicated by the significant decrease in net N-mineralization per unit microbe or unit C respired. These results could be explained by theoretical models. In organic layer and mineral topsoil, despite high gross N-release, net N-mineralization rates decreased with pH because of higher microbial immobilization. Increase in microbial N-demand was associated with a decrease in fungal/bacterial colony ratio: the more the bacteria, the higher the microbial N-demand.Acid and calcaric soils seem to have different strategies to sustain ecosystem N-fertility. In calcaric soil, N-availability to the vegetation seems indeed supported by high biological activity and gross N-release, which is needed to compensate for the potentially high immobilization by bacteria. In acid soil, however, despite low gross N-release, N-availability to the vegetation may not be lower than in calcaric soil, due to high amounts of fungi and low microbial N-demand.

ZusammenfassungUm die herkömmliche Ansicht, dass die Raten der Netto-N-Mineralisation mit dem pH-Wert zunehmen, einem Test zu unterziehen, maßen wir in einem Inkubationsexperiment die Netto-N-Mineralisation, die Respiration und das mikrobielle C bzw. N in vier Luxemburgischen Buchenwäldern, die ähnlich große Streueinträge, aber unterschiedliche Bodentypen aufwiesen. Der Streueintrag und das Pilz-Bakterien-Verhältnis wurden ebenfalls bestimmt. Um zu testen, ob die Ergebnisse mit bestehenden theoretischen Modellen erklärt werden könnten, wurden Gleichungen zur C- und N-Dynamik umgeformt, um die mikrobielle Wachstumseffizienz, die C- und N-Freisetzung und -Aufnahme durch Mikroorganismen abzuschätzen, basierend auf Messungen der Netto-N-Mineralisation, der Atmung und der C/N-Verhältnisse von Substraten und Mikroben. Anstelle einer Zunahme zeigten die Netto-N-Mineralisationsraten in der organischen Auflage eine signifikante (Faktor: sieben) Abnahme von sauren zu basischen Böden und eine Abnahme (Faktor: vier) für den mineralischen Oberboden. Gleichzeitig stieg der mikrobielle N-Bedarf mit dem pH, wie die signifikante Abnahme der Netto-N-Mineralisation pro Mikroben-Einheit bzw. veratmeter C-Einheit anzeigt. Diese Ergebnisse konnten durch theoretische Modelle erklärt werden. In der organischen Auflage und im mineralischen Oberboden nahm die Netto-N-Mineralisation trotz hoher Gesamt-N-Freisetzung mit zunehmendem pH aufgrund mikrobieller Immobilisation ab. Die Zunahme beim mikrobiellen N-Bedarf war mit einer Abnahme der Pilz-Bakterien Relation verbunden: je mehr Bakterien, umso höher den N-Bedarf. Saure und basische Böden scheinen unterschiedliche Strategien zu verfolgen, um die N-Verfügbarkeit im Ökosystem zu sichern. In basischen Böden scheint die N-Verfügbarkeit tatsächlich auf hoher biologischer Aktivität und Freisetzung zu beruhen. In sauren Böden dagegen, könnte trotz geringer N-Freisetzung die N-Verfügbarkeit für die Vegetation nicht geringer als in basischen Böden sein, weil der Anteil der Pilze hoch und der mikrobielle N-Bedarf gering ist.