Soil Carbon Cycling and Microbial Dynamics in Boreal Organic Soil Cultivated with a Perennial Crop

Boreal peatlands are a huge storage of carbon (C). In pristine peatlands, waterlogged and anoxic conditions promote slow decomposition which leads to peat accumulation. Peatlands in Finland have been extensively drained for forestry, agriculture and peat extraction which changes peatlands from sinks to sources of C. Various agricultural practices such as tilling, liming and fertilization can further accelerate the loss of C. Cultivating perennial crops instead of annual crops could reduce C losses but research data on organic soils is lacking. The research site of this thesis, Linnansuo in Eastern Finland, is a drained peatland cultivated with a perennial crop, reed canary grass (Phalaris arundinacea, RCG). Extensive research was conducted (years 2003 – 2011) at the site to study the greenhouse gas balance of the RCG cultivation and the factors affecting it. This thesis focuses on differentiating the soil-related CO2 sources and identifying the importance of various microbial groups in C turnover. Additionally, new isotopic methods to study the flow and origin of C in soil were developed and tested. The effects of RCG cultivation on the soil microbes and the role of microbial groups in soil C cycling were studied. Cultivation of RCG increased microbial biomass and activity in general. Fungi were the most active microbial group in allocation of fresh, plant-derived C. Also Gram-negative bacteria preferred fresh C, while Gram-positive bacteria had delay in their uptake of the labelled plant C indicating that they can use more processed C sources. Fungi likely play an important dual role in acidic organic soils: they are key decomposers of fresh C and simultaneously act as primary organisms in the humification process leading to formation of recalcitrant C compounds. Another part of this thesis was the source separation of soil CO2 flux. Within the peak growing season, respiration from the microbial decomposition of fresh C was the largest component (42%) in the soil CO2 flux, followed by root respiration (36%) and peat decomposition (14%). Lime-derived, abiotic CO2 flux accounted for 8% of the soil CO2 flux. The peat-derived CO2 flux was approximately the same as from adjacent, uncultivated site, i.e. the cultivation does not accelerate the decomposition of the native soil organic matter. Cultivation of perennial crops on organic soils can thus be a tool to mitigate C losses from these soils. Universal Decimal Classification: 582.542. 11, 631.442. 5, 631.46, 633.21 CAB Thesaurus: organic soils; peat soils; agricultural soils; perennials; Phalaris arundinacea; carbon cycle; carbon dioxide; microbial activities; respiration; soil bacteria; soil fungi TIIVISTELMÄ (ABSTRACT IN FINNISH) Boreaalisen alueen suot sisältävät suuren määrän hiiltä (C). Luonnontilaisissa soissa vedenpinta on korkealla ja hapettomissa olosuhteissa orgaanisen aineksen hajoaminen on hidasta, minkä seurauksena soihin on kertynyt turvetta. Suuri osa Suomen soista on ojitettu metsätaloutta, maataloutta ja turpeen tuotantoa varten, mikä aiheuttaa soiden muuttumisen hiilinieluista hiilen lähteiksi. Viljelytoimet, kuten kyntäminen, kalkitus ja lannoitus voivat edelleen lisätä hiilen katoa turvemaista. Monivuotisten kasvien viljely yksivuotisten sijaan voisi vähentää hiilen katoa, mutta tutkimustietoa turvemailta on vasta vähän. Tässä väitöskirjassa käytetty koealue, Linnansuo Joensuussa, on ojitettu suo, jossa viljeltiin monivuotista heinäkasvia, ruokohelpeä (Phalaris arundinacea). Tämä tutkimus oli osa suurempaa kokonaisuutta, jossa selvitettiin ruokohelpiviljelmän kasvihuonekaasutaseita sekä niihin vaikuttavia tekijöitä vuosien 2003–2011 aikana. Tässä väitöskirjassa keskityttiin maaperän hiilidioksidin lähteiden erittelyyn sekä maaperän mikrobien rooliin hiilen kierrossa. Hiilen lähdettä ja alkuperää selvittävien isotooppimenetelmien kehittäminen ja testaus olivat myös merkittävä osa tätä väitöskirjatyötä. Tutkimuksessa määritettiin ruokohelven viljelyn vaikutuksia maaperän mikrobeihin sekä mikrobiryhmien roolia hiilen kierrossa. Ruokohelven viljely lisäsi mikrobibiomassan määrää ja mikrobien aktiivisuutta. Ruokohelvestä peräisin oleva tuore hiili sitoutui ensimmäisenä sienibiomassaan. Myös Gramnegatiiviset bakteerit hyödynsivät tuoretta hiiltä, kun taas Gram-positiivisissa bakteereissa leimatun hiilen määrä lisääntyi vasta myöhemmin osoittaen, että ne voivat käyttää pitemmälle muokattuja hiilen lähteitä. Sienten rooli happamissa turvemaissa on erityisen tärkeä. Ne ovat toisaalta tärkeimpiä tuoreen hiilen hajottajia ja toisaalta niillä on tärkeä osa humifikaatioprosessissa, joka tuottaa maahan stabiileja hiiliyhdisteitä. Toinen osa tutkimusta oli maaperän CO2-lähteiden erittely. Kasvukauden aikana suurin CO2-lähde (42 %) oli tuore, kasviperäinen hiili. Seuraavaksi tärkein oli juurirespiraatio (36 %) ja kolmanneksi tärkein turpeen hajotus (14 %). Maan tuottamasta hiilidioksidista 8 % oli peräisin kalkista. Tutkimuksessa todettiin myös, että ruokohelven viljely ei lisännyt maan orgaanisen aineksen hajotusta. Monivuotisten kasvien viljely turvemailla voi siis hillitä näiden maiden hiilivarantojen häviämistä. Universal Decimal Classification: 582.542. 11, 631.442. 5, 631.46, 633.21 Yleinen suomalainen asiasanasto: eloperäiset maat; turvemaat, maatalousmaa, monivuotiset kasvit; ruokohelpi; hiilitase; hiilidioksidi; hengitys; mikrobit;