title: Getting to the bottom of [hoch]15N isotope pool dilution technique
Creators: name: Braun, Judith
Publisher: name: :none
Year: 2016

description: Bei kurzfristigen Versuchen zur Bestimmung von Brutto-Umsatzraten von Stickstoff (N) in Boden mit der 15N-Verdünnungsmethode, der sogenannten "isotope pool dilution technique", wird häufig eine rasche Abnahme der 15N Anreicherung im Ammonium-pool beobachtet. Ziel der Arbeit war die Untersuchung der NH4+ konsumierenden Prozesse und die Überprüfung ob es bei derart rascher Aufnahme des Isotopenindikators noch während der Inkubationszeit zu einem Rückfluss von 15N in den Ammonium-pool kommen kann. Dies würde bei der Berechnung von Brutto-N-Mineralisierungsraten zu einer Unterschätzung der Rate führen. Das Ziel dieser Studie war daher zum einen zwischen biotischer und abiotischer Aufnahme von 15N-NH4+ zu unterscheiden sowie die Senken für 15N-NH4+ und den zeitlichen Verlauf der Aufnahmeprozesse über 48 Stunden genau zu untersuchen. Des Weiteren sollte geprüft werden ob es während einer Inkubationszeit von 48 Stunden zu einem Rückfluss des Isotopenindikators kommt und welchen Einfluss dieser Rückfluss auf die Brutto-N-Mineralisierungsraten haben könnte. Für den experimentellen Versuch wurden Bodenproben (Oberboden: 0-10 cm) aus einem Buchenwald und einem Grasland in Österreich verwendet, die sich in ihrer NH4+-Konzentration und in der Aufnahmegeschwindigkeit von NH4+ unterschieden. Um eindeutig zwischen biotischen und abiotischen Bodenprozessen unterscheiden zu können, wurden diese teilweise mittels Autoklavieren sterilisiert. Die sterilen und nicht-sterilen Böden wurden anschließend mit 15N-NH4+ isotopisch markiert. Bei ansteigender Inkubationszeit (0, 0.25, 3.5, 24 und 48 Stunden), wurde jeweils die NH4+-Konzentration sowie die 15N Anreicherung in den inorganischen, organischen und mikrobiellen Stickstoff-pools gemessen um damit die biotische Aufnahme von Ammonium nachzuvollziehen. Des Weiteren wurde die abiotische Fixierung von NH4+ zum Zeitpunkt 0 und 24 Stunden nach 15N Zugabe gemessen. Hier wurde außerdem zwischen der von Tonmineralien und der von Huminstoffen fixierten NH4+-Fraktion unterschieden. Über die Gesamtdauer des Experiments betrug die Wiederfindungsrate des 15N Isotopenindikators in beiden Böden mehr als 100 %. Im Graslandboden, der eine rasche 15N-NH4+ Abnahme aufwies, wurde das iotopisch markierte NH4+ nur wenige Sekunden nach Zugabe größtenteils abiotisch durch die Diffusion in Tonschichten fixiert (24 %). Zusätzlich zeigten sich mikrobielle Aufnahme (10 %) und Nitrifizierung (13 %) für die rasche Abnahme der 15N-NH\textsubscript4+-Anreicherung verantwortlich. Sowohl für den Graslandboden mit rascher NH4+-Umsetzung als auch für den Waldboden wurde auf Grund der mit der Inkubationszeit ansteigenden Wiederfindungsraten von 15N ein Rückfluss des Isotopenindikators in den verfügbaren Ammonium-pool ausgeschlossen. Eine Sensitivitätsanalyse der Daten ergab, dass ein derartiger Rückfluss immensen Einfluss auf die Brutto-N- Mineralisierungsraten haben könnte (~60% Unterschätzung der Rate im Graslandboden). In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass sogar bei rascher biotischer Immobilisierung oder abiotischer Fixierung von 15N-NH4+ innerhalb von 24 Stunden Inkubationszeit und wahrscheinlich sogar bis zu 48 Stunden ein Rückfluss des Isotopenindikators sehr unwahrscheinlich ist. Demzufolge muss in kurzfristigen 15N-Verdünnungsexperimenten auch im Falle rascher 15N-NH4+ Aufnahme bei der Berechnung von Brutto-N-Mineralisierungsraten der Rückfluss von 15N in den Ammonium-pool nicht berücksichtigt werden.
description: When applying the 15N isotope pool dilution technique for measuring gross N transformation rates, rapid consumption of 15N—NH4+ is common in short—term soil incubations. Nevertheless, the processes responsible for rapid consumption are not entirely well understood. The primary objectives of this study is to determine the relative roles of biotic and abiotic processes in NH4+ consumption and to investigate the validity of one of the underlying assumption of gross N transformation estimates, i.e. that no reflux of 15N tracer during incubation time occurs. A laboratory experiment was performed, where 15N—NH4+ was added to live and autoclaved mineral top soil from a beech forest and a grassland site in Austria, differing in NH4+ concentrations and consumption kinetics. The change in concentration and enrichment of the inorganic, the organic, and the microbial N pool was measured at 0, 0.25, 3.5, 24 and 48 hours to investigate biotic consumption processes. Furthermore, abiotic consumption of the isotopic tracer, the contribution of clay fixation and the fixation by humic substances were investigated at 0 and after 24 hours of incubation. We achieved a full recovery of the 15N tracer in both soils over the course of the experiment. In the soil rapidly consuming NH4+, abiotic fixation was the major process removing NH4+ only seconds after addition (24%). But also the uptake by soil microbes (10%), as well as nitrification (13%), set in only seconds after tracer addition. Thus being said, we could not detect a violation of the assumption of reflux exclusion, although a sensitivity analysis of 15N tracer reflux revealed a potential impact of such a reflux in laboratory experiments. Our study demonstrated that even in the case of rapid NH4+ consumption during isotope pool dilution experiments, 15N tracer reflux seems to be rather unlikely for short—term incubation of 24 hours, and probably even up to 48 hours, and therefore negligibly affect calculations of gross N mineralization.