Vliv kyselé atmosférické depozice na koloběh uhlíku a dusíku „nejen“ v půdách Filip Oulehle, Chris Evans, Henning Meesenburg, Jakub Hruška, Pavel Krám, Oldřich Myška, Jiří Kopáček, Jack Cosby, Dick Wright Today, when looking on the title, I would put a special attention on sulphur deposition as a main driver of changes in precipitation acidity worldwide which might caused some changes in carbon turnover and nitrogen cycling The presentation wouldn’t be possible without valuable contribution of my colleagues, especially:

Pět témat o kterých bych dnes rád mluvil: Globální rozsah kyselé atmosférické depozice Vliv acidifikace prostředí na akumulaci uhlíku v lesních půdách Vliv acidifikace na mobilitu rozpuštěného organického uhlíku (DOC) Vztah mezi přístupností DOC a půdní respirací Propojení dynamiky C a N v biogeochemických modelech (MAGIC) Intro Monitoring Experiment Modelování

Globální rozsah kyselé atmosférické depozice Výhled(2030) S depozice na základě CLE (Current Legislation scenario) Smith S.J. et al., 2011, ATMOSPHERIC CHEMISTRY AND PHYSICS, 11, 1101–1116 Celková depozice S (mg m-2 yr-1) 2000 Celková depozice N (mg m-2 yr-1) Dentener F. et al., 2006, GLOBAL BIOGEOCHEMICAL CYCLES, VOL. 20, GB4003 Poměr budoucí odhadované depozice N (CLE 2030) ku stávající situaci (2000) 2000

Acidifikace půd H2SO4 + BC = (BC)SO4 + 2H+ (1) Al(OH)3 + 3H+ = Al3+ + 3H2O (2) K K Ca Mg K Na H K H Al Mg H Mg K H Mg Ca Ca K Ca H Na Na Ca Na H Mg

Rozpuštěný organický materiál (DOM) Půdní uhlíkový cyklus Rostliny Půdní organická hmota (SOM) Mikrobiální obrat CO2 opad C respirace Rozpuštěný organický materiál (DOM) DOC DON 1 2 3 4

Vliv acidifikace prostředí na akumulaci uhlíku v lesních půdách Experimentální důkazy: Zpomalení dekompozice opadu při simulovaném kyselém dešti (e.g. Pennanen et al., 1998; Persson et al., 1989) Negativní vliv koncentrace Al na přístupnost uhlíku pro mikroorganismy (e.g. Scheel et al., 2007) vliv pH na aktivitu enzymů (e.g. Sinsabaugh, 2010) Přídavek Al ve formě AlCl3: Vliv na chemismus půdních vod Přídavek Al ve formě AlCl3: Vliv na půdní repiraci C A2 Mulder J. et al., 2001, WATER, AIR AND SOIL POLLUTION 130: 989-994

Vliv acidifikace prostředí na akumulaci uhlíku v lesních půdách Dlouhodobý monitoring: - Napříč zalesněnými povodí v ČR (n=14), S depozice vysvětluje 32% variability půdního poměru C/N a 50% variability mocnosti nadložního humusu (Oulehle et al., 2008) Oulehle F, Evans C.D., Hofmeister J et al., 2011, GLOBAL CHANGE BIOLOGY 17, 3115-3129 Výzkumná plocha Načetín: Zdroj www.emep.int Wet deposition of sulphur (top) and nitrogen (bottom) in Europe based on the EMEP model

Výzkumná plocha Načetín: Vliv acidifikace prostředí na akumulaci uhlíku v lesních půdách Výzkumná plocha Načetín: Zásoba C v nadložním humusu poklesla o 47% od roku 1994 Celková depozice S poklesla o 77% ve stejném období dC/dS = 509 y=-0.133x + 269.83 R2=0.95 Oulehle F, Evans C.D., Hofmeister J et al., 2011, GLOBAL CHANGE BIOLOGY 17, 3115-3129

Effects of acid deposition on soil C accumulation Unpublished data kindly provided by Henning Meesenburg Výzkumná plocha Solling (Německo): Source www.emep.int Wet deposition of sulphur (top) and nitrogen (bottom) in Europe based on the EMEP model

Výzkumná plocha Solling (Německo): Effects of acid deposition on soil C accumulation y=-1.82x + 3659 R2=0.85 Zásoba C v nadložním humusu poklesla o 39% od roku 1990 Celková depozice S poklesla o 75% ve stejném období Výzkumná plocha Solling (Německo): dC/dS = 560 y=-0.102x + 208.45 R2=0.91 Unpublished data kindly provided by Henning Meesenburg

Shrnutí Zdá se, že půdní acidifikace má za následek redukci dekompozice půdní organické hmoty a její následnou akumulaci v půdách. Pokles kyselé atmosférické depozice v posledních letech vedl k remobilizaci takto akumulovaného uhlíku.

Rozpuštěný organický materiál (DOM) Půdní uhlíkový cyklus Rostliny Půdní organická hmota (SOM) Mikrobiální obrat CO2 opad C respirace Rozpuštěný organický materiál (DOM) DOC DON 1 2 3 4

Why is dissolved organic carbon (DOC) important ? Effects of acid deposition on DOC Why is dissolved organic carbon (DOC) important ? Important feature of many aquatic ecosystems with wide-ranging ecological impacts Effects on aquatic metabolism as a substrate for heterotrophic production Influence on primary production through light availability Resposible for transport of many organic pollutants and heavy metals Effects on water chemistry, e.g. pH Vinnetou and Plitvice Lakes National Park in Croatia

Why is dissolved organic carbon (DOC) important ? Most important form of organic carbon transport from terrestrial to aquatic ecosystems Global estimates of both annual riverine organic C transport and soil C sequestration rates are comparable, suggesting that riverine losses of organic C may regulate future changes in soil C storage Stream DOC flux may represent around 10% of the net ecosystem exchange (NEE) for boreal forests (Schelker et al., 2012) and 25% of the NEE for boreal bogs (Nilsson et al., 2008) Stream DOC may reflect changes in catchment C cycling Pg C yr-1 In-land aquatic component in the global C balance (Cole et al., 2007) Lysina - temperate forest ecosystem in the Czech Republic Annual C increment in tree biomass ¬ 1745 kg C ha-1 yr-1 Annual DOC flux – 97 kg C ha-1 yr-1 (6%) Estimated annual carbon budget for the Auchencorth catchment in Scotland Billett et al., (2004)

Why is dissolved organic carbon (DOC) important ? DOC has increased: In much of Europe and North America In lakes and streams In forests and moorlands In waterlogged and aerated soils At high and low flows Prague 2002

Effects of acid deposition on DOC Strong evidence of a relationship between acid deposition and organic matter solubility Solubility of DOC is dependent on: Acidity Ionic strength Aluminium concentration Decomposition of organic matter (which produces DOC) also affected by pH, …and N Results from acidity manipulation experiment in UK Acid treatment – H2SO4 Alkaline treatment - NaOH + MgCl2 Consistent, positive DOC response to pH change at all sites, which can be described by a simple, general relationship, such that a 1 unit increase in soil solution pH is sufficient to more than double DOC concentrations. Temporal coherence between SO4 declines and DOC increases in Central European catchments Oulehle F. and Hruska J., 2009, ENVIRONMENTAL POLLUTION 157: 3433-3439 After 3 years of acidity manipulation experiment on peaty and podzol soils in the UK there is strong evidence that change in the pH, induced by the treatment, is related to DOC change in the soil solution Evans C.D. ,2012, GLOBAL CHANGE BIOLOGY 18: 3317-3331

Shrnutí Zdá se, že půdní acidifikace má za následek redukci dekompozice půdní organické hmoty a její následnou akumulaci v půdách. Pokles kyselé atmosférické depozice v posledních letech vedl k remobilizaci takto akumulovaného uhlíku. Pokles atmosférické depozice síry je v přímé souvislosti s dlouhodobými trendy DOC koncentrací. Takže vzrůstající DOC v Evropě, USA ještě nemusí znamenat, že DOC stoupá globálně (třeba díky oteplování)

Rozpuštěný organický materiál (DOM) Půdní uhlíkový cyklus Rostliny Půdní organická hmota (SOM) Mikrobiální obrat CO2 opad C respirace Rozpuštěný organický materiál (DOM) DOC DON 1 2 3 4

Vliv půdní kyselosti a nabídky N na koloběh C v lesních půdách

Vliv půdní kyselosti a nabídky N na koloběh C v lesních půdách

Long-term komory - SPRUCE Počet replikací - 4

Vliv půdní kyselosti a nabídky N na koloběh C v lesních půdách

Soil water chemistry SMRK BUK O horizont -30 cm

Soil water chemistry SMRK BUK O horizont -30 cm

Shrnutí Zdá se, že půdní acidifikace má za následek redukci dekompozice půdní organické hmoty a její následnou akumulaci v půdách. Pokles kyselé atmosférické depozice v posledních letech vedl k remobilizaci takto akumulovaného uhlíku. Pokles atmosférické depozice síry je v přímé souvislosti s dlouhodobými trendy DOC koncentrací. Takže vzrůstající DOC v Evropě, USA ještě nemusí znamenat, že DOC stoupá globálně (třeba díky oteplování) Pokud se mění nabídka substrátu pro heterotrofní respiraci díky změnám půdního chemismu, můžeme očekávat změnu v míře dekompozice organického materiálu a ustanovení nového steady state – globální vliv na akumulaci uhlíku v půdách.

Rozpuštěný organický materiál (DOM) Půdní uhlíkový cyklus Rostliny Půdní organická hmota (SOM) Mikrobiální obrat CO2 opad C respirace Rozpuštěný organický materiál (DOM) DOC DON 1 2 3 4

Modelling C and N dynamics using new version of MAGIC model MAGIC (Model for Acidification of Groundwater In Catchments) Developed to predict the long-term effects of acidic deposition on surface water chemistry Model simulates soil and surface water chemistry in response to changes in drivers such as deposition of S and N, land use practices, climate… As sulphate concentrations have decreased, in response to the decreased S deposition, nitrate (NO3) has become increasingly important. In acid soils much of the NO3 leached from soil is accompanied by the acid cations H+ and inorganic aluminium (Ali) In the early versions of MAGIC retention of N was calculated empirically as a fraction of N deposited from input-output budgets Later on fraction N retained was described as a function of the N richness of the ecosystem (soil C/N ratio in this case) Alternative formulation of N retention in new version of MAGIC is based directly on the microbial processes which determine the balance of N mineralization and immobilization Obvious limitation (version 5) not dynamic modelling Shortcomings of the C/N model are mainly: organic matter pool in soil is often quite large, thus C/N ratio changes only slowly therefore rapid changes in N leaching cannot be accounted for simply by the C/N ratio.

Modelling nitrogen with MAGIC Alternative formulation of N retention in new version of MAGIC (MAGIC v7ext) is based directly on the microbial processes which determine the balance of N mineralization and immobilization. Conceptually developed by Jack Cosby Inorganic N enters the model as deposition (wet and dry) Time series of plant litter and N fixation (litter C and N) are external inputs to SOM. At each time step, decomposers process some of the C and N content of SOM (FC1 and FN1). A portion of this C and N turnover returns to the SOM as decomposer biomass (FC2 and FN2), while the remainder is lost from SOM as CO2 and NH4 (FC3 and FN3) or as DOC and DON (FC4 and FN4).

Modelling nitrogen with MAGIC Preliminary testing of MAGIC performance in monthly time step Soil organic matter decomposition and N uptake driven by changes in soil temperature – Q10 fce (calculated externaly) potential application in climate change scenario assessment Čertovo lake

Modelling nitrogen with MAGIC

Modelling with MAGIC Šumava – Čertovo jezero

Shrnutí Zdá se, že půdní acidifikace má za následek redukci dekompozice půdní organické hmoty a její následnou akumulaci v půdách. Pokles kyselé atmosférické depozice v posledních letech vedl k remobilizaci takto akumulovaného uhlíku. Pokles atmosférické depozice síry je v přímé souvislosti s dlouhodobými trendy DOC koncentrací. Takže vzrůstající DOC v Evropě, USA ještě nemusí znamenat, že DOC stoupá globálně (třeba díky oteplování) Pokud se mění nabídka substrátu pro heterotrofní respiraci díky změnám půdního chemismu, můžeme očekávat změnu v míře dekompozice organického materiálu a ustanovení nového steady state – globální vliv na akumulaci uhlíku v půdách. Vzájemné propojení uhlíkového a dusíkového cyklu biogeochemickém modelování funguje Možnost odhadu budoucího vývoje N saturace a C imobilizace při měnících se podmínkách (T) BUDOUCNOST (naše) propojení mikrobiálního výzkumu a biogeochemie zavedení ekologické stochiometrie (C,N,P) do biogeochemického modelování