Chemistry of soil organic matter as related to C : N in Norway spruce forest (Picea abies(L.) Karst.) floors and mineral soils

Abstract

Due to high nitrogen deposition in central Europe, the C : N ratio of litter and the forest floor has narrowed in the past. This may cause changes in the chemical composition of the soil organic matter. Here we investigate the composition of organic matter in Oh and A horizons of 15 Norway spruce soils with a wide range of C : N ratios. Samples are analyzed with solid-state 13C nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, along with chemolytic analyses of lignin, polysaccharides, and amino acid-N. The data are investigated for functional relationships between C, N contents and C : N ratios by structural analysis. With increasing N content, the concentration of lignin decreases in the Oh horizons, but increases in the A horizons. A negative effect of N on lignin degradation is observed in the mineral soil, but not in the humus layer. In the A horizons non-phenolic aromatic C compounds accumulate, especially at low N values. At high N levels, N is preferentially incorporated into the amino acid fraction and only to a smaller extent into the non-hydrolyzable N fraction. High total N concentrations are associated with a higher relative contribution of organic matter of microbial origin. Zusammensetzung der organischen Substanz im Oh- und A-Horizont unter Fichte (Picea abies (L.) Karst.) in Abhangigkeit vom C : N-Verhaltnis Hohe Stickstoffeintrage haben in Mitteleuropa zu einer Abnahme des C : N-Verhaltnisses in der Streu und der Auflage gefuhrt. Dies fuhrt moglicherweise zu Anderungen in der Zusammensetzung der organischen Bodensubstanz. In der vorliegenden Arbeit wurde die Zusammensetzung im Oh- und A-Horizont von 15 Boden unter Fichte untersucht, die einen weiten Bereich im C : N-Verhaltnis abdecken. Die Zusammensetzung der organischen Substanz wurde mittels Festkorper-13C-NMR-Spektroskopie und chemolytischen Methoden zur Bestimmung von Lignin, Polysacchariden und Aminosaure-N untersucht. Diese Daten wurden auf funktionelle Zusammenhange zwischen den Gehalten an C, N und dem C : N-Verhaltnis mittels einer strukturellen Analyse gepruft. Mit zunehmendem N-Gehalt nehmen die Gehalte an Lignin in den Oh-Horizonten zu, in den A-Horizonten nehmen sie dagegen ab. Ein negativer Effekt des N-Gehalts auf den Ligninabbau ist also nur im Mineralboden, aber nicht im Auflagehumus nachzuweisen. Im Mineralboden reichern sich nichtphenolische aromatische Strukturen an, insbesondere bei niedrigen N-Gehalten. Bei hohen N-Gehalten wird N bevorzugt in die Aminosaurefraktion inkorporiert und nur in geringerem Ausmas in die Fraktion des nichthydrolysierbaren Stickstoffs. Generell sind hohere N-Gehalte mit einem groseren Beitrag mikrobieller Produkte an der organischen Substanz verbunden.