High asymbiotic N2 fixation rates in woody roots after six years of decomposition: controls and implications

Abstract

Abstract The rates and controls of asymbiotic N2 fixation associated with organic detritus such as decomposing woody roots have rarely been evaluated in forests. We measured acetylene reduction (AR) rates in woody roots after six years of decomposition in three sites of coniferous forest in Oregon, U.S.A., calibrated with measurements of 15N2 fixation. Incubation site and root size significantly affected the AR rates of decomposing roots. Decomposing roots at the H.J. Andrews site had the highest AR rates, followed by a wetter site, Cascade Head, and a drier site, Pringle Falls. The mean AR rates of dead roots increased with increasing root size, while mass loss decreased with increasing root size. However, root species did not significantly affect AR with Douglas-fir, western hemlock, and ponderosa pine having mean rates of 13.7, 12.0, and 16.0 nmol/g/day, respectively. Mean N2 fixation rates in decomposing roots are at least four times higher than rates reported for other asymbiotic sources of N2 fixation such as dead wood and litter. The average conversion ratio for AR data measured by 15N2 fixation in dead roots was 4.5:1. A preliminarily estimate of potential annual N2 fixation by dead roots after a stand-replacing disturbance of an old-growth Douglas-fir forest at the H.J. Andrews site was 6.3 kg N/ha/year with a range of 2.1 to 10.4 kg N/ha/year, suggesting that dead roots have potentials to provide a significant N source to these N-limited forests. In Waldern wurden die Raten und Kontrollen der asymbiotischen N2-Fixierung, die mit organischem Detritus wie sich zersetzenden holzigen Wurzeln verbunden ist, selten bewertet. Wir masen die Acetylenreduktionsraten (AR) in holzigen Wurzeln nach sechs Jahren der Zersetzung auf drei Probeflachen in Nadelwaldern in Oregon, USA, die durch Messungen der 15N2-Fixierung kalibriert wurden. Die Probeflache der Inkubation und die Wurzelgrose beeinflussten die AR-Raten der sich zersetzenden Wurzeln signifikant. Sich zersetzende Wurzeln der H.J. Andrews Probeflache hatten die hochsten AR-Raten, gefolgt von einer feuchteren Probeflache, Cascade Head, und einer trockeneren Probeflache, Pringle Falls. Die mittleren AR-Raten abgestorbener Wurzeln nahmen mit der Wurzelgrose zu, wahrend der Massenverlust mit zunehmender Wurzelgrose abnahm. Die Art der Wurzel beeinflusste die AR jedoch nicht signifikant, da die mittleren Raten von Douglas-Fichte, westlicher Hemlock-Tanne und Ponderosa-Kiefer bei 13.7, 12.0 und 16.0 nmol/g/Tag lagen. Die mittleren N2-Fixierungsraten in sich zersetzenden Wurzeln sind mindestens viermal so gros wie die Raten, die fur andere asymbiotische Quellen der N2-Fixierung wie Totholz und Falllaub gelten. Die mittlere Ubertragunsrate fur AR-Daten, die uber N2-Fixierung in abgestorbenen Wurzeln gemessen wurde, betrug 4.5:1. Eine vorlaufige Schatzung der potenziellen jahrlichen N2-Fixierung durch abgestorbene Wurzeln nach Storung eines Altbestandes von Douglas-Fichten durch Bestandsersetzung in der H.J. Andrews Probeflache ergab 6.3 kg N/ha/Jahr mit einer Variation zwischen 2.1 und 10.4 kg N/ha/Jahr. Dies last vermuten, dass abgestorbene Wurzeln das Potenzial haben, eine signifikante N-Quelle fur diese N-limitierten Walder zur Verfugung zu stellen.