Linking belowground mycorrhizal communities to ecosystem function in Austrian mountain forests

Die Funktion und Stabilität von terrestrischen Ökosystem ist maßgeblich von ihrer Pflanzenbiodiversität und -gemeinschaftsstruktur beeinflusst. Jedoch sind die Mechanismen, welche Biodiversität und Gemeinschaftsstruktur regulieren und aufrechterhalten, in ihrer Gesamtheit noch nicht geklärt. Die Diversität von Ektomykorrhizen und erikoide Mykorrhizen tragen wesentlich zur Beibehaltung von hoher Pflanzendiversität und Ökosystemfunktionen bei. Sie sind wichtige Faktoren im Abbau von Streu und im Stickstoffkreislauf. Die Gemeinschaftsstruktur von Ektomykorrhizen, Enzymaktivität im Boden als auch von Mykorrhizapilzen, Stickstoffmineralisierung und die Verteilung von Feinwurzeln sind wichtige Parameter die eine Verbindung von Bodenbiodiversität und Ökosystemfunktion erlauben. Feinwurzeln repräsentieren einen großen und durchaus dynamischen Anteil an bodenbürtigen Nährstoffen und Biomasse und spielen eine wichtige Rolle in der Nettoprimärproduktion in temperaten Waldökosystemen. In einigen Gebieten in den österreichischen Alpen zeigen Baumgemeinschaften eine gewisse Neigung zu Kaliummangel, welche sich durch Nadelvergilbung zeigt und zu Produktionseinbußen führt. Um den Einfluss von Kaliumdüngung auf die Feinwurzelverteilung und die Gemeinschaftsstruktur von Ektomykorrhizagemienschaften in kaliumarmen Waldbeständen zu testen wurden sechs gedüngte Flächen und sieben Kontrollflächen etabliert. Die Resultate zeigen ein zunehmendes Baumwachstum, eine signifikante Zunahme der Feinwurzelbiomasse und -länge sowie der Anzahl der Wurzelspitzen im Mineralboden. Die Ektomykorrhizagemeinschaft im organischen Oberboden scheint nicht beeinflusst zu sein. Um zu verstehen wie einzelne Mykorrhizaarten als auch ganze Gemeinschaften den Stickstoffkreislauf regulieren und beeinflussen, wurden folgende Baumbestände untersucht: (i) Inselbestände an der alpinen Baumgrenze (Picea abies, Pinus mugo, Rhododendron ferrugineum), (ii) ein ausgewachsener Fichtenbestand (Picea abies) an der Baumgrenze sowie (iii) ein Fichtenbestand (Picea abies) in gemäßigter Höhe. Stickstoffverfügbarkeit und -mineralisation wurden in situ und im Labor untersucht. Die Resultate zeigen dass Mykorrhizagemeinschaften unterschiedlicher Zusammensetzung die gleichen Ökosystemfunktionen unterstützen. Aufgrund des hohen Anteils an schwer abzubauender Streu von Rhododendron ferrugineum wurde eine signifikant niedrigere Stickstoffmineralisierung in ebensolchen Beständen gefunden. Eine Stickstofflimitierung in den Inselbeständen an der Baumgrenze wurde nicht gefunden, jedoch im Fichtenbestand an der Baumgrenze. Weiters wurde die Enzymaktivität an Wurzelhaaren von vier erikoiden Pflanzenarten, namentlich Rhododendron ferrugineum, Vaccinium vitis-idaea, Vaccinium myrtillus, Calluna vulgaris, sowie an ektomykorrhizierten und nicht mykorrhizierten Wurzelspitzen von Picea abies an der Baumgrenze untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Aktivität von Leucin-aminopeptidase und Laccase - also jene Enzyme, welche im Abbau von Proteinen und persistenten Kohlenstoffverbindungen beteiligt sind - höher in ektomykorrhizierten Wurzelspitzen ist als in Wurzelhaaren von erikoidmykorrhizierten Pflanzen. Ein Vergleich der Enzymaktivität von Wurzelhaaren und nichtmykorrhizierten Feinwurzeln von Heidekrautgewächsen legt die Vermutung nahe, dass Leucin-aminopeptidase und Laccase von den mykorrhizierenden Pilzen produziert wird. Die höhere ß-Glucuronidase-Aktivität der Feinwurzeln der Heidekrautgewächse im Vergleich zu den Wurzelhaaren legt den Schluss nahe, dass dieses Enzym vorrangig von der Pflanze produziert wird Um den Einfluss von Kaliumdüngung auf die Feinwurzelverteilung und die Gemeinschaftsstruktur von Ektomykorrhizagemienschaften in kaliumarmen Waldbeständen zu testen wurden sechs gedüngte Flächen und sieben Kontrollflächen etabliert. Die Resultate zeigen ein zunehmendes Baumwachstum, eine signifikante Zunahme der Feinwurzelbiomasse und länge sowie der Anzahl der Wurzelspitzen im Mineralboden. Die Ektomykorrhizagemeinschaft im organischen Oberboden scheint nicht beeinflusst zu sein. Um zu verstehen wie einzelne Mykorrhizaarten als auch ganze Gemeinschaften den Stickstoffkreislauf regulieren und beeinflussen, wurden folgende Baumbestände untersucht: (i) Inselbestände an der alpinen Baumgrenze (Picea abies, Pinus mugo, Rhododendron ferrugineum), (ii) ein ausgewachsener Fichtenbestand (Picea abies) an der Baumgrenze sowie (iii) ein Fichtenbestand in gemäßigter Höhe. Stickstoffverfügbarkeit und -mineralisation wurden in situ und im Labor untersucht. Die Resultate zeigen dass Mykorrhizagemeinschaften unterschiedlicher Zusammensetzung die gleichen Ökosystemfunktionen unterstützen. Rhododendron ferrugineum wurde eine signifikant niedrigere Stickstoffmineralisierung in ebensolchen Beständen gefunden. Eine Stickstofflimitierung in den Inselbeständen an der Baumgrenze wurde nicht gefunden, jedoch im Fichtenbestand an der Baumgrenze. Weiters wurde die Enzymaktivität an Wurzelhaaren von vier erikoiden Pflanzenarten, namentlich Rhododendron ferrugineum, Vaccinium vitis-idaea, Vaccinium myrtillus, Calluna vulgaris, sowie an ektomykorrhizierten und nicht mykorrhizierten Wurzelspitzen von Picea abies an der Baumgrenze untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Aktivität von Leucin-aminopeptidase und Laccase sind höher in ektomykorrhizierten Wurzelspitzen ist als in Wurzelhaaren von erikoidmykorrhizierten Pflanzen. Ein Vergleich der Enzymaktivität von Wurzelhaaren und nichtmykorrhizierten Feinwurzeln von Heidekrautgewächsen legt die Vermutung nahe, dass Leucin-aminopeptidase und Laccase von den mykorrhizierenden Pilzen produziert wird. Die höhere ß-Glucuronidase-Aktivität der Feinwurzeln der Heidekrautgewächse im Vergleich zu den Wurzelhaaren legt den Schluss nahe, dass dieses Enzym vorrangig von der Pflanze produziert wird.The functioning and stability of terrestrial ecosystems are influenced by plant biodiversity and species composition. However, the ecological mechanisms by which plant biodiversity and species composition are regulated and maintained are not well understood. Belowground diversity of ectomycorrhizal fungi and ericoid mycorrhizal fungi are major factors contributing to the maintenance of plant biodiversity and to ecosystem functioning. They are critical players in litter decomposition and the process of nitrogen cycling. Ectomycorrhizal community structure, soil enzymes, mycorrhizal ectoenzymes, nitrogen mineralization, fine root distribution are very important parameters which allow below ground diversity to be linked to forest ecosystem function. Fine roots represent a large and dynamic portion of the belowground biomass and nutrient capital and a significant part of net primary production in temperate forests. However, in some areas of the Austrian Alps trees show potassium deficiency which can result in needle yellowing and forest production loss. In order to evaluate how potassium fertilization affects fine roots distribution and ectomycorrhizal community structure in potassium deficiency forests, six potassium fertilization plots, and seven control plots were selected. The results showed that potassium fertilization resulted in an increase in tree growth, and led to a significant increase in fine root biomass, fine root length, and root tip number in the mineral soil layer, but does not affect the ectomycorrhizal community structure in the organic horizon. To further investigate how mycorrhizal community structure and mycorrhizal types regulate and maintain nitrogen cycling and ecosystem function, islands of co-existing woody vegetation at the alpine tree line (Picea abies, Pinus mugo, Rhododendron ferrugineum), a mature forest stand (Picea abies) at a lower elevation and a closed stand Picea abies at a diffuse tree line were investigated. Laboratory incubation, an in situ incubation and resin capsule were used for estimating soil nitrogen mineralization and soil nitrogen availability respectively. Our results suggested that different combinations of species and types of mycorrhizal fungi support a similar ecosystem function in soils. However, due to the recalcitrant litter of ericaceous species-Rhododendron ferrugineum, the significant lower mineralization was found under Rhododendron ferrugineum, however, nitrogen deficiency was not evident in the island type tree line, but was evident in the diffuse type tree line. To further investigate the unexpectedly low enzyme activity of Rhododendron ferrugineum, the root surface enzyme activity on hair roots of four ericoid mycorrhizal species (Rhododendron ferrugineum, Vaccinium vitis-idaea, Vaccinium myrtillus, Calluna vulgaris) and on ectomycorrhizal and non-mycorrhizal root tips of Picea abies site growing at the diffuse tree line were investigated. The results showed that the activity of the enzyme involved in the degradation of protein and recalcitrant C compounds, leucine aminopeptidase and laccase were higher on ectomycorrhizas than on hair roots of ericaceous species. A comparison of enzyme activity on hair roots and non- mycorrhizal fine roots of the ericaceous vegetation suggests that laccase and leucine-aminopeptidase are produced by the infecting ericoid mycorrhizal fungi. The higher activity of [beta]-glucuronidase in the fine roots of the ericaceous species compared to the hair roots suggests that this enzyme in primarily produced by the plant In order to evaluate how potassium fertilization affects fine roots distribution and ectomycorrhizal community structure in potassium deficiency forests, six potassium fertilization plots, and seven control plots were selected. The results showed that potassium fertilization resulted in an increase in tree growth, and led to a significant increase in fine root biomass, fine root length, and root tip number in the mineral soil layer, but does not affect the ectomycorrhizal community structure in the organic horizon. To further investigate how mycorrhizal community structure and mycorrhizal types regulate and maintain nitrogen cycling and ecosystem function, islands of co-existing woody vegetation at the alpine tree line (Picea abies, Pinus mugo, Rhododendron ferrugineum), a mature forest stand (Picea abies) at a lower elevation and a closed stand Picea abies at a diffuse tree line were investigated. Laboratory incubation, an in situ incubation and resin capsules were used for estimating soil nitrogen mineralization and soil nitrogen availability respectively. Our results suggested that different combinations of species and types of mycorrhizal fungi support a similar ecosystem function in soils. A significantly lower mineralization was found under Rhododendron ferrugineum, however, nitrogen deficiency was not evident in the island type tree line, but was evident in the diffuse type tree line. To further investigate the unexpectedly low enzyme activity of Rhododendron ferrugineum, the root surface enzyme activity on hair roots of four ericoid mycorrhizal species (Rhododendron ferrugineum, Vaccinium vitis-idaea, Vaccinium myrtillus, Calluna vulgaris) and on ectomycorrhizal and non-mycorrhizal root tips of Picea abies site growing at the diffuse tree line were investigated. Leucine aminopeptidase and laccase were higher on ectomycorrhizas than on hair roots of ericaceous species. A comparison of enzyme activity on hair roots and non- mycorrhizal fine roots of the ericaceous vegetation suggests that laccase and leucine-aminopeptidase are produced by the infecting ericoid mycorrhizal fungi. The higher activity of -glucuronidase in the fine roots of the ericaceous species compared to the hair roots suggests that this enzyme in primarily produced by the plant.Lixia WangAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersAbweichender englischer Titel laut Eingabe in die DissertationsdatenbankZusammenfassung in deutscher SpracheUniversität für Bodenkultur Wien, Dissertation, 2016OeBB(VLID)193066