Glyphosate Transport and Inorganic Nitrogen Turnover in Floodplain Soils Induced by Heavy Rainfall After Summer Drought

Abstract

Soil system functioning is essential for both humans and the environment. Soils are involved in all biogeochemical cycles, e. g., the carbon or the nitrogen cycle, thereby fulfilling their key function of cycling and retaining nutrients that are used by natural ecosystems as well as for agriculture. The application of fertilizer and pesticides during agricultural use puts soil functions under a constant stress. While soils can help in attenuating micropollutants or nitrate and thereby prevent them from leaching into the groundwater, soil functions can be impaired by the application of pesticides or fertilizer. Another stressor for soils is climate change, which enhances the frequency and intensity of droughts and rainfall events. The goal of this thesis was to investigate the effects of a heavy rainfall event after a summer drought on soil redox potentials, inorganic nitrogen turnover, vertical transport of water, nitrate, and glyphosate and the soil microbial community in a fine-textured floodplain soil. It was hypothesized that (i) shrinkage cracks forming during the drought period can act as preferential flow paths thereby allowing dissolved and particle-bound compounds to leach into the subsoil during a heavy rainfall event, (ii) upon rewetting of the dry soil a pulse of inorganic nitrogen is observed (“Birch effect”), which, after a few days, transitions to the “usual” redox-driven nitrogen turnover processes, and (iii) the rewetting of the dry soil impacts the soil microbial community, especially its active fraction.

In preparation for the field study, the methodology for the quantification of nitrate and ammonium concentrations in soil samples was reviewed by testing the stability of samples during storage and extraction under different conditions (storage temperature, extraction time and extraction solution, oxygen availability). In summary, it is recommended, to freeze field soil samples immediately after sampling, to store them frozen and to extract them with 2 M KCl to avoid any impairment of ammonium and nitrate concentrations.

At a floodplain in the catchment of the Ammer river close to Tübingen, SW Germany, a field experiment was conducted to test the above listed hypotheses by simulating a heavy rainfall event on a dry soil. The floodplain soil was a fine-textured Gleysol, that exhibited pronounced shrinkage cracks after a summer drought period. On a harvested summer barley acre, the field experiment setup with nine equally-sized plots was installed. Three plots each were treated similar: (i) Plots received the simulated heavy rainfall event (deuterium-labeled water) and a light daily irrigation for 10 consecutive days. (ii) Plots were sprayed with glyphosate one day before the simulation of the heavy rainfall event as described in (i). (iii) Dry plots received no treatment and served as control plots. 50 cm soil cores were retrieved from all plots two hours after the simulated heavy rainfall event (i. e., day 0), on days 6/8 and 14. Analyses of the pore water content, the δ2H-signature of the pore water, glyphosate, ammonium and nitrate concentrations, the microbial community on DNA and RNA level, and extracellular enzyme activities were conducted. Additionally, in situ soil redox conditions were monitored in different soil depths. The role of shrinkage cracks as preferential flow paths was evaluated by the δ2H-signature of the pore water, the isotope mass balance and the water mass balance, which consistently showed that already on day 0 irrigation water had reached depths down to 50 cm below ground level, i. e., the maximum depth investigated. Also glyphosate was found alongside with elevated isotopic signatures over entire core profiles. As glyphosate is strongly sorbing to mineral particles, this finding is surprising and indicates that a particle-bound transport of glyphosate through preferential flow paths must have occurred. Nitrate as very soluble compound is also prone to transport along preferential flow paths. Although a loss of nitrate in the topsoil was observed upon the heavy rainfall event, no nitrate accumulation was observed in the subsoil. As, however, other processes of nitrate loss could be excluded, it was assumed that the nitrate leached even further down than 50 cm below ground level and was therefore not recovered. The assessment of nitrogen turnover processes occurring upon the soil rewetting by the simulated heavy rainfall event revealed: (i) Upon the initial rewetting of the soil during the simulated heavy rainfall event, a pulse of inorganic nitrogen in the form of ammonium appeared in the top ten centimeters of the soil (Birch effect). Except from that, ammonium behaved very conservatively, which can be explained by the high fraction of sorbed ammonium having a limited bioavailability compared to exchangeable ammonium. (ii) In situ redox potentials dropped from oxidizing to reducing within hours to days in response to the simulated heavy rainfall event and stayed low especially in the subsoil and controlled the inorganic nitrogen turnover processes in later stages of the field experiment (days 6 and 14). (iii) Nitrate contents responded to changes of in situ redox potentials, with a denitrification-related decrease at reducing conditions and a nitrification-driven increase at oxidizing conditions. The effect of the simulated heavy rainfall event on the soil microbial community composition on both DNA and RNA (active fraction) level was negligible. However, lower diversity indices of the active fraction were measured on rewetted plots compared to dry plots, which indicated a certain selection for taxa better adapted to dry-wet-cycles.

The presented thesis demonstrates that the methodology of the described field experiment was suitable to study several interacting processes during the rewetting of a dry soil during a (simulated) heavy rainfall event. The insights promote the understanding of these interacting processes and the protection of soil and groundwater resources during drought periods and heavy rainfall events and lay a profound basis for further studies.

Böden, die ihre Ökosystemfunktionen zuverlässig erfüllen, sind wichtig für Mensch und Umwelt. Böden sind an allen biogeochemischen Kreisläufen beteiligt, z. B. am Kohlenstoff- oder Stickstoff-Kreislauf, wobei sie dort wichtige Aufgaben übernehmen, um Nährstoffe im Kreislauf zu führen und zu halten, damit diese sowohl den natürlichen Ökosystemen als auch für die Lebensmittelproduktion in der Landwirtschaft zur Verfügung stehen. Landwirtschaftliche Nutzung setzt Böden aber auch unter Stress, etwa durch die Anwendung von Dünger oder Pestiziden. Anthropogen eingetragene Stoffe wie organische Mikroschadstoffe oder Nitrat können zwar in Böden zurückgehalten und abgebaut werden, beeinträchtigen durch ihr Vorhandensein aber auch die Funktionsweise von Böden. Ein weiterer Stressor für Böden ist der Klimawandel und die mit ihm häufiger werdenden extremen Wetterereignisse wie Dürreperioden und Starkregen. Das Ziel der hier präsentierten Arbeit war es, die Auswirkungen eines Starkregenereignisses nach einer sommerlichen Dürreperiode auf die Redoxbedingungen, den Umsatz von anorganischem Stickstoff, den vertikalen Transport von Regenwasser, Nitrat und Glyphosat sowie die mikrobielle Gemeinschaft in einem feinkörnigen Auenboden zu untersuchen. Folgende Hypothesen wurden aufgestellt: (I) Schrumpfungsrisse, die während einer Dürreperiode in feinkörnigen Böden entstehen, können als präferentielle Fließwege dienen und so den Transport von gelösten und partikelgebundenen Stoffen mit dem Starkregen in den Unterboden ermöglichen. (II) Während der Wiederbefeuchtung des trockenen Bodens kommt es zu einem Puls von mineralisiertem Stickstoff (der sogenannte „Birch-Effekt“), der aber nach wenigen Tagen in die „üblichen“ redoxgetriebenen Stickstoff-Umsatz-Prozesse übergeht. (III) Die Wiederbefeuchtung beeinflusst die Zusammensetzung der mikrobiologischen Gemeinschaft im Boden.

Zur Vorbereitung der Feldstudie wurde zunächst die Methodik zur Bestimmung der Nitrat- und Ammoniumkonzentration im Boden daraufhin geprüft, welche Bedingungen während der Probenlagerung und der Extraktion (Lagerungstemperatur, Extraktionsdauer und Extraktionslösungen, Sauerstoffverfügbarkeit) die Stabilität der Nitrat- und Ammonium-Konzentrationen gewährleisten können. Zusammenfassend wird empfohlen, Bodenproben bei der Feldarbeit direkt nach der Entnahme einzufrieren, sie gefroren zu lagern und mit 2 M KCl zu extrahieren, um jedwede Verfälschung der Ammonium- und Nitrat-Konzentrationen zu vermeiden.

In einer Aue im Einzugsgebiet der Ammer in Südwestdeutschland, 7 km westlich von Tübingen, wurde in einem Feldexperiment ein Starkregenereignis auf einem ausgetrockneten Boden simuliert, um die oben genannten Hypothesen zu prüfen. Der Auenboden war ein feinkörniger Gley, der nach einer sommerlichen Dürreperiode ausgeprägte Schrumpfungsrisse aufwies. Auf einem abgeernteten Getreidefeld wurden für das Experiment neun gleich große Parzellen abgegrenzt. Jeweils drei Parzellen wurden gleich behandelt: (I) Auf diesen Parzellen wurde mit Deuterium-dotiertem Wasser ein Starkregenereignis simuliert. In den zehn darauffolgenden Tagen wurden die Parzellen mit nicht-deuteriertem Wasser leicht weiter beregnet. (II) Die Parzellen wurden einen Tag vor dem simulierten Starkregenereignis (wie unter (I) beschrieben) zusätzlich mit Glyphosat behandelt. (III) Die Parzellen, die als trockene Kontroll-Parzellen dienten, erhielten keine Behandlung. 50 cm lange Bodenkerne wurden zwei Stunden nach dem simulierten Starkregen (Tag 0) sowie an den Tagen 6/8 und 14 des Experiments von allen Parzellen entnommen. An den Kernen wurden Analysen des Porenwassergehalts, der δ2H-Signatur des Porenwassers, der Glyphosat-, Ammonium- und Nitratkonzentration, der mikrobiellen Gemeinschaft auf DNA- und RNA-Ebene sowie der extrazellulären Enzymaktivitäten vorgenommen. Des Weiteren wurde mittels permanent installierten Redoxsonden in verschiedenen Tiefen das in situ Redoxpotential gemessen. Um die Rolle von Trockenrissen als präferentielle Fließwege zu beurteilen, wurden die δ2H-Signatur des Porenwassers, der Porenwassergehalt und die Glyphosatkonzentrationen entlang der einzelnen Bodenkerne ausgewertet. Die Daten zeigten übereinstimmend, dass bereits zwei Stunden nach dem simulierten Starkregen Teile des Beregnungswassers und des Glyphosats die maximale untersuchte Tiefe von 50 cm erreicht hatten. Da Glyphosat stark an mineralischen Bodenbestandteilen sorbiert, sind diese Funde überraschend und legen nahe, dass partikelgebundener Transport von Glyphosat stattgefunden haben muss. Nitrat als leicht löslicher Stoff ist auch anfällig für Transport in präferentiellen Fließwegen. Obwohl ein Verlust von Nitrat im Oberboden während des Starkregens beobachtet wurde, gab es keine Nitratakkumulation im Unterboden. Da jedoch andere Prozesse, die den Rückgang von Nitrat im Oberboden erklären könnten, ausgeschlossen werden konnten, wurde angenommen, dass das Nitrat in Bodenschichten unterhalb der maximalen untersuchten Tiefe von 50 cm verlagert wurde. Die Untersuchung der Prozesse des Stickstoffumsatzes ergab, dass während der Wiederbefeuchtung des Bodens durch das simulierte Starkregenereignis in den obersten 10 cm des Bodens eine vorübergehende Zunahme von Ammonium zu beobachten war (Birch-Effekt). Abgesehen davon verhielt sich Ammonium sehr konservativ, was auf den großen Anteil an sorbiertem Ammonium zurückgeführt werden kann, welches im Vergleich zu weniger stark gebundenem austauschbarem Ammonium nur eingeschränkt bioverfügbar ist. Die in situ gemessenen Redoxpotentiale fielen innerhalb von Stunden bis wenigen Tagen nach dem Starkregenereignis von oxidierenden zu reduzierenden Bedingungen und blieben besonders im Unterboden stabil auf reduzierendem Niveau. Die vorherrschenden Redoxpotentiale kontrollierten den Umsatz von Nitrat zu den späteren Zeitpunkten des Experiments (Tag 6 und 14). Die Nitratgehalte nahmen wie erwartet bei reduzierenden Bedingungen ab (Denitrifikation) und bei oxidierenden Bedingungen zu (Nitrifikation). Der Effekt des Starkregenereignisses auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft des Bodens war sowohl auf DNA- als auch auf RNA-Ebene vernachlässigbar. Lediglich systematisch niedrigere alpha-Diversitätsindizes (RNA-Ebene) auf beregneten Parzellen im Vergleich zu den trockenen Kontroll-Parzellen wiesen darauf hin, dass eine gewisse Selektion hin zu besser an Trocken-Nass-Zyklen angepassten Taxa stattfand.

Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Methodik des beschriebenen Feldexperiments geeignet war, um verschiedene miteinander interagierende Prozesse während der Wiederbefeuchtung eines ausgetrockneten Bodens durch ein (simuliertes) Starkregenereignis zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Arbeit vertiefen das Verständnis des Zusammenwirkens dieser Prozesse und fördern somit Möglichkeiten zum Schutz von Boden- und Grundwasser-Ressourcen während der durch den voranschreitenden Klimawandel häufiger auftretenden Dürreperioden und Starkregenereignisse. Die Arbeit legt außerdem eine gründliche Basis für weitere Studien zu diesem Thema.