Gross and net nitrogen transformation rates and availability in late summer in tall shrub and birch hummock ecosystems of the Canadian low Arctic

Climate change is occurring most rapidly in the Arctic where warming has been twice as fast as the rest of the globe over the last few decades. Arctic soils contain a vast store of carbon and warmer arctic soils may mediate current atmospheric CO2 concentrations and global warming trends. Warmer soils could increase nutrient availability to plants, leading to increased primary production and sequestration of CO2. Presumably because of these effects of warming on shrub ecosystems, shrubs have been expanding across the arctic over the last 50 years, Arctic shrub expansion may track or cause changes in nutrient cycling and availability that favour growth of larger, denser shrubs. This study aimed at measuring gross and net nitrogen cycling rates, major soil nitrogen and carbon pool sizes, and elucidating controls on nutrient cycling and availability between a mesic birch (Betula nana) hummock tundra ecosystem and an ecosystem of dense, tall, birch (B. nana) shrubs. Nitrogen cycling and availability was enhanced at the tall shrub ecosystem compared to the birch hummock ecosystem. Net nitrogen immobilization by microbes was approximately threefold greater at the tall shrub ecosystem. This was in part because of larger microbial biomass nitrogen and carbon (interpreted as a larger microbial community) at the tall shrub ecosystem. Nitrogen inputs via litter were significantly larger at the tall shrub ecosystem and were hypothesized to be the major contributor to the higher dissolved organic and inorganic nitrogen pools in the soil at the tall shrub ecosystem. The results from this study suggest a positive feedback mechanism between litter nitrogen inputs and the enhancement of nitrogen cycling and availability as a driver of shrub expansion across the Arctic.

Flux and turnover of fixed carbon in soil microbial biomass of limed and unlimed plots of an upland grassland ecosystem

The influence of liming on rhizosphere microbial biomass C and incorporation of root exudates was studied in the field by in situ pulse labelling of temperate grassland vegetation with (13)CO(2) for a 3-day period. In plots that had been limed (CaCO(3) amended) annually for 3 years, incorporation into shoots and roots was, respectively, greater and lower than in unlimed plots. Analysis of chloroform-labile C demonstrated lower levels of (13)C incorporation into microbial biomass in limed soils compared to unlimed soils. The turnover of the recently assimilated (13)C compounds was faster in microbial biomass from limed than that from unlimed soils, suggesting that liming increases incorporation by microbial communities of root exudates. An exponential decay model of (13)C in total microbial biomass in limed soils indicated that the half-life of the tracer within this carbon pool was 4.7 days. Results are presented and discussed in relation to the absolute values of (13)C fixed and allocated within the plant-soil system.

Improved diffusive gradients in thin films (DGT) measurement of total dissolved inorganic arsenic in waters and soils using a hydrous zirconium oxide binding layer

Abstract Image

A high-capacity diffusive gradients in thin films (DGT) technique has been developed for measurement of total dissolved inorganic arsenic (As) using a long shelf life binding gel layer containing hydrous zirconium oxide (Zr-oxide). Both As(III) and As(V) were rapidly accumulated in the Zr-oxide gel and could be quantitatively recovered by elution using 1.0 M NaOH for freshwater or a mixture of 1.0 M NaOH and 1.0 M H2O2 for seawater. DGT uptake of As(III) and As(V) increased linearly with deployment time and was independent of pH (2.0–9.1), ionic strength (0.01–750 mM), the coexistence of phosphate (0.25–10 mg P L–1), and the aging of the Zr-oxide gel up to 24 months after production. The capacities of the Zr-oxide DGT were 159 μg As(III) and 434 μg As(V) per device for freshwater and 94 μg As(III) and 152 μg As(V) per device for seawater. These values were 5–29 times and 3–19 times more than those reported for the commonly used ferrihydrite and Metsorb DGTs, respectively. Deployments of the Zr-oxide DGT in As-spiked synthetic seawater provided accurate measurements of total dissolved inorganic As over the 96 h deployment, whereas ferrihydrite and Metsorb DGTs only measured the concentrations accurately up to 24 and 48 h, respectively. Deployments in soils showed that the Zr-oxide DGT was a reliable and robust tool, even for soil samples heavily polluted with As. In contrast, As in these soils was underestimated by ferrihydrite and Metsorb DGTs due to insufficient effective capacities, which were likely suppressed by the competing effects of phosphate.

Bioavailability of atrazine to soil microbes in the presence of the earthworm Lumbricus terrestrius (L.)

Experiments were conducted to investigate the interactions between an earthworm species (Lumbricus terrestrius) and soil microflora with respect to the bioavailability and mineralisation of ¹⁴C ring-labelled atrazine. Presence of earthworms had no affect on atrazine in soil solution (assayed by soil centrifugation). This soil solution pool was highly time dependent, decreasing considerably as the experiment proceeded. KCl-extractable label was, however, affected by the presence of earthworms, with this pool initially increasing in the presence of the worms. This pool was also highly time-dependent although, the pattern of this dependence did not follow that for label in soil solution. Mineralisation of the atrazine closely followed the KCl exchangeable pool and not that of the soil solution pool. However, label sorbed to the surface of the worms was closely correlated to the soil solution pool. Mineralisation in the presence of earthworms was double that of the controls. By the end of the experiment 6% of added radioactivity was present in the earthworm biomass.

Effects of diverse plant species on the bioavailability of contaminants in soil

La phytoremédiation constitue une technologie alternative pour le traitement de sols contaminés en métaux. Toutefois, la biodisponibilité des métaux dans le sol peut limiter l’efficacité de cette approche. Nous émettons l’hypothèse que diverses espèces de plante, caractérisées par systèmes racinaires différents, peuvent affecter différemment la biodisponibilité des éléments traces (ET) dans le sol. Une étude utilisant un dispositif expérimental en bloc aléatoire complet avec cinq réplicats a été conduite entre le 6 juin et le 3 septembre 2014, sur le site du Jardin botanique de Montréal. Dans ce contexte, l’impact de la présence de huit espèces de plantes, herbacées ou ligneuses, sur le pool labile de six métaux (Ag, Cu, Pd, Zn, Ni et Se) dans la rhizosphère de celles-ci a été étudié. Après trois mois de culture, la biomasse aérienne et souterraine de chaque espèce a été mesurée et la concentration en ET dans les tissus des plantes a été analysée. La fraction labile de ces ET dans la rhizosphère (potentiellement celle qui serait biodisponible) de même que d’autres paramètres édaphiques (le pH, la conductivité, le pourcentage de matière organique et le carbone organique dissous (COD)) ont aussi été mesurés et comparés en fonction de la présence d’une ou l’autre des espèces utilisées. Les résultats montrent que pour la plupart des plantes testées, les plus fortes concentrations en ET ont été trouvées dans les racines alors que les plus faibles niveaux s’observaient dans les parties aériennes, sauf pour le Ni dans le Salix nigra. Ceci suggère que le Ni peut être extrait du sol par des récoltes régulières des tiges et des feuilles de cette espèce de saule. Les pools labiles de l’Ag, Ni et du Cu dans la rhizosphère étaient significativement et différemment affectés par la présence des plantes. Toutefois, la présence des plantes testées n’a pas affecté certains paramètres clés de la rhizosphère (ex. le pH, conductivité, et le pourcentage de matière organique). À l’opposé, les niveaux de COD dans la rhizosphère de toutes les plantes testées se sont révélés supérieurs en comparaison des témoins (sols non plantés). De plus, une corrélation positive a pu être établie entre la concentration disponible du Ni et la concentration en COD. Une relation similaire a été déterminée pour le Cu. Ceci suggère que certains systèmes racinaires pourraient modifier les niveaux de COD et avoir un impact indirect sur les pools labiles des ET dans le sol.

Root effects on the turnover of grain legume residues in soil

Das Ziel dieser Arbeit war, die Einflüsse von Wurzeln und Rhizodeposition auf den Umsatz von Körnerleguminosenresiduen und damit verknüpfte mikrobielle Prozesse zu untersuchen. In einem integrierten Versuch wurden Ackerbohne (Vicia faba L.), Erbse (Pisum sativum L.) und Weiße Lupine (Lupinus albus L.) untersucht. Der Versuch bestand aus drei Teilen, zwei Gefäß-Experimenten und einem Inkubationsexperiment, in denen ausgehend von einem Gefäß-Experiment derselbe Boden und dasselbe Pflanzenmaterial verwendet wurden. In Experiment I wurde die Stickstoff-Rhizodeposition der Körnerleguminosenarten, definiert als wurzelbürtiger N nach dem Entfernen aller sichtbaren Wurzeln im Boden, gemessen und der Verbleib des Rhizodepositions-N in verschiednenen Bodenpools untersucht. Dazu wurden die Leguminosen in einem Gefäßversuch unter Verwendung einer in situ 15N-Docht-Methode mit einer 15N Harnstofflösung pulsmarkiert. In Experiment II wurde der Umsatz der N-Rhizodeposition der Körnerleguminosen und der Einfluss der Rhizodeposition auf den anschließenden C- und N-Umsatz der Körnerleguminosenresiduen in einem Inkubationsexperiment untersucht. In Experiment III wurde der N-Transfer aus den Körnerleguminosenresiduen einschließlich N-Rhizodeposition in die mikrobielle Biomasse und die Folgefrüchte Weizen (Triticum aestivum L.) und Raps (Brassica napus L.) in einem Gewächshaus-Gefäßversuch ermittelt. Die in situ 15N Docht-Markierungs-Methode wies hohe 15N Wiederfindungsraten von ungefähr 84 Prozent für alle drei Leguminosenarten auf und zeigte eine vergleichsweise homogene 15N Verteilung zwischen verschiedenen Pflanzenteilen zur Reife. Die Wurzeln zeigten deutliche Effekte auf die N-Dynamik nach dem Anbau von Körnerleguminosen. Die Effekte konnten auf die N-Rhizodeposition und deren anschließenden Umsatz, Einflüsse der Rhizodeposition von Körnerleguminosen auf den anschließenden Umsatz ihrer Residuen (Stängel, Blätter, erfassbare Wurzeln) und die Wirkungen nachfolgender Nichtleguminosen auf den Umsatzprozess der Residuen zurückgeführt werden: Die N-Rhizodeposition betrug zur Reife der Pflanzen bezogen auf die Gesamt-N- Aufnahme 13 Prozent bei Ackerbohne und Erbse und 16 Prozent bei Weißer Lupine. Bezogen auf den Residual N nach Ernte der Körner erhöhte sich der relative Anteil auf 35 - 44 Prozent. Die N-Rhizodeposition ist daher ein wesentlicher Pool für die N-Bilanz von Körnerleguminosen und trägt wesentlich zur Erklärung positiver Fruchtfolgeeffekte nach Körnerleguminosen bei. 7 - 21 Prozent des Rhizodepositions-N wurden als Feinwurzeln nach Nasssiebung (200 µm) wiedergefunden. Nur 14 - 18 Prozent des Rhizodepositions-N wurde in der mikrobiellen Biomasse und ein sehr kleiner Anteil von 3 - 7 Prozent in der mineralischen N Fraktion gefunden. 48 bis 72 Prozent der N-Rhizodeposition konnte in keinem der untersuchten Pools nachgewiesen werden. Dieser Teil dürfte als mikrobielle Residualmasse immobilisiert worden sein. Nach 168 Tagen Inkubation wurden 21 bis 27 Prozent des Rhizodepositions-N in den mineralisiert. Der mineralisierte N stammte im wesentlichen aus zwei Pools: Zwischen 30 Prozent und 55 Prozent wurde aus der mikrobiellen Residualmasse mineralisiert und eine kleinere Menge stammte aus der mikrobielle Biomasse. Der Einfluss der Rhizodeposition auf den Umsatz der Residuen war indifferent. Durch Rhizodeposition wurde die C Mineralisierung der Leguminosenresiduen nur in der Lupinenvariante erhöht, wobei der mikrobielle N und die Bildung von mikrobieller Residualmasse aus den Leguminosenresiduen in allen Varianten durch Rhizodepositionseinflüsse erhöht waren. Das Potential des residualen Körnerleguminosen-N für die N Ernährung von Folgefrüchten war gering. Nur 8 - 12 Prozent des residualen N wurden in den Folgenfrüchten Weizen und Raps wiedergefunden. Durch die Berücksichtigung des Rhizodepositions-N war der relative Anteil des Residual-N bezogen auf die Gesamt-N-Aufnahme der Folgefrucht hoch und betrug zwischen 18 und 46 Prozent. Dies lässt auf einen höheren N-Beitrag der Körnerleguminosen schließen als bisher angenommen wurde. Die residuale N-Aufnahme von Weizen von der Blüte bis zur Reife wurde durch den Residual-N gespeist, der zur Blüte in der mikrobiellen Biomasse immobilisiert worden war. Die gesamte Poolgröße, Residual-N in der mikrobiellen Biomasse und in Weizen, veränderte sich von der Blüte bis zur Reife nicht. Jedoch konnte ein Rest von 80 Prozent des Residual-N in keinem der untersuchten Pools nachgewiesen werden und dürfte als mikrobielle Residualmasse immobilisiert worden sein oder ist noch nicht abgebaut worden. Die zwei unterschiedlichen Folgefrüchte - Weizen und Raps - zeigten sehr ähnliche Muster bei der N-Aufnahme, der Residual-N Wiederfindung und bei mikrobiellen Parametern für die Residuen der drei Körnerleguminosenarten. Ein differenzierender Effekt auf den Umsatz der Residuen bzw. auf das Residual-N-Aneignungsvermögen der Folgefrüchte konnte nicht beobachtet werden.

Effects of manure quality and application forms on soil C and N turnover of a subtropical oasis soil under laboratory conditions

Our knowledge of the agricultural sustainability of the millennia-old mountain oases in northern Oman is restricted in particular with respect to C and N turnover. A laboratory study was conducted (1) to analyse the effects of rewetting and drying on soil microorganisms after adding different manures, (2) to investigate the effects of mulching or incorporating of these manures, and (3) to evaluate the relationships between C and N mineralisation rates and manure quality indices. During the first 9-day rewetting and drying cycle, i.e. the “mulch” period, the content of extractable organic C decreased by approximately 40% in all four treatments. During the second 9-day rewetting and drying cycle, i.e. the “incorporation” period, this fraction decreased insignificantly in almost all treatments. The control and mature manure treatments form the first pair with a low percentage of total organic C evolved as CO2 (0.3% in 18 days) and a considerable percentage of total N mineralised as NH4 and NO3 (1% in 18 days), the fresh and immature manure treatments form the second pair with a higher amount of total organic C evolved as CO2 (0.5% in 18 days) and no net N mineralisation. During the first 9-day rewetting and drying cycle, the contents of microbial biomass C and biomass N increased by approximately 150% in all four treatments. During the second 9-day rewetting and drying cycle, no further increase was observed in the control and immature manure treatments and a roughly 30% increase in the other two treatments.

Effects of fertilizer type and rate on partitioning of soil organic matter into pools of different stability

Type and rate of fertilizers influence the level of soil organic carbon (Corg) and total nitrogen (Nt) markedly, but the effect on C and N partitioning into different pools is open to question. The objectives of the present work were to: (i) quantify the impact of fertilizer type and rate on labile, intermediate and passive C and N pools by using a combination of biological, chemical and mathematical methods; (ii) explain previously reported differences in the soil organic matter (SOM) levels between soils receiving farmyard manure with or without biodynamic preparations by using Corg time series and information on SOM partitioning; and (iii) quantify the long-term and short-term dynamics of SOM in density fractions and microbial biomass as affected by fertilizer type and rate and determine the incorporation of crop residues into labile SOM fractions. Samples were taken from a sandy Cambisol from the long-term fertilization trial in Darmstadt, Germany, founded in 1980. The nine treatments (four field replicates) were: straw incorporation plus application of mineral fertilizer (MSI) and application of rotted farmyard manure with (DYN) or without (FYM) addition of biodynamic preparations, each at high (140 – 150 kg N ha-1 year-1; MSIH, DYNH, FYMH), medium (100 kg N ha-1 year-1; MSIM, DYNM, FYMM) and low (50 – 60 kg N ha-1 year-1; MSIL, DYNL, FYML) rates. The main findings were: (i) The stocks of Corg (t ha-1) were affected by fertilizer type and rate and increased in the order MSIL (23.6), MSIM (23.7), MSIH (24.2) < FYML (25.3) < FYMM (28.1), FYMH (28.1). Stocks of Nt were affected in the same way (C/N ratio: 11). Storage of C and N in the modelled labile pools (turnover times: 462 and 153 days for C and N, respectively) were not influenced by the type of fertilizer (FYM and MSI) but depended significantly (p ≤ 0.05) on the application rate and ranged from 1.8 to 3.2 t C ha 1 (7 – 13% of Corg) and from 90 to 140 kg N ha-1 (4-5% of Nt). In the calculated intermediate pool (C/N ratio 7), stocks of C were markedly higher in FYM treatments (15-18 t ha-1) compared to MSI treatments (12-14 t ha-1). This showed that differences in SOM stocks in the sandy Cambisol induced by fertilizer rate may be short-lived in case of changing management, but differences induced by fertilizer type may persist for decades. (ii) Crop yields, estimated C inputs (1.5 t ha-1 year-1) with crop residue, microbial bio¬mass C (Cmic, 118 – 150 mg kg-1), microbial biomass N (17 – 20 mg kg-1) and labile C and N pools did not differ significantly between FYM and DYN treatments. However, labile C increased linearly with application rate (R2 = 0.53) from 7 to 11% of Corg. This also applied for labile N (3.5 to 4.9% of Nt). The higher contents of Corg in DYN treatments existed since 1982, when the first sampling was conducted for all individual treatments. Contents of Corg between DYN and FYM treatments con-verged slightly since then. Furthermore, at least 30% of the difference in Corg was located in the passive pool where a treatment effect could be excluded. Therefore, the reported differences in Corg contents existed most likely since the beginning of the experiment and, as a single factor of biodynamic agriculture, application of bio-dynamic preparations had no effect on SOM stocks. (iii) Stocks of SOM, light fraction organic C (LFOC, ρ ≤ 2.0 g cm-3), light fraction organic N and Cmic decreased in the order FYMH > FYML > MSIH, MSIL for all sampling dates in 2008 (March, May, September, December). However, statistical significance of treatment effects differed between the dates, probably due to dif-ferences in the spatial variation throughout the year. The high proportion of LFOC on total Corg stocks (45 – 55%) highlighted the importance of selective preservation of OM as a stabilization mechanism in this sandy Cambisol. The apparent turnover time of LFOC was between 21 and 32 years, which agreed very well with studies with substantially longer vegetation change compared to our study. Overall, both approaches; (I) the combination of incubation, chemical fractionation and simple modelling and (II) the density fractionation; provided complementary information on the partitioning of SOM into pools of different stability. The density fractionation showed that differences in Corg stocks between FYM and MSI treatments were mainly located in the light fraction, i.e. induced by higher recalcitrance of the organic input in the FYM treatments. Moreover, the use of the combination of biological, chemical and mathematical methods indicated that effects of fertilizer rate on total Corg and Nt stocks may be short-lived, but that the effect of fertilizer type may persist for longer time spans in the sandy Cambisol.

Effects of tillage intensity on soil C, N, and P pools with different stability

Es ist bekannt, dass die Umsatzdynamik der organischen Substanz von der Bodenbearbeitungsintensität abhängt. Bis jetzt sind nur wenige Daten zum Einfluss der Bearbeitungsintensität und des Zwischenfruchtanbaus auf C-, N-, und P-Dynamik im Ober- (0-5 cm Tiefe) und Unterboden (5-25 cm Tiefe) von Lössböden verfügbar. Hauptziele dieser Arbeit waren die (i) Quantifizierung des Einflusses von verschiedenen langzeitig durchgeführten Bearbeitungssystemen auf labile, intermediäre, und passive C- und N-Pools; (ii) Quantifizierung des Einflusses dieser Systeme auf P-Fraktionen mit unterschiedlicher Verfügbarkeit für die Pflanzenaufnahme; (iii) Quantifizierung des Einflusses des Zwischenfruchtanbaus in Verbindung mit einer unterschiedlichen Einarbeitungstiefe der der Zwischenfrüchte auf mineralisierbares C und N. Die Ergebnisse des 1. und 2. Teilexperiments basieren auf Untersuchungen von 4 Langzeitfeldexperimenten (LFE) in Ost- und Süddeutschland, die zwischen 1990 und 1997 durch das Institut für Zuckerrübenforschung angelegt wurden. Jedes LFE umfasst 3 Bearbeitungssysteme: konventionelle Bearbeitung (CT), reduzierte Bearbeitung (RT) und Direktsaat (NT). Die Ergebnisse des 3. Teilexperiments basieren auf einem Inkubationsexperiment. Entsprechend den Hauptfragestellungen wurden folgende Untersuchungsergebnisse beschrieben: (i) Im Oberboden von NT wurden höhere labile C-Vorräte gefunden (C: 1.76 t ha-1, N: 166 kg ha-1), verglichen mit CT (C: 0.44 t ha-1, N: 52 kg ha-1). Im Gegensatz dazu waren die labile- C-Vorräte höher im Unterboden von CT mit 2.68 t ha-1 verglichen zu NT mit 2 t ha-1 und RT mit 1.87 t ha-1. Die intermediären C-Vorräte betrugen 73-85% der gesamten organischen C-Vorräte, intermediäre N-Vorräte betrugen 70-95% des Gesamt-N im Ober- und Unterboden und waren vielfach größer als die labilen und passiven C- und N-Vorräte. Nur im Oberboden konnte ein Effekt der Bearbeitungsintensität auf die intermediären N-Pools mit höheren Vorräten unter NT als CT festgestellt werden. Die passiven C- und N-Pools waren eng mit den mineralischen Bodeneigenschaften verbunden und unabhängig vom Bearbeitungssystem. Insgesamt hat sich gezeigt, dass 14 bis 22 Jahre durchgängige Direktsaatverfahren nur im Oberboden zu höheren labilen C- und N-Vorräten führen, verglichen zu konventionellen Systemen. Dies lässt eine tiefenabhängige Stärke der Dynamik der organischen Bodensubstanz vermuten. (ii) Die Konzentration des Gesamt-P (Pt) im Oberboden war höher in NT (792 mg kg-1) und ~15% höher als die Pt-Konzentration in CT (691 mg kg 1). Die Abnahme der Pt-Konzentration mit zunehmender Bodentiefe war höher in NT als in CT. Dies gilt auch für die einzelnen P-Fraktionen, ausgenommen der stabilsten P-Fraktion (residual-P). Generell hatte das Bearbeitungssystem nur einen kleinen Einfluss auf die P-Konzentration mit höheren Pt-Konzentrationen in Böden unter NT als CT. Dies resultiert vermutlich aus der flacheren Einarbeitung der Pflanzenreste als in CT. (iii) Im Zwischenfruchtexperiment war der Biomassezuwachs von Senf am höchsten und nimmt in der Reihenfolge ab (oberirdischer Ertrag in t / ha): Senf (7.0 t ha-1) > Phacelia (5.7 t ha-1) > Ölrettich (4.4 t ha-1). Damit war potentiell mineralisierbares C und N am höchsten in Böden mit Senfbewuchs. Kumulative CO2- und N2O-Emissionen während der Inkubation unterschieden sich nicht signifikant zwischen den Zwischenfruchtvarianten und waren unabhängig von der Verteilung der Pflanzenreste im Boden. Die kumulativen ausgewaschenen mineralisierten N (Nmin)-Vorräte waren in den brachliegenden Böden am höchsten. Die Nmin-Vorräte waren 51-72% niedriger in den Varianten mit Zwischenfrucht und Einarbeitung verglichen zur Brache. In den Varianten ohne Einarbeitung waren die Nmin-Vorräte 36-55% niedriger verglichen zur Brache. Dies weißt auf einen deutlichen Beitrag von Zwischenfrüchten zur Reduzierung von Nitrat-Auswaschung zwischen Winter und Frühjahr hin. Insgesamt führte reduzierte Bearbeitung zu einer Sequestrierung von C und N im Boden und der Zwischenfruchtanbau führte zu reduzierten N-Verlusten. Die P-Verfügbarkeit war höher unter Direktsaat verglichen zur konventionellen Bearbeitung. Diese Ergebnisse resultieren aus den höheren Konzentrationen der OS in den reduzierten, als in den konventionellen Systemen. Die Ergebnisse zeigen deutlich das Potential von reduzierter Bearbeitung zur Sequestrierung von intermediärem C und N zur Reduzierung von klimarelevanten Treibhausgasen. Gleichzeitig steigen die Konzentrationen an pflanzenverfügaren P-Gehalten. Zwischenfrüchte führen auch zu einem Anstieg der C- und N-Vorräte im Boden, offensichtlich unabhängig von der Zwischenfruchtart.

Complexation of copper by sewage sludge-derived dissolved organic matter: Effects on soil sorption behaviour and plant uptake

The complexation of Cu by sewage sludge-derived dissolved organic matter (SSDOM) is a process by which the environmental significance of the element may become enhanced due to reduced soil sorption and, hence, increased mobility. The work described in this paper used an ion selective electrode procedure to show that SSDOM complexation of Cu was greatest at intermediate pH values because competition between hydrogen ions and Cu for SSDOM binding sites, and between hydroxyl ions and SSDOM as Cu ligands, was lowest at such values. Batch sorption experiments further showed that the process of Cu complexation by SSDOM provided an explanation for enhanced desorption of Cu from the solid phase of a contaminated, organic matter-rich, clay loam soil, and reduced adsorption of Cu onto the solid phase of a sandy loam soil. Complexation of Cu by SSDOM did not affect uptake of Cu by spring barley plants, when compared to free ionic Cu, in a sand-culture pot experiment. However, it did appear to lead to greater biomass yields of the plant; perhaps indicating that the Cu-SSDOM complex had a lower toxicity towards the plant than the free Cu ion.

Modeling the mechanisms that control in-stream dissolved organic carbon dynamics in upland and forested catchments

[1] We present a new, process-based model of soil and stream water dissolved organic carbon (DOC): the Integrated Catchments Model for Carbon (INCA-C). INCA-C is the first model of DOC cycling to explicitly include effects of different land cover types, hydrological flow paths, in-soil carbon biogeochemistry, and surface water processes on in-stream DOC concentrations. It can be calibrated using only routinely available monitoring data. INCA-C simulates daily DOC concentrations over a period of years to decades. Sources, sinks, and transformation of solid and dissolved organic carbon in peat and forest soils, wetlands, and streams as well as organic carbon mineralization in stream waters are modeled. INCA-C is designed to be applied to natural and seminatural forested and peat-dominated catchments in boreal and temperate regions. Simulations at two forested catchments showed that seasonal and interannual patterns of DOC concentration could be modeled using climate-related parameters alone. A sensitivity analysis showed that model predictions were dependent on the mass of organic carbon in the soil and that in-soil process rates were dependent on soil moisture status. Sensitive rate coefficients in the model included those for organic carbon sorption and desorption and DOC mineralization in the soil. The model was also sensitive to the amount of litter fall. Our results show the importance of climate variability in controlling surface water DOC concentrations and suggest the need for further research on the mechanisms controlling production and consumption of DOC in soils.

Do earthworms impact metal mobility and availability in soil? A review

The importance of earthworms to ecosystem functioning has led to many studies on the impacts of metals on earthworms. Far less attention has been paid to the impact that earthworms have on soil metals both in terms of metal mobility and availability. In this review we consider which earthworms have been used in such studies, which soil components have been investigated, which types of soil have been used and what measures of mobility and availability applied. We proceed to review proposed reasons for effects: changes in microbial populations, pH, dissolved organic carbon and metal speciation. The balance of evidence suggests that earthworms increase metal mobility and availability but more studies are required to determine the precise mechanism for this. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Field trial using bone meal amendments to remediate mine waste derived soil contaminated with zinc, lead and cadmium

Bone meal amendments are being considered as a remediation method for metal-contaminated wastes. In various forms (biogenic, geogenic or synthetic), apatite, the principal mineral constituent of bone, has shown promise as an amendment to remediate metal-contaminated soils via the formation of insoluble phosphates of Pb and possibly other metals. The efficacy of commercially available bovine bone meal in this role was investigated in a field trial at Nenthead, Cumbria with a mine waste derived soil contaminated with Zn, Pb and Cd. Two 5 m(2) plots were set up: the first as a control and the second, a treatment plot where the soil was thoroughly mixed with bone meal to a depth of 50 cm at a soil to amendment ratio of 25:1 by weight. An array of soil solution samplers (Rhizon SMS (TM)) were installed in both plots and the soil pore water was collected and analysed for Ca, Cd, Zn and Pb regularly over a period of 2 a. Concurrently with the field trial, a laboratory trial with 800 mm high and 100 mm wide leaching Columns Was conducted using identical samplers and with soil from the held site. A substantial release of Zn, Pb, Cd and Ca was observed associated with the bone meal treatment. This release was transient in the case of the leaching columns, and showed seasonal variation in the case of the field trial. It is proposed that this effect resulted from metal complexation with organic acids released during breakdown of the bone meal organic fraction and was facilitated by the relatively high soil pH of 7.6-8.0. Even after this transient release effect had subsided or when incinerated bone meal was substituted in order to eliminate the organic fraction, no detectable decrease in dissolved metals was observed and no P was detected in solution, in contrast with an earlier small column laboratory study. It is concluded that due to the relative insolubility of apatite at above-neutral pH, the rate of supply of phosphate to soil solution was insufficient to result in significant precipitation of metal phosphates and that this may limit the effectiveness of the method to more acidic soils. (c) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Alternative explanations for rising dissolved organic carbon export from organic soils

Since 1988, there has been, on average, a 91% increase in dissolved organic carbon (DOC) concentrations of UK lakes and streams in the Acid Waters Monitoring Network (AWMN). Similar DOC increases have been observed in surface waters across much of Europe and North America. Much of the debate about the causes of rising DOC has, as in other studies relating to the carbon cycle, focused on factors related to climate change. Data from our peat-core experiments support an influence of climate on DOC, notably an increase in production with temperature under aerobic, and to a lesser extent anaerobic, conditions. However, we argue that climatic factors may not be the dominant drivers of DOC change. DOC solubility is suppressed by high soil water acidity and ionic strength, both of which have decreased as a result of declining sulphur deposition since the 1980s, augmented during the 1990s in the United Kingdom by a cyclical decline in sea-salt deposition. Our observational and experimental data demonstrate a clear, inverse and quantitatively important link between DOC and sulphate concentrations in soil solution. Statistical analysis of 11 AWMN lakes suggests that rising temperature, declining sulphur deposition and changing sea-salt loading can account for the majority of the observed DOC trend. This combination of evidence points to the changing chemical composition of atmospheric deposition, particularly the substantial reduction in anthropogenic sulphur emissions during the last 20 years, as a key cause of rising DOC. The implications of rising DOC export for the carbon cycle will be very different if linked primarily to decreasing acid deposition, rather than to changes in climate, suggesting that these systems may be recovering rather than destabilising.