Limitations of the N natural abundance method for estimating biological nitrogen fixation in Amazonian forest legumes

This study evaluates the ¹⁵N natural abundance method for estimating biological nitrogen fixation (BNF) in 12 secondary and five primary forest sites in central Amazonia. Investigations were based on spatially systematic sampling of 20 potentially N₂-fixing legume tree and liana species, and of a range of differing references representing the ‘soil-derived nitrogen’.The absence of systematic differences in the δ¹⁵N-signals of potential N₂-fixers and reference plants resulted in many invalid % Ndfa-estimates (i.e., the proportion of foliar N derived from BNF).Whereas the % Ndfa-estimates based on non-legumes were randomly distributed around zero, the use of non-N₂-fixing legumes resulted in largely positive % Ndfa-estimates. Grouping of reference species into species types was a valid strategy to reduce the risk of atypical values. Leaf litter was an inadequate measure of soil-derived nitrogen. The impact of the B-value was low or moderate at best, the percentage of negative % Ndfa-estimates remained unaltered. The manner of individually pairing putative N₂-fixers with reference plants only marginally affected the % Ndfa-estimates, the assumption of an overall site mean reference δ¹⁵N-signal was sufficient.Since legumes were aggregated in clusters, BNF locally affected the surrounding soil nitrogen in secondary regrowth. Negative correlations between the vegetation shares of potential N₂-fixers and leaf litter δ¹⁵N-signals indicate ¹⁵N-dilution from the input side. Interpolated reference plant δ¹⁵N-signals appear low in the surroundings of legume clusters in some of the older regrowth sites, confirming such ¹⁵N-dilution.We conclude that, with our current state of knowledge, the ¹⁵N natural abundance method fails to quantitatively estimate BNF in heterogeneous forests. Future research should focus on the search for a more direct measure of the plant-available δ¹⁵N-signal of the soil, as well as on plant–soil interactions and the resulting small-scale isotopic heterogeneity.

Zusammenfassung

Diese Arbeit untersucht die Eignung der ¹⁵N natürlichen Abundanz Methode zur Schätzung der Biologischen Stickstoffixierung (BSF) in 12 Sekundär- und 5 Primärwaldflächen Zentralamazoniens. Die Studie ist räumlich systematisch und umfasst 20 potentiell N₂-fixierende Leguminosen Baum- und Lianenarten, sowie verschiedene Referenzpflanzen die den ,,bodenbürtigen Stickstoff” repräsentieren.Da die δ¹⁵N-Signale der potentiellen N₂-Fixierer sich nicht systematisch von denen der Referenzpflanzen unterschieden, waren viele % Ndfa-Schätzwerte (Anteil des luftbürtigen Stickstoffs im Blatt) ungültig.Während die auf nicht-Leguminosen basierenden % Ndfa-Schätzwerte zufällig um Null verteilt waren, ergaben die nicht N₂-fixierenden Leguminosen überwiegend positive % Ndfa. Unsere Referenzpflanzengruppierung in Art-Typen war erfolgreich. Der Einfluss des B-Wertes war nur gering, der Anteil der ungültigen Schätzwerte blieb unbeeinflusst. Die Art in der potentielle N₂-Fixierer und Referenzpflanzen gepaart wurden, beeinflusste nur unwesentlich die % Ndfa-Schätzwerte; die Annahme eines gemittelten Referenz δ¹⁵N-Signals für jede Fläche war ausreichend.Wegen ihrer geklumpten Verteilung können N₂-fixierende Leguminosen den Bodenstickstoff in ihrer Umgebung beeinflussen. Die negative Korrelation zwischen dem Biomassenanteil potentieller N₂-Fixierer und den δ¹⁵N-Signalen der Blattstreu deutet auf eine ¹⁵N-Verdünnung des N-Eintrages. Visuelle Karteninterpretation bestätigt eine solche ¹⁵N-Verdünnung auf einigen älteren Sekundärwaldflächen.Zusammenfassend folgern wir, dass die ¹⁵N natürliche Abundanz Methode bei gegenwärtigem Wissensstand zur quantitativen BSF-Schätzung in heterogenen Wäldern ungeeignet ist. Zukünftige Forschung sollte sich auf eine schlüssige Methode zur Bestimmung des bodenbürtigen δ¹⁵N-Signals, sowie auf die Interaktionen zwischen Vegetation und Boden und der daraus resultierenden kleinräumigen δ¹⁵N-Variabilität konzentrieren.