15 N immobilization in forest soil: a sterilization experiment coupled with 15 CPMAS NMR spectroscopy

Summary In temperate forests, soils are the main sink for atmospheric N deposition. The main processes proposed for N retention are microbial and abiotic immobilization in soil organic matter. The relative importance of these processes as well as the kind of resulting chemical compounds are not totally understood. We carried out a laboratory incubation of Hg‐sterilized and non‐sterilized organic and organo‐mineral soil horizons, labelled with either 15 NO 3 − or 15 NH 4 + . The labelled samples were incubated for 1 hour, 1 day, or 6 days, then subjected to K 2 SO 4 extraction and analysed with 15 N CPMAS NMR spectroscopy. N immobilization was already effective in all samples and treatments after 1 hour. The corresponding NMR spectra showed that part of the immobilized 15 N was already incorporated into an amide structure. In the sterilized soils labelled with 15 NH 4 + , the tracer was rapidly and largely immobilized by an unknown process related to the presence of Hg. In the sterilized soils labelled with 15 NO 3 − , between one‐third and one‐half of the added tracer was immobilized during the first hour and only 10% more over the 6 days. These results suggest that the sterilization was incomplete at first, allowing relatively great microbial immobilization during the first hour. By contrast, over a longer time, NO 3 − immobilization was significantly reduced to a level corresponding to an abiotic process as Hg sterilization became more effective. Even if the low signal‐to‐noise ratio precluded quantitative 15 N NMR measurements, we showed that the amide‐peptide signal, considered as a biotic signature, was dominant in all cases. Résumé Dans les forêts tempérées, les sols constituent le puits principal vis‐à‐vis des apports atmosphériques azotés. Deux processus sont à l’origine de la rétention de l’azote dans le sol, l’immobilisation microbienne et l’immobilisation abiotique sur la matière organique. L’importance relative de ces deux processus ainsi que les formes chimiques qui en résultent ne sont pas élucidées. Nous avons mené au laboratoire une expérience d’incubation qui porte sur des horizons organiques, organo‐minéraux, stérilisés ou non à Hg et marqués ou non à 15 NO 3 − ou 15 NH 4 + . Suite à une incubation d’une heure, d’un jour et de 6 jours, des extractions chimiques à K 2 SO 4 et de la N CPMAS spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire ont été réalisées sur les échantillons marqués 15 NO 3 − , 15 NH 4 + . Après une heure, on note une immobilisation de l’azote dans tous les échantillons de sol, quelque soit le traitement effectué. Les spectres RMN correspondant indiquent qu’une partie du 15 N immobilisé est sous forme d’amides. Dans les échantillons stérilisés marqués à 15 NH 4 + , le traceur est rapidement et massivement immobilisé par un processus non identifié et liéà la présence de Hg. Dans les sols stérilisés marqués à 15 NO 3 − , entre un tiers et la moitié de la quantité du traceur sont immobilisés au cours de la première heure. Au cours des 6 jours suivants cette quantité immobilisée n’augmente que de 10%. Ces résultats suggèrent que la stérilisation est incomplète au départ et qu’une importante immobilisation microbienne se produit lors de la première heure d’incubation. Par contre, lorsque la stérilisation devient efficace, c’est‐à‐dire lors d’une période d’incubation plus longue, l’immobilisation de 15 NO 3 − est limitée et atteint un niveau qui pourrait correspondre à celui d’une immobilisation abiotique. Malgré un bruit de fond important dans les spectres de RMN qui exclut toute quantification des composants azotés, nous avons démontré la prédominance des amides, formes considérées comme d’origine biologique, dans tous les cas étudiés.