Soil Temperature, Matric Potential, and the Kinetics of Microbial Respiration and Nitrogen Mineralization Donald R. Zak,* William E. Holmes, Neil W. MacDonald, and Kurt S. Pregitzer ABSTRACT Soil temperature and matric potential influence the physiological activity of soil microorganisms. Changes in precipitation and tempera- ture can alter microbial activity in soil, rates of organic matter decom- position, and ecosystem C storage. Our objective was to determine the combined influence of soil temperature and matric potential on the kinetics of microbial respiration and net N mineralization. To accomplish this, we collected surface soil (0-10 cm) from two northern hardwood forests in Michigan and incubated samples at a range of temperatures (5,10, and 25°C) and matric potentials (-0.01, -0.15, -0.30, -0.90 and -1.85 MPa) that encompass field conditions. Soils were maintained at each temperature-matric potential combination over a 16-wk laboratory incubation, during which we periodically measured the production of CO, and inorganic N. First-order kinetic models described the accumulation of CO ;  and inorganic N and ac- counted for 96 to 99% of the variation in these processes. First-order rate constants (k) for net N mineralization significantly increased with temperature, but the k for microbial respiration did not increase in a consistent manner; it was 0.107 wk~' at 5°C, 0.123 wk ' at 10°C, and 0.101 \vk ' at 25°C. Matric potential did not significantly influence k for either process. Substrate pools for microbial respiration and net N mineralization declined between -0.01 and -0.30 MPa, and the decline was greatest at the highest soil temperature; this response produced a significant temperature-matric potential interaction. We conclude that high rates of microbial activity at warm soil temperatures (e.g., 25°C) are limited by the diffusion of substrate to metabolic-ally active cells. This limitation apparently lessens as physiological activity and substrate demand decline at relatively cooler soil temperature ., 5°C). P REDICTING THE EXTENT to which climate change might alter ecosystem C balance and rates of organic mat- ter decomposition is, in part, contingent on a better understanding of the physiological response of soil mi- croorganisms to altered temperature and precipitation regimes. On a global basis, soil organic matter contains twice as much C as the earth's atmosphere (Schlesinger, 1977; Post et al., 1982; Jenkinson et al, 1991), and the release of CO 2  from this globally important pool is medi- ated by the physiological activities of soil microorgan- isms. Organic substrates entering the soil serve as a source of energy for heterotrophic biosynthesis, during which microbial respiration returns a portion of sub- strate C to the atmosphere as CO 2 . Some have hypothe- sized that warmer global temperatures will enhance mi- crobial activity, rates of organic matter decomposition, and hence, the global flux of CO 2  from soil (Jenkinson et al., 1991; Thornley et al., 1991; Schimel et al., 1994; Kirschbaum, 1995). Warmer soil temperatures and in- D.R. Zak and W.E. Holmes, School of Natural Resources & Environ- ment, Univ. of Michigan, Ann Arbor, MI 48109-1115; N.W. MacDon- ald, Dep. of Biology, Grand Valley State Univ., Allendale, MI 49401- 9403; K.S. Pregitzer, School of Forestry and Wood Products, Michigan Technological Univ., Houghton, MI 49931. Received 13 April 1998. *Corresponding author (drzak@umich.edu). Published in Soil Sci. Soc. Am. J. 63:575-584 (1999). creased rates of decomposition have the potential to transform some terrestrial ecosystems into net sources of CO 2 , especially arctic tundra and boreal forests, where large amounts of C reside in soil (Oechel et al., 1993; Goulden et al., 1998). However, such a response would be dampened if warmer temperatures were ac- companied by drier soil conditions (i.e., more negative matric potentials). Microbial metabolism in soil is controlled by substrate availability and by soil temperature and soil matric po- tential. The mineralization of soil organic matter (C or N) conforms to first-order kinetics and rates can be estimated with knowledge of the substrate pool size and the response of the first-order rate constant (k) to soil temperature (Goncalves and Carlyle, 1994). The tem- perature dependency of this process is often described as an increase in the first-order rate constant, whereas the substrate pool metabolized is assumed to be unaf- fected by temperature (Stanford et al., 1973; Campbell et al., 1984). However, the temperature dependence of microbial respiration and net N mineralization appears to involve the access to or metabolism of larger substrate pools as soil temperature increases (Ellert and Bettany, 1992; MacDonald et al., 1995; Zogg et al., 1997). One mechanism to explain this observation is a shift in micro- bial community composition, such that communities at higher temperatures have the ability to access or metab- olize substrates that are not used by members of the microbial community at lower temperatures. Using PLFA analysis to characterize microbial communities (Tunlid and White, 1992), Zogg et al. (1997) incubated soil over a range of temperatures (5,15, and 25°C) and observed increases in the abundance of Gram-positive bacterial PLFAs and declines in the abundance of Gram-negative bacterial and fungal PLFAs, a change in microbial community composition that paralleled a temperature-dependent increase in the amount of C (i.e., increase in substrate pool size) respired by soil microorganisms. If such a response occurs under field conditions, then understanding changes in substrate use by microbial communities in response to changes in temperature or other environmental factors is important for predicting in situ rates of microbial activity (e.g., respiration and net N mineralization). Soil-matric potential influences microbial activity by modifying substrate availability. Consequently, matric potential alters rates of organic matter mineralization at warmer temperatures, especially if warmer soil tem- peratures are accompanied by more negative matric potentials. Rates of microbial processes are generally most rapid near field capacity (-0.01 MPa), and they Abbreviations: PLFA, phospholipid fatty acid; SE, standard error of the mean; 6, volumetric water content. 575