Trace gas fluxes and belowground carbon allocation in tropical montane forest soils of Southern Ecuador

Abstract

Tropische Wälder sind eine wichtige Quelle für die Treibhausgase Kohlendioxid (CO2) und Distickstoffoxid (Lachgas, N2O) und für Stickstoffmonoxid (NO), ein Ausgangsstoff bei der Bildung von Ozon, und sie sind Senken für das Treibhausgas Methan (CH4). Die Einschätzung der Bodenspurengasflüsse und des Kohlenstoffkreislaufes tropischer Wälder ist derzeit noch überproportional stark von Arbeiten aus Tieflandwäldern bestimmt. In Bezug auf den Spurengasaustausch in tropischen Bergwäldern (TMF), steht dagegen nur eine beschränkte Menge an Daten zur Verfügung und ihr Kohlenstoffkreislauf ist nur ansatzweise erforscht, obwohl TMFs etwa 9% der tropischen Waldfläche ausmachen. In dieser Dissertation werden die Ergebnisse einer extensiven Studie über den Austausch von CO2, N2O, NO, and CH4 zwischen Boden und Atmosphäre, dessen mögliche biogeochemische Einflussgrößen, sowie über die unterirdische Kohlenstoff-Allokation (TBCA) in tropischen Bergwäldern in Südecuador präsentiert. Der spezielle Fokus dieser Studie lag dabei auf dem Einfluss von Nährstofflimitierungen. Die Flüsse von CO2, N2O and CH4 wurden mittels stationären geschlossenen Kammern und Gaschromatographie in drei Höhestufen entlang eines Höhengradienten von 1000 m bis 3000 m (1000 m, 2000 m, 3000 m) und entlang topographischer Gradienten (Unterhang, Mittelhang, Kamm) bestimmt. NO Flüsse wurden im Feld unter Verwendung offener dymamischer Kammern und eines LMA-3D NO2 Analysegeräts mit Chemilumineszenzdetektion gemessen. Zusätzlich wurde die potentielle Kapazität verschiedener Bodensubstrate aus mehreren Bodentiefen CH4 in atmosphärischen Konzentrationen aufzunehmen mittels eines Labor-Inkubationsversuchs untersucht. Die Bestimmung der Nährstoffverfügbarkeit im Boden erfolgte mit Hilfe verschiedener Extraktionmethoden und über die Interpretation diverser Indizes (C:N, C:K, C:P Verhältnisse, d 15N Signaturen der Streu). Zur Abschätzung der unterirdischen Kohlenstoff-Allokation schließlich, wurden einjährige Messungen von Bode natmung und oberirdischer Streuproduktion herangezogen. In den untersuchten TMFs nahm die Mächtigkeit der organischen Auflage mit steigender Meereshöhe und vom Unterhang zum Kamm zu, während die Nährstoffverfügbarkeit in gleicher Richtung abnahm. Die oberirdische Streuproduktion erwies sich als stickstoff- (N), phosphor- (P) und auf den meisten Flächen auch kalium- (K) limitiert. Sie war hauptsächlich and den Vorrat verfügbarer Nährstoffe in der organischen Auflage gebunden, obwohl der Mineralboden reicher an verfügbarem P und K war. Basalflächenzuwachs und oberidische Streuproduktion korrelierten positiv mit Indizes von Nährstoffverfügbarkeit (C:N Verhältnis und d 15N Signaturen der Streu), während die TBCA keine derartigen Zusammenhänge erkennen ließ. Die Abnahme der TBCA mit zunehmender Meereshöhe und vom Unterhang zu dem Kammlagen und stand vielmehr im Zusammenhang mit dem Bodenwassergehalt und der Mächtigkeit der organischen Auflage. Die Spurengasflüsse in den Böden unserer TMF Standorte waren niedriger, als die Flüsse vieler Tieflandstandorte und lagen im Allgemeinen innerhalb der bisher von tropischen Bergwäldern berichteten Spannweite. Stickoxid- und CH4- Flüsse standen in keinem nachweisbaren Zusammenhang mit der Bodenfeuchte oder der Mächtigkeit der organischen Auflage, während die Bodenatmung mit beiden Parametern negativ korreliert war. Die Stickoxidflüsse waren positiv korreliert mit Indikatoren die die längerfristige N-verfügbarkeit widerspiegeln, wie C:N Verhältnis und d 15N Signaturen in der Streu, und mit Indikatoren der Waldprimärproduktivität, wie oberirdische Streuproduktion und Basalflächenzuwachs. Die Streuqualität hatte positiven Einfluss auf die Bodenatmung, und die Aufnahmeraten von CH4 im Boden stiegen mit dem Gehalt an mineralischem N im Boden und dem Gesamtvorrat an P im Mineralboden, sowie mit zunehmenden CO2 Emission. Die Ergebnise des Inkubationsversuchs zeigten eine hohe potentielle CH4 Aufnahmekapazität in den unteren Schichten der organischen Auflagen der 2000 m und 3000 m Standorte. Die engen Korrelationen von Nährstoffverfügbarkeit mit oberirdischer Streuproduktion und Basalflächenzuwachs können als Anzeichen einer Nährstofflimitierung der Waldprimärproduktion in den untersuchten TMFs interpretiert werden. Die dichte Durchwurzelung der organischen Auflagen und die engen Zusammenhänge zwischen der Nährstoffverfügbarkeit in der organischen Auflage und den Nährstoffkonzentationen in der Streu deuten darauf hin, dass der Nährstoffkreislauf in den organischen Auflagen konzentriert und weitgehend vom Mineralboden entkoppelt ist. Im Gegensatz zur oberirdischen Waldprimärproduktivität war die TBCA nicht nährstofflimitiert. Die Abnahme der TBCA mit ansteigender Meereshöhe ging mit einer Zunahme der Feinwurzelbiomasse einher, was durch längere Persistenz der Wurzeln erklärt werden kann. Zusammen mit einem langsamen Abbau der organischen Substanz, mag dies zur hohen C-Speicherung in den organischen Auflagen der TMFs beitragen. Spurengasflüsse waren positiv mit verschiedenen Indizes von Nährstoffverfügbarkeit korreliert. Wir fanden Anzeichen dafür, dass zunehmend ungünstige Bodenbedingungen und schlechtere Streuqualität die allgemeine mikrobielle Aktivität mindern und somit Bodenatmung, Stickoxidflüsse und die Aufnahme von CH4 verringern. Enge lineare Zusammenhänge von N-oxiden mit oberirdischer Streuproduktion und Basalflächenzuwachs zeigen, dass Stickoxidflüsse und Waldprimärproduktivität über die N-verfügbarkeit verbunden sind und eröffnen die Möglichkeit, die Waldprimärproduktivität (speziell den Basalflächenzuwachs) als Kovariable in Vorhersagemodelle für Stickoxidflüsse in N-limitierten Ökosystemen zu integrieren. CH4 Aufnahmeraten waren positiv mit Konzentrationen von mineralischem Stickstoff im Boden korreliert, was darauf hinweist, dass CH4 Aufnahmen in erster Linie nährstofflimitiert waren und der Mechanismus der Ammoniuminhibition als regulierender Faktor vernachlässigbar ist. Im Gegensatz zur weitverbreiteten Annahme, stellten die organischen Auflagen in den untersuchten TMFs keine reinen Gasdiffusionsbarrieren dar, sondern zeigten beträchtliche, potentielle CH4 Aufzunahmekapazitäten und könnten damit zur Entfernung von CH4 aus der Atmosphäre beitragen.