Trace Gas Fluxes from Tropical Montane Forests of Southern Ecuador

Abstract

Methan (CH4), Lachgas (N2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2) sind wichtige Treibhausgase. Ihre Produktion und Aufnahme in tropischen Bergregenwäldern sind gänzlich unbekannt. Über den tropischen Bergregenwäldern wurden vor kurzem erhöhte CH4-Konzentrationen anhand von Satellitenmessungen festgestellt. Diese erhöhten CH4-Konzentrationen können allerdings nicht mit der Verteilung bekannter CH4-Quellen (Bodenfeuchtgebiete) erklärt werden. Des Weiteren gibt es Hinweise, dass zukünftige Veränderungen natürlicher Boden-N2O und -CO2 Emissionen infolge zunehmender Stickstoff (N)- Depositionen in tropischen Regenwaldregionen durch die Identifikation der Nährstofflimitierung des Pflanzenwachstums vorhergesagt werden können. Die Beeinflussung und Steuerung von Boden-N2O und -CO2 Emissionen durch die Nährstoffverfügbarkeit wurden allerdings noch nicht in tropischen Bergregenwäldern untersucht. Diese Dissertation versucht (1) potentielle CH4 Emissionen aus Tankbromelien, die in den Baumkronen neotropischer Bergregenwälder wachsen, festzustellen und zu quantifizieren und ihren Beitrag zu den erhöhten CH4 Konzentration über den tropischen Bergregenwäldern abzuschätzen, (2) die Beeinflussung und Steuerung des Bodenstickstoffkreislaufs und der Boden-N2O Emissionen durch die Nährstoffverfügbarkeit in tropischen Bergregenwäldern zu untersuchen und (3) die Beeinflussung und Steuerung der Bodenatmung durch die Nährstoffverfügbarkeit in den tropischen Bergregenwäldern der Anden im Süden Ekuadors zu untersuchen.(1) Die CH4-Flüsse von 167 Tankbromelien wurden in den Bergregenwäldern der ekuadorianischen Anden auf 2100 m Höhe gemessen. Tank Bromelien gehören zu der Familie der Bromeliengewächsen (Bromeliaceae). Für die Messungen wurden die 167 Tankbromelien aus drei verschiedenen funktionellen Pflanzengruppen ausgesucht. Mithilfe von Inkubationskammern, 13C Markierungsversuchen und molekularen Analysen konnte gezeigt werden, dass Tankbromelien erhebliche Mengen an CH4 emittieren können. Das CH4 wird in den wassergefüllten Blattachseln der Bromelien durch eine diverse Gemeinschaft methanogener Archaean produziert. Wir vermuten, dass das im Wasser gelöste CH4 von Blatttrichomen absorbiert wird. Von dort gelangt es in das Aerenchym der Blätter und wird schließlich über die Stomata in die Atmosphäre emittiert. Diese Dissertation schätzt diese CH4-Quelle in den Bergregenwäldern Ekuadors auf circa 3.6 g ha-1 d-1. Diese Quellstärke ist groß genug, um die CH4-Aufnahme des Bodens, die bei circa 3.1 g ha-1 d-1 liegt, zu kompensieren. Die extrapolierte Gesamt-Quellstärke der neotropischen Wälder beläuft sich auf 1.2 Tg yr-1. (2) Boden-N2O Flüsse und Boden-N-Umsatzraten wurden in einem mehrfaktoriellem N und P Düngerexperiment (N, P, N+P und Kontrolle) (NUMEX) mithilfe von statischen, belüfteten Bodengashauben, gas-chromatografischer und bodenchemischer Analysen von Januar 2008 bis September 2009 gemessen. Das NUMEX-Experiment wurde in einer zufälligen und mehrschichtigen Versuchsanordnung mit jeweils drei Wiederholungen (Plotgröße: 20 m x 20 m) entlang eines Höhengradienten auf drei verschiedenen Höhenstufen (1000 m, 2000 m und 3000 m) in den ekuadorianischen Bergregenwäldern aufgebaut und durchgeführt. Der N- (50 kg N ha-1 yr-1, Urea) und P-Dünger (10 kg P ha-1 yr-1, NaH2PO4 . 2H2O pro analysi) wurde in gleichen Mengen zweimal pro Jahr in den jeweiligen Versuchsflächen per Hand aufgetragen. Der Düngerversuch startete im Februar 2008. Auf 2000 m und 3000 m Höhe, wo eine organische Auflage existierte und das Pflanzenwachstum nicht auf eine Düngerzugabe reagierte, stiegen die Nettoumsatzraten des Boden-N und die N2O Emissionen infolge der N- und N+P-Zugabe nach der dritten Düngerzugabe im zweiten Jahr an. Auf 3000 m Höhe fielen die Effekte allerdings geringer aus. Auf 1000 m Höhe, wo es keine organische Auflage gab und das Pflanzenwachstum ebenfalls nicht auf eine Düngerzugabe reagierte, stiegen die Nettoumsatzraten des Boden-N und die N2O Emissionen infolge der N- und N+P-Zugabe schon nach der zweiten Düngerzugabe im ersten Jahr an. Die Zugabe von P zeigte keinen Effekt auf allen Höhenstufen.(1) Die Bodenatmung und der Streufall wurden im NUMEX-Experiment von Januar 2008 bis September 2009 mithilfe von statischen, belüfteten Bodengashauben, Laubstreufängern und gas-chromatografischer und pflanzenchemischer Analysen gemessen. Auf 2000 m und 3000 m Höhe, wo eine organische Auflage existierte und das Pflanzenwachstum nicht auf eine Düngerzugabe reagierte, stieg die Bodenatmung infolge der N-Zugabe an. Der Grund hierfür lag wahrscheinlich an einer Stimulierung der mikrobiellen Aktivität in der organischen Auflage infolge N-Zugabe, was zu einer Erhöhung der heterotrophen Respiration führte. Auf 1000 m Höhe, wo es keine organische Auflage gab und das Pflanzenwachstum ebenfalls nicht auf eine Düngerzugabe reagierte, gab es keine Düngereffekte auf die Bodenatmung.Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass die CH4-Emissionen aus Tankbromelien und wahrscheinlich auch aus andere Arten von Phytotelmen, die in den Feuchtgebieten von Baumkronen wachsen und in ihren Blattachseln bzw. anderen Wasserspeichern das Regenwasser auffangen, einen bedeutenden Beitrag zur Aufklärung der erhöhten atmosphärischen CH4-Konzentrationen über den tropischen Bergregenwäldern leisten. Des Weiteren zeigen die N- und P-Düngereffekte auf die Nettoumsatzraten des Boden-N, die N2O Emissionen und die Bodenatmung, dass diese Effekte unabhängig von der Nährstofflimiterung der Pflanzen in erster Linie von dem Vorhandensein einer organischen Bodenauflage abhängig sind. Zuletzt, zeigen die Ergebnisse dieser Dissertation, dass zukünftige, erhöhte atmosphärische N-Depositionen in tropischen Gebieten in der Lage sein könnten, kurzfristige Boden-C und -N Verluste infolge steigender N2O und CO2 Emissionen, herbeizuführen.