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Photosynthetic capacity and nitrogen nutrition of Ecuadorian montane forest trees

dc.contributor.advisorHomeier, Jürgen Dr.
dc.contributor.authorWittich, Bärbel
dc.date.accessioned2014-04-11T09:53:54Z
dc.date.available2014-04-11T09:53:54Z
dc.date.issued2014-04-11
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0022-5E81-B
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-4446
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-4446
dc.description.abstractMit zunehmender Meereshöhe werden die Wachstumsbedingungen in tropischen Bergregionen im Allgemeinen ungünstiger, was sich in einer sinkenden Nährstoffverfügbarkeit, sinkenden Temperaturen und sinkendem CO2-Partialdruck zeigt. In tropischen Bergregenwäldern führen verminderte Abbauraten in größeren Höhen einerseits zu dicken organische Auflageschichten und andererseits in Kombination mit verminderten Mineralisierungs- und Nitrifizierungsraten zu Veränderungen in der Verfügbarkeit der verschiedenen Stickstoffformen, und es gibt Nachweise einer Limitierung der Produktivität dieser Wälder durch Stickstoff. Auf welche Weise sich die Photosynthesekapazität (Amax) tropischer Bäume einerseits und die Stickstoffaufnahmekapazität und Präferenz für einzelne Stickstoffformen andererseits an die veränderten Umweltbedingungen entlang von Höhengradienten adaptieren ist nicht genau bekannt. Die vorliegende Untersuchung wurde in drei tropischen Bergregenwäldern durchgeführt, die entlang eines Höhengradienten auf 1000, 2000 und 3000 m ü. NN in Südequador liegen. Das Ziel war es, (1) die Photosynthesekapazität ausgewachsener tropischer Bäume entlang eines Höhengradienten mit Hilfe von Gaswechselmessungen zu bestimmen und die Effekte von Temperatur, CO2-Partialdruck und Nährstoffverfügbarkeit auf die Photosynthese zu quantifizieren und (2) Veränderungen in der Verwendung von Nitrat, Ammonium und organischen Stickstoffquellen durch tropische Waldbäume mit der Meereshöhe mittels einer Tracer-Untersuchung mit stabilen Isotopen an Jungpflanzen zu untersuchen. Mittelwerte der lichtgesättigten Photosyntheserate (Asat) auf Bestandeseben betrugen 8.8, 11.3 und 7.2 µmol CO2 m-2 s-1, die der Dunkelatmung (RD) 0.8, 0.6 und 0.7 µmol CO2 m-2 s-1 jeweils auf 1000, 2000 and 3000 m Meereshöhe, ohne einen signifikanten Höhentrend. Die Einordnung unserer Daten in den Kontext eines pantropischen Asat-Datensatzes von tropischen Bäumen (c. 170 Arten an 18 Standorten unterschiedlicher Meereshöhe) zeigte, dass das flächenbezogene Asat in tropischen Bergen im Mittel 1.3 µmol CO2 m-2 s-1 pro km Höhenzunahme abnimmt (bzw. 0.2 µmol CO2 m-2 s-1 pro K Temperaturabnahme). Die Abnahme von Asat trat auf, obwohl die Blattmasse je Fläche mit der Höhe zunahm. Eine verminderte Photosyntheserate und eine reduzierte Bestandesblattfläche bewirken gemeinsam eine Verringerung der Kohlenstoffaufnahme des Kronenraums mit der Meereshöhe in tropischen Bergregionen. Der Phosphorgehalt pro Blattmasse war der Faktor, der Amax entlang des Höhengradienten hauptsächlich beeinflusste, während die Effekte von Blattstickstoff, Temperatur und CO2-Partialdruck nicht signifikant waren. Amax erfuhr einen teilweisen und RD einen vollständigen homöostatischen Ausgleich als Reaktion auf die Verminderung von Temperatur und CO2-Partialdruck in größeren Höhen, was hauptsächlich durch eine stark reduzierte spezifische Blattfläche (SLA) und die daraus entstehende Zunahme von Blattstickstoff und -phosphor je Blattfläche bedingt war, während keine Zunahme der Karboxylierungseffizienz festgestellt wurde. Wir schlussfolgern, dass die Verminderung von SLA und Gesamtblattfläche mit der Meereshöhe die Kohlenstoffaufnahme von tropischen Wäldern in großen Meereshöhen deutlich stärker bestimmen als adaptive physiologische Modifizierungen des Photsyntheseapparates. Jungpflanzen von sechs Baumarten unterschieden sich hinsichtlich ihrer Präferenz für verschieden Stickstoffformen, allerdings schienen weder das Amonium- und Nitratvorkommen im Boden noch die Meereshöhe die Präferenz zu beeinflussen. Zwei Arten (jeweils die, mit den höchsten Wachstumsraten) bevorzugten Amonium gegenüber Nitrat, während die restlichen vier Arten Nitrat und Amonium mit ähnlichen Raten aufnahmen, wenn beide Stickstofformen verfügbar waren. Nach der Gabe von 15N13C-Glyzin zeigte sich bei drei Arten eine signifikante Akkumulierung von 13C in der Biomasse (zwei Arten mit arbuskulären Mykorrhiza und eine Art mit Ektomykorrhiza) zusätzlich zu einer signifikanten Akkumulierung von 15N, was darauf hindeutet, dass Bäume in tropischen Bergregenwäldern organische Stickstoffverbindungen unabhängig vom Typ ihrer Mykorrhizierung aufnehmen können.de
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/
dc.subject.ddc570de
dc.titlePhotosynthetic capacity and nitrogen nutrition of Ecuadorian montane forest treesde
dc.typecumulativeThesisde
dc.contributor.refereeLeuschner, Christoph Prof. Dr.
dc.date.examination2013-04-09
dc.description.abstractengWith increasing elevation, the growth conditions of trees in tropical mountains become generally more adverse in terms of decreasing nutrient availabilities, decreasing temperatures and decreasing atmospheric concentration of carbon dioxide (CO2). In tropical montane forests, reduced decomposition rates at higher altitudes lead to thicker organic layers and together with reduced mineralization and nitrification rates to a change in available nitrogen forms and nitrogen has been shown to limit productivity in these forests. How photosynthetic capacity (Amax) of tropical trees on the one hand, and nitrogen uptake capacity and nitrogen form preference on the other hand adapt to variation in environmental conditions along elevation gradients, is not precisely known. The present study was conducted in three tropical montane forest stands along an elevational transect at 1000, 2000 and 3000 m asl in South Ecuador. It aimed (1) to quantify the photosynthetic capacity of adult tropical trees along the elevational transect by means of gas exchange measurements and to analyse the possible controlling effects of temperature, partial pressure of CO2 and nutrient availability on photosynthesis and (2) to investigate altitudinal changes in the use of nitrate, ammonium and organic nitrogen sources by tropical forest trees by means of a stable isotope tracer study with seedlings. Stand-level means of light-saturated net photosynthesis (Asat) were 8.8, 11.3 and 7.2 µmol CO2 m-2 s-1; those of dark respiration (RD) 0.8, 0.6 and 0.7 µmol CO2 m-2 s-1 at 1000, 2000 and 3000 m elevation, respectively, with no significant altitudinal trend. Examining our data in the context of a pan-tropical Asat data base for mature tropical trees (c. 170 species from 18 sites at variable elevation) revealed that area-based Asat decreases in tropical mountains by, on average, 1.3 µmol CO2 m-2 s-1 per km altitude increase (or by 0.2 µmol CO2 m-2 s-1 per K temperature decrease). The Asat decrease occurred despite an increase in leaf mass per area with altitude. Lowered Asat together with a reduced stand leaf area decrease canopy carbon gain with elevation in tropical mountains. The P content per leaf mass was the principal factor determining Amax across the altitudinal gradient while the effects of foliar N, temperature and [CO2] were insignificant. Amax was subject to partial, and RD to full homeostatic adjustment to the reductions in temperature and [CO2] at higher elevations, mainly through a large reduction in SLA and the resulting increase in foliar N and P per leaf area, while no altitudinal increase in carboxylation efficiency was detected. We conclude that the altitudinal decrease in both SLA and canopy leaf area are more important determinants of carbon gain in tropical high-elevation forests than adaptive physiological modifications in the photosynthetic apparatus. The seedlings of six tree species differed with respect to their nitrogen form preference but neither the abundance of ammonium and nitrate in the soil nor altitude seemed to influence the preference. Two species (those with highest growth rate) preferred ammonium over nitrate while the other four species took up nitrate and ammonium at similar rates when both nitrogen forms were equally available. After 15N13C-glycine addition, 13C was significantly accumulated in the biomass of three species (two species with arbuscular and one species with ectomycorrhizal symbionts) in addition to a siginficant 15N accumulation indicating that trees in tropical mountain forests can use organic nitrogen sources irrespective of the type of their mycorrhiza.de
dc.contributor.coRefereeHoelscher, Dirk Prof. Dr.
dc.subject.engaltitudinal gradientde
dc.subject.engleaf dark respirationde
dc.subject.engtropical montane forestsde
dc.subject.engElevationde
dc.subject.engAmaxde
dc.subject.engFoliar nitrogende
dc.subject.engFoliar phosphorusde
dc.subject.engPhotosynthesisde
dc.subject.engdual-labelled glycinede
dc.subject.engnitrogen uptakede
dc.subject.eng15N tracer studyde
dc.subject.engGraffenrieda harlingiide
dc.subject.engHedyosmum translucidumde
dc.subject.engHedyosmum purpurascensde
dc.subject.engHedyosmum spruceide
dc.subject.engMyrcia sp. nov.de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0022-5E81-B-8
dc.affiliation.instituteBiologische Fakultät für Biologie und Psychologiede
dc.subject.gokfullBiologie (PPN619462639)de
dc.identifier.ppn782839657


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