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Canopy soil nutrient cycling and response to elevated nutrient levels along an elevation gradient of tropical montane forests

dc.contributor.advisorVeldkamp, Edzo Prof. Dr.
dc.contributor.authorMatson, Amanda
dc.date.accessioned2014-04-24T09:48:31Z
dc.date.available2014-04-24T09:48:31Z
dc.date.issued2014-04-24
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0022-5E97-C
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-4476
dc.description.abstractObwohl Böden des Kronendachs (canopy soils) deutlich zur oberiridischen labilen Biomasse beitragen können, werden sie oft in Studien über Nährstoffkreisläufe übersehen. In Wäldern mit einem großen Vorkommen an Böden im Kronendach, wie beispielsweise jene in tropischen Bergregionen, könnte dies zu einem unvollständigen Verständnis der Gesamt-Nährstoffprozesse des Waldes beitragen. Böden im Kronendach sind Ansammlungen organischen Materials, welche gewöhnlich auf Zweigen von Bäumen tropischer Wälder zu finden sind. Sie bestehen in erster Linie aus zersetztem epiphytischen Material aber umfassen auch herunterfallendes Laub, Staub, wirbellose Tiere, Pilze und Mikroorganismen. Es gibt nur eine Handvoll Studien, die Stickstoff (N) Kreisläufe und/oder Treibhausgas (THG) Flüsse in Böden des Kronendachs untersucht haben und keine hat versucht die tatsächlichen Feldraten zu bestimmen oder herauszufinden, wie sich diese Böden – welche besonders sensibel gegenüber atmosphärischen Prozessen sind – mit Nährstoffdeposition ändern könnten. Diese Dissertation stellt die Ergebnisse einer Forschungsstudie dar, welche N-Umsatzraten und THG Flüsse von Böden des Kronendachs quantifiziert und untersucht, wie diese Raten durch zunehmende Mengen an N und Phosphor (P) im Boden verändert werden. In Gebieten mit atmosphärischer N- und P-Deposition, erhalten Böden des Kronendaches sowohl direkte als auch indirekte Nährstoffeinträge auf Grund von angereichertem Bestandsniederschlag und Pflanzenstreu. Es wurden folgende Umsatzraten in Böden des Kronendachs tropische Bergwälder entlang eines Höhengradienten (1000 m , 2000 m , 3000 m) gemessen: (1) asymbiotische biologische N2-Fixierung, (2) Netto- und Brutto-N-Transformation, und (3) Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O) Flüsse. Zudem wurden indirekte Auswirkungen von N-und P-Gaben, die auf dem Waldboden ausgebracht wurden, untersucht. Umsatzraten der N2-Fixierung, des N Kreislaufes und von THG Flüssen, welche in Böden des Kronendachs gemessen wurden, wurden mit denen vom Waldboden verglichen (entweder als Teil dieser Arbeit oder in parallelen Studien von zwei anderen Mitgliedern unserer Arbeitsgruppe), um die Aktivität von Böden des Kronendachs in den Kontext des gesamten Waldes zu stellen. N2-Fixierung wurde mit der Acetylenreduktionsmethode, Netto-N-Umsatzraten wurden mittels in situ Inkubationen (buried bag method) und Brutto-N-Umsatzraten wurden mit der 15N-Verdünnungsmethode (15N pool dilution technique) bestimmt. Gasflüsse wurden sowohl unter Verwendung statischer Kammern gemessen, deren Sockel permanent im Boden angebracht waren, als auch unter Verwendung regelmäßig entfernter intakter Bodenproben, die zur Gasmessung in luftdichten Einweckgläsern inkubiert wurden. Messungen der N2-Fixierung und des N Kreislaufes erfolgten während der Regen- und Trockenzeit im Feld unter Verwendung intakter Bodenproben. THG Messungen wurden fünf Mal während des Zeitraumes von einem Jahr durchgeführt. Der Waldboden unserer Standorte war 4 Jahre lang zweimal im Jahr mit moderaten Mengen an N ( 50 kg N ha-1 Jahr-1) und P (10 kg P ha-1 Jahr-1) gedüngt worden und umfasste folgende Behandlungen: Kontrolle, N-, P- und N+P-Zugaben. Das Kronendach trug 7-13 % zur gesamten Boden N2-Fixierung (Kronendach + Waldboden) bei, welche zwischen 0,8 und 1,5 kg N ha-1 Jahr-1 lag. N2-Fixierungsraten veränderten sich nur geringfüging mit der Höhenstufe, waren aber in der Trockenzeit deutlich höher als in der Regenzeit. N2-Fixierung im Waldboden wurde in N-Parzellen im Vergleich zu Kontroll- und P-Parzellen gehemmt, währen sie in Böden des Kronendachs in P-Parzellen im Vergleich zu Kontrollparzellen stimuliert wurde. Böden des Kronendachs trugen bis zu 23% zur gesamten mineralischen N-Produktion (Kronendach + Waldboden) bei; Brutto-N-Mineralisierung in Böden des Kronendachs lag zwischen 1,2 und 2,0 mg N kg-1 d-1. In Kontrollparzellen nahmen Brutto-Umsatzraten von Ammonium (NH4+) mit zunehmender Höhe ab, wohingegen Brutto-Umsatzraten von Nitrat (NO3-) keinen klaren Trend mit der Höhenstufe aufwiesen, aber signifikant durch die Saison beeinflusst wurden. Effekte durch Nährstoff-Zugabe unterschieden sich je nach Höhenstufe, aber kombinierte N+P-Zugabe erhöhte in der Regel auf allen Höhenstufen die N-Umsatzraten. CO2 Emissionsraten von Böden des Kronendachs berechnet auf der Basis der Fläche von Gaskammern (10,5 bis 109,5 mg CO2-C m-2 h-1) waren ähnlich denen vom Waldboden ähnlich und nahmen mit zunehmender Höhenstufe ab. Emissionen vom Kronendach, berechnet auf der Basis der Waldfläche (0,15 bis 0,51 Mg CO2-C m-2 h-1), machten jedoch nur 5-11% der gesamten Boden-CO2 Emissionen (Kronendach + Waldboden) aus. CH4 Flüsse (-0,07 bis 0,02 kg CH4-C ha-1 Jahr-1) und N2O Flüsse (0,00 bis 0,01 kg N2O-N ha-1 Jahr-1) von Böden des Kronendachs machten weniger als 5% der Gesamtflüsse von Böden aus. P-Zugabe reduzierte CH4 Emissionen in allen Höhenstufen, so dass Böden des Kronendachs als leichte CH4 Senken agierten (-10,8 bis -2,94 μg CH4-C m-2 h-1). Nur in 2000 m wurden Böden des Kronendachs unter N Zugabe zu leichten N2O Quellen (2,43 ± 3,72 μg N2O-N m-2 h-1), wohingegen P Zugabe die CO2 emissionen um ungefähr 50% reduzierte. Die Ergebnisse zeigen, dass Böden des Kronendachs eine aktive Mikrobengemeinschaft besitzen, welche wertvolle Dienstleistungen hinsichtlich von Nährstoffkreisläufen für das Ökosystem des Kronendachs erbringt. Zusätzlich, war der Nährstoffkreislauf der Böden des Kronendachs in unseren Wäldern eindeutig an die Nährstoffverfügbarkeit des Waldbodens gekoppelt, was im Gegensatz zu Theorien steht, die besagen dass Böden des Kronendachs vom Nährstoffkreislauf der Waldböden entkoppelt seien. Wir haben festgestellt, dass Böden des Kronendachs in höheren Lagen eher einen wesentlichen Anteil des gesamten Wald-Nährstoffkreislaufes ausmachen; dies sollte in Studien berücksichtigt werden, die sich mit Nährstoffkreisläufen solcher Gegenden beschäftigen. Langfristige atmosphärische N- und P-Deposition verfügt über das Potenzial, die Dynamik von Nährstoffflüssen im Kronendach erheblich zu verändern. N-Deposition könnte die N2-Fixierung hemmen, wobei “hotspots“ weiterhin in Bereichen mit großen Mengen an P vorkommen. Interne N-Kreisläufe in Böden des Kronendachs werden wahrscheinlich durch N -und P-Deposition stimuliert werden, aber chronischen Nährstoffzugabe könnte auch zu erhöhten mineralischen N-Verlusten aus dem Bodensystem des Kronendachs führen. THG-relevante Prozesse in Böden des Kronendachs werden wahrscheinlich auch auf N- und P-Deposition reagieren, aber mit Ausnahme von CO2-Emissionen ist es unwahrscheinlich, dass Gasflüsse von Böden des Kronendachs wesentlich zum gesamten THG-Budget des Waldes beitragen.de
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/
dc.subject.ddc570de
dc.titleCanopy soil nutrient cycling and response to elevated nutrient levels along an elevation gradient of tropical montane forestsde
dc.typedoctoralThesisde
dc.contributor.refereeCorre, Marife Dr.
dc.date.examination2014-04-07
dc.description.abstractengAlthough canopy soils can contribute significantly to aboveground labile biomass, they are often overlooked in nutrient cycling studies. In forests with large accumulations of canopy soil, such as those found in tropical montane regions, this could contribute to an incomplete understanding of nutrient cycling in the overall forest. Canopy soils are collections of organic material commonly found on the branches of trees in humid forests; they are primarily made up of decomposed epiphytic material but also include intercepted litter, dust, invertebrates, fungi and microorganisms. There are only a handful of studies that have looked at nitrogen (N) cycling and/or greenhouse gas (GHG) flux in canopy soils and none have tried to assess the actual field rates or investigated how these soils - which are particularly sensitive to atmospheric processes - could change with nutrient deposition. This dissertation presents the results of a research study that quantified rates of canopy soil N cycling and GHG flux and assessed how these rates were affected by increased levels of N and phosphorus (P) in the soil. In areas of atmospheric N and P deposition, canopy soils receive both direct inputs and indirect enrichment via enriched throughfall and plant litter. We measured rates of (1) free-living N2 fixation, (2) net and gross mineral N cycling, and (3) carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) exchange, in canopy soils of tropical montane forests along an elevation gradient (1000 m, 2000 m and 3000 m) and assessed the indirect effects of N and P addition to the forest floor. Rates of N2 fixation, N cycling and GHG flux measured in canopy soil were compared with those measured on the forest floor (either as a part of this work or in parallel studies by two other members of our working group), to put canopy soil activity in the context of the total forest. N2 fixation was determined using the acetylene reduction assay, net N cycling rates were determined using the buried bag method and gross N cycling rates were determined using 15N pool dilution techniques. Gas fluxes were measured using static chambers with permanent bases in the soil, as well as intact soil cores sealed in jars. N2 fixation and N cycling measurements took place in the field, in the wet and dry seasons, using intact cores of soil. GHG measurements were done five times during a one-year period. The forest floor of our study sites had been fertilized biannually with moderate amounts of N (50 kg N ha-1 yr-1) and P (10 kg P ha-1 yr-1) for 4 years; treatments included control, N, P and N+P. The canopy contributed 7-13 % of total (canopy + forest floor) soil N2 fixation, which ranged from 0.8 to 1.5 kg N ha-1 yr-1. N2 fixation rates exhibited little variation with elevation but were much higher in the dry season than the wet season. N2 fixation was inhibited in forest floor N plots compared to control and P plots, and stimulated in canopy P plots compared to control. Canopy soils contributed up to 23% of total (canopy + forest floor) mineral N production; gross N mineralization in canopy soils ranged from 22.7 to 45.8 mg N kg-1 d-1 and gross nitrification ranged from 1.2 to 2.0 mg N kg-1 d-1. In control plots, gross rates of ammonium (NH4+) transformations decreased with increasing elevation, whereas gross rates of nitrate (NO3-) transformations did not exhibit a clear elevation trend but were significantly affected by season. Nutrient-addition effects were different at each elevation, but combined N+P generally increased N cycling rates at all elevations. Rates of canopy CO2 emissions based on chamber area (10.5 to 109.5 mg CO2-C m-2 h-1) were similar to those measured on the forest floor and decreased with increasing elevation. However, canopy emissions based on forest area (0.15 to 0.51 Mg CO2-C ha-1 yr-1) made up only 5-11% of total (canopy + forest floor) soil CO2 emissions. Canopy soil CH4 fluxes (-0.07 to 0.02 kg CH4-C ha-1 yr-1) and N2O fluxes (0.00 to 0.01 kg N2O-N ha-1 yr-1) made up less than 5% of the total soil fluxes. P addition decreased net CH4 emissions at all elevations, so that canopy soils acted as a slight sink for CH4 (-10.8 to -2.94 μg CH4-C m-2 h-1). At 2000 m only, canopy soils with N addition became a slight N2O source (2.43 ± 3.72 μg N2O-N m-2 h-1), whereas P addition decreased CO2 emissions by approximately 50%. Results show that canopy soils have active microbial communities, which provide valuable nutrient cycling services to the canopy ecosystem. Additionally, in contrast to theories that canopy soil is decoupled from nutrient cycling in forest floor soil, nutrient cycling in the canopy soils of our forests was clearly linked to forest floor nutrient availability. We observed that canopy soils at higher elevations were more likely to make up a significant percentage of total forest nutrient cycling; this should be considered in nutrient cycling studies carried out in such areas. Long-term atmospheric N and P deposition has the potential to significantly change the dynamics of nutrient cycling in these canopies. N deposition may lead to inhibition of N2 fixation, with hotspots still occurring in areas with higher amounts of P. Internal N cycling in canopy soils will likely be stimulated by N and P deposition, but chronic nutrient addition may also lead to increased mineral N losses from the canopy soil. GHG-related processes in canopy soils will likely also respond to N and P deposition, but with the exception of CO2 emissions, fluxes in canopy soils are unlikely to significantly contribute to total forest GHG budgets.de
dc.contributor.coRefereeButterbach-Bahl, Klaus Prof. Dr.
dc.subject.engcanopy soilde
dc.subject.engarboreal soilde
dc.subject.engcanopy organic matterde
dc.subject.engtropical montane forestsde
dc.subject.engN2 fixationde
dc.subject.enggross nitrogen cyclingde
dc.subject.engtrace gasesde
dc.subject.engelevation gradientde
dc.subject.engnutrient additionde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0022-5E97-C-7
dc.affiliation.instituteFakultät für Forstwissenschaften und Waldökologiede
dc.subject.gokfullForstwirtschaft (PPN621305413)de
dc.identifier.ppn78382159X


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