Environmental changes in biodiversity hotspot ecosystems of
South Ecuador: RESPonse and feedback effECTs (FOR2730)

Abstract:

The relative importance of catchment's water provenance and flow paths varies in space and time, complicating the conceptualization of the rainfall-runoff responses. We assessed the temporal dynamics in source areas, flow paths, and age by End Member Mixing Analysis (EMMA), hydrograph separation, and Inverse Transit Time Proxies (ITTPs) estimation within a headwater catchment in the Ecuadorian Andes. Twenty-two solutes, stable isotopes, pH, and electrical conductivity from a stream and 12 potential sources were analyzed. Four end-members were required to satisfactorily represent the hydrological system, i.e., rainfall, spring water, and water from the bottom layers of Histosols and Andosols. Water from Histosols in and near the riparian zone was the highest source contributor to runoff throughout the year (39% for the drier season, 45% for the wetter season), highlighting the importance of the water that is stored in the riparian zone. Spring water contributions to streamflow tripled during the drier season, as evidenced by geochemical signatures that are consistent with deeper flow paths rather than shallow interflow through Andosols. Rainfall exhibited low seasonal variation in this contribution. Hydrograph separation revealed that 94% and 84% is preevent water in the drier and wetter seasons, respectively. From low-flow to high-flow conditions, all the sources increased their contribution except spring water. The relative age of stream water decreased during wetter periods, when the contributing area of the riparian zone expands. The multimethod and multitracer approach enabled to closely study the interchanging importance of flow processes and water source dynamics from an interannual perspective.

Abstract:

In-Situ-Konzentrationsmessungen sind ein wichtiges Werkzeug in der Hydrologie. Die Ver-wendung entsprechender Geräte erlaubt die Aufnahme von hochfrequenten und gleichzeitig langfristigen Zeitreihen. Nitratkonzentrationen unterliegen in natürlichen Fließgewässern ta-geszeitabhängigen Schwankungen. In dieser Arbeit werden Konzentrationsmessungen aus dem Rio San Francisco in Ecuador aus-gewertet. Ergänzt werden diese durch Wettermessungen und Pegelstandsmessungen aus dem gleichen Gebiet. Der Nitratdatensatz verläuft über etwa viereinhalb Jahre und enthält viertel-stündliche Messungen. Diese werden aufbereitet, gefiltert, und nach Tageszyklen hin unter-sucht. Zum Einsatz kommt dabei eine hierarchische Clusteranalyse mit Dynamic-Time-War-ping-Distanzen. Um Zusammenhänge der Zyklen mit den anderen Variablen aufzudecken, wird eine Lineare Diskriminanzanalyse (LDA) mit einer Variablenauswahl nach Wilks-Lambda durchgeführt. Zusätzlich werden unabhängig von Tageszyklen kurzfristige Residuen der Nit-ratkonzentration per multimodal normalverteiltem Mischungsmodell untersucht. Die Clusteranalyse zeigt, dass es einen Cluster A mit einem regelmäßigen Tageszyklus sowie einen Cluster B mit unregelmäßigen Konzentrationsverläufen gibt. Die Trennung von A und B scheint mit der Lufttemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit, dem Niederschlag, und dem Pe-gel zusammen zu hängen. Ein LDA-Modell mit den Tagesvariablen Pegelamplitude, Nieder-schlagssumme, und mittlere relative Luftfeuchtigkeit ordnet erfolgreich die meisten Tage dem Cluster A zu, versagt jedoch bei der Zuordnung in Cluster B. Die Analyse mit dem Mischungsmodell ergibt keine eindeutigen Ergebnisse. Es scheint aber einen negativen Zusammenhang zwischen den Residuen der Nitratkonzentration mit der Luft-temperatur und der Globalstrahlung zu geben. Die Ergebnisse dieser Arbeit entsprechen teilweise jenen, welche auch in der Literatur aufzu-finden sind. Der Tagesverlauf mit einem Maximum am Morgen und einem Minimum am Abend scheint typisch für Fließgewässer zu sein. Jedoch findet sich in den Daten kein Hinweis auf eine saisonale Verschiebung des Zyklus.

Abstract:

Mit Hilfe des Snapshot Samplings wurde an drei Tagen entlang des 14,2 km langen Flusses Quinoas in 50 m Abständen Wasserproben gesammelt. Das Untersuchungsgebiet liegt in den ecuadorianischen Anden (auf ca. 3.300-3.900 m) und die Hauptvegetation des EZGs ist Páramo. Alle Wasserproben wurden auf ihre Nitrat-N-, BSB- und EL-Konzentrationen untersucht. Die gemessenen Konzentrationen wurden auf ihre Korrelation zu den prozentualen Landnutzungsflächen (vor allem Páramo, Wald und Weide) der jeweiligen EZG analysiert, als Maßzahl wurde der Rangkorrelationskoeffizient nach Spearman gewählt. Bei Nitrat-N waren im Durchschnitt die Korrelationen zu Wald und Weide am höchsten. Der starke Zusammenhang zwischen Nitrat-N und Wald konnte nicht eindeutig geklärt werden. Der Anstieg der Nitrat-N-Konzentration durch einen höheren Anteil an Weide im EZG ist vermutlich durch Düngerausbringung zu erklären. Es zeigte sich, dass Nitrat-N vermutlich vermehrt aus tieferen Bodenschichten ausgewaschen wird. Die Korrelation zwischen Nitrat-N und Páramo ist mittelmäßig stark und negativ. Nährstoffe in diesen Böden liegen oft stark gebunden oder in Pflanzen gespeichert vor und können nur schwer ausgewaschen werden. Aus den Waldflächen des EZG wird relativ gesehen wenig BSB ausgewaschen. In den Wäldern wird nur nach Perioden mit vielen Niederschlägen etwas organische Materie in den Fluss geschwemmt. Der Großteil der organischen Materie der Páramoböden liegt gebunden vor und daher ist der Zusammenhang zwischen BSB und Páramo zwar positiv, aber nicht besonders stark. Die Korrelationen zwischen BSB und Weide sind im Durchschnitt negativ. Die Weideflächen im EZG werden nur extensiv bewirtschaftet und die Tieranzahl ist sehr gering. Im Gegensatz zu den anderen Parametern zeigten sich bei BSB basierend auf verschiedene Wetterverhältnisse sehr unterschiedliche Ergebnisse zwischen den drei Messterminen. Wie bei Nitrat-N ist die Korrelation zwischen EL und Páramo negativ und zwischen EL und Wald, sowie Weide positiv. Bei EL sind die Spearmans Rangkorrelationskoeffizienten im Allgemeinen sehr hoch. Allerdings kann hier nicht ausgeschlossen werden, dass eigentlich andere Faktoren (wie Geologie oder Bodentyp) vorrangig entscheidend sind. Einflüsse von Forellenfarmen konnten basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit nicht gefunden werden. Einige große Zuflüsse können einen Teil der Parameterkonzentrationsschwankungen im Flussverlauf erklären. Ob die Parameterkonzentrationen der Zuflüsse sich auf Grund ihrer Landnutzung vom Hauptfluss unterscheiden konnte nicht eindeutig geklärt werden.

Abstract:

Future climate and land use change may have a great impact on essential ecosystem functions such as carbon storage and water supply of the Andean p´aramo ecosystem. As hydrogeochemical processes in the p´aramo and possible reactions to these changes are still largely unknown, nutrient fluxes during storm flow events in a p´aramo catchment in the Cajas National Park of south Ecuador were studied. From February to June 2014, discharge and stream concentrations of biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), turbidity and nitrate (NO3-N) were monitored in five minute intervals in the Quinuas River. In order to study the catchment’s response to rainfall events, rotational patterns of concentration-discharge hysteresis effects were analysed. In total, 35 events were suitable for analysing hysteresis effects of BOD, COD, and turbidity. Nitrate concentrations were studied in 20 events. Precipitation events led to an increase of concentration of all parameters. Hysteresis patterns showed a high consistency. COD, turbidity, and nitrate rotated mainly clockwise, BOD counterclockwise. Therefore, a fast response of the sources of COD, nitrate, and turbidity is suggested. This might be mainly due to a fast subsurface flow through the upper organic soil horizons. BOD sources, mainly soil surface and litter layer, predominate later in the storm flow event

Abstract:

The current climate change in the tropical Andean rain forests in south Ecuador alters the distribution of rain events with increasing dry and wet phases. The present research focuses on the concentration response of some elements to signicant changes on rainfall distribution. It seeks to determine whether changes in the concentrations of elements in an ecosystem of a rainforest are an eect of dilution by precipitation or other factors that may be aecting these variations, such as microbiological activities. The study examines chloride, ammonium, nitrate, phosphate, total organic carbon (TOC), dissolved organic nitrogen (DON), and dissolved organic phosphorus (DOP) in soil solution as well as the ratio of organic nitrogen to organic carbon (C : N) in soil solution samples taken in a tropical rain forest of Ecuador. Soil samples were taken weekly from 1998 to 2007, both below the organic layer and 15 and 30 cm into the mineral layer. Concentrations were measured with a chloride electrode , Continuous Flow Analyzer (CFA for ammonium, nitrate, DON, and DOP) and Total Organic Carbon Analyzer. The results were analyzed with statistical software packages R and SPSS using statistical methods of descriptive statistics and ANOVA. The average weekly precipitation was 38.73 mm and weekly precipitation varied between 0 and 155.2 mm. The variation of chloride concentrations served as reference to detect dilution/concentration effects of the other elements because it is assumed that chloride concentrations behave inversely proportional to the volume of water in soil. Thus, the higher the precipitation the lower is the concentration of chloride in soil solutions. I found that the mineral elements presented similar concentration variations as chloride indicating the strong if not exclusive eect of dilution. The phosphate concentrations were an exception showing irregular variation. Measurement problems due to the low P concentrations, often below the detection limit of the instrument may be the explanation for such irregularities. The variation in chloride-normalized organic components diered from that of chloride. The concentrations of TOC, DON and C : N ratio showed a fairly steep increase with increasing precipitation, especially observable at 15 cm depth in the mineral soil and in some cases also at 30 cm depth. A small TOC consumption by the microbial community during rewetting, a strong microbial TOC production or increased leaching of TOC to the mineral soil are possible explanations for this result. My results demonstrate that the response of inorganic N and P species is mainly driven by concentration/dilution eects while for organic compounds microbial activity in relation to soil moisture was an additional factor controlling the concentrations.

Abstract:

Um das Vorhandensein und den Transport chemischer Elemente auf der Erde zu beschreiben, wird das Konzept der biogeochemischen Kreisläufe angewandt. Ein solches Element ist Phosphor, das wegen seiner Wichtigkeit als limitierendes oder co-limiterendes Element für das Pflanzenwachstum in tropischen Regenwäldern ausgewählt wurde. Am Beispiel eines Einzugsgebietes im tropischen Bergregenwald von Ecuador wird untersucht, wie sich die Phosphorkonzentrationen und Phosphorflüsse entlang des wassergebundenen Kresilaufs vom Freilandniederschlag bis hin zum Oberflächenabfluss sowohl zeitlich wie auch räumlich verhalten. Die untersuchten Daten umfassen die Wasserflüsse und die Konzentrationen von Orthophosphat und totalem gelösten Phosphat zwischen 1998 und 2010 als monatliche Mittel. Die räumliche Verteilung wird mit der Darstellung der Messwerte in Boxplots und der Suche nach räumlichen Mustern analysiert. Um nach saisonalen Prozessen zu suchen, wird einerseits ein lineares Modell, bestehend aus einer Sinus- und einer Cosinus-Funktion gebildet und auf Signfikanz und Aussagekraft, d.h. Erklärung der Variabilität durch das Modell anhang des Anteils an der Gesamtvariation getestet. Anderseits wird die Autokorrelation der Daten auf ein saisonales Muster untersucht. Ein allfälliger langfristiger Trend wird mit dem saisonalen Kendall-Test gesucht. Bei der Analyse der räumlichen Verteilung zeigt sich, dass sich die größten Phosphor-Konzentrationen und -Flüsse zwischen Bestandesniederschlag und organischer Auflage bewegen. Zudem ist der Eintrag durch den Freilandniederschlag größer als der Austrag im Oberflächenabfluss. Bei allen Wasserflüssen wurde eine jährliche Saisonalität festgestellt. Bei den Konzentrationen ist ein antizyklisches Verhalten zu den Wasserflüssen zu erkennen. Der Freilandniederschlag weist keine Saisonalität auf. Die größten Saisonalitäten sind zwischen Krone und organischer Auflage zu finden. Die Konzentrationen in den Saugkerzen und im Oberflächenabfluss sind nur schwach durch saisonale Prozesse geprägt. Bei den Flüssen zeigt nur der Bestandesniederschlag deutlich jährliche Saisonalität. Die Analyse der zeitlichen Trends zeigte keine langfristigen Trends, die auf eine Änderung externer Faktoren zurückzuführen sind. Interne Veränderungen im Pflanzenwachstum könnten für eine Zunahme im Stammabfluss und eine Abnahme der Lysimeterkonzentrationen (unter der organischen Auflage) verantwortlich sein. Bei der Analyse der Feueraktivität als möglicher Quelle für Phosphoreintrag wurden einzelne signifikante Beziehungen mit den Phosphorkonzentrationen gefunden.