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

Abstract:

Tropical forests and the trees as their principal components have been investigated in detail. However, due to its complexity, their interactions, adaptations and response to climate variations require much more research. In this study, dendrochronological techniques were applied to evaluate the potential of tree-rings from tropical tree species as climate records. Two ecosystems with very distinct climate scenarios were selected from a dry and humid forest in southern Ecuador. A comparative analysis between these two forest types was performed by applying three dendrochronological methods. First, Tree Ring Width (TRW) measurements from tree species with distinct ring boundaries were dated to develop ring-width chronologies. Second, stable carbon isotopes (?13C) were measured from whole-wood and alpha-cellulose of dated annual tree-rings. Finally, concentrations of more than 23 chemical elements were determined from individual dated tree-rings after dissolving the wooden material in HNO3. The results showed the high potential of tropical tree species as climate archives, Bursera graveolens and Maclura tinctoria for the dry forest and Cedrela montana for the humid forest. Radial growth variations in tree species from the dry forest revealed a strong and reliable precipitation signal. Then, for these tropical regions, the first ring-width based wet-season precipitation reconstruction over the past century was developed, and spatial correlations unraveled a strong connection to the climatic conditions of the central Pacific precipitation and temperature variability. Interseries correlations of the TRW from the trees of the humid forest revealed a weak common signal. Stable carbon isotopes evidenced higher climate sensitivity than TRW measurements in the humid forest. However, to infer a reliable climate reconstruction from stable carbon isotopes, more ?13C time series were needed. ?13C values from whole-wood and alpha-cellulose reflected local and regional signals of precipitation and humidity. Meanwhile, nutrient concentration in the wood was higher in the dry forest, but common patterns and trends of nutrients were more distinct in the humid forest. For both study sites, two groups of nutrients with opposite radial distribution were identified (Group 1: Ca, Sr, Ba, Ga; and Group 2: K, P, Rb). In conclusion, TRW of tree species from the dry forest have a high paleoclimate potential, especially to reconstruct precipitation amounts in arid zones of southern Ecuador. Stable carbon isotopes constitute a promising tool to perform climatic reconstructions in both ecosystems. Finally, the valuable historical information of nutrient concentration evidenced in tree-rings opens promising ways to study tree growth dynamics especially in the humid forest.

Abstract:

Zwar lieferten die Analysen in dieser Arbeit keine eindeutigen Antworten auf die Fra-gestellung, dennoch bietet sie Ansatzpunkte für weitere Untersuchungen zu diesem Thema. Zum einen wäre die genaue Erforschung des Reliefs vor Ort sinnvoll. Dabei könnte einerseits der Verlauf der Fließgewässer überprüft werden, andererseits könn-ten die Einzugsgebiete auf Hangrutschungen untersucht werden, welche die Boden-verhältnisse stören können. Des Weiteren kann umliegende Vegetation, die die Bäume möglicherweise beeinflussen könnte, erforscht werden. Die aufgestellte Hypothese wird in dieser Arbeit vollständig abgelehnt, da keinerlei räumliche Muster in der topographischen Lage der Bäume erkennbar sind. Grund da-für sind vor allem eingeschränkten Möglichkeiten in ArcGIS die Topographie des Ge-bietes detailliert untersuchen zu können. Zum anderen scheint Lage der Bäume im Relief keine ausschlaggebende Ursache für deren Isotopenverhältnisse darzustellen. Sehr wahrscheinlich sind die lokalen Bodenverhältnisse entscheidend für das Isoto-pensignal der Bäume. Da die örtliche Bodenbeschaffenheit zum Teil durch Rutschkör-per gestört sein kann, ist eine Untersuchung dieser maßgeblich für zukünftige For-schungen.

Abstract:

Increased nitrogen (N) depositions expected in the future endanger the diversity and stability of ecosystems primarily limited by N, but also often co-limited by other nutrients like phosphorus (P). In this context a nutrient manipulation experiment (NUMEX) was set up in a tropical montane rainforest in southern Ecuador, an area identified as biodiversity hotspot. We examined impacts of elevated N and P availability on arbuscular mycorrhizal fungi (AMF), a group of obligate biotrophic plant symbionts with an important role in soil nutrient cycles. We tested the hypothesis that increased nutrient availability will reduce AMF abundance, reduce species richness and shift the AMF community toward lineages previously shown to be favored by fertilized conditions. NUMEX was designed as a full factorial randomized block design. Soil cores were taken after 2 years of nutrient additions in plots located at 2000 m above sea level. Roots were extracted and intraradical AMF abundance determined microscopically; the AMF community was analyzed by 454-pyrosequencing targeting the large subunit rDNA. We identified 74 operational taxonomic units (OTUs) with a large proportion of Diversisporales. N additions provoked a significant decrease in intraradical abundance, whereas AMF richness was reduced significantly by N and P additions, with the strongest effect in the combined treatment (39% fewer OTUs), mainly influencing rare species. We identified a differential effect on phylogenetic groups, with Diversisporales richness mainly reduced by N additions in contrast to Glomerales highly significantly affected solely by P. Regarding AMF community structure, we observed a compositional shift when analyzing presence/absence data following P additions. In conclusion, N and P additions in this ecosystem affect AMF abundance, but especially AMF species richness; these changes might influence plant community composition and productivity and by that various ecosystem processes.

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.

Abstract:

Zu Beginn der Untersuchungen wurden im ersten Schritt die freien Aluminiumkonzentrationen mit Hilfe der Donnan Membran Technik bestimmt. Anschließend wurden im zweiten Schritt die gemessenen freien Aluminiumkonzentrationen mit den modellierten Aluminiumkonzentrationen verglichen. Hierbei stellte sich heraus, dass die Werte vergleichbar sind und somit das Programm Visuell Minteq zur Modellierung der Aluminiumspeziierung eingesetzt werden konnte. Es wurde weiter festgestellt, dass der Anteil des freien Aluminiums an der gesamten Aluminiumkonzentration mit der Bodentiefe zunimmt. Der Anteil des freien Aluminiums an der gesamten Al-Konzentration betrug in der Bodenlösung unterhalb der organischen Auflage in allen untersuchten Plots lediglich 0% bis 0,96% (Mittelwert 0,0451%), während er im Mineralboden, bedingt durch geringe DOC-Werte, zwischen 0% und 29,11% (15 cm Tiefe) sowie zwischen 0% und 36,88% (30 cm Tiefe) schwankte. Der dritte Schritt galt der Untersuchung des Ca/Al Verhältnisses. Das Ergebnis zeigte hier, dass das freie molare Ca2+/Al3+ Verhältnis durch die Calciumdüngung nur geringfügig beeinflusst wird und über dem von Cronan & Grigal (1995) als kritisch betrachtetem Wert von <1 liegt. Calcium tritt daher vermutlich als wachstumslimitierender Faktor auf. Eine direkte Aluminiumtoxizität ist in den untersuchten Bodenlösungen nicht bzw. nur in geringem Maße festzustellen gewesen