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

Abstract:

Land-use and land-cover changes (LULCC) affect local climate. Human-induced defor-estation is a common phenomenon of LULCC. This also holds true for the biodiversity hotspot in the Andes of Ecuador. This study assesses the possibility to project LULCC to future time steps with a focus on deforestation in the San Francisco valley in South Ecuador. A business-as-usual scenario based on two Landsat scenes from 1987 and 2001 was created to project LULCC until 2006. The uncertainty assessment indicated the difficulty of projecting human impact on the ecosystem since circumstances of LULCC in the study area cannot be assumed to stay invariant. The projection performs better than a naive model relying on slope as its suitability factor.

Abstract:

During the Quaternary, in particular during glacial times, different grassland ecosystems played a much larger role and had a significantly larger distribution. Little is known yet about past development, biodiversity and dynamics of grassland ecosystems. In this innovative study, we attempt to distinguish between different South American grassland types in space and time based on morphological pollen grain characteristics of Poaceae. For this purpose[60?80 Poaceae pollen grains of 20 grassland samples were measured using their length, width and pore diameter as well as annulus width. Samples were taken from five sites in wet Pa´ramo vegetation from the Late Pleistocene to the Late Holocene in South Ecuador and from two sites in the south-eastern Brazilian highlands (Campos do Altitude) of the same period. Additionally, we investigated two samples from a Pampa site as well as six samples from one Campos grassland site in southern Brazil from the Late Pleistocene to the Late Holocene. Subsets of samples of the Campos grasslands and of the Pa´ramo were investigated in order to retrieve more detailed information on patterns within these vegetation types. Multivariate data analysis of the complete data set shows changes in taxonomic composition along an elevational gradient in the Pa´ramo grasslands. Our results reveal a highly dynamic development of the individual grassland types; they also provide interesting information on Poaceae taxa composition patterns, development and possibly changes in biodiversity within these ecosystems. Moreover, our data provide an indication about the origin and dynamics of the Campos ecosystems in the southern Brazilian highlands during the Late Pleistocene and the Holocene before and after the onset of human activities.

Abstract:

Despite the dominance of grasslands during the last glacial period, especially in South America, the highly uniform morphology of Poaceae pollen grains has so far allowed only very few palynological studies based on Poaceae pollen. In our study we compare two methods of distinguishing between South American grassland ecosystems based on quantitative morphology of Poaceae pollen grains. We investigated data sets from Pa´ramo in southern Ecuador, Campos de Altitude and Campos in south-eastern and southern Brazil as well as data sets from the Pampa in Argentina by measuring the pollen grain length, grain width, pore diameter and annulus width. Firstly we investigated the potential influence of chemical treatment of pollen grains on pollen grain size as well as the measurement setting for defining the boundary conditions for using Poaceae pollen grains in a palaeoecological investigation. Finally the measured pollen grain parameters were analyzed by comparison of average grain length using statistical tests. This approach reveals highly significant differences in average grain size between all grassland ecosystems. Assuming that a certain grain size range can be assigned to a certain Poaceae taxon, conclusions about differences and similarities in taxa composition can be derived. We used two methods of multivariate data analysis. One uses the pollen grain parameters directly for a Principle Component Analysis (PCA). The other is an already established method in grassland ecology which defines parameter based pollen grain types to investigate similarities between grassland ecosystems. Both approaches confirm the results of the grain length analysis. In this work we demonstrate that the method we developed has the potential to provide acquisition of so far inaccessible information on spatial and temporal patterns and dynamics of South American grasslands.

Abstract:

We reconstructed the palaeoenvironmental conditions of the last ca. 8000 years in the Tres Lagunas region of the Quimsacocha volcanic basin (ca. 3800 m a.s.l.) in the southwestern Ecuadorian Andes by means of a pollen and charcoal record. Sediment deposits and pollen taxa reflect warm and possibly drier conditions in the early to mid-Holocene. The late Holocene undergoes several warm and cold-phases of which the most prominent one was the Little Ice-Age which is characterised by a marked increase of taxa that correspond to cold and moist conditions. As charcoal can be recorded since the early to mid-Holocene and Polylepis underwent several phases of degradation and re-establishment in the region, the presence of human influence might be dated back to this time.

Abstract:

The vegetation,climate and fire history of high mountain ecosystemsin the southern Ecuadorian Andes are documented in a continuous pollen and charcoal record,from Lagunas Natosas Forest bog,at 3495 m a.s.l. spanning the late Pleistocene and Holocene periods since 15,930 cal yr BP.The chronology of this record is based on four radiocarbon dates.Páramo vegetation with abundant Poaceae and Plantago rigida characterized the Late Glacial(LG)period, implying cold and wet conditions. Slight expansions of mountain forests suggest warming during the LG. The upper foresl line was lower than today and fire events were rare during the Pleistocene. During the early and mid-Holocene until 4300 cal yr BP, the area of páramo was markedly smaller and the subpáramo with woody vegetation (Melastomataceae) was larger. The upper mountain forest dominated and the upper forest line shifted to higher elevations. The pollen record provides the first evidence of the development of Polylepis forests in the southern part of the so-called Andean Depression reflecting warmer and drier climatic conditions during early and mid-Holocene. The late Holocene after about 4300 cal yr BP is characterized by larger areas of páramo and subpáramo promoted by moister conditions. These moister conditions and frequent fires may have been the cause of the very rare occurrence or even extinction of Polylepis populations in the Jimbura region. Since ca. 1000 cal yr BP human occupation has altered the landscape by frequent burning, woodcutting, grazing and cultivation.

Abstract:

The past vegetation and climate dynamics of Southern Ecuador are still not well known, despite this region belonging to the worldwide hotspots of biodiversity (Mutke and Barthlott, 2005) with influences from Amazonia, the Andean Highlands and the Pacific Coast. In addition to that, a rich cultural heritage including the Inca civilization as well as many pre and post-incaic cultures belong to the history of this Andean country. To know more about past vegetation changes in response to climate and human impact, we present a Postglacial pollen and charcoal sequence from the mire Laguna Vendada (3640 m a.s.l.), covering approximately the last 18,200 calibrated years BP. Deglaciation at the site started before 18,000 cal. yr BP and vegetation was very sparse during the Lateglacial. Before the onset of the Holocene, vegetation was dominated by cold and moist adapted species during the Younger Dryas cooling. Below the site, forests expanded at the beginning of the Holocene and reached largest expansions during the Mid-Holocene (between ca. 7500 and 2000 cal. yr BP). Forests probably established around the site between 7500 6000 cal. yr BP. Human impact presumably started very early around Laguna Vendada, evident by a high fire frequencies and large abundances of dung spores since ca. 8000 cal. yr BP. This early and persistent impact on vegetation might explain the reduction to isolated patches of today’s treeline Polylepis forests.

Abstract:

By means of palinological studies realized in the pet bog Lagunas Natosas, at páramo de Jimbura, 73 taxa of pollen and spores were identified, of which 24 are the most frequent and important. Four different zones (LNT I to IV) were differentiated through cluster analysis of terrestrial pollen taxa. These data allowed the reconstruction of vegetation, including fire and climate history in the last 15,000 years BP. During the Late Pleistocene (ca. 15,000 12,000 years BP) the percentage of montane forest pollen recorded was higher in relation to the páramo, reflecting a gradual shift of this type of vegetation. This event indicates an increase in temperature during that period, causing a retreat of glaciers allowing the expansion of montane forest. In the early Holocene (ca. 12,000 – 4,800 years BP) the timberline rose, a higher percentage of Podocarpaceae, Polylepis Acaena and Hedyosmum are registered at this stage, to even greater heights than at present and, páramo vegetation was limited to 3,300–3,500 m. The climate became much warmer and wetter. Mean while the Late Holocene, about 4,800 years BP until the present, was characterized by a higher percentage of Poaceae and Cyperaceae, which are representatives of páramo vegetation. During that time, the timberline decreased, giving way to the current location of the páramo. On the other hand, the sediment record (LNT) showed that despite the fires, caused by anthropogenic activity, were much more frequent in the beginning of the Holocene, these did not affect drastically the vegetation composition at Lagunas Natosas, páramo de Jimbura.

Abstract:

Die von ROOS et al. (2010a) durchgeführten Bekämpfungsmaßnahmen auf der Llashipa Fläche, führten zu einer deutlichen Verringerung von P. arachnoideum. Im Anschluss erfolgte eine Bepflanzung der Flächen mit S. sphacelata, um zu untersuchen ob hierdurch aufgegebene Weideflächen in eine erneute Nutzung überführt werden können. Aufgrund von Untersuchungsergebnissen (HAMER et al. (2009), HAMER et al. (2012), POTTHAST et al. (2010), POTTHAST et al. (2011)) von verlassenen und aktiven Weideflächen, welche Unterschiede in verschiedenen chemischen und biologischen Bodenindikatoren nachgewiesen haben, erfolgte eine Untersuchung nach einem vergleichbaren Schema für die Llashipa Fläche. Hierbei dienten weiterhin mit Farn bewachsene Flächen als Referenz, um mögliche Auswirkungen der Anpflanzung zu identifizieren. Die Messergebnisse zeigten zwischen den mit S. sphacelata bepflanzten Flächen und den Kontrollflächen keine signifikanten Unterschiede, ließen für verschiedene Indikatoren jedoch Tendenzen erkennen. So war der pH-Wert, die Basensättigung, der mikrobiell gebundene Phosphor und die Kohlenstoffmineralisierung auf der von P. arachnoideum dominierten Kontrollflache geringer als auf den mit S. sphacelata bepflanzten Flachen. Auffällig ist, dass die Kontrollflache den höchsten Gehalt an mikrobiell gebundenen Stickstoff bei vergleichbarem mikrobiell gebundenem Kohlenstoffgehalt aufweist. Weiterhin lag im Vergleich die höchste Stickstoffmineralisierung auf der Kontrollfläche vor. Allgemein weisen etliche der aufgenommenen Indikatoren eine hohe Variabilität auf, was durch den Stichprobenumfang nicht ausreichend abgedeckt wurde. Eine hohe Variabilität führt dazu, dass mögliche Unterschiede in den Indikatoren sehr groß sein müssen, damit eine Teststatistik Signifikanz anzeigt. Da jedoch ein relativ geringer Zeitraum zwischen Bepflanzung (Anfang 2008) und Probennahme (Oktober 2010) lag, ist es wahrscheinlich, dass mögliche Veränderungen in den verschiedenen Indikatoren nicht stark genug ausgeprägt waren. Damit mögliche Veränderungen deutlich werden, sollten Folgebeprobungen mit einem erhöhten Stichprobenumfang auf der Fläche durchgeführt werden. Hierbei sollte nicht zwischen verschiedenen Bekämpfungsmaßnahmen unterschiedenen werden, sondern ausschließlich zwischen S. sphacelata und P. arachnoideum dominierten Flächen. Eine weiterführende Untersuchung sollte dazu dienen, dass vorhandene Prozessverständnis von aktiven und verlassenen Weideflachen zu verbessern. Die Ergebnisse würden dazu beitragen, effektive Weidemanagementpläne zu erstellen, damit eine Degradation vermieden wird und bereits degradierte Weideflachen erneut in die Produktion überführt werden könnten.

Abstract:

The tropical premontane and montane rainforests of south-eastern Ecuador constitute one of the most important hotspots of plant diversity. However, the Andes of Ecuador are known as the region with the highest deforestation rate in South America. The experience in international nature conservation during the past decades has shown that, to be effective, biodiversity conservation in inhabited areas should provide welfare through the use of forest for local peoples who coexist with it. Based on the foregoing, this study pursued the following targets: (1) to document the ethnobotany of the different ethnic groups who live in the area of study - namely the Shuar, the Saraguros, and the mestizos, (2) to analyze actual land use, and (3), to evaluate the suitability of the implementation of agroforestry systems, ecotourism, payments for environmental services, and bioprospecting as instruments in line with the ?protection by use? concept.

Abstract:

Tropical montane forests are commonly limited by N or co-limited by N and P. Projected increases in N deposition in tropical montane regions are thought to be insufficient for vegetation demand and are not therefore expected to affect soil N availability and N2O emissions. We established a factorial Nand P-addition experiment (i.e., N, P, N ? P, and control) across an elevation gradient of montane forests in Ecuador to test these hypotheses: (1) moderate rates of N and P additions are able to stimulate soil-N cycling rates and N2O fluxes, and (2) the magnitude and timing of soil N2O-flux responses depend on the initial nutrient status of the forest soils. Moderate rates of nutrients were added: 50 kg N ha-1 year-1 (in the form of urea) and 10 kg P ha-1 year-1 (in the form of NaH2PO4 . 2H2O) split in two equal applications. We tested the hypotheses by measuring changes in net rates of soil–N cycling and N2O fluxes during the first 2 years (2008??2009) of nutrient manipulation in an oldgrowth premontane forest at 1,000 m, growing on a Cambisol soil with no organic layer, in an old-growth lower montane forest at 2,000 m, growing on a Cambisol soil with an organic layer, and an oldgrowth upper montane rainforest at 3,000 m, growing on a Histosol soil with a thick organic layer. Among the control plots, net nitrification rates were largest at the 1,000-m site whereas net nitrification was not detectable at the 2,000and 3,000-m sites. The already large net nitrification at the 1,000-m site was not affected by nutrient additions, but net nitrification became detectable at the 2,000and 3000-m sites after the second year of N and N + P additions. N2O emissions increased rapidly following N and N ? P additions at the 1,000-m site whereas only smaller increases occurred at the 2,000and 3,000-m sites during the second year of N and N + P additions. Addition of P alone had no effect on net rates of soil N cycling and N2O fluxes at any elevation. Our results showed that the initial soil N status, which may also be influenced by presence or absence of organic layer, soil moisture and temperature as encompassed by the elevation gradient, is a good indicator of how soil N cycling and N2O fluxes may respond to future increases in nutrient additions.

Abstract:

Wide parts oft the Ecuadorian highlands are characterized by soil erosion of different severity levels, with partially significant effects on soil nutrient balances in the affected land use systems. Against this background, especially the aspect of soil erosion was investigated in this thesis, as part of the project ?Participatory soil fertility management: Calculation of nutrient balances in different farm systems of the Ecuadorian Andes?. Soil erosion was calculated for thirteen farms of three different agricultural systems in the south of Ecuador. Furthermore, it was looked for possibilities of erosion protection to model exemplarily with these scenarios. Simultaneously, the application of the modeling program should be evaluated, because it is not a special erosion model. Because of the small size of most of the farms and their high diversity of crown cultures, the model NUTMON was used. For the USLE (Universal Soil Loss Equation), that is the basis of erosion calculation with NUTMON, it was looked for alternative and regional adapted methods of calculating the factors of the equation. Thereby, it was possible to assign specific values to each unit of management. The mean erosion rates on farm level were between 0,2 and 84 tons per hectare and year, however, land use and relief vary strongly and had main influence on erosion. Soil erosion is mainly responsible for negative nutrient balances of most of the farms. On the supposition of different measures of erosion reduction (live mulching, mulching, improved utilization of pasture), soil loss could be reduced up to 70%. Generally, annual cultures showed the greatest potential for minimizing erosion, followed by permanent cultures and pastures. NUTMON itself seems to be less suitable for calculation of erosion rates of very small areas. Through the missing of exact calibration values, achieved in field trials of the research area, it was difficult to evaluate the obtained results.

Abstract:

Schemes that reward developing countries for the mitigation of greenhouse-gas (GHG) emissions through preservation and restoration of their forests are becoming more common. However, efforts to reduce GHG emissions must also consider food production. This creates an apparent conflict, since agricultural production ? a key driver of GHG emissions as a consequence of forest clearance ? will increase as human populations continue to grow. We argue that a mix of small cropland and forest parcels enables sustainable intensification of agriculture by minimizing soil degradation . Economic analyses of the mixed land-use concept suggest an improvement of long-term economic performance by 19?25% relative to conventional industrial agriculture. Adopting this approach requires farm management plans, landscape zoning, and new instruments to finance sustainable agriculture. We conclude that climate policy and food production are reconciled through an integrative landscape concept that combines sustainable intensification of agriculture and reforestation of abandoned lands.

Abstract:

Die tropischen Bergregenwälder Ecuadors gehören zu den artenreichsten Ökosystemen der Erde. Aufgrund ihrer Höhenlage und daraus bedingt besonderen klimatischen Bedingungen sind sie Lebensraum für zahlreiche Tier und Pflanzenarten. Zugleich sind sie durch intensive Landnutzung, Abholzung und Brandrodung bedroht. Die Bedeutung der Landnutzung bezüglich der Belastung, Wechselwirkungen und Auswirkungen von Nutzungsänderungen auf den Wasser und Stoffhaushalt zeigt einmal mehr die Notwendigkeit des Ressourcenmanagements für Gewässer in dieser Region. Das Forschungsgebiet des Rio San Francisco liegt im tropischen Bergregenwald von Süd-Ecuador. Hier wurden zwischen September 2011 und November 2011 die notwendigen Feldarbeiten durchgeführt und die hydrogeochemischen Reaktionen der Stoffflüsse in unterschiedlich genutzten Teileinzugsgebieten auf Niederschlagsereignisse untersucht. Dazu wurden Daten zur chemischen Zusammensetzung, pH und elektrischer Leitfähigkeit aus verschiedenen Flüssen bei unterschiedlichen Niederschlagsereignissen aufgenommen. Verdünnungseffekte und Aufkonzentrationen führen bei Niederschlagsereignissen zur Veränderung der chemischen Zusammensetzung der abflussgenerierenden Prozesse. Die Interaktionen dieser Prozesse, wie Grundwasserzustrom, Oberflächenabfluss und Zwischenabfluss im Boden, wurden im Zusammenhang mit Stoffausträgen in den unterschiedlichen Teileinzugsgebieten im Rahmen dieser Arbeit analysiert. Eine Ver??nderung des Abflusses resultiert üblich in eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Flusswassers. Dieser Zusammenhang wird häufig in Form von Hysteresis Kurven dargestellt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Beziehung zwischen Flussabfluss und quantitativer chemischer Veränderung unterschiedlicher Parameter zu erkennen und diese in Form von Hysteresis Kurven zu erklären. Während des Untersuchungszeitraums konnten 16 „Events“ aufgenommen werden und auf Hysteresis Effekte untersucht werden. Resultate zeigten keine einheitlichen Hysteresis Formen für die einzelnen Parameter und die Rotationsrichtung der einzelnen Kurven variierte bedeutsam. Die graphische Interpretation lieferte zudem keine hinreichende Erklärung zu den abflussgenerierenden Prozessen.

Abstract:

This thesis presents the spatial and temporal variability of d²H and d18O isotope signatures in the precipitation of a south ecuadorian montane cloud forest catchment. During the investigation period from 02.09.2010 to 25.12.2010 event sampling of freefall and throughfall was conducted along an altitudinal transect (1800m a.s.l. to 2800m a.s.l.) to investigate possible effects of altitude and land use on the isotope signature in precipitation. The data is further used to determine deuterium excess and the temporal variability during the investigation period. Temporal variability is mostly controlled by the prevailing air mass. During most time of the year, the study area is strongly affected by tropical trade winds. Due to the large input of reevaporated moisture to the air masses, which takes place during their passage over the amazon basin and during the orographic uplift at the slopes of the Andes, trade wind-related precipitation is highly enriched in heavy isotopes. High values in deuterium excess, which is used to asses the contribution of reevaporated moisture in precipitation, were observed during times of strong influence of trade winds. From Mid-October on, an ebbing of trade winds from the amazon basin was observed and the influence of other air masses rose. This change in weather patterns is consistent with considerably lower isotope signatures and deuterium excess in precipitation. Therefore, it can be concluded that the degree of reevaporation is low-er at that time. Spatial variability is mainly affected by the altitude effect, which reaches values of -1,12‰ × 100m-1 in the case of d²H and -0,22‰ × 100m-1 in the case of d18O in the study area. On average, throughfall is enriched compared to freefall by 2,28‰ of ²H and 0,31‰ of d18O, respectively. In combination with measurements of the isotope signatures of adjacent streams the data from this study allows determining and quantifying preferential path ways of water in the catchment and can be used to validate a hydrologic simulation model and to generate mixing models that allow to quantify the mean residence time of water in the catchment.

Abstract:

Der tropische Bergregenwald Ecuadors, welcher als „Hot Spot für Biodiversität“ (MYRES et al., 2000) gilt, ist einer der am stärksten bedrohten Ökosysteme weltweit. Um dieses Ökosystem besser zu verstehen und neue Erkenntnisse über Funktionsweisen der ökologischen Kreisläufe zu gewinnen, ist die Analyse vorhandener Umweltbedingungen und die damit verbundene Informationsbeschaffung von besonderer Bedeutung. Auch die interdisziplinäre Deutsche Forschergruppe (DFG) 816 Ecuador (Biodiversity and Sustainable Management of a Megadiverse Mountain Ecosystem in South Ecuador) hat sich die Aufgabe zum Ziel gesetzt das Gesamtökosystem „tropischer Bergregenwald“ besser zu verstehen und untersucht seit 1997 in insgesamt 25 Teilprojekten die Biodiversität und Ökosystemfunktionen, sowie Ökosystemleistungen und das Ökosystemmanagement. Im Rahmen dieser Masterarbeit soll, integriert in die Forschergruppe, ein Modell zur flächenhaften Vorhersage von Bodenkohlenstoff im Flusseinzugsgebiet des Rio San Francisco durch Punktdaten und Geländevariablen entwickelt werden. Die Arbeit ist in die Forschergruppe D4 „Catchment scale hydro-biogeochemical fluxes and aquatic diversity under global change“ eingegliedert und soll zum Verständnis hinsichtlich funktionaler Zusammenhänge und Prozesse im Ökosystem „tropischer Bergregenwald“ beitragen. In den letzten Jahren wurden verstärkt Modelle zur Beschreibung ökologischer Prozesse und der Klärung von Zusammenhängen zwischen dem Ökosystem, seinen Funktionen und Kompartimenten entwickelt, so werden beispielsweise auch im Kompartiment Boden immer häufiger Modelle zur Beschreibung und Analyse von Bodeneigenschaften herangezogen. Dabei spielt die Vorhersage von Bodeneigenschaften, was als digitale Bodenkartierung (Digital Soil Mapping, kurz DSM) bezeichnet wird eine entscheidende Rolle (Mc BARTNEY et al., 2003). Durch die digitale Bodenkartierung werden lückenhafte Punktdaten auf eine gesamte Fläche übertragen und in einem räumlichen Raster dargestellt. Diese Form der Modellierung bildet dabei ökologische Prozesse nach und schätzt die zu prognostizierenden Daten. Bodeneigenschaften können somit flächendeckend, sowie mit geringerem Kostenund Zeitaufwand zur Verfügung gestellt werden. Auch schwer zugängliche Bereiche, die eine Beprobung kaum möglich machen, können durch die digitale Bodenkartierung abgedeckt werden. Die Vorteile der Regionalisierung von Bodeneigenschaften mittels leicht zugänglicher Daten lässt das Digital Soil Mapping immer populärer werden. Eine besonders gut geeignete Regionalisierungsmethode für die digitale Bodenkartierung sind Entscheidungsbäume in Form von Klassifikationsund Regressionsbäumen (VASQUES et al., 2008). Der Ansatz des Klassifikationsund Regressionsbaums (kurz CART) kann durch die Erweiterung nach dem Ansatz Random Forest (kurz RF) verbessert werden. Dabei wird im Gegensatz zu einem Entscheidungsbaum ein „Wald von Entscheidungsbäumen“ erzeugt. Dieser kombinierte Ansatz wurde bereits von WIESMEIER et al. (2010) in einem Untersuchungsgebiet in der Inneren Mongolei angewendet und zeigt dort, dass besonders die Kombination beider Methoden (CART und RF) ein vielversprechendes Modell zur räumlichen Vorhersage von Bodeneigenschaften unter anderem auch des Bodenkohlenstoffgehalts ist. Auch durch LIEß et al. (2009) wurden bereits Modelle zur digitalen Bodenkartierung im Untersuchungsgebiet der Forschungsstation angewendet mit dem Ergebnis, dass sich durch CART Bodentypen realistisch vorhersagen lassen. Bodenkohlenstoff, der in dieser Arbeit die Zielvariable darstellt, spielt eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Böden stellen einen großen Speicher für organischen Kohlenstoff dar, der für die Nährstoffversorgung und das Wasserspeicherungsvermögen von Bedeutung ist. Der organische Kohlenstoff gelangt durch tote organische Substanz oder Bodenorganismen in den Boden. Dort erfolgen Stabilisierungsund Umwandlungsprozesse. Durch Erosion und Landnutzungswandel kann der im Boden gebundene Kohlenstoff wieder frei gesetzt werden (SCHEFFER und SCHACHTSCHABEL, 2010). Auch hinsichtlich der globalen Klimaerwärmung ist der im Boden gebundene Kohlenstoff ein wichtiger Parameter um Klimaund Bodenbedeckungsveränderungen besser verstehen und vorhersehen zu können (JOBBÁGY und JACKSON, 2000). Besonders in tropischen Bergregenwäldern sind Kohlenstoffgehalte und Kohlenstoffvorräte, sowie die vertikale Verteilung des Kohlenstoffgehalts bisher weitestgehend unbekannt (MOSER et al., 2011), weshalb eine Methode zur Modellierung und Vorhersage des Bodenkohlenstoffgehalts für das Untersuchungsgebiet der Forschungsstation Estación Científica San Francisco (ECSF) im tropischen Bergregenwald Ecuadors von hohem Interesse ist. Ziel dieser Masterarbeit ist, das Digital Soil Mapping im Flusseinzugsgebiet des Rio San Francisco auf Anwendbarkeit zu überprüfen. Es bildet somit eine Grundlage für zukünftige Modellierungsansätze im Einzugsgebiet der Forschungsstation. Des Weiteren gilt es die zum jetzigen Zeitpunkt vorliegenden Punktdaten des Bodenkohlenstoffgehalts flächendeckend vorherzusagen. Die erstellte Bodenkohlenstoffkarte stellt eine wichtige Informations-grundlage für weiterführende Modellierungen und Untersuchungen, beispielsweise von hydrologischen Prozessen und des bio-geochemischen Stoffkreislaufes dar. Die Ergebnisse der Arbeit werden für die gesamte DFG Forschergruppe ein Erkenntniszugewinn sein.

Abstract:

Zu den artenreichsten, aber auch gefährdetsten Ökosystemen unserer Erde zählen tropische Bergnebelwälder (Doumenge et al., 1995). Über die Funktionsweisen dieser empfindlichen Ökosysteme ist bisher noch nicht viel bekannt. Daher kann noch nicht abgeschätzt werden, inwieweit die Abholzung der Wälder sich auf die kleinskaligen Prozesse in diesen Ökosystemen auswirkt (Bücker et al., 2009). Im Jahre 1990 betrug in Ecuador die bewaldete Landesfläche 13.817.000 Hektar. 2010 waren es nur noch 9.865.000 Hektar Wald (FAO, 2010). In dieser Zeitspanne von 20 Jahren gingen also allein in Ecuador rund 4 Millionen Hektar Wald verloren. Die jährliche Abholzungsrate zwischen 2005 und 2010 betrug in dieser Region 1,89 % (FAO, 2010). Die Gründe für den weltweiten Verlust von Waldfläche sind vielfältig. Wenn in landwirtschaftlichen Gemeinschaften der Bedarf an Lebensmitteln und anderen agrarwirtschaftliche Gütern steigt, so muss der Ertrag einer bereits bewirtschafteten Fläche gesteigert werden (Marcoux, 2000). Kann dies nicht erreicht werden, wird meist neues Land für den Anbau von landwirtschaftlichen Gütern durch Abholzung der Wälder bereitgestellt (Marcoux, 2000). Ein weiterer Grund für die Abholzung der Wälder ist der Bedarf an Brennholz. Mehr als die Hälfte der Erdbevölkerung lebt in ländlichen Gebieten. Diese Menschen sind von der Nutzung der Wälder als Energielieferant abhängig (Marcoux, 2000). Neben diesen beiden gibt es noch viele weitere Gründe, die weltweit den Verlust von Wäldern verursachen. In Ecuador ist der wichtigste Grund für die Abholzung der Regenwälder die Umwandlung in Weideland (Günter et al., 2006). Die Abholzung von Wäldern hat schwerwiegende Konsequenzen für die Abflussmenge und die Erosion, also das Bodenmaterial, das vom Regenwasser abgeschwemmt und so vom Land in die Flüsse getragen wird (Neill et al., 2006). Werden Wälder durch Weideland ersetzt, so beeinflusst dies die hydrologischen Eigenschaften von Böden und das Gleichgewicht zwischen Niederschlägen und Evapotranspiration. Daraus resultieren fast ausnahmslos höhere Abflussmengen in Wassereinzugsgebieten (Neill et al., 2006).

Abstract:

In den komplexen Ökosystemen der Erde spielen Böden eine äußerst wichtige Rolle. Sie bieten den Lebensraum für Tiere und Pflanzen, Nutzungsfläche für menschliche Tätigkeiten und stellen eine wichtige Komponente des globalen Kohlenstoffkreislaufs dar, der unter anderem einen Einfluss auf das irdische Klima hat. Dadurch beeinflussen Böden und ihre Eigenschaften das Leben der Organismen auf unserem Planeten auf verschiedenen Ebenen. Allerdings gibt es bisher nur wenige Studien über Böden unter Urwald und unter entwaldeten Weideflächen im Ökosystem Bergregenwald (Makeschin et al., 2006). Die Abholzung von Nebelwäldern in Gebirgsregionen, zur Vermehrung von Weideflächen, gefährdet deren Rolle bezüglich Hydrologie und Bodenerhaltung (Stadtmüller, 1986). Sie zu schützen verringert das Risiko großflächiger Erosionen, des Verlustes endemischer Arten und einzigartigen Landschaften, sowie der Abnahme der Biodiversität und das Verschwinden wertvollen Erbmaterials (Stadtmüller, 1986). Ein besseres Verständnis der Auswirkungen von Entwaldungen auf die Bodeneigenschaften ist wichtig, um Weideflächen auf nachhaltige Weise zu bewirtschaften und die Konsequenzen der Abholzung präzise zu bewerten.

Abstract:

The Newsletter presents a summary of five years of research (Speakers' Corner) and provides insight in latest results of the nutrient addition experiments, the competition between bracken and pasture grass, mycorrhization, climate change research and recent modelings, the advances of the data warehouse and the Laser Scanning Mission as well as achievements in afforestation experiments (Science News). This issue also informs about recent progress of the foundation NCI, the status of the two transfer projects and the biodiversity results of the cooperating partner project. The vast biodiversity of the tropical mountain forests once attracted German scientists to start the interdisciplinary research in the remote area of the Ecuadorian Rio San Francisco Valley. Now, after a total of 15 years of German-Ecuadorian research, they have unveiled features hitherto unknown regarding ecosystem constitution, functioning, and services. As they observed this unique ecosystem is locally threatened by non-sustainable land uses like pasture farming. Therefore they developed a science-directed sustainable land use portfolio based on their results and the resilience of the ecosystem against environmental changes. Their recommendations after 6 years of German-Ecuadorian research in the scope of FOR816 include intensification, diversification, restoration and conservation, and to monitor the impacts of ongoing environmental change.

Abstract:

The influence of herbivores on plants in tropical forests is enormous. Leaf area loss through herbivory may alter biochemics, physiology and morphology of a plant and thus have a negative influence on the plant‘s fitness. Hence, herbivory is a selective factor for the species composition of plant communities. As a result of the progressive industrialisation on earth an increase in the input of atmospheric nitrogen (N) and phosphorus (P) is expected. Against this background, in this study the influence of N and/ or P fertilization on the herbivory in a tropical montane forest of southern Ecuador was investigated. Here, in a nutrient manipulation experiment (NUMEX), study areas are fertilized with low amounts of N (50 kg/ha/year), P (10 kg/ha/year) as well as N+P (50 kg/ha/year and 10 kg/ha/year respectively). Herbivory was quantified by one-time-measurements of absolute leaf mass loss and percentaged leaf area loss of the four most common tree species of the study area (Alchornea grandiflora, Graffenrieda emarginata, Hieronyma moriztiana, Myrcia sp.) and a sample of randomly chosen trees representing the community. It was investigated whether possibly changed herbivory rates result from increased nutrient concentrations in the leaves or an altered specific leaf area (SLA). The community lost marginally significantly (p<0.1) more leaf area on N fertilized areas than on control areas and herbivory rates were significantly (p<0.05) higher on N fertilized for three of the four species. Combined N+P fertilization had a significant (p<0.05) increasing effect on the herbivory suffered of two species. P fertilization did not show any effect on herbivory. The increased herbivory rates on three of the four most common species with increasing N availability may lead to a decreasing competitive strength of these species in the future and thus to less appearence in the community. Regarding the nutrient content and morphology of the leaves, the most striking feature was a high species-specific variability in the reaction to the different treatments. There was no influence of the different fertilizations on foliar nutrient content or morphology of the community. In one of the four species a connection between increased leaf area loss and elevated leaf N content was found on N fertilized areas. There was no evidence, that increased SLA results in increased herbivory rates. It is to suggest, that within species other parameters, e. g. altered leaf toughness or content of secondary metabolites may exert a stronger influence on the variability of herbivory rates with differing N availability. In conclusion, the study showed that in a tropical montane forest of southern Ecuador soil nitrogen availability had an increasing effect on feeding performance of herbivores.

Abstract:

This study aims to determine trends in a long-term monthly mean series of element concentrations and water and element fluxes with incident precipitation, throughfall, stemflow and dry deposition, using a nonparametric method (the Mann-Kendall trend test). Calculated were both the seasonal and the non-seasonal Mann-Kendall trend test, a robust estimate of the slope is determined for all detected trends as Kendall-Theil Robust Line (KTR-Line). The equipment in the study area was installed on three transects, about 20 m long with an altitude range of 10 m, at 1900 - 2010 m a.s.l.. Incident rainfall, throughfall and stemflow were measured weekly by recording single volumes for each collector between March 1998 and April 2008. The concentrations and element fluxes (including canopy budget) of Ca, Mg, Na, K, Cl-, NH4+-N, NO3--N, dissolved organic nitrogen (DON), total dissolved N (TDN), PO43--P and total dissolved P (TDP) were determined. The water fluxes showed a significant increasing trend in incident rainfall and stemflow. Comparing the numbers of trends, there is an increasing from incident rainfall > stemflow > throughfall > dry deposition > canopy budget. The concentrations of base metals showed significant decreasing in incident rainfall. An increasing in the concentrations of nitrogen as well as phosphorous was also found in incident rainfall. Throughfall showed a significant increasing H + concentration, as well as a decreasing Mg and Na concentration. In stemflow the concentration of nitrogen and phosphorous decreased extremely (p < 0.001) significant, while there was a significant increasing concentration of K and Mg. There is a significant decreasing in the element fluxes of base metals in incident rainfall that is ongoing in throughfall, resembling the trends in the concentrations. In stemflow are significant increasing trends in K and Mg. The trends in the element flux of nitrogen and phosphorous are similar to those of the concentrations, significantly increasing in incident rainfall, with an increasing flux of phosphorous in throughfall and an (extremely) increasing flux of nitrogen in stemflow. The dry deposition of H+ showed a significantly increasing, as well as the dry deposition of nitrogen and phosphorous. There is a significant decreasing in the dry deposition of Ca. The canopy budget showed a decreasing trend for H+ and nitrogen.

Abstract:

Gegenwärtige anthropogene Umweltveränderungen verursachen einen fortschreitenden Verlust an Biodiversität. Der Verlust von einzelnen Arten durch Habitatveränderung, Klimawandel und das Einwandern von invasiven Arten wurde intensiv untersucht. Jedoch sind die Auswirkungen von Arten Interaktionen nur unzureichend erforscht. Da der Mensch schnelle Umweltveränderungen hervorruft, ist es wichtig zu verstehen, welche Konsequenzen diese in der biotischen und abiotischen Umwelt, in Populationsstrukturen und in koevolutionären Prozessen haben (Leimu et al. 2012). Eine wichtige ökologische Interaktion ist dabei die Koevolution zwischen Pflanzen und Herbivoren (Coley & Barone 1996). Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Herbivoren sind mit die dominantesten in der Natur (Carmona et al. 2011). Innerhalb verschiedener Ökosysteme gibt es Unterschiede in den Herbivorieraten (Cyr & Pace 1993). Besonders in tropischen Wäldern ist Herbivorie ein zentraler Prozess (Dirzo & Boege 2008). Im Durchschnitt wird in tropischen Regenwäldern jährlich 11 % der Blattfläche durch Herbivore gefressen (Coley & Barone 1996). Pflanzen haben eine Vielzahl von Abwehrmechanismen entwickelt, die den Einfluss von Herbivoren reduzieren. Dazu gehören unter anderem chemische, mechanische und phänologische Abwehrmechanismen. Herbivore auf der anderen Seite haben Mechanismen entwickelt, um solche Abwehrstrategien zu umgehen. Dieses Wechselspiel beeinflusst Nahrungsnetze, Diversität von Artengemeinschaften sowie Nährstoffkreisläufe und somit alle Organismen im tropischen Wald (Coley & Barone 1996). Für sehr viele vertebrate und invertebrate Herbivore, sowie Pathogene, bilden Blätter eine entscheidende Nahrungsquelle. Die wichtigste Gruppe bilden die folivoren Insekten. Sie sind eine taxonomisch und morphologisch hoch diverse Gruppe und die wichtigsten Konsumenten in tropischen Wäldern (Coley & Barone 1996). Coley und Barone schätzen den Beitrag kauender Insekten an der jährlichen Herbivorie in tropischen Wäldern auf mindestens 75 %. Kauende Insekten sind sehr wirtsspezifisch und haben ein enges Nahrungsspektrum. Demnach entsteht ein größerer Anteil der Schäden durch spezialisierte Herbivore als durch Generalisten (Barone 1998). Coley & Barone schließen daraus, dass spezialisierte Insektenherbivore auch für die Ausbildung von pflanzlichen Abwehrmechanismen eine größere Rolle spielen.

Abstract:

Mit der Meereshöhe und der Topographie verändern sich klimatische Faktoren und Bodeneigenschaften. Damit einher gehen Veränderungen der Blattmorphologie, der Blattnährstoffgehalte und der Limitierung der Vegetation durch bestimmte Nährstoffe. In dieser Studie werden jene Zusammenhänge entlang eines Höhengradienten (1000, 2000 und 3000 m ü.M.) und an jeweils drei topographischen Lagen (Unter-, Mittel- und Oberhang) in südecuadorianischen Bergregenwäldern untersucht. Dazu wurden die mittlere Blattfläche, die spezifische Blattfläche sowie die Blattgehalte von N, P, K und Ca analysiert und verglichen. Die mittlere und die spezifische Blattfläche nahmen mit zunehmender Meereshöhe und der Topographie, vom Unterhang zum Oberhang, tendenziell bis signifikant ab. Ähnliche Resultate ergaben sich bei den Blattnährstoffgehalten, wobei der Trend hier nicht ganz eindeutig ist. Zudem wurden die Bodenparameter organische Auflage, pH-Wert, Stickstoffmineralisation, verfügbarer Phosphor und C/N-Verhältnis gegen die blattmorphologischen Daten sowie die N und P-Gehalte der Blätter aufgetragen. Mit zunehmen-der Meereshöhe und mit der Topographie vom Unterhang zum Oberhang nehmen die Bodennährstoffgehalte ab; ebenso sinkt der pH-Wert; die Mächtigkeit der organischen Auflage und das C/N-Verhältnis des Bodens nehmen zu. Zwischen den Bodenparametern und den Blatteigenschaften wurden enge Korrelationen gefunden, die auf ein Netzwerk gegenseitiger Beeinflussung der einzelnen Faktoren hinweisen. Des Weiteren kann im gesamten Untersuchungsgebiet auf Grund eines sehr hohen N/P-Verhältnisses von einer stärkeren Limitierung der Vegetation durch Phosphor als durch Stickstoff ausgegangen werden.

Abstract:

Wood specifc gravity (WSG) is a key plant functional trait and an important variable for aboveground tree biomass (AGB) and carbon stock estimation. Knowledge about spatial patterns of WSG and its environmental constraints in tropical mountain forests is comparatively scarce, especially when it comes to the effects of elevation and topography. Moreover, the answer to the question whether gradients in WSG in uence spatial patterns of AGB remains uncertain. In this study, altitudinal and topographical gradients in AGB and WSG were assessed in a tropical mountain forest ecosystem in southern Ecuador. For this purpose, a total of 1769 trees in 54 permanent sample plots along environmental gradients were censused and WSG was measured using a Pilodyn 6J wood tester. The obtained data were used to estimate AGB using allometric models from Chave et al. (2005) both with and without tree height as a predictive variable. WSG was found to increase signifcantly upslope by an average of 9,3 %, but did not show altitudinal gradients. If computed with tree height, AGB decreased signi cantly both upslope and with elevation. AGB on lower slopes in the average was 95,8 % bigger than on upper slopes and decreased more than 1.5-fold with increasing altitude from a mean of 288.9 t ha-1 at approx. 1000 m a.s.l. to 112.3 t ha-1 at approx. 3000 m a.s.l.. If computed without tree height, AGB was found to be lowest at intermediate elevations, and AGB results were systematically higher. A possible explanation for the upslope decrease in WSG are reduced growth rates induced by nutrient limitation. The reason for the gradients in AGB is most likely the altitudinal and upslope decrease in tree height in the study area which in former studies has been related to nutrient limitation as well. Given the enormous altitudinal decrease of tree height in tropical mountain forests, performance of allometric models which do not use tree height as a predictive variable was found to be poor. The observed gradients in WSG could not predict the patterns in AGB, in contrast, AGB was found to be highest in sites with low WSG.

Abstract:

Tropische Bergwälder zeichnen sich durch steile Hanglagen sowie sich verschlechternde Wachstumsbedingungen mit zunehmender Meereshöhe aus. Letzteres ist auf einen verringerten Nährstoffzyklus bzw. eine geringere Nährstoffverfügbarkeit aufgrund niedriger Temperaturen und vernässter, sauerstoffarmer, saurer Böden in höheren Lagen zurückzuführen (TANNER et al., 1998; SCHRUMPF et al., 2001; SCHUUR, 2001; BENNER et al., 2010; HERTEL & LEUSCHNER, 2010). Vor allem im oberen tropischen Bergwald wurde ein hohes C/N-Verhältnis in der organischen Auflage sowie eine reduzierte Abbau und Mineralisationsrate festgestellt (TANNER et al., 1998; BENNER et al., 2010). Zudem nimmt die oberirdische Biomasse mit steigender Höhe ab, was unter anderem mit einer Verschiebung der Kohlenstoffallokation von oberirdischen zu unterirdischen Pflanzenstrukturen erklärt wird (LEUSCHNER et al., 2007; MOSER et al., 2008). Eine geringe Nährstoffverfügbarkeit aber auch eine ungünstige Luftversorgung im Boden führen dazu, dass die Pflanzen mehr Kohlenstoff in das (Fein-) Wurzelsystem investieren (BROUWER, 1983; LÕHMUS et al., 1989; OSTONEN et al., 2005), um eine ausreichende Nährstoffversorgung zu gewährleisten (LEUSCHNER et al., 2007; GRAEFE et al., 2010; HERTEL & LEUSCHNER, 2010). Nicht nur die Meereshöhe, sondern auch die Hanglage, also die Topographie, spielt in tropischen Bergwäldern eine große Rolle. So hat die topographische Hanglage nicht nur Einfluss auf die Habitatdiversität (HOMEIER et al., 2010) sondern auch auf die Wasser und Nährstoffverfügbarkeit im Boden (KUBOTA et al., 1998; DAWS et al., 2002; TSUI et al., 2004). Feinwurzeln – im Allgemeinen definiert als Wurzeln mit einem Durchmesser < 2 mm – sind hochdynamische und wichtige Pflanzenorgane, die für die Wasser und Nährstoffaufnahme zuständig sind. Trotz ihres geringen Anteils an der Gesamtbiomasse eines Baumes verbrauchen unter anderem die Produktion, der Umsatz und das Wachstum der Feinwurzeln große Mengen Kohlenhydrate (VOGT et al., 1996). Nach LEUSCHNER et al. (2004) werden die Kosten der Pflanze für die Bildung und Erhaltung von (Fein-) Wurzeln durch das Ausmaß der Kohlenstoff und Nährstoffsenke bestimmt. Die Höhe der Nährstoff und Wasseraufnahme stellt hingegen den Nutzen dar, welchen die Pflanzen aus den (Fein-) Wurzeln ziehen (LEUSCHNER et al., 2004). Neben der Lebensdauer der (Fein-) Wurzeln (EISSENSTAT & YANAI, 1997) ist die (Fein-) Wurzelmorphologie ein entscheidender Faktor hinsichtlich des Kosten/Nutzen-Verhältnisses (LEUSCHNER et al., 2004). Das Feinwurzelsystem und dessen Dynamik wurden vor allem in temperaten und borealen Wäldern untersucht (VOGT et al., 1996; CAIRNS et al., 1997; GILL & JACKSON, 2000). Im Vergleich dazu wurden trotz der Bedeutung tropischer Wälder im Hinblick auf den globalen Kohlenstoffhaushalt (MALHI et al., 1999; POST & KWON, 2000) bislang nur wenige Studien über die Struktur und Funktion des Feinwurzelsystems in diesen Ökosystemen durchgeführt. Vorliegende wurzelökologische Studien wurden außerdem vorwiegend in tropischen Tieflandwäldern durchgeführt (u.a. CUEVAS & MEDINA, 1988; GREEN et al., 2005; SILVER et al., 2005; TRUMBORE et al., 2006), während es zum Feinwurzelsystem in tropischen Bergwäldern nur vereinzelte Studien gibt (CAVELIER, 1996; KITAYAMA & AIBA, 2002; HERTEL et al., 2003; HERTEL & WESCHE, 2008; Girardin et al., 2010). Vor allem zum Einfluss der topographischen Hanglage auf das Feinwurzelsystem wurden bislang noch keine Studien durchgeführt. Deshalb ist bisher nur wenig über die Anpassungsmechanismen des Feinwurzelsystems an die Bedingungen tropisch montaner Wälder bekannt (HERTEL & LEUSCHNER, 2010). Die vorliegende Studie über den Einfluss von Meereshöhe und Topographie auf Biomasse und Morphologie von Feinwurzeln in Bergwäldern wurde im Zuge des DFGForschergruppenprojekts 816 („Biodiversität und nachhaltiges Management eines megadiversen Bergwald-Ökosystems in Südecuador“; http://www.tropicalmountainforest.org) in Südecuador durchgeführt. Auf insgesamt 54 Flächen in 1000, 2000 und 3000 m Meereshöhe und in unterschiedlichen topographischen Hanglagen wurde die Feinwurzelmasse, -dichte und -morphologie untersucht. Dabei sollten die folgenden Fragestellungen analysiert werden: 1) Welchen Einfluss hat die Meereshöhe auf die Masse, Dichte und Morphologie der Feinwurzeln? 2) Welchen Effekt hat die topographische Hanglage auf die Masse, Dichte und Morphologie der Feinwurzeln? 3) Welche Unterschiede bzw. Gemeinsamkeiten haben Meereshöhenund Topographieeffekt auf die oben genannten Parameter des Feinwurzelsystems?

Abstract:

The impact of human actions on the environment is enormous. Due to a continuous increase in population and the growing industrialization of a globalized world man’s influence on the dynamic of ecosystems and biospheres is steadily expanding. As a result of these augmenting human activities, an increase in the input of atmospheric nitrogen (N) and phosphorus (P) is expected. In a field study in a tropical mountain rain forest in southern Ecuador – an area assumed to be limited in N – permanent plots are fertilized with low amounts of N (50kg/ha/year), P (10kg/ha/year) as well as N and P (50kg/ha/year and 10 kg/ha/year respectively), thereby simulating higher nutritional dispositions in the respective plots. Because varying nutritional dispositions have the greatest effect on seedlings, this thesis’ aim is to examine to what extent applications of N and P can influence the growth and abundance of seedlings, thus affecting the tree regeneration in tropical montane forests. A total of 626 plants between 5 and 150 cm in height have been measured. Among the most common families were Rubiaceae, Melastomataceae, Myrtaceae, Arecaceae and Euphorbiaceae. The most commonly encountered tree species were Graffenrieda emarginata Triana (Melastomataceae) and Myrcia spec. nov. (Myrtaceae). Considering the total number of measured seedlings, N in general seems to have a positive effect on tree regeneration. A generally increased growth in height and stem diameter on the Nand NP-plots proves that N is a limiting factor in this mountain rain forest. Additions of P, on the contrary, do not show any effects on the plants, wherefore P does not seem to be a controlling factor for tree regeneration in this tropical mountain rain forest. However, fertilization of N does not have a positive effect in growth on every family. Whereas the Euphorbiaceae and Melastomataceae families were able to increase their growth on Nand NP-plots, Arecaceae only show positive effects on NP-plots. Altogether without any gain from N-additions seem to be the Myrtaceae and Rubiaceae families. Moreover, the tree density of Rubiaceae was even significantly reduced on Nand NP-plots. Especially an increased leaf area loss on the Nand NP-plots presents an elevated risk for plant families such as Myrtaceae and Rubiaceae, because they do not seem to have the ability to compensate the increased leaf area loss by an augmented growth rate. However, a higher appearance and growth of Euphorbiaceae and Melastomataceae due to an increased nutritional input is to be expected in the future. In the long term this development might cause the extinction of their current habitat of the Myrtaceae and the Rubiaceae families, the latter being the currently most widely spread family. As a consequence, it is to be expected that G. emarginata will increasingly emerge as the dominant species, whereas Myrcia spec. nov. will probably play a minor role. Obviously the various tree species have a different need for N, which causes diverse thresholds in N-tolerance.

Abstract:

The thermal structure of a megadiverse mountain ecosystem in southern Ecuador is examined on the basis of temperature measurements inside the natural mountain forest and at open sites along an altitudinal gradient from 1700m to 3200m. The data is used to calculated maps of monthly average minimum, mean and maximum 2m air temperature for the period 1999-2007, needed by ecological projects. The maps are generated by combining the straightforward detrending technique by using a Digital Elevation Model and satellite-based land cover classification. The results reveal a clear thermal differentiation over the year, partly triggered by the change of synoptic weather situation but also by land cover effects. Thermal amplitudes are particularly low during the main rainy season when cloudiness and air humidity are high but markedly pronounced in the relative dry season when daily irradiance and outgoing nocturnal radiation causes distinct differences between the land cover units. Particularly the lower pasture areas gained by slash and burn of the natural forest exhibit the most extreme thermal conditions while the atmosphere inside the mountain forest is slightly cooler due to the regulating effects of the dense vegetation. Thus, clearing the forest clearly reduces the thermal regulation function (regulating ecosystem services) of the ecosystem which might become problematic under future global warming.

Abstract:

Forest-to-pasture conversion has been reported to increase soil organic matter (SOM) in mineral topsoils in the tropical mountain rainforest region of south Ecuador, with subsequent decreases following pasture abandonment. Until now the mechanisms behind these changes have not been fully understood. To elucidate their varied preservation patterns, we analysed root- and shoot-derived organic matter and assessed their contribution to the formation of SOM in topsoils (0?5 cm) on a chronosequence of pastures (Setaria sphacelata (Schumach.); C4) established after slash and burn of the natural forest (diverse C3 plant species) and an abandoned pasture site invaded by bracken fern (Pteridium arachnoideum (Kaulf.) Maxon.; C3). Cutin and suberin biomarkers of the two plant species (grass and bracken) and of forest litter were identified after saponification and their contribution to SOM was studied by compound-specific stable carbon isotope analyses. Our results showed specific root and shoot biomarkers for the two plant species and for forest litter, which often did not correspond to the classification of root-versus shoot-specific monomers reported in the literature. This illustrates the importance of direct biomarker determination rather than using results from studies with different plants. Shoot- as well as root-derived OM of forest and grass origin contributed to the stable SOM pool with decadal turnover times. Forest-derived monomers contributed more to the stable SOM pool compared with grass-derived monomers. &#969;-hydroxy carboxylic acids and &#945;,&#969;-alkanedioic acids of forest origin may have been stabilized in these tropical soils by bonding to soil minerals. Rapid degradation of grass-derived lipids from the same compound classes suggests a saturation of the mineral binding capacity. In pasture soils, the accumulation of SOM was mainly driven by large inputs of root OM. The accumulated SOM during pasture use is, however, lost rapidly after abandonment.

Abstract:

The dependence of aboveground biomass and productivity of tropical forests on soil fertility is not fully understood, since previous studies yielded contrasting results. Here, we quantify aboveground biomass (AGB) and stem wood production, and examine the impact of soil chemistry on these parameters in mature tropical forest stands of the equatorial Andes in Ecuador. In 80 plots of 0.04 ha at four elevation levels (500, 1,000, 1,500 and 2,000 m a.s.l., total sample area = 3.2 ha), we measured ten important soil chemical parameters, inventoried all trees ¸10 cm dbh and monitored stem diameter growth with dendrometer tapes in 32 plots. Top canopy height and stem density signiWcantly decreased from 500 to 2,000 m, while tree basal area increased and AGB remained invariant (344 § 17 Mg DM ha¡1, mean § SE) with elevation. Wood speciWc gravity (WSG) showed a signiWcant, but small, decrease. Stem wood production decreased from 4.5 to 3.2 Mg DM ha¡1 year¡1 along the transect, indicating a higher biomass turnover at lower elevations. The only soil variable that covaried with AGB was exchangeable K in the topsoil. WSG increased with decreases in N mineralisation rate, soil pH and extractable Ca and P concentrations. Structural equation modelling (SEM) revealed that nitrogen availability acts on stem wood production only indirectly through a negative relation between N mineralisation rate and WSG, and a positive eVect of a lowered WSG on stem growth. The SEM analysis showed neither direct nor indirect eVects of resin-extractable P on wood production, but a negative P inXuence on AGB. We conclude that nitrogen availability signiWcantly inXuences productivity in these Andean forests, but both N and P are aVecting wood production mainly indirectly through alterations in WSG and stem density; the growth-promoting eVect of N is apparently larger than that of P.

Abstract:

In tropical mountains, trees are the dominant life form from sea level to above 4,000-m altitude under highly variable thermal conditions (range of mean annual temperatures: <8 to >28C). How light-saturated net photosynthesis of tropical trees adapts to variation in temperature, atmospheric CO2 concentration, and further environmental factors, that change along elevation gradients, is not precisely known. With gas exchange measurements in mature trees, we determined light-saturated net photosynthesis at ambient temperature (T) and [CO2] (Asat) of 40 tree species from 21 families in tropical mountain forests at 1000-, 2000-, and 3000-m elevation in southern Ecuador. We tested the hypothesis that stand-level averages of Asat and leaf dark respiration (RD) per leaf area remain constant with elevation. Standlevel means of Asat were 8.8, 11.3, and 7.2 lmol CO2 m-2 s-1; those of RD 0.8, 0.6, and 0.7 lmol CO2 m-2 s-1 at 1000-, 2000-, and 3000-m elevation, respectively, with no significant altitudinal trend. We obtained coefficients of among-species variation in Asat and RD of 20?53% (n = 10?16 tree species per stand). 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 lmol CO2 m-2 s-1 per km altitude increase (or by 0.2 lmol CO2 m-2 s-1 per K temperature decrease). The Asat decrease occurred despite an increase in leaf mass per area with altitude. Local geological and soil fertility conditions and related foliar N and P concentrations considerably influenced the altitudinal Asat patterns. We conclude that elevation is an important influencing factor of the photosynthetic activity of tropical trees. Lowered Asat together with a reduced stand leaf area decrease canopy C gain with elevation in tropical mountains.