Soil-plant dynamics of water, nitrogen and sulfur: A study on indigenous and exotic tree species in Munessa Forest, Ethiopia

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Fritzsche, Florian:
Soil-plant dynamics of water, nitrogen and sulfur: A study on indigenous and exotic tree species in Munessa Forest, Ethiopia.
Bayreuth , 2005
( Dissertation, 2006 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Forest plantations are necessary to counteract the destruction of tropical montane forests. Sustainable forestry requires comprehensive knowledge of tree effects on site conditions and nutrient cycling, but substantial information is lacking even for widely-planted species. In my work, I aimed at identifying such plant effects on ecosystem dynamics, focussing on water, nitrogen (N) and sulfur (S), which included the development of a stable-isotope methodology for S. Based on a characterization of the soils of the study area at the Main Ethiopian Rift Valley escarpment, experimental plots were set up in neighbouring stands of a natural forest dominated by Podocarpus falcatus and in plantations of Cupressus lusitanica and Eucalyptus globulus. All investigations on the ecology of these trees were conducted on the same single-tree centred plots in a combination of time series of natural parameters with isotope tracer experiments, employing inorganic 15N tracers and litter labelled with 34S. Soils of the region reflected the influence of climate and relief, while the homogeneous bedrock caused no influence throughout the region. Methodological work to improve d34S analysis was a precondition for the ecological study on S dynamics. Technical adjustments to the analytical system including a liquid-nitrogen trap reduced the amount of S required for reliable d34S determination by a factor of six compared to the conventional procedure. Soil-plant water dynamics were strongly related to the root system. P. falcatus with high fine root biomass to below 1 m depth appeared active in redistributing soil water. Its physiological response to changing soil moisture with a marked reduction in transpiration (by a factor of six) at dry conditions had a further balancing effect. P. falcatus and C. lusitanica expanded their root systems substantially in the dry season, shifting to deeper layers. Seasonality was very weakly expressed for root biomass and depth of water uptake under E. globulus. It mainly relied on deep water resources tapped by its low-biomass root system, supporting physiological activity in the dry season, when transpiration was increased by a factor of five. Soil labelling with 15N showed similar patterns of root activity. It also revealed the dominance of C. lusitanica near the surface, with its roots effectively intercepting nutrients. However, this had negative impacts on deeper soil layers by reducing biological transformations and increasing leaching losses. In the natural forest, phosphate-extractable soil N and low natural-abundance d15N indicated an intense, conservative N cycling in the upper 60 cm, which was also evenly exploited by the roots of P. falcatus. Nitrogen uptake by E. globulus was concentrated in the deeper layers. A preferential stabilization of N was observed in the topsoil, while losses were indicated by high natural-abundance d15N values, which probably reflected recent processes. As for the trees, species-specific N uptake strategies were observed for the understorey. Litter for the S mineralization experiment was successfully labelled with 34S, opening a way to elucidate soil processes as well as plant uptake and recirculation. Different regimes of decomposition resulted in increasing extractability of S in the topsoil with depth under P. falcatus and C. lusitanica, whereas a decrease was noticed in the E. globulus stand. Seasonality of both bulk and extractable S were minimal. Isotope labelling showed rapid incorporation of litter into the topsoil of E. globulus, while S from litter of C. lusitanica was susceptible to leaching. Plant uptake by P. falcatus and E. globulus led to a steady increase of d34S values. In contrast, isotope enrichment in C. lusitanica leaves peaked after the first rainy season, thereby indicating recirculation of S. The different approaches of my work complemented one another, revealing a consistent pattern of plant traits. P. falcatus had a balancing influence on the ecosystem and appeared to promote soil life. C. lusitanica confined biological transformations to the topsoil and raised the risk of leaching losses. E. globulus was largely independent of superficial resources, giving space to understory growth. This strategy may lead to depletion of groundwater and structural deterioration of the soil.

Abstract in weiterer Sprache

Forstplantagen können helfen, der Zerstörung tropischer Bergwälder entgegen zu wirken. Ihre nachhaltige Bewirtschaftung erfordert umfassende Kenntnisse über die Auswirkungen der gepflanzten Baumarten auf Standortsbedingungen und Nährstoffkreisläufe. Allerdings bestehen selbst über die verbreitetsten Baumarten erhebliche Wissensdefizite. Meine Arbeit zielte darauf ab, die Dynamik von Wasser, Stickstoff (N) und Schwefel (S) in Abhängigkeit von der Baumart aufzuklären. Aufbauend auf eine bodengeografische Charakterisierung des Untersuchungsgebiets wurden Einzelbaum-gewichtete Dauerversuchsflächen in benachbarten Beständen eingerichtet, einem Naturwald mit Dominanz von Podocarpus falcatus sowie Plantagen von Cupressus lusitanica und Eucalyptus globulus. Auf diesen Flächen wurde die Messung von Zeitreihen natürlicher Parameter mit Stabilisotopen-Markierungsexperimenten kombiniert (15N in anorganischer Form, 34S in Blattstreu). Die bodengeografische Beschreibung des petrografisch homogenen Untersuchungsgebiets zeigte den dominierenden Einfluss von Klima und Relief auf die Bodeneigenschaften. Technische Vorarbeiten waren für die Anwendung des Isotopen-Tracers 34S im Gelände erforderlich. Durch apparative Veränderungen im isotopen-massenspektrometrischen Messsystem - vor allem eine Tauchkühlfalle - konnte die für eine zuverlässige d34S-Bestimmung erforderliche Probenmenge um den Faktor sechs gesenkt werden. Die Wasserdynamik im System Boden-Pflanze spiegelte Einflüsse des Wurzelsystems wider. P. falcatus hatte eine hohe Feinwurzelbiomasse bis unterhalb 1 m Tiefe. Wurzeln schienen aktiv zur Umverteilung von Bodenwasser beizutragen. Auf veränderte Bodenfeuchte reagierte diese Baumart stark, indem sie die Transpiration bei Trockenheit um den Faktor sechs senkte, was zusätzlich zu einem gleichmäßigeren Bodenmilieu beitrug. P. falcatus und C. lusitanica passten ihr Wurzelsystem trockeneren Bedingungen an, sowohl durch Erhöhung der Biomasse als auch durch räumliche Expansion, vor allem in tiefere Lagen. Die saisonale Anpassung von E. globulus war wesentlich schwächer ausgeprägt, was gleichermaßen für Feinwurzelbiomasse und Wasseraufnahmetiefe galt. Diese Baumart mit geringer Wurzelbiomasse nahm Wasser vor allem aus größeren Tiefen auf und erhöhte ihre Transpiration in der Trockenzeit auf das Fünffache. Die Markierung von zwei Bodentiefen mit 15N zeigte ein ähnliches Muster der Wurzelaktivität bei der Nährstoffaufnahme. Das oberflächlich dichte Wurzelwerk von C. lusitanica war effektiv bei der N-Aufnahme, schien aber auch das Bodenleben im Unterboden zu unterdrücken. Dies hatte ein geringeres Ausmaß von biologischen Umsetzungen zur Folge und begünstigte Nährstoffauswaschung. Im Naturwald deutete das Muster der phosphat-extrahierbaren N-Spezies in Verbindung mit niedrigen d15N-Werten (natürliche Häufigkeit) auf geringe N-Verluste bei einem intensiven N-Umsatz in den oberen 60 cm hin, aus denen eine gleichmäßige Aufnahme von N durch P. falcatus zu beobachten war. E. globulus nahm N vorwiegend aus größerer Tiefe auf. Im Oberboden war eine bevorzugte N-Stabilisierung zu beobachten. Hohe d15N-Werte (natürliche Häufigkeit) spiegelten vermutlich aktuelle Prozesse wider, was auf einen offenen Nährstoffkreislauf deutet. Ebenso wie die Baumarten verfolgten Pflanzen des Unterwuchses unterschiedliche Strategien bei der N-Aufnahme. Der neuartige Ansatz der Markierung von Laubstreu mit 34S erlaubte es, den S-Kreislauf im Boden, die Aufnahme durch Pflanzen und die pflanzeninterne Rezirkurlation zu verfolgen. Unterschiede bei der Streuzersetzung führten zu einem Konzentrationsanstieg des phosphat-extrahierbaren S mit der Tiefe bei P. falcatus und C. lusitanica, während unter E. globulus eine Abnahme zu beobachten war. Saisonale Effekte auf beide S-Pools waren minimal. Die Isotopenmarkierung zeigte eine rasche Einarbeitung der Streu in den Mineralboden des E. globulus-Bestandes. Schwefelauswaschung betraf vor allem die Streu von C. lusitanica. Die S-Aufnahme durch P. falcatus und E. globulus manifestierte sich in einem stetigen Anstieg der d34S-Werte in den Blattproben. Im Laub von C. lusitanica hingegen sanken die d34S-Werte nach der ersten Regenzeit, was als Hinweis auf Rezirkulation und eine verminderte Verfügbarkeit von tracerbürtigem S gewertet wurde. Die Kombination der genannten Versuchsansätze ergab ein in sich stimmiges Bild von charakteristischen Eigenschaften der untersuchten Baumarten. P. falcatus zeichnete sich durch seinen ausgleichenden Einfluss auf die Lebensbedingungen im Boden aus und förderte damit das Bodenleben. C. lusitanica hingegen reduzierte die biologische Aktivität auf eine dünne, oberflächliche Lage, was erhöhte Nährstoffauswaschung mit sich brachte. E. globulus beschränkte sich in seiner unterirdischen Aktivität weitgehend auf den Unterboden. Trotz Vorteilen für den Unterwuchs birgt dies auch die Gefahr verminderter Grundwasserneubildung und einer Verschlechterung der Bodenstruktur.