33 research outputs found
Implications of land-use change and pasture management on soil microbial function and structure in the mountain rainforest region of southern Ecuador
In the present thesis, implications of pasture establishment, fertilization and abandonment on soil C and nutrient dynamics were investigated for the mountain rainforest region of southern Ecuador. Over the past decades the natural forest of the study area has been threatened by conversion to cattle pastures. However, the soil fertility of these extensively grazed pastures (active pastures) declines continuously during pasture use. The invasion of bracken fern (Pteridium arachnoideum) leads to pasture abandonment when bracken becomes dominant. In order to reveal the mechanisms behind the deterioration of soil fertility, biotic and abiotic soil properties and their interaction were analyzed along a landâuse gradient (natural forest â active pasture â abandoned pasture).
The ecosystem disturbance of the mountain rainforest through pasture use changed the microbial function and structure, and affected soil CO2âC fluxes. Annually, 2 Mg soil CO2âC haâ1 were additionally emitted from the pasture land. This acceleration in soil respiration rates was related to accelerated rates of microbial C mineralization and fineâroot respiration. The highâquality, Nârich aboveâ and belowground residues of the pasture grass (S. sphacelata, C4âplant), especially the huge fineâroot biomass, provided a high C and N availability for soil microbes. Compared to the forest, increased soil pH and accelerated base saturation were further factors beneficial for soil microbial growth and metabolism of the upper mineral soil at active pastures. Three times higher amounts of microbial biomass C and a significant shift in the microbial community structure towards a higher relative abundance of Gram(â)â bacteria and fungi were observed.
Longâterm pasture use and the invasion of bracken (C3âplant) diminished beneficial effects for microbes, causing a significant decrease in the C, net, and gross N mineralization rates as well as a twoâthird reduction in the microbial biomass. A preferential substrate utilization of grassâderived C4 by the soil microbes resulted in a rapid decline of the C4âpool. As a consequence, the less available C3âpool from bracken and former forest increased its dominance in the SOCâpool, further decreasing pasture productivity and finally causing pasture abandonment. The lower quality and quantity of aboveâ and belowground residues of the bracken (high lignin content, C/N) resulted in resourceâlimited conditions that influenced the microbial function to greater extent than their structure. The microbial structure seemed to be sensitive mainly to soil pH along the landâuse gradient. Thus, a disconnection between microbial structure and function was identified.
Fertilization experiments were conducted both in the lab and in the field to evaluate the impact of urea and/or rock phosphate amendment on SOM dynamics and on pasture productivity of active pastures. After combined fertilization the pasture yield was most efficiently increased by 2 Mg haâ1 aâ1, indicating a NPâlimitation of grass growth. Furthermore, the fodder quality was improved by a higher content of P and Ca in the grass biomass. The microorganisms of the active pasture soil responded with an adaptation of their structure to the increased substrate availability in the short term, but did not change their initial functions in the long term. After urea/ rock phosphate addition a significant increase in the relative fungal abundance was detected, but neither a microbial limitation of energy nor of N or P was observed. However, urea addition accelerated gaseous losses of soil CO2âC in the short term.
In the study area, pronounced alterations in ecosystem functioning due to landâuse changes were detected, especially in soil C and N cycling rates. For a sustainable landâuse in this region it is crucial to prevent pasture degradation and to rehabilitate degraded pastures in order to protect the prevailing mountain rainforest ecosystem. It is of crucial importance for active pasture soils to maintain or even increase resource availability, being one indicator of soil fertility. In this context, the soil organic matter has to be retained in the longâterm to maintain high microbial activity and biomass, and thus pasture productivity. A moderate fertilization with urea and rock phosphate can be a first step to provide continuous nutrient supply for grass growth and to strengthen livestock health through increased fodder quality. However, the risk of further additional emissions of soil CO2âC due to increased loads of urea fertilizer application has to be kept in mind. Overall, for the establishment of a sustainable landâuse management the control of bracken invasion and an adjusted nutrient management are needed. Further investigations on the reduction of soil nutrient losses and increased nutrient use efficiencies of plants, such as combined planting with legumes or the usage of cultivars with special nutrient acquisition strategies, should be in the focus of future work.:Contents
Acknowledgement I
Table of content III
List of Tables V
List of Figures VI
Abbreviations VII
Summary (English/German/Spanish) .................................................... 1
1 Introduction ................................................................................... 6
1.1 Impact of landâuse changes on C and nutrient dynamics ............... 6
1.1.1 Soil organic carbon and soil CO2 flux 7
1.1.2 The role of soil microbes 8
1.1.3 Plantâmicrobe interactions 10
1.1.4 Impact of soil environment on soil microbes 11
1.2 Pasture establishment in the tropics .......................................... 13
1.3 Research area ....................................................................... .... 15
2 Objectives and research questions ......................... ................... 19
2.1 Landâuse change ........................................................................ 19
2.2 Pasture management ............................................................. ... 21
3 Methodology ................................................................................. 22
3.1 Study sites ............................................................................... 22
3.1.1 Landâuse gradient 22
3.1.2 Pasture Fertilization Experiment (FERPAST) 23
3.2 General analyses ....................................................................... 24
3.2.1 Laboratory experiments 25
3.2.2 In situ measurements 26
3.2.3 Statistics 27
4 Results ............................................................................................ 28
4.1 Soil C and nutrient dynamics along a landâuse gradient ............. 28
Potthast, K., Hamer, U., Makeschin, F., 2011. Landâuse change in a tropical mountain rainforest region of southern Ecuador affects soil microorganisms and nutrient cycling. Biogeochemistry, 1â17.
4.2 Impact of pH and ongoing succession on microbial function and structure .......... 29
4.3 Response of soil microbes to brackenâinvasion ........................... 32
Potthast K., Hamer U., Makeschin F. 2010. Impact of litter quality on mineralization processes in managed and abandoned pasture soils in Southern Ecuador. Soil Biology and Biochemistry 42, 56â64.
4.4 Response of soil microbes and pasture grass to fertilization ........33
Hamer, U., Potthast, K., Makeschin, F., 2009. Urea fertilisation affected soil organic matter dynamics and microbial community structure in pasture soils of Southern Ecuador. Applied Soil Ecology 43, 226â233.
Potthast, K., Hamer, U., Makeschin, F., 2012. In an Ecuadorian pasture soil the growth of Setaria sphacelata, but not of soil microorganisms, is coâlimited by N and P. Applied Soil Ecology 62, 103â114.
5 Discussion .................................................................................... 34
5.1 Impact of landâuse changes ...................................................... 34
5.1.1 Soil CO2 fluxes 34
5.1.2 Microbial structure and function 34
5.2 Soil fertility loss of pastures âreasons and first prevention stepsâ . 37
5.2.1 Litter decay and SOM dynamics 37
5.2.2 Fertilization and SOM dynamics 39
5.3 Conclusions and Perspectives ...................................................... 42
References ..................................................................................... 46
Curriculum vitae......................................................................... 58In der vorliegenden Dissertation werden die Auswirkungen der Weideetablierung, âdĂŒngung sowie des Verlassens von Weiden auf Bodenkohlenstoffâ und NĂ€hrstoffdynamik in einer tropischen Bergregenwaldregion Ecuadors zusammenfassend dargestellt und diskutiert. Der Naturwald des Untersuchungsgebietes ist seit Jahrzehnten durch Brandrodung und die Umwandlung in extensiv genutztes Weideland (aktive Weide) in seinem flĂ€chenhaften Bestand bedroht. Als Problem hat sich der Verlust an Fruchtbarkeit der Weideböden wĂ€hrend ihrer Bewirtschaftung herausgestellt. Des Weiteren fĂŒhrt die Einwanderung des Tropischen Adlerfarns (Pteridium arachnoideum, C3âPflanze) zu einer Reduktion der oberirdischen Grasbiomasse. Nimmt diese Entwicklung ĂŒberhand, werden die betroffenen FlĂ€chen von den Bauern nicht mehr aktiv genutzt, verlassen und neuer Regenwald gerodet. Um mehr ĂŒber die Mechanismen der Verringerung der Bodenfruchtbarkeit zu erfahren, wurden biotische und abiotische Bodeneigenschaften und deren Interaktion entlang eines Landnutzungsgradienten (Naturwald â aktive Weide â verlassene Weide) untersucht.
Die Zerstörung des Bergregenwaldökosystems und die ĂberfĂŒhrung der gerodeten FlĂ€chen zur Weidebewirtschaftung verĂ€ndert die Funktion und Struktur der Bodenmikroorganismen und beeinflusst den CO2âC Fluss aus dem Boden. JĂ€hrlich werden 2 t CO2âC haâ1 zusĂ€tzlich vom Weideland emittiert. Diese Erhöhung der Bodenatmungsraten kann mit erhöhten Raten der mikrobiellen CâMineralisierung und Feinwurzelatmung in Verbindung gebracht werden. Das Weidegras (S. sphacelata, C4âPflanze) liefert Câ und Nâreiche ober und unterirdische organische Substanz (z.B. durch die Feinwurzelbiomasse) und trĂ€gt damit zu einer Erhöhung der Câ und NâVerfĂŒgbarkeit fĂŒr die mikroorganismen bei. DarĂŒber hinaus stellen ein höherer pHâWert und eine erhöhte BasensĂ€ttigung im oberen Mineralboden der aktiven Weide gĂŒnstige Bedingungen fĂŒr mikrobielles Wachstum und Metabolismus dar. Als Konsequenz sind die Gehalte an mikrobiellem Biomassekohlenstoff um das Dreifache erhöht und die mikrobiellen Gemeinschaftsstrukturen signifikant in Richtung einer höheren relativen Abundanz der Gram(â)âBakterien und Pilze verschoben.
Eine lĂ€ngerfristige Weidebewirtschaftung ohne Kompensation von NĂ€hrstoffverlusten sowie die Einwanderung des Tropischen Adlerfarnes verschlechterte die Bedingungen fĂŒr die Mikroorganismen, was zu einem signifikanten RĂŒckgang des SOC, der Nettoâ und BruttoâNâMineralisierungsraten sowie zu einer Halbierung der mikrobiellen Biomasse fĂŒhrt. Eine bevorzugte Substratnutzung von Graskohlenstoff (C4) durch die Mikroorganismen hat einen schnellen Abbau des C4âPools zur Folge. Somit dominiert nun der mikrobiell schlechter verfĂŒgbare C3âPool den Bodenkohlenstoffpool. Dies fĂŒhrt zu einem weiteren RĂŒckgang der WeideproduktivitĂ€t und schlieĂlich zum Offenlassen der Weide. Die geringere QualitĂ€t und QuantitĂ€t der vom Farn stammenden oberâ und unterirdischen organischen Substanz (hoher Ligninanteil, weites C/N), fĂŒhrten zu einer Limitierung der Ressourcen fĂŒr die Mikroorganismen, welche deren Funktionen in gröĂerem MaĂe beeinflussen als deren Gemeinschaftsstruktur. Im Gegensatz dazu wird entlang des Landnutzungsgradienten die Struktur hauptsĂ€chlich durch den pHâWert beeinflusst. Daraus folgt, dass Struktur und Funktion der Bodenmikroorganismen voneinander entkoppelt auf VerĂ€nderungen reagieren können.
Um den Einfluss von Harnstoffâ und/ oder RohphosphatdĂŒngung aktiver Weiden auf die Dynamik der organischen Bodensubstanz und auf die WeideproduktivitĂ€t zu untersuchen, wurden sowohl Laborâ als auch Feldversuche durchgefĂŒhrt. Im Feldexperiment wurde gezeigt, dass eine NPâLimitierung der Grasbiomasseproduktion vorliegt und durch eine geringe NPâKombinationsdĂŒngung die oberirdische Phytomasseproduktion um 2 t haâ1 aâ1 gesteigert und die FutterqualitĂ€t durch eine Erhöhung der Pâ und Caâ Gehalte verbessert werden kann. Die Mikroorganismen reagierten mit einer Anpassung ihrer Struktur an die kurzzeitig erhöhte SubstratverfĂŒgbarkeit. Nach Gabe von Harnstoff und/ oder Rohphosphat wurde weder eine Nâ noch eine PâLimitierung der Bodenmikroorganismen festgestellt, und die mikrobiellen Funktionen wurden langfristig nicht verĂ€ndert. Dagegen bewirkte die DĂŒngergabe einen erhöhten relativen Anteil der Pilzabundanz. Im Labor sowie im Feld kam es nach HarnstoffdĂŒngung kurzzeitig zu verstĂ€rkten gasförmigen Verlusten des Bodenkohlenstoffs.
Aufgrund der LandnutzungsĂ€nderungen im Untersuchungsgebiet verĂ€nderten sich die Ăkosystemfunktionen stark, speziell die BodenâCâ und BodenâNâUmsatzraten. FĂŒr eine nachhaltige Landnutzung in der Region, d. h., fĂŒr den Schutz der noch verbliebenen natĂŒrlichen BergregenwaldflĂ€chen, ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Weidedegradierung verhindert wird und degradierte FlĂ€chen wieder in Nutzung genommen werden. Als entscheidend fĂŒr die WeideproduktivitĂ€t hat sich in dieser Studie die RessourcenverfĂŒgbarkeit fĂŒr Bodenmikroorganismen herausgestellt. Daher ist es sehr wichtig, diese RessourcenverfĂŒgbarkeit in Böden aktivâgenutzter Weiden zu erhalten oder noch zu erhöhen, denn sie wirkt sich vor allem auf die organische Bodensubstanz und im Wechselspiel damit auf die mikrobielle Biomasse und AktivitĂ€t aus. Eine moderate KombinationsdĂŒngung aus Harnstoff und Rohphosphat ist ein erster Schritt in diese Richtung. Dabei sollte jedoch das Risiko zusĂ€tzlicher bodenbĂŒrtiger CO2âC Emissionen in Folge höherer DĂŒngergaben berĂŒcksichtigt werden. FĂŒr ein nachhaltiges Landnutzungsmanagement sind MaĂnahmen gegen die Einwanderung des Adlerfarnes und ein angepasstes NĂ€hrstoffmanagement notwendig. Weitere Untersuchungen sollten auf eine Minimierung der NĂ€hrstoffverluste und eine erhöhte NĂ€hrstoffnutzungseffizienz der Pflanzen fokussiert werden. Weidemischkulturen aus GrĂ€sern mit Leguminosen sowie der Einsatz von Kulturen mit speziellen NĂ€hrstoffaneignungsstrategien könnten dabei eine groĂe Rolle spielen und sollten in der Region erprobt werden.:Contents
Acknowledgement I
Table of content III
List of Tables V
List of Figures VI
Abbreviations VII
Summary (English/German/Spanish) .................................................... 1
1 Introduction ................................................................................... 6
1.1 Impact of landâuse changes on C and nutrient dynamics ............... 6
1.1.1 Soil organic carbon and soil CO2 flux 7
1.1.2 The role of soil microbes 8
1.1.3 Plantâmicrobe interactions 10
1.1.4 Impact of soil environment on soil microbes 11
1.2 Pasture establishment in the tropics .......................................... 13
1.3 Research area ....................................................................... .... 15
2 Objectives and research questions ......................... ................... 19
2.1 Landâuse change ........................................................................ 19
2.2 Pasture management ............................................................. ... 21
3 Methodology ................................................................................. 22
3.1 Study sites ............................................................................... 22
3.1.1 Landâuse gradient 22
3.1.2 Pasture Fertilization Experiment (FERPAST) 23
3.2 General analyses ....................................................................... 24
3.2.1 Laboratory experiments 25
3.2.2 In situ measurements 26
3.2.3 Statistics 27
4 Results ............................................................................................ 28
4.1 Soil C and nutrient dynamics along a landâuse gradient ............. 28
Potthast, K., Hamer, U., Makeschin, F., 2011. Landâuse change in a tropical mountain rainforest region of southern Ecuador affects soil microorganisms and nutrient cycling. Biogeochemistry, 1â17.
4.2 Impact of pH and ongoing succession on microbial function and structure .......... 29
4.3 Response of soil microbes to brackenâinvasion ........................... 32
Potthast K., Hamer U., Makeschin F. 2010. Impact of litter quality on mineralization processes in managed and abandoned pasture soils in Southern Ecuador. Soil Biology and Biochemistry 42, 56â64.
4.4 Response of soil microbes and pasture grass to fertilization ........33
Hamer, U., Potthast, K., Makeschin, F., 2009. Urea fertilisation affected soil organic matter dynamics and microbial community structure in pasture soils of Southern Ecuador. Applied Soil Ecology 43, 226â233.
Potthast, K., Hamer, U., Makeschin, F., 2012. In an Ecuadorian pasture soil the growth of Setaria sphacelata, but not of soil microorganisms, is coâlimited by N and P. Applied Soil Ecology 62, 103â114.
5 Discussion .................................................................................... 34
5.1 Impact of landâuse changes ...................................................... 34
5.1.1 Soil CO2 fluxes 34
5.1.2 Microbial structure and function 34
5.2 Soil fertility loss of pastures âreasons and first prevention stepsâ . 37
5.2.1 Litter decay and SOM dynamics 37
5.2.2 Fertilization and SOM dynamics 39
5.3 Conclusions and Perspectives ...................................................... 42
References ..................................................................................... 46
Curriculum vitae......................................................................... 58La tesis presentada investiga el impacto del establecimiento de pasto, de su fertilizaciĂłn y de su manejo tradicional (abandono del pastizal) a la dinĂĄmica del carbono y de los nutrientes de suelo en la regiĂłn de los bosques tropicales montañosos en el Sur de Ecuador. Durante las Ășltimas dĂ©cadas el bosque natural en el ĂĄrea de estudio ha estado amenazada por su conversiĂłn a pastizales. Sin embargo, la fertilidad del suelo en pastos de tipo extensivo (pastos activos) decrece frecuentemente durante el uso de los pastos. La invasiĂłn de Llashipa (Pteridium arachnoideum) conduce al abandono de los pastos cuando la Ă©sta se vuelve dominante. Con la finalidad de revelar los mecanismos detrĂĄs de esta disminuciĂłn de la fertilidad de suelo, se analizaron las propiedades biĂłticas y abiĂłticas del suelo y sus interacciones, a lo largo de una gradiente del uso de la tierra (bosque natural âpasto activo â pastos abandonados).
La perturbaciĂłn del ecosistema de bosque tropical montañoso por su cambio de uso, mediante el establecimiento de pastizales, ha alterado la funciĂłn y la estructura de los microorganismos y ha afectado el flujo de CO2âC del suelo. Cada año 2 Mg CO2âC haâ1 fueron emitidas adicionalmente por el establecimiento de pastos. Esta aceleraciĂłn en la tasa de respiraciĂłn del suelo estĂĄ relacionada con el aumento de las tasas de mineralizaciĂłn microbiana de carbono y de la respiraciĂłn de las raĂces. La alta calidad y abundancia de N de los residuos orgĂĄnicos del suelo con pasto Mequeron (S. sphacelata, C4âplanta), especialmente debido a la gran biomasa de las raĂces finas, ofrecen una disponibilidad alta de C y N para los microorganismos. En comparaciĂłn con el bosque natural, el aumento del pH y la saturaciĂłn bases acelerada fueron condiciones mĂĄs favorables para el crecimiento microbiano y para el metabolismo microbiano en el parte superior del suelo mineral en pastos activos. La cantidad de C de la biomasa de los microorganismos fue tres veces mayor que la del bosque y se ha observado un cambio significativo de la estructura de la comunidad microbiana, en donde la abundancia relativa de los hongos y de las bacterias Gram(â) ha aumentado.
El uso de pasto a largo plazo y la invasiĂłn de Llashipa (C3âplanta) han reducido los efectos benĂ©ficos para los microorganismos, que resultaron en una reducciĂłn significativa de las tasas de la mineralizaciĂłn de C y N, y en una reducciĂłn en dos tercios de la biomasa microbiana. El uso preferencial de los microorganismos por sustrato de pasto C4 han resultado en una rĂĄpida disminuciĂłn de la reserva de C4. Como consecuencia, la menor disponibilidad de la reserva de C3 de las plantas de Llashipa y de la cobertura anterior de
bosque ha incrementado su dominancia en la reserva de materia orgĂĄnica del suelo. Eso resulta, en una mayor disminuciĂłn de la productividad de los pastos, conduciendo finalmente al abandono de los campos de pastos. La menor calidad y cantidad de los residuos acumulados sobre y bajo el suelo provenientes de la Llashipa han dado como resultado un sustrato de limitadas condiciones que estĂĄn afectando mĂĄs a las funciones microbiales antes que a su estructura. La estructura microbiana parece ser mĂĄs sensible al pH del suelo a largo de la gradiente del uso de la tierra; de manera que se ha identificado una desconexiĂłn entre la estructura y funciĂłn microbial.
Experimentos de fertilizaciĂłn en laboratorio y en campo han sido realizados para evaluar el impacto de la aplicaciĂłn de enmiendas (urea y/o roca fosfĂłrica) a la dinĂĄmica de la materia orgĂĄnica y a la productividad de los pastos activos. El resultado del experimento de campo ha demostrado que la fertilizaciĂłn combinada es mĂĄs efectiva, mostrando un aumento en la producciĂłn de biomasa de 2 Mg haâ1 aâ1, lo que indica una limitaciĂłn de N y P para el crecimiento del pasto. AdemĂĄs, la calidad de forraje se mostrĂł incrementada ya que el contenido de P y de Ca han aumentado significativamente. Los microorganismos del suelo en el pasto activo han respondido a corto plazo con una adaptaciĂłn de su estructura ante la
Effekte von pflanzenbĂŒrtigem DOM und P-DĂŒngung auf NĂ€hrstoffumsatzprozesse in Böden genutzter und verlassener Weiden SĂŒdecuadors
Um landnutzungsbedingte VerĂ€nderungen der organischen Bodensubstanz (SOM) sowie der NĂ€hrstoffe und den daraus folgenden Implikationen fĂŒr die Bodenfunktionen abzuschĂ€tzen zu können ist das VerstĂ€ndnis von Mechanismen der C-Transformation eine Voraussetzung. Gelöste organische Substanz (DOM) ist eine C-Fraktion mit hoher BioverfĂŒgbarkeit und trĂ€gt substantiell zu NĂ€hrstoffumsetzungen und Zersetzungsprozessen bei. Eine wichtige Quelle fĂŒr DOM ist Pflanzenstreu. Im Untersuchungsgebiet in SĂŒdecuador wird das Weidegras (Setaria sphacelata, C4 Pflanze) im Laufe der Weidenutzung durch den Tropischen Farn (Pteridium arachnoideum, C3 Pflanze) verdrĂ€ngt und diese unproduktiven Weiden werden aufgegeben. In einem 28 tĂ€gigen Inkubationsexperiment wurden die Effekte von gras- bzw. farnbĂŒrtigem DOM mit und ohne Zugabe von PO4-P auf die mikrobielle Gemeinschaft (AktivitĂ€t, Biomasse, Struktur (PLFA)) in aktiven (aW) bzw. verlassenen Weideböden (vW) untersucht. Am Ende der Inkubation zeigten alle Mikrokosmen denen DOM zugegeben wurde einen Anstieg des mikrobiell gebundenen C und P um den Faktor 1.2-1.3 und 1.3-2.0 im Vergleich zu den Kontrollen. Der Effekt war deutlicher nach Zugabe von Gras-DOM als nach Farn-DOM. Ein signifikanter zusĂ€tzlicher Effekt nach P-Zugabe war im Einzelfall festzustellen. Die ?13-C-Signatur des mineralisierten C zeigte eine prĂ€ferentielle Nutzung des DOM-C bei gleichzeitiger Nutzung des SOM-C an. Dabei wurden Priming Effekte beobachtet. Die DOM-Zugabe hatte nicht nur einen EinfluĂ auf AktivitĂ€t und Biomasse der mikrobiellen Gemeinschaft sondern auch auf deren Struktur. Die Ergebnisse zeigen, dass die biologische Abbaubarkeit des zugegebenen DOM und die Interaktionen mit den Organismen von dessen QualitĂ€t und dem biochemischen Zustand der Böden abhĂ€ngen
WeidedĂŒngung in einer ecuadorianischen Bergregenwaldregion â Möglichkeit der Degradationsminderung?
Aufgrund wachsenden Bevölkerungsdruckes wird in der Bergregenwaldregion SĂŒd-Ecuadors immer mehr Wald in WeideflĂ€chen ĂŒberfĂŒhrt. WeidegrĂ€ser langjĂ€hrig genutzter Weiden werden jedoch durch den tropischen Adlerfarn mit seinem ausgeprĂ€gten Rhizomsystem verdrĂ€ngt. Durch die Kombination aus VerdrĂ€ngung des Grases und der NĂ€hrstoffakkumulation/geringe RĂŒckfĂŒhrung pflanzenverfĂŒgbarer NĂ€hrstoffe durch den Farn (Potthast et al. 2010) degradieren die WeideflĂ€chen zunehmend und fĂŒhren zu ihrer Aufgabe und erneuter Waldrodung.
Um den Einfluss von DĂŒngerapplikation auf QuantitĂ€t und QualitĂ€t des Weidegrases, verfĂŒgbare BodennĂ€hrstoffe sowie bodenbiologische Indikatoren zu untersuchen, wurde 2007 ein Feldexperiment auf 2000m Höhe auf einer aktiven Weide initiiert. Auf einer FlĂ€che von 0.5 ha-1 wurden jeweils 6 Plots (25 mÂČ): Kontrolle (X), Urea (N), Rockphosphat (P) und Kombination (NP) angelegt. Die DĂŒngergaben von 50 kg N ha-1 a-1 sowie 10 kg P ha-1 a-1 wurden auf drei DĂŒngetermine im Jahr verteilt. Die Grasbiomasseproduktion der Plots wurde alle 2-3 Monate bestimmt. Plotbezogen wurden bodenbiologische (mikrobielle Biomasse C und N, PLFA-Analyse, Netto-N Mineralisation) sowie geochemische Analysen (pH-Wert, PO4-P (NH4F); NO3-N, NH4-N (KCl)) durchgefĂŒhrt.
Die Urea-DĂŒngung bewirkte eine Erhöhung der Grasbiomasseproduktion, wobei mit 11.3 Mg ha-1 a-1 die NP Variante 2 Mg ha-1 a-1 mehr Biomasse produzierte als X und P. Neben einer erhöhten VerfĂŒgbarkeit an PO4-P im Oberboden auf P-gedĂŒngten FlĂ€chen konnte auch ein erhöhter Gesamtphosphorgehalt der Grasbiomasse nachgewiesen werden. Die DĂŒngung hatte keinen Einfluss auf die Höhe der mikrobiellen Biomasse zeigte aber eine VerĂ€nderung der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur (signifikanter Anstieg des Pilzmarkers 18:2n6,9c). Die Untersuchungen zeigen, dass durch eine KombinationsdĂŒngung (NP) dem Boden wichtige PflanzennĂ€hrstoffe zur Aufnahme in die Grasbiomasse zugefĂŒhrt werden, welche die BodenqualitĂ€t im Untersuchungszeitraum erhalten und den potentiell verfĂŒgbaren Wuchsraum des Farnes verringern konnten. Eine Weidedegradation kann dadurch zumindest momentan vermieden werden. Eine moderate KombinationsdĂŒngung stellt somit einen ersten Schritt zu einem nachhaltigen Weidemanagement in der Bergregenwaldregion SĂŒd-Ecuadors dar
Grasshopper herbivory immediately affects element cycling but not export rates in an Nâlimited grassland system
As a cause of ecosystem disturbances, phytophagous insects are known to directly influence the element and organic matter (OM) cycling in ecosystems by their defoliation and excretion activity. This study focuses on the interplay between short-term, insect herbivory, plant responses to feeding activity, rhizosphere processes, and belowground nutrient availability under nutrient-poor soil conditions. To test the effects of insect herbivory on OM and nutrient cycling in an N-limited pasture system, mesocosm laboratory experiments were conducted using Dactylis glomerata as common grass species and Chorthippus dorsatus, a widespread grasshopper species, to induce strong defoliating herbivory. 13CO2 pulse labeling was used together with labeled 15N feces to trace the fate of C in soil respiration at the beginning of herbivory, and of C and N in above- and belowground plant biomass, grasshopper, feces, bulk soil, soil microbial biomass, throughfall solutions, and soil solutions. Within five days, herbivory caused a reduction in aboveground grass biomass by about 34%. A linear mixed-effects model revealed that herbivory significantly increased total dissolved C and N amounts in throughfall solutions by a factor of 4â10 (P < 0.05) compared with the control. In total, 27.6% of the initially applied feces 15N were translocated from the aboveground to the belowground system. A significant enrichment of 15N in roots led to the assumption that feces-derived 15N was rapidly taken up to compensate for the frass-related foliar N losses in light of N shortage. Soil microorganisms incorporated newly available 13C; however, the total amount of soil microbial biomass remained unaffected, while the exploitative grass species rapidly sequestered resources to facilitate its regrowth after herbivory attack. Heavy herbivory by insects infesting D. glomerata-dominated, N-deficient grasslands remarkably impacted belowground nutrient cycling by an instant amplification of available nutrients, which led to an intensified nutrient competition between plants and soil microorganisms. Consequently, these competitive plantâsoil microbe interactions accelerated N cycling and effectively retained herbivory-mediated C and N surplus release resulting in diminished N losses from the system. The study highlighted the overarching role of plant adaptations to in situ soil fertility in short-term ecosystem disturbances
Chromophores from hexeneuronic acids: identification of HexA-derived chromophores
© 2017, The Author(s). Hexeneuronic acids (HexA) have long been known as triggers for discoloration processes in glucuronoxylan-containing cellulosic pulps. They are formed under the conditions of pulping from 4-O-methylglucuronic acid residues, and are removed in an âA stageâ along the bleaching sequences, which mainly comprises acidic washing treatments. The chemical structures of HexA-derived chromophoric compounds 4â8, which make up 90% of the HexA-derived chromophores, are reported here for the first time. The compounds are ladder-type, mixed quinoid-aromatic oligomers of the bis(furano)-[1,4]benzoquinone and bis(benzofurano)-[1,4] benzoquinone type. The same chromophoric compounds are generated independently of the starting material, which can be either a) HexA in pulp, b) the HexA model compound methyl 1- 13 C-4-deoxy-ÎČ-L-threo-hex-4-enopyranosiduronic acid (1) or c) a mixture of the primary degradation intermediates of 1, namely 5-formyl-furancarboxylic acid (2) and 2-furancarboxylic acid (3). Isotopic labeling ( 13 C) in combination with NMR spectroscopy and mass spectrometry served for structure elucidation, and final confirmation was provided by X-ray structure analysis. 13 C-Isotopic labeling was also used to establish the formation mechanisms, showing all the compounds to be composed of condensed, but otherwise largely intact, 2-carbonylfuran and 2-carbonylfuran-5-carboxylic acid moieties. These results disprove the frequent assumption that HexA-derived or furfural-derived chromophores are linear furanoid polymers, and might have a direct bearing on structure elucidation studies of âhuminsâ, which are formed as dark-colored byproducts in depolymerization of pentosans and hexosans in different biorefinery scenarios
Chromophores from hexeneuronic acids (HexA): synthesis of model compounds and primary degradation intermediates
Hexeneuronic acid (HexA) is formed under pulping conditions from 4-O-methyl-glucuronic acid residues in xylans by methanol elimination. It is usually removed by an acidic washing treatment (A-stage) within the pulp bleaching sequence. Hexeneuronic acid has long been recognized as a source of color generation in pulps, but the chemical structure of the actual chromophoric compounds remained elusive. We report the synthesis of isotopically (13C) labeled HexA model units carrying a label at any of the six carbon atoms. Confirming pertinent literature accounts, it is shown that HexA forms three primary degradation intermediates, 2-furancarboxylic acid, 5-formyl-2-furancarboxylic acid, and formic acid, under mildly acidic conditions, and their formation mechanism is discussed. 2-Furancarboxylic acid is demonstrated to be deformylation product of 5-formyl-2-furancarboxylic acid. The three primary intermediates are colorless and do not represent chromophores themselves. Their mixture, upon thermal or acidic treatment, gives rise to the same chromophores that are also directly formed from HexA.(VLID)221167
Accounting for multiple ecosystem services in a simulation of landâuse decisions: Does it reduce tropical deforestation?
Conversion of tropical forests is among the primary causes of global environmental change. The loss of their important environmental services has prompted calls to integrate ecosystem services (ES) in addition to socio-economic objectives in decisionmaking. To test the effect of accounting for both ES and socio-economic objectives in land-use decisions, we develop a new dynamic approach to model deforestation scenarios for tropical mountain forests. We integrate multi-objective optimization of land allocation with an innovative approach to consider uncertainty spaces for each objective. These uncertainty spaces account for potential variability among decisionmakers, who may have different expectations about the future. When optimizing only socio-economic objectives, the model continues the past trend in deforestation (1975â2015) in the projected land-use allocation (2015â2070). Based on indicators for biomass production, carbon storage, climate and water regulation, and soil quality, we show that considering multiple ES in addition to the socio-economic objectives has heterogeneous effects on land-use allocation. It saves some natural forest if the natural forest share is below 38%, and can stop deforestation once the natural forest share drops below 10%. For landscapes with high shares of forest (38%â80% in our study), accounting for multiple ES under high uncertainty of their indicators may, however, accelerate deforestation. For such multifunctional landscapes, two main effects prevail: (a) accelerated expansion of diversified non-natural areas to elevate the levels of the indicators and (b) increased landscape diversification to maintain multiple ES, reducing the proportion of natural forest. Only when accounting for vascular plant species richness as an explicit objective in the optimization, deforestation was consistently reduced. Aiming for multifunctional landscapes may therefore conflict with the aim of reducing deforestation, which we can quantify here for the first time. Our findings are relevant for identifying types of landscapes where this conflict may arise and to better align respective policies
Implications of land-use change and pasture management on soil microbial function and structure in the mountain rainforest region of southern Ecuador
In the present thesis, implications of pasture establishment, fertilization and abandonment on soil C and nutrient dynamics were investigated for the mountain rainforest region of southern Ecuador. Over the past decades the natural forest of the study area has been threatened by conversion to cattle pastures. However, the soil fertility of these extensively grazed pastures (active pastures) declines continuously during pasture use. The invasion of bracken fern (Pteridium arachnoideum) leads to pasture abandonment when bracken becomes dominant. In order to reveal the mechanisms behind the deterioration of soil fertility, biotic and abiotic soil properties and their interaction were analyzed along a landâuse gradient (natural forest â active pasture â abandoned pasture).
The ecosystem disturbance of the mountain rainforest through pasture use changed the microbial function and structure, and affected soil CO2âC fluxes. Annually, 2 Mg soil CO2âC haâ1 were additionally emitted from the pasture land. This acceleration in soil respiration rates was related to accelerated rates of microbial C mineralization and fineâroot respiration. The highâquality, Nârich aboveâ and belowground residues of the pasture grass (S. sphacelata, C4âplant), especially the huge fineâroot biomass, provided a high C and N availability for soil microbes. Compared to the forest, increased soil pH and accelerated base saturation were further factors beneficial for soil microbial growth and metabolism of the upper mineral soil at active pastures. Three times higher amounts of microbial biomass C and a significant shift in the microbial community structure towards a higher relative abundance of Gram(â)â bacteria and fungi were observed.
Longâterm pasture use and the invasion of bracken (C3âplant) diminished beneficial effects for microbes, causing a significant decrease in the C, net, and gross N mineralization rates as well as a twoâthird reduction in the microbial biomass. A preferential substrate utilization of grassâderived C4 by the soil microbes resulted in a rapid decline of the C4âpool. As a consequence, the less available C3âpool from bracken and former forest increased its dominance in the SOCâpool, further decreasing pasture productivity and finally causing pasture abandonment. The lower quality and quantity of aboveâ and belowground residues of the bracken (high lignin content, C/N) resulted in resourceâlimited conditions that influenced the microbial function to greater extent than their structure. The microbial structure seemed to be sensitive mainly to soil pH along the landâuse gradient. Thus, a disconnection between microbial structure and function was identified.
Fertilization experiments were conducted both in the lab and in the field to evaluate the impact of urea and/or rock phosphate amendment on SOM dynamics and on pasture productivity of active pastures. After combined fertilization the pasture yield was most efficiently increased by 2 Mg haâ1 aâ1, indicating a NPâlimitation of grass growth. Furthermore, the fodder quality was improved by a higher content of P and Ca in the grass biomass. The microorganisms of the active pasture soil responded with an adaptation of their structure to the increased substrate availability in the short term, but did not change their initial functions in the long term. After urea/ rock phosphate addition a significant increase in the relative fungal abundance was detected, but neither a microbial limitation of energy nor of N or P was observed. However, urea addition accelerated gaseous losses of soil CO2âC in the short term.
In the study area, pronounced alterations in ecosystem functioning due to landâuse changes were detected, especially in soil C and N cycling rates. For a sustainable landâuse in this region it is crucial to prevent pasture degradation and to rehabilitate degraded pastures in order to protect the prevailing mountain rainforest ecosystem. It is of crucial importance for active pasture soils to maintain or even increase resource availability, being one indicator of soil fertility. In this context, the soil organic matter has to be retained in the longâterm to maintain high microbial activity and biomass, and thus pasture productivity. A moderate fertilization with urea and rock phosphate can be a first step to provide continuous nutrient supply for grass growth and to strengthen livestock health through increased fodder quality. However, the risk of further additional emissions of soil CO2âC due to increased loads of urea fertilizer application has to be kept in mind. Overall, for the establishment of a sustainable landâuse management the control of bracken invasion and an adjusted nutrient management are needed. Further investigations on the reduction of soil nutrient losses and increased nutrient use efficiencies of plants, such as combined planting with legumes or the usage of cultivars with special nutrient acquisition strategies, should be in the focus of future work.:Contents
Acknowledgement I
Table of content III
List of Tables V
List of Figures VI
Abbreviations VII
Summary (English/German/Spanish) .................................................... 1
1 Introduction ................................................................................... 6
1.1 Impact of landâuse changes on C and nutrient dynamics ............... 6
1.1.1 Soil organic carbon and soil CO2 flux 7
1.1.2 The role of soil microbes 8
1.1.3 Plantâmicrobe interactions 10
1.1.4 Impact of soil environment on soil microbes 11
1.2 Pasture establishment in the tropics .......................................... 13
1.3 Research area ....................................................................... .... 15
2 Objectives and research questions ......................... ................... 19
2.1 Landâuse change ........................................................................ 19
2.2 Pasture management ............................................................. ... 21
3 Methodology ................................................................................. 22
3.1 Study sites ............................................................................... 22
3.1.1 Landâuse gradient 22
3.1.2 Pasture Fertilization Experiment (FERPAST) 23
3.2 General analyses ....................................................................... 24
3.2.1 Laboratory experiments 25
3.2.2 In situ measurements 26
3.2.3 Statistics 27
4 Results ............................................................................................ 28
4.1 Soil C and nutrient dynamics along a landâuse gradient ............. 28
Potthast, K., Hamer, U., Makeschin, F., 2011. Landâuse change in a tropical mountain rainforest region of southern Ecuador affects soil microorganisms and nutrient cycling. Biogeochemistry, 1â17.
4.2 Impact of pH and ongoing succession on microbial function and structure .......... 29
4.3 Response of soil microbes to brackenâinvasion ........................... 32
Potthast K., Hamer U., Makeschin F. 2010. Impact of litter quality on mineralization processes in managed and abandoned pasture soils in Southern Ecuador. Soil Biology and Biochemistry 42, 56â64.
4.4 Response of soil microbes and pasture grass to fertilization ........33
Hamer, U., Potthast, K., Makeschin, F., 2009. Urea fertilisation affected soil organic matter dynamics and microbial community structure in pasture soils of Southern Ecuador. Applied Soil Ecology 43, 226â233.
Potthast, K., Hamer, U., Makeschin, F., 2012. In an Ecuadorian pasture soil the growth of Setaria sphacelata, but not of soil microorganisms, is coâlimited by N and P. Applied Soil Ecology 62, 103â114.
5 Discussion .................................................................................... 34
5.1 Impact of landâuse changes ...................................................... 34
5.1.1 Soil CO2 fluxes 34
5.1.2 Microbial structure and function 34
5.2 Soil fertility loss of pastures âreasons and first prevention stepsâ . 37
5.2.1 Litter decay and SOM dynamics 37
5.2.2 Fertilization and SOM dynamics 39
5.3 Conclusions and Perspectives ...................................................... 42
References ..................................................................................... 46
Curriculum vitae......................................................................... 58In der vorliegenden Dissertation werden die Auswirkungen der Weideetablierung, âdĂŒngung sowie des Verlassens von Weiden auf Bodenkohlenstoffâ und NĂ€hrstoffdynamik in einer tropischen Bergregenwaldregion Ecuadors zusammenfassend dargestellt und diskutiert. Der Naturwald des Untersuchungsgebietes ist seit Jahrzehnten durch Brandrodung und die Umwandlung in extensiv genutztes Weideland (aktive Weide) in seinem flĂ€chenhaften Bestand bedroht. Als Problem hat sich der Verlust an Fruchtbarkeit der Weideböden wĂ€hrend ihrer Bewirtschaftung herausgestellt. Des Weiteren fĂŒhrt die Einwanderung des Tropischen Adlerfarns (Pteridium arachnoideum, C3âPflanze) zu einer Reduktion der oberirdischen Grasbiomasse. Nimmt diese Entwicklung ĂŒberhand, werden die betroffenen FlĂ€chen von den Bauern nicht mehr aktiv genutzt, verlassen und neuer Regenwald gerodet. Um mehr ĂŒber die Mechanismen der Verringerung der Bodenfruchtbarkeit zu erfahren, wurden biotische und abiotische Bodeneigenschaften und deren Interaktion entlang eines Landnutzungsgradienten (Naturwald â aktive Weide â verlassene Weide) untersucht.
Die Zerstörung des Bergregenwaldökosystems und die ĂberfĂŒhrung der gerodeten FlĂ€chen zur Weidebewirtschaftung verĂ€ndert die Funktion und Struktur der Bodenmikroorganismen und beeinflusst den CO2âC Fluss aus dem Boden. JĂ€hrlich werden 2 t CO2âC haâ1 zusĂ€tzlich vom Weideland emittiert. Diese Erhöhung der Bodenatmungsraten kann mit erhöhten Raten der mikrobiellen CâMineralisierung und Feinwurzelatmung in Verbindung gebracht werden. Das Weidegras (S. sphacelata, C4âPflanze) liefert Câ und Nâreiche ober und unterirdische organische Substanz (z.B. durch die Feinwurzelbiomasse) und trĂ€gt damit zu einer Erhöhung der Câ und NâVerfĂŒgbarkeit fĂŒr die mikroorganismen bei. DarĂŒber hinaus stellen ein höherer pHâWert und eine erhöhte BasensĂ€ttigung im oberen Mineralboden der aktiven Weide gĂŒnstige Bedingungen fĂŒr mikrobielles Wachstum und Metabolismus dar. Als Konsequenz sind die Gehalte an mikrobiellem Biomassekohlenstoff um das Dreifache erhöht und die mikrobiellen Gemeinschaftsstrukturen signifikant in Richtung einer höheren relativen Abundanz der Gram(â)âBakterien und Pilze verschoben.
Eine lĂ€ngerfristige Weidebewirtschaftung ohne Kompensation von NĂ€hrstoffverlusten sowie die Einwanderung des Tropischen Adlerfarnes verschlechterte die Bedingungen fĂŒr die Mikroorganismen, was zu einem signifikanten RĂŒckgang des SOC, der Nettoâ und BruttoâNâMineralisierungsraten sowie zu einer Halbierung der mikrobiellen Biomasse fĂŒhrt. Eine bevorzugte Substratnutzung von Graskohlenstoff (C4) durch die Mikroorganismen hat einen schnellen Abbau des C4âPools zur Folge. Somit dominiert nun der mikrobiell schlechter verfĂŒgbare C3âPool den Bodenkohlenstoffpool. Dies fĂŒhrt zu einem weiteren RĂŒckgang der WeideproduktivitĂ€t und schlieĂlich zum Offenlassen der Weide. Die geringere QualitĂ€t und QuantitĂ€t der vom Farn stammenden oberâ und unterirdischen organischen Substanz (hoher Ligninanteil, weites C/N), fĂŒhrten zu einer Limitierung der Ressourcen fĂŒr die Mikroorganismen, welche deren Funktionen in gröĂerem MaĂe beeinflussen als deren Gemeinschaftsstruktur. Im Gegensatz dazu wird entlang des Landnutzungsgradienten die Struktur hauptsĂ€chlich durch den pHâWert beeinflusst. Daraus folgt, dass Struktur und Funktion der Bodenmikroorganismen voneinander entkoppelt auf VerĂ€nderungen reagieren können.
Um den Einfluss von Harnstoffâ und/ oder RohphosphatdĂŒngung aktiver Weiden auf die Dynamik der organischen Bodensubstanz und auf die WeideproduktivitĂ€t zu untersuchen, wurden sowohl Laborâ als auch Feldversuche durchgefĂŒhrt. Im Feldexperiment wurde gezeigt, dass eine NPâLimitierung der Grasbiomasseproduktion vorliegt und durch eine geringe NPâKombinationsdĂŒngung die oberirdische Phytomasseproduktion um 2 t haâ1 aâ1 gesteigert und die FutterqualitĂ€t durch eine Erhöhung der Pâ und Caâ Gehalte verbessert werden kann. Die Mikroorganismen reagierten mit einer Anpassung ihrer Struktur an die kurzzeitig erhöhte SubstratverfĂŒgbarkeit. Nach Gabe von Harnstoff und/ oder Rohphosphat wurde weder eine Nâ noch eine PâLimitierung der Bodenmikroorganismen festgestellt, und die mikrobiellen Funktionen wurden langfristig nicht verĂ€ndert. Dagegen bewirkte die DĂŒngergabe einen erhöhten relativen Anteil der Pilzabundanz. Im Labor sowie im Feld kam es nach HarnstoffdĂŒngung kurzzeitig zu verstĂ€rkten gasförmigen Verlusten des Bodenkohlenstoffs.
Aufgrund der LandnutzungsĂ€nderungen im Untersuchungsgebiet verĂ€nderten sich die Ăkosystemfunktionen stark, speziell die BodenâCâ und BodenâNâUmsatzraten. FĂŒr eine nachhaltige Landnutzung in der Region, d. h., fĂŒr den Schutz der noch verbliebenen natĂŒrlichen BergregenwaldflĂ€chen, ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Weidedegradierung verhindert wird und degradierte FlĂ€chen wieder in Nutzung genommen werden. Als entscheidend fĂŒr die WeideproduktivitĂ€t hat sich in dieser Studie die RessourcenverfĂŒgbarkeit fĂŒr Bodenmikroorganismen herausgestellt. Daher ist es sehr wichtig, diese RessourcenverfĂŒgbarkeit in Böden aktivâgenutzter Weiden zu erhalten oder noch zu erhöhen, denn sie wirkt sich vor allem auf die organische Bodensubstanz und im Wechselspiel damit auf die mikrobielle Biomasse und AktivitĂ€t aus. Eine moderate KombinationsdĂŒngung aus Harnstoff und Rohphosphat ist ein erster Schritt in diese Richtung. Dabei sollte jedoch das Risiko zusĂ€tzlicher bodenbĂŒrtiger CO2âC Emissionen in Folge höherer DĂŒngergaben berĂŒcksichtigt werden. FĂŒr ein nachhaltiges Landnutzungsmanagement sind MaĂnahmen gegen die Einwanderung des Adlerfarnes und ein angepasstes NĂ€hrstoffmanagement notwendig. Weitere Untersuchungen sollten auf eine Minimierung der NĂ€hrstoffverluste und eine erhöhte NĂ€hrstoffnutzungseffizienz der Pflanzen fokussiert werden. Weidemischkulturen aus GrĂ€sern mit Leguminosen sowie der Einsatz von Kulturen mit speziellen NĂ€hrstoffaneignungsstrategien könnten dabei eine groĂe Rolle spielen und sollten in der Region erprobt werden.:Contents
Acknowledgement I
Table of content III
List of Tables V
List of Figures VI
Abbreviations VII
Summary (English/German/Spanish) .................................................... 1
1 Introduction ................................................................................... 6
1.1 Impact of landâuse changes on C and nutrient dynamics ............... 6
1.1.1 Soil organic carbon and soil CO2 flux 7
1.1.2 The role of soil microbes 8
1.1.3 Plantâmicrobe interactions 10
1.1.4 Impact of soil environment on soil microbes 11
1.2 Pasture establishment in the tropics .......................................... 13
1.3 Research area ....................................................................... .... 15
2 Objectives and research questions ......................... ................... 19
2.1 Landâuse change ........................................................................ 19
2.2 Pasture management ............................................................. ... 21
3 Methodology ................................................................................. 22
3.1 Study sites ............................................................................... 22
3.1.1 Landâuse gradient 22
3.1.2 Pasture Fertilization Experiment (FERPAST) 23
3.2 General analyses ....................................................................... 24
3.2.1 Laboratory experiments 25
3.2.2 In situ measurements 26
3.2.3 Statistics 27
4 Results ............................................................................................ 28
4.1 Soil C and nutrient dynamics along a landâuse gradient ............. 28
Potthast, K., Hamer, U., Makeschin, F., 2011. Landâuse change in a tropical mountain rainforest region of southern Ecuador affects soil microorganisms and nutrient cycling. Biogeochemistry, 1â17.
4.2 Impact of pH and ongoing succession on microbial function and structure .......... 29
4.3 Response of soil microbes to brackenâinvasion ........................... 32
Potthast K., Hamer U., Makeschin F. 2010. Impact of litter quality on mineralization processes in managed and abandoned pasture soils in Southern Ecuador. Soil Biology and Biochemistry 42, 56â64.
4.4 Response of soil microbes and pasture grass to fertilization ........33
Hamer, U., Potthast, K., Makeschin, F., 2009. Urea fertilisation affected soil organic matter dynamics and microbial community structure in pasture soils of Southern Ecuador. Applied Soil Ecology 43, 226â233.
Potthast, K., Hamer, U., Makeschin, F., 2012. In an Ecuadorian pasture soil the growth of Setaria sphacelata, but not of soil microorganisms, is coâlimited by N and P. Applied Soil Ecology 62, 103â114.
5 Discussion .................................................................................... 34
5.1 Impact of landâuse changes ...................................................... 34
5.1.1 Soil CO2 fluxes 34
5.1.2 Microbial structure and function 34
5.2 Soil fertility loss of pastures âreasons and first prevention stepsâ . 37
5.2.1 Litter decay and SOM dynamics 37
5.2.2 Fertilization and SOM dynamics 39
5.3 Conclusions and Perspectives ...................................................... 42
References ..................................................................................... 46
Curriculum vitae......................................................................... 58La tesis presentada investiga el impacto del establecimiento de pasto, de su fertilizaciĂłn y de su manejo tradicional (abandono del pastizal) a la dinĂĄmica del carbono y de los nutrientes de suelo en la regiĂłn de los bosques tropicales montañosos en el Sur de Ecuador. Durante las Ășltimas dĂ©cadas el bosque natural en el ĂĄrea de estudio ha estado amenazada por su conversiĂłn a pastizales. Sin embargo, la fertilidad del suelo en pastos de tipo extensivo (pastos activos) decrece frecuentemente durante el uso de los pastos. La invasiĂłn de Llashipa (Pteridium arachnoideum) conduce al abandono de los pastos cuando la Ă©sta se vuelve dominante. Con la finalidad de revelar los mecanismos detrĂĄs de esta disminuciĂłn de la fertilidad de suelo, se analizaron las propiedades biĂłticas y abiĂłticas del suelo y sus interacciones, a lo largo de una gradiente del uso de la tierra (bosque natural âpasto activo â pastos abandonados).
La perturbaciĂłn del ecosistema de bosque tropical montañoso por su cambio de uso, mediante el establecimiento de pastizales, ha alterado la funciĂłn y la estructura de los microorganismos y ha afectado el flujo de CO2âC del suelo. Cada año 2 Mg CO2âC haâ1 fueron emitidas adicionalmente por el establecimiento de pastos. Esta aceleraciĂłn en la tasa de respiraciĂłn del suelo estĂĄ relacionada con el aumento de las tasas de mineralizaciĂłn microbiana de carbono y de la respiraciĂłn de las raĂces. La alta calidad y abundancia de N de los residuos orgĂĄnicos del suelo con pasto Mequeron (S. sphacelata, C4âplanta), especialmente debido a la gran biomasa de las raĂces finas, ofrecen una disponibilidad alta de C y N para los microorganismos. En comparaciĂłn con el bosque natural, el aumento del pH y la saturaciĂłn bases acelerada fueron condiciones mĂĄs favorables para el crecimiento microbiano y para el metabolismo microbiano en el parte superior del suelo mineral en pastos activos. La cantidad de C de la biomasa de los microorganismos fue tres veces mayor que la del bosque y se ha observado un cambio significativo de la estructura de la comunidad microbiana, en donde la abundancia relativa de los hongos y de las bacterias Gram(â) ha aumentado.
El uso de pasto a largo plazo y la invasiĂłn de Llashipa (C3âplanta) han reducido los efectos benĂ©ficos para los microorganismos, que resultaron en una reducciĂłn significativa de las tasas de la mineralizaciĂłn de C y N, y en una reducciĂłn en dos tercios de la biomasa microbiana. El uso preferencial de los microorganismos por sustrato de pasto C4 han resultado en una rĂĄpida disminuciĂłn de la reserva de C4. Como consecuencia, la menor disponibilidad de la reserva de C3 de las plantas de Llashipa y de la cobertura anterior de
bosque ha incrementado su dominancia en la reserva de materia orgĂĄnica del suelo. Eso resulta, en una mayor disminuciĂłn de la productividad de los pastos, conduciendo finalmente al abandono de los campos de pastos. La menor calidad y cantidad de los residuos acumulados sobre y bajo el suelo provenientes de la Llashipa han dado como resultado un sustrato de limitadas condiciones que estĂĄn afectando mĂĄs a las funciones microbiales antes que a su estructura. La estructura microbiana parece ser mĂĄs sensible al pH del suelo a largo de la gradiente del uso de la tierra; de manera que se ha identificado una desconexiĂłn entre la estructura y funciĂłn microbial.
Experimentos de fertilizaciĂłn en laboratorio y en campo han sido realizados para evaluar el impacto de la aplicaciĂłn de enmiendas (urea y/o roca fosfĂłrica) a la dinĂĄmica de la materia orgĂĄnica y a la productividad de los pastos activos. El resultado del experimento de campo ha demostrado que la fertilizaciĂłn combinada es mĂĄs efectiva, mostrando un aumento en la producciĂłn de biomasa de 2 Mg haâ1 aâ1, lo que indica una limitaciĂłn de N y P para el crecimiento del pasto. AdemĂĄs, la calidad de forraje se mostrĂł incrementada ya que el contenido de P y de Ca han aumentado significativamente. Los microorganismos del suelo en el pasto activo han respondido a corto plazo con una adaptaciĂłn de su estructura ante la