Authors:	Boy, Jens
Title:	External drivers of biogeochemical cycles in a tropical montane forest in Ecuador
Online publication date:	25-Mar-2009
Year of first publication:	2009
Language:	english
Abstract:	Successful conservation of tropical montane forest, one of the most threatened ecosystems on earth, requires detailed knowledge of its biogeochemistry. Of particular interest is the response of the biogeochemical element cycles to external influences such as element deposition or climate change. Therefore the overall objective of my study was to contribute to improved understanding of role and functioning of the Andean tropical montane forest. In detail, my objectives were to determine (1) the role of long-range transported aerosols and their transport mechanisms, and (2) the role of short-term extreme climatic events for the element budget of Andean tropical forest. In a whole-catchment approach including three 8-13 ha microcatchments under tropical montane forest on the east-exposed slope of the eastern cordillera in the south Ecuadorian Andes at 1850-2200 m above sea level I monitored at least in weekly resolution the concentrations and fluxes of Ca, Mg, Na, K, NO3-N, NH4-N, DON, P, S, TOC, Mn, and Al in bulk deposition, throughfall, litter leachate, soil solution at the 0.15 and 0.3 m depths, and runoff between May 1998 and April 2003. I also used meteorological data from my study area collected by cooperating researchers and the Brazilian meteorological service (INPE), as well as remote sensing products of the North American and European space agencies NASA and ESA. My results show that (1) there was a strong interannual variation in deposition of Ca [4.4-29 kg ha-1 a-1], Mg [1.6-12], and K [9.8-30]) between 1998 and 2003. High deposition changed the Ca and Mg budgets of the catchments from loss to retention, suggesting that the additionally available Ca and Mg was used by the ecosystem. Increased base metal deposition was related to dust outbursts of the Sahara and an Amazonian precipitation pattern with trans-regional dry spells allowing for dust transport to the Andes. The increased base metal deposition coincided with a strong La Niña event in 1999/2000. There were also significantly elevated H+, N, and Mn depositions during the annual biomass burning period in the Amazon basin. Elevated H+ deposition during the biomass burning period caused elevated base metal loss from the canopy and the organic horizon and deteriorated already low base metal supply of the vegetation. Nitrogen was only retained during biomass burning but not during non-fire conditions when deposition was much smaller. Therefore biomass burning-related aerosol emissions in Amazonia seem large enough to substantially increase element deposition at the western rim of Amazonia. Particularly the related increase of acid deposition impoverishes already base-metal scarce ecosystems. As biomass burning is most intense during El Niño situations, a shortened ENSO cycle because of global warming likely enhances the acid deposition at my study forest. (2) Storm events causing near-surface water flow through C- and nutrient-rich topsoil during rainstorms were the major export pathway for C, N, Al, and Mn (contributing >50% to the total export of these elements). Near-surface flow also accounted for one third of total base metal export. This demonstrates that storm-event related near-surface flow markedly affects the cycling of many nutrients in steep tropical montane forests. Changes in the rainfall regime possibly associated with global climate change will therefore also change element export from the study forest. Element budgets of Andean tropical montane rain forest proved to be markedly affected by long-range transport of Saharan dust, biomass burning-related aerosols, or strong rainfalls during storm events. Thus, increased acid and nutrient deposition and the global climate change probably drive the tropical montane forest to another state with unknown consequences for its functions and biological diversity. La conservación exitosa de los bosques tropicales de montaña, uno de los ecosistemas más amenzados del planeta, requiere el conocimiento detallado de los procesos biogeoquímicos. De particular interés es la respuesta de los ciclos biogeoquímicos de los elementos a las influencias externas, tales como, la deposición de los elementos o los cambios de clima. Consecuentemente, el objetivo general del presente estudio fue contribuir a la mejor comprensión del rol y el funcionamiento del bosque tropical de montaña. Los objetivos específicos fueron determinar: (1) el rol de los aerosoles transportados de larga distancia y sus mecanismos de transporte; y, (2) el rol de los eventos climáticos extremos de corto plazo, sobre el balance de los elementos del bosque tropical andino de montaña. En tres microcuencas de 8-13 ha, de un bosque tropical montano, de la vertiente oriental externa de la cordillera Oriental en los Andes en el Sur del Ecuador, en un rango de altitud de 1 850 a 2 200 m s.n.m, entre mayo de 1998 y abril de 2003, desde una aproximación integral de microcuenca y con una resolución al menos semanal, se registraron las concentraciones y los flujos de Ca, Mg, Na, K, NO3-N, NH4-N, NOD, P, S, COT, Mn, y Al, en la deposición global, la lluvia que a traviesa el dosel, el lixiviado del mantillo, la solución del suelo a 0.15 y 0.3 m de profundidad, y la escorrentía. También, se utilizó la información meteorologica del área de estudio obtenida por los investigadores cooperantes y del Servio Meteorológico de Brasil (INPE); así como, los datos de los sensores remotos de las agencias espaciales de los Estados Unidos (NASA) y de Europa (ESA). Los resultados obtenidos evidencian que: (1) entre 1998 y 2003, se registró una fuerte variación interanual en la deposición de Ca [4.4-29 kg ha-1 a-1], Mg [1.6-12], y K [9.8-30]). Las altas deposiciones de Ca y Mg cambiaron el balance de las microcuencas, de pérdida a retención, lo que sugiere que el Ca y el Mg, adicionalmente disponibles fueron utilizados por el ecosistema. El incremento de la deposición de metales básicos se relacionó con tormentas de polvo del Sahara y un patrón de precipitación de la Amazonía con períodos secos trans-regionales, lo cual favorece el transporte del polvo hasta los Andes. El incremento de la deposición de metales básicos coincidió con un fuerte evento de La Niña en 1999/2000. Se produjeron también deposiciones elevadamente significativas de H+, N, y Mn durante el período de quema anual de la biomasa en la cuenca Amazónica. La elevada deposición de H+ durante el período de quema anual de la biomasa causó una elevada pérdida de metales básicos del dosel y del horizonte orgánico y deterioró la de por si baja provisión de metales básicos a la vegetación. El nitrógeno solamente fue retenido durante la quema de la biomasa, pero no en condiciones de ausencia de quema, durante la cual la deposición fue mucho menor. Por lo tanto, las emisiones de aresoles relacionadas con la quema de la biomasa en la Amazonía, parece que son lo sufientemente grandes para incrementar sustancialmente la deposición de los elementos en el borde occidental de la Amazonía. Particularmente, el incremento relacionado a las deposiciones ácidas empobrecen en mayor grado estos ecosistemas pobres en metales basicos. Puesto que la quema de la biomasa es de mayor intensidad durante las situaciones de El Niño, un ciclo más corto del ENSO ocasionado por el calentamiento global, probablemente incrementaría la deposición ácida en el bosque estudiado. . (2) Los eventos de tormenta que ocasionan el flujo del agua cerca de la superficie a través de C - y la parte superior del suelo rica en nutrientes, fueron las principales vías de exportación de C, N, Al, y Mn (contribuyendo con >50% a la exportación total de estos elementos). Al flujo cerca de la superficie también se le atribuye un tercio de total de la exportación de los metales básicos. Esto demuestra que, el flujo cerca de la superfice relacionado con los eventos de tormenta, marcadamente afecta el ciclo de muchos nutrientes en los bosques tropicales de ladera. Los cambios en el régimen de lluvias, posiblemente asociados con el cambio global del clima, concomitantemente también alterarán la exportación de elementos del bosque estudiado. El balance de los elementos del bosque lluvioso montano tropical Andino, evidenció que está marcadamente afectado por el transporte de largo rango de los polvos del Sahara, los aerosoles relacionados con la quema de la vegetación, o los fuertes aguaceros durante los eventos de tormenta. Consecuentemente, el incremento de la deposición ácida y de nutrientes y el cambio climático global, probablemente conducirán al bosque tropical de montaña a otro estado con consecuencias desconocidas para su funcionalidad y la diversidad biológica.
DDC:	550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4312
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-19271
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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