Schawe, Marcus: Hypsometrischer Klima- und Bodenwandel in Bergregenwaldökosystemen Boliviens

Altitudinal change of climate and soils in Bolivian tropical montane rainforest ecosystems

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Schlüsselwörter
Tropischer Bergregenwald, montane Waldstufe, hochmontane Waldstufe, subalpine Waldstufe, Bolivien, Yungas, Höhenwandel, Podsolierung, Hydromorphie, Sesquioxide, Bodenfeuchte, Streufall, Nährstoffdynamik, kurzwellige Strahlung, PPFD, PET, Vegetationsverbreitung.
Tropical montane rainforest, lower montane forest, upper montane cloud forest, subalpine cloud forest, Bolivia,Yungas, altitudinal change, podzolization, hydromorphy, sesquioxides, soil water, litter, nutrient dynamics, short wave radiation, PPFD, PET, vegetation distribution.

Sachgruppe der DNB
550 Geowissenschaften
Göttinger Online Klassifikation
QDC 420, QDC 440, QDH 000, QDK 000, QDN 300,

Dissertation zur Erlangung des Doktortitels, angenommen von: Georg-August-Universität Göttingen, Mathematisch-naturwissenschaftliche Fakultäten, 2005-07-06

Abstract (ENG)

The altitudinal change of soils, climate and litter in Bolivian tropical montane rainforest ecosystems was investigated to examine the relation between the distribution of vegetation and abiotic factors.

We examined the altitudinal change of soils in a Bolivian tropical montane rainforest, aiming to illuminate the contribution of podzolization and hydromorphic processes to soil formation. On three different transects from 1700 m to 3400 m a.s.l. we determined pH, effective cation exchange capacity, carbon and nitrogen stocks, iron and aluminium fractions from 26 soil profiles. Three zones of different dominant soil forming processes were found: In the lower montane forest (LMF, 1700-2100m a.s.l.) Dystropepts with high nutrient concentration and acidity are common. The distinct difference to the upper montane cloud forest (UMCF, 2200- 2700m a.s.l.) coincided with the appearance of Placorthods including more acidic conditions, deep ectorganic horizons and increasing translocation of sesquioxides. In the subalpine forest (SCF, 2800m- 3400m a.s.l.) hydromorphic processes dominated over podzolization, resulting in Placaquods with low mineralization rate and nutrient concentrat! ion. This shows that due to increasing wetness and colder temperatures at high altitudes, dominant soil forming processes change from podzolization to hydromorphism with increasing altitude.

Persistent cloudiness at about 2200m is the dominant factor of the climate in the montane rainforest. Reduction of global shortwave radiation due to clouds was 37% of modelled potential radiation values in the LMF, 58% in the UMCF and 62% in the SCF. Average daily amount of the potential evapotranspiration (PET) was reduced from 3.3 mm d-1 to 1.3 mm d-1 and 1.1 mm d-1 respectively. The pronounced increase of the annual precipitation from 2310 mm a-1 in the LMF, to 3970 mm a-1 in the UMCF and 5150 mm a-1 in the SCF and the decreased PET led to a linear increase of soil moisture. Despite the marked differences in terms of short wave radiation between the lower montane forest and the upper montane and subalpine cloud forest formations, the measured hydrometeorological factors do not seem to exhibit a direct influence on the distribution of the vegetation.

The nutrient fluxes within the three vegetation units LMF, UMCF and SCF were significantly different. These distinctions based mainly on the different input of litter biomasses and the different time of litter decomposition. The accumulation of nutrients in the organic layer of the UMCF and the SCF were partly similar and partly higher than in the LMF due to deeper ectorganic horizons in the higher vegetation units. Absolute nutrient limitation did not exist. The N-mineralisation was reduced most evidently in the upper vegetation zones. In conclusion the N-shortage, apart from the S-shortage, was probably one of the most important factors influencing the vegetation distribution.

The statistical analysis demonstrates the influence of persistent soil moisture with increasing altitude on the vegetation distribution and structure. This soil moisture causes a decreasing mineralisation rate resulting in reduced nutrient availability and a lower oxygen concentration leading to bad conditions for root growth.

Abstract (GER)

In den Bergregenwaldökosystemen Boliviens wurde der hypsometrische Wandel von Boden, Klima und Streufall untersucht und der Zusammenhang der Vegetationsverbreitung mit den abiotischen Faktoren dargestellt.

Die Böden des Untersuchungsgebietes sind geprägt durch eine hohe Azidität, niedrige Kationenaustauschkapazität und eine hohe Al - Sättigung in den Mineralhorizonten und mächtigen organischen Auflagen von 30cm.
Die unterschiedliche Bodengenese auf gleichem Ausgangsgestein deutet auf differierende hydrologische Bedingungen in den Vegetationseinheiten hin. Es ergeben sich drei Stadien der Bodenentwicklung: Im Lower Montane Forest (1700 bis 2100m ü.M.) sind erste Tendenzen einer Sesquioxidverlagerung festzustellen. Im Upper Montane Cloud Forest (2100m bis 3000m ü.M.) dominieren podsolige Prozesse, wie die Bildung bzw. Verlagerung von metallorganischen Komplexen. Im Subalpine Cloud Forest (3000m bis 3400m ü.M.) ist eine zunehmende Ausprägung eines hydromorphen Bodenmilieus vorhanden.
Das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von allochthonem Material (Löss), gravitativen Prozessen (Erdrutschungen) und Relieflagen modifizieren die Muster der Bodenbildung.

Das Klima des Bergnebelwaldes ist geprägt durch das regelmäßige Nebel - und Wolkenaufkommen ab den Höhen von 2200m.
Das regelmäßige Nebelaufkommen führt zu einer durchschnittlichen Reduktion der kurzwelligen Globalstrahlung im LMF um 37%, im UMCF 58% und im SCF 62% im Vergleich zur potentiellen Strahlung. Die durchschnittliche potentielle Evapotranspiration (PET) sinkt von 3.3mm d-1 auf 1.3mm d-1 bzw. 1.1mm d-1. Die deutlich zunehmenden Jahresniederschläge von 2310 mm a-1 LMF, auf 3970 mm a-1 im UMCF und im SCF 5150 mm a-1 und die abnehmende PET führen zu einem linearen Anstieg der Bodenfeuchte. Trotz der deutlichen Unterschiede in Bezug auf die kurzwellige Strahlung und die PET zwischen dem LMF und den höheren Vegetationseinheiten scheinen die meteorologischen Faktoren nur einen indirekten Einfluss auf die Vegetationsverteilung zu haben.

Es bestehen große Unterschiede in der Nährstoffdynamik der drei Vegetationseinheiten LMF, UMCF und SCF. Diese Differenzen basieren hauptsächlich auf den unterschiedlichen Einträgen von Biomasse der abfallenden Streu und in der unterschiedlich schnellen Zersetzung dieser Streu.
In den organischen Auflagen im UMCF und im SCF sind gleich viel oder mehr Nährstoffe akkumuliert wie im LMF, da die organischen Auflagen in den oberen Vegetationseinheiten wesentlich mächtiger sind als im LMF. Es besteht daher kein absoluter Nährstoffmangel.
Die N- Mineralisierung wird mit zunehmender Höhe am stärksten reduziert, so dass wahrscheinlich neben einem S- Mangel der N-Mangel insbesondere in den oberen Vegetationseinheiten am gravierensten wirkt.

Die statistische Analyse zeigt, dass die Vegetation in ihrer Verbreitung und in ihrer Bestandesstruktur hauptsächlich durch die hohe Bodenfeuchte in den oberen Vegetationseinheiten beeinflusst wird, da aufgrund der verringerten Mineralisierung die Nährstoffverfügbarkeit reduziert ist und die niedrigen Sauerstoffgehalte zu ungünstigen Wurzelwachstumsbedingungen führen.

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