Factors controlling microbial biomass in soils of Mt. Kilimanjaro

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Pabst, Holger:
Factors controlling microbial biomass in soils of Mt. Kilimanjaro.
Bayreuth , 2015 . - XIII, 130 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The contents of organic matter and microorganisms in soils are sensitive parameters to evaluate soil quality. In general, high contents in organic and microbial carbon (Corg, Cmic) are related to high soil fertility. Especially in the tropics, climate and land use have strong direct effects on basic soil parameters and soil microbial biomass. Furthermore, alterations of the basic soil parameters (e.g. in contents, stocks or distribution) also entail changes of soil microorganisms. Although these major factors and their controlling effect on soil microbial biomass are known, detailed studies including soils of multiple major ecosystems of a region are scarce, especially in Africa. Various climates can be observed on the African continent and the projected climate change is assumed to have regionally diverging effects. Furthermore, at the expense of natural ecosystems, the high population growth in Africa leads to an increasing demand for agricultural land and high rates of land-use change. To evaluate the soils' environmental services and its vulnerability, it is crucial to understand these changes and their effects on soil microbial biomass. Africa's highest mountain, the Kilimanjaro, offers outstanding potential to investigate Corg and Cmic in soils of various climates, ecosystems and land-use types. Hence, the overall purpose of this investigation was to examine factors controlling microbial biomass in soils of Mt. Kilimanjaro.
The work was conducted on the southern slopes of Mt. Kilimanjaro and covered an climate/elevation gradient from 950 to 3880 m a.s.l.. Up to twelve ecosystems that developed in different climates were investigated, classified into natural (6 plots), semi-natural by men slightly affected habitats (3) and agriculturally managed sites (3). Basic soil parameters and soil microbial biomass were measured in multiple depths and different spatial scales. Sampling was conducted between January 2011 and October 2013. The effects of climate and land use on basic soil parameters and soil microbial biomass were statistically analyzed and compared.
Elevation distinctly influences temperature and precipitation along the slopes of Mt. Kilimanjaro and thus was used to investigate the climatic effect on soil microbial biomass. Along the investigated elevation gradient, Corg and Cmic contents in soils were found to follow a hump-shaped distribution with a maximum in the consistently warm and humid forest ecosystems at elevations between 2000 m and 3000 m a.s.l.. In addition, the forest belt exhibited also the strongest negative trends in C contents with depth. Cmic stocks did not show a direct correlation to climate. However, Corg stocks varied depending on water availability, temperature and net primary production (NPP) along the elevation gradient. In ecosystems with a dry character at low elevations, soil Corg stocks increased by 3 kg m-2 and in the consistently humid ecosystems at higher elevations by 1 kg m-2 per 1000 m in elevation, respectively. The variability in soil Cmic contents during the climatic transition phase from dry-to-wet season was more pronounced at low elevations / dry climate and lead to a decrease of Cmic when the rain season began. At similar elevations, the pronounced contrast between climatic seasons also resulted in a high increase in CO2 efflux and the specific metabolic quotient (qsCO2) under increased precipitation.
Contents and stocks of Corg and Cmic were altered by human influences on the ecosystems, which was revealed by the investigation of two land use conversions typical for the region and on a similar elevation/climatic level. Compared with Corg, the contents and stocks of Cmic were stronger decreased by the negative effect of intensive land use. This effect was especially distinct in the upper soil horizons. Intensive agricultural management also resulted in an up to 3-fold decrease of the substrate available for microbial growth (Cmic:Corg ratio). In addition, soil CO2 efflux and qsCO2 in soils of agricultural fields were up to four times higher than in the soils of less disturbed ecosystems.
A detailed heterogeneity study in the savannah ecosystem revealed small-scale patterns of basic soil parameters and soil microbial biomass. Corg, N, Cmic and Nmic contents varied several-fold between and within 15 x 15 m plots in the same area and climate. Basic soil parameters (e.g. Corg, N) are controlled by factors such as climate, vegetation and relief even on a small scale. Because of their correlation to soil microbial biomass, such basic soil parameters provide additional information for multivariate prediction techniques and are able to increase the calculation's accuracy.
Climate, land use and NPP were identified as the main drivers affecting the microbial biomass in soils of Mt. Kilimanjaro. Climate and land use are independent of each other but both distinctly influence the NPP and/or vegetation of an ecosystem. The consistent humid climates in ecosystems above 2000 m a.s.l. supports high NPP, high contents and stocks of Corg and Cmic as well as increased substrate availability in soil. The soils of natural ecosystems in the National Park (> 2000 m a.s.l.) and of slightly disturbed ecosystems at low elevations are characterized by effective, closed nutrient and C cycles in a steady-state, but are nevertheless highly vulnerable to the negative consequences of land-use change. The agricultural land use in the densely populated areas of Mt. Kilimanjaro negatively alters important and sensitive parameters within the C cycle. The observed reduction in Corg, Cmic, available substrate and microbial efficiency leads to the assumption of an open C cycle entailing a further decline in the contents and stocks of Corg and Cmic with increased land use.

Abstract in weiterer Sprache

Die Gehalte an organischer Bodensubstanz und die im Boden befindlichen Mirkoorganismen sind sensitive Parameter für die Bodenqualität. Im Allgemeinen werden hohe Gehalte an organischem und mikrobiellem Kohlenstoff (Corg, Cmic) mit hoher Bodenfruchtbarkeit in Verbindung gebracht. Vor allem in den Tropen haben das Klima und die Landnutzung starke direkte Effekte auf allgemeine Bodenparameter und die mikrobielle Biomasse in Böden. Weiterhin haben Änderungen der allgemeinen Bodenparameter (z.B. in deren Gehalte, Menge oder Verteilung) auch Veränderungen in der mikrobielle Biomasse zur Folge. Obwohl diese Faktoren und ihre Wirkung auf die mikrobielle Biomasse in Böden bekannt sind, befassen sich nur wenige Studien mit den Böden mehrerer wichtiger Ökosysteme einer Region. Der afrikanische Kontinent ist durch mehrere Klimazonen charakterisiert und die Auswirkungen des vorhergesagten Klimawandels werden vorraussichtlich regional unterschiedlich ausfallen. Weiterhin führt das hohe Bevölkerungswachstum Afrikas, auf Kosten natürlicher Ökosysteme, zu einem steigenden Bedarf an landwirtschaftlicher Nutzfläche und einer hohen Rate an Landnutzungsänderungen. Um die ökologischen Dienstleistungen sowie die Verwundbarkeit von Böden zu bewerten ist es nötig diese Änderungen und deren Effekt auf die mikrobielle Biomasse zu verstehen. Afrikas höchster Berg, der Kilimanjaro, bietet außergewöhnliche Möglichkeiten Corg und Cmic in Böden verschiedener Klimate, Ökosysteme und Landnutzungstypen zu untersuchen. Daher war das Hauptziel dieser Dissertation Faktoren, die die mikrobielle Biomasse in Böden des Kilimanjaro's beeinflussen wissenschaftlich zu untersuchen.
Die Arbeiten wurden am Südhang des Kilimanjaro zwischen 950 bis 3880 m ü. NN durchgeführt. Die Untersuchungen umfassten bis zu zwölf, in unterschiedlichen Klimaten entwickelte Ökosysteme, eingeteilt in natürliche (6 Flächen), halb-natürliche, durch den Menschen geringfügig beeinflusste Habitate (3) und landwirtschaftlich genutzte Flächen (3). Allgemeine Bodenparameter und die mikrobielle Biomasse in Böden wurden in mehreren Tiefen und auf unterschiedlichen räumlichen Skalen bestimmt. Die Beprobungen fielen in den Zeitraum von Januar 2011 bis Oktober 2013. Die Effekte von Klima und Landnutzung auf allgemeine Bodenparameter und die mikrobielle Biomasse wurden statistisch analysiert und verglichen.
Da am Berg die Temperatur und Niederschlagsverteilung entscheidend durch die Höhe beeinflusst wird, wurde diese genutzt um den Effekt des Klimas auf die mikrobielle Biomasse zu untersuchen. Entlang des untersuchten Höhengradienten verliefen die Corg und Cmic Gehalte der Böden glockenförmig, mit den höchsten Werten in den konstant warm-humiden Waldökosystemen auf einer Höhe zwischen 2000 m und 3000 m ü. NN. Zusätzlich zeigten die Kohlenstoff-Gehalte dieser Böden die stärkste Abnahme mit der Tiefe. Die Gesamtmengen an Cmic hatten keine direkte Korrelation zum Klima. Die Gesamtmengen an Corg variierten jedoch abhängig von der Wasserverfügbarkeit, Temperatur und Netto-Primär-Produktion (NPP) entlang des Höhengradienten. In den eher trockenen Ökosystemen am Fuße des Berges stiegen die Mengen an Corg um 3 kg m-2, in den konstant humiden Habitaten in größerer Höhe um 1 kg m-2, pro 1000 m in Höhe. Die Variabilität der Cmic Gehalte der Böden war während des klimatischen Übergangs von Trocken- zu Regenzeit in den niedriger gelegenen Ökosystemen bzw. trockeneren Klimaten stärker ausgeprägt und eine Abnahme an Cmic wurde zu Beginn der Regenzeit beobachtet. Auf der gleichen Höhenstufe und während erhöhtem simulierten Niederschlag resultierte der ausgeprägte Unterschied zwischen den klimatischen Jahreszeiten in einem starken Anstieg der CO2 Ausgasung und des spezifischen metabolischen Quotienten (qsCO2).
Die Untersuchung von zwei, für die Region typischen, Landnutzungsänderungen auf gleicher Höhenstufe zeigte, dass die Gehalte und Gesamtmengen an Corg und Cmic durch die menschlichen Einflüsse auf die Ökosysteme verändert wurden. Im Vergleich mit Corg, wurden die Gehalte und Gesamtmengen an Cmic stärker durch den negativen Effekt der Landnutzung verringert. Dieser Effekt war besonders in den oberen Bodenhorizonten ausgeprägt. Intensive landwirtschaftliche Nutzung resultierte auch in einer bis zu dreifachen Verringerung des für die mikrobielle Biomasse verfügbaren Substrats (Verhältnis Cmic:Corg). Weiterhin war die CO2 Ausgasung sowie qsCO2 in Böden landwirtschaftlicher Nutzflächen bis zu vierfach höher als in Böden von weniger beeinflussten bzw. gestörten Ökosystemen.
Eine detailierte Heterogenitätsstudie in der Savanne offenbarte kleinräumige Muster der allgemeinen Bodenparameter und der mikrobiellen Biomasse. Die Gehalte von Corg, N, Cmic und Nmic varriierten im gleichen Gebiet und Klima mehrfach zwischen sowie innerhalb von 15 x 15 m Untersuchungsflächen. Auch auf kleinräumiger Skala werden allgemeine Bodenparameter (z.B. Corg, N) durch das Klima, die Vegetation und das Relief beeinflusst. Aufgrund ihrer Korrelation zur mikrobiellen Biomasse in Böden, bieten diese allgemeinen Bodenparameter zusätzliche Information für Vorhersagen mit multivariaten Techniken und können dadurch die Genauigkeit der Kalkulationen erhöhen.
Klima, Landnutzung und NPP wurden als die wichtigsten, die mikrobielle Biomasse in Böden des Kilimanjaros, beeinflussenden Faktoren identifiziert. Klima und Landnutzung sind von einander unabhängig, jedoch beeinflussen beide die NPP und/oder die Vegetation eines Ökosystems. Die konstant humiden Klimate der Ökosysteme oberhalb von 2000 m ü. NN. begünstigen hohe NPP, hohe Gehalte und Gesamtmengen an Corg und Cmic sowie eine erhöhte Substratverfügbarkeit in Böden. Die Böden natürlicher Ökosysteme innerhalb des Nationalparks (> 2000 m ü. NN.) und der geringfügig beeinflussten Ökosysteme niedrigerer Höhen sind durch einen sich im Gleichgewicht befindenden, effektiven geschlossenen Kohlenstoff-Kreislauf gekennzeichnet. Jedoch sind sie auch deutlich anfällig für die negativen Konsequenzen aus Landnutzungsänderungen. Die agrarwirtschaftliche Nutzung der Böden in den bevölkerungsreichen Gebieten am Fuße des Berges wirkt sich negativ auf empfindliche Parameter innerhalb des Kohlenstoff-Kreislaufs aus. Die beobachtete Reduzierung der Gehalte und Mengen an Corg und Cmic sowie die Verringerung der Substratverfügbarkeit und der mikrobiellen Effektivität lässt offene Kohlenstoff-Kreisläufe und ein anhaltendes Sinken der Gehalte und Mengen an Corg und Cmic in den landwirtschaftlichen Flächen vermuten.