Biogeochemical Investigations in Old Growth and Disturbed Forest Sites at Mount Kilimanjaro

Untersuchungen zur Biogeochemie naturnaher und gestörter Waldstandorte am Mount Kilimanjaro

Areas covered by mountain rainforests in East Africa have important functions as catchment areas for the streams in the savannah. Still, little is known about the biogeochemical processes in these often threatened ecosystems. The current study aims to present basic information on soils and different parameters of the water and nutrient cycle in intact as well as disturbed tropical mountain rainforest sites at Mt. Kilimanjaro in order to assess the long term effects of forest dissection on biogeoAreas covered by mountain rainforests in East Africa have important functions as catchment areas for the streams in the savannah. Still, little is known about the biogeochemical processes in these often threatened ecosystems. The current study aims to present basic information on soils and different parameters of the water and nutrient cycle in intact as well as disturbed tropical mountain rainforest sites at Mt. Kilimanjaro in order to assess the long term effects of forest dissection on biogeochemical parameters. For this purpose, the chemical and physical soil properties, soil water tension, rainfall, throughfall, litter percolate and soil solution were determined on twelve study sites in mature forest, secondary forest and elder clearings between 2100 and 2300 m a.s.l. on the southwestern slopes of the mountain. The soil water tension was monitored from May 2000 to August 2002. The simultaneously collected water samples were combined to form fortnight samples and subsequently analysed for their content of K, Mg, Ca, Na, NO3-N, NH4-N, TOC, TON, TOS and TOP. The soils, which comprised of several buried horizons, were Andisols with high C and N stocks, some hydromorphic properties and comparatively low pH values. The latter led to very small ECEC values and low base saturation. Consequently, the retention of cationic nutrients in the soil was considered to be poor. Rainfall amounts were slightly less at the higher sampling sites where the mature forest was located and differed between the study years (2600 mm and 2480 mm at 2100 m, 2210 mm and 1960 mm at 2250 m). Rainfall interception was close to zero in the clearings, but reached up to 30% of incident rainfall in both studied forest types. The analyses of the soil water tension revealed the driest conditions to be under secondary forests. The reason for this was probably a combination of the topographic position of the secondary forest sites and the forest fragmentation. Since the secondary forest sites and the clearings had higher sand contents, the water holding capacity of these sites was lower than in the mature forest. With the exception of NO3-N in the forests, all nutrients in rainfall were increased upon passage through the forest canopy, but nutrient fluxes in rainfall as well as throughfall were still low compared to other mountain rainforests, especially for Mg, Ca and K. Considering the lower biomass of the clearings compared to the forest, the amount of nutrients leached from the vegetation of the clearings was relatively high. Since NO3-N was not assimilated by the vegetation of the clearings, NO3-N throughfall fluxes were higher in the clearings as were the K fluxes, which was probably attributable to different leaf properties of the vegetation at the different sites. In the mature forest, the highest concentrations of nutrients were found in the litter percolate, followed by a pronounced decline in the soil solution. This was especially the case for K. NO3-N was an exception since it exhibited the highest concentrations only in the topsoil solution. Nutrient concentrations in litter percolate and the topsoil solution were usually higher in the clearings than in both forest types. This probably resulted in higher belowground nutrient fluxes since greater water amounts reached the ground surface in the clearings. The high belowground nutrient concentrations were likely the result of the higher mineralisation rates in the clearings induced by higher temperatures and the greater nutrient contents of the litter. With increasing soil depths, nutrient concentrations in seepage water below the clearings declined so that the differences among sites were not significant at deeper soil layers. The contribution of organically bound nutrients to the total concentrations of respective nutrients was highest in throughfall water and lowest in the soil solution, in which OM concentrations were overall lower than in other mountain forests. This was most likely attributable to the adsorption of organically bound nutrients to the mineral phase of the Andisols studied. Again, the highest concentrations in seepage water were measured in the clearings. The results show that mature forests at Mt. Kilimanjaro exhibit a more closed nutrient cycle, especially for basic cations, while the nutrient cycle in the clearings is more open. This probably reflects the different nutrient usage and conservation strategies of the pioneer and the late successional vegetation. Therefore, the forest disturbance on Mt. Kilimanjaro leads to long term changes in biogeochemical cycles. The opening of the forest at lower elevations, which resulted in the formation of large clearings with impeded regeneration and highly fragmented secondary forest patches, led to a higher spatial and seasonal variability of soil moisture and nutrient contents in seepage water. The large scale effects of these forest conversions on water yields and nutrient outputs need to be tested in the future.show moreshow less
Bergregenwälder stellen in Ostafrika wichtige Wassereinzugsgebiete für die ökonomisch bedeutenden Flüsse tieferer und trockenerer Lagen dar. Dennoch ist wenig über die geochemischen Prozesse in diesen vielerorts gefährdeten Bergwaldökosystemen bekannt. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, am Beispiel des Kilimanjaro Parameter des Wasser- und Nährstoffkreislaufs im naturnahen Waldbestand zu erfassen und potentielle langfristige Änderungen durch Störungen aufzuzeigen. Die Untersuchung umfasste viBergregenwälder stellen in Ostafrika wichtige Wassereinzugsgebiete für die ökonomisch bedeutenden Flüsse tieferer und trockenerer Lagen dar. Dennoch ist wenig über die geochemischen Prozesse in diesen vielerorts gefährdeten Bergwaldökosystemen bekannt. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, am Beispiel des Kilimanjaro Parameter des Wasser- und Nährstoffkreislaufs im naturnahen Waldbestand zu erfassen und potentielle langfristige Änderungen durch Störungen aufzuzeigen. Die Untersuchung umfasste vier naturnahe Waldflächen (je 400m2), drei Flächen im Sekundärwald und drei in älteren Lichtungen am Südwesthang des Kilimanjaro zwischen 2100 und 2300 m ü. NN. Hier wurden die chemischen und physikalischen Bodeneigenschaften, die Bodenwasserspannung, der Freiland- und Bestandesniederschlag, das Streuperkolat und die Bodenlösung von Mai 2000 bis August 2002 untersucht. Zweiwochenmischproben der gewonnenen Lösungsproben wurden auf ihren Gehalt an K, Mg, Ca, Na, NO3-N, NH4-N, TOC, TON, TOS und TOP untersucht. Bei den Böden handelt es sich um Andisols, die zum Teil Stauwassereinfluss zeigen und mehrere fossile Horizonte enthalten. Sie sind durch einen hohen C- und N-Vorrat, stark saure pH-Werte, eine sehr niedrige effektive KAK und eine geringe Basensättigung gekennzeichnet. Die gemessenen Niederschlagsmengen schwankten zwischen 2000 und 2600 mm. Die Interzeption war auf den Lichtungen gering, in den Wäldern lag sie bei bis zu 30% des Freilandniederschlags. Im Boden wurden die trockensten Bedingungen in den Sekundärwäldern festgestellt. Die höhere Bodenfeuchte auf den Lichtungen lässt sich über höhere Niederschlagseinträge und vermutlich geringere Transpirationsraten erklären. Für die Unterschiede zwischen den beiden Waldtypen können die topographische Lage einiger Plots und das Auftreten von Stauhorizonten im Bereich der naturnahen Waldflächen verantwortlich sein. Denkbar ist auch ein Einfluss der Fragmentierung der verbliebenen Sekundärwaldflächen und der dadurch erhöhten Oberflächenrauhigkeit auf den Wasserhaushalt. Im Vergleich zu anderen Bergregenwäldern waren die Flüsse für Mg, Ca and K mit dem Freiland- und Bestandesniederschlag der Untersuchungsflächen unerwartet niedrig. Trotz der geringeren Biomasse auf den Lichtungen waren die Nährstoffflüsse im Bestandesniederschlag nicht geringer als in den Wäldern und lagen für NO3-N und K sogar darüber. Während sich dies für NO3-N durch die Absorption im Kronendach der Wälder erklären lässt, sind im Falle von K vermutlich unterschiedliche Auswaschungsraten aus den Blättern verantwortlich. Im Streuperkolat wurden die höchsten Lösungskonzentrationen gefunden, während die Bodenlösungsproben meist deutlich geringere Nährstoffkonzentrationen aufwiesen. Auf den Lichtungen wurden im Streuperkolat und im Sickerwasser des Oberbodens meist höhere Nährstoffkonzentrationen gemessen als in den Wäldern. Da die auf den Oberboden der Lichtungen auftreffende Wassermenge größer war als in den angrenzenden Wäldern, kann angenommen werden, dass vermutlich auch die Nährstoffflüsse insgesamt höher waren. Dafür können höhere Mineralisationsraten (höhere Temperaturen, nährstoffreichere Streu auf den Lichtungen) oder auch eine geringere Nährstoffaufnahme auf den Lichtungen verantwortlich sein. Mit Ausnahme von NO3-N wurden im Sickerwasser des naturnahen Waldes meist die niedrigsten Nährstoffkonzentrationen und die geringsten Jahresamplituden gemessen. In größerer Bodentiefe konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen den Standorten gefunden wurden. Der Anteil organisch gebundener Nährstoffe an Stoffverlagerungen im Boden war unerwartet gering. Für gelösten organischen N lag der Anteil im Sickerwasser unter 40% und im Bodenwasser zum Teil sogar unter 10% des gesamten N. Insgesamt lagen die Konzentrationen im Bodenwasser unter den in anderen Bergwäldern gemessenen Werten, was vermutlich mit der hohen Sorptionskapazität der untersuchten Andisols zusammenhängt. Auch bei den organisch gebundenen Nährstoffen wurden die höchsten Konzentrationen auf den Lichtungen gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die naturnahen Wälder insbesondere für K einen geschlossenen Nährstoffkreislauf aufweisen, während dieser auf den Lichtungen eher offen ist. Diese Unterschiede sind vermutlich auf verschiedene Strategien der Ressourcenausnutzung und der Ressourcenschonung der Pioniervegetation der Lichtungen und der Klimaxvegetation des naturnahen Waldes zurückzuführen. Auf diese Weise wirkt sich eine Störung des Waldes nicht nur unmittelbar nach dem Eingriff aus, sondern hat auch längerfristige Folgen. Im Fall des Kilimanjaro führt die Auflichtung der Wälder in den unteren Höhenlagen zu einer höheren räumlichen und zeitlichen Variabilität des Bodenwassergehalts und der Nährstoffkonzentrationen im Sickerwasser. Großräumige Auswirkungen dieser Umwandlungen auf die Abflussmengen und die Höhe der aus dem Gebiet ausgetragenen Nährstoffmengen bedürfen einer weitergehenden Prüfung.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Geowissenschaften
Author: Marion Schrumpf
Advisor:Prof. Dr. Wolfgang Zech
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:15.07.2004
Year of Completion:2004
SWD-Keyword:Boden; Kilimandscharo; Nährstoffkreislauf; Regeneration; Tropischer Regenwald
Tag:Andosol; Bergregenwald; Bodenwasserhaushalt; Bodenwasserspannung; TOC
DOM; Montane rainforest; nutrient cycling; regeneration; soils
Dewey Decimal Classification:550 Geowissenschaften
RVK - Regensburg Classification:RS 59915
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-1313
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):09.02.2005