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ATEM Software for Athmospheric Turbulence Exchange Measurements using Eddy Covariance and Relaxed Eddy Accumulation Systems and Bayreuth whole-air REA system setup
(2005)
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Johannes Ruppert
- no abstract
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Klimatologische und mikrometeorologische Forschungen im Rahmen des Bayreuther Institutes für Terrestrische Ökosystemforschung (BITÖK); 1989 - 2004
(2005)
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Thomas Foken
- keine Zusamennfassung
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The OP-2 open path infrared gas analyser for CO2 and H2O
(2005)
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Gesa M. Herold
Christoph Thomas
Thomas Foken
- no abstract
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On the determination of the ground heat flux in micrometeorology and its influence on the energy balance closure
(2005)
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Claudia Liebethal
- The ground heat flux (heat exchange between the atmosphere and the soil), plays a major role in micrometeorology. This is especially true for bare soils in the morning hours, but also for agricultural sites at any time of the day. Thus, this dissertation focuses on three issues: firstly, to establish a reliable and accurate measurement method for the ground heat flux. Secondly, to assess the quality of parameterisation approaches. And thirdly, to study the impact of the ground heat flux on the energy balance closure at the earth's surface. Regarding the measurement of the ground heat flux, different methods are tested. It is concluded that the safest way to determine the ground heat flux is calorimetry (to calculate the ground heat flux as the temporal change in the soil heat storage). The second best so-lution is to directly measure or to calculate the soil heat flux at several decimeters depth (the deeper the better) and to apply calorimetry to the soil layer above. All of the tested approaches strongly react to errors in soil temperature measurements; hence, it is ge-nerally recommended to calibrate, install and maintain soil thermometers as accurately as possible. The measurement approaches for the ground heat flux also require knowledge about soil properties characterising the heat transport within the soil. These can be de-termined either indirectly (from other soil properties) or directly (using e.g. heated sen-sors). Generally, the direct measurement revealed several difficulties during the tests presented in this thesis. Their application is only recommended with restrictions. Whenever the ground heat flux cannot be measured directly with the methods identified as accurate, parameterising is the second-best choice. Here, six different para-meterisation approaches are tested. The main finding is that acceptable quality of ground heat flux data can only be achieved with parameterisations including at least some measurements made directly in the soil. All other approaches, relying only on at-mospherical data such as the sensible heat flux or net radiation, exhibit severe drawbacks in the comparison. Finally, the impact of ground heat flux determination on the closure of the energy balance at the earth's surface is found to be large. On the one hand, a correct determination of the ground heat flux cannot solve the problem of energy imbalance; even with the highest quality of ground heat flux data, a considerable lack in the energy balance re-mains. On the other hand, this must not lead to the conclusion that an exact determination of the ground heat flux is unimportant. Using data from simplified determination methods results in an additional energy imbalance. Taking into account all the results of this thesis, three main conclusions can be drawn: firstly, a correct determination of the ground heat flux is possible and easily applicable to experimental data sets. Secondly, a parameterisation exclusively relying on meteorological data and delivering high quality data for the ground heat flux could not be found. For an accurate estimation, at least some soil data are required. And thirdly, determining the ground heat flux accurately plays a major role in closing the energy balance with measured data. Still, the ground heat flux alone cannot explain the energy imbalance of experimental data sets.
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Turbulent Exchange of Ozone and Nitrogen Oxides between an Amazonian Rain Forest and the Atmosphere
(2005)
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Udo Rummel
- Amazonia, the world’s largest tropical rain forest area is facing rapid development, mainly caused by slash and burn activities. The change in land use, primarily to agricultural and pasture areas, has sustainable influence on the atmospheric input and the deposition of constituents like ozone and nitrogen oxides, which are of high relevance for tropospheric chemistry. To asses the effect of land use change on tropospheric chemistry, a good knowledge of the exchange of those trace gases between the primary rain forest ecosystem and the atmosphere is necessary. So far, experimental information from tower based canopy-scale and leaf-scale measurements focusing on exchange processes is very limited. Within the framework of the LBA-EUSTACH project 1999 two experiments were carried out in Rondonia, southwest Amazonia, to estimate the exchange of ozone and nitrogen oxides between a tropical rain forest ecosystem and the atmosphere during the wet and the dry season, respectively. Ozone deposition was determined by eddy covariance measurements above the canopy. The data obtained during the end of the regional wet season confirm the results of the only previous study reporting on directly measured ozone fluxes above the Amazonian rain forest. Mean daytime maxima of -11.0 nmol m^(-2) s^(-1) and 2.3 cm s^(-1) for ozone flux and deposition velocity, respectively, show the rain forest to be an effective sink for ozone during the wet season. At the end of the dry season, under conditions of high atmospheric humidity deficit, the ozone uptake by the forest canopy was significantly reduced. A consequence of this strongly reduced uptake was a substantial in-canopy O3 storage during day, which was removed in the first half of the night, by considerable non-stomatal deposition and chemical destruction. Ozone deposition was simultaneously determined at an old pasture site which was deforested 22 years before the LBA-EUSTACH experiment. The measurements at this site showed an ozone deposition velocity ~35% and ~25% lower than the rain forest values for the end of the wet and dry season, respectively. Since cattle pastures represent the largest part of converted forest land in Rondonia, this difference may represent the effect of deforestation on the regional ozone surface sink. Based on land cover information provided by LANDSAT images, the current regional ozone deposition average for central Rondonia was estimated to be ~85% of the original sink provided by the native rain forest cover. nitrogen monoxide soil emissions were determined by an eddy covariance system which was positioned within the trunk space. Nighttime measurements resulted in mean values from 3.5 ng N m^(-2) s^(-1) to 4.8 ng N m^(-2) s^(-1), in good agreement with emission fluxes obtained by concomitant dynamic soil chamber measurements. A further aim of the experiment was to characterize the turbulence structure throughout the canopy during two intensive measuring periods. Detailed analysis of high frequency time series of several scalar quantities above and within the canopy revealed, during daytime, the frequent appearance of ramp pattern, the “finger print” of coherent turbulent structures. This enabled (i) to estimate a mean residence time of air within the part of the canopy which is directly coupled to the atmosphere above by these short, extreme, exchange events, and (ii) to determine ozone fluxes by a surface renewal model based on coherent air motion. To assess the relevance of in-canopy processes as turbulent transport, uptake by vegetation, soil deposition, and chemical reactions to the ecosystem exchange of ozone and nitrogen oxides, their characteristic time scales where analyzed. For the first time nitrogen dioxide profiles were measured within a tropical rain forest. By combining these results with all available wet season data on leaf level exchange in a stationary budget approach, a reduction of soil-emitted nitrogen oxides by vegetation up to 25% was obtained. This value is considerably smaller than that obtained by previous model studies. Direct comparison to the nitrogen oxide budget of the old cattle pasture indicated the primary rain forest ecosystem to be a higher nitrogen oxide source, and suggests therefore, that deforestation is reducing the biogenic nitrogen oxide emission in southwest Amazonia on a long term basis, if no fertilizer is used.
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Wissenstransfer aus Universitäten als Impulsfaktor regionaler Entwicklung - ein institutionenökonomischer Ansatz am Beispiel der Universität Bayreuth
(2005)
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Martina Hagen
- Wissen spielt in unserer heutigen Gesellschaft eine immer größere Rolle. Für Regionen ist Wissen eine notwendige Voraussetzung, um in einem globalen Wettbewerb bestehen zu können, die Entwicklung von Lösungen für einen anstehenden Strukturwandel zu beschleunigen und aus bereits gemachten Erfahrungen und Fehlern Anderer zu lernen. Wissen ist in der heutigen Gesellschaft eine Quelle für die Schaffung von Wettbewerbspotenzialen für Unternehmen, aber auch für Regionen. Als Forschungsinstitutionen stellen Universitäten einen Kristallisationspunkt neuen Wissens dar und können damit für eine Region wichtige Lieferanten des benötigten Wissens sein. Während in zahlreichen Untersuchungen das Augenmerk auf dem technologischen Transfer von der Universität zur produzierenden Wirtschaft lag, geht diese Arbeit von der These aus, dass der Wissenstransfer der Universität weitaus mehr umfasst als technologische Inhalte und neben den Unternehmen sämtliche in der Region vorhandenen Institutionen als Beteiligte einschließt. Anhand der Universität Bayreuth und ihrer Hochschulregion Nordostbayern werden sechs Fragenkreise des universitären Wissenstransfers untersucht: 1. Zielgruppen und Umfang des universitären Wissenstransfers 2. Bedeutung der Hochschulregion für universitären Wissenstransfer 3. Anreize des universitären Wissenstransfers 4. Probleme und Barrieren des universitären Wissenstransfers in die Region 5. Institutionenökonomische Handlungsmuster der Akteure 6. Erfolgskriterien und regionale Impulse durch universitären Wissenstransfer
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Weiterbildung und regionale Kooperations- und Netzwerkaktivitäten zwischen kleinen und mittelständischen Unternehmen und Bildungseinrichtungen - das Beispiel der Lernenden Region Bodensee
(2005)
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Frauke Lorenzen
- Der Ansatz der Lernenden Region, der sich als weiteres Netzwerkkonzept für eine endogen induzierte Regionalpolitik versteht und auf Gestaltungskraft regionaler Akteure zur Überwindung von regionalen Problemen setzt, verbindet die Grundsätze von intraregionalem Lernen und Kooperieren. Aufgegriffen wurde dieses Konzept im Programm des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unter dem Namen "Lernende Regionen – Förderung von Netzwerken", in dem deutschlandweit rund 70 modellhafte, regionale Netzwerke gefördert werden. Dazu zählt auch die Lernende Region Bodensee (LRB), die in der vorliegenden Arbeit als Untersuchungsraum dient. Die wichtigsten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: 1.Ein pauschales Urteil über den Stellenwert, den die befragten KMU der betrieblichen Weiterbildung beimessen, lässt sich nur schwer fällen. Ein differenzierterer Blick zeigt jedoch, dass vor allem die kleinen Unternehmen (bis 20 Beschäftigte) Weiterbildung in ihrer Bedeutung als weniger wichtig einstufen. 2. Die bereits in der Literaturanalyse herausgefilterten, potenziellen Defizite von KMU im Weiterbildungsbereich werden durch die Befragungsergebnisse weiter untermauert. Weiterbildung wird noch nicht durchgängig als Investition in das Humankapital begriffen. Es fehlen zum einen strategische, zum anderen finanzielle Voraussetzungen. Der Fokus liegt daneben vorwiegend auf produktionsbezogenen Weiterbildungsmaßnahmen und weniger auf der Schulung von Schlüsselqualifikationen, wie z.B. Kommunikationsfähigkeiten. 3. Für die kleinen und mittelständischen Unternehmen in der LRB spielt Weiterbildung mit multimedialen Lernmitteln eine untergeordnete Rolle. Auch Weiterbildungsangebote werden selten über das Internet abgefragt (nur 16% der KMU nutzen das Medium "oft"). Daher ist vermutlich das Interesse an einer regionalen "Multimedia-Strategie" gering. 4. Jeweils ein knappes Drittel der Unternehmen unterhält mit mindestens einem anderen regionalen Betrieb oder einer (Weiter)-Bildungsinstitution eine kooperative Beziehung. Dabei handelt es sich vorwiegend um zeitlich limitierte, projektorientierte Kooperation. Die Teilnahme an Netzwerkaktivitäten ist dagegen wenig ausgeprägt. Ausschlaggebend für die Nichtteilnahme an kooperativen Aktivitäten ist weniger die Furcht vor Wettbewerbsnachteilen durch Know-how Abfluss, sondern eher ein Zeitproblem. Gerade kleine Unternehmen, die eine hohe Personalauslastung haben, geben an, im "Alltagsgeschäft" nicht die Zeit zum Networking zu finden. 5. Die Entstehung und Zusammenarbeit in Kooperationsverbünden oder Netzwerken wird von zwei zentralen Faktoren begünstigt. Projektorientierte ein- oder zweidimensionale Kooperationen profitieren erstens von der Existenz vorhandener Netzwerkstrukturen. Der Erhalt von Netzwerkstrukturen wird zweitens durch formale Steuerungs- und Organisationsstrukturen gefördert. 6. Kooperierende bzw. netzwerkende KMU in der LRB zeichnen sich durch andere Denkmuster und Organisationsstrukturen von nicht-kooperativen aus. Sie schätzen Weiterbildung in ihrer Bedeutung nicht nur wesentlich höher ein, sondern arbeiten dementsprechend auch professioneller und offerieren ihren Mitarbeitern qualitativ höherwertige Lerninfrastrukturangebote. 7. Für den Raumbezug der LRB spielen aus Sicht der Unternehmen und Weiterbildungseinrichtungen die administrativ festgelegten Grenzen eine untergeordnete Rolle. Die realen Verflechtungen im (Weiter)-Bildungssektor sind von größerer Bedeutung. Einbezogen werden auch angrenzende Räume, wie z.B. der Landkreis Ravensburg und das österreichische Vorarlberg. 8. Die Lernende Region Bodensee ist bei der Zielgruppe KMU nur unzureichend bekannt. Lediglich ein Fünftel der befragten Unternehmen gibt an, die LRB zu kennen. 9. Weiterbildung ist regional. Drei Viertel aller KMU in der LRB befriedigen ihre Weiterbildungsbedürfnisse nach Möglichkeit fast ausschließlich in der Region. Weitere Wege werden nur in Kauf genommen werden, wenn besondere, in der Region nicht verfügbare Qualifikationsangebote benötigt werden. Besonders letztere Erkenntnis, dass Weiterbildung vor allem regional orientiert ist, eröffnet der Lernenden Region Bodensee gute Chancen, die vorhandenen Potenziale aufzugreifen und zusammenzuführen. Angelehnt an die von der LRB formulierten zwei Ziele erstens ein Netzwerk aufzubauen, das bildungsbereichs- und trägerübergreifende, innovative Projekte entwickelt, und zweitens KMU bei der Professionalisierung der Weiterbildungsstrukturen zu unterstützen, werden in der vorliegenden Arbeit abschließend Handlungsempfehlungen aufgestellt. Diese beinhalten einen phasenspezifischen Auf- und Ausbau einer Netzwerkstruktur, sehen eine räumliche Erweiterung des Netzwerkes über die bestehenden formalen Grenzen vor und betonen eine begleitende Informations- und Kommunikationspolitik für das Netzwerk selbst und das Anliegen, KMU für die Bedeutung von Weiterbildung und lebenslanges Lernen zu sensibilisieren.
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Biomassebildung und Nährstoffaneignungsvermögen der Wurzeln in experimentellen Grünlandbeständen mit unterschiedlicher Pflanzenartenzusammensetzung
(2005)
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Andreas Reuter
- In der Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen der Pflanzenartenzusammensetzung experimenteller Grünlandbestände und für das Nährstoffaneignungsvermögen relevanten morphologischen Wurzeleigenschaften untersucht. Des Weiteren wurde der Einfluss der Pflanzenartenzusammensetzung auf die Biomassebildung und den Nährstoffgehalt der Wurzeln analysiert, um den Eintrag von Kohlenstoff in den Boden und die Zirkulation mineralischer Nährelemente im Boden abzuschätzen. Die Untersuchungen fanden an Grünlandbeständen unterschiedlicher Zusammensetzung von Pflanzenarten (2 bis 8 Arten) und funktionellen Typen von Pflanzen (niedrigwüchsige Gräser, hochwüchsige Gräser, Rosettenpflanzen, hohe stängelbeblätterte Krautige) statt. Des Weiteren wurden auch die Mykorrhizierung und das Stickstoffaufnahmevermögen der Wurzeln untersucht. Die morphologischen Wurzeleigenschaften unterschieden sich deutlich je nach Bestandeszusammensetzung, Untersuchungsjahr, Jahreszeit und Bodentiefe. Wurzellängendichte, durchschnittlicher Wurzeldurchmesser und spezifische Wurzellänge wurden in erster Linie von spezifischen Effekten dominanter Arten bestimmt. Ein Einfluss der Pflanzenartenvielfalt und der funktionellen Typen von Pflanzen konnte nicht nachgewiesen werden. Auch die Mykorrhizierung der Wurzeln in Grünlandbeständen wurde in erster Linie von spezifischen Wurzeleigenschaften der bestandsbildenden Pflanzenarten beeinflusst. Interspezifische Wechselwirkungen scheinen eine untergeordnete Rolle zu spielen. Der Anteil mykorrhizierter Wurzellänge war positiv mit der Wurzellängendichte korreliert. Die Stickstoffaufnahme eines Pflanzenbestandes aus unterschiedlichen Bodentiefen wurde nicht von der Anzahl an Arten oder funktionellen Gruppen bestimmt, sondern vermutlich von den artspezifischen Leistungsfähigkeiten der Wurzeln. Die Stickstoffaufnahme einer bestimmten Art und die Konkurrenzkraft dieser Art bezüglich der Stickstoffaufnahme aus verschiedenen Bodentiefen variierten dabei je nach Wurzelkonkurrenz durch benachbarte Arten. Interspezifische Wechselwirkungen durch unterschiedliche Tiefenverteilung der Wurzeln spielten hier vermutlich eine entscheidende Rolle. Zur Beurteilung der Konkurrenzkraft scheint eine Einteilung der funktionellen Typen auf der Basis von morphologischen Wurzeleigenschaften demnach besser geeignet als die hier vorgenommene Einteilung nach morphologischen Sprosscharakteristika. Die potenzielle Stickstoffaufnahmefähigkeit der Wurzeln wurde ebenfalls in erster Linie durch die spezifischen Eigenschaften der im Bestand vorkommenden Arten beeinflusst. Schnitt der oberirdischen Biomasse und Jahreszeit hatten dagegen keinen Einfluss auf die Stickstoffaufnahmekapazität der Wurzeln. Selbst während der Vegetationspause im Winter blieb das Potenzial zur Nitrataufnahme erhalten. Untersuchungsjahr, Jahreszeit und Bestandeszusammensetzung hatten einen deutlichen Einfluss auf die Bildung pflanzlicher Biomasse. Die Bildung von Spross- und Wurzelbiomasse war im ersten Untersuchungsjahr deutlich höher als im zweiten, was auf witterungsbedingte Änderungen der Abundanz einzelner Arten zurückzuführen war. Dies deutet darauf hin, dass die Biomassebildung und somit der Ertrag von Grünlandsystemen in erster Linie von spezifischen Eigenschaften dominanter Arten bestimmt werden. Wurzelumsatz und Kohlenstoffeintrag in den Boden durch Wurzelstreu waren positiv mit dem Grasanteil in der Sprossbiomasse korreliert. Diese Beziehung fiel jedoch – den gesamten Untersuchungszeitraum betrachtet – deutlicher aus als bei ausschließlicher Betrachtung des letzten Untersuchungsjahres. Da sich die Abundanz der einzelnen Arten jedoch im Verlauf des Experiments änderte, scheinen die untersuchten Parameter in erster Linie durch artspezifische Eigenschaften beeinflusst zu werden. Die Akkumulation von Kohlenstoff im Boden war – über den gesamten Untersuchungszeitraum gerechnet – in den grasdominierten Beständen etwas niedriger als in den von dikotylen Kräutern dominierten Beständen. Eine erhöhte SOM-Zersetzungsrate aufgrund artspezifischer Einflüsse auf die Mikroflora im Boden könnte hierbei eine Rolle spielen. Die Akkumulation von Kalium, Magnesium und Phosphor in den Wurzeln war bei den in der ersten Hälfte des Experiments vom Gras Holcus lanatus dominierten Beständen geringer als in den übrigen Beständen. Die interne Zirkulation dieser Nährelemente wird offenbar von Effekten dominanter Arten bestimmt. In der vorliegenden Arbeit konnten keine konsistenten Zusammenhänge zwischen der Anzahl an Pflanzenarten oder an funktionellen Gruppen in einem Bestand und den untersuchten Parametern nachgewiesen werden. Vielmehr zeigten in erster Linie artspezifische Effekte dominanter Arten einen deutlichen Einfluss auf verschiedene Ökosystemfunktionen. Basis für künftige Untersuchungen zum Einfluss der Pflanzenartenzusammensetzung auf Ökosystemfunktionen sollte deshalb eine gezielte Definition von morphologischen und physiologischen Attributen von Pflanzenarten sein.
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Plant Functional Traits and Ecosystem Functions in Experimental Grassland Stands
(2005)
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Guido Kossmann
- Within the BMBF funded project BIOLOG-Bayreuth (01LC0014) investigations on implications of functional groups on ecosystem functions related to water- nutrient- and carbon cycle were carried out. Three experiments were conceived to test for implications of dominant species traits and phytodiversity on ecosystem functions. I Water, nutrient and DOC fluxes and losses from grasslands were investigated on Experimental Grassland Stands in lysimeters II Two dominant (P. lanceolata / H. lanatus) and two transient species (R. acris / A. odoratum), identified in Experimental Grassland Stands were used for the Rhizodeposit Experiment (RDE) to investigate implications of different Fe acquisition strategies on rhizodeposition of organic compounds in nutrient solution cultures. III The Root Mineralisation Experiment (RME) aimed at evaluating potential implications of the identity of rhizosphere microflora on mineralisation performance of root tissues from H. lanatus and R. acris derived from RDE. Root biomass for the RME was obtained from plants of the RDE Experimental Grassland Stands were sown in lysimeters (1.3×1.3×1.0 m) filled with 70 cm of sub- and 30 cm topsoil of tillered material derived from a Stagnic Cambisol. Precipitation was collected and soil solution was obtained at 15, 30 and 90 cm, seepage at 100 cm depth. KCl-extractable Nmin was determined in June and September. NH4, NO3, DON, DOC, K, Mg and Ca were measured in solution and nutrients in above- and belowground biomass. In Experimental Grassland Stands on lysimeter facilities, herb contribution to grassland stands rather than functional diversity showed implications on ecosystem functions such as nutrient use, use efficiencies, yields and loss with seepage. Differences in ecosystem performance were due to the identity of functional group of dominant and co dominant species (grass/herb). Positive relations between higher nutrient availability and WUEbm of both grass and herb species were indicated for experimental grassland stands. Grassland stands with higher herb contribution favoured a higher nutrient sequestration in biomass and thus played an important role for safety net functions in grassland ecosystems. Slightly higher Nmin concentrations in soil solution likely reflected higher root-turnover rates of grass dominated stands in 2002. Grass species showed higher base cation use efficiency and hence provided considerably growth under low cation supply. Grass dominated stands showed rather low performance in safety net functions for nutrients. Lower base cation yields in biomass of grass dominated stands were not automatically reflected by indicators for use of soil nutrients. In contrast to Nmin, base cation concentrations and losses with seepage did not reflect differences in base cation use by the grassland stands. In the RDE P. lanceolata was identified as a species featuring lower competition ability in concern of biomass building up and Fe acquisition (Cab; WILSON, 1988) under Fe deficiency compared to H. lanatus. For swards containing P. lanceolata complementary was found in concern of individual biomass production and individual Fe stocks. P. lanceolata gained lower biomass than the accompanying species. Inverted patterns of Fe acquisition ability and the ability to build up individual biomass, hint at a trade-off between Fe demand and biomass build up for P. lanceolata. DOC release to rhizodeposit solution was enhanced after the 1st harvest. P. lanceolata showed the highest release of DOC, a higher diversity of carboxylic acids as well as a considerable release of potential Fe chelators (malic, citric and malonic acid), while H. lanatus swards released only small amounts of carboxylic acids. Higher competition ability for species Fe contents after the 1st harvest indicated enhanced competition between P. lanceolata with A. odoratum. This finding was also reflected by higher DOC release and a higher release of potential Fe chelators in these swards. It was found that even transient grasslands species may show a high competition ability for Fe-acquisition under Fe-deficiency. During the RME, the basal respiration of the rhizosphere sand obtained from RDE differed only tendentiously due to its origin (H. lanatus, R. acris, diculture rhizosphere or Ref sand). H. lanatus root tissues increased respiration rates significantly during a 236 h incubation period to a four-fold of basal respiration whereas application of R. acris root tissues did not. Root tissue material was mineralised to the same extent as Corg material within the first 236 hrs. Since no differences of chemical parameters were found, for roots of the two species, enhanced mineralization of H. lanatus roots in the initial phase are likely due to lower root diameters and higher root surface areas.
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Soil-plant dynamics of water, nitrogen and sulfur: A study on indigenous and exotic tree species in Munessa Forest, Ethiopia
(2005)
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Florian Fritzsche
- Forest plantations are necessary to counteract the destruction of tropical montane forests. Sustainable forestry requires comprehensive knowledge of tree effects on site conditions and nutrient cycling, but substantial information is lacking even for widely-planted species. In my work, I aimed at identifying such plant effects on ecosystem dynamics, focussing on water, nitrogen (N) and sulfur (S), which included the development of a stable-isotope methodology for S. Based on a characterization of the soils of the study area at the Main Ethiopian Rift Valley escarpment, experimental plots were set up in neighbouring stands of a natural forest dominated by Podocarpus falcatus and in plantations of Cupressus lusitanica and Eucalyptus globulus. All investigations on the ecology of these trees were conducted on the same single-tree centred plots in a combination of time series of natural parameters with isotope tracer experiments, employing inorganic 15N tracers and litter labelled with 34S. Soils of the region reflected the influence of climate and relief, while the homogeneous bedrock caused no influence throughout the region. Methodological work to improve d34S analysis was a precondition for the ecological study on S dynamics. Technical adjustments to the analytical system including a liquid-nitrogen trap reduced the amount of S required for reliable d34S determination by a factor of six compared to the conventional procedure. Soil-plant water dynamics were strongly related to the root system. P. falcatus with high fine root biomass to below 1 m depth appeared active in redistributing soil water. Its physiological response to changing soil moisture with a marked reduction in transpiration (by a factor of six) at dry conditions had a further balancing effect. P. falcatus and C. lusitanica expanded their root systems substantially in the dry season, shifting to deeper layers. Seasonality was very weakly expressed for root biomass and depth of water uptake under E. globulus. It mainly relied on deep water resources tapped by its low-biomass root system, supporting physiological activity in the dry season, when transpiration was increased by a factor of five. Soil labelling with 15N showed similar patterns of root activity. It also revealed the dominance of C. lusitanica near the surface, with its roots effectively intercepting nutrients. However, this had negative impacts on deeper soil layers by reducing biological transformations and increasing leaching losses. In the natural forest, phosphate-extractable soil N and low natural-abundance d15N indicated an intense, conservative N cycling in the upper 60 cm, which was also evenly exploited by the roots of P. falcatus. Nitrogen uptake by E. globulus was concentrated in the deeper layers. A preferential stabilization of N was observed in the topsoil, while losses were indicated by high natural-abundance d15N values, which probably reflected recent processes. As for the trees, species-specific N uptake strategies were observed for the understorey. Litter for the S mineralization experiment was successfully labelled with 34S, opening a way to elucidate soil processes as well as plant uptake and recirculation. Different regimes of decomposition resulted in increasing extractability of S in the topsoil with depth under P. falcatus and C. lusitanica, whereas a decrease was noticed in the E. globulus stand. Seasonality of both bulk and extractable S were minimal. Isotope labelling showed rapid incorporation of litter into the topsoil of E. globulus, while S from litter of C. lusitanica was susceptible to leaching. Plant uptake by P. falcatus and E. globulus led to a steady increase of d34S values. In contrast, isotope enrichment in C. lusitanica leaves peaked after the first rainy season, thereby indicating recirculation of S. The different approaches of my work complemented one another, revealing a consistent pattern of plant traits. P. falcatus had a balancing influence on the ecosystem and appeared to promote soil life. C. lusitanica confined biological transformations to the topsoil and raised the risk of leaching losses. E. globulus was largely independent of superficial resources, giving space to understory growth. This strategy may lead to depletion of groundwater and structural deterioration of the soil.
