Drivers of decomposition in the tropics: effects of climate and land-use on soil invertebrates
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Philipps-Universität Marburg
Abstract
The decomposition of plant material is an essential part of carbon cycling, and climate and invertebrates are two major drivers controlling decomposition rates. In tropical forests, carbon stocks and carbon turnover are high, but large-scale land-use change continues to reduce carbon stocks and ecosystem functioning. Tropical mountain forests are especially vulnerable to climate and land-use change, thus they are also good places to study these changes and their interactions. Here, combined effects of climate and land-use change could have diverging effects on direct and indirect drivers of decomposition, with negative consequences for ecosystem functioning. In this context, the abundance and activity of soil arthropods are important for decomposition rates, but not necessarily responding to the same abiotic and biotic conditions in a similar manner. In this thesis, I studied separate and interactive effects of climate, land-use and productivity on the abundance of arthropod decomposers and other taxa and feeding guilds, on decomposition rates, and on soil fauna activity in tropical mountain ecosystems.
Ecological processes are driven by the number and the biomass of individuals. Understanding the variations in animal abundance is therefore important for predicting changes in ecosystem processes under global warming and land-use change. In the second chapter, I tested the relative importance of temperature, humidity, plant productivity and disturbance for the abundances of 13 focal taxa of epigeic invertebrates, and for the functional groups of predators, herbivores and decomposers, respectively. I could show that taxa belonging to the same functional group did not show more similar responses to elevation than taxa from different functional groups. Furthermore, temperature, not primary productivity, was the single most important factor predicting the abundance of all taxa combined. Most of the taxa showed unimodal patterns with a peak in activity abundance in lower montane forests, indicating that humidity was limiting the occurrence of desiccation sensitive arthropods in savanna and maize fields.
Deforestation and land-use change in tropical forests often decrease decomposition rates, but studies are often limited to a small range of climatic conditions. Thus, in my third chapter, I studied how aboveground litter decomposition responded to temperature, humidity, land-use intensity, and interactions of climate and land-use. I could show that climate was the major driver of decomposition in this study. Further, effects of disturbance were dependent on the subset of analysed vegetation types and on the season. High land-use intensity resulted in lower decomposition rates, but only in the warm wet season, when decomposition rates were overall lower than in the cold wet season.
Soil invertebrates are key drivers of decomposition and carbon cycling. Therefore, in my fourth chapter, I studied how soil fauna activity responded to temperature, humidity, land-use intensity, and interactions of climate and land-use. I found soil fauna activity was sensitive to humidity, while temperature was not as important as expected. In disturbed vegetation types, soil fauna activity was consistently higher than in natural vegetation types. Furthermore, soil fauna activity was highly seasonal in savanna and maize fields.
Overall, I could show that patterns of arthropod abundance along the elevation gradient depended on the level of taxonomic and functional resolution. This highlights the need for multi-taxon approaches for predictions of functional groups and related ecosystem functions. Furthermore, I found that climate was the most important driver of decomposition. I also found that vegetation types with moderate levels of disturbance can retain high functionality regarding carbon cycling. Finally, I could show that the effects of land-use intensity on soil fauna activity were modulated by climate, and that more arid vegetation types were more sensitive to seasonal variation.
Die Zersetzung von Pflanzenmaterial ist ein wesentlicher Bestandteil des Kohlenstoffkreislaufs, wobei Klima und Invertebraten zwei wichtige Faktoren für die Kontrolle von Abbauraten sind. In tropischen Wäldern sind sowohl Kohlenstoffvorräte als auch Kohlenstoffflüsse hoch, doch großflächiger Landnutzungswandel verringert zunehmend diese Vorräte und die Qualität von Ökosystemfunktionen. Tropische Bergwälder sind besonders anfällig für Klima- und Landnutzungswandel und eignen sich daher gut für die Untersuchung dieser Veränderungen und ihrer Wechselwirkungen. Hier könnten die kombinierten Auswirkungen von Klima- und Landnutzungswandel unterschiedliche Auswirkungen auf direkte und indirekte Treiber des Laubabbaus haben, mit negativen Folgen für Ökosystemfunktionen. In diesem Zusammenhang sind die Abundanz und Aktivität von Bodenarthropoden wichtig für Abbauraten, aber Arthropoden und Abbau reagieren nicht unbedingt gleich auf die gleichen abiotischen und biotischen Bedingungen. In meiner Dissertation untersuchte ich die separaten und kombinierten Auswirkungen von Klima, Landnutzung und Produktivität auf die Abundanz von Arthopoden, von Zersetzern und von anderen Nahrungsgilden, auf Zersetzungsraten und auf die Aktivität der Bodenfauna in tropischen Bergökosystemen.
Ökologische Prozesse werden von der Anzahl und der Biomasse von Individuen bestimmt. Es ist daher notwendig zu verstehen wovon Abundanzen von Tieren abhängen, um damit Ökosystemprozesse im Klima- und Landnutzungswandel vorhersagen zu können. Im zweiten Kapitel untersuchte ich die relative Bedeutung von Temperatur, Feuchte, Produktivität und Störung für die Abundanzen von 13 Arthropodentaxa und für die funktionalen Gruppen von Räubern, Pflanzenfressern und Zersetzern. Ich konnte zeigen, dass Taxa, die derselben funktionalen Gruppe angehören, keine ähnlicheren Abundanzmuster entlang des Höhengradienten hatten als Taxa anderer funktionaler Gruppen. Darüber hinaus war Temperatur, nicht Primärproduktivität der wichtigste Faktor, um die kombinierte Abundanz aller Taxa vorhersagen zu können. Die meisten Taxa wiesen unimodale Muster auf, mit einem Maximum in der submontanen Höhenstufe. Das deutet darauf hin, dass das Vorkommen der austrocknungsempfindlichen Arthropoden in der Savanne und auf Maisfeldern durch niedrige Feuchtigkeit limitiert war.
Abholzung und Landnutzungswandel führt in tropischen Wäldern häufig zu einer Verringerung der Abbauraten, aber bisherige Studien untersuchen meist nur einen kleinen Bereich von Klimabedingungen. In meinem dritten Kapitel untersuchte ich daher, wie die Zersetzung von Laubstreu von Temperatur, Feuchtigkeit, Landnutzungsintensität und deren Interaktionen abhing. Ich konnte zeigen, dass Klima der wichtigste Faktor für den Abbau war. Darüber hinaus war Störung nur für bestimmte Kombinationen von Habitattypen und nur in einer von zwei untersuchten Jahreszeiten relevant. Hohe Landnutzungsintensität führte zu geringeren Abbauraten. Dies galt jedoch nur in der warmen Regenzeit, in der die Zersetzungsraten insgesamt niedriger waren als in der kalten Regenzeit.
Bodeninvertebraten spielen eine wichtige Rolle bei der Zersetzung von organischem Material und für den Kohlenstoffkreislauf. In meinem vierten Kapitel untersuchte ich daher, wie die Aktivität von Bodenfauna auf Temperatur, Feuchtigkeit, Landnutzungsintensität und deren Interaktionen reagiert. Ich fand heraus, dass die Aktivität der Bodenfauna empfindlich auf Feuchtigkeit reagierte, während Temperatur nicht so wichtig war wie erwartet. In gestörten Vegetationstypen war die Aktivität der Bodenfauna durchweg höher als in natürlichen Vegetationstypen. Außerdem war die Aktivität der Bodenfauna in der Savanne und auf Maisfeldern stark saisonabhängig.
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Insgesamt konnte ich zeigen, dass Abundanzmuster von Arthropoden entlang des Höhengradienten von der jeweiligen taxonomischen und funktionellen Auflösung abhingen. Dies unterstreicht die Notwendigkeit von Multi-Taxon-Studien um Abundanzen von funktionellen Gruppen und damit verbundenen Ökosystemfunktionen vorhersagen zu können. Außerdem stellte ich fest, dass Klima der wichtigste Faktor für die Zersetzung von Laubstreu war. Ich fand auch heraus, dass mäßig gestörte Vegetationstypen weiterhin einen funktionalen Kohlenstoffkreislaufen haben können. Schließlich konnte ich zeigen, dass die Auswirkungen der Landnutzungsintensität auf die Aktivität der Bodenfauna durch Klima moduliert wurden und dass trockenere Vegetationstypen empfindlich auf saisonale Schwankungen reagierten.