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Titel:Interactive plant-trait and climate effects on litter decomposition along the Chilean coastal range
Autor:Canessa Mesias, Rafaella
Weitere Beteiligte: Bader, Maaike (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2021
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2021/0124
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2021-01244
DOI: https://doi.org/10.17192/z2021.0124
DDC:570 Biowissenschaften, Biologie
Publikationsdatum:2021-12-02
Lizenz:https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0

Dokument

Schlagwörter:
Chile, Festlandökosysteme, Streuzersetzung, Streuqualität, Streumassenverlust, climate gradient, Ökosystemfunktion und Dienstleistungen, Klimagradient, Ökosystem, Zersetzung, Merkmal, Streu, ecosystem function and services, litter quality, Klima, Chile, litter mass loss, dryland ecosystem, Pflanzenökologie, litter decomposition

Summary:
Litter decomposition is the breakdown of dead organic matter along with the transformation and liberation of its components as inorganic forms. This process is of high importance in ecosystem ecology, as it determines the available resources to below and aboveground communities, as well as nutrient and carbon dynamics and soil formation. Climate, vegetation (via litter traits) and decomposers are the main drivers of litter decomposition. However, these factors interact with each other, which makes the evaluation of their relative importance for decomposition a difficult task. For example, climate controls have both direct (e.g. via moisture and temperature) and indirect (via changes in species abundance, composition and litter traits) influences. Studies along natural gradients and litter transplant experiments can help to disentangle these effects. In this doctoral research, I particularly studied the role of climate and litter traits in litter decomposition across a large climatic gradient in the Chilean coastal range, by using different litterbag experiments and litter from species with a high variation of functional traits (i.e. litter quality). In the first study, I tested whether soil decomposers are “adapted” to local litter types and thus, these decompose faster compared to the decomposition of non-local litter with similar quality. Under the assumptions of this so-called “home-field advantage” (HFA) hypothesis, I tested whether this adaptation occurs and differs across a wide range of ecosystems, where litter input and microbial specialization may vary. I used a reciprocal litter translocation experiment with 20 species of different litter quality among four different study sites distributed along the Chilean costal range. In addition to mass loss, I used the loss ratios of decomposable and leachable fractions of litter (relative N/K and P/K loss) to understand the specific contribution of decomposers to decomposition and to avoid confounding climatic effects. The results showed no support for the HFA hypothesis in any ecosystem, since the mass and nutrient loss ranking of litter species was consistent along the climatic gradient, i.e. in every site, litter from the arid sites always decomposed the fastest, and litter from the mediterranean and temperate sites decomposed the slowest. These results supports the hypothesis that, in the studied ecosystems, litter quality drives decomposer activity independently of litter origin, and that the decomposer community can probably quickly adjust when foreign litter enters their ecosystem. In the second study, I unraveled the relative importance of litter quality and microclimate (soil moisture and temperature) for litter decomposition, and identified how their effects varied along the decomposition process. By using a reciprocal litter translocation experiment along the climatic gradient in Chile, I followed the decomposition of 30 species with a wide spectrum of functional traits for two years. Litter traits had a strong impact on litter decomposition across the gradient, while an increase in decomposition with soil moisture was observed only in the wettest climates. Overall, litter traits drove decomposition in the first year of decomposition after which soil moisture increased considerably in importance. Moreover, statistical analyses of subsets of the 30 species showed that litter trait effects on litter decomposition gain in importance when the variation in trait values was larger. Thus, the relative effects of litter traits and climate on decomposition depend on the ranges in climate and litter traits considered in the study, and also change with time. In the last study, I evaluated the role of diversity (species number and functional dispersion, FDis) on litter mixture decomposition across ecosystems. I used FDis values based on litter traits related to nutrient transfer among litters or litter recalcitrance, two mechanisms that could explain litter mixture effects. I found only a small number of significant mixture effects on decomposition (both positive and negative) along the climatic gradient, which occurred more often in the most arid sites. These mixture effects were independent of the number of species in the litter mixtures at all sites, but were stronger with increasing FDis at the two most arid sites. At these sites, FDis based on litter traits related to nutrient content correlated with positive mixture effects on decomposition, whereas traits related to inhibitory secondary compounds correlated with negative mixture effects. Overall, this study indicates that mixture effects on decomposition are rather rare across the climatic gradient. However, it suggests that a mechanistic approach to functional diversity metrics could help to further understand under which conditions and in which direction diversity influences decomposition. Altogether, this thesis highlights the importance of litter traits in litter decomposition: this factor not only drives the affinity of decomposers and determines species rankings in decomposability, but can also exert additional controls via functional diversity. I demonstrated that the study of a broad range of litter traits and litter species is decisive to correctly predict the relative importance of litter quality on decomposition, and likely controls the occurrence of litter mixture effects. Similarly, the use of a large climatic range allows to detect critical differences among ecosystems. These results are of particular importance to correctly predict litter decomposition feedbacks on climate and highlight the importance of studies including representative ranges in climate and vegetation. Of particular interest are the underrepresented ecosystems, such as arid and semi-arid areas. In these ecosystems, I showed that litter quality can strongly drive decomposition and litter mixture effects, in contrast to the results from mediterranean and temperate forests. The importance of litter quality, highlighted in all three studies, opens a frame for new research focusing in the understanding of human-driven changes in the functional composition of vegetation for decomposition and thus, for carbon and nutrient cycling.

Zusammenfassung:
Im Verlauf des Prozesses der Streuzersetzung zerfällt tote, organische Materie, wird transformiert und ihre Bestandteile werden dann in anorganischer Form freigesetzt. Dieser Prozess ist von hoher Bedeutung in der Ökosystemökologie, da er für überirdische und unterirdische Lebensgemeinschaften die Menge der vorhandenen Ressourcen bestimmt sowie sowohl den Nährstoff- und Kohlenstoffhaushalt als auch die Bodenbildung beeinflusst. Klima, Vegetation (über funktionelle Merkmale) und Zersetzer sind die wichtigsten Einflussfaktoren der Streuzersetzung. Trotzdem interagieren diese Faktoren miteinander, was die Einschätzung ihrer relativen Bedeutung für den Prozess erschwert. So nehmen zum Beispiel Klimafaktoren sowohl direkten (e.g. über Feuchtigkeit, Temperatur) als auch indirekten (über Veränderung der Artenvielfalt, Artenzusammensetzung und Merkmale des Streus) Einfluss. Studien entlang von natürlichen Gradienten und Experimente mit der Translokation von Streu können helfen, diese Effekte zu entwirren. Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wurde über den hohen Klimagradienten der Küstenregion Chiles die Bedeutung von Klima- und Streumerkmalen für die Streuzersetzung erforscht. Es wurden Streubeutelexperimente ausgeführt und Streu von Pflanzenarten mit einer hohen Variation funktioneller Merkmale (i.e. Streubeschaffenheit) verwendet. Das Ziel der ersten Studie bestand darin, zu testen, ob sich Destruenten im Erdboden an lokale Streu „anpassen“ und diese somit schneller zersetzen als nicht heimische Streu von ähnlicher Qualität. Unter Annahme dieser so genannten „Heimvorteil- Hypothese“ (home-field advantage hypothesis, HFA) wurde untersucht, ob die Anpassung auftritt und inwiefern dabei verschiedene Ökosysteme unterschieden werden, in denen Streuvorkommen und mikrobiologische Spezialisierung variieren können. Um die HFA zu überprüfen, wurde ein reziprokes Streutranslokationsexperiment zwischen vier Orten entlang der Chilenischen Küste, mit 20 Pflanzenarten verschiedener Streuqualität durchgeführt. Zusätzlich zum Gewichtsverlust sollte der Verlustanteil von zersetzbarem und auslaugbarem Material (relativer N/K und P/K Verlust) herangezogen werden, um den spezifischen Beitrag der Destruenten zur Zersetzung zu verstehen, und weiterhin eine Verwechslung der klimatischen Effekte zu vermeiden. Die Ergebnisse widerlegen für jedes Ökosystem die HFA Hypothese, da die Gewichts- und Nährstoffverluste der verschiedenen Streuarten auf einer Rangliste konstant bleiben. Bei jedem Standort wurde Streu aus den ariden Zonen am schnellsten zersetzt, während Streu aus den mediterranen und gemäßigten Zonen den langsamsten Gewichts- bzw. Nährstoffverlust erfuhr. Die Resultate unterstützen somit die These, dass in den untersuchten Ökosystemen die Beschaffenheit des Streus die Aktivität der Destruenten steuert und diese unabhängig von der Herkunft des Materials variiert. Zudem kann postuliert werden, dass die Destruentengemeinschaft sich wahrscheinlich schnell anpassen kann, wenn auswärtige Streu in das Ökosystem gelangt. Im zweiten Experiment konnte die relative Bedeutung des Einflusses der Streuqualität und des Mikroklimas (Bodenfeuchtigkeit und Temperatur) auf die Streuzersetzung näher bestimmt und weiterhin identifiziert werden, wie die Effekte der beiden Faktoren während des Zersetzungsprozesses variieren. Durch die Nutzung eines reziproken Streutranslokationsexperiments entlang des Klimagradienten in Chile war es möglich, der Zersetzung von 30 Pflanzenarten mit hoher Variation funktioneller Merkmale über zwei Jahre hinweg zu folgen. Die Merkmale hatten einen starken Einfluss auf die Streuzersetzung im Gradienten, während eine Erhöhung der Zersetzung mit steigender Bodenfeuchtigkeit nur in den feuchtesten Klimazonen beobachtet werden konnte. Insgesamt bestimmten im ersten Jahr des Experiments die funktionellen Merkmale über das Maß der Zersetzung. Danach gewann der Faktor der Bodenfeuchtigkeit merklich an Bedeutung. Darüber hinaus zeigten statistische Analysen von Untergruppen der 30 Pflanzenarten, dass der Effekt funktioneller Merkmale auf die Streuzersetzung an Bedeutung gewinnt, wenn die Variation von Merkmalsausprägungen höher ist. Folglich hängen die relativen Effekte der funktionellen Merkmale und des Klimas auf die Zersetzung von der Variation des Klimas und der funktionellen Merkmale ab, ändern sich aber auch mit der Zeit. In der dritten Untersuchung wurde die Rolle der Diversität (Artenvielfalt und funktionelle Dispersion, FDis) auf die Zersetzung von Streumischungen über Ökosysteme hinweg beurteilt. Hier wurden FDis Werte genutzt, basierend auf den funktionellen Merkmalen, in Beziehung stehend zum Nährstofftransfer innerhalb der Streu oder Widerständigkeit der Streu, zwei Mechanismen, welche die Streumischungseffekte erklären könnten. Es konnte nur eine kleine Anzahl von signifikanten Mischungseffekten auf die Zersetzung (sowohl positiv als negativ) entlang des Klimagradienten gefunden werden, was am meisten an den aridesten Standorten passierte. Diese Mischungseffekte waren an allen Standorten unabhängig von der Anzahl der Arten in der Streumischung, waren aber stärker mit steigender FDis an den zwei aridesten Standorten. An diesen Standorten stand die FDis basierend auf funktionellen Merkmalen in Beziehung zum Nährstoffgehalt, korrelierend mit positiven Mischungseffekten, während Merkmale in Beziehung zu hemmenden sekundären Zusammensetzungen mit negativen Mischungseffekten korrelierten. Insgesamt weist diese Studie darauf hin, dass Mischungseffekte auf Zersetzung eher selten entlang des klimatischen Gradienten auftreten. Allerdings lässt dies erkennen, dass eine mechanische Herangehensweise an die Messung funktioneller Diversität zu einem tieferen Verständnis führen könnte, unter welchen Bedingungen und in welche Richtung Diversität Zersetzung beeinflusst. Insgesamt unterstreicht diese Doktorabeit die Wichtigkeit von funktionellen Merkmalen in der Streuzersetzung: dieser Faktor bestimmt nicht nur die Affinität der Destruenten und legt Artenrankings in Bezug auf Unzersetzbarkeit fest, kann aber auch über funktionelle Diversität erweiterte Kontrolle ausüben. Es wurde demonstriert, dass die Studie einer breiten Vielfalt funktioneller Merkmale und Streuarten entscheidend dafür ist, die relative Wichtigkeit der Streumerkmale auf die Zersetzung korrekt vorherzusagen und wahrscheinlich das Auftreten von Streumischungseffekten kontrolliert. Ebenso erlaubt die Nutzung eines großen klimatischen Bereichs kritische Unterschiede zwischen Ökosystemen zu erkennen. Diese Ergebnisse sind von besonderer Wichtigkeit, um Streuzersetzungsfeedbacks auf das Klima korrekt vorherzusagen und die Wichtigkeit von Studien zu unterstreichen, die einen repräsentativen Umfang in Klima und Vegetation beinhalten. Von besonderem Interesse sind unterrepräsentierte Ökosysteme, wie zum Beispiel aride und semiaride Klimazonen. In diesen Ökosystemen konnte gezeigt werden, dass Streumerkmale die Zersetzung und Streumischungseffekte stark bestimmen können, im Kontrast zu den Resultaten von mediterranen und gemäßigten Wäldern. Alle drei der durchgeführten Experimente verdeutlichen die Wichtigkeit der funktonellen Merkmale und schaffen zusätzlich einen Rahmen für neue Forschung zum Verständnis von menschengemachten Veränderungen in der funktionellen Komposition von Vegetation für die Zersetzung und somit für Kohlenstoff- und Nährstoffkreisläufe.


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