Mikrobielle Nutzung von Ernteresten in Bodensäulen und Litterbags

Die vorliegende Arbeit untersuchte die Einflüsse der Bodenart und Einarbeitungstiefe von Streu auf die mikrobielle Nutzung und ihren Abbau. Anhand einer Kohlenstoffsequestrierung wurde die Verlagerung streubürtigen Kohlenstoffes in die Fraktionen CO2-C, SOC, extrahierbaren Kohlenstoff, Cmik und POM-C betrachtet. Aufgrund der Analyse der δ13C-CO2 Werte der Bodenrespiration, im Rahmen der Sequestrierung des streubürtigen Kohlenstoffes, war der Anteil der streubürtigen Bodenrespiration und somit die gesamte, zu erwartende Bodenrespiration bekannt. Durch die, bei der Kohlenstoffsequestrierung, ermittelten Werte konnte eine Plausibilitätsprüfung an vier Methoden zur Erfassung der Bodenrespiration, auf ihre Genauigkeit und mögliche Artefakte hin, durchgeführt werden. Des Weiteren wurden in einem anschließenden Freilandversuch unter subtropischen Bedingungen die Einflüsse verschiedener Dünger und Feldfrüchte, in Abhängigkeit der Streuqualität, auf den Streuabbau und die mikrobielle Besiedelung hin untersucht. Im ersten Versuch (Kapitel 3), wurde anhand eines Säulenversuches der Einfluss der Einarbeitungstiefe, in Anhängigkeit der Bodenart, auf den Streuabbau untersucht. Dieses ist von großer Bedeutung, da auf landwirtschaftlich genutzten Flächen Streu und so genannte "Grüne Dünger" durch den Einsatz unterschiedlicher Bodenbearbeitungssysteme, wie z.B. der Kreiselegge oder dem Wendepflug, in unterschiedliche Tiefen eingearbeitet werden. Die Verlagerung streubürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes per Pilzhyphen, über eine Distanz von bis zu 20 cm wurde innerhalb dieser Arbeit das erste Mal gezeigt. Bisherige Studien zeigten einzig einen Transport von streubürtigem Kohlenstoff per Pilzhyphen, über eine kurze Distanz von der Detritussphäre in den angrenzenden Boden. Der höhere Anteil streubürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes innerhalb der von der Streuschicht weiter entfernten Schichten im sandigen Boden, im Vergleich zum lehmigen Boden zeigte, dass das feine Porenvolumen des lehmigen Bodens den Transport Streubürtigen Kohlenstoffes per Pilzhyphen grundsätzlich behindert. Diese Annahme wurde durch die stärkere Abnahme des Anteils streubürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes, mit zunehmender Entfernung zur Streuschicht, im lehmigen Boden im Vergleich zum sandigen Boden unterstützt. Es ist davon auszugehen, dass der sandige Boden zusätzlich durch die höhere Porosität eine erhöhte Sauerstoffdurchlässigkeit und somit, in den tieferen Schichten bessere Wachstumsbedingungen für Mikroorganismen bietet als der lehmige Boden. Durch die Ausbreitung substratbürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes wurde im sandigen Boden mehr streubürtiger Kohlenstoff durch Mikroorganismen inkorporiert als im lehmigen Boden. Ein weiterer Grund für die geringere Verlagerung von streubürtigem Kohlenstoff in die mikrobielle Biomasse des lehmigen Bodens ist wahrscheinlich der bessere physikalische Schutz durch den höheren Tonanteil. Durch die Einarbeitung der Streu stieg in allen Ansätzen der Gehalt an Ergosterol, welcher ein wesentlicher Indikator für die Präsenz saprotropher Pilze ist. Besonders stark ausgeprägt war der Anstieg des Ergosterolgehaltes, sowie des Ergosterol / mikrobielle Biomasse C – Quotienten, wenn Streu in die untere Schicht (15 - 20 cm) ein-gearbeitet wurde. Diese tiefenspezifischen Unterschiede wurden bisher in noch keinem weiteren Versuch beobachtet und können auf die Entwicklung unterschiedlicher pilzlicher Gemeinschaften zurück zu führen sein. Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass pilzliche Nekromasse in den oberen Bodenschichten schneller umgesetzt wird und somit bei der Ergosterolbestimmung nicht mit erfasst wird. Da der Umsatz der pilzlichen Nekromasse im porösen sandigen Boden, aufgrund der höheren Sauerstoffverfügbarkeit und des geringeren physikalischen Schutzes, vermutlich höher ist als im lehmigen Boden, wird diese Annahme durch den im sandigen Boden geringeren Gehalt an mikrobiellen Kohlenstoff unterstützt. Wie erwartet, überstieg die Mineralisation der Streu im sandigen Boden die der im lehmigen Boden. Jedoch anders als erwartet, unterschied sich die Mineralisation in Abhängigkeit der Einarbeitungstiefe, mit einer erhöhten Mineralisation bei Einarbeitung der Streu in 0 - 5 cm Tiefe, einzig im sandigen Boden. Die Berechnung des Ertragskoeffizienten zeigte, dass die Substratsnutzungseffizienz der Mikroorganismen im sandigen Boden signifikant geringer war als die im lehmigen Boden. Die Zugabe von Streu führte in beiden Böden, verstärkt jedoch im lehmigen Boden, zu einem positiven Priming Effekt, der in beiden Bö-den stärker ausgeprägt war, als Streu in 0–5 cm Tiefe eingearbeitet wurde. Trotz Abnahme der SOC-bürtigen mikrobiellen Biomasse stieg die Mineralisation des SOC stark an. Es ist anzunehmen, dass extrazelluläre Enzyme wie Cellulase und Lignin modifizierende Enzy-me, produziert von saprotrophen Pilzen, zum Abbau von Cellolose und Lignin der Streu, zum Teil sehr effizient SOC abbauen. Im zweiten Versuch (Kapitel 4) wurde anhand des gleichen Säulenversuches (Versuch 1; Kapitel 3) der Einfluss der Entfernung von CO2-hot-spots im Boden zur Bodenoberfläche, in Abhängigkeit der Bodenart, auf vier verschiedene Methoden zur Erfassung der Bodenrespiration betrachtet. Zusätzlich wurde durch eine Plausibilitätsprüfung anhand der Kohlenstoffbilanz, basierend auf der in Versuch 1 durchgeführten Kohlenstoffsequestrierung, die Genauigkeit der vier Methoden in Abhängigkeit der Bodenart überprüft. Für beide Ansätze mit sandigem Boden zeigen IR und PAS eine deutliche Überschätzung der mit NaOH und GC bestimmten Bodenrespiration. Die Überschätzung durch IR ist dabei auf die durch die dynamische Haube verursachten Turbulenzen und deren Auswirkungen auf den porösen sandigen Boden zurück zu führen. Bei geringen Respirationsraten, wie bei der Kontrolle, zeigt die Messung mittels IR trotz Turbulenzen, verursacht durch den Ventilator der Haube, keine Überschätzung. Die Überschätzung durch PAS hingegen kann nicht auf Turbulenzen, verursacht durch die dynamische Haube, zurück geführt werden, da bei den Analysen mit PAS und GC identische Hauben, höher und größer als bei IR, eingesetzt wurden und die Bodenrespiration durch GC nicht überschätzt wurde. Im Gegensatz zu beiden sandigen Ansätzen überschätzt IR die Bodenrespiration im lehmigen Boden nicht. NaOH hingegen unterschätzt die Bodenrespiration, wenn Streu in 15-20 cm Tiefe des lehmigen Bodens eingearbeitet ist. Dieses ist dadurch zu erklären, dass, bedingt durch die geringere Porosität sowie das höhere Wasserhaltevermögen und dem daraus resultierenden geringeren Luft gefüllten Porenvolumen, die Diffusion von CO2 im lehmigen Boden langsamer ist als im sandigen Boden. Nach Absorption des CO2 der Haubenluft diffundiert das CO2 des CO2-hot-spots in 15-20 cm Tiefe, entlang des Diffusionsgradienten, aufgrund des Diffusionswiderstandes in lehmigen Boden langsamer zur Oberfläche als im sandigen Boden oder wenn der CO2-hot-spot direkt unter der Bodenoberfläche liegt. Da bei der Messung mit der dynamischen Haube diese nur kurz auf der Fläche verbleibt, beeinflusst der Diffusionsgradient diese Messungen nicht. Hinzukommt, dass bei den Messsystemen, die in Kombination mit der dynamischen Haube eingesetzt werden, im Gegensatz zur Absorption durch Lauge keine CO2 Abreicherung stattfindet und die Diffusion von CO2 aus dem Boden über lange Zeit bis zu hohen CO2 Konzentration in der Haube linear bleibt. Alle drei mit einer dynamischen Haube kombinierten Methoden zeigen mit Korrelations-koeffizienten zwischen 0,90 und 0,93 starke Korrelationen mit NaOH. Während PAS die Bodenrespiration im Verhältnis zu NaOH immer überschätzt, tritt eine Überschätzung durch GC nur bei Mineralisationsraten unter 500 mg m-2 h-1 und für IR bei Mineralisations-raten über 40 mg m-2 h-1 ein. Die Plausibilitätsprüfung zeigt, dass für sandigen Boden, mit NaOH und GC eine sehr exakte Wiederfindung von Kohlenstoff erreicht wird, wohingegen IR und PAS in der Wiederfindung von Kohlenstoff bei deutlich über 100 % liegen. Für den lehmigen Boden hingegen ist nach Entfernung der CO2-hot-spots zur Bodenoberfläche zu differenzieren. Befindet sich der CO2-hot-spot direkt unter der Bodenoberfläche ist die Wiederfindung von Kohlenstoff für NaOH, GC und IR sehr exakt. Befindet sich der CO2-hot-spot jedoch in 15-20 cm Tiefe, ist die Wiederfindung des Kohlenstoffes durch NaOH deutlich unter 100 %. Die Wiederfindung durch PAS liegt sowohl für den sandigen als auch für den lehmigen Boden immer deutlich über 100 %. Im dritten Versuch (Kapitel 5), wurde anhand eines Litterbag-Versuches im Norden des Omans, der Einfluss verschiedener Dünger und Feldfrüchte auf den Abbau von Streu auf landwirtschaftlich genutzten Flächen in Abhängigkeit der Streuqualität betrachtet. Bei dem Großteil bisheriger Streuabbauversuche, unter gemäßigten und subtropischen Klimaten, stand der Abbau von Streu im Wald im Fokus der Betrachtung. Die wenigen Versuche zum Streuabbau auf landwirtschaftlich genutzten Flächen beschränken sich auf die gemäßigten Klimate. Wohingegen der Abbau von Streu, sowie der Einfluss von Dünger und Feldfrucht unter subtropischen Bedingungen, zum ersten mal mit der vorliegenden Arbeit fokussiert wurde. Der Verlust an organischem Material war verglichen mit Versuchen un-ter gemäßigten Klimaten, bei allen vier Streuarten, generell hoch. Der höhere Abbau von Luzernen- und Maisstreu im Vergleich zu Raps- und Weizenstreu ist auf Unterschiede der Streuqualität zurückzuführen. Neben der Verwertbarkeit durch Mikroorganismen beeinflusst die Streuqualität zusätzlich die "Schmackhaftigkeit" der Streu für Organismen der Mesofauna. Wodurch ein selektiver Transport und/oder Grazing von Mikroorganismen stattfindet. Der geringere Abbau der Luzernenstreu verglichen mit Maisstreu jedoch ist nicht auf die Streuqualität sondern auf die geringere mikrobielle Besiedelung der Luzernenstreu während der Versuchszeit zurückzuführen. Der Unterschied im Grad der mikrobiellen Besiedelung kann durch die erhobenen Daten nicht erklärt werden. Es ist jedoch davon auszugehen, dass Leguminosen Substanzen wie z.B. Polyphenole enthalten, welche die mikrobielle Biomasse und im Besonderen die pilzliche Biomasse in beachtlichem Umfang inhibitieren. Ebenso wenig ist der höhere Abbau von Weizenstreu verglichen mit Rapsstreu durch die Streuqualität zu begründen. Eine mögliche Erklärung für den geringeren Abbau der Rapsstreu kann ihr hoher Aluminium Gehalt sein. Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass die Rapsstreu organische Substanzen wie Glucosinolate enthält, welche den mikrobiellen Streuabbau inhibitieren. Während der Hemicellulosegehalt am Ende des Versuches nicht durch die Streuqualität beeinflusst war, zeigten Cellulose und Lignin quali-tätsabhängige Effekte. Der stärkere Abbau von Cellulose bei Luzernen- und Maisstreu ist auf den anfänglich höheren Stickstoffgehalt zurückzuführen, wodurch die Produktion und Aktivität von Cellulose degradierenden Enzymen, wie Exo-Cellulase, Endo-Cellulase und Xylanase, anstieg. Es ist davon auszugehen, dass die Differenzen im Celluloseabbau von Luzernen- und Maisstreu im Vergleich zu Raps- und Weizenstreu, neben Unterschieden im anfänglichen Stickstoffgehalt, auf den höheren Schutz von Cellulose durch Lignin in Raps- und Weizenstreu zurückzuführen sind. Während der initial geringe Stickstoffgehalt den Ligninabbau in Raps- und Weizenstreu unterstützt, ist die relative Anreicherung von Lignin in Luzernen- und Maisstreu hingegen auf den initial hohen Stickstoffgehalt zurückzuführen. Dem entgegen hat die Zusammensetzung weiterer Nährstoffe einen sehr geringen Effekt. Es ist jedoch möglich, dass stärkere Effekte durch den Eintrag von Boden in die Litterbags durch Organismen der Mesofauna, Wurzelwachstum oder physikalische Verlagerung überdeckt werden. Während unter organische Düngung, die pilzliche Biomasse ansteigt, fördert der leicht verfügbare Stickstoff der mineralischen Düngung die Bildung bakterieller Biomasse. Der höher Gehalt an pilzlicher Biomasse unter organischer Düngung zeigte keinen generellen Effekt auf den Abbau von Kohlenstoff. Er führte jedoch zu einer Veränderung in der Streuzusammensetzung. Die verringerte Abnahme bzw. verstärkte Zunahme der Nährstoffgehalte bei organischer Düngung ist durch den Eintrag dünger-bürtiger Nährstoffe, im Besonderen durch die verstärkte Bildung pilzlicher Hyphen in die Litterbags hinein, zu erklären. Trotz höherer Gehalte an pilzlicher Biomasse war der Ligningehalt am Ende des Versuches unter organischer Düngung höher als unter mineralischer Düngung. Diese ist auf den Eintrag düngerbürtiger Pilze zurückzuführen, welche eine geringere Lignindegradierungseffizienz aufweisen. Der Einfluss der Feldfrucht auf den Streuabbau äußert sich durch höhere Gehalte mikrobieller und im Besonderen pilzlicher Biomasse, und durch geringere Gehalte an N, P, Ca, Na und K in, im Litterbag verbleiben-der Streu, unter dem Anbau von Mohrrüben. Der Anstieg der pilzlichen Biomasse führt, ebenso wie bei der organischen Düngung zu keinem generellen Anstieg der Kohlenstoffdegradation, zeigt jedoch einen selektiven Effekt auf den Abbau von Cellulose. Der Einfluss, sowohl auf die mikrobielle Biomasse, als auch auf den Nährstoffgehalt, zeigt die Bedeutung der Unterschiede im Wurzelwachstum, der Rhizodeposition sowie des Nährstoffbedarfs in Abhängigkeit der Feldfrucht. Trotz großer Unterschiede der Streuarten im anfänglichen Gehalt mikrobieller Biomasse war dieser am Ende des Versuches für alle Streuarten identisch. Dieses war Folge eines starken Anstiegs der pilzlichen Biomasse bei Luzernen- und Maisstreu sowie einer Abnahme der pilzlichen Biomasse bei Raps- und Weizenstreu, welche zuvor noch nicht beobachtet wurde. Dieses macht den Einfluss der anfänglichen mikrobiellen Biomasse auf deren Entwicklung während des Streuabbauprozesses im Boden deutlich. Es ist anzunehmen, dass ein Teil der anfänglichen pilzlichen Biomasse der Raps- und Weizenstreu, welche sich unter gemäßigten Klimaten entwickelte, unter subtropischen Bedingungen nicht überlebensfähig war. Generell war der Streuabbau durch Pilze dominiert. Es zeigte sich jedoch, dass Unterschiede im Pflanzenmaterial einen Einfluss auf die bakterielle Biomasse hatten, Unterschiede in Düngung und Feldfrucht hingegen die pilzliche Biomasse und die bakterielle Biomasse beeinflussten.

The impact of two arable field margin management schemes on litter decomposition

A primary objective of agri-environment schemes is the conservation of biodiversity; in addition to increasing the value of farmland for wildlife, these schemes also aim to restore natural ecosystem functioning. The management of scheme options can influence their value for delivering ecosystem services by modifying the composition of floral and faunal communities. This study examines the impact of an agri-environment scheme prescription on ecosystem functioning by testing the hypothesis that vegetation management influences decomposition rates in grassy arable field margins. The effects of two vegetation management practices in arable field margins - cutting and soil disturbance (scarification) - on litter decomposition were compared using a litterbag experimental approach in early April 2006. Bags had either small mesh designed to restrict access to soil macrofauna, or large mesh that would allow macrofauna to enter. Bags were positioned on the soil surface or inserted into the soil in cut and scarified margins, retrieved after 44, 103 and 250 days and the amount of litter mass remaining was calculated. Litter loss from the litterbags with large mesh was greater than from the small mesh bags, providing evidence that soil macrofauna accelerate rates of litter decomposition. In the large mesh bags, the proportion of litter remaining in bags above and belowground in the cut plots was similar, while in the scarified plots, there was significantly more litter left in the aboveground bags than in the belowground bags. This loss of balance between decomposition rates above and belowground in scarified margins may have implications for the development and maintenance of grassy arable field margins by influencing nutrient availability for plant communities. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Decomposition in tropical forests: a pan-tropical study of the effects of litter type, litter placement and mesofaunal exclusion across a precipitation gradient

1. Litter decomposition recycles nutrients and causes large fluxes of carbon dioxide into the atmosphere. It is typically assumed that climate, litter quality and decomposer communities determine litter decay rates, yet few comparative studies have examined their relative contributions in tropical forests. 2. We used a short-term litterbag experiment to quantify the effects of litter quality, placement and mesofaunal exclusion on decomposition in 23 tropical forests in 14 countries. Annual precipitation varied among sites (760-5797 mm). At each site, two standard substrates (Raphia farinifera and Laurus nobilis) were decomposed in fine- and coarse-mesh litterbags both above and below ground for approximately 1 year. 3. Decomposition was rapid, with >95% mass loss within a year at most sites. Litter quality, placement and mesofaunal exclusion all independently affected decomposition, but the magnitude depended upon site. Both the average decomposition rate at each site and the ratio of above- to below-ground decay increased linearly with annual precipitation, explaining 60-65% of among-site variation. Excluding mesofauna had the largest impact on decomposition, reducing decomposition rates by half on average, but the magnitude of decrease was largely independent of climate. This suggests that the decomposer community might play an important role in explaining patterns of decomposition among sites. Which litter type decomposed fastest varied by site, but was not related to climate. 4. Synthesis. A key goal of ecology is to identify general patterns across ecological communities, as well as relevant site-specific details to understand local dynamics. Our pan-tropical study shows that certain aspects of decomposition, including average decomposition rates and the ratio of above- to below-ground decomposition are highly correlated with a simple climatic index: mean annual precipitation. However, we found no relationship between precipitation and effects of mesofaunal exclusion or litter type, suggesting that site-specific details may also be required to understand how these factors affect decomposition at local scales.

Relative effect of litter quality, forest type and their interaction on leaf decomposition in south-east Brazilian forests

Decomposition was studied in a reciprocal litter transplant experiment to examine the effects of forest type, litter quality and their interaction on leaf decomposition in four tropical forests in south-east Brazil. Litterbags were used to measure decomposition of leaves of one tree species from each forest type: Calophyllum brasiliense from restinga forest; Guapira opposita from Atlantic forest; Esenbeckia leiocarpa from semi-deciduous forest; and Copaifera langsdorffii from cerradao. Decomposition rates in rain forests (Atlantic and restinga) were twice as fast as those in seasonal forests (semi-deciduous and cerradao), suggesting that intensity and distribution of precipitation are important predictors of decomposition rates at regional scales. Decomposition rates varied by species, in the following order: E. leiocarpa > C. langsdorffii > G. opposita > C. brasiliense. However, there was no correlation between decomposition rates and chemical litter quality parameters: C:N, C:P, lignin concentration and lignin:N. The interaction between forest type and litter quality was positive mainly because C. langsdorffii decomposed faster than expected in its native forest. This is a potential indication of a decomposer`s adaptation to specific substrates in a tropical forest. These findings suggest that besides climate, interactions between decomposers and plants might play an essential role in decomposition processes and it must be better understood.

Produção, acúmulo e decomposição da serrapilhadeira e repartição da precipitação pluviométrica por espécies da caatinga

This study aimed to establish patterns of dynamics of litter and redistribution of rainfall of Caatinga vegetation. Sampling was done monthly for twenty three months in four areas: degraded, successional primary stage, secondary stage and late stage. We installed 72 collectors of 1.0 mx 1.0 m, with nylon fabric background in three areas. Litter deposited was fractionated into leaves, twigs, reproductive structures and miscellaneous, dried and weighed. To assess the stock of accumulated litter we used metal frame with dimensions of 0.5 mx 0.5 m, thrown randomly and collected monthly, taken to the laboratory for oven drying and weighed. To evaluate the decomposition, 40g of litter were placed in nylon bags (litterbags) mesh 1 mm ², dimensions 20.0 x 20.0 cm, being distributed on the soil surface and removed monthly, cleaned, dried and weighed. To evaluate the contribution of rainfall we used interceptometers installed 1.0 m above the ground surface, distributed under the canopy of six species of the caatinga, which evaluated the stemflow through collecting system installed around the stems of these species. The deposition of litter in the primary stage was 2.631,26 kg ha-1; 3.144,89 kg ha-1 in the secondary stage; 3.144,89 kg ha-1 in the late stage. The fraction of leaves was the largest contributor to the formation of litter in three stages. The degraded area showed greater accumulation of litter and decomposition has been sluggish during the dry period. We conclude that occurred greater litterfall in later stages. The late successional stage showed faster decomposition of litter, the evidence that is a better use of litter in nutrient cycling processes and incorporation of organic matter to the soil. The time required to decompose 50 % of the litter in the later stages of succession was lower indicating greater speed of release and reuse of nutrients by the vegetation. The specie jurema preta with less leaf area and consists of leaflets, showed greater internal precipitation in rain events of greater magnitude. The stemflow was not influenced by DAP and basal area. The water lost by trapping represented the largest proportion of total rainfall in all species studied

Determinantes locais da decomposição foliar e de raízes finais em um ecossistema semiárido do nordeste brasileiro

The decomposition process exercises an extensive control over the carbon cycle, affecting its availability and nutrient cycling in terrestrial ecosystems. The understanding of leaf decomposition patterns above the soil and fine roots decomposition below the soil is necessary and essential to identify and quantify more accurately the flow of energy and matter in forest systems. There is still a lack of studies and a large gap in the knowledge about what environmental variables act as local determinants over decomposition drivers. The knowledge about the decomposition process is still immature for Brazilian semiarid region. The aim of this study was to analyze the decomposition process (on leaves and fine roots) of a mixture of three native species for 12 months in a semiarid ecosystem in Northeast Brazil. We also examined whether the rate of decomposition can be explained by local environmental factors, specifically plant species richness, plant density and biomass, soil macro-arthropods species richness and abundance, amount of litterfall and fine root stock. Thirty sampling points were randomly distributed within an area of 2000 m x 500 m. To determine the decomposition rate, the litterbag technique was used and the data analysis were made with multiple regressions. There was a high degradation of dead organic matter along the experiment. Above ground plant biomass was the only environmental local factor significantly related to leaf decomposition. The density of vegetation and litter production were positively and negatively related to decay rates of fine roots, respectively. The results suggest that Caatinga spatial heterogeneity may exert strong influences over the decomposition process, taking into account the action of environmental factors related to organic matter exposure of and the consequent action of solar radiation as the decomposition process main controller in this region

Efeitos individuais e interativos da diversidade de detritos, contexto e variabilidade ambiental sobre a magnitude e estabilidade do processo de decomposição

Studies on the effects of changes in biodiversity and ecosystem functioning have been a central theme in ecology over the past two decades. Several studies have showed that the diversity of plant debris differently affects the decomposition process in aquatic and terrestrial environments, but we know very about the effects of detritus diversity on decomposition under fluctuating environmental conditions. We tested whether and how the environmental contexts, as well as the dynamic of their alternation, influence the effects of detritus diversity on the decomposition process. We performed a field experiment where we manipulate the litter diversity of 8 species of terrestrial plants decomposing (litterbags) in single and in mixture containing the eight species together in three different environmental contexts: the terrestrial environment (T), aquatic (A) and interface (I) - experimental treatment that simulates variation in flooding regime. We measured the rate of decomposition through the loss of mass of the community and each individual detritus in monocultures and mixtures. Species richness and environmental variability had no effects on the magnitude and stability of the decomposition process. However, there were significant diversity effects on the decomposition of an individual alien species, F. benjamina. Environmental context had significant effects on the magnitude and variability of decomposition. Detritus decomposition was faster and more variable on aquatic, interface and terrestrial conditions, respectively. Our results demonstrate that the diversity of plant detritus has minor effects to the decomposition across disparate environmental conditions and suggest that it is necessary to consider the potential of other abiotic factors in affect the magnitude and variability of the decomposition processes

Resposta do milho à adição de níveis de fitomassa de Brachiaria decumbens Stapf e nitrogênio em latossolo vermelho

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Avaliação da liberação de potássio por resíduos do benefício de café

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Organic material decomposition and nutrient dynamics in a mulch system enriched with leguminous trees in the Amazon

As novas técnicas propostas para a agricultura na Amazônia incluem sistema de rotação de capoeira enriquecido com árvores leguminosas e transformando a queima da biomassa em cobertura morta sobre o solo. A decomposição e a liberação de nutrientes da cobertura morta foram estudadas usando sacos de liteira com malha fina que continham cinco tratamentos com diferentes espécies de leguminosas em comparação a um tratamento-controle com vegetação natural. As amostras para cada tratamento foram analisadas para conteúdos de C total, N, P, K, Ca, Mg, lignina, celulose e polifenóis solúveis em diferentes tempos de amostragem durante um ano. A razão constante de decomposição variou com a espécie e com o tempo. A perda de massa nos sacos de decomposição foi de 30,1 % para Acacia angustissima, de 32,7 % para Sclerolobium paniculatum, de 33,9 % para Inga edulis e para a vegetação secundária, de 45,2 % para Acacia mangium e de 63,6 % para Clitoria racemosa. Foi observada imobilização de N e P em todos os tratamentos, sendo a mineralização do N negativamente correlacionada com o fenol, razão C/N, razão (lignina + fenol)/N, razão fenol/P e o conteúdo de N nos sacos de liteira. Depois de 362 dias de incubação no campo, 3,3 % de K, 32,2 % de Ca e 22,4 % de Mg permaneceram no material em decomposição. Os resultados evidenciaram que a baixa qualidade mineral e a alta quantidade de carbono orgânico e aplicado como cobertura morta podem limitar a quantidade de energia disponível para os microrganismos resultando em uma competição por nutrientes com as plantas agrícolas.

Litterfall and leaf decomposition in forest fragments under different successional phases on the Atlantic Plateau of the state of Sao Paulo, Brazil

Litterfall and litter decomposition are vital processes in tropical forests because they regulate nutrient cycling. Nutrient cycling can be altered by forest fragmentation. The Atlantic Forest is one of the most threatened biomes in the world due to human occupation over the last 500 years. This scenario has resulted in fragments of different size, age and regeneration phase. To investigate differences in litterfall and leaf decomposition between forest successional phases, we compared six forest fragments at three different successional phases and an area of mature forest on the Atlantic Plateau of Sao Paulo, Brazil. We sampled litter monthly from November 2008 to October 2009. We used litterbags to calculate leaf decomposition rate of an exotic species, Tipuana tipu (Fabaceae), over the same period litter sampling was performed. Litterfall was higher in the earliest successional area. This pattern may be related to the structural properties of the forest fragments, especially the higher abundance of pioneer species, which have higher productivity and are typical of early successional areas. However, we have not found significant differences in the decomposition rates between the studied areas, which may be caused by rapid stabilization of the decomposition environment (combined effect of microclimatic conditions and the decomposers activities). This result indicates that the leaf decomposition process have already been restored to levels observed in mature forests after a few decades of regeneration, although litterfall has not been entirely restored. This study emphasizes the importance of secondary forests for restoration of ecosystem processes on a regional scale.

The importance of mesofauna and decomposition environment on leaf decomposition in three forests in southeastern Brazil

We examined the effects of soil mesofauna and the litter decomposition environment (above and belowground) on leaf decomposition rates in three forest types in southeastern Brazil. To estimate decomposition experimentally, we used litterbags with a standard substrate in a full-factorial experimental design. We used model selection to compare three decomposition models and also to infer the importance of forest type, decomposition environment, mesofauna, and their interactions on the decomposition process. Rather than the frequently used simple and double-exponential models, the best model to describe our dataset was the exponential deceleration model, which assumed a single organic compartment with an exponential decrease of the decomposition rate. Decomposition was higher in the wet than in the seasonal forest, and the differences between forest types were stronger aboveground. Regarding litter decomposition environment, decomposition was predominantly higher below than aboveground, but the magnitude of this effect was higher in the seasonal than in wet forests. Mesofauna exclusion treatments had slower decomposition, except aboveground into the Semi-deciduous Forest, where the mesofauna presence did not affect decomposition. Furthermore, the effect of mesofauna was stronger in the wet forests and belowground. Overall, our results suggest that, in a regional scale, both decomposers activity and the positive effect of soil mesofauna in decomposition are constrained by abiotic factors, such as moisture conditions.

Factors controlling decomposition rates of fine root litter in temperate forests and grasslands

Background and aims Fine root decomposition contributes significantly to element cycling in terrestrial ecosystems. However, studies on root decomposition rates and on the factors that potentially influence them are fewer than those on leaf litter decomposition. To study the effects of region and land use intensity on fine root decomposition, we established a large scale study in three German regions with different climate regimes and soil properties. Methods In 150 forest and 150 grassland sites we deployed litterbags (100 μm mesh size) with standardized litter consisting of fine roots from European beech in forests and from a lowland mesophilous hay meadow in grasslands. In the central study region, we compared decomposition rates of this standardized litter with root litter collected on-site to separate the effect of litter quality from environmental factors. Results Standardized herbaceous roots in grassland soils decomposed on average significantly faster (24 ± 6 % mass loss after 12 months, mean ± SD) than beech roots in forest soils (12 ± 4 %; p < 0.001). Fine root decomposition varied among the three study regions. Land use intensity, in particular N addition, decreased fine root decomposition in grasslands. The initial lignin:N ratio explained 15 % of the variance in grasslands and 11 % in forests. Soil moisture, soil temperature, and C:N ratios of soils together explained 34 % of the variance of the fine root mass loss in grasslands, and 24 % in forests. Conclusions Grasslands, which have higher fine root biomass and root turnover compared to forests, also have higher rates of root decomposition. Our results further show that at the regional scale fine root decomposition is influenced by environmental variables such as soil moisture, soil temperature and soil nutrient content. Additional variation is explained by root litter quality.

Temporally dependent C, N, and P dynamics associated with the decay of Rhizophora mangle L. leaf litter in oligotrophic mangrove wetlands of the Southern Everglades

We performed two litter decomposition experiments using nearly-senesced red mangrove (Rhizophora mangle L.) leaves collected from an Everglades dwarf mangrove wetland to understand the short-term (3 weeks) and long-term (1 year) changes in mass, as well as C-, N-, and P-content of decomposing leaf litter. We expected that leaves decomposing in this oligotrophic environment would be short-term sources of C, N, and P, but potential long-term sinks for N and P. In May 1998, we conducted a 3-week leaching experiment, incubating fresh, individual leaves in seawater for up to 21 days. From May 1997 to May 1998, leaf litter in mesh bags decomposed on the forest floor at two dwarf mangrove sites. Leaching accounted for about 33% loss of dry mass from R. mangle leaves after 3 weeks. Leaching losses were rapid, peaking by day 2, and large, with leachate concentrations of total organic carbon (TOC) and total phosphorus (TP) increasing by more than an order of magnitude after 3 weeks. Mean leaf C:N increased from 105 to 115 and N:P increased from a mean of 74 to 95 after 21 days, reflecting the relatively large leaching losses of N and P. Loss of mass in the litterbags leveled off after 4 months, with roughly 60%dry mass remaining (DMR) after nearly 1 year of decomposition. The mass of carbon in each litterbag declined significantly after 361 days, but the mass of nitrogen and phosphorus doubled, indicating long-term accumulation of these constituents into the detritus. Subsequently, the leaf C:N ratio dropped significantly from 90 to 34 after 361 days. Following an initial 44-day increase, leaf N:P decreased from 222 to 144, reflecting high accumulation of P relative to N. A review of several estuarine macrophyte decomposition studies reveals a trend in nitrogen accumulation through time regardless of site, but suggests no clear pattern for C and P. We believe that the increase in litter P observed in this study was indicative of the P-limited status of the greater Everglades ecosystem and that decomposing mangrove litter may represent a substantial phosphorus pool in the system.

Biological nitrogen fixation and nutrient release from litter of the guachapele leguminous tree under pure and mixed plantation with eucalyptus.

A Pseudosamanea guachapele (guachapele), leguminosa arbórea fixadora de nitrogênio, é uma alternativa para plantios florestais mistos nos trópicos. Como são escassas as informações sobre a espécie em plantios mistos de eucalipto em condições edafoclimáticas brasileiras, foi conduzido um experimento no qual objetivou-se avaliar a contribuição da fixação biológica de nitrogênio para a guachapele e a velocidade de decomposição e de liberação de nutrientes de folhas senescentes de eucalipto e guachapele (oriundas dos plantios puros e consorciado). A porcentagem de N derivado da atmosfera (% Ndfa) foi estimada comparando-se a abundância natural de 15N ( 15N, ) nos tecidos da guachapele com a observada nos tecidos do Eucalyptus grandis, espécie não fixadora, ambas com sete anos de idade. A constante de decomposição (k) e a meia-vida (t1/2) de serapilheira foram estimadas utilizando-se o modelo exponencial aplicado aos dados oriundos de coletas de litterbags. A estimativa da %Ndfa para guachapele, em condições de plantio puro, variou de 17 a 36%, enquanto que, em condições de plantio consorciado, foi de 35 a 60 %. A concentração de N nas folhas senescentes estava positivamente relacionada com a taxa de decomposição, sendo essa decrescente da guachapele para o eucalipto. A t1/2 dos resíduos diferiu significativamente (p < 0.05), sendo de 148, 185 e 218 dias para as folhas de guachapele, mistura das duas espécies e eucalipto, respectivamente. A liberação dos nutrientes (principalmente N, K e Mg) das folhas seguiu a mesma ordem da t1/2 devido à qualidade inicial das mesmas. Os resultados indicam que a guachapele pode beneficiar o plantio misto pela adição de N e por meio da intensificação da decomposição da serapilheira.