Impacts of land-use conversion in Sumatra, Indonesia on soil nitrogen cycling, soil nutrient stocks and ecosystem dynamics

Innerhalb der letzten zwei Jahrzehnte ist die Entwaldungsrate auf Sumatra, Indonesien stark gestiegen, dies geht einher mit eine Umwandlung von Tieflandwäldern in Ölpalm- (Elaeis guineensis) und Kautschukmonokulturplantagen (Hevea brasiliensis). Es wurde festgestellt, dass Landnutzungsänderungen in landwirtschaftlichen Systemen die Bodennährstoffbestände sowie die Umsatzrate von Bodennährstoffen senkt, dies kann zu einer Abhängigkeit vom Einsetzen von Düngemitteln führen, die nur eine zeitweise Verfügbarkeit von Nährstoffen gewährleistet. Des Weiteren bedroht die Umwandlung von Wald in Monokulturen die hohe Biodiversität, welche in tropischen Wäldern vorherrscht, was wiederum die Funktionsweise des Ökosystems beeinflusst. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag darin, die Auswirkungen der Landnutzungsänderung auf Bodennährstoffhaushalt und Ökosystemdynamiken festzustellen, sowie die Mechanismen die für die Veränderungen verantwortlich sind zu verstehen. Alle Drei Studien waren Teil eines großen interdisziplinären Projekts welches die ökologischen und sozialen Effekte von tropischen Landnutzungsveränderungen untersucht. Die Probenentnahme für jede Studie erfolgte in der Region von Jambi auf Sumatra, Indonesien – ein Gebiet das früher dicht bewaldet war, aber eine starke Entwaldung erfahren hat. Es wurden zwei Landschaften ausgesucht, die sich über ihre vorherrschende Bodentextur und ihren Bodentyp definieren und die Region natürlich repräsentieren: zum einen waren dies lehmige Acrisole und zum anderem tonige Acrisole. In den beiden Bodenlandschaften wurden vier Systeme untersucht: Tieflandregenwald und regenerierter Wald durchsetz mit Kautschukbäumen (hier benannt als „Jungle-rubber“) sowie Monokulturen von Kautschuk (Sein bis 17 Jahre alt) und Ölpalmen (Neun bis 16 Jahre alt). Das Ziel der ersten Studie war zu bewerten, wie sich die Umsatzrate von Stickstoff (N) im Boden in Bezug auf die Umwandlung von Wald in Kautschuk- und Ölpalmplantagen verändert. Die Bruttoumsatzrate von Stickstoff im Boden wurde mit der 15N-Verdünnungsmethode mit in situ Inkubation der Bodenbohrkerne bestimmt. In den Lehm-Acrisolen, in denen die Bodenfruchtbarkeit gering war, waren auch die mikrobielle Biomasse, die Bruttostickstoffmineralisation und die Immobilisierung von Ammonium (NH4+) gering und es wurden keine signifikanten Veränderungen durch die Landnutzung aufgezeigt. Die Ton-Acrisole welche eine höhere Ausgangsfruchtbarkeit, bezogen auf die Referenzflächen, aufwiesen, waren auch einen höheren Anteil an mikrobielle Biomassen sowie durch höhere NH4+-Umwandlungsraten im Vergleich zu den Lehm-Acrisolen gekennzeichnet. In den Ton-Acrisolen hat die Umwandlung von Wald und Jungle-rubber in Kautschuk- und Ölpalmplantagen zu einer Verringerung der Bodenfruchtbarkeit geführt, was wiederum zu einer Reduzierung der mikrobiellen Biomasse und der NH4+-Umwandlungsraten beigetragen hat. Unsere Ergebnisse lassen annehmen, das je höher die Ausgangsbodenfruchtbarkeit und Stickstoffverfügbarkeit im Boden ist, desto höher ist die Reduktionen durch die Landnutzungsänderungen. Das Ziel der zweiten Studie war es, Veränderungen biochemischer Charakteristika des Bodens sowie des Nährstoffbestandes bis 2 m Bodentiefe in den verschiedenen Landnutzungssystemen zu erfassen und die Proportionen der Gesamtvarianz der biochemischer Bodencharakteristika zu bestimmen, die durch die räumlichen Komponenten in unserem experimentellem Design hervorgerufen werden. Der Tongehalb beeinflusst die Bodenfruchtbarkeit und die größeren Nährstoffbestände wurden in den Referenzflächen der Ton-Acrisolen gefunden. Bewirtschaftungspraktiken in den veränderten Landnutzungssystemen übten den größten Einfluss auf Boden-pH, Basensättigung, extrahierbaren Phosphor und austauschbares Natrium aus. Die Mehrheit der biochemischen Bodencharakteristika und der Nährstoffbestände wurden nicht signifikant durch Landnutzungsänderungen verändert. Basierend auf der Varianzkomponentenanalyse der verschachtelten räumlichen Struktur des experimentellen Designs, wurde die Gesamtvarianz von vielen biochemischen Bodencharakteristika durch die Abweichungen zwischen replizierten Plots und nicht durch die unterschiedliche Landnutzung erklärt. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass wenn man signifikante Effekte von Landnutzungsänderungen auf biochemische Bodencharakteristika feststellen will, die Stichprobenzahl replizierter Plots pro Landnutzungssystem erhöht werden muss. Das Ziel der dritten Studie war es, zwischen direkten Landnutzungseffekten und indirekten „Bottom-up“-Effekten auf ober- und unterirdisch lebende Taxa zu differenzieren. Es wurden allgemeine „Multilevel path“- Modelle (eine Form von Strukturgleichungsmodellen), die eine Berechnung direkter und interaktiver Effekte von Landnutzung mit abiotischen Variablen und „Bottom-up“-Effekten zwischen biotischen Variablen zulassen, auf der Basis von Daten von Pflanzen, Mikroorganismen, Invertebraten der Streuschicht, baumbewohnende Ameisen, Vögeln und Umweltparametern (Boden- und Mikroklimaeigenschaften) entworfen. Die Ergebnisse der „Multilevel path“- Modelle zeigen, dass die Landnutzungsänderungen direkte Effekte auf Pflanzen, unterirdisch lebende Taxa einer niedrigen trophischen Ebene (z.B. Saprobionten und Herbivoren) und baumbewohnende Ameisen haben, fast alle Landnutzungsauswirkungen auf höhere trophische Ebenen von Invertebraten und Vögel waren jedoch „Bottom-up“-kontrolliert. Diese Studie lässt erkennen, dass Landnutzungsveränderungen, direkt und indirekt, ökologische Verschiebungen im großen Rahmen lenken. Die gefundenen Effekte auf höhere trophische Ebenen sind jedoch meistens von den Organismen der darunterliegenden trophischen Ebenen abhängig. Die Stickstoffumsatzraten im Boden und der Umfang der Stickstoffpools, welche in der ersten Studie gemessen wurden, wurden parallel mit Studien zur Stickstoffoxidemission und Stickstoffauswaschung des Bodens durchgeführt, um ein ganzheitliches Bild des Stickstoffhaushaltes in den veränderten Landschaft zu erhalten. Analysen zur Probenoptimierung wurden für die biochemischen Bodencharakteristika der oberen Bodenschicht bis 0,5 m aus der zweiten Studie durchgeführt, um festzustellen was die minimale Anzahl an Replikaten pro Landnutzungstyp ist, um signifikante Unterschiede zwischen den Landnutzungssystemen in unserem experimentellen Design festzustellen. Die Bodenkomponenten die in die „Multilevel path“- Modelle integriert waren, wurden erfasst und direkte Zusammenhänge zwischen diesen Bodeneigenschaften und der Biodiversität des Ökosystems und den Biomassen wurden untersucht, um ein besseres Verständnis davon zu bekommen, welche Rolle Bodennährstoffbeständen für die transformierten Systeme spielen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der drei Studien, dass die Bodennährstoffbestände eine wichtige Komponente des Ökosystems darstellt und Veränderungen der Bodennährstoffbestände durch Landnutzungsänderungen Auswirkungen auf die Biodiversität und die Funktionsweise des Ökosystems haben können.

Over the last two decades, deforestation rates in Sumatra, Indonesia have rapidly increased resulting in the conversion of large tracts of lowland forest into monoculture plantations of oil palm (Elaeis guineensis) and rubber (Hevea brasiliensis). Land-use conversion to agricultural systems has been found to decrease soil nutrient stocks and soil nutrient cycling rates overtime, which can lead to a dependence on fertilization that only temporarily improves soil nutrient availability. Furthermore, conversion of forest to crop monocultures threatens the high levels of biodiversity present in tropical forested systems, which subsequently influences ecosystem functioning. The focus of this thesis was to determine the impacts of land-use conversion on soil nutrient status and ecosystem dynamics, as well as provide an understanding of the mechanisms driving these changes. All three studies were a part of a large interdisciplinary research project examining the environmental and social effects of tropical land-use change. Sampling for each study took place in Jambi Province, Sumatra, Indonesia—an area that was once heavily forested, but has experienced high forest conversion. Two soil landscapes, defined by their dominant soil texture and type, were selected to represent the region: loam and clay Acrisol soils. In each soil landscape, four land-use systems were examined: lowland rainforest and rubber interspersed in naturally regenerating forest (referred here as “jungle rubber”) and monoculture plantations of rubber (7-17 years old) and oil palm (9-16 years old).  The aim of the first study was to assess changes in soil nitrogen (N) cycling rates with conversion of forest to oil palm and rubber plantations. Gross soil-N cycling rates were measured using the 15N pool dilution technique with in-situ incubation of soil cores. In the loam Acrisol soil, where fertility was low, microbial biomass, gross N mineralization and ammonium (NH4+) immobilization were also low and no significant changes were detected with land-use conversion. The clay Acrisol soil, which had higher initial fertility based on the reference land uses had larger microbial biomass and NH4+ transformation rates compared to the loam Acrisol soil. Conversion of forest and jungle rubber to rubber and oil palm in the clay Acrisol soil decreased soil fertility subsequently reducing microbial biomass and decreasing NH4+ transformation rates. Our findings suggest that the larger the initial soil fertility and N availability, the larger the reductions upon land-use conversion.  The aim of the second study was to assess changes in soil biochemical characteristics and soil nutrient stocks down to 2 m depth with land-use change, and to determine the proportions of overall variance of soil biochemical characteristics that were accounted by the spatial components within our nested experimental design. Clay content influenced soil fertility and the higher nutrient stocks were found in the clay Acrisol reference land uses. Management practices in the converted land uses exerted the strongest influences on soil pH, base saturation, extractable phosphorus and exchangeable sodium. The majority of the soil biochemical characteristics and nutrient stocks did not exhibit significant effects of land-use change. Based on variance components analysis on the nested spatial structure of our experimental design, the overall variance on many of the soil biochemical characteristics was accounted by the variation amongst replicate plots rather than by land-use types. These results indicated that in order to detect significant effects of land-use change on soil biochemical characteristics in our nested experimental design, more replicate plots per land-use type should be sampled.  The aim of the third study was to differentiate direct land-use effects from indirect bottom-up effects on below- and aboveground taxa. Generalized multilevel path models (a form of structural equation modeling) that allowed for direct and interactive effects of land-use with abiotic variables and bottom-up effects among biotic variables were constructed using data collected on plants, microorganisms, litter invertebrates, arboreal ants, birds and environmental parameters (soil and microclimatic properties). Results from the path models demonstrated that land-use change imposed direct effects on plants, belowground taxa at lower trophic levels (i.e., detritivores and herbivores) and arboreal ants, but almost all land-use impacts at the highest trophic levels of invertebrates and birds were bottom-up controlled. This study revealed that land-use change directly and indirectly drives large-scale ecological shifts, but the effects detected at the highest trophic levels were mostly dependent on lower trophic-level organisms.  The soil-N cycling rates and N pools measured in the first study were combined with parallel studies on N-oxide emissions and N leaching, to generate a more holistic picture of the general soil-N cycle in this converted landscape. Analysis on sample optimization was conducted on the soil biochemical characteristics in the top 0.5 m depth from the second study, to determine the minimum number of replicates per land-use type needed to detect significant differences between land uses within our experimental design. The soil components incorporated within the multilevel path models from the third study were extracted and direct relationships between these soil properties and ecosystem biodiversity and biomass were examined to better understand the role soil nutrient status plays within these transforming systems.  Overall, the results from these three studies illustrate that soil nutrient status is an important ecosystem component, and changes in soil nutrient status due to land-use conversion can potentially affect biodiversity and ecosystem functioning.