Les dépérissements forestiers rapportés dans la littérature ont fortement augmenté durant la dernière décennie. Si cette augmentation semble attribuable au moins en partie aux changements globaux, les mécanismes écophysiologiques sous jacents restent encore mal connus. La littérature sur ce sujet a initialement permis de dégager deux principales hypothèses sur les mécanismes fonctionnels à l’œuvre lors d’un dépérissement : un manque de réserves carbonées et un dysfonctionnement du système hydraulique. Ces deux hypothèses ne sont pas mutuellement exclusives, ni exhaustives : les fonctionnements carboné et hydraulique interagissent à de multiples niveaux, et une implication du cycle interne de l’azote n’est pas à exclure. L’objectif principal de cette thèse est de documenter les mécanismes écophysiologiques à l’œuvre dans un dépérissement de hêtres (Fagus sylvatica L.) matures en forêt de Fontainebleau, lié principalement à des sécheresses répétées. Le dépérissement a ici été étudié en dehors de fortes contraintes climatiques. Ce sont donc majoritairement des arrières-effets de stress passés qui ont été renseignés. Au cours de ce travail, une approche intégrant des aspects hydraulique, carboné et azoté du fonctionnement du système arbre-sol a été adoptée afin de développer une vision intégrée de l’impact du dépérissement sur les grandes fonctions de l’arbre. Le transfert de composés de l’arbre vers le sol via la rhizodéposition a également été pris en compte. En dehors de périodes de stress, le fonctionnement des arbres sains et dépérissants à l’échelle de l’organe est similaire, à l’exception d’une diminution de la croissance radiale du tronc chez les arbres dépérissants. Au niveau du tronc, la croissance radiale apparait donc comme la variable d’ajustement des arbres dépérissants à une assimilation de carbone diminuée du fait de la détérioration de l’état de santé du houppier. Suite à une contrainte hydrique modérée, les arbres dépérissants présentent un déficit en réserves carbonées par rapport aux arbres sains dans certains organes. Ce déficit se trouve compensé après une année favorable. Une forte résilience des concentrations en réserves carbonées pourrait expliquer la capacité des arbres dépérissants à survivre de nombreuses années avec un houppier très endommagé. Des différences de proportion et de structure des rayons ligneux détectées entre les arbres sains et dépérissants laissent entrevoir l’intérêt qu’aurait dans le futur l’étude de caractéristiques anatomiques fonctionnelles dans le xylème. De plus, une approche rétrospective grâce aux cernes permettrait d’affiner notre compréhension de la mise en place du dépérissement à long terme. Par ailleurs, une étude actuellement en cours sur la structure des communautés microbiennes de la rhizosphère devrait permettre de compléter notre connaissance de l’impact du dépérissement sur les relations arbre-sol. / The cases of forest decline reported in the literature have strongly increased during the last decade. This increase seems at least in part attributable to global change. However, the ecophysiological mechanisms underlying tree declines remain poorly understood. Two main hypotheses initially emerged from the recent literature: a deficit of carbon reserve compounds, or a failure of the hydraulic system of the tree. These hypotheses are not mutually exclusive, nor exhaustive: multiple couplings exist between the carbon and hydraulic functionings, and the internal nitrogen cycle of the trees could also be involved in tree decline. The main objective of this work was to document the ecophysiological mechanisms underlying a case of mature beech (Fagus sylvatica L.) drought-related decline in the Fontainebleau state forest. The decline was studied under non extreme climatic conditions. Therefore, we documented maily after-effects of past stresses. In this thesis, we developed an approach integrating the hydraulic, carbon and nitrogen aspects of functioning of the tree-soil system. The transfer of carbon compounds from tree roots to soil via the rhizodeposition process was also taken into account. Under non-stressful conditions, the functioning of healthy and declining trees is similar at the organ level, apart from a decreased stem radial growth in declining trees. In the trunk, radial growth thus appears to be the “adjustment variable” of declining trees in response to a lower whole-tree carbon assimilation due to their severely thinned crowns. Our results show that after a moderate hydric constraint, declining trees show a carbon reserve deficit in some organs compared to healthy trees. This deficit is compensated after a favourable year. A high resilience of carbon reserve concentrations could explain the ability of declining trees to survive for several years with a strongly reduced whole-tree leaf area. Healthy and declining trees presented different parenchyma ray proportions and structures in the stem xylem. Therefore, it could be interesting to study functional anatomical features in the future. Besides, tree rings characteristics could offer an insightful retrospective view of the history of this decline. Furthermore, an ongoing study on the structure of the microbial communities in the rhizosphere of healthy and declining trees will improve our knowledge about the impact of tree decline on the tree-soil interactions.

The feedbacks between hydrology and biogeochemical cycling of nitrogen (N) are of critical importance to global bioavailable N budgets. Human activities are dramatically increasing the amount of bioavailable N in the biosphere, which is causing increasingly frequent and severe impacts on ecosystems and human welfare. Streams are important features in the landscape for N cycling, because they integrate many sources of terrestrially derived N and control export to downgradient systems via internal source and sink processes. N transformations in stream ecosystems are typically very complex due to spatiotemporal variability in the factors controlling N biogeochemistry. Thus, it is difficult to predict if a particular stream system will function as a net source or sink of bioavailable N. A key location for N transformations in stream ecosystems is the hyporheic zone, where stream and ground waters mix. The hyporheic zone can be a source of bioavailable N via nitrification or a sink via denitrification. These N transformations are regulated by the physical and biogeochemical conditions of hyporheic zones. Natural heterogeneity in streams leads to unique combinations of both the physical and biogeochemical conditions which in turn result in unique N source and sink conditions. This dissertation investigates the relationships between physical and biogeochemical controls and the resulting fate of bioavailable N in hyporheic zones. The key physical factor investigated is the supply rate of solutes which is a function of transport processes - advection and dispersion, and transport conditions - hydraulic conductivity and flowpath length. Different physical conditions result in different characteristic residence times of water and solutes in hyporheic zones. The key biogeochemical factors investigated are the dynamics of oxygen (O₂), labile dissolved organic carbon (DOC), and inorganic bioavailable N (NH₄⁺ and NO₃⁻). This dissertation uses ¹⁵N isotope experiments, numerical modeling of coupled transport of the bioavailable N species, O₂ and DOC, and a suite of geophysical measurements to identify the key linkages between hydrological and biogeochemical controls on N transformations in hyporheic zones. Specifically, it was determined that the conditions governing the fate of hyporheic N are both the physical transport and reaction kinetics – the residence time of water and the O2 uptake rate. An important scaling relationship is developed by relating the characteristic timescales of residence time and O₂ uptake. The resulting dimensionless relationship, the Damköhler number for O₂, is useful for scaling different streams hyporheic zones and their role on stream N source – sink dynamics. More generally, these investigations demonstrate that careful consideration and quantification of hydrological processes can greatly inform the investigation of aquatic biogeochemical dynamics and lead to the development of process-based knowledge. In turn, this process-based knowledge will facilitate more robust approaches to quantifying and predicting biogeochemical cycles and budgets. / Graduation date: 2012 / Access restricted to the OSU Community at author's request from Sept. 21, 2011 - March 21, 2012

Increasing human populations and activities in coastal areas have led to high nutrient loading and estuarine ecosystem decline. Natural hydrological patterns in South Florida have been drastically altered by changes in water management and land use practices. As a result Florida Bay has experienced a series of negative ecosystem effects including hypersalinity events, degradation of water quality, and harmful algal blooms and declines in upper trophic level populations. To remediate ecosystem decline in Florida's coastal ecosystems, the Comprehensive Everglades Restoration Plan proposes to restore a more natural hydrologic flow in the Everglades. It is expected hydrologic restoration efforts will change the amount, sources and ratios of dissolved nutrients (organic and inorganic) delivered to the bay potentially inducing an ecosystem response of changing structure and function in both planktic and benthic habitats. Identifying biogeochemical linkages between external nutrient inputs from the Everglades and internal cycling processes of Florida Bay is critical to understanding the effects of hydrological restoration and changing nutrient regimes on Florida Bay. A nitrogen (δ15N) and carbon (δ13C ) stable isotopic approach affords an effective means of assessing the fate of varying nutrient sources and delineating the dominant biogeochemical processes governing nutrient cycling in the bay. This study's main goals were to use stable isotopic analyses of C and N in dissolved and particulate materials to determine spatial and seasonal relationships between Everglades nutrient sources and their biological sinks in Florida Bay, examine the biogeochemical relationships among inorganic and organic components of the water column and benthos in Florida Bay, and assess future ecological response to changing nutrient inputs resulting from restoration efforts. A large east to west gradient from more enriched to more depleted δ15N values was noted in both dissolved nitrogen pools and organic components of the bay. This trend indicates that there are differing nutrient sources and biogeochemical processes influencing the various regions of the bay. Isotopic similarity of the dissolved nitrogen pools from the Everglades and particulate organic matter in the bay points to a strong relationship between both ecosystems. Everglades nutrient inputs delivered to the bay in the wet season directly influence ecological responses in the bay, in some cases increases in algal biomass. Seasonality also influences nitrogen transformations in the dissolved nitrogen pools and the sediments. During dry periods when there is little or no hydrologic flow from the Everglades into the bay, denitrification is a major process affecting nitrogen cycling in the eastern and central regions of the bay. During the wet periods, denitrification becomes suppressed and dissimilatory nitrate reduction (DNRA) is favored. Increased hydrologic flow brings fresh organic matter that fuels DNRA. There was a consistent spatial pattern from more depleted to more enriched δ13C values, onshore to offshore relative to the mainland which indicates strong terrestrial influence on Florida Bay sites along the mangrove boundary with the Everglades. Particulate organic matter exhibited a shift to more enriched δ13C values during the wet season which reflects an increase in algal biomass. A shift to more depleted δ13C values of DOM indicated increased terrestrial influence from the Everglades during the wet season. The approach undertaken in this study identifies a strong linkage between nutrient inputs from the Everglades and biogeochemical processes in the bay. These findings underscore the need to consider the impact of both allochtonous nutrient inputs and the dominant processes governing cycling in the bay when making management decisions that continue to refine hydrologic restoration plans.

Why evaluations of the ecological outcomes of stream and river restoration have largely reported inconclusive or negative results has been the subject of much debate over the last decade or more. Understanding the reasons behind the lack of positive results is important for bettering future restoration efforts and setting realistic expectations for restoration outcomes. This thesis explores possible explanations for why researchers have failed to find clear and predictable biotic responses to stream restoration: recovery time has been too short, that restoration of habitat complexity is not clearly linked to instream biodiversity, that one monitored organism group is not representative of the entire community, that restoration effort was not intense enough to restore the potential habitat complexity of a system, and that reach-scale restoration done in the presence of catchment-scale degradation obscures restoration results. The overarching goal of this thesis is to study the holistic effect of reach-scale restoration of historic reach-scale simplification, due to timber floating in northern Swedish streams, thus avoiding the added pressure of catchment-scale degradation typically found at most restoration sites (e.g., non-point-source pollution and impervious cover). Using this model system, I was able to show that it took 25 years for riparian plant species richness at restored sites to increase above that of channelized sites. Furthermore, it was clear that restoration of these streams caused a large and rapid change in N-processing in the riparian zone and this alteration persists for at least 25 years. Additionally, multiple metrics of geomorphic complexity were needed to explain some of the more subtle responses of organism groups. Macroinvertebrates, diatoms, and macrophytes did not respond concordantly and cannot serve as surrogates or indicators for each other. I found that older best practice methods of restoration rarely restored the large-scale features needed to bring the sites up to their potential complexity because these elements were destroyed or removed from the system. Advanced restoration techniques used in more recent restorations added big boulders and instream wood and increased complexity to a level that elicited a biological response. By combining surveys of multiple metrics of structure, diversity of multiple organism groups, and process in this thesis I was able to get a holistic view of the effects of restoration of streams after timber floating. We now know that it takes at least 25 years for riparian plants and N-cycling to recover, we understand that multiple metrics of geomorphic complexity should be measured to be able to explain biotic responses, and that restored complexity should better match the potential complexity of the site in order to elicit a biological response. Finally, we know that multiple organism groups need to be assessed when evaluating the response of biodiversity to restoration.

Mikrobielle Gemeinschaften werden direkt und indirekt von einem komplexen System verschiedenster Interaktionen zwischen biotischen und abiotischen Faktoren beeinflusst. So zum Beispiel von verschiedenen Pflanzenarten und ihren jeweiligen Eigenschaften, dem Nährstoffgehalt des Bodens, sowie dem pH-Wert. Im Gegenzug gestalten Mikroorganismen als wichtige Treiber der C- und N-Kreisläufe ihre Umwelt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden mehrere Studien unter kontrollierten Feld- und Laborbedingungen, sowie unter natürlichen Bedingungen im Freiland durchgeführt, um verschiedene Einflussfaktoren zu bestimmen und den Grad ihres Einflusses zu ermitteln. Die Zusammensetzung der prokaryotischen Gemeinschaften in den verschiedenen Bodenproben wurden mit Hilfe phylogenetischer Marker, der 16S-rRNA Gene und der 16S-rRNA, analysiert. Die erhaltenen Amplikon-basierten Daten wurden dann prozessiert und die Indices für Artenvielfalt und Artenreichtum berechnet. Zusätzlich wurden Betadiversitätsanalysen durchgeführt, um Unterschiede in der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft zwischen den verschiedenen Behandlungen sichtbar zu machen. Des Weiteren wurden die erhaltenen DGGE Profile für Clusteranalysen verwendet, um Ähnlichkeiten oder Unterschiede in der Struktur der Bakteriengemeinschaft zwischen den verschiedenen Behandlungen aufzuzeigen. Die vorliegende Arbeit gibt einen Einblick über den Einfluss der Baumarten, Baumartendiversität, des Laubes und des Probennahmezeitpunktes auf die Zusammensetzung und Diversität von Bakteriengemeinschaften in Böden. Die erhaltenen Daten zeigten, dass die Laubschicht der Haupteinflussfaktor auf die Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft in der Rhizosphäre von jungen Buchen und Eschen ist. Des Weiteren zeigte sich, das verschiedene Baumarten, deren Diversität, sowie saisonale Unterschiede nur einen geringen Einfluss auf die Struktur der bakteriellen Gemeinschaft haben. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die mikrobielle Gemeinschaftsstruktur nicht signifikant von Buchen- und Eschensetzlingen beeinflusst wird, vermutlich aufgrund des frühen Entwicklungsstadiums der verwendeten Baumsetzlinge. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Buchensetzlinge das Wachstum von Bakterien inhibierten, während das Pilzwachstum gefördert wurde. Dies wurde vermutlich hervorgerufen durch eine Verschiebung des pH-Wertes im Boden verursacht durch buchenspezifische Wurzelausscheidungen. Morphologisch unterschiedliche Baumarten beeinflussen die Struktur und Diversität mikrobieller Gemeinschaften auf verschiedenen Wegen. Die Analyse der Bakterien- und Pilzgemeinschaften in natürlichen Waldböden unter erwachsenen Buchen und Fichten zeigte einen signifikanten Einfluss der untersuchten Baumarten auf deren Zusammensetzung. Es konnte ein Einfluss des pH-Werts auf die Bakterien- und Pilzvielfalt unter den analysierten Fichtenbeständen gezeigt werden. Des Weiteren wurden die Auswirkungen hoher NO3- Depositionen auf die CH4 und N2O Gasflüsse und die aktiven Bakterien- und Archeengemeinschaften in gemäßigten Laubwaldböden mit Hilfe von Mesokosmen untersucht. Es konnte ein starker Effekt der NO3- Düngung auf die CH4 Aufnahmeraten und N2O Emissionen des gedüngten Laubwaldbodens gezeigt werden. Die N-Düngung hemmte die CH4 Aufnahme des Bodens, während die N2O Emission stieg. Die Bakteriengemeinschaft in den gedüngten Mikrokosmen verschob sich im Verlauf des Versuches in Richtung einer denitrifizierenden Gemeinschaft, dominiert durch die Gattung Rhodanobacter. Darüber hinaus konnte eine Reduzierung der bakteriellen Vielfalt und der CO2 Emission innerhalb der N-gedüngten Mikrokosmen gezeigt werden. Des Weiteren sanken die CO2 Emissionsraten in beiden Behandlungen im Verlauf des Experiments. Dies deutet auf eine reduzierte Aktivität der vorhandenen Bodenmikroorganismen hin, möglicherweise hervorgerufen durch eine C Limitierung des verwendeten Waldbodens. Obwohl eine Verschiebung in der relativen Häufigkeit der auftretenden nitrifizierenden Archeen der Gattung Nitrosotalea nachgewiesen wurde, konnte eine signifikante Veränderung in der Zusammensetzung der gesamten Archeengemeinschaft nicht beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigten jedoch einen erheblichen Beitrag methylotropher, methanotropher und nitrifizierender Bakterien, welche in geringer Zahl auftraten, in Bezug auf die gemessene CH4 Aufnahme. Des Weiteren wurden die Auswirkungen der Anwesenheit von Ameisen und ihrer Aktivitäten auf die Aktivität und Vielfalt der mikrobiellen Gemeinschaften im Boden und Ameisennest untersucht. Ameisen transportierten den von Läusen gewonnenen Honigtau in den Boden und verursachten damit eine Abnahme der mikrobiellen Biomasse in der Streuschicht, während die δ15N-Signatur, die basale Atmung und die mikrobielle Biomasse im Boden erhöht wurden. Im Gegensatz dazu konnten mittels Cluster-Analyse der erstellten DGGE Profile keine deutlichen Unterschiede der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur in den untersuchten Mikrokosmen gezeigt werden. Im Gegensatz dazu beeinflusste die Nestbauaktivität und der Eintrag von organischen Substanzen in den Boden durch die Ameisen jedoch die Struktur der Bakteriengemeinschaften im Freiland. Die Cluster-Analyse der erhaltenen DGGE Profile zeigte Unterschiede in der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft in Abhängigkeit vom Probenentnahmeort und der Ameisenaktivität. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sich die Struktur der Bakteriengemeinschaft in den Ameisennestern von der im Umgebungsboden unterschied. Ein sekundäres Projekt dieser Arbeit war die Erfassung und der Vergleich der mikrobiellen Gemeinschaften in biologischen Bodenkrusten zweier unterschiedlicher Standorte in extrazonalen, trockenen Bergsteppen der nördlichen Mongolei. Die Studie zeigte deutliche Unterschiede in der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur der beiden Standorte, welche sich im Grad der Störung unterschieden.

Obwohl Böden des Kronendachs (canopy soils) deutlich zur oberiridischen labilen Biomasse beitragen können, werden sie oft in Studien über Nährstoffkreisläufe übersehen. In Wäldern mit einem großen Vorkommen an Böden im Kronendach, wie beispielsweise jene in tropischen Bergregionen, könnte dies zu einem unvollständigen Verständnis der Gesamt-Nährstoffprozesse des Waldes beitragen. Böden im Kronendach sind Ansammlungen organischen Materials, welche gewöhnlich auf Zweigen von Bäumen tropischer Wälder zu finden sind. Sie bestehen in erster Linie aus zersetztem epiphytischen Material aber umfassen auch herunterfallendes Laub, Staub, wirbellose Tiere, Pilze und Mikroorganismen. Es gibt nur eine Handvoll Studien, die Stickstoff (N) Kreisläufe und/oder Treibhausgas (THG) Flüsse in Böden des Kronendachs untersucht haben und keine hat versucht die tatsächlichen Feldraten zu bestimmen oder herauszufinden, wie sich diese Böden – welche besonders sensibel gegenüber atmosphärischen Prozessen sind – mit Nährstoffdeposition ändern könnten. Diese Dissertation stellt die Ergebnisse einer Forschungsstudie dar, welche N-Umsatzraten und THG Flüsse von Böden des Kronendachs quantifiziert und untersucht, wie diese Raten durch zunehmende Mengen an N und Phosphor (P) im Boden verändert werden. In Gebieten mit atmosphärischer N- und P-Deposition, erhalten Böden des Kronendaches sowohl direkte als auch indirekte Nährstoffeinträge auf Grund von angereichertem Bestandsniederschlag und Pflanzenstreu. Es wurden folgende Umsatzraten in Böden des Kronendachs tropische Bergwälder entlang eines Höhengradienten (1000 m , 2000 m , 3000 m) gemessen: (1) asymbiotische biologische N2-Fixierung, (2) Netto- und Brutto-N-Transformation, und (3) Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O) Flüsse. Zudem wurden indirekte Auswirkungen von N-und P-Gaben, die auf dem Waldboden ausgebracht wurden, untersucht. Umsatzraten der N2-Fixierung, des N Kreislaufes und von THG Flüssen, welche in Böden des Kronendachs gemessen wurden, wurden mit denen vom Waldboden verglichen (entweder als Teil dieser Arbeit oder in parallelen Studien von zwei anderen Mitgliedern unserer Arbeitsgruppe), um die Aktivität von Böden des Kronendachs in den Kontext des gesamten Waldes zu stellen. N2-Fixierung wurde mit der Acetylenreduktionsmethode, Netto-N-Umsatzraten wurden mittels in situ Inkubationen (buried bag method) und Brutto-N-Umsatzraten wurden mit der 15N-Verdünnungsmethode (15N pool dilution technique) bestimmt. Gasflüsse wurden sowohl unter Verwendung statischer Kammern gemessen, deren Sockel permanent im Boden angebracht waren, als auch unter Verwendung regelmäßig entfernter intakter Bodenproben, die zur Gasmessung in luftdichten Einweckgläsern inkubiert wurden. Messungen der N2-Fixierung und des N Kreislaufes erfolgten während der Regen- und Trockenzeit im Feld unter Verwendung intakter Bodenproben. THG Messungen wurden fünf Mal während des Zeitraumes von einem Jahr durchgeführt. Der Waldboden unserer Standorte war 4 Jahre lang zweimal im Jahr mit moderaten Mengen an N ( 50 kg N ha-1 Jahr-1) und P (10 kg P ha-1 Jahr-1) gedüngt worden und umfasste folgende Behandlungen: Kontrolle, N-, P- und N+P-Zugaben. Das Kronendach trug 7-13 % zur gesamten Boden N2-Fixierung (Kronendach + Waldboden) bei, welche zwischen 0,8 und 1,5 kg N ha-1 Jahr-1 lag. N2-Fixierungsraten veränderten sich nur geringfüging mit der Höhenstufe, waren aber in der Trockenzeit deutlich höher als in der Regenzeit. N2-Fixierung im Waldboden wurde in N-Parzellen im Vergleich zu Kontroll- und P-Parzellen gehemmt, währen sie in Böden des Kronendachs in P-Parzellen im Vergleich zu Kontrollparzellen stimuliert wurde. Böden des Kronendachs trugen bis zu 23% zur gesamten mineralischen N-Produktion (Kronendach + Waldboden) bei; Brutto-N-Mineralisierung in Böden des Kronendachs lag zwischen 1,2 und 2,0 mg N kg-1 d-1. In Kontrollparzellen nahmen Brutto-Umsatzraten von Ammonium (NH4+) mit zunehmender Höhe ab, wohingegen Brutto-Umsatzraten von Nitrat (NO3-) keinen klaren Trend mit der Höhenstufe aufwiesen, aber signifikant durch die Saison beeinflusst wurden. Effekte durch Nährstoff-Zugabe unterschieden sich je nach Höhenstufe, aber kombinierte N+P-Zugabe erhöhte in der Regel auf allen Höhenstufen die N-Umsatzraten. CO2 Emissionsraten von Böden des Kronendachs berechnet auf der Basis der Fläche von Gaskammern (10,5 bis 109,5 mg CO2-C m-2 h-1) waren ähnlich denen vom Waldboden ähnlich und nahmen mit zunehmender Höhenstufe ab. Emissionen vom Kronendach, berechnet auf der Basis der Waldfläche (0,15 bis 0,51 Mg CO2-C m-2 h-1), machten jedoch nur 5-11% der gesamten Boden-CO2 Emissionen (Kronendach + Waldboden) aus. CH4 Flüsse (-0,07 bis 0,02 kg CH4-C ha-1 Jahr-1) und N2O Flüsse (0,00 bis 0,01 kg N2O-N ha-1 Jahr-1) von Böden des Kronendachs machten weniger als 5% der Gesamtflüsse von Böden aus. P-Zugabe reduzierte CH4 Emissionen in allen Höhenstufen, so dass Böden des Kronendachs als leichte CH4 Senken agierten (-10,8 bis -2,94 μg CH4-C m-2 h-1). Nur in 2000 m wurden Böden des Kronendachs unter N Zugabe zu leichten N2O Quellen (2,43 ± 3,72 μg N2O-N m-2 h-1), wohingegen P Zugabe die CO2 emissionen um ungefähr 50% reduzierte. Die Ergebnisse zeigen, dass Böden des Kronendachs eine aktive Mikrobengemeinschaft besitzen, welche wertvolle Dienstleistungen hinsichtlich von Nährstoffkreisläufen für das Ökosystem des Kronendachs erbringt. Zusätzlich, war der Nährstoffkreislauf der Böden des Kronendachs in unseren Wäldern eindeutig an die Nährstoffverfügbarkeit des Waldbodens gekoppelt, was im Gegensatz zu Theorien steht, die besagen dass Böden des Kronendachs vom Nährstoffkreislauf der Waldböden entkoppelt seien. Wir haben festgestellt, dass Böden des Kronendachs in höheren Lagen eher einen wesentlichen Anteil des gesamten Wald-Nährstoffkreislaufes ausmachen; dies sollte in Studien berücksichtigt werden, die sich mit Nährstoffkreisläufen solcher Gegenden beschäftigen. Langfristige atmosphärische N- und P-Deposition verfügt über das Potenzial, die Dynamik von Nährstoffflüssen im Kronendach erheblich zu verändern. N-Deposition könnte die N2-Fixierung hemmen, wobei “hotspots“ weiterhin in Bereichen mit großen Mengen an P vorkommen. Interne N-Kreisläufe in Böden des Kronendachs werden wahrscheinlich durch N -und P-Deposition stimuliert werden, aber chronischen Nährstoffzugabe könnte auch zu erhöhten mineralischen N-Verlusten aus dem Bodensystem des Kronendachs führen. THG-relevante Prozesse in Böden des Kronendachs werden wahrscheinlich auch auf N- und P-Deposition reagieren, aber mit Ausnahme von CO2-Emissionen ist es unwahrscheinlich, dass Gasflüsse von Böden des Kronendachs wesentlich zum gesamten THG-Budget des Waldes beitragen.

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Made available in DSpace on 2016-04-26T19:39:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2009 - Deise Ferreira Xavier.pdf: 1914951 bytes, checksum: a3934201689ba192bf1c30664a804084 (MD5) Previous issue date: 2009-01-28 / A large proportion of the land in the Atlantic forest region in the south east of Brazil is today degraded with little utilisation for agriculture, grazing or forestry. The recuperation and development of these areas using traditional production systems suffers from two principal handicaps: much of the land is steep hillsides which hampers mechanised cultivation and facilitates soil erosion, and the low availability of plant nutrients, principally nitrogen. The integration of pastures with trees has become considered as a viable option to promote sustainable land use for animal production systems in this region. The objective of this project was to monitor the principal inputs, losses and transformations of N in a pasture of Brachiaria decumbens cv. Basilisk in monoculture (BM) and in comparison with the same grass in association with trees (SSP). The experiment was localised at the Experimental Station of Coronel Pacheco (Minas Gerais), with five animals per paddock under rotational grazing (six paddocks of 0.5 ha). The following parameters were monitored over a period of 12 months: forage availability, live weight gain and forage consumption of the animals, existing litter and the litter deposited in periods of 14 days. Considering the total litter deposited the consumed forage and the change in standing biomass over the 12 month period it was possible to estimate the net aerial primary productivity (NAPP) of the pasture and the cycling of nitrogen in the two pasture systems. The standing biomass showed an annual mean of 1,800 and 1,653 kg/ha in the silvopastoral (SSP) and grass-alone (BM) systems respectively. The live weight gains of the animals in SSP were higher with a mean of 0.51 kg/heifer/day. In the BM pasture the weight gain was 0.45 kg/heifer/day. The SSP promoted a significant increase in the deposition of litter. Calculations of the quantity of litter deposited in 14-day periods in the SSP and BM showed values of 21,812 and 16,264 kg DM/ha/year, respectively. The NAPP of the SSP pasture was greater with values of 26,202 and 279 kg/ha/year for DM and N, respectively. In the BM pasture the estimates of NAPP were 20,133 and 148 kg/ha/year for DM and N, respectively. The quantity of N exported from the pasture in the live weight gain was 8 kg/ha for the SSP and 7 kg/ha for the BM, corresponding to 16 and 18% of total consumed N for the SSP and BM pastures, respectively. The losses of N from faeces and urine also did not differ between the pasture systems. Owing to the presence of N2-fixing species of legume trees present in the SSP, and the beneficial effects of the presence of shade it is to be expected that animal production levels would be sustained for longer in this system than under braqui?ria in monoculture, hence constituting a viable alternative to recover areas suffering from the process of degradation. / Uma grande propor??o das ?reas do dom?nio da Mata Atl?ntica na Regi?o Sudeste encontrase degradada, com pouca ou nenhuma utiliza??o agr?cola, pecu?ria ou florestal. A recupera??o e desenvolvimento dessas ?reas, usando sistemas tradicionais de produ??o, contam com dois entraves principais: a declividade acentuada, que dificulta a mecaniza??o do solo e facilita a eros?o, e a baixa disponibilidade de nutrientes, principalmente de nitrog?nio. A integra??o de pastagens com ?rvores tem sido considerada uma op??o vi?vel para promover a sustentabilidade dos sistemas de produ??o animal desta Regi?o. Assim, o projeto de pesquisa visou estudar as principais vias de ingresso, perdas e transforma??es do nitrog?nio em pastagem de Brachiaria decumbens cv. Basilisk em associa??o com ?rvores (SSP) e em monocultura (BM). As esp?cies arb?reas utilizadas no SSP foram Acacia mangium, Mimosa artemisiana e Eucaliptus grandis. O experimento, localizado no Campo Experimental da Embrapa Gado de Leite, no munic?pio de Coronel Pacheco, MG, foi desenvolvido em pastagens estabelecidas em uma ?rea que apresentava grau elevado de degrada??o. Para os dois sistemas de pastejo, o delineamento experimental de blocos ao acaso, com seis repeti??es (seis piquetes de 0,5 ha) e cinco animais por piquete em sistema de pastagem rotativa. Os dados foram coletados durante um ano, observando-se, principalmente: biomassa de forragem, ganho de peso animal, consumo animal, liteira existente e depositada durante 14 dias. Considerando o total da liteira depositada, o consumo animal e a mudan?a na biomassa de forragem ao longo de 12 meses, foi poss?vel estimada produtividade prim?ria a?rea l?quida (PPAL) e a ciclagem de N nos dois sistemas de pastejo. A biomassa da forragem foi de em m?dia, 1.800 e 1.653 kg/ha nas pastagens de B. decumbens cv. Basilisk em SSP e em BM, respectivamente. Os ganhos de peso dos animais foram maiores no SSP com m?dia de 0,51 kg/novilhas/dia. Na pastagem em BM o valor m?dio foi de 0,45 kg/novilha/dia. O SSP resultou em um acr?scimo significativo na liteira depositada. C?lculos das quantidades da liteira depositada em 14 dias nas pastagens de B. decumbens cv. Basilisk em SSP e em BM, mostraram valores de 21.812 e 16.264 kg/ha/ano de mat?ria seca (MS), respectivamente. A PPAL da pastagem em SSP foi maior com valores de 26.202 e de 279 kg/ha/ano de MS e de N, respectivamente. Na pastagem em BM, a PPAL estimada foi de 20.133 e de 148 kg/ha/ano de MS e de N, respectivamente. A quantidade de N exportado da pastagem para o ganho de peso dos animais foi de 8 kg/ha/ano no SSP e 7 kg/ha/ano na BM. Os valores corresponderam a 16 e 18% de todo N consumido pelos animais nas pastagens em SSP e BM, respectivamente. As perdas de N via fezes e urina, tamb?m n?o diferiram nas duas pastagens. Na pastagem em sistema silvipastoril, devido ? fixa??o biol?gica de N2 das esp?cies de leguminosa e tamb?m devido ao efeito da sombra no bem estar dos animais, ? de esperar que a produ??o animal seja mantida por mais tempo com bases sustent?veis, sendo, portanto, uma alternativa vi?vel para recuperar ?reas em processo de degrada??o.

Fall-planted forage radish (Raphanus sativus L. longipinnatus) cover crops have shown successful weed suppression and recycling of fall-captured nutrients. This research evaluated the nutrient cycling and weed suppressive benefits of forage radish cover crop mixtures to develop an integrated system for no-till sweet corn (Zea mays L. var rugosa) production that improves crop yield and soil health. Treatments included forage radish (FR), oats (Avena sativa L.) and forage radish (OFR), a mixture of peas (Pisum sativum subsp arvense L.), oats and forage radish (POFR), and no cover crop control (NCC). Subplots were assigned to nitrogen fertilizer treatments to evaluate N sufficiency and timing: 0 kg N ha-1 as the control, 28 kg N ha-1 at side-dress, and 56 kg N ha-1 with application split between planting and side-dress. Results indicated that POFR and OFR provided improved N cycling and sweet corn yield compared with FR and NCC. Early season N from decomposing cover crop residue was sufficient to eliminate the need for N fertilizer at sweet corn planting, thereby reducing input costs and risks of environmental pollution.

L’agriculture biologique (AB) est souvent présentée comme une alternative prometteuse à l’agriculture conventionnelle, permettant des systèmes alimentaires durables tout en minimisant les impacts environnementaux. La capacité de l’AB à satisfaire la demande alimentaire mondiale reste néanmoins fortement débattue. Plusieurs études ont conclu que l’AB pourrait satisfaire la demande alimentaire globale à condition de réduire simultanément la consommation de produits animaux et les gaspillages. Cependant, ces études n’ont pas pleinement pris en compte les changements d’assolement et de choix d’espèces lorsque les systèmes conventionnels sont convertis en AB. Surtout, ils ont ignoré le rôle clé de la disponibilité en azote (N) dans le maintien des rendements en AB. Dans cette étude, nous avons d’abord réalisé une méta-analyse comparant les rotations de cultures en agriculture biologique et conventionnelle à l’échelle mondiale. Sur la base de ces résultats, nous avons développé une cartographie des espèces cultivées à l’échelle globale sous un scénario de fort développement de l’AB. Nous avons ensuite estimé la production alimentaire grâce au développement de GOANIM (Global Organic Agriculture NItrogen Model), un modèle biophysique et spatialement explicite d’optimisation linéaire simulant le cycle de l’azote (N) et ses effets sur la production alimentaire globale. GOANIM est adapté au cas de l’AB et simule les flux d'azote entre les terres cultivées, les animaux d'élevage et les prairies permanentes, ainsi qu’entre les systèmes agricoles biologiques et conventionnels. Le modèle optimise les populations d’élevage à l’échelle locale afin de maximiser l’approvisionnement en N provenant du fumier, ce qui maximise la production issue des terres cultivées, tout en minimisant la concurrence exercée par les animaux pour les ressources alimentaires. GOANIM a été utilisé pour simuler l’offre alimentaire sous plusieurs scénarios de conversion à l’AB. Ces résultats ont été comparés à différentes estimations de la demande alimentaire mondiale. Nous montrons que la carence en N risque d’être un facteur limitant majeur de la production en AB, entraînant une réduction de -37% de la disponibilité alimentaire à l’échelle globale sous un scénario de conversion à l’AB de 100%. Nous montrons que des taux de conversions inférieurs (jusqu'à 60% des terres agricoles), en coexistence avec l'agriculture conventionnelle, permettent de satisfaire la demande alimentaire mondiale si cette conversion est associée à une évolution conjointe de la demande, telle que la réduction de l'apport énergétique par individu ou du gaspillage alimentaire. Ces travaux contribuent de manière substantielle à mieux comprendre le rôle que l’AB peut jouer dans la transition vers des systèmes alimentaires équitables et durables. Ils indiquent également des voies à suivre pour parvenir à la sécurité alimentaire mondiale. / Organic agriculture is often proposed as a promising approach to achieve sustainable food systems while minimizing environmental impacts. Its capacity to meet the global food demand remains, however, debatable. Some studies have investigated this question and have concluded that organic farming could satisfy the global food demand provided that animal product consumption and food waste are reduced. However, these studies have not fully considered the changes in the type of crops grown that occur when conventional farming systems are converted to organic farming. Most importantly, they also have missed a critical ecological phenomenon by not considering the key role that nitrogen (N) cycling plays in sustaining crop yields in organic farming. In this study, we first carried out a global meta-analysis comparing organic vs conventional crop rotations. Based on these results, we developed global spatial explicit maps of the type of crop grown if organic farming was to drastically expand. We then estimated organic global food production using GOANIM (Global Organic Agriculture NItrogen Model), a spatially explicit, biophysical and linear optimization model simulating N cycling in organically managed croplands and its feedback effects on food production. GOANIM explores N flows between croplands, livestock animals and permanent grasslands, and with conventional farming systems. The model optimizes livestock populations at the local scale in order to maximize N supply from livestock manure – hence maximizing cropland production –, while minimizing the animals’ competition for grain food resources. We used GOANIM to simulate several supply-side scenarios of global conversion to organic farming. We then compared the outcomes of these scenarios with different estimates of the global demand, thus leading to complete exploration of the global production-demand options space. We show N deficiency would be a major limiting factor to organic production in a full organic world, leading to an overall -37% reduction in global food availability. Nevertheless, we also show that lower conversion shares (up to 60%) would be feasible in coexistence with conventional farming when coupled with demand-side solutions, such as reduction of the per capita energy intake or food wastage. This work substantially contributes to advancing our understanding of the role that organic farming may play to reach fair and sustainable food systems, and it indicates future pathways for achieving global food security.