Light spectra distributions were measured in two different montane forests: temperate and tropical. Spectral light measurements were made in different sized canopy gaps in the conifer forest at H. J. Andrews Experimental Forest in Oregon, USA. Researchers at Oregon State University created these gaps of 20 m, 30 m, and 50 m in diameter. In the tropical cloud forest, spectral light measurements were made in two plots that were permanently established at La Mucuy Parque Nacional in Venezuela, in collaboration with researchers at Universidad de Los Andes. In both studies, spectra and distributions of physiologically active light were analyzed: red, far-red, R/FR ratio, and blue light.

This study developed a heirarchical approach to improve the efficiency and reliability of surveys for stream-breeding frogs in the montane forests of south-eastern Australia. Areas with suitable climate for some of these species were first determined by bioclimatic modelling. Landscape and habitat preferences were then determined for the four species commonly found in far East Gippsland, along with an assessment of survey techniques from which effective survey protocols were developed. The climate of localities at which five stream-breeding species had been previously found was modelled using BIOCLIM, and maps of the predicted potential distributions having similar climate were developed. Litoria phyllochroa was found to occur in coastal to alpine areas from Melbourne to Nowra, and potentially further inland, in areas with relatively low temperatures and low summer rainfall. Litoria lesueuri had a slightly larger known and predicted distribution, covering a wide range of values for the temperature and precipitation parameters. Both species had predicted areas inland from Melbourne and the Blue Mountains where they had never been recorded, probably largely due to land clearing. The rare Heleioporus australiacus had a slightly more northerly distribution, closer to the coast and adjacent ranges from Central Gippsland to just north of Sydney, with a generally warmer climate and large range of average annual precipitation values. Litoria citropa occupies an even narrower area along the coast, extending slightly further north again, with a climatic profile of few extremes but with relatively high rainfall particularly in summer. The rare Mixophyes balbus had a more northerly known and predicted narrow range along the NSW coast, just extending into Victoria and Queensland, characterised by the subtropical influence of higher summer rainfall. The southern extension into far East Gippsland appears to have an extreme sub-climate, and is hence considered highly susceptible to climate change. Future monitoring sites for these species can now be systematically chosen to include their full climatic range, so that any negative effects of climate change on amphibian populations may have a greater chance of detection. Four species were found commonly enough in the far East Gippsland study area for more detailed study - the three stream-breeding specialist species, L. phyllochroa, L citropa, and L. lesueuri, along with Crinia signifera which was not restricted to streams but commonly found along them. Three species, L. phyllochroa, L citropa and L. lesueuri, were not found at the few higher altitudes sites on the Errinundra Plateau, however they may have been restricted by habitat requirements other than altitude. Litoria phyllochroa was otherwise widespread, but preferred larger in-stream pools and backwaters for breeding with overhanging vegetation for perch and call sites. The other three species preferred stream reaches characterised by wide bedrock outcrops and associated wide break in the tree canopy, which may allow their preferred perch sites on rocky substrates to retain heat after sunset. Litoria lesueuri tadpoles were found in both unconnected and connected pools, and the common association of this species with bedrock outcrops may explain its range being largely restricted to granitic substratum where these outcrops mostly occurred. Litoria citropa preferred reaches with bedrock and boulder outcrops, although frogs used both rocky and vegetative substrates as perch sites, with tadpoles caught in both unconnected pools and backwaters. Crinia signifera tadpoles were mostly restricted to unconnected pools, with frogs generally only detected within or very close beside these. Habitat models varied in their predictive ability, from 67.5% for L. phyllochroa frogs to 92.7% for L. lesueuri tadpoles. Models developed from normally-distributed habitat variables by discriminant function analysis were generally more predictive than those from logistic regression analysis. The occurrence of frogs and tadpoles of L. phyllochroa, L. citropa and L. lesueuri can be predicted by the measurement of five habitat variables along a 50m reach: average width between the banks, average channel width, an average of the maximum depth of channel cross-sections along the reach, channel slope, and proportion of the stream length as pools. The occurrence of C. signifera along reaches can be predicted with the additional measurement of the proportion of the banks covered in ferns, the maximum cross-sectional channel depth along the reach, and the number of unconnected pools. Several different techniques for surveying frogs were compared for the four species commonly found along the streams. Probability of detection models were derived for each species for each technique, which allowed calculation of the statistical confidence of detecting a species that actually occurred at a site for any given number of surveys. For transect-based techniques, models were also developed which allowed determination of the minimum number of surveys required without detecting a species to be 95 percent statistically confident that the species did not occur there, for various transect lengths. This level of confidence can be obtained for the four common species by four surveys using the reliable night encounter technique along 500m stream transects, during the period from Ocotber to March, with air temperatures above 10°C. The application of habitat models to select favourable 50m reaches for survey also generally improved the detectability of each species. Timer-activated tape recorders, which automatically recorded the calls of frogs for many consecutive nights at a site, were very efficient at detecting all species except the quietcalling L. lesueuri. Night encounter surveys along stream transects detected all species from a reasonable effort, and dip-netting for tadpoles was also effective for most species. Active visual encounter surveys were less reliable, and day encounter surveys detected few frogs but provided some additional data when other activities were being performed along the streams. The findings of this study have important implications for future amphibian surveys and monitoring undertaken in East Gippsland and the south coast of New South Wales. If the standardised survey techniques recommended by this study are used in Environmental Impact Assessments, their results can be objectively assessed and defended. The use of habitat modelling and improvement in survey reliability can also be used more efficiently to find sites with populations suitable for monitoring. The likely amount of effort required by a long-term monitoring program can also be determined so as to largely overcome daily variations in the detection of each species.

How and why species’ ranges shift has long been a focus of ecology but is now becoming increasingly important given the current rate of climatic and environmental change. In response to global warming, species will need to migrate northward or upward to stay within their climatic tolerances. The ability of species to migrate will determine their fate and affect the community compositions of the future. However, to more accurately predict the future extent of species, we must identify and understand their responses to past and current climatic and environmental changes. The first place change is expected to occur is within ecotones where the ranges of many species converge and individuals exist at the limits of their environmental tolerances. In montane regions, these boundaries are compressed, creating a situation in which even relatively small changes in conditions can lead to shifts in the elevational ranges of species. In this dissertation, I examine the responses of forests in the Green Mountains of Vermont to recent climatic and environmental change in an attempt to understand how future climate change will affect their location and composition. I focus on the Boreal-Deciduous Ecotone (BDE), where the high elevation spruce-fir forests converge with the lower elevation northern hardwoods. In addition to investigating adult trees within the BDE, I also examine the responses of understory herbs and tree seedlings to changes in environmental and climatic factors. Factors considered in these investigations include temperature, soil environment, light environment, invasive species, competition, disturbance and many others. I will examine the complex range of responses in forest species that results from prolonged exposure to these forces alone and in combination. I have attempted to identify the responses of forest species to environmental changes by resurveying historic vegetation plots (Chapter 2), experimentally manipulating the growing environment of tree seedlings (Chapter 3) and performing dendrochronological analyses on tree rings (Chapter 4). Through my resurvey of historic vegetation plots, I determined the degree to which understory species have shifted as individuals or as groups. I also identified a set of novel understory communities that have developed since the 1960's in response to recent climate change, acid deposition and invasive species (Chapter 2). By transplanting and artificially warming tree seedlings, I identified factors responsible for limiting the growth and survival of northern hardwood species above the BDE. Temperature was the primary factor limiting sugar maple (Acer saccharum) at high elevations, while yellow birch (Betula alleghaniensis) was limited almost exclusively by light (Chapter 3). Dendrochronological studies of sugar maples indicated that prolonged exposure to acidified soils has only recently caused growth declines and has altered their relationship to climate (Chapter 4). Together, these studies have produced a cohesive picture of how northeastern montane forests have responded to recent climate change and other anthropogenic impacts. These findings can be used to help predict future species' ranges and identify species that may not be capable of migrating fast enough on their own to keep pace with changes in climatic conditions.

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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.

Mit zunehmender Meereshöhe werden die Wachstumsbedingungen in tropischen Bergregionen im Allgemeinen ungünstiger, was sich in einer sinkenden Nährstoffverfügbarkeit, sinkenden Temperaturen und sinkendem CO2-Partialdruck zeigt. In tropischen Bergregenwäldern führen verminderte Abbauraten in größeren Höhen einerseits zu dicken organische Auflageschichten und andererseits in Kombination mit verminderten Mineralisierungs- und Nitrifizierungsraten zu Veränderungen in der Verfügbarkeit der verschiedenen Stickstoffformen, und es gibt Nachweise einer Limitierung der Produktivität dieser Wälder durch Stickstoff. Auf welche Weise sich die Photosynthesekapazität (Amax) tropischer Bäume einerseits und die Stickstoffaufnahmekapazität und Präferenz für einzelne Stickstoffformen andererseits an die veränderten Umweltbedingungen entlang von Höhengradienten adaptieren ist nicht genau bekannt. Die vorliegende Untersuchung wurde in drei tropischen Bergregenwäldern durchgeführt, die entlang eines Höhengradienten auf 1000, 2000 und 3000 m ü. NN in Südequador liegen. Das Ziel war es, (1) die Photosynthesekapazität ausgewachsener tropischer Bäume entlang eines Höhengradienten mit Hilfe von Gaswechselmessungen zu bestimmen und die Effekte von Temperatur, CO2-Partialdruck und Nährstoffverfügbarkeit auf die Photosynthese zu quantifizieren und (2) Veränderungen in der Verwendung von Nitrat, Ammonium und organischen Stickstoffquellen durch tropische Waldbäume mit der Meereshöhe mittels einer Tracer-Untersuchung mit stabilen Isotopen an Jungpflanzen zu untersuchen. Mittelwerte der lichtgesättigten Photosyntheserate (Asat) auf Bestandeseben betrugen 8.8, 11.3 und 7.2 µmol CO2 m-2 s-1, die der Dunkelatmung (RD) 0.8, 0.6 und 0.7 µmol CO2 m-2 s-1 jeweils auf 1000, 2000 and 3000 m Meereshöhe, ohne einen signifikanten Höhentrend. Die Einordnung unserer Daten in den Kontext eines pantropischen Asat-Datensatzes von tropischen Bäumen (c. 170 Arten an 18 Standorten unterschiedlicher Meereshöhe) zeigte, dass das flächenbezogene Asat in tropischen Bergen im Mittel 1.3 µmol CO2 m-2 s-1 pro km Höhenzunahme abnimmt (bzw. 0.2 µmol CO2 m-2 s-1 pro K Temperaturabnahme). Die Abnahme von Asat trat auf, obwohl die Blattmasse je Fläche mit der Höhe zunahm. Eine verminderte Photosyntheserate und eine reduzierte Bestandesblattfläche bewirken gemeinsam eine Verringerung der Kohlenstoffaufnahme des Kronenraums mit der Meereshöhe in tropischen Bergregionen. Der Phosphorgehalt pro Blattmasse war der Faktor, der Amax entlang des Höhengradienten hauptsächlich beeinflusste, während die Effekte von Blattstickstoff, Temperatur und CO2-Partialdruck nicht signifikant waren. Amax erfuhr einen teilweisen und RD einen vollständigen homöostatischen Ausgleich als Reaktion auf die Verminderung von Temperatur und CO2-Partialdruck in größeren Höhen, was hauptsächlich durch eine stark reduzierte spezifische Blattfläche (SLA) und die daraus entstehende Zunahme von Blattstickstoff und -phosphor je Blattfläche bedingt war, während keine Zunahme der Karboxylierungseffizienz festgestellt wurde. Wir schlussfolgern, dass die Verminderung von SLA und Gesamtblattfläche mit der Meereshöhe die Kohlenstoffaufnahme von tropischen Wäldern in großen Meereshöhen deutlich stärker bestimmen als adaptive physiologische Modifizierungen des Photsyntheseapparates. Jungpflanzen von sechs Baumarten unterschieden sich hinsichtlich ihrer Präferenz für verschieden Stickstoffformen, allerdings schienen weder das Amonium- und Nitratvorkommen im Boden noch die Meereshöhe die Präferenz zu beeinflussen. Zwei Arten (jeweils die, mit den höchsten Wachstumsraten) bevorzugten Amonium gegenüber Nitrat, während die restlichen vier Arten Nitrat und Amonium mit ähnlichen Raten aufnahmen, wenn beide Stickstofformen verfügbar waren. Nach der Gabe von 15N13C-Glyzin zeigte sich bei drei Arten eine signifikante Akkumulierung von 13C in der Biomasse (zwei Arten mit arbuskulären Mykorrhiza und eine Art mit Ektomykorrhiza) zusätzlich zu einer signifikanten Akkumulierung von 15N, was darauf hindeutet, dass Bäume in tropischen Bergregenwäldern organische Stickstoffverbindungen unabhängig vom Typ ihrer Mykorrhizierung aufnehmen können.

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