Environmental signals in radial growth, stable isotope variations and nutrient concentration of trees from different forest ecosystems in southern Ecuador
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Abstract
Tropical forests and the trees as their principal components have been investigated in detail. However, due to its complexity, their interactions, adaptations and response to climate variations require much more research. In this study, dendrochronological techniques were applied to evaluate the potential of tree-rings from tropical tree species as climate records. Two ecosystems with very distinct climate scenarios were selected from a dry and humid forest in southern Ecuador. A comparative analysis between these two forest types was performed by applying three dendrochronological methods. First, Tree Ring Width (TRW) measurements from tree species with distinct ring boundaries were dated to develop ring-width chronologies. Second, stable carbon isotopes (δ13C) were measured from whole-wood and alpha-cellulose of dated annual tree-rings. Finally, concentrations of more than 23 chemical elements were determined from individual dated tree-rings after dissolving the wooden material in HNO3. The results showed the high potential of tropical tree species as climate archives, Bursera graveolens and Maclura tinctoria for the dry forest and Cedrela montana for the humid forest. Radial growth variations in tree species from the dry forest revealed a strong and reliable precipitation signal. Then, for these tropical regions, the first ring-width based wet-season precipitation reconstruction over the past century was developed, and spatial correlations unraveled a strong connection to the climatic conditions of the central Pacific precipitation and temperature variability. Interseries correlations of the TRW from the trees of the humid forest revealed a weak common signal. Stable carbon isotopes evidenced higher climate sensitivity than TRW measurements in the humid forest. However, to infer a reliable climate reconstruction from stable carbon isotopes, more δ13C time series were needed. δ13C values from whole-wood and alpha-cellulose reflected local and regional signals of precipitation and humidity. Meanwhile, nutrient concentration in the wood was higher in the dry forest, but common patterns and trends of nutrients were more distinct in the humid forest. For both study sites, two groups of nutrients with opposite radial distribution were identified (Group 1: Ca, Sr, Ba, Ga; and Group 2: K, P, Rb). In conclusion, TRW of tree species from the dry forest have a high paleoclimate potential, especially to reconstruct precipitation amounts in arid zones of southern Ecuador. Stable carbon isotopes constitute a promising tool to perform climatic reconstructions in both ecosystems. Finally, the valuable historical information of nutrient concentration evidenced in tree-rings opens promising ways to study tree growth dynamics especially in the humid forest.
Abstract
Tropische Wälder und Bäume als ihr Hauptbestandteil sind bereits sehr detailliert erforscht. Durch ihre Komplexität, ihre Interaktionen, ihre Anpassungen und ihre Reaktionen auf klimatische Veränderungen ist noch deutlich mehr Forschung erforderlich. In dieser Arbeit wurden dendrochronologische Techniken angewandt, um das Potential von Jahrringen tropischer Baumarten hinsichtlich ihrer Klimasensitivität zu beurteilen. Dafür wurden Bäume untersucht, die unter grundlegenden verschiedenen klimatischen Verhältnissen wachsen und Teile der Ökosysteme Trocken- und Feuchtwald sind. Es wurde eine vergleichende Analyse der beiden Waldtypen durch drei dendrochronologische Methoden durchgeführt. Zuerst wurden Jahrringbreiten von Baumarten gemessen, deren Ringgrenzen klar unterscheidbar waren, um eine Ringbreitenchronologie zu erarbeiten. Als zweites wurde eine stabile Kohlenstoffchronologie (δ13C), auf Basis von „Ganzholz“ und Alpha-Zellulose, angelegt. Zuletzt wurden die datierten Baumringe in HNO3 gelöst, um die Konzentration von 23 Elementen des Holzes messen zu können. Die Ergebnisse zeigten das große Potential der untersuchten tropischen Baumarten im Trockenwald (Bursera graveolens, Maclura tinctoria) und Feuchtwald (Cedrela montana) als Klimaarchiv. Besonders das radiale Baumwachstum der Bäume des Trockenwaldes zeigte ein starkes Niederschlagssignal. Dadurch konnte die erste hundertjährige Niederschlagsrekonstruktion für den Trockenwald dieser Region gebildet werden. Zudem offenbarten räumliche Korrelationen einen starken Zusammenhang der rekonstruierten Niederschlagsverhältnisse zu den Temperatur und Niederschlagsverhältnissen des zentralen Pazifiks. Die Korrelationen der Ringbreiten zwischen den Bäumen des Feuchtwaldes zeigten schwache Zusammenhänge. Jedoch zeigten die stabilen Kohlenstoffisotope des Feuchtwaldes stärkerer Zusammenhänge zum Klima als die Ringbreiten. Um allerdings eine verlässliche Klimarekonstruktion auf Grundlage stabiler Kohlenstoffisotope anzufertigen sind mehr δ13C Zeitreihen nötig. Die δ13C Werte sowohl aus „Vollholz“, als auch aus Alpha-Zellulose spiegelten die lokalen und regionalen Niederschlags- und Feuchteverhältnisse wieder. Die Elementanalyse der Holzproben zeigte insgesamt höhere Konzentrationen im Trockenwald, wohingegen die Muster und Trends unter den Elementen im Feuchtwald ähnlicher waren. Auf beiden Untersuchungsgebieten wurden zwei Gruppen mit gegensätzlicher radialer Verteilung erkannt (Gruppe 1: Ca, Sr, Ba, Ga; und Gruppe 2: K, P, Rb). Zusammenfassende kann festgehalten werden, dass die die Jahrringbreiten der Baumarten des Trockenwaldes ein hohes paläoklimatisches Potential aufweisen, spezielle um die Niederschlagsmengen der Trockenwaldgebiete des tropischen Süd-Ecuadors zu rekonstruieren. Stabile Kohlenstoffisotope stellen ein vielversprechendes Werkzeug dar, die klimatischen Gegebenheiten beider Ökosysteme rekonstruieren zu können. Die Element-Konzentrationen der Jahrringe, gerade von Bäumen des Feuchtwaldes, weisen auf eine vielversprechende Forschungsrichtung hin Baumwachstumsdynamiken zu erforschen.
Abstract
Los bosques tropicales y los árboles como sus componentes principales han sido investigados en detalle. Sin embargo, debido a su complejidad, sus interaciones, adaptaciones y respuesta a las variaciones climáticas requieren mucha más investigación. En este estudio, distintas técnicas dendrocronológicas fueron aplicadas para evaluar el potencial de los anillos de crecimiento como indicadores climáticos en especies arbóreas. Dos ecosistemas con muy distintas condiciones climáticas fueron seleccionados en el sur del Ecuador, esto es un bosque seco y húmedo. Un análisis comparativo entre estos dos tipos de bosque fue llevado a cabo con la aplicación de tres métodos dendrocronológicos. En el primero, mediciones de los anillos de crecimiento en especies árboreas con anillos visibles fueron cofechadas para construir cronologías basadas en el ancho de anillos de crecimiento. Segundo, isótopos estables de carbono (δ13C) fueron medidos en la madera y alfa-celulosa de anillos de crecimiento cofechados. Finalmente, concentraciones de más de 23 elementos químicos fueron determinados en cada anillo cofechado después de disolver la madera en HNO3. Los resultados mostraron un alto potencial de los árboles tropicales como archivos climáticos, Bursera graveolens y Maclura tinctoria para el bosque seco y Cedrela montana para el bosque húmedo. Variaciones en el crecimiento radial de los árboles del bosque seco revelaron una fuerte y fiable señal de las precipitaciones. Por lo tanto, para estas regiones tropicales, la primera reconstrucción del último siglo de precipitaciones fue realizada en éste estudio en base a los anillos de crecimiento de los árboles. Además, las correlaciones espaciales evidenciaron fuertes conecciones con la precipitacion y la temperatura del Pacífico central. Correlaciones entre series de ancho de los anillos en el bosque húmedo revelaron una señal común débil. En el bosque húmedo los isótopos estables de carbono evidenciaron mayor sensibilidad climática que el ancho de los anillos. Sin embargo, para realizar una fiable reconstrucción climática con isótopos estables de carbono un mayor número de series de δ13C fueron requeridas. Los valores δ13C en la madera y celulosa reflejaron señales de humedad y precipitaciones a nivel local y regional. Mientras tanto, la concentración de nutrientes en la madera fue más alta en bosque seco, pero los patrones y tendencias de éstos nutrientes fueron más visibles el bosque húmedo. En ambos sitios estudiados, dos grupos de nutrientes con distribución radial opuesta fueron identificados (Grupo 1: Ca, Sr, Ba, Ga; y Grupo 2: K, P, Rb). En conclusión, en el bosque seco el ancho de los anillos de los árboles tiene un alto potencial paleoclimático, especialmente para reconstruir precipitaciones en zonas áridas al sur del Ecuador. Los isótopos estables de carbon constituyen una prometedora herramienta para realizar reconstrucciones climáticas en ambos ecosistemas. Finalmente, la valiosa información histórica de la concentración de nutrientes evidenciada en los anillos de crecimiento abre prometedores caminos para estudiar la dinámica de crecimiento de los árboles especialmente en el bosque húmedo.