Dynamics of phosphorus and sulphur in a mangrove forest in Bragança, North Brazil [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Ursula Maria Neira Mendoza

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Dynamics of phosphorus and sulphur in a mangrove forest in Bragança, North Brazil DISSERTATIONzur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften - Dr. rer.nat. - Angefertig am Zentrum für Marine Tropenökologie dem Fachbereich Biologie/Chemie der Universität Bremen vorgelegt von: Ursula Maria Neira Mendoza Bremen Juni, 2007 IIErster Gutachter : Dr. habil. Rubén Lara ZMT an der Universität Bremen Zweiter Gutachter : Prof. Dr. Venugopalan Ittekkot en Erster Prüfer : Dr. habil. Matthias Zabel MARUM an der Universität Bremen Zweiter Prüfer : Prof. Dr. Ulrich Saint-Paul ZMT an der Universität Bremen Erstes Mitglied : Antje Baum Cand.rer.nat. ZMT an der Universität Bremen Zweites Mitglied : Wolfger Strauss Student der Biologie an der Universität Bremen Tag des öffentlichen Kolloquiums: 26 Juni 2007 ???IIIAbstractThree forests along a 600-m transect within a tropical mangrove in North Brazil were studied in a series of 1-m cores at rainy season to determine the chemical and physicochemical change relative to hydrology and species-specific effects. In North Brazil, macrotides (spring range 4 m) are an important factor associated with the spatial variation of the mangrove species. The results indicated an inundation two times higher at low plain (LP) colonized by a monospecific forests Rhizophoramangle than in high plain (HP) at Avicennia germinans forests.

Sujets

• Biologie

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• Publié le: 01 janvier 2007
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Extrait

Dynamics of phosphorus and sulphur in a

mangrove forest in Bragança, North Brazil

DISSERTATION

zur Erlangung des Grades eines

issenschaften Doktors der Naturw

t. - - Dr. rer.na

Angefertig am

Zentrum für Marine Tropenökologie

gie/Chemie lodem Fachbereich Bio

der Universität Bremen

vorgelegt von:

Ursula Maria Neira Mendoza

Bremen

Juni, 2007

: Erster Gutachter

Zweiter Gutachter Erster Prüfer

Zweiter Prüfer

Erstes Mitg lied Zweites Mitglied:

:

:

:

:

Dr. habil. Rubén Lara en ZMT an der Universität Bremnugopalan Ittekkot Prof. Dr. Veen ZMT an der Universität Brem

Dr. habil. MatthMARUM an der Universität Bremias Zabel en
Prof. Dr. Ulrich Saint-Paul en ZMT an der Universität Brem

Antje BaumCand.rer.nat. ZMT an der Universität Bremen lfger Strauss oWen Student der Biologie an der Universität Brem

s: 26 Juni 2007 Tag des öffentlichen Kolloquium

II

Abstract

III

studied in a series of 1-mThree forests along a 600-m cores at ra transect within a tropical miny season to determaine the chemngrove in North Brazil were ical and
ical change relative to hydrology and species-specific effects. In North physicochemBrazil, mspatial variation of the macrotides (sparing range 4 mngrove sp)ecies are an important factor associated with th. The results indicated an inundation two e
timmanglees higher at low plain (LP) co than in high plain (HP) at lonized by a mAvicennia germinans forestsonospecific forests .The flooding gradientRhizophora
mV) levels in LP sedimresult in a slightly acidicents compared to HP (200 m to basic pH (6.3-7.5) and lower redox potentiaV). l (Eh) (0-100

submAt surface sedimergence, whereas during subments (10 cmergence the Eh dropped dras) (HP), the Eh and pH showed stable values during nontically ~ 4.5-fold -
fromsubm 78 to -253 mV, concomergence the relation ~50 mV and ~60 mV per pH unit was mitantly with pH increase to basic values.aintained, in During
submsedimergence was restored in a sinuents and water, respectively. The ~3-fold sulphidesoidal increase over time.drop in the early stage of Clearly, the effect of
submcan amplify the intensity of the measuremergence on these trends is irrefutable. Meanwhile, the presence of the electrodents. The speciation of phosphorous (P) e
sedimsuggested that iron/aluments (0.35 ± 0.09 to 0.56 ± 0.26 miniumg.g-bound P (P-Fe/Al) is th-1) come mpared to calciumain chemi-bound P (P-Ca) cal bound in
(0.03 ± 0.01 mg.g-1). In the ho(extr.-P) with inundation frequency (IF) was confirmrizontal layer (30 cm), the variationed by a significant positive of extractable P
(4-8), reflected the low Ca-phosphate mcorrelation (r=0.81, n=29). At HP, the higher Cianerals precipitation, probably associated to : P-Ca ratio (9-12) in relation to LP
inundation (2-3.5 h). The significant negative correlation (r= -0.74, ethe short-timinium phosphate n=23) between extr.-P and Al : P-Fe/Al ratio, suggested that the alumsedimfraction seements. s to be the most significant fraction in controlling the P concentration in

) profiles, two oxidation and two reduction horizons were In the vertical (50 cmrecognised. Stands of R. mangle andA. germinans differs in their responses to low
sediment Eh conditions. R. mangle showed a moderate but constant root-induced
oxidation capacity (ǻEh=66-125 mV), whereas A. germinans varied from low
(ǻEh=22 mV, MP) to greater (ǻEh=193 mV, LP) oxidation. Implications of these
findings in relation to P availability showed two features. In the first, the intense root-induced oxidation increased P-Fe/Al, total P (tot.-P) and acidification immobilized the
inution of the root-oxidation was accompanied by the extr.-P. In the second, the dime increase of inant pools of tot.-P and P-Fe/Al reflected in an extremdepletion of domextr.-P.

respect to tidal entary OM (4.0 ± 0.8 %) (LP), supported evidence withThe low sedimhydrology, but do not clearly behavsignificant negative correlation (r= -0.74, n=13) between C:N mes with respect to decomposition porlar ratio and Eh ocesses. The
ents, supported by ed the association of higher C:N ratios with reducing sedimconfirmrg.-C) related to total nitrogen (tot.-N). Differences the increase of organic carbon (o

IV

capacity greatly influence sulphuof sulphur speciation between both species, demonstrated that their root-oxidationr cycling in sediments. The SO42- reduction was a
less imhigh abundance of iron keeps accuportance diagenetic pamulating pore water suthway or the reoxidation of hydrogen sulphide due to the lphide concentrations low.
In sediments below (34-47 μM), whereas at LP higher sulphateA. germinans (50 m, sulphide was only detected at mM) occurred. The presence of twoiddle plain (MP )
ation via ic interfaces (Eh = 0 mV) were favourable for pyrite formoxic-anoxzation (DOP) values obtained here are polysulphide pathway. The degree of pyritimiindicative for sulphide-limnute dispersed grains, octahedral crystaiting suboxic cls, framboids and fraonditions. Pyrite morphologies occur as mboidal cluster. The
proxy to identify depositional environmwide variation in pyrite texture suggests thatents. Phosphorus, sulphur and iron dyna caution is needed in using pyrite as redox mics
suggesting that a comare closely coupled to the activity of mabined effect of flooding with the P dynamngroves trees and sulphate-reducing bacteria, ics and the plant-
masedimngroves. ent-microbial feedback contributes to the zonation of the investigated
.

Zusammenfassung

V

lder entlang eines 600 Meter langen Abschnittes innerhalb eines tropischen äDrei W den Mangrovenwaldes in Nordbrasilien wurden in der Regenzeit untersucht umphysiochemischen Waerforschen. Hier sind starke Überflutungen (Fndel relativ zur Hydrologie und zumrühling: Höhe 4 m) artspezifischen Effekt zu ein wichtiger Faktor,
der mzeigten imit der räum Vergleich eine doppelt so starlichen Veränderung der Make Überschwemmung imngrovenarten verbunden ist. Die Resultate niedriger gelegenen
Terrain (LPgelegenen Terrain (HP), kolonisiert ausschließ), den lich duAvicennia germinansrch WäRhizophora mangleldern an. Das Resultat der , wie im höher
basischem pH-Wstärkeren Überschwemmungen zeigt sich in einemert (6.3-7.5) und ein geringeres Redox-Potential (Eh) (0-100mV) in etwas leicht säurehaltigem bis
it HP (200mV). enten verglichen mden LP Sedim

Bei den Oberflächensedimzur Zeit der Nichtüberflutung stabile Niventen (10 Zentimeter) (HP), zeigten die Eh- und pH-eaus wohingegen während der Überflutung Werte
it pH von 78 auf -253 mV), begleitend mert drastisch fällt (ca. 4.5fachder Eh-WZunahme zuRelation von ~50mV und ~60 m den basischen WeVrten. Wä pro pH-Einheit in den Sedimhrend der Überflutung es zeigte sich eine enten bzw. im Wasser.
im Laufe der Zeit sinusförmiDie sulfite Konzentration, die im ersten Stadium der Überflutung umg wieder auf den zu Beginn gemessenen W 1/3 sank stieg ert an.
Offensichtlich ist die Auswirkung der Überflutung auf diese Veränderungen unwiderlegbar. Allerdings kann die Präsenz der Elekerhöhen. Die Fraktionierung von Phosphor (P) zeigt, dass das an P gebundene trode die Werte der Messdaten
Eisen/Aluminium (P-Fe/Al) die häufigste Chemische Verbindung in den Sedimenten
(0.03 ± 0.01 m(0.35 ± 0.09 to 0.56 ± 0.26 mg.g-1g.g-1) im). In der horizontalen Schicht (30cm Vergleich zu Kalzium) wurde die Dyna gebundenemmi P (P-Ca) k von
(r=0.81, n=29) mverfügbarem Phosphor (extr.-Pit der Überflutungsfrequenz best) durch einen signifikanten positivätigt.. Die höhere Ca: P-Ca ratio (9-en Zusammenhang
niedriger gelegenden Terrain, leich zum Verg höher gelegenden Terrain, im12) imder kurzzeitigspiegelt den niedrigen Caen Überflutung, (2-3,5h) wi-Phosphat Mineralenader. Der signifikante negusfall, der sicherlich verbunden ist mativite
deutet darauf hin, dass die AluminiumZusammenhang (r= -0.74, n=23) zwischen extr.-P und verfügbarer Al : P-Fe/Al Wphosphatfraktion die signifikanteste Fraktion ert
entlösung zu sein scheint. der Sedimfür die Kontrolle der Phosphorkonzentration in

In den vertikalen (50cm) Bodenproben wurden zwei Oxidations- und zwei
undA. germinans WäReduktionsschichten festgestellt. Diese Ergebnisse zeiglder sich in ihrer Reaktioten, dass n auf niedrige Eh- Bedingungen des R. mangle Wälder
oderate aber eine mR. mangleents unterscheiden. Über den Abschnitt zeigte Sedimwurzelinduzierte Oxidationskapazität von konstante wurzelinduzierte Oxidationskapazität (ǻA. germinansEh=66-125 m zwischenV), wohingegen die niedrigeren
(ǻAuswirkung dieser Ergebnisse imEh=22 mV, MP) und höheren W Verhältnerten (ǻis zur Verfügbarkeit von P zeigen zwei Eh=193 mV, LP) variierte. Die
gesamDinge. Erstens die intensive Wurzelinduziete P (tot.-P) und durch Säurebildung fixierte das extr.-P. Zweitens wurde die rte Oxidation erhöht den P-Fe/Al, das
e überwiegender bnahmrzeloxidation begleitet von der AuVerringerung der W

Mengen von tot.-P und P-Fe/Al was sich in einemwiderspiegelte.

VI

en Anstieg von extr.-P extrem

(LP), unterstützte HinwDie niedrige Konzentration von organischem Material imeise von Flutungshydrologie aber keine deutlichen Hinweise Sediment (4.0 ± 0.8 %)
it Zersetzungsprozessen. Der s