La descomposición de la hojarasca como herramienta para evaluar la integridad funcional de ríos altoandinos del sur del Ecuador / Leaf-litter breakdown as a tool to assess the functional integrity of high Andean streams of Southern Ecuador

ResumenLas condiciones ecológicas de los ríos altoandinos tropicales estan amenazadas por numerosas actividades humanas que incluyen aquellas derivadas del cambio de la cobertura y uso del suelo de la cuenca. Para su evaluación se han propuesto protocolos que diagnostican el estado de la estructura pero no del funcionamiento de estos ecosistemas fluviales. En este trabajo se propone una herramienta de evaluación adaptada a las condiciones locales, incluyendo la metodología y los valores umbrales, utilizando el proceso de descomposición de la hojarasca como una medida del funcionamiento y salud de los ríos altoandinos del sur del Ecuador. Se seleccionaron 15 tributarios distribuidos en tres microcuencas (Mazán, Llaviuco y Matadero) dentro o en las adyacencias del Parque Nacional Cajas. En cada tributario se incubaron bolsas de descomposición elaboradas con dos tipos de malla (gruesa y fina) para separar la contribución de macroinvertebrados y microorganismos en el proceso. Como substrato vegetal se emplearon hojas de Alnus acuminata y Miconia bracteolata. Las bolsas fueron colocadas en los ríos y mantenidas durante 15, 28 y 64 días. Las tasas de descomposición (-K) fueron obtenidas a partir del período de tiempo en el cual se produjo la pérdida de aproximadamente el 50 % de la masa seca libre de ceniza. En cada período de recolección se determinaron parámetros físicos y químicos. Adicionalmente, se aplicaron los índices de calidad de ribera (QBR-And) y de habitat fluvial (IHF). Para la elaboración de los umbrales de condición funcional se utilizaron las métricas Ktotal y el cociente entre la tasa de descomposición en malla gruesa y malla fina (Kg/Kf). Para probar la sensibilidad de las métricas se emplearon métodos gráficos, Anova de una vía y se calculó la eficiencia discriminativa (ED) de las mismas. Los resultados del análisis de usos y coberturas del suelo revelaron un gradiente de intervención Matadero ≥ Llaviuco > Mazán. La composición de las variables ambientales de las corrientes de la microcuenca Mazán resultaron diferentes con respecto a las de Llaviuco y Matadero, cuyos valores parecen ser más semejantes entre sí. La evaluación de la calidad de ribera mediante el índice QBR-And muestra un gradiente importante desde valores muy bajos en las corrientes de Matadero (27.5), valores medios a altos en Llaviuco (66.5) y valores más altos en los tributarios de Mazán (87). Las tasas de descomposición de la hojarasca de los tributarios de la microcuenca del Río Mazán resultaron significativamente más rápidas que en los tributarios de los Ríos Matadero y Llaviuco para las hojas de A. acuminata pero no para las hojas de Miconia. La métrica Kg/Kf se consideró sensible y suficiente para discriminar los impactos en las áreas estudiadas. Los valores del cociente Kg/Kf resultaron significativamente mayores en Mazán en comparación a Llaviuco y Matadero, que no resultaron diferentes entre sí. Nuestros resultados apoyan la utilización del proceso de descomposición de la hojarasca como una herramienta adecuada para evaluar la condición ecológica funcional, complementando las evaluaciones estructurales, de los ríos altoandinos.

Abstract:The ecological condition of tropical Andean rivers are threatened by many human activities including changes in land use and cover in watersheds. Current protocols diagnose the structural condition of streams but not their function. In this study we proposed an assessment tool using the leaf-litter breakdown as a measure of the functional condition and health of high Andean streams in Southern Ecuador, including methodology and threshold values adapted to local conditions. We selected 15 streams in three micro-basins (Mazán, Llaviuco and Matadero) within or in the vicinity of Cajas National Park where we deployed litterbags for 15, 28 and 64 days. We used two types of mesh (coarse and fine) for the litterbags in order to separate the contribution of macro-invertebrates and microorganisms in the decomposition process and also tested two different leaf substrates: Alder (Alnus acuminata) and Miconia (Miconia bracteolata). In each collection period we determined physical and chemical parameters, applied the riparian quality index (QBR-And) and river habitat index (IHF). Decomposition rates (-k) were determined from the time period at which approximately 50 % ash-free mass would have been lost. We used Ktotal and the ratio of the rate of decomposition between coarse and fine mesh (Kg/Kf) to define the functional condition thresholds. To test the metrics sensitivity we used graphical methods, one-way ANOVA and discriminative efficiency (ED). The analysis of watershed land-use and cover showed a gradient of intervention: Matadero ≥ Llaviuco > Mazán. The composition of the environmental variables of Mazán streams were different with respect to Llaviuco and Matadero, whose values were similar to each other. The QBR-And index showed a significant gradient from very low levels in Matadero (27.5), moderately high values in Llaviuco (66.5) to high values in Mazán (87). Alder leaf-litter breakdown rates were significantly faster in Mazán than in Matadero and Llaviuco streams, while breakdown rates of Miconia were not significantly different among watersheds. The Kg/Kf ratio was significantly higher in Mazán compared to Llaviuco and Matadero, which did not differ. We consider the Kg/Kf metric sensitive enough to discriminate impacts in the studied areas. Our results support the use of the leaf-litter breakdown as an appropriate tool to assess functional ecological condition, complementing the structural assessments of these Andean rivers. Rev. Biol. Trop. 65 (1): 321-334. Epub 2017 March 01.

Effects of insect and decapod exclusion and leaf litter species identity on breakdown rates in a tropical headwater stream

High species richness of tropical riparian trees influences the diversity of organic detritus entering streams, creating temporal variability in litter quantity and quality. We examined the influence of species of riparian plants and macroinvertebrate exclusion on leaf-litter breakdown in a headwater stream in the Luquillo Mountains of Puerto Rico. Leaf litter of Dacryodes excelsa (Burseraceae), Guarea guidonia (Meliaceae), Cecropia scheberiana (Moraceae), Manilkara bidentata (Sapotaceae), and Prestoea acuminata (Palmae) were incubated in litter bags in a pool of Quebrada Prieta. Fine mesh bags were used to exclude macroinvertebrates during leaf breakdown, and coarse mesh bags allowed access to decapod crustaceans (juvenile shrimps and crabs) and aquatic insects (mainly mayflies, chironomids, and caddisflies). D. excelsa and G. guidonia (in coarse- and fine-mesh bags) had significantly higher breakdown rates than C. scheberiana, M. bidentata, and P. acuminata. Breakdown rates were significantly faster in coarse-mesh bag treatments for all leaf types, thus indicating a positive contribution of macroinvertebrates in leaf litter breakdown in this headwater stream. After 42 days of incubation, densities of total invertebrates, mayflies and caddisflies, were higher in bags with D. excelsa and G. guidonia, and lower in P. acuminata, C. scheberiana y M. bidentata. Decay rates were positively correlated to insect densities. Our study highlights the importance of leaf identity and macroinvertebrate exclusion on the process of leaf litter breakdown in tropical headwater streams. Rev. Biol. Trop. 62 (Suppl. 2): 143-154. Epub 2014 April 01.

La gran variedad de especies vegetales junto a los ríos tropicales afecta la diversidad de detritos orgánicos que llegan a los arroyos, creando variaciones temporales en cantidad y calidad de hojarasca. Examinamos la influencia de las especies vegetales y de la exclusión de macroinvertebrados sobre la descomposición de hojarasca en la parte alta de un arroyo en las montañas Luquillo de Puerto Rico. Incubamos hojarasca de Dacryodes excelsa (Burseraceae), Guarea guidonia (Meliaceae), Cecropia scheberiana (Moraceae), Manilkara bidentata (Sapotaceae) y Prestoea acuminata (Palmae) en bolsas descomposición que colocamos en una poza de Quebrada Prieta. Usamos bolsas de malla fina para excluir los macroinvertebrados y de malla gruesa para permitir la entrada a crustáceos decápodos (camarones y cangrejos jóvenes) e insectos acuáticos (principalmente efemerópteros, quironómidos y tricópteros). D. excelsa y G. guidonia (en ambos tipos de malla) tuvieron tasas de descomposición más altas que C. scheberiana, M. bidentata y P. acuminata. La descomposición fue más rápida para todas las especies de hoja con la malla gruesa, resaltando el papel de los descomponedores en este hábitat. Tras 42 días de esta incubación, las densidades totales de invertebrados, efemerópteros y tricópteros fueron mayores en las bolsas con hojas de D. excelsa y G. guidonia, e inferiores en P. acuminata, C. scheberiana y M. bidentata. A mayor densidad de insectos hubo mayor tasa de descomposición. Nuestros resultados indican la importancia de la especie de las hojas y de la presencia de macroinvertebrados en el proceso de descomposición de hojarasca en partes altas de arroyos tropicales.

Dinámica de nutrientes en plantaciones forestales de Azadirachta indica (Meliaceae) establecidas para restauración de tierras degradadas en Colombia / Nutrient dynamics in forest plantations of Azadirachta indica (Meliaceae) established for resto- ration of degraded lands in Colombia

Azadirachta indica is a tree species which use is steadily increasing for restoration of tropical and subtropical arid and degraded lands throughout the world. The objective of this research study was to evaluate the potential of these plantations as an active restoration model for the recovery of soils under desertification in arid lands of Colombia. Litter traps and litter-bags were installed in twenty 250m² plots. Green leaves and soil samples inside and outside this species plantations were taken, and their elemental concentrations were determined. Litterfall, leaf litter decomposition and foliar nutrient resorption were moni- tored for one year. The annual contributions of organic material, such as fine litterfall, represented 557.54kg/ha, a third of which was A. indica leaves. The greatest potential returns of nutrients per foliar litterfall were from Ca (4.6kg/ha) and N (2.4kg/ha), and the smallest potential returns came from P (0.06kg/ha). A total of 68% of the foliar material deposited in litter-bags disappeared after one year. The greatest release of nutrients was that of K (100%), and the least was that of N (40%). P was the most limiting nutrient, with low edaphic availability and high nutrient use efficiency from Vitousek´s index (IEV=3176) and foliar nutrient resorption (35%). Despite these plantations are young, and that they have not had forestry management practices, as an active restoration model, they have revitalized the biogeochemical cycle, positively modifying the edaphic parameters according to the increases in organic material, P and K of 72%, 31% and 61%, respectively. Furthermore, they improved the stability of aggregates and the microbe respiration rates. The forest plantation model with exotic species has been opposed by different sectors; however, it has been acknowledged that these projects derive many benefits for the restoration of biodiversity and ecosystemic functions. The conditions of severe land degradation demand the initial use of species, such as A. indica, that can adapt quickly and successfully, and progressively reestablish the biogeochemical cycle.

Azadirachta indica A. Juss (Nim) ha sido ampliamente empleada en procedimientos de restauración, por lo tanto se evaluó el potencial de sus plantaciones para restaurar tierras secas degradadas por sobrepastoreo, vía reactivación del ciclo biogeoquímico. En 20 parcelas de 250m², se instalaron trampas de hojarasca y litter-bags. Se tomaron muestras de hojas maduras y de suelos dentro y fuera de las plantaciones, y se determinaron sus contenidos elementales. Fueron monitoreados la caída de hojarasca, la descomposición de hojarasca y la reabsorción de nutrientes foliares durante un año. Los aportes anuales de hojarasca fina representaron 557.54kg/ha (33% hojas de Nim). Los mayores retornos potenciales de nutrientes vía foliar fue- ron de Ca (4.6kg/ha) y N (2.4kg/ha) y los menores de P (0.06kg/ha). El 68% del material se descompuso tras un año. La mayor liberación de nutrientes fue de K (100%) y la menor de N (40%). El P fue el nutriente más limitante, con baja disponibilidad edáfica y alta eficiencia en su uso según el Índice de Vitousek (IEV=3 176) y la reabsorción foliar (35%). Estas plantaciones juveniles demostraron efectividad en la reactivación del ciclo biogeoquímico, que mejoraron parámetros edáficos, según incrementos de materia orgánica, P y K; 72%, 31% y 61%, respectiva- mente. Además mejoraron la estabilidad de agregados y las tasas de respiración microbiana.