Productivity and nutrient relations of trees in deciduous forests differing in tree species diversity

Abstract

Die Effekte der Biodiversität auf die Ökosystemfunktionen von Wäldern werden mit steigendem Interesse diskutiert. Ein Schwerpunkt der Debatte liegt dabei auf dem Einfluss der Artenzahlen als auch der funktionellen Gruppen auf verschiedene Ökosystemfunktionen, wie zum Beispiel der Primärproduktion, dem Nährstoffkreislauf oder dem Kohlenstoffhaushalt. In naturnahen Wäldern wurden trotz ihrer großen ökologischen und sozioökonomischen Bedeutung bisher nur wenige Studien über Biodiversitätseffekte durchgeführt. Daher haben wir in einer vergleichenden Studie zwölf Waldbestände im thüringischen Nationalpark Hainich mit der folgenden Zielsetzung untersucht: (1) die Quantifizierung der oberirdischen Biomasse und der Nährstoffgehalte der Bäume, (2) die Bestimmung der Bestandes- und der artspezifischen Produktivität und (3) die Zersetzungsraten und Nährstofffreisetzungsraten von Blättern zu ermitteln. Der Schwerpunkt lag dabei auf dem Verständnis der Beziehung zwischen der Baumartenvielfalt und den einzelnen Ökosystemfunktionen, wie der Produktivität, der Streuzersetzung und der Nährstofffreisetzung. Die untersuchten Waldbestände haben vergleichbare physikalische Bodeneigenschaften, gleiches Ausgangsgestein und unterscheiden sich durch einen Gradienten mit zunehmender Baumartendiversität von reinen Buchenbeständen (Fagus sylvatica), über mittel-diversen Beständen aus Buche, Esche (Fraxinus excelsior) und Linde (Tilia cordata und T. platyphyllos) zu hoch-diversen Beständen aus Buche, Esche, Linde, Ahorn (Acer pseudoplatanus und A. platanoides) und Hainbuche (Carpinus betulus). Stammholzzuwächse wurden ab dem Jahr 2006 mit dauerhaft installierten Messbändern aufgenommen. Die Blatt und Fruchtmassen wurden von 2005 bis 2007 mit Streusammlern aufgefangen und gewogen und mittels eines Streuzersetzungsexperiments ( litterbag experiment ) wurden 22 Monate lang die Abbauraten der Streu, des Ligningehaltes in der Streu und die Nährstofffreisetzungsraten bestimmt.Die gesamte oberirdische Biomasse ist signifikant mit der Baumartendiversität von 480 auf 200 Mg ha-1 gesunken. Wir haben deutliche Unterschiede zwischen den Hauptbaumarten unserer Studie in dem saisonalen Zuwachsverhalten erkennen können so hatte Fraxinus beispielsweise die höchste Holzproduktion, Fagus eine, auf die Basalfläche bezogen größere Stammholz- als Blattmasseproduktion und die saisonale Zuwachsdynamik von Tilia scheint am sensitivsten mit der aktuellen Witterung zusammenzuhängen. Die gesamte oberirdische Produktion hat sich zwischen den verschiedenen Waldbeständen nicht signifikant unterschieden, aber eine abnehmende Tendenz mit abnehmender Buchenhäufigkeit (9,0; 8,5 und 7,1 Mg ha-1) ist erkennbar. Die Blattbiomasse war in allen Waldbeständen und in allen Untersuchungsjahren konstant (zwischen 3,1 und 3,9 Mg ha-1). Die Streu- und Ligninzersetzungsraten waren höher in den Mischbeständen als in den reinen Buchenbeständen. Entsprechend waren auch die Nährstofffreisetzungsraten signifikant höher in den hoch-diversen Beständen. Die Streuzersetzung von Fagus war in den Mischbeständen deutlich erhöht. Bei den einzelnen Baumarten hatte die Buchenstreu allerdings die langsamste Streuzersetzungsrate ( decomposition rate constant k=0.5), wohingegen die Eschenstreu als schnellste zersetzt wurde (k=2). Die k-Werte der Zersetzungsraten waren eng mit der Mächtigkeit der organischen Auflage, dem pH-Wert des Oberbodens, der Anzahl der Bodenfauna und den Anfangsgehalten von C:N, Ca und N in der Streu korreliert. Wir haben die höchsten Nährstoffkonzentrationen in frischen Blättern von Tilia (N, P, K) und Fraxinus (Ca, K, Mg) gefunden. Buchenlaub und Buchenstreu hatte die geringsten Nährstoffkonzentrationen verglichen mit denen anderer Laubbaumarten. Auf die Basalfläche bezogene Nährstoffvorräte waren in den Speicherkompartimenten Holz und Ästen vergleichbar hoch. Artspezifische Unterschiede sind bei allen Nährstoffen in der Streu und in den Früchten vorhanden. Höhere basalflächenbezogene Nährstoffvorräte von K, Mg, Ca, N und P konnten in den Mischbeständen verglichen mit den reinen Buchenbeständen nachgewiesen werden.Wir haben keinen Hinweis auf komplementären Ressourcenverbrauch in Verbindung mit der oberirdischen Biomasseproduktion gefunden. Höhere Zersetzungs- und Nährstofffreisetzungsraten weisen auf einen höheren Nährstoffkreislauf in den Mischbeständen hin. Jedoch ist die Produktivität bezogen auf die Basalfläche der Bäume in den Mischbeständen nicht höher verglichen mit den reinen Buchenbeständen. Wir haben sogar höhere Nährstoffgehalte in allen Baumkompartimenten in den Mischbeständen gefunden. Die Ergebnisse zeigen, dass vor allem für Standorte, die für den Anbau von Laubbaumarten mit ihrer nährstoffreichen und leicht zersetzbaren Streu geeignet sind, mit diesen Arten ein wichtiges forstwirtschaftliches Instrument gegeben ist, um natürlicher oder anthropogener Bodenversäuerung entgegen zu wirken und die Produktivität der Böden zu erhalten. Im Allgemeinen waren alle Ökosystemfunktionen stark abhängig von den für die jeweilige Baumart charakteristischen physiologischen, morphologischen und architektonischen Eigenschaften als nur von der Baumartenanzahl allein.