Nutrient stocks, acidity, processes of N transformation and net uptake of methane in soils of a temperate deciduous forest with different abundance of beech (Fagus sylvatica L.)

Abstract

Baumarten können Bodeneigenschaften, Prozesse und zugehörige Bodenfunktionen beeinflussen. Während Unterschiede zwischen Nadelbäumen und Laubbäumen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Bodeneigenschaften und Funktionen häufig untersucht wurden, ist der Einfluss verschiedener Laubbaumarten in Mischbeständen auf Bodenprozesse und die Biogeochemie von Ökosystemen weitgehend unbekannt. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit ein temperater Laubwald mit unterschiedlicher Buchenhäufigkeit und Baumartendiversität auf Acidität, Nährstoffvorräte und Gehalte der organischen Bodensubstanz sowie die Umsätze von Stickstoff (N) im Boden und die Senkenstärke des Waldbodens für atmosphärisches Methan (CH4) untersucht. Ziel war es, die Hauptfaktoren der räumlichen Variabilität dieser Bodeneigenschaften und Prozesse in einem Laubmischwald zu bestimmen und den Einfluss der Buchenhäufigkeit zu klären. Aus diesem Grund wurden im Nationalpark Hainich/Thüringen Flächen mit i) Buche (Fagus sylvatica L.) (diversity level 1, DL1), mit ii) Buche, Esche (Fraxinus excelsior L.) und Linde (Tilia cordata Mill. and/or T. platyphyllos Scop.) (DL2) und mit iii) Buche, Esche, Linde, Ahorn (Acer pseudoplatanus L. and/or A. platanoides L.) und Hainbuche (Carpinus betulus L.) (DL3) ausgewählt. Alle Bestände haben eine langjährige Waldgeschichte und einen hohen Anteil von alten Bäumen. Sie unterliegen den gleichen klimatischen Bedingungen und stocken auf dem selben geologischen Ausgangssubstrat (Löss (60-120 cm) über Kalkstein). Der Bodentyp ist eine Parabraunerde, die im Winter Staunässe aufweist. Auf diesen Flächen wurden Produktion und Zusammensetzung der Laubstreu sowie Bodenacidität, austauschbare Nährstoffe und die Menge und Verteilung der organischen Bodensubstanz in der organischen Auflage und im Mineralboden (0−30 cm) bestimmt. Drei Flächen (je 6 Plots) mit unterschiedlicher Buchenhäufigkeit wurden ausgewählt, um die N Vorräte und N-Umsätze des Bestandes, Netto- und Bruttoraten der N-Transformationen im Mineralboden und jährliche N-Verluste durch N2O-Emissionen sowie die Beziehungen zwischen N-Pools und N-Flüssen zu analysieren. Auf diesen Flächen wurde ebenfalls die Senkenstärke des Waldbodens für CH4 über zwei Jahre mit geschlossenen Hauben untersucht und es wurden die Hauptsteuergrößen für die räumliche und zeitliche Variabilität des Netto-CH4-Umsatzes bestimmt.Die Streuproduktion war in allen Beständen vergleichbar (3,2 bis 3,9 Mg Trockenmasse ha 1 yr-1), die Menge an mit der Streu eingetragenem Ca und Mg stieg jedoch mit zunehmender Baumartendiversität und abnehmender Buchenhäufigkeit an (von 47 auf 88 kg Ca ha-1 yr-1; von 3,8 auf 7,9 kg Mg ha-1 yr-1). Die pH-Werte und die Basensättigung in den obersten 30 cm des Mineralbodens waren geringer unter Buche als in Mischbeständen (pH: 4,2−4,4 vs. 5,1−6,5; BS: 15−20% vs. 80−100%). Die Mengen an austauschbaren Al und Mn waren unter Buche am höchsten. Die Vorräte von Ca und Mg in den obersten 30 cm des Mineralbodens waren 12−15 bzw. 4−13-mal höher unter Mischbeständen als unter Buche. Die Akkumulation von organischem Kohlenstoff in der organischen Auflage war am höchsten unter Buche. Mit abnehmender Buchenhäufigkeit stieg der jährliche N-Eintrag mit der Streu (21 bis 51 kg N ha 1 yr-1) und der N-Vorrat im Mineralboden (800−1500 kg N ha-1). Die Umsatzrate des Streu-N ist höher in den Mischbeständen als in den Buchenbeständen, während die mittlere geschätzte Verweildauer von N in der organischen Auflage 2−4 bzw. 13 Jahre betrug. Die Nettoraten der N-Mineralisation und Nitrifikation unterschieden sich nicht zwischen den Beständen. Die Brutto-N-Mineralisation stieg von 2,4 auf 7,0 mg N kg-1 d-1 mit abnehmender Buchenhäufigkeit. Fünf bis vierzehn Prozent des produzierten NH4+-N wurden nitrifiziert. Beide Prozesse waren eng korreliert mit der mikrobiellen Biomasse, welche wiederum mit dem N-Eintrag durch die Streu und deren C:N-Verhältniss, sowie mit dem N-Vorrat im oberen Mineralboden und der Basensättigung korrelierte. Die N2O-Emissionen waren in der Regel in allen Beständen gering. Eine Ausnahme bildete eine Frostperiode im Winter 2006 mit stark erhöhten Emissionen, die zu 46% bis 94% der jährlichen N2O-Verluste beitrugen. Die mittleren kumulativen N2O-Emissionen nahmen mit abnehmender der Buchenhäufigkeit zu. Sie waren auf der DL3-Fläche am höchsten (0,39±0,21 kg N2O-N ha-1 a-1) und auf der DL1-Fläche am niedrigsten (0,10±0,11 kg N2O-N ha-1 a-1). Die jährliche CH4-Aufnahme lag bei 2,0 bis 3,4 kg CH4-C ha-1. Die zeitliche Variation der CH4 Aufnahme konnte zu einem großen Teil (R2 = 0,71) mit der Änderung des Wassergehaltes in den obersten 5 cm des Mineralbodens erklärt werden. Unterschiede in der Jahresaufnahme zwischen den Flächen resultierten vorwiegend aus der räumlichen Variabilität des Tongehaltes in 0-5 cm (R2 = 0,50). Während der Vegetationsperiode (Mai bis September) sank die CH4 Aufnahme mit zunehmenden Niederschlägen. Geringe CH4-Aufnahmeraten im Winter wurden zusätzlich durch Bodenfrost und Schneeauflage reduziert. Es gab keinen Hinweis auf einen signifikanten Einfluss der Bodenacidität, der Nährstoffverfügbarkeit, der Mächtigkeit der Humusauflage oder der Buchenhäufigkeit auf die Nettoaufnahme von CH4 in diesem Laubwald. Die wichtigsten Faktoren, die die Variabilität der Bodenversauerung und der Nährstoffvorräte im Boden und in der organischen Auflage verursachten, waren der Tongehalt im Unterboden und die unterschiedliche Qualität der Laubstreu. Die Zusammensetzung und Qualität der Streu in den untersuchten Beständen wurde von der Buchenhäufigkeit beeinflusst, da die Nährstoffgehalte (z.B. N, Ca, Mg) der Laubstreu und deren biologische Verfügbarkeit unter Buche geringer waren als in Mischbeständen. Die Umverteilung von Nährstoffen mit der Laubstreu hat ein hohes Potential der Bodenversauerung entgegenzusteuern und die Basensättigung in diesen Lössböden über Kalkstein zu erhöhen. Baumartenspezifische Unterschiede in der Intensität des Kationenkreislaufes zwischen Boden und Baum waren ein Schlüsselfaktor, der zu den beobachteten Unterschieden in Bodenacidität und Nährstoffvorräten im Boden beitrug. Neben einer zunehmenden Basensättigung stiegen auch die N-Einträge mit der Streu und die Qualität der Streu mit abnehmender Buchenhäufigkeit. Diese Faktoren beeinflussten die Menge der mikrobiellen Biomasse und damit die Bruttoraten der N-Transformation und die N-Verluste durch N2O-Emissionen. Die Nettoaufnahme von CH4 wurde nicht von der Buchenhäufigkeit beeinflusst. Für eine zuverlässige großräumige Abschätzung der CH4-Senkenstärke dieses Laubwaldes sind detaillierte Informationen über die räumliche Verteilung der Tongehalte im obersten Mineralboden von großer Bedeutung. Aus den Ergebnissen lässt sich schlussfolgern, dass die Klimaveränderung mit dem Trend zu trockeneren Sommern und wärmeren Wintern in steigende CH4-Aufnahmeraten in dieser Region resultieren wird.Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass zwei Faktoren die räumliche Variabilität der analysierten Bodeneigenschaften und Prozesse in dem untersuchten Laubmischwald bestimmen: 1. Die Buchenhäufigkeit und die damit verbundene geringere Umverteilung von Nährstoffen mit der Laubstreu und 2. die kleinräumige Variabilität des Tongehaltes im Ausgangsmaterial (d.h. in der Lössauflage). Die Trennung dieser beiden Faktoren war schwierig, da sich die räumlichen Muster von Buchenhäufigkeit und Tongehalt in dieser cross-site Studie in natürlichen Beständen überlagerten. Dennoch tragen die hier gewonnenen Ergebnisse zu einer verbesserten Kenntnis über den Einfluss der Buchenhäufigkeit in temperaten Laubmischwäldern auf Bodeneigenschaften und Bodenprozesse bei.