Kohlenstoffvorrat, Nährstoffvorräte und Wasserdynamik nach forstlichen Eingriffen in Fichtenreinbestände

Abstract

Aufgrund ihres Alters, dem waldbaulichen Ziel der Abkehr von gleichaltrigen Reinbeständen hin zu strukturreicheren, hinsichtlich der Bewirtschaftungsrisiken zugleich resilienteren Mischbeständen und auch im Hinblick auf die Fähigkeit von Bäumen zur Kohlenstoffsequestrierung müssen zahlreiche Fichtenbestände in Deutschland jetzt oder in absehbarer Zeit beerntet werden. Im niedersächsischen Solling wurde deshalb Ende 2003 ein Kooperationsprojekt initiiert, das auf 2 verschiedenen Standorten die durch verschiedene Hiebsformen (Kleinkahlschläge, Zielstärkennutzungen) bedingten Veränderungen des Energie-, Stoff- und Wasserhaushaltes in derartigen Beständen unter der besonderen Berücksichtigung kleinräumiger Gradienten für den norddeutschen Raum langfristig untersuchen und ökologisch bewerten soll. Während die ökosystemrelevanten Prozesse in Lücken umso stärker von den umgebenden Bäumen und ihrem Kronendach gesteuert werden, je kleiner diese sind, existieren besonders auf Freiflächen < 1 ha zu berücksichtigende und u. a. von Himmelsrichtung und Jahreszeit abhängige Gradienten vom voll besonnten Zentrum, über einen partiell beschatteten und durchwurzelten Übergangsbereich hin zu den verbliebenen Bäumen. Sowohl für kleinere Lücken im Bestand wie auch für Kleinkahlschläge stellt sich die Frage nach der Dauerhaftigkeit der Störung und dem raumzeitlichen Muster der hier wirksamen Prozesse. Die vorliegende Dissertation widmet sich in diesem Zusammenhang:1) der Bedeutung der Bodenvegetation nach forstlichen Eingriffen und den Möglichkeiten der Quantifikation ihrer Phytomasse und Elementvorräte ohne Beerntungen mittels des Modells "PhytoCalc",2) der Kohlen- und Stickstoffdynamik nach forstlichen Eingriffen und inwieweit die Unterschiede zwischen wiederholten Kohlen- und Stickstoffinventuren statistisch abzusichernde Rückschlüsse auf den Umsatz zulassen,3) der Bedeutung der Zersetzung von frischer Streu aus Fichtennadeln und -zweigen für den Stoffhaushalt und der Parameter, die diesen Prozess charakteri sieren und steuern und4) der Wasser- und Wurzeldynamik in Einzelbaumlücken eines Bestandes.Die Bodenvegetation kleinerer Lücken oder Kahlschläge kann unter günstigeren Licht-, Nährstoff- und Wasserbedingungen als im geschlossenen Bestand beachtliche Phytomassen mit entsprechenden Elementvorräten produzieren und somit Stoffausträge minimieren helfen. Mit "PhytoCalc" steht für typische Bestandesbedingungen ein erfolgreich validierter Ansatz zur Verfügung, der dieses Kompartiment ohne aufwendige Beerntungen über die Parameter Deckungsgrad und mittlere Sprosslänge quantifiziert. Die Anwendbarkeit des Modells für Bestandesarten unter Kahlschlagbedingungen wie auch für generell eher an Offenlandbedingungen angepasste Arten ist bisher noch nicht umfassend genug untersucht worden. Für verholzende Arten, wie z. B. Picea abies (L.) Karst. [Fichte]-Naturverjüngung stellt sich die zusätzliche Frage, ob der "PhytoCalc"-Ansatz bei entsprechender Kalibrierung übertrag- und belastbar ist.Systematische Probebeerntungen und -analysen der auf den untersuchten Kleinkahlschlägen weit verbreiteten und phytomassereichen Arten Deschampsia flexuosa (L.) Drej. [Drahtschmiele], Digitalis purpurea (L.) [Roter Fingerhut], Pteridium aquilinum (L.) Kuhn [Adlerfarn] und Rubus idaeus (L.) [Himbeere] zeigten, dass insbesondere das Phytomassen-Teilmodell von "PhytoCalc" die gemessenen Werte deutlich unterschätzte. Dies geschah unabhängig von der Verwendung artenspezifischer oder wuchsformengruppenspezifischer "PhytoCalc"-Funktionen und wirkte sich aufgrund der modellinternen multiplikativen Verknüpfung auch bei den Elementvorräten entsprechend aus. Bei der anschließenden Aufstellung neuer, speziell für die angeführten Arten auf den untersuchten Kleinkahlschlägen gültiger, artenspezifischer Funktionen akzeptabler Qualität erwies sich der "PhytoCalc"-Ansatz als belastbar und auch für verholzende Arten bis 0,5 m Höhe adaptierbar, wie exemplarisch an Fichtennaturverjüngung gezeigt werden konnte.In Relation zur Vegetation der der Atmosphäre ist der Stick-, besonders aber der Kohlenstoffvorrat des Bodens ungleich größer, weshalb auch kleine Veränderungen, die z. B. mit forstlichen Eingriffen einhergehen, hier bereits von Bedeutung sein können. Aufgrund räumlicher Heterogenitäten sind hohe Feld- und entsprechende Laborprobenanzahlen notwendig, um Differenzen zwischen wiederholten Kohlen- und Stickstoffinventuren statistisch abzusichern. Wegen ihrer direkten Exposition den nach der Anlage von Kleinkahlschlägen veränderten Umweltbedingungen gegenüber sind die Vorräte verschiedener Straten der Humusauflage oft von besonderem Interesse. Bei der morphologischen Differenzierung dieser Straten unter Feldbedingungen erschweren aber auch gleichzeitig Subjektivitäten häufig die Interpretation der Ergebnisse, was konzeptionelle Auswege aus dem Konflikt Probenanzahl vs. statistisch abzusichernde Veränderung notwendig erscheinen lässt. Es stellt sich hier u. a. auch die Frage, ob der Analyseaufwand im Labor durch im Feld gebildete Mischproben minimiert werden kann, ohne dabei Abstriche in der Ergebnisqualität akzeptieren zu müssen.Um die Veränderungen der Kohlen- und Stickstoffvorräte, die mit der Anlage jeweils 1 ha großer Kahlschläge einhergehen, in verschiedenen Straten der Moder-Auflage (L/Of vs. Oh) und innerhalb der obersten 5 cm des Mineralbodens (Min) quantifizieren zu können, wurden auf beiden untersuchten Standorten jeweils 2 Inventuren durchgeführt. Zur Analyse gelangten insgesamt 840 Bohrkerne, davon 640 Bohrkerne vor und 200 Bohrkerne 1 Jahr nach dem waldbaulichen Eingriff. Die Streuungsmaße waren trotz der hohen Probenanzahlen erheblich, so dass die Kohlen- und Stickstoffvorräte einer, obgleich hypothetischen, analogen Zweitbeprobung maximal um ±13 %, was ±9 t Kohlenstoff/ha und ±0,4 t Stickstoff/ha entspricht, von den Mittelwerten der Erstbeprobung abweichen können. Demgegenüber waren die durch den Kahlschlag induzierten, teilweise signifikanten Veränderungen der Kohlen- und Stickstoffvorräte im L/Of, Oh und Min mit -33 % bis +54 % deutlich höher. Diese Ab- oder Zunahmen waren jedoch u. a. auch auf Subjektivitäten bei der visuell oft schwierigen Differenzierung sich ähnelnder Straten (wie z. B. Oh und Ah) zurückzuführen. Durch Einbeziehung der obersten 5 cm des Mineralbodens relativierten sich die dem Kahlschlageffekt zuordenbaren Veränderungen der Kohlen- und Stickstoffvorräte auf < +10 %, die aufgrund der niedrigeren Probenanzahlen (n = 200) der Wiederholungsinventur nicht statistisch abzusichern waren. Rechnerisch gebildete Mischproben, die im Vergleich zu den Einzelproben verringerte Streuungsmaße bei ansonsten gleicher Ergebnisqualität aufwiesen, zeigten hinsichtlich einer Minimierung des Analyseaufwandes im Labor Potential.Bei waldbaulichen Eingriffen sowie der Aufarbeitung von Kalamitäten und Windwürfen fallen große Mengen Schlagabraum an, der aufgrund seiner Qualität bevorzugt umgesetzt wird und dessen Bestandteile dementsprechend auch schnell wieder verfügbar sind. Anhand von CO2-C-Flüssen kann die Dynamik der mikrobiellen Umsetzungsprozesse abgeschätzt werden. Von Interesse ist, inwieweit die Umsetzung von frischer Streu aus Fichtennadeln und -zweigen unabhängig von der Mikroflora einer natürlicherweise vorhandenen Humusauflage (im vorliegenden Fall: Moder) abläuft und in welcher Quantität CO2-C von frischer Streu aus Fichtennadeln und -zweigen im Vergleich zu einer Moder-Auflage freigesetzt wird.In einem dreimonatigen Laborexperiment wurden 3 Behandlungen - A) frische Streu aus Fichtennadeln und -zweigen in einer für die untersuchten Standorte realistischen Quantität, B) eine Moder-Auflage und C) eine Kombination aus beiden - bei 3 Temperaturen (5°C, 15°C, 25°C) auf ihre CO2-C-Flüsse untersucht. Durch chemische Analysen konnte sichergestellt werden, dass die dazu verwendeten Proben einer Behandlung bezüglich ihrer Elementvorräte (C, N, P, S) und Wassergehalte vergleichbar und die Unterschiede in den CO2-C-Flüssen deshalb dem Temperatureffekt zuzuordnen waren. In den ersten 3 Monaten der Inkubation wurden bei der frischen Streu aus Fichtennadeln und -zweigen zwischen 6-10 % der anfänglichen Kohlenstoffvorräte umgesetzt. Die Kombinationsbehandlung wies Werte zwischen 1-4 % auf und bei der Moder-Auflage waren es 1-3 % der anfänglichen Kohlenstoffvorräte, die als CO2-C-Flüsse freigesetzt worden. Das Versuchsdesign der verschiedenen Temperaturen fand in den entsprechenden metabolischen Quotienten sein Abbild. Auch waren im betrachteten Temperaturspektrum und Zeitraum die CO2-C-Flüsse von frischer Streu aus Fichtennadeln und -zweigen gegenüber denen einer Moder-Auflage mindestens vergleichbar, wenn nicht höher. Bei der für die untersuchten Standorte typischen Bestandessituation von frischer Streu aus Fichtennadeln und -zweigen über einer Moder-Auflage gab es zwischen den verschieden spezialisierten Mikrofloren der Substrate kaum multiplikative Effekte und die CO2-C-Flüsse von Moder-Auflage und frischer Streu addierten sich in der kombinierten Behandlung. Die Bedeutung der Humusauflage für die Zersetzung von aufliegendem Material mag zunehmen, wenn weniger leicht zersetzbare Substrate metabolisiert werden müssen und Pilze eine zunehmende Bedeutung im Zersetzungsprozess gewinnen.Das Muster der Bodenwasserdynamik in Einzelbaumlücken eines Bestandes wird durch Niederschlagsereignisse und die Wasseraufnahme durch Wurzeln der die Lücke umstehenden Bäume und die der Bodenvegetation in Raum und Zeit beeinflusst. In Anbetracht dynamischer Prozesse im Kronen- und Wurzelraum wird bei Einzelbaumlücken im Vergleich zu Kahlschlägen nur von einer kurzfristigen Störung des Wasserhaushaltes ausgegangen. Insgesamt 4½ Jahre lange Messreihen des Bodenmatrixpotentials im Zentrum von vegetationsarmen Zielstärken-Einzelbaumlücken, eines Kleinkahlschlags und einer Kontrollparzelle sollten zur Klärung der Frage beitragen, wie lange diese Störungen andauern und ob Bodenmatrixpotentiale für Rückschlüsse auf die relative Wurzelverteilung in den Einzelbaumlücken herangezogen werden können. Ablotungen und hemisphärische Fotos dienten dazu, die Kronenstruktur der Einzelbaumlücke zu erfassen und in Kontext zu den Bodenmatrixpotentialen zu setzen.Es zeigte sich, dass die Bodenmatrixpotentiale im Zentrum von Einzelbaumlücken auch 4½ Jahre nach ihrer Anlage viel stärker Kahlschlag- denn Bestandesbedingungen entsprachen. Die Wurzeln der umgebenden Bäume haben die hier verfügbaren Ressourcen demnach noch nicht für sich erschlossen. Am Beispiel einer vegetationsarmen Einzelbaumlücke konnte im letzten und am intensivsten untersuchten Jahr der Messkampagne gezeigt werden, dass das raumzeitliche Muster des Bodenmatrixpotentials vielmehr eine Abbild des Musters der Kronenraumstruktur, denn des Musters der Niederschlagsverteilung war. Durch die Gewichtung der Bodenmatrixpotentiale mit den Niederschlagsmengen der Messintervalle gelang es, eine Vorstellung vom Muster der relativen Wurzelverteilung zu erhalten, was z. B. für Wasserhaushaltsmodelle von Interesse ist. Phasen ohne oder mit nur geringem Niederschlag eignen sich besonders, um Veränderungen des Bodenmatrixpotentials eindeutig dem Wasserentzug durch die Wurzeln der umgebenden Bäume zuzuordnen. Sie waren jedoch im April und Mai des untersuchten Jahres konzentriert, wo noch keine oder nur eine geringe Differenzierung der Bodenmatrixpotentiale innerhalb der Lücken nachweisbar war. Für eine eindeutigere Zuordnung hätte es vor allem kleinerer, denn 1-2wöchentlicher Messintervalle bedurft.Die vorgestellten Ergebnisse sind Mosaiksteine auf dem Weg zu einem besseren Verständnis und einer ökologischen Bewertung anthropogen bedingter Veränderungen in Waldökosystemen. In Anbetracht des prognostizierten Klimawandels und potentiell zunehmender Zielkonflikte im Hinblick auf die Nutz- und Schutzfunktionen des Waldes ist es von hoher Praxisrelevanz, die wegen ihrer Komplexität noch nicht abschließend erforschten Prozesse entlang kleinräumiger Gradienten zwischen dem Zentrum von verschieden großen Lücken oder Freiflächen und dem verbliebenen Bestand weiter zu untersuchen.