Soil nitrogen oxide and carbon dioxide emissions from a tropical lowland and montane forest exposed to elevated nitrogen input

Abstract

Die atmosphärische Stickstoff (N)-Deposition steigt in den Tropen rasant an, was vor allem auf die zunehmende Verwendung industrieller N-Dünger, das Verbrennen von fossilen Ressourcen und Biomasse sowie den Anbau N-fixierender Pflanzen zurückzuführen ist. Die Auswirkungen dessen auf die Emissionen klimarelevanter Spurengase von Waldböden sind bislang jedoch nur unzureichend erforscht. Zu diesem Zweck wurden Versuchsflächen eines Berg- und eines Tieflandwaldes in Panama durch mehrjährige experimentelle N-Zugaben in einen N-angereicherten Zustand versetzt. Im Vergleich der ungedüngten Kontrollflächen wurde festgestellt, dass die Stickoxid- und CO2-Emissionen der Böden des Tieflandwaldes, welcher nicht N-limitiert war, höher waren als die der Böden des N-limitierten Bergwaldes. Diese Kontrollemissionen wurden mit jenen nach 1-3-jähriger N-Zugabe im Bergwald, sowie nach 1- und 9-11-jähriger N-Zugabe im Tieflandwald verglichen.Im Bergwald bewirkten die ersten N-Zugaben einen sofortigen und starken Anstieg der Stickoxid-Emissionen, die von einer erheblichen Erhöhung der Nitrifikationsaktivität in der organischen Auflage begleitet waren. Während der Wachstumsperiode des 2. und 3. Versuchsjahres wurde eine verminderte Bodenatmung (CO2-Emission) beobachtet, welche zeitgleich mit einem erhöhten Stammwachstum auftrat. Im Tieflandwald verursachten die ersten N-Zugaben nur allmähliche und geringe Erhöhungen der Stickoxid-Emissionen, während die Emissionen aus den langjährigen Versuchsflächen erheblich erhöht waren. Im Gegensatz zu den Kontrollflächen korrelierte das Verhältnis aus N2O/NO-Emissionen in den N-Zugabeflächen positiv mit dem wassergefüllten Porenvolumen. In diesen Tieflandböden, welche durch eine hohe Nährstoffnachlieferung und Pufferkapazität charakterisiert sind, hat der langjährige N-Eintrag zu einer Erniedrigung von pH-Wert und Basensättigung sowie einer Erhöhung des Aluminiumgehaltes geführt. Dennoch unterschied sich die Bodenatmung zwischen den Kontrollflächen und den 9-11-jährigen N-Zugabeflächen nicht.Die "Boden-CO2Profilmethode", mit welcher mittels Diffusionsmodellierung tiefenspezifische CO2 Produktionsraten aus gemessenen Konzentrationsprofilen berechnet werden, erzeugte inkonsistente Ergebnisse für den Tieflandstandort. Die Berechnungen beruhen auf den Annahmen, dass im Boden einzig Gasdiffusion ein relevanter Transportpfad ist, und dass die CO2 Konzentrationen in Gas- und Wasserphase im Fließgleichgewicht sind. Durch eine inverse Modellanalyse wurde nachgewiesen, dass diese Annahmen für gut strukturierte Böden mit hohem Wassergehalt nicht erfüllt sind. Unter diesen Gegebenheiten entstehen durch die unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten in den Inter- und Intra-Aggregatporen dauerhafte CO2-Gradienten. Diese treiben Austauschflüsse durch wassergefüllte Poren an, welche in der Gleichgewichts-CO2-Massenbilanz nicht vernachlässigt werden dürfen.