Dynamik von Phosphor im Boden und von Nährstoffen im Kronenraum von Buchenwäldern unterschiedlicher Baumartendiversität

Abstract

Nährstoffvorräte, -konzentrationen und -umsätze im Boden sowie Nährstoffeinträge durch Deposition und Kronenraumaustausch wurden weltweit in den verschiedensten Waldökosystemen intensiv untersucht. In Studien über Wälder der gemäßigten Zonen lag der Schwerpunkt hinsichtlich der Makronährstoffe auf Kohlenstoff und Stickstoff, während Phosphor (P) eher in tropischen Wäldern von Interesse war. Im Zuge zunehmender Stickstoffdeposition ist bzw. könnte P jedoch ein wachstumslimitierender Faktor vieler Wälder der gemäßigten Zonen werde. Außerdem wird der Klimawandel diese Ökosysteme und ihre Nährstoffumsätze beeinflussen. Um auf diese Veränderungen vorbereitet zu sein, wird die Einrichtung von Mischwäldern empfohlen, da diese störungsresistenter und belastbarer seien als Monokulturen. In großen Teilen Mitteleuropas wird die potentielle natürliche Vegetation von der Buche (Fagus sylvatica L.) dominiert. Deshalb wird vermutet, dass Buchenmischwälder im Hinblick auf den Klimawandel einen hohen ökologischen und ökonomischen Wert haben. Über die Auswirkungen zunehmender Baumartendiversität auf Bodennährstoffe und Nährstoffkreisläufe in gemäßigten Buchenwäldern ist jedoch wenig bekannt. Untersuchungen zum Einfluss der Baumartenzusammensetzung auf P-Vorräte und -konzentrationen im Boden und den P-Umsatz fehlen fast ganz.Die vorliegende Doktorarbeit verglich die P-Vorräte und -konzentrationen im Boden und den P-Umsatz reiner Buchenbestände mit denen von Mischbeständen, untersuchte die Phosphatsorptionskapazität und den -transport in Waldböden und verglich die Deposition und den Kronenraumaustausch von P und anderen Nährstoffen reiner Buchenbestände mit denen von Mischbeständen. Das Untersuchungsgebiet lag im Nationalpark Hainich, der Teil des größten zusammenhängenden Laubwaldgebiets Deutschlands ist. Es konnte in drei verschiedene Bestandestypen bezüglich der Baumartendiversität eingeteilt werden: (1) Buche als Hauptbaumart; (2) Buche, Linde und Esche als Hauptbaumarten; (3) Buche, Linde, Esche, Ahorn und Hainbuche als Hauptbaumarten.Die Vorräte und Konzentrationen sowohl von anorganischem als auch besonders von organisch gebundenem P waren geringer in den Böden reiner Buchenbeständen als in denen der Mischbestände. Diese Unterschiede konnten jedoch hauptsächlich den niedrigeren Tongehalten der reinen Buchenbestände zugeschrieben werden, wohingegen die Baumarten eine geringere Rolle in der P-Speicherung dieser Böden spielten. Der P-Eintrag mit der Blattstreu in den Boden zeigte eine klare Tendenz, mit steigender Baumartendiversität zuzunehmen. Die Umsatzzeit von P in der organischen Auflage war kürzer in Mischbeständen als in reinen Buchenbeständen. Folglich wurde der Eintrag und Umsatz von den Baumarten beeinflusst. Jedoch wurde die Zusammensetzung der Bodenbiota und damit die Streuzersetzung sicherlich auch durch den niedrigeren pH-Wert, die geringere Basensättigung (BS) und Kationenaustauschkapazität (KAK) der reinen Buchenbestände beeinflusst.Die Bodenproben konnten an Hand ihres Phosphatsorptionsverhaltens in zwei Gruppen eingeteilt werden: für die Proben mit niedrigem pH und geringem Tongehalt war tendenziell eine lineare Anpassung am besten, wohingegen für die Proben mit höheren pH-Werten und größeren Tongehalten eine Anpassung an die Freundlich Gleichung besser war. Folglich scheint die kleinräumige Heterogenität der Bodeneigenschaften im Untersuchungsgebiet, das Sorptionsverhalten der Bodenproben beeinflusst zu haben. Die Desorption des zugegebenen Phosphats war unvollständig. Die Anwendung eines Transportmodells auf unsere Daten zeigte, dass der Phosphattransport in den untersuchten Waldböden mit dieser Art von Adsorptions-/Desorptionsmodell nicht gut beschrieben werden konnte. Dies lag wahrscheinlich an weiteren Prozessen wie Fällung und Lösung, die in diesem Modell nicht berücksichtigt wurden.Die Deposition von Nährstoffen und von versauernd wirkenden Verbindungen aus der Luft war in den reinen Buchenbeständen am höchsten, da diese verglichen mit den Mischbeständen höher waren und rauere Kronen hatten. Die Kronenraumauswaschung von Phosphat, Kalium, Kalzium und Magnesium war in den Mischbeständen am höchsten, wohingegen Protonen und Mangan hauptsächlich aus den reinen Buchenkronen ausgewaschen wurden. Die Unterschiede der Baumarten im Ionenstatus und in der Physiologie könnten die beobachteten Unterschiede im Kronenraumaustausch erklären. Dennoch beeinflussten auch die Bodeneigenschaften die Kronenraumaustauschprozesse. Der geringe pH-Wert der reinen Buchenbestände führt zu hoher Manganmobilität im Boden und folglich zu erhöhter Manganaufnahme durch die Bäume. Außerdem führt die geringe BS zu verringerter Aufnahme von Kalium, Kalzium und Magnesium in den reinen Buchenbeständen. Durch die baumartenspezifischen Unterschiede im Ionenstatus sowie die unterschiedlichen Bodeneigenschaften hatten die Buchen höhere Mangan- und geringere Kalium-, Kalzium- und Magnesiumgehalte in ihren Blättern als die anderen Baumarten, was zu den beschriebenen Auswaschungsraten führte.Die Ergebnisse der vorliegenden Doktorarbeit zeigen, dass es schwer ist, die Effekte der Baumartendiversität auf Boden-P und Nährstoffkreisläufe von denen der Bodeneigenschaften klar zu trennen. Die Böden der Waldbestände unterschieden sich ursprünglich in einigen Bodeneigenschaften, v.a. im Tongehalt. Jedoch ist bekannt, dass Bäume Bodeneigenschaften beeinflussen können, die schnellen Veränderungen unterliegen (pH-Wert, BS und KAK). Folglich wurden die Unterschiede zwischen den reinen Buchenbeständen und den Mischbeständen im Laufe der Zeit noch ausgeprägter. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Baumarten sowohl eine direkte als auch eine indirekte Rolle in der Nährstoffspeicherung und den -kreisläufen der untersuchten Waldbestände spielten. Sie hatten einen Einfluss auf Bodeneigenschaften, die wiederum zu Veränderungen in der P-Speicherung und dem -transport, dem Umsatz von organischem Material und der Kronenraumauswaschung von Ionen führten.