Rainfall partitioning and soil water dynamics along a tree species diversity gradient in a deciduous old-growth forest in Central Germany

Abstract

Der Einfluss von Biodiversität wurde bisher vor allem im Grünland erforscht und erst in den letzten Jahren sind auch Wälder in den Fokus der Biodiversitätsforschung gerückt. In der vorliegenden Dissertation wurde der Einfluss von Baumartendiversität auf Bestandteile des Wasserkreislaufes im Wald, wie Bodenwasserdynamik, Niederschlagsverteilung und die eng gekoppelte Deposition von Ionen mit dem Niederschlag, untersucht. Zusätzlich wurden die Daten und Ergebnisse genutzt, um den Wasserkreislauf zu modellieren. Für die Unter-suchungen wurden zwölf Waldflächen entlang eines Baumartendiversitätsgradienten im Nationalpark Hainich, Deutschlands größtem zusammenhängenden Laubwaldgebiet, ausgewählt. Dieser Gradient reichte von reinen Buchenflächen (Fagus sylvatica) bis hin zu Flächen mit elf Baumarten wie Winter- und Sommerlinde (Tilia spec.), Esche (Fraxinus excelsior), Hainbuche (Carpinus betulus) und Bergahorn (Acer pseudoplatanus). Der erste Teil der vorliegenden Dissertation behandelt die Niederschlagsaufteilung in Bestandesniederschlag, Stammablauf und Interzeption entlang des untersuchten Baumartendiversitätsgradienten. Die Baumartendiversität war die häufigste erklärende Variable für die Unterschiede im Bestandesniederschlag zwischen den untersuchten Flächen. Die Ergebnisse zeigen, dass mehrere Bestandeseigenschaften die Niederschlagsverteilung beeinflussten. So lag zum Beispiel im niederschlagsreichen Sommer 2007 der Bestandes-niederschlag der Untersuchungsflächen zwischen 66 und 77% des Gesamtniederschlags und korrelierte positiv mit dem Diversitätsgradienten. Der Stammablauf betrug nur 2% bis 6% des Gesamtniederschlags und nahm mit abnehmendem Buchenanteil auf den Flächen ab. Die Interzeption war nicht mit dem Diversitätsgradienten korreliert. Diese Beziehungen waren im Sommer 2005 und Herbst 2006 ähnlich, während in den anderen Untersuchungszeiträumen nur geringe oder keine Korrelationen mit dem Diversitätsgradienten vorhanden waren. Multiple lineare Regressionen unterstützten die Vermutung, dass mehrere Bestandes-eigenschaften im Zusammenspiel wichtig waren, wie z.B. der Shannon-Diversitätsindex und der Brusthöhendurchmesser der Bäume. Beeinflussende Bestandeseigenschaften variierten zwischen den Jahreszeiten und Jahren aufgrund von unterschiedlichen Niederschlags-bedingungen. Unterschiede in der kleinräumigen Heterogenität des Bestandesniederschlages auf den einzelnen Flächen konnten mit keiner der gemessenen Bestandeseigenschaften erklärt werden. Der zweite Teil dieser Dissertation behandelt die Bodenwasserdynamik entlang des Baum-artendiversitätsgradienten. Generelle jahreszeitliche Muster der Bodenwasserdynamik waren auf allen Untersuchungsflächen ähnlich. Während einer starken Austrocknungsperiode im Sommer 2006 war der Oberbodenwassergehalt eng mit der Baumartendiversität der zwölf Untersuchungsflächen korreliert. Zu Beginn dieser Austrocknungsperiode wurde das Bodenwasser auf den baumartenreichen Flächen schneller entzogen als auf den buchendominierten Flächen. Im weiteren Verlauf dieser Austrocknungsphase, als die mikrometeorologischen Bedingungen eine höhere Verdunstung bzw. Transpiration ermöglicht hätten, waren jedoch nur noch die buchendominierten Flächen in der Lage, ihre Wasser-aufnahme weiter zu erhöhen. Auf den Flächen mit hoher Baumartendiversität waren die Bodenwasserreserven schon sehr gering und der Bodenwasserentzug ging zurück. Mögliche Erklärungen für die hohen Wasseraufnahmeraten in den Mischbeständen zu Beginn der Austrocknungsphase sind u.a. artspezifische Eigenschaften wie hohe maximale Wasser-aufnahmeraten einiger Arten, erhöhte Ausnutzung von Bodenwasserressourcen in Misch-beständen (Komplementaritätseffekt) und zusätzliche Wasseraufnahme durch die Kraut-schicht, deren Biomasse entlang des Diversitätsgradienten anstieg. Unterschiede in der kleinräumigen Bodenwasserheterogenität auf den Flächen ließen sich nicht über den Baumartendiversitätsgradienten erklären. Der dritte Teil dieser Dissertation behandelt die Deposition von Ionen mit dem Niederschlag und verwandte Prozesse (Interzeptionsdeposition und Ionenaustauschprozesse im Kronen-raum) entlang des Baumartendiversitätsgradienten. Neben der Deposition im Freiland wurde die Deposition im Bestand (Bestandesniederschlag und Stammabfluss) der Ionen Na+, Cl-, K+, Ca2+, Mg2+, PO43-, SO42-, H+, Mn2+, Al3+, Fe2+, NH4+, NO3- und Norg in neun Untersuchungsflächen gemessen. Interzeptionsdeposition und Kronenraumaustauschraten wurden mit einem Kronenbilanzmodell berechnet. Die Interzeptionsdeposition aller Ionen außer SO42- nahm mit zunehmender Baumartendiversität der Flächen ab, wohingegen die Kronenraumauswaschungsraten von K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Cl- und PO43- mit ansteigender Baumartendiversität zunahmen. Insgesamt stieg mit zunehmender Baumartendiversität die Bestandesdeposition von K+, Ca2+, Mg2+ und Cl- an, die von Mn2+ und H+ nahm hingegen ab. Dies ist sehr wahrscheinlich dem Ionenstatus der Blätter und der Baumphysiologie sowie den Bodeneigenschaften zuzuschreiben. Der Nährstoffeintrag in den Boden war also in den Mehrartflächen größer als in den buchendominierten Flächen, wohingegen der Säureeintrag in den buchendominierten Flächen am größten war. Im vierten Teil der Dissertation wurden die Ergebnisse und Daten aus den ersten beiden Untersuchungen genutzt, um die Wasserflüsse für eine Buchenfläche und zwei Mischwald-flächen mit Hilfe der Modellbibliothek Expert-N zu simulieren. Expert-N kombiniert Modelle für physiologische und hydrologische Prozesse des Pflanzen-Boden-Systems. Die berechneten Wasserflüsse umfassten Niederschlagsinterzeption, Evaporation, Bodenwasserfluss, Drainage und Wurzelwasseraufnahme. Messdaten von den Untersuchungsflächen und den beteiligten Baumarten boten eine gute Grundlage für die Parametrisierung und Kalibrierung des Modells. Die Unterschiede in Niederschlagsinterzeption und Wurzelwasseraufnahme zwischen den Untersuchungsflächen wurden realistisch beschrieben. Das verwendete Modell war daher in der Lage, die Wasserdynamik der Einart- und Mehrartflächen zu simulieren. Die berechneten Wasserflüsse variierten mit der Baumartenzusammensetzung. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass Baumartendiversität den Wasserkreislauf beeinflussen kann. Die Niederschlagsverteilung, Bodenwasseraufnahme und Bestandes-deposition von Ionen unterschieden sich entlang des untersuchten Baumartendiversitäts-gradienten in bestimmten Zeitabschnitten. Sowohl Selektionseffekte als auch Komplemen-taritätseffekte spielten vermutlich eine Rolle. Die Ergebnisse leisten einen Beitrag zu den Kenntnissen über mitteleuropäische Laubwälder und ihr Management auch in Bezug auf die Waldvitalität unter veränderten klimatischen Bedingungen und die Anforderungen der Gesellschaft, die Wasserressourcen zu sichern.