Dynamik von Phosphor im Boden und von Nährstoffen im Kronenraum von Buchenwäldern unterschiedlicher Baumartendiversität
Dynamics of phosphorus in soils and of nutrients in canopies of deciduous beech forests differing in tree species diversity
von Ulrike Talkner
Datum der mündl. Prüfung:2009-03-24
Erschienen:2010-03-17
Betreuer:Prof. Dr. Friedrich Beese
Gutachter:Prof. Dr. Friedrich Beese
Gutachter:Prof. Dr. Dirk Hölscher
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Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
Soil nutrient pools, concentrations and turnover as well as soil nutrient inputs due to deposition and canopy exchange have been studied intensively in all kinds of forest ecosystems worldwide. In studies about temperate forests, the main focus concerning the macronutrients was on carbon and nitrogen, whereas phosphorus was rather of interest in tropical forests. However, due to increasing nitrogen deposition, phosphorus became or will become a growth limiting factor of many temperate forests. In addition, the changing climate will affect these ecosystems and their nutrient cycling. To be prepared for these changes the establishment of mixed species forests is recommended since mixed forests are supposed to be more resistant and resilient against disturbances than monocultures. In large parts of Central Europe the potential natural forest vegetation is dominated by beech (Fagus sylvatica L.). Hence, mixed beech forests are assumed to have a high ecological and economic value in the face of climate change. However, not much is known about the effects of increased tree species diversity on soil nutrients and nutrient cycling in temperate beech forests. Studies about the influence of tree species composition on soil phosphorus pools, concentrations and turnover are almost lacking.The dissertation on hand compared the soil phosphorus pools, concentrations and turnover of pure beech stands with those of mixed species stands, investigated the phosphate sorption capacity and transport in forest soils and compared the deposition and canopy exchange of phosphorus and other nutrients of pure beech stands with those of mixed species stands. The study area was situated in the largest coherent broad-leaved forest in Germany and could be divided into three different stand types concerning tree species diversity: (1) beech as the main tree species; (2) beech, lime and ash as the main tree species and (3) beech, lime, ash, maple and hornbeam as the main tree species.The pools and concentrations of both inorganic and especially organically bound phosphorus were smaller in the soils of pure beech stands than in those of mixed species stands. However, these differences mainly could be ascribed to lower clay contents in the pure beech stands, whereas the tree species played a minor role in the storage of phosphorus in these soils. The input of phosphorus to the soil with leaf litter showed a clear tendency to increase with increasing tree species diversity. The turnover time of phosphorus in the organic surface layer was shorter in mixed species stands than in pure beech stands. Hence, the input and turnover was influenced by the tree species. Yet, the lower pH, base saturation and cation exchange capacity of the pure beech stands influenced the decomposition of leaf litter by changes in the composition of the soil biota.The soil samples could be separated into two groups according to their phosphate sorption behavior: there was a tendency that the more acid samples with low clay contents were best fitted by a linear equation and the samples with higher pH values and larger clay contents by the Freundlich equation. Hence, the small-scale heterogeneity of soil properties in the study area seemed to influence the sorption behavior of the soil samples. Desorption of previously added phosphate was incomplete. The application of a transport model on our data showed that phosphate transport could not be described well with this kind of adsorption/desorption model. This was probably due to other processes involved in phosphate storage and transport, like precipitation and dissolution, which were not considered in the model.The deposition of airborne nutrients and acidifying compounds was highest in pure beech stands since they were higher and had rougher canopies compared with the mixed species stands. The canopy leaching of phosphate, potassium, calcium and magnesium was highest in mixed species stands, whereas protons and manganese were mainly leached from pure beech canopies. The differences in ion status and physiology between the tree species may explain the observed differences in canopy exchange. Still, the soil properties also affected the canopy exchange processes. The lower pH of pure beech stands leads to a high mobility of soil manganese and consequently to enhanced manganese uptake by the trees. In addition, the lower base saturation leads to reduced uptake of potassium, calcium and magnesium in the pure beech stands. The beech trees had higher manganese and lower potassium, calcium and magnesium leaf contents than the other tree species, due to both species-specific differences in ion status and differences in soil properties, leading to the described canopy leaching rates.The results of the dissertation on hand show that it is difficult to clearly separate the effects of tree species diversity from those of soil properties on soil phosphorus and nutrient cycling. The soils of the forest stands originally differed in some of the soil properties, namely the clay content. However, trees are known to alter soil properties which underlie rapid changes, i.e., pH, base saturation and cation exchange capacity. Hence, the soil differences between the pure beech and the mixed species stands became even more pronounced. In conclusion, tree species played a direct as well as an indirect role in nutrient storage and cycling in the way that they had an effect on soil properties, which in turn led to changes in the soil phosphorus storage and transport, in the turnover of organic material and in the canopy leaching of ions.
Keywords: forest; temperate; broad-leaved; deciduous; Fagus sylvatica; biodiversity; soil; phosphorus; turnover; sorption; deposition; canopy exchange
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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.
Schlagwörter: Laubwald; gemäßigte Zone; Fagus sylvatica; Biodiversität; Boden; Phosphor; Sorption; Deposition; Kronenraumaustausch