Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7303 

Auswirkungen von Bewirtschaftung auf mikrobielle N- und C-Umsetzungen und den Pedosphäre-Atmosphäre- Austausch von CO₂, CH₄ und N₂O in buchendominierten Laubwäldern auf Karbonatstandorten

Michael Dannenmann

Zusammenfassung
Waldbewirtschaftung kann – neben forstwirtschaftlichen Zielen wie Naturverjüngungund verbessertem Radialwachstum – unerwünschte Rückkopplungen auf den Kohlenstoff (C)- und Stickstoff (N)-Kreislauf im Boden haben, wie zum Beispiel erhöhte Nitratauswaschung und veränderten Boden-Atmosphäre-Austausch von strahlungswirksamen C- und N-Spurengasen. Das Verständnis des Wirkungszusammenhangs von Waldbewirtschaftungseffekten auf bodenmikrobiologische C- und N-Umsetzungen und assoziierte Spurengasflüsse ist trotz herausragender ökologischer Bedeutung insgesamt noch als gering zu bewerten, da im Rahmen der bisher vorliegenden Studien (1) nur wenige Waldökosysteme und Bewirtschaftungsmaßnahmen untersucht wurden, (2) nur zeitlich punktuelle Messungen durchgeführt wurden und mikrobielle C- und N-Umsetzungen und assoziierte Spurengasflüsse nicht über einen längeren Zeitraum verfolgt wurden und (3) anstatt aussagekräftiger mikrobieller Brutto-N-Umsetzungsraten überwiegend Netto-N-Umsetzungsraten bestimmt wurden, die alle an der Produktion und Konsumption von anorganischem N beteiligten Prozesse integrativ zusammenfassen.

Um einen wesentlichen Beitrag zur Schließung dieser Forschungsdefizite zu leisten, wurden im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit die bodenmikrobiologischen Brutto- und Netto-N-Umsetzungsraten, die mikrobielle Biomasse, der in situ Pedosphäre-Atmosphäre-Austausch der wichtigsten Treibhausgase CO₂, CH₄ und N₂O sowie die mikrobielle Respiration und Netto-N₂O-Produktion der organischen Auflage auf direkt benachbarten Kontrollflächen und starken Schirmhiebsflächen dreier Buchenwälder auf Karbonatstandorten der Schwäbischen Alb quantifiziert. Das experimentelle Design erlaubte die Untersuchung (1) von kurzfristigen (Jahre 1-2) und mittelfristigen (Jahre 4-6) Bewirtschaftungseffekten unter kühl-feuchtem Mikroklima und (2) den Vergleich von mittelfristigen Bewirtschaftungseffekten unter kühl-feuchtem und warm-trockenem Mikroklima.

Zusammengefasst zeigten die Ergebnisse dieser Arbeit, dass

• starke Schirmhiebe im untersuchten Ökosystem in den ersten Monaten nach Durchführung der Bewirtschaftungsmaßnahme zu einem erheblichen initialen C- und N-Mineralisierungsschub führten,

• initial mineralisierter N vorwiegend in die mikrobielle Biomasse immobilisiert wurde,

• es nach dem initialen Mineralisierungsschub zu einer drastischen Störung des Gleichgewichts der mikrobiellen NH₄⁺-Konsumption im Ah-Horizont des Bodens zu Gunsten der Brutto-Nitrifikation und zu Lasten der NH₄⁺-Immobilisierung in die mikrobielle Biomasse und damit zu einer im Mittel der ersten beiden Jahre nach dem Einschlag deutlich reduzierten N-Retentionskapazität kam,

• die Bewirtschaftungseffekte auf die N-Retentionskapazität in den Jahren 4-6 nach dem Einschlag mit der Entwicklung von dichter Unterwuchsvegetation deutlich abnahmen,

• der Verlust von SOC („Soil Organic Carbon“) und die Verengung des C/NVerhältnisses im Boden die Hauptmechanismen waren, über die die Waldbewirtschaftung auf den mikrobiellen N-Kreislauf wirkte,

• die N-Retentionskapazität wie auch die Widerstandsfähigkeit gegenüber bewirtschaftungsbedingten N-Verlusten im untersuchten Ökosystem mit unterschiedlichem SOC-Gehalt und C/N-Verhältnis und damit auch mit unterschiedlichem Mikroklima variierten,

• die Bewirtschaftung sich in Ah-Horizont und organischer Auflage in unterschiedlicher Intensität und zeitlicher Ausdehnung auswirkte,

• die N₂O-Flüsse zwischen Boden und Atmosphäre im untersuchten Ökosystem generell außerordentlich gering ausfielen, aber durch Waldbewirtschaftung für einen Zeitraum von wenigen Jahren dramatisch erhöht wurden sowie

• die CH₄-Senkenstärke der untersuchten Böden unter kühl-feuchtem Mikroklima durch höhere Bodenwassergehalte auf den Schirmhiebsflächen reduziert war.

Die Bodenparameter SOC-Gehalt und C/N-Verhältnis im Ah-Horizont und in der organischen Auflage besitzen das Potenzial, als einfach zu bestimmende Indikatoren zur Abschätzung des Risikos bewirtschaftungsbedingter N-Verluste zu dienen. Eine Anpassung der Bewirtschaftungsintensität an den SOC-Gehalt und das C/N-Verhältnis im Boden wäre im untersuchten Waldökosystem ein wichtiger Schritt zu einer nachhaltigeren Forstwirtschaft.

Effects of forest management on microbial N- and C-conversion and pedosphere-atmosphere exchange of CO₂, CH₄ and N₂O in beech-dominated deciduous forests stocking on calcareous soils

Abstract
Besides intended silvicultural goals like natural rejuvenation and improved radial growth of trees, forest management can cause undesired feedback on soil carbon (C) and nitrogen (N) cycling, thus enhancing nitrate leaching and altering pedosphere-atmosphereexchange of radiatively active C- and N-trace gases. Despite its outstanding ecological significance knowledge about the effects of forest management on soil microbial C and N turnover and associated trace gas exchange is still poor, since available studies (1) are far from covering the range in forest ecosystems and management strategies, (2) largely confined themselves to measuring net rates of microbial N turnover, which involve all processes of inorganic N production and consumption but not the actual gross rates, and (3) dealt with selected single points in time only but did not evaluate management effects continuously over several years.

In order to overcome limitations of previous studies and improve understanding of how forest management affects soil C and N cycling, gross and net N conversion rates, microbial biomass, and the in situ pedosphere-atmosphere-exchange of the major greenhouse gases CO₂, CH₄ and N₂O were measured continuously at adjacent untreated control and thinned plots of three beech forest sites at the Swabian Jura in Southwest Germany. The experimental design allowed to evaluate (1) short-term (years 1-2) effects of thinning and medium-term effects (years 4-6) of thinning under cool-moist microclimate and (2) mediumterm effects of thinning under cool-moist and warm-dry microclimates.

In sum this study shows that

• thinning led to an initial C- and N-mineralization flush in the first months after the silvicultural treatment

• microbial immobilization was initially the dominant fate of mineralized N and thus retained N in the ecosystem

• however, subsequently a disturbance in the partitioning of ammonium in favour of gross nitrification and at the expense of ammonium immobilization into microbial biomass led to an overall clear decrease in the N retention capacity of the soil in the first two years after thinning

• thinning effects on N retention of the soil tended to decline in the years 4-6 after thinning going along with the occurrence and growth of dense understorey vegetation

• the main mechanisms by which thinning mediated microbial N cycling were soil organic carbon (SOC) loss and decreasing soil C/N ratio

• N retention capacities of the soils as well as the resistance of the investigated forest ecosystems to N losses triggered by thinning varied with different SOC contents and soil C/N ratios, e. g. caused by different microclimate

• thinning affected N cycling in the forest floor and Ah layer at different intensities and/or timescales

• the N₂O fluxes in the investigated ecosystem were generally extraordinarily low but were dramatically increased by thinning for a few years and

• the CH₄ sink strength of the investigated soils was overall decreased by higher soil moisture contents at the thinning plots under cold-wet microclimate.

SOC content and C/N ratio in the Ah layer and forest floor have the potential to serve as easily available indicators for the evaluation of potential N loss triggered by thinning. Thus, adapting thinning intensities to SOC content and C/N ratio would be a significant step to increase the sustainability of forest management in the investigated ecosystem.

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