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Stoffflußmuster bewirtschafteter Kalkbuchenwälder unterschiedlicher Lokalklimate


Kurzzusammenfassung

1. Einleitung

Bedeutung von Stoffflüssen:

  • Stoffpools des Boden kann man als "ökologische Konten" eines Waldökosystems auffassen. Es ist daher wichtig, bewirtschaftungsbedingte Stoffbewegungen zu erkennen und zu quantifizieren. Nur dann ist eine umfassende Bewertung waldbaulicher Maßnahmen möglich.
  • Bei den geplanten waldbaulichen Eingriffen sind vor allem solche Elementbewegungen zu erwarten, die an den Um- oder Abbau der organischen Substanz gekoppelt sind. Analoges gilt bei Änderungen des Klimas.
  • Da die zu erwartenden Stoffbewegungen beide Transportphasen des Bodens betreffen (flüssig, gasförmig), werden sowohl die Bodenlösung als auch die Bodenluft als Monitore zur Identifizierung von Mobilisierungs-, Transport- und Speicherprozessen genutzt.

2. Neue Ansätze und Entwicklungen im Rahmen des SFB

Bei der Bestimmung von Stoffflußmustern in Kalkbuchenwäldern auf waldbaulicher Integrationsebene stellen sich methodische Probleme, zu deren Lösung neuartige Ansätze entwickelt und erprobt werden sollen:

  • Der klassische, bodenhydrologische Stoffflußansatz, der auf einer Parametrisierung der DARCY-Gleichung beruht, kann nur wenige m² erfassen. Aus diesem Grund wurden bislang überwiegend homogene Bestände mit diesem Ansatz untersucht. Eine Übertragung von Ergebnissen auf größere - und vor allem heterogene - Flächeneinheiten (Stichwort: Regionalisierung) ist mit diesem Ansatz nicht möglich.
  • Das waldbauliche Basis-Experiment innerhalb des SFB findet jedoch auf einer Integrationsebene von ½ ha statt. In heterogenen, strukturreichen Laubholzbeständen besteht also ein Skalensprung zwischen der waldbaulichen und der mit herkömmlichen bodenkundlichen Methoden charakterisierbaren Integrationsebene. Aus diesem Grund müssen neue Ansätze und Meßtechniken angewendet werden, um Ergebnisse auf der gleichen Integrationsebene auswerten und interpretieren zu können. Ein solcher Ansatz sind die randomisiert wandernden Meßplots zur Darstellung der räumlichen Heterogenität, die Gewinnung einer Bodenporenlösung bei pF 3.2 und eine damit verbundene Miniaturisierung der bodenchemischen Analytik durch den Einsatz der Kapillarelektrophorese.
  • Analoges gilt für Transporte in der Gasphase. Bei der Ermittlung von Gasflüssen mit Hilfe der Gradientenmethode müssen Diffusionskoeffizienten und die Tiefenprofile der Gaskonzentrationen in einer der Heterogenität von Waldböden angemessenen Wiederholung und Mittelung vorliegen. Die Ermittlung von Konzentrationsprofilen durch diffusive Gewinnung der Bodengleichgewichtsatmosphäre ist erprobt und wird vielfach angewandt. Schwieriger ist die Ermittlung von repräsentativen Diffusionskoeffizienten in der Übergangszone Bodenluft-Atmosphäre. Normalerweise wird die Parameterfunktion des Zusammenhanges zwischen dem Wassergehalt des Bodens und dem Diffusionswiderstand an Stechzylinderproben ermittelt. In steinigen Böden mit rauher Oberfläche und schichtig strukturierter Buchenstreu is das nicht möglich. Daher wurde ein in-situ-Verfahren entwickelt, mit dem Diffusionskoeffizienten des Oberbodens im Gelände gemessen werden können.

Wie sehen diese Lösungsansätz im einzelnen aus?

2.1 Randomisiert wandernde Meßplots (RwM) zur Darstellung der räumlichen Heterogenität

Wir gehen aus von folgender Grundannahme: saisonale Trends und räumliche Variabilität überlagern sich weitgehend störungsfrei. Bei zweijährigem Betrieb von je zwei Meßplots pro Fläche und mittlerer 14-tägiger Umsetzung werden ca. 2x25x2 m²= 100 m² erfaßt, das sind 2% der gesamten Kernfläche. Ziel ist die Charakterisierung des Stoffhaushaltes auf der Integrationsebene waldbaulicher Behandlungseinheiten. In jedem RwM wird folgendes gemessen: Bestandesniederschlag in einem vorausgehenden 14-tägigen Zeitraum, Diffusionskoeffizient, (CO2-Respirationsrate), Profil der Wasserspannung (mittels einschlagbarer Tensiometer), Profil des Bodenwassergehaltes, Profil der Lösungskonzentrationen mit Hilfe der BPLpF3.2 (vgl. Abschn. 2.2), Profil der Gaskonzentrationen in der Bodenluft. Wir nehmen an, daß die räumliche Variation des Stoffflusses in den RwM´s durch Schlüsselfaktoren wie Bestandesniederschlag, Bodenfeuchte, Temperatur etc. weitgehend erklärt werden kann. Die Residuen eines solchen multivariaten Regressionsmodells können dann mit Hilfe geostatistischer Verfahren auf verborgene Muster untersucht werden.

2.2 Charakterisierung des Lösungstransportes durch BPLpF3.2 und Kapillarelektrophorese

BPLpF3.2: Aus ca. 20 ml feldfrischem Boden wird unter horizontspezifischer Temperatur Bodenwasser bei einem Druck von pF 3.2 verdrängt. Das kapillare Medium, das die wasserleitende Verbindung zum Atmosphärendruck herstellt, ist ein 0.45m m-Membranfilter. Bei Feldkapazitätbeträgt die Wasserausbeute zwischen 500 und 1000 m l. 120 m l reichen aus, um alle bilanzrelevanten Kat- und Anionen mit Kapillarelektrophorese analysieren zu können.

Es werden also in vierzehntägigem Turnus aktuelle Konzentrationsprofile in der Lösungs- und Gasphase erstellt, welche die räumliche Heterogenität der Bestände widerspiegeln. Die Meßwerte sind nicht autokorreliert(!) wie bei fest installierten herkömmlichen Lysimetern. Der saisonale Trend wird aus konventionell instrumentierten Meßplots in den Kontrollflächen abgeleitet.

Fazit: Wir versuchen, die Bewertung der waldbaulichen Maßnahmen durch Bilanz der ökologischen Konten zu ergänzen und zu vervollständigen. Dabei erzwingen Strukturreichtum, extreme Heterogenität und die Skalierung der Integrationsebene methodische Neuerungen, die es zu erproben gilt. Wir erhoffen uns davon neues und besseres methodisches Handwerkszeug bei der Ermittlung von Stoffflüssen in Wäldern.

Fördervolumen: DM 358 000.-

Veröffentlichungen:

Hildebrand, E.E.(1999): Vom Punkt zur Fläche - Neue Wege Freiburger Forstliche Forschung Heft 7, 1-6.

Ludwig , B., Meiwes, K.J., Khanna, P., Gehlen, R., Fortmann ,H., Hildebrand, E.E. (1999) Comparison of different laboratory methods with lysimetry for soil solution composition - experimental and model results. Plant Nutr. Soil Sci. 162, 343-351

HILDEBRAND E.E. (1999): Prozessuale Leerräume als Komplemente von „hot spots“ in Böden. Mitteilgn. Dtsch. Bodenkundl. Ges. 91/I, 363-366.

SCHACK-KIRCHNER, H. und HILDEBRAND, E.E. (1998): Prozessmonitoring mit Gaskonzentrationsmessungen in Waldböden. In: Institut für Bodenkunde, Schriftleitung P. Trüby (Hrsg): Der Gashaushalt von Waldböden: Messung, Modellierung und ökologische Bedeutung Institut für Bodenkunde, 1998; 1-141.

 

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