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Forschungsreport

Bedeutung des bodenchemischen und bodenbiologischen Zustands für klimarelevante Spurengasflüsse aus Waldböden

Förderkennzeichen: Proj. Nr. 0279 E
Auftragnehmer: FVA Baden-Württemberg, Abteilung Bodenkunde
Projektleitung: Schäffer, J., v. Wilpert, K.
Projektbearbeiter: Dipl. Geologe Oliver Burde
Zeitlicher Rahmen: März 2002 – März 2004

Kurzfassung:

Problemstellung und Ziele:

Neben den in zahlreichen Untersuchungen belegten Stoffflüssen des Stickstoff- und Kohlenstoffkreislaufs von Waldböden, die über die Bodenlösung erfolgen, wird die Bedeutung der über die Bodenluft vermittelten Gasflüsse im Hinblick auf ihre Klimarelevanz diskutiert. Ob terrestrische Böden Quellen oder Senken für Lachgas (N2O), Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) sind hängt von standörtlichen, bodenchemischen, klimatischen und immissionsökologischen Rahmenbedingungen ab. Diese beeinflussen die Lebensbedingungen der in den Stickstoff- und Kohlenstoffkreislauf eingebundenen Bodenorganismen.
Neben diesen standortsgebundenen Einflussgrößen modifizieren betriebliche Maßnahmen wie die Bodenmelioration im Rahmen von Waldkalkungsmaßnahmen die bodenchemischen und bodenphysikalischen Eigenschaften von Waldböden.
Ein nachhaltiges Ökosystemmanagement muss auf weitgehend geschlossene Stoffkreisläufe ausgerichtet sein. Verluste von Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen mit der Bodenlösung und der Bodenluft deuten auf Systemstörungen hin und sollten minimiert werden.


Untersuchungsmethoden:

Auf einem Pseudogley-Parabraunerde im Forstbezirk Ochsenhausen (Alpenvorland)  wurde im Jahr 1994 eine Düngeversuchsfläche eingerichtet, auf der die Wirkung un-terschiedlicher Basenträger (Dolomit, Holzasche und silikatisches Gesteinsmehl) sowie von Kaliumsulfat auf die bodenchemischen Eigenschaften sowie die Kaliumver-sorgung untersucht werden sollten. Die Versuchsflächen wurden für die Erfassung der über die Bodenlösung vermittelten Stoffflüsse mit Unterdrucklysimetern ausgestattet. Kenngrößen des Bodenwasserhaushaltes werden mittels Tensiometern und FDR-Sonden überwacht. Im Rahmen dieses Projektes wurden auf den Versuchsparzellen Gaslysimeter installiert (Schack-Kirchner, 1994), mit deren Hilfe die Bodenluft in einem diffusiven Sammelverfahren beprobt wird. Des weiteren wurde in Ochsenhausen neben dem bodenchemischen Zustand nach BZE-Standard eine Inventur der Abundanz und Biomasse der Bodenmakro- und -mesofauna sowie deren Fraßaktivitivät durchgeführt. In die Bodenluftbeprobung einbezogen waren auch die fünf an den Stoffflussmessstationen (Heidelberg, Altensteig, Rotenfels, Conventwald und Esslingen) installierten Gaslysimeterplots. Anhand der Konzentrationsprofile und der wassergehaltsabhängigen Diffusionskoeffizienten lassen sich Gasflüsse zwischen den Bodenkompartimenten bzw. zur Außenluft hin quantifizieren.
Durch eine differenzierende Betrachtung einzelner Einflussgrößen können die Steu-ergrößen für die Quellen- und Senkenfunktion hergeleitet werden.

Ergebnisse:

Die Auswertung der Gasflüsse konnte für den Zeitraum Juni 2002 bis April 2004 durchgeführt werden. Dieser Zeitraum war durch sehr heterogene Witterungsbedingungen charakterisiert. Im zweiten Halbjahr 2002 standen die Emissionsraten von CO2 und N2O in direktem Zusammenhang mit den bodenverändernden Wirkungen der Meliorationsmaßnahmen. Die Verbesserung der Säuren-Basenverhältnisse durch die Behandlung mit den Basenträgern führte hypothesenkonform zu einer höheren biologischen Aktivität und höheren CO2-Flüssen. Auch die lachgasproduzierenden Organismen profitieren offensichtlich von der Behandlung mit den Basenträgern.
Die Methanoxidation wird offensichtlich weniger durch den bodenchemischen Zustand gesteuert. Die über die Diffusionskoeffizienten charakterisierbaren Diffusions-bedingungen nehmen eine bedeutendere Steuerungsfunktion ein.
Die im Jahr 2002 und auch in Vorläuferstudien (Hug & v. Wilpert, 2000) festgestellten behandlungsbedingten Effekte wurden im Sommer 2003 durch die extreme Trocken-heit überlagert. Der Einfluss des Säure-Basenstatus tritt in den Hintergrund, zwischen den Behandlungsvarianten und der Kontrolle ist keine Differenzierung der Spurengasflüsse erkennbar. Die Flüsse sind insgesamt auf einem niedrigen Niveau nivelliert. Offensichtlich führte die Trockenheit zu einer Hemmung der bodenbiologischen Aktivität und der weiteren Atmungsprozesse und damit zu niedrigeren CO2-Flussraten. Auch die Lachgasproduktion war 2003 deutlich niedriger als in den Ver-gleichsjahren 2002 und 1998.

Konsequenzen für die Praxis:

Die Verbesserung des Säure-Basenzustandes in den Humusauflagen und im Mineralboden führte zu einer erhöhten biologischen Aktivität auf den mit Dolomit, Holzasche und Gesteinsmehle behandelten Versuchsflächen. Diese Belebung führte im Vergleich zur Nullfläche im „Normaljahr“ 2002 zu einer erhöhten CO2- und N2O-Produktion. Die erhöhten Flüsse bewegen sich in der Schwankungsbreite, wie sie für terrestrische Waldstandorte in der Literatur beschrieben sind. Da die Versuchsflächen in Ochsenhausen im Vergleich zu praxisüblichen Maßnahmen um den Faktor 2 bis 3 überdosiert behandelt wurden (z.B. 10 t Dolomit je Hektar im Vergleich zu 3 bis 4 t bei Praxiskalkungen), ist nicht davon auszugehen, dass längerfristige Entkoppelungen der Stoffkreisläufe mit hohen gasförmigen Kohlenstoff- und Stickstoffverlusten im Zuge von z.B. Praxiskalkungen zu befürchten sind. Die Bedeutung witterungsbedingter Extremas lässt sich am Beispiel der Gasflüsse für das Jahr 2003 exemplarisch erkennen. Wie sich diese auf den gesamten Stofffluss und die Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufe auswirken und welche Handlungsoptionen sich für eine Ökosystemsteuerung ergeben ist noch unklar.

Literatur

BURDE, O.; SCHÄFFER, J., v. WILPERT, K. (2004): Bedeutung des bodenchemischen und bodenbiologischen Zustands für klimarelevante Spurengasflüsse aus Waldböden, Endbericht zum Forschungsprojekt "Bodenchemie, Bodenbiologie und Spurengasflüsse" Projekt-Nr.: 0279 E.

HUG, R., v. WILPERT, K. (2001): Ansätze für ein Monitoring von klimarelevanten Spurengasflüssen an Level II-Standorten. Freiburger Forstliche Forschung, Heft 33, 157-166.
SCHACK-KIRCHNER, H. (1994): Struktur und Gashaushalt von Waldböden. Berichte Forschungszentr. Waldökosysteme, Reihe A, Bd. 112, 145 S. + Anhang.

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