Carbon Stock, Nutrient Stocks and Water Dynamics Following Silvicultural Treatments in Pure Norway Spruce Stands

Aufgrund ihres Alters, dem waldbaulichen Ziel der Abkehr von gleichaltrigen Reinbeständen hin zu strukturreicheren, hinsichtlich der Bewirtschaftungsrisiken zugleich resilienteren Mischbeständen und auch im Hinblick auf die Fähigkeit von Bäumen zur Kohlenstoffsequestrierung müssen zahlreiche Fichtenbestände in Deutschland jetzt oder in absehbarer Zeit beerntet werden. Im niedersächsischen Solling wurde deshalb Ende 2003 ein Kooperationsprojekt initiiert, das auf 2 verschiedenen Standorten die durch verschiedene Hiebsformen (Kleinkahlschläge, Zielstärkennutzungen) bedingten Veränderungen des Energie-, Stoff- und Wasserhaushaltes in derartigen Beständen unter der besonderen Berücksichtigung kleinräumiger Gradienten für den norddeutschen Raum langfristig untersuchen und ökologisch bewerten soll. Während die ökosystemrelevanten Prozesse in Lücken umso stärker von den umgebenden Bäumen und ihrem Kronendach gesteuert werden, je kleiner diese sind, existieren besonders auf Freiflächen < 1 ha zu berücksichtigende und u. a. von Himmelsrichtung und Jahreszeit abhängige Gradienten vom voll besonnten Zentrum, über einen partiell beschatteten und durchwurzelten Übergangsbereich hin zu den verbliebenen Bäumen. Sowohl für kleinere Lücken im Bestand wie auch für Kleinkahlschläge stellt sich die Frage nach der Dauerhaftigkeit der Störung und dem raumzeitlichen Muster der hier wirksamen Prozesse. Die vorliegende Dissertation widmet sich in diesem Zusammenhang:1) der Bedeutung der Bodenvegetation nach forstlichen Eingriffen und den Möglichkeiten der Quantifikation ihrer Phytomasse und Elementvorräte ohne Beerntungen mittels des Modells "PhytoCalc",2) der Kohlen- und Stickstoffdynamik nach forstlichen Eingriffen und inwieweit die Unterschiede zwischen wiederholten Kohlen- und Stickstoffinventuren statistisch abzusichernde Rückschlüsse auf den Umsatz zulassen,3) der Bedeutung der Zersetzung von frischer Streu aus Fichtennadeln und -zweigen für den Stoffhaushalt und der Parameter, die diesen Prozess charakteri sieren und steuern und4) der Wasser- und Wurzeldynamik in Einzelbaumlücken eines Bestandes.Die Bodenvegetation kleinerer Lücken oder Kahlschläge kann unter günstigeren Licht-, Nährstoff- und Wasserbedingungen als im geschlossenen Bestand beachtliche Phytomassen mit entsprechenden Elementvorräten produzieren und somit Stoffausträge minimieren helfen. Mit "PhytoCalc" steht für typische Bestandesbedingungen ein erfolgreich validierter Ansatz zur Verfügung, der dieses Kompartiment ohne aufwendige Beerntungen über die Parameter Deckungsgrad und mittlere Sprosslänge quantifiziert. Die Anwendbarkeit des Modells für Bestandesarten unter Kahlschlagbedingungen wie auch für generell eher an Offenlandbedingungen angepasste Arten ist bisher noch nicht umfassend genug untersucht worden. Für verholzende Arten, wie z. B. Picea abies (L.) Karst. [Fichte]-Naturverjüngung stellt sich die zusätzliche Frage, ob der "PhytoCalc"-Ansatz bei entsprechender Kalibrierung übertrag- und belastbar ist.Systematische Probebeerntungen und -analysen der auf den untersuchten Kleinkahlschlägen weit verbreiteten und phytomassereichen Arten Deschampsia flexuosa (L.) Drej. [Drahtschmiele], Digitalis purpurea (L.) [Roter Fingerhut], Pteridium aquilinum (L.) Kuhn [Adlerfarn] und Rubus idaeus (L.) [Himbeere] zeigten, dass insbesondere das Phytomassen-Teilmodell von "PhytoCalc" die gemessenen Werte deutlich unterschätzte. Dies geschah unabhängig von der Verwendung artenspezifischer oder wuchsformengruppenspezifischer "PhytoCalc"-Funktionen und wirkte sich aufgrund der modellinternen multiplikativen Verknüpfung auch bei den Elementvorräten entsprechend aus. Bei der anschließenden Aufstellung neuer, speziell für die angeführten Arten auf den untersuchten Kleinkahlschlägen gültiger, artenspezifischer Funktionen akzeptabler Qualität erwies sich der "PhytoCalc"-Ansatz als belastbar und auch für verholzende Arten bis 0,5 m Höhe adaptierbar, wie exemplarisch an Fichtennaturverjüngung gezeigt werden konnte.In Relation zur Vegetation der der Atmosphäre ist der Stick-, besonders aber der Kohlenstoffvorrat des Bodens ungleich größer, weshalb auch kleine Veränderungen, die z. B. mit forstlichen Eingriffen einhergehen, hier bereits von Bedeutung sein können. Aufgrund räumlicher Heterogenitäten sind hohe Feld- und entsprechende Laborprobenanzahlen notwendig, um Differenzen zwischen wiederholten Kohlen- und Stickstoffinventuren statistisch abzusichern. Wegen ihrer direkten Exposition den nach der Anlage von Kleinkahlschlägen veränderten Umweltbedingungen gegenüber sind die Vorräte verschiedener Straten der Humusauflage oft von besonderem Interesse. Bei der morphologischen Differenzierung dieser Straten unter Feldbedingungen erschweren aber auch gleichzeitig Subjektivitäten häufig die Interpretation der Ergebnisse, was konzeptionelle Auswege aus dem Konflikt Probenanzahl vs. statistisch abzusichernde Veränderung notwendig erscheinen lässt. Es stellt sich hier u. a. auch die Frage, ob der Analyseaufwand im Labor durch im Feld gebildete Mischproben minimiert werden kann, ohne dabei Abstriche in der Ergebnisqualität akzeptieren zu müssen.Um die Veränderungen der Kohlen- und Stickstoffvorräte, die mit der Anlage jeweils 1 ha großer Kahlschläge einhergehen, in verschiedenen Straten der Moder-Auflage (L/Of vs. Oh) und innerhalb der obersten 5 cm des Mineralbodens (Min) quantifizieren zu können, wurden auf beiden untersuchten Standorten jeweils 2 Inventuren durchgeführt. Zur Analyse gelangten insgesamt 840 Bohrkerne, davon 640 Bohrkerne vor und 200 Bohrkerne 1 Jahr nach dem waldbaulichen Eingriff. Die Streuungsmaße waren trotz der hohen Probenanzahlen erheblich, so dass die Kohlen- und Stickstoffvorräte einer, obgleich hypothetischen, analogen Zweitbeprobung maximal um ±13 %, was ±9 t Kohlenstoff/ha und ±0,4 t Stickstoff/ha entspricht, von den Mittelwerten der Erstbeprobung abweichen können. Demgegenüber waren die durch den Kahlschlag induzierten, teilweise signifikanten Veränderungen der Kohlen- und Stickstoffvorräte im L/Of, Oh und Min mit -33 % bis +54 % deutlich höher. Diese Ab- oder Zunahmen waren jedoch u. a. auch auf Subjektivitäten bei der visuell oft schwierigen Differenzierung sich ähnelnder Straten (wie z. B. Oh und Ah) zurückzuführen. Durch Einbeziehung der obersten 5 cm des Mineralbodens relativierten sich die dem Kahlschlageffekt zuordenbaren Veränderungen der Kohlen- und Stickstoffvorräte auf < +10 %, die aufgrund der niedrigeren Probenanzahlen (n = 200) der Wiederholungsinventur nicht statistisch abzusichern waren. Rechnerisch gebildete Mischproben, die im Vergleich zu den Einzelproben verringerte Streuungsmaße bei ansonsten gleicher Ergebnisqualität aufwiesen, zeigten hinsichtlich einer Minimierung des Analyseaufwandes im Labor Potential.Bei waldbaulichen Eingriffen sowie der Aufarbeitung von Kalamitäten und Windwürfen fallen große Mengen Schlagabraum an, der aufgrund seiner Qualität bevorzugt umgesetzt wird und dessen Bestandteile dementsprechend auch schnell wieder verfügbar sind. Anhand von CO2-C-Flüssen kann die Dynamik der mikrobiellen Umsetzungsprozesse abgeschätzt werden. Von Interesse ist, inwieweit die Umsetzung von frischer Streu aus Fichtennadeln und -zweigen unabhängig von der Mikroflora einer natürlicherweise vorhandenen Humusauflage (im vorliegenden Fall: Moder) abläuft und in welcher Quantität CO2-C von frischer Streu aus Fichtennadeln und -zweigen im Vergleich zu einer Moder-Auflage freigesetzt wird.In einem dreimonatigen Laborexperiment wurden 3 Behandlungen - A) frische Streu aus Fichtennadeln und -zweigen in einer für die untersuchten Standorte realistischen Quantität, B) eine Moder-Auflage und C) eine Kombination aus beiden - bei 3 Temperaturen (5°C, 15°C, 25°C) auf ihre CO2-C-Flüsse untersucht. Durch chemische Analysen konnte sichergestellt werden, dass die dazu verwendeten Proben einer Behandlung bezüglich ihrer Elementvorräte (C, N, P, S) und Wassergehalte vergleichbar und die Unterschiede in den CO2-C-Flüssen deshalb dem Temperatureffekt zuzuordnen waren. In den ersten 3 Monaten der Inkubation wurden bei der frischen Streu aus Fichtennadeln und -zweigen zwischen 6-10 % der anfänglichen Kohlenstoffvorräte umgesetzt. Die Kombinationsbehandlung wies Werte zwischen 1-4 % auf und bei der Moder-Auflage waren es 1-3 % der anfänglichen Kohlenstoffvorräte, die als CO2-C-Flüsse freigesetzt worden. Das Versuchsdesign der verschiedenen Temperaturen fand in den entsprechenden metabolischen Quotienten sein Abbild. Auch waren im betrachteten Temperaturspektrum und Zeitraum die CO2-C-Flüsse von frischer Streu aus Fichtennadeln und -zweigen gegenüber denen einer Moder-Auflage mindestens vergleichbar, wenn nicht höher. Bei der für die untersuchten Standorte typischen Bestandessituation von frischer Streu aus Fichtennadeln und -zweigen über einer Moder-Auflage gab es zwischen den verschieden spezialisierten Mikrofloren der Substrate kaum multiplikative Effekte und die CO2-C-Flüsse von Moder-Auflage und frischer Streu addierten sich in der kombinierten Behandlung. Die Bedeutung der Humusauflage für die Zersetzung von aufliegendem Material mag zunehmen, wenn weniger leicht zersetzbare Substrate metabolisiert werden müssen und Pilze eine zunehmende Bedeutung im Zersetzungsprozess gewinnen.Das Muster der Bodenwasserdynamik in Einzelbaumlücken eines Bestandes wird durch Niederschlagsereignisse und die Wasseraufnahme durch Wurzeln der die Lücke umstehenden Bäume und die der Bodenvegetation in Raum und Zeit beeinflusst. In Anbetracht dynamischer Prozesse im Kronen- und Wurzelraum wird bei Einzelbaumlücken im Vergleich zu Kahlschlägen nur von einer kurzfristigen Störung des Wasserhaushaltes ausgegangen. Insgesamt 4½ Jahre lange Messreihen des Bodenmatrixpotentials im Zentrum von vegetationsarmen Zielstärken-Einzelbaumlücken, eines Kleinkahlschlags und einer Kontrollparzelle sollten zur Klärung der Frage beitragen, wie lange diese Störungen andauern und ob Bodenmatrixpotentiale für Rückschlüsse auf die relative Wurzelverteilung in den Einzelbaumlücken herangezogen werden können. Ablotungen und hemisphärische Fotos dienten dazu, die Kronenstruktur der Einzelbaumlücke zu erfassen und in Kontext zu den Bodenmatrixpotentialen zu setzen.Es zeigte sich, dass die Bodenmatrixpotentiale im Zentrum von Einzelbaumlücken auch 4½ Jahre nach ihrer Anlage viel stärker Kahlschlag- denn Bestandesbedingungen entsprachen. Die Wurzeln der umgebenden Bäume haben die hier verfügbaren Ressourcen demnach noch nicht für sich erschlossen. Am Beispiel einer vegetationsarmen Einzelbaumlücke konnte im letzten und am intensivsten untersuchten Jahr der Messkampagne gezeigt werden, dass das raumzeitliche Muster des Bodenmatrixpotentials vielmehr eine Abbild des Musters der Kronenraumstruktur, denn des Musters der Niederschlagsverteilung war. Durch die Gewichtung der Bodenmatrixpotentiale mit den Niederschlagsmengen der Messintervalle gelang es, eine Vorstellung vom Muster der relativen Wurzelverteilung zu erhalten, was z. B. für Wasserhaushaltsmodelle von Interesse ist. Phasen ohne oder mit nur geringem Niederschlag eignen sich besonders, um Veränderungen des Bodenmatrixpotentials eindeutig dem Wasserentzug durch die Wurzeln der umgebenden Bäume zuzuordnen. Sie waren jedoch im April und Mai des untersuchten Jahres konzentriert, wo noch keine oder nur eine geringe Differenzierung der Bodenmatrixpotentiale innerhalb der Lücken nachweisbar war. Für eine eindeutigere Zuordnung hätte es vor allem kleinerer, denn 1-2wöchentlicher Messintervalle bedurft.Die vorgestellten Ergebnisse sind Mosaiksteine auf dem Weg zu einem besseren Verständnis und einer ökologischen Bewertung anthropogen bedingter Veränderungen in Waldökosystemen. In Anbetracht des prognostizierten Klimawandels und potentiell zunehmender Zielkonflikte im Hinblick auf die Nutz- und Schutzfunktionen des Waldes ist es von hoher Praxisrelevanz, die wegen ihrer Komplexität noch nicht abschließend erforschten Prozesse entlang kleinräumiger Gradienten zwischen dem Zentrum von verschieden großen Lücken oder Freiflächen und dem verbliebenen Bestand weiter zu untersuchen.Numerous spruce stands in Germany need to be harvested now or in the foreseeable future, due to either their age, the silvicultural objective of turning from even-aged pure stands to structure-rich ones, in regards to risks in managing resilient mixed stands at the same time, and furthermore in view of trees" ability to sequestrate carbon. In late 2003, therefore, a cooperative project was initiated in the Solling highlands, Lower Saxony to study and ecologically evaluate the 2 different sites selected in the long-term, in view of the different felling systems (small-scale clear-cutting, selective cutting) and the resultant changes in the energy, element stocks, as well as water balance in such stands, taking small-scale gradients into particular account, and the investigation as a reference for the region of northern Germany. The smaller the gaps are, the more their ecosystem-relevant processes are influenced by the surrounding trees and their canopy. On open areas < 1 ha the various gradients ranging from the fully sunlit centre over densely rooted and partially shaded transient areas to the remaining trees, must be accordingly taken into consideration. Among others, these gradients are dependent on sunlight exposure and the season. For both smaller gaps in the stand, as well as the clear-cut plots, the question arises as to the disturbance"s permanency and the spatiotemporal pattern of the active processes. In this connection, this dissertation addresses:1) The significance of forest understorey vegetation following silvicultural treatments, and the possibility of quantifying their phytomass and element stock without harvesting, by using the "PhytoCalc" model.2) The carbon and nitrogen dynamics following silvicultural treatments and to what extent the differences between repeated carbon and nitrogen inventories would permit statistically-backed conclusions in regards to turnover.3) The significance of decomposing fresh slash comprised of spruce needles and twigs for the element stock a nd the parameters that characterise and steer this process.4) The water and root dynamics in single-tree gaps of a stand.Under more advantageous light, nutrient and water conditions, forest understorey vegetation in smaller gaps or clear-cut plots can produce considerably more phytomass with corresponding element stock than in closed stands, and could thus assist in minimising element outflow. "PhytoCalc" provides a successfully validated approach for typical forest understorey vegetation, which enables quantifying this compartment via the ground cover and mean shoot length parameters, without any time-consuming harvesting. Up to now, the model"s applicability has not yet been comprehensively researched for forest understorey vegetation species under clear-cut conditions, nor for species more generally adapted to open land conditions. For woody species such as, e. g., Picea abies (L.) Karst. [spruce] natural regeneration, the additional question arises as to whether the "PhytoCalc" approach can be applied when correspondingly calibrated.Systematic sample harvests and analyses of Deschampsia flexuosa (L.) Drej. [wavy hair grass], Digitalis purpurea (L.) [foxglove], Pteridium aquilinum (L.) Kuhn [bracken], and Rubus idaeus (L.) [raspberries], which are widespread and phytomass-rich species found on the investigated clear-cut plots, revealed that in particular, the phytomass submodel in "PhytoCalc" considerably underestimated the measured values. This occurred independent from the application of species- or growth form group-specific "PhytoCalc" functions and the element stocks were also accordingly affected, due to the model-internal multiplicative link. In the subsequent compilation of new species-specific functions, which were specifically valid for the listed species on the small clear-cuttings studied, and are of acceptable quality, the "PhytoCalc" approach proved to be useful. Taking naturally regenerated young spruce trees in example, it could also be adapted to woody species of up to 0. 5 m in height.In relation to vegetation or the atmosphere, nitrogen stock, but especially carbon stock in the soil, is disproportionately greater, which is why even slight changes resulting from, e. g., silvicultural treatments could already be of significance. Due to spatial heterogeneities, a great number of field and corresponding laboratory samples are necessary to statistically prove the differences between repeated carbon and nitrogen inventories. The stocks in different strata in the humus layers are of particular interest, owing to their direct exposure to environmental conditions following small-scale clear-cuts. At the same time, subjectivities complicate interpreting the results of the morphological differentiation of these strata under field conditions, which seems to necessitate conceptual means of circumventing the conflict "number of samples vs. statistically-backed changes". Amongst others, the question arises as to whether the time and effort put into laboratory analyses could be minimised by pooled field samples, but without having to hereby make concessions in regards to the quality of results.To quantify the changes in carbon and nitrogen stocks in the different strata of the moder layers (L/Of vs. Oh) and within the topmost 5 cm of the mineral soil layer (Min), which accompany clear-cutting plots of 1 ha each, 2 inventories were carried out on both of the sites investigated. A total of 840 core samples were analysed, 640 prior to and 200 1 year after the silvicultural treatment. Despite the large number of samples taken, deviation was considerable, so that carbon and nitrogen stocks in an analogue second sample, even though hypothetical, could deviate by ±13 % maximum from the mean values of the initial investigation, which corresponds to ±9 t carbon/ha and ±0.4 t nitrogen/ha. In contrast, to some extent the significant changes in carb