Spatiotemporal dynamics of the paramter of energy, water and trace gas balance after clear cut

Der Umbau von Nadelholzreinbeständen in Laub- und Mischwälder stellt ein vorrangiges Ziel waldbaulicher Maßnahmen in Deutschland dar. Dadurch sollen stabile Bestandsstrukturen geschaffen werden, um Risiken durch Windwurf sowie Wasser- und Nährstoffstress aber auch Folgeschäden durch Schädlingsbefall zu begrenzen. So planen die Niedersächsischen Landesforsten in den nächsten vier Dekaden auf ca. 22 % der Fläche (73.000 ha) die Überführung von Fichten- und Kiefernreinbeständen in Laub- und Mischwälder. In vorratsreichen Altbeständen, in windwurfgefährdeten Lagen oder bei der Überführung in Eichenbestände können neben der Zielstärkennutzung auch andere Hiebformen wie Femel- oder Saumhiebe bis hin zu kleinen Kahlschlägen waldbauliche Alternativen sein. Diese letztgenannten Hiebformen zeichnen sich dadurch aus, dass sie mehr oder weniger große Lücken in den Altbeständen hinterlassen, die sich hinsichtlich ihres Mikroklimas, ihrer Vegetation und damit verbunden hinsichtlich ihres Wasser- und Stoffhaushaltes deutlich von den sie umgebenden Beständen unterscheiden. Es treten laterale Gradienten auf, deren Ausprägung von der Größe und Form der Lücke, der Höhe der umgebenden Bäume sowie von der Himmelsrichtung und der Jahreszeit abhängig ist. Im Focus der Untersuchungen zur raumzeitlichen Dynamik des Energie-, Wasser- und Stoffhaushalts stand ein rechteckig angelegter Kahlschlag von ca. 2 ha Größe in einem 85-jährigen Fichtenreinbestand im Solling. Dieser wurde im Rahmen eines Fichtenhiebformenversuchs zusammen mit einer Zielstärke genutzten und einem unbehandelten Waldgebiet als Versuchsfläche angelegt. Die Flächen liegen auf 310 m über NN an einem schwach nach Nordwesten zum Wesertal geneigten Hang im mittleren Buntsandstein. Als Bodentyp wurde eine schwach podsolierte Para-braunerde mit niedrigen pH-Werten (3.5-4.4) ausgewiesen, die sich in einer Lößfließerde entwickelt hat.Ziel dieser Arbeit war es, die räumliche Variabilität von ökologischen Kenngrößen zu ermitteln, welche durch den sprunghaften Übergang von der Freifläche in umstehenden 35 m hohen Bestand verursacht werden. Untersucht wurden1. der Einfluss der Hiebform auf den Austausch der Spurengase Lachgas (N2O) und Methan (CH4) in der initialen Phase2. die räumliche Verteilung der Strahlung und Bodentemperaturen so wie deren Auswirkungen auf die CO2 Emissionen3. der Wasserhaushalt unter Berücksichtigung der Randbereiche des Bestandes und des Kahlschlags sowie4. die Bodenwasserdynamik nach extremen Witterungsereignissen.Der erste Themenbereich beinhaltet die initialen Effekte der unterschiedlich starken Hiebmaßnahmen auf die Spurengasemissionen. Die Untersuchungen fanden im Jahr vor und nach dem Eingriff statt, als Bezug wurde der ungestörte Bestand herangezogen. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass im unbehandelten Bestand in stammnahen und stammfernen Bestandsbereichen Unterschiede im Spurengas-austausch durch unterschiedliche N-Depositionen, Niederschläge und Energie-verteilung auftreten. Auf den Flächen mit Einzelbaumentnahme sollten sich diese Effekte verstärken. Auf der Kahlschlagfläche war eine weitere Steigerung zu erwarten, hier wurden Bereiche mit gestörten und ungestörten Humusauflagen so wie die Rückegassen berücksichtigt und verglichen. Die Spurengasfreisetzung wurde mit geschlossenen Kammern gemessen, und statistisch ausgewertet. Die Flächenanteile der verglichenen Straten wurden erfasst und für eine Berechnung der Emission der Gesamtflächen verwendet. Es konnte festgestellt werden, dass eine Stratifizierung unter dem unbehandelten Altbestand nicht nachweisbar war. Bei der Zielstärkennutzung dagegen traten deutliche Veränderungen in Distanz zu den entnommenen Bäumen auf. Auf der Kahlschlag-fläche trat eine deutliche Differenzierung zwischen der Rückegasse und den nicht befahrenen Flächen zutage. Die Rückegasse hatte einen sehr starken Einfluss auf die Gesamtemission des Kahlschlags. Obwohl ihr Flächenanteil nur 20 % betrug, wurde die Gesamtemission um 30 % erhöht. Für die kumulierten Lachgas (N2O) Emissionen der drei Varianten ergab sich eine Reihung vom unbehandelten Bestand (23 mg N m-2 158 d-1) über die Zielstärkennutzung (42 mg N m-2 158 d-1) zum Kahlschlag (111 mg N m-2 158d-1). Dieses Ergebnis zeigt, dass bei einer wiederholten Zielstärkennutzung die akkumulierten N2O-Austräge durchaus über denen des Kahlschlags liegen können. Hinsichtlich der Methanoxidation in den Böden, wurde eine deutliche Verringerung nur auf der Kahlschlagfläche beobachtet, die verglichen zum Altbestand eine um 130 mg CH4-C m-2 158 d-1 reduzierte Aufnahme aufwies. Die stärkste Wirkung zeigte sich auf den Rückegassen, durch zeitweise Methanfreisetzung. Insgesamt blieb auch auf der Kahlschlagfläche die Funktion des Bodens als Methansenke erhalten. Kein Effekt auf die Methanaufnahme gegenüber dem unbehandelten Altbestand konnte nach Zielstärkennutzung festgestellt werden.Der zweite Themenbereich widmet sich der raumzeitlichen Variabilität der Energieverteilung und der Temperaturen im Oberboden beiderseits der Baumkronen-linie in den Bestand und auf den Kahlschlag. In einer kreuzweisen Anordnung wurden in Transekten vom Inneren des Bestandes über den Bestandsrand auf die Freifläche die Temperaturen des Oberbodens gemessen. Entlang dieser Transekte wurde auch die Strahlungsverteilung durch eine Strahlungsmodellierung der Abteilung Bioklimato-logie ermittelt. Eine empirische Funktion wurde hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit auf die Beziehungen zwischen Strahlungsenergie und Bodentemperaturen über die Ränder des Kahlschlags hinweg überprüft. Dieses diente schließlich als Interpolationsschema, mit dessen Hilfe die Auswirkung unterschiedlicher Expositionen auf die Steilheit untersucht und die Ausdehnung der Bereiche in denen sich die Temperaturen sowohl vom Kahlschlagzentrum als auch vom Inneren des Altbestandes unterscheiden, dargestellt werden konnten. Aus der Betrachtung der so gewonnenen flächenhaften Bodentemperaturen - gemittelt über mehrere Jahre ließ sich ein Abbild des raumzeitlichen Musters ableiten, das unabhängig von den Witterungseinflüssen eines einzelnen Jahres ist. Für den Südostrand zum Beispiel wurde für den Juli ein Gradient ermittelt, der sich über eine Entfernung von 80 m erstreckte. Davon entfielen 23 m auf den Altbestand und 57 m auf die Freifläche. Im September verlängerte sich die Überganszone aufgrund des Sonnenstandes sogar auf 95 m. 44 m entfielen auf den Altbestand und 51 m auf die Freifläche. Die flächenhafte Interpolation der Bodentemperaturen wurde mit einer Funktion der CO2 Freisetzung aus der Humusauflage in Abhängigkeit der Temperatur verschnitten. Dabei zeigten sich in den Übergangsbereichen deutliche Unterschiede in den Raten der CO2-Emissionen. Bei einer gemeinsamen Berücksichtigung der Übergangszonen der Expositionen konnte gezeigt werden, dass für allgemeine Abschätzungen der CO2-Emission mit einem vereinfachten Modell gearbeitet werden konnte, dass nur den Altbestand und die Freifläche berücksichtigte.Der dritte Themenbereich behandelt räumliche Modifikationen des Bodenwasserhaushalts nach Kahlschlag. Die erhobenen zeitabhängigen bodenphysi-kalischen und meteorologischen Variablen dienten als Eingangsgrößen für die Modellierung des Wasserhaushaltes mit dem Modellsystem EXPERT-N. Ferner wurde auf die Erkenntnisse über den Abfall der Strahlung in den Randbereichen der Freifläche und des Bestandes wie unter Themenbereich zwei beschrieben zurückgegriffen. Hinzu kamen die an vier Standorten ermittelten hydraulischen Funktionen der jeweiligen Böden. Die betrachteten vier Standorte befanden sich (i) im umgebenden Altbestand, (ii) am nordwestlichen Rand des Altbestandes (Peripherie 1), (iii) im Zentrum des Kahlschlags und (iiii) am südwestlichen Rand des Kahlschlags (Peripherie 2). Die standortsspezifischen Faktorenkombinationen aus Strahlungsinput, Niederschlag, Interzeption und Transpiration führen zu Stresssituationen an den peripheren Standorten bezüglich des Bodenwasserhaushalts. Für den an den Kahlschlag nordwestlich angrenzenden Altbestand (Peripherie 1) wurde eine Erhöhung der Tage an denen Fichten Anzeichen von Trockenstress aufweisen (+26 Tage) im Vergleich zum Innenbereich des Fichtenbestandes beobachtet. Am Südwestrand des Kahlschlags (Peripherie 2) dagegen wurden gegenüber dem Kahlschlagzentrum höhere (> -10 hPa) Bodenwassergehalte beobachtet, die auch häufiger auftraten (+122 Tage) bzw. längere Intervalle umfassten. Diese können sich negativ auf das Wurzelwachstum der Jungpflanzen auswirken.Der vierte Teil behandelt Aspekte der Bodenwasserdynamik unter besonderen hydrologischen Bedingungen. Es wurde das hydrologische Geschehen im Boden nach einer rapiden Schneeschmelze und nach heftigen Sommergewittern, die einer Trockenperiode folgten, beobachtet und interpretiert. Vor den Messungen im Feld wurde ein Sensortyp (ECH2O), der zur Registrierung des Bodenwassergehalts im Feld eingesetzt werden sollte, im Labor kalibriert. Dabei wurde der Einfluss des Abstands zwischen Sensor und umgebender Matrix, wie er durch Quellung und Schrumpfung im Boden auftreten kann, untersucht. Der Vergleich der beobachteten Wassergehalte und der Matrixpotentiale in verschiedenen Tiefen (20 und 60 cm) verdeutlichte das zum Bestandsinneren unterschiedliche Verhalten des Bodenwassers auf der Kahlschlagfläche. Während im Boden des Altbestandes die Sättigung der Bodenmatrix während beider Ereignisse gemäß den im Boden auftretenden Gradienten folgte und frontal verlief, konnten im Boden des Kahlschlags nach den heftigen Regenfällen Anstiege der Bodenwas-sergehalte in tieferen Schichten festgestellt werden, obwohl die Gradienten der hydraulischen Potentiale aufwärts gerichtet waren. Ein vergleichbares Verhalten konnte auch nach der Schneeschmelze festgestellt werden. Dies bedeutet, dass auf der Kahlschlagfläche bei extremen Infiltrationsraten ein erheblicher Anteil des Wassers in Makroporen abgeführt wird. In den Wintermonaten gefriert der Oberboden auf der Freifläche zu einem früheren Zeitpunkt als im Altbestand, wodurch eine weitgehend undurchlässige Oberfläche geschaffen wird. Schmelzwasser kann jedoch in Makroporen eindringen, welche nicht durch Eis versiegelt sind und an der Matrix vorbei abgeführt werden. Die Humusauflage des Kahlschlags ist in den ersten Jahren im Sommer relativ ungeschützt dem atmosphärischen Einfluss ausgesetzt, was zu einer starken Austrocknung führen kann. Dies führt unter anderem zu einer Verminderung der Benetzbarkeit der organischen Auflage, mit der Folge, dass ein erhöhter Anteil des Niederschlagswassers den Weg über Bypässe in den Boden nehmen kann, zumal durch den Eingriff Bereiche mit gestörter Humusauflage geschaffen wurden. Mit diesem schnell verlagerten Wasser, das ohne die Filterwirkung der Matrix in den Boden gelangt, können auch gelöste Stoffe und Partikel in die tieferen Bodenschichten gelangen. Betrifft dies organische Komponenten, können auf hydromorphen Böden Auswirkungen auf Spurengas-emissionen auftreten. Die Untersuchungen haben deutlich gemacht, dass eine Kahlschlagfläche in der Größe bis zu wenigen ha nicht als einheitlich bezüglich des Energie-, Wasser- und Stoffhaushaltes betrachtet werden darf. Die im Zentrum der Kahlfläche ermittelten Resultate lassen sich nicht ohne weiteres auf die Randpartien zu den benachbarten Altbeständen übertragen, da diese sich in ihren ökophysiologischen Eigenschaften zum Teil deutlich von denen der Kernfläche unterscheiden. Die randlichen Gradienten reichen teilweise mit in die Freifläche hinein und sind auch im Altbestand wirksam. Dies ist bei der Bewertung kleiner Kahlschläge aus ökologischer Sicht unbedingt zu berücksichtigen. Die Ergebnisse haben auch gezeigt, dass Vorstellungen über die Wirkung von Kleinkahlschlägen einer genaueren Überprüfung unterzogen werden müssen. Dies gilt insbesondere der Frage der Stoffumsetzungen und dem damit verbundenem Austausch von Spurengasen.The conversion of coniferous monocultures into deciduous and mixed forest is a priority aim of silvicultural efforts in Germany. The goal is to create robust forests which are resilient with respect to the risks of wind throw, water and nutrition stress and pest damage. For example the federal forest management of Lower Saxony plans the conversion of 22 % of the forested area (73000 ha) from spruce and pine monocultures into deciduous and mixed forest within the next four decades. Harvesting methods like partial harvesting, marginal strip cuts and clear cuts are silvicultural alternatives to single tree harvesting in forests, which are rich in wood, endangered by wind throw or planned to be converted to oak stand. Clear cutting creates gaps of different size within the mature forest. These gaps are distinctly different to the surrounding stand with respect to the microclimate, vegetation and especially with respect to their water- and nutrient balance. At the transition to the surrounding forest horizontal gradients appear whose characteristics depend on the size and the form of the gap, the height of the surrounding trees, the aspect and the season. Our investigations, which focus on the spatiotemporal dynamics of energy, water and balance of matter, are conducted within a rectangular clear cut of about 2 ha in size within an 85 year old spruce monoculture in Solling (Germany). The clear cut was part of a program to investigate several methods of harvesting in spruce monocultures and was arranged together with a single tree harvesting area and a control plot of unchanged mature spruce stand at the same forest site. The area is located 310 m above sea level with a mild northeast slope. The soil type is a Dystric Cambisol with low pH values (3.5-4.4) derived from Triassic sandstone covered by loess.The aim of this study was to investigate the spatiotemporal variability of ecological parameters, which are induced by the sudden transition from the clearing to the surrounding 35 m high forest stand. Investigated were:1. the initial effect of harvesting on the trace gas emissions of nitrous oxide (N2O) and methane (CH4)2. the spatiotemporal distribution of energy and soil temperatures and their effect on CO2 emissions3. the water balance considering the edges of clear cut and forest and4. soil water dynamics during extreme hydrological events.In the first part the initial effects of different intensities of harvesting on trace gas emissions were analysed. Measurements were conduced in the year before and after harvesting. The unchanged mature forest stand served as reference plot. For the un-changed forest one of the hypotheses was that nearby trunk and between trunk locations differs with respect to the trace gas emissions due to differences in N deposition, throughfall and energy distribution. At the single tree harvesting plot effects were expected to be quite pronounced. A further increase was expected in the clear cut plot where locations with disturbed, undisturbed humus layer and skidding trails were studied. Trace gas emissions were measured with the closed chamber method and statistically evaluated. The spatial allotments of the strata were considered for each plot and applied into the calculation of the plot emission. Stratification within the unchanged mature spruce stand was not observed. Distinct changes were however observed in distance to the harvested trees after the single tree harvesting. At the clear cut site strong differences between the skidding trails and the non-frequented area were found. The effect of the skidding trails on the whole plot emission was substantial. Although their spatial allotment amounted only to 20 %, the plot emission increased by 30 %, when considering the skidding trails. For the three treatments a sequence with increasing nitrous oxide emissions was found from unchanged mature forest (23 mg N2O-N m-2 158 d-1) over single tree harvesting (42 mg N2O-N m-2 158 d-1) to clear cut (111 mg N2O-N m-2 d-1). These results demonstrate that the N2O emissions in the single tree harvested plots may exceed the emissions from clear cuts, when the emissions are cumulated over repeated target diameter harvests.In the second part the spatiotemporal variability of energy distribution and temperatures of topsoil on both sites of the tree base line into the forest stand and onto the clear cut area were investigated. Temperatures of topsoil were measured with a crosswise arrangement of transects from forest interior over the forest edge to the clearing. The energy distribution was derived from three dimensional irradiance modelling from the Department of Bioclimatology and was considered along the same transects. An empirical function was examined for its applicability on the relations between irradiance and soil temperature across the edges of the clear cut. The function was then used as an interpolation scheme to explore the effects of aspect on the slopes of gradients and the lateral extension of the area with temperatures in topsoil, which are different from clear cut centre as well as from forest interior. In this way spatiotemporal pattern of soil temperatures were generated, with average temperatures over some years, to gain a picture independent on singular weather conditions. At the southeast edge a gradient of a lateral extension of 80 m was found for May. 23 m lay within the surrounding stand and 57 m extended into the clear cut area. In September this transition zone even extended to 95 m due to the solar angle. Whereby 44 m of the transition zone was in the forest stand and 51 m was part of the clear cut. The spatial interpolated topsoil temperatures were used to calculate heterotrophic CO2 emissions from the forest floor with a temperature dependent function. Within the transition zones considerable changes in CO2 emission rates were found. However, if the transition zones of the different aspects were considered, it indicated that a simple model, which included only the situation in the clear cut centre and the forest interior, was sufficient for general calculations of CO2 emissions.The third topic focus