Auswirkungen von Ökosystemmanipulationen auf Vorratsänderung und Freisetzung von C- und N- Verbindungen | Effects of ecosystem manipulations on stock change and flux of N- and C-compounds in soil

Die organische Bodensubstanz (OM) hat sowohl für die Struktur als auch für die Funktion des terrestrischen Ökosystems entscheidende Bedeutung. Die Menge und Verteilung des OMs im Boden wird von einer Vielzahl von Faktoren gesteuert, wobei die menschlichen Eingriffe eine immer zunehmende Rolle spielen. In dieser Arbeit wurden eine Reihe unterschiedlicher Eingriffe in Ökosysteme und deren Wirkung auf den Umsatz organischer Stoffe untersucht. In der ersten Studie wurden die Folgen des Komposteinsatzes beim Waldumbau analysiert. Die in forstlicher Praxis allgemein vertretene Meinung, dass sich Komposte im Wald negativ auswirken, konnte in dieser Studie nicht bestätigt werden. Es wurden keine erhöhten Schwermetallgehalte weder in den Pflanzen noch im Bodenfestmaterial oder im Sickerwasser festgestellt. Kompostausbringung hat nur wenig zum erhöhten Nitrataustrag mit dem Sickerwasser beigetragen, der grundsätzlich durch die Bodenbearbeitung, bzw. Durchforstung auf den durch die atmosphärische N-Deposition belasteten Standorten ausgelöst wurde. In den Setzlingen dagegen konnten durch den Komposteinsatz verbesserte Nährelementgehalte festgestellt werden. In der zweiten Studie wurde mittels unechten Zeitreihen die Hypothese geprüft, ob im Boden von Neuaufforstungen im mäßig kontinentalen Klima (Ungarn) eine maßgebliche Menge von atmosphärischem Kohlenstoff gebunden wird. Es wurde festgestellt, dass lediglich die Aufforstung von Ackerfläche zur Festlegung von C führt, im Fall einer Weideaufforstung muss sogar vorübergehend mit C-Freisetzung aus dem Boden gerechnet werden. Mit Modellrechungen wurde bewiesen, dass sogar eine massive Aufforstungskampagne nur unrelevant den Kohlestoffhaushalt eines Landes verbessern kann. Im dritten und vierten Artikel wurde die Auswirkung des Mineralbodens auf die Zersetzung des zugeführten OMs bei unterschiedlichen Substratqualitäten untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass größere Kontaktflächen zum Boden zwar zum beschleunigten Start des Abbaus führen, in späteren Phasen wird die Mineral isation jedoch von der größeren Substratdichte begünstigt. Die Auswirkung der Kontaktfläche im Vergleich zur Auswirkung der Substratqualität war jedoch vernachlässigbar. Es wurde gezeigt, dass in der ganz frühen Abbauphase der N- Gehalt bzw. das C:N Verhältnis der Substrate der entscheidende Faktor war, später nahm jedoch die Rolle des Phosphorgehaltes zu. Anders als beim Kohlenstoff konnte nur ein Bruchteil des substratbürtigen Stickstoffs in anorganischer Form nach der Inkubation gefunden werden. Mit Hilfe der Isotopenmarkierung konnte nachgewiesen werden, dass ein Teil des in organischer Form zu findenden Substrat-N dem Abbauvorgang unterliegen musste, und nachher wieder in organische Form überführt wurde. Bei einen der Substrate konnte nachgewiesen werden, dass durch die Substratzugabe die Mineralisationsgeschwindigkeit des originalen bodenbürtigen OM-s beschleunigt wurde. In Artikel 5 wurde die Hypothese geprüft, ob langhaltig andauernde atmosphärische N-Belastung der Wälder zum erhöhten Nitrataustrag mit dem Sickerwasser führt. Die Ergebnisse der Untersuchung in NW-Deutschland bestätigten diese Hypothese, wobei die Korrelation zwischen Nitratausträgen und geschätzten N-Einträgen nur reingfügig ausfielen. Daher sollten andere Faktoren zusätzlich berücksichtigt werden. Der signifikante Einfluss von Bestandesalter und Baumart konnte nachgewiesen werden. Bei älteren Beständen wurden höheren Nitrat-Austräge gefunden als beim Jungbeständen. Eichenbestände waren in der Lage einen höheren Anteil des deponierten Stickstoffs als Bestände mit Nadelbaumarten zwischenspeichern. In den beiden abschließenden Artikeln werden zwei analytische Methoden vorgestellt: Im Sechsten wird eine einfache und schnelle Methode zur Bestimmung des Kalkgehaltes im Boden beschrieben. Im zweiten methodischen Artikel (Artikel sieben), wird gezeigt, dass Nahinfrarotspektorskopie mit guten Ergebnissen zu Bestimmung von gesamt- und austauschbaren Kationgehalten in Waldböden eingesetzt werden kann.

The organic material (OM) in soil plays an essential role as well in the structure as in the function of terrestrial ecosystems. The amount and distribution of OM in soil is characteristic for natural ecosystems and determined by many factors. This process is increasingly influenced by human activity. In this study different human interventions in natural ecosystems and their effects on OM mineralization was investigated. In the first paper the initial effects of compost application during forest conversion was studied. The widespread argument of negative outcome of compost application in forest was not proven in this study. No elevated heavy metal contents were measured either in plants or in soil or in seepage water. Although elevated nitrate output was measured under compost treated plots this effect was negligible compared to the nitrate flush triggered by soil cultivation and forest thinning on these atmospheric-N polluted areas. In contrast, compost application resulted in improved nutrient condition of beech seedlings. In the second paper it was checked if afforestation results in relevant C-sequestration in the soil under moderate continental climate (Hungary). Afforestation of croplands resulted in C-fixation. In contrast grassland afforestation had a neutral carbon balance, and temporally leaded even to C-evolution. The calculations with a large scale afforestation program suggested that the C-stock change in the soil after afforestation could only slightly contribute to the C-mitigation efforts of Hungary. In the third and fourth papers the role of the mineral soil in the mineralization process of added OM was studied. A higher contact area between substrate and soil leaded to an accelerated start of the decomposition, but on the longer term higher substrate density stimulated the mineralization. Nevertheless, the effect of the contact area was negligible compared to the effect of the substrate quality. In the very first phase of the decomposition the mineralization rate correlated with the N content of the substrates, but later the phosphor content became rate determining. In contrast to carbon only a minor part of substrate N was in an inorganic form at the end of the incubation. Using the isotopic signature it was shown that the organic N was partly already mineralised and was not in the original form anymore. The addition of one of the substrates resulted in a priming effect, which means the mineralization of the original soil OM was stimulated. In paper five the hypothesis was investigated, whether a high amount of atmospheric nitrogen deposition into forests leads to nitrate output via the seepage water. The investigation in NW-Germany supported this idea, although the correlation between N-deposition and nitrate output was rather poor. It means other factors must be involved if the nitrate output is estimated. Our results suggest that stand age and tree species belong to these factors. The possibility of high rate nitrate output increased with increasing stand age. Furthermore, broadleaved stands was able to sequestrate higher proportion of the deposited N than coniferous stands. In two adjacent papers two analytical procedures were presented. In the first one (article six) a simple and fast method for determination of soil carbonate content was explained. In the second one (article seven) it was shown, that near infrared spectroscopy (NIRS) is useful for determination of total and exchangeable cations in forest soils.