The impact of canopy composition on the nutritional statusof an admixed spruce and beech forest at Solling,central Germany | Der Einfluss der Zusammensetzung des Kronenraums auf den Nährstoffstatus eines Fichten-Buchen Mischwalds im Solling

In einem Mischwald aus Buche und Ficht im Solling wurde der Einfluss des Kronenraums auf den Stoffhauhalt des Ökosystems untersucht. Dabei lautete die Arbeithypothese, dass die Mischungsanteile der Baumkronen ein spezifisches Muster an bio-geochemischer Heterogenität erzeugen, welches sich im Bestand über den Stoffeintrag bzw. über bodenökologische Kennwerte nachweisen lässt. Zum Nachweis derartiger Muster wurden so genannte Kronenraumklassen ausgeschieden, für die jeweils die Wasser- und Elementflüsse (Kronentraufe und Streufall), der Boden und die Bodenlösung, die Streuzersetzung und die Bodenatmung untersucht wurden. Die Untersuchungen wurden an zwei unterschiedlichen Flächen vorgenommen, die sich hinsichtlich des Mischungsanteils extrem unterschieden: i) eine von Fichten dominierte Fläche, bei der lediglich 2 einzelne Buchen eingemischt waren (im Folgende bezeichnet als SDP, "Spruce Domiated Plot") und ii) eine unmittelbar benachbarte und von Buchen dominierte Fläche, mit nur einer einzelnen Fichte im Zentrum (BDP, "Beech Dominated Plot"). Jeder Plot wurde unterteilt nach folgenden Kronenraumklassen (Teilflächen): "reine Buche", "reine Fichte", "gemischt" und "Freifläche" (gap). Folgende Ergebnisse wurden erzielt: Für beide Flächen, SDP und BDP war der Wasserfluss mit der Kronentraufe unter der Teilfläche "reine Fichte" gegenüber dem unter "reiner Buche" signifikant reduziert, der Elementeintrag jedoch generell erhöht. Es wird auf eine vom Mischungsanteil unabhängige und primär durch die Baumart bestimmte Eintragsfunktion geschlossen. Mit Ausnahme von K+ zeigten sich für die Kronenraumklasse "gemischt" mittlere Eintragsraten mit der Kronentraufe, verglichen mit den jeweiligen Klassen "reine Buche" bzw. "reine Fichte". Für K+ wurde ein signifikant höherer Eintrag unter den gemischten Kronenraumbereichen ermittelt. Es wird auf ein durch die Interaktion der Baumkronen induziertes höheres Leaching von K+ geschlossen. Insgesamt erwies sich die Kronentraufe als wesentlicher Faktor zur Förderung der stofflichen Heterogenität in den Untersuchungsflächen. Dagegen zeigen die stofflichen Einträge mit der Streu nahezu ähnliche Eintragsraten und tragen somit zur stofflichen Homogenität im Buchen-Fichten Mischwald bei. Unterschiede in bodenchemischen Eigenschaften waren nur für die organische Auflage und den mineralischen Oberboden nachweisbar. So wurden signifikant höhere pH-Werte (CaCl2) auf der Freifläche (gap) und signifikant niedrigere pH-Werte unter "reiner - 14 - Fichte" in der Humusauflage und im Oberboden für die Fläche SDP festgestellt. Diese Ergebnisse wurden auf höhere Elementeinträge bei einem gleichzeitig geringeren Wasserfluss unter Fichte zurückgeführt. Trotz der nahezu gleich hohen Einträge an Streu wurden für die Mengen an akkumuliertem organischem Material (Humuslagen) deutliche Unterschiede zwischen den Teilflächen für beide Untersuchungsflächen, SDP und BDP, festgestellt. Besonders deutlich prägten sich diese Unterschiede zwischen den Teilflächen und in der Reihenfolge "reine Fichte" ≥ "reine Buche" ≥ Freifläche aus. Für die Bodenlösung in 10 cm Bodentiefe wurden signifikant höhere pH-Werte unter "reiner Buche", verglichen mit den Teilflächen unter reiner Fichte ermittelt. Dieser Befund kann erklärt werden über unterschiedliche Element- und Wasserflüsse zwischen den Teilflächen. Hinsichtlich der Rate der Streuzersetzung und der CO2-Bodenatmung wurde ein signifikanter Effekte für die Buchen-dominierte Versuchsfläche BDP diagnostiziert. Unter "reiner Buche" und für die Freifläche (gap) wurden geringere verbleibende Massen am Ende der Inkubationszeit (nach ca. 1 Jahr), im Vergleich zur Teilfläche "reine Fichten" ermittelt. Es wird auf eine von der Kronenklassifizierung unabhängige erste Phase der Streuzersetzung geschlossen. Zudem zeigte die Fläche "reine Buch" höhere CO2-Emissionsraten, verglichen mit der Freifläche (gap). Eine Abschätzung der wurzelbürtigen CO2-Freisetzung bestätigte den Befund einer geringeren CO2- Emissionsrate auf der Freifläche, verglichen mit den anderen Unterflächen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die ausgeschiedenen Kronenraumklassen tatsächlich ein spezifisches bio-geochemisches Muster im untersuchten Buchen-Fichten Mischwald erzeugt haben. Dabei bewirkt offensichtlich eine einzelne Fichte in einem Buchen-dominierten Bestand mehr an stofflicher Heterogenität im Hinblick auf den stofflichen Eintrag mit der Kronentraufe, die Streuzersetzung und die Bodenatmung, als einzelne Buchen in einem Fichten-dominierten Bestand.

It was hypothesised that in mixed spruce-beech forest ecosystems the heterogeneity in canopy composition may create different micro-sites (units) in the forest floor and the mineral soil with different ecological characteristics. Therefore, different types of canopy compositions (canopy classes) were used to identify the variability of water and element fluxes (via throughfall and litterfall), soil and soil solution chemistry, litter decomposition and soil respiration. The investigation was carried out in a mixed sprucebeech stand in Solling, central Germany. Two different plots were selected for this study representing the most contrasting cases of mixed forests types, which were i) a site greatly dominated by spruce trees (the spruce dominated plot, SDP) with two beech trees in-between and ii) a directly neighbouring site which was dominated by beech trees and having a single spruce tree in-between (the beech dominated plot, BDP). The canopies of the two plots were classified in four categories: pure beech, pure spruce, mixed canopy and gap. Throughfall water was significantly lower and major element fluxes were higher under spruce than under beech in both plots. This indicated that the nutrient inputs under the canopies of individual trees were driven by species-specific properties of the canopies and were quite independent of the degree of admixture. With the exception of K+, mixed canopies showed intermediate element inputs via throughfall, compared with pure canopy classes. The K+ input, however, was significantly greater under mixed canopies due to interactions of the canopies, leading to higher leaching rates for K+. Throughfall was the main source of heterogeneity in nutrient inputs, while foliar litterfall input was almost equal between sub-plots and thus had a homogenising effect on annual nutrient fluxes in the beech-spruce mixed stands. Differences in soil chemistry under different canopy classes were mainly observed in the forest floor and top mineral soil layers. Significant effects of the canopy composition on pH (CaCl2) values of the forest floor and mineral soil were detected between the gap (significantly higher) and spruce (significantly lower) sub-plots in the spruce dominated plot (SDP). The water fluxes (lower under spruce) and chemistry (higher concentration of elements under spruce) of throughfall could explain theses differences. In spite of almost equal litterfall inputs, different masses of organic matter (humuslayer) were observed in the forest floor of different sub-plots for both plots, SDP and BDP. Differences were most pronounced between the spruce, beech and gap sub-plots (spruce ≥ beech ≥ gap). The soil solution at 10 cm soil depth showed significantly higher pH values in the beech sub-plots, compared with the spruce sub-plots. This finding may be linked to different water and element fluxes via throughfall between sub-plots. A significant effect of the canopy composition on the rate of litter decay and the soil CO2 efflux was observed in the beech dominated plot (BDP). Here, the beech and gap sub-plots showed significantly lower remaining masses at the end of the incubation period (about one year after incubation) compared with the spruce sub-plot. This may indicate that the early stage of the decomposition process was not governed by the given canopy composition. The beech sub-plot showed significantly higher soil respiration, compared with the gap sub-plot. An estimation of the root-associated CO2 production revealed considerably lower root respiration in the gap sub-plot compared with the other sub-plots in the BDP. In total, it was shown that the selected canopy classes were able to create specific biogeochemical patterns in the investigated mixed beech-spruce forest. However, the impact of an individual spruce tree in a beech-dominated site induced obviously higher degrees of spatial heterogeneity with respect to nutrient inputs via throughfall, litter decomposition and soil respiration compared to individual beech trees in a spruce dominated site.