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1. Projekttitel: Umwandlung von
Kiefernreinbeständen in Kiefern-Buchen-Mischwälder: Auswirkungen auf mikrobielle N- und C-Umsetzungen sowie gasförmige N- und C-Verluste2. Förderzeichen: BEO 0339729 3. Förderzeitraum: 01.01.1999-31.12.2001 4. Projektleitung: PD Dr. Hans Papen Fraunhofer Institut für Atmosphärische Umweltforschung (IFU) Kreuzeckbahnstraße 19
D-82467 Garmisch-Partenkirchen Tel.: 08821-183130 Fax: 08821-183294 eMail: papen@ifu.fhg.de 5. Projektbearbeitung:PD Dr. Hans Papen Dr. Klaus Butterbach-Bahl Dr. Rainer Gasche Joachim Nübling Elisabeth Zumbusch
Georg Willibald 6. Beteiligte Institutionen:Die Arbeiten werden in engster Zusammenarbeit und Abstimmung mit den
Teilprojekten von Herrn Prof. Dr. S. Anders (Institut für Forstökologie und Walderfassung, Eberswalde) sowie Herrn Prof. Dr. G. Hofmann und Dr. M. Jenssen (Waldkunde-Institut, Eberswalde) durchgeführt. Darüberhinaus
besteht eine enge Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr. R. F. Hüttl (Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung, Brandenburgische TU Cottbus) sowie mit Frau Dr. B. Münzenberger (ZALF, Müncheberg).
7. Ziel: Ziel der Untersuchungen ist es, die Auswirkungen des Umbaus von Kiefernreinbeständen in Kiefernbuchen-Mischwälder auf die zentralen mikrobiellen N- und C-Umsetzungsprozesse
die N-Spurengasflüsse (gasförmige N-Verluste),
die am N-Kreislauf beteiligten mikrobiellen Populationen sowie deren Diversität
zu quantifizieren. Dabei sind in die Untersuchungen auch Reinbestände von Kiefer und Buche integriert, um die vollständige ökologische Amplitude der Veränderungen unter Waldumbau-Bedingungen erfassen zu können. Die
Einbeziehung von Reinbeständen ermöglicht zudem den direkten Nachweis von den beim Waldumbau eintretenden Veränderungen mikrobieller N- und C-Umsetzungen, der N-Spurengasflüsse sowie der mikrobiellen Populationen und
deren Diversität und wird zeigen, inwieweit diese Veränderungen zu einer graduellen Annäherung an die Situation naturnaher Waldformen führt. 8. Hypothesen: Durch die Auswahl der
Untersuchungsstandorte, die verschiedene Altersstadien des Waldumbaus von Kiefernreinbeständen in Kiefern-Buchen-Mischwälder bis hin zum Buchenreinbestand repräsentieren, lassen sich für einzelne Stadien wie auch den
kompletten Waldumbau-Zeitraum Aussagen über dessen Auswirkungen auf mikrobielle N- und C-Umsetzungen, die daran beteiligten mikrobiellen Populationen sowie die Höhe der N- und C-Spurengasflüsse treffen.
Die Einbeziehung eines Buchenreinbestandes in die Untersuchungen ermöglicht einen Vergleich mit dem N- und C- Stoffkreislauf unter Bedingungen der potentiell natürlichen Waldform dieser Standorte. Die
mikrobiologischen Stoffumsetzungen sind der Schlüssel für das Verständnis der zu erwartenden Änderungen des Standortstoffhaushalts, da die mikrobiellen N- und C-Umsetzungen sowie der Auf- und Abbau von mikrobieller
Biomasse die Humus-Bildung und –Qualität entscheidend beeinflussen. Der Umbau von Kiefernreinbeständen in Kiefern-Buchen-Mischbestände ist mit nachweisbaren Veränderungen in den Stoffkreisläufen von N und C und den
daran beteiligten mikrobiellen Prozessen (C/N-Mineralisierung, Nitrifikation, Denitrifikation, mikrobielle Immobiliserung) und Populationen verbunden mit deutlichen Auswirkungen auf Austauschprozesse zwischen Biosphäre
und Atmosphäre (u.a. N-Gas-Emission/Deposition) sowie auf Stoffausträge in das Grundwasser (u.a. Nitrat) und damit auf die Nährstoffretention im System. Die mikrobielle Biomasse fungiert als bedeutender
N-Zwischenspeicher und unterliegt einem hohen turnover (interner N-Kreislauf). Die Zusammensetzung der an den N- und C-Umsetzungen beteiligten zentralen funktionellen Mikroorganismen-Populationen sowie die Höhe der
gasförmigen N-Verluste unterscheiden sich quantitativ zwischen Fichten- und Buchen-Reinbeständen (Einfluß der Baumart). Mit zunehmendem Alter der Buche unter Fichte (unechte Zeitreihe) verschieben sich die
Zusammenstzung der mikrobiellen Populationen, die N- und C-Umsetzungsprozesse sowie die gasförmigen N-Verluste in Richtung Buche.
9. Arbeitsprogramm und eingesetzte Methoden:Die Untersuchungen zur Auswirkung des Umbaus von Kiefernreinbeständen in Kiefern-Buchenmischbestände auf mikrobielle N- und C-Umsetzungen und daran
beteiligte Populationen sowie die Höhe der N- und C-Spurengasflüsse werden an folgenden Standorten durchgeführt:
a) Kiefernreinbestand (Bestandesalter ca. 80 Jahre) bei Kahlenberg (Amt für Forstwirtschaft Eberswalde) b) Kiefernbestand (Bestandesalter ca.
80 Jahre) unterbaut mit Buche (Bestandesalter ca. 10 Jahre) bei Kahlenberg (Amt für Forstwirtschaft Eberswalde) c) Kiefernbestand (Bestandesalter Kiefer ca. 80 Jahre) unterbaut mit Buche
(Bestandesalter ca. 30 Jahre) bei Kahlenberg (Amt für Forstwirtschaft Eberswalde) d) Buchenreinbestand (Bestandesalter ca. 130 Jahre) bei Kahlenberg (Amt für Forstwirtschaft Eberswalde)
Zur Erreichung der Forschungsziele wird folgendes Arbeitsprogramm durchgeführt:
a) Im Rahmen bzw. im Anschluß von 2 pro Jahr durchzuführenden mehrwöchigen Meßkampagnen werden die N- und C-Umsatzraten in Abhängigkeit von der
Vegetations-/Bestandesstruktur (Netto- und Brutto-Nitrifikation und Denitrifikationsraten, Bodenatmungsraten) sowie die mikrobielle Biomasse bestimmt. b) Zudem werden während der
Freiland-Meßkampagnen die gasförmigen N- und C-Verluste in situ bestimmt. c) Im Rahmen von intensiven Laboruntersuchungen wird die Biodiversität der an den N-Umsetzungsprozessen beteiligten mikrobiellen
Populationen bestimmt.
Folgende Methoden kommen zum Einsatz:zu a) Die Brutto-Nitrifikations-, Denitrifikations- und Bodenatmungs-Raten
werden nach einer vom IFU neuentwickelten Methode, der barometrischen Prozeßseparation “BaPS” (Ingwersen et al., 1999), bestimmt. Die Brutto-Nitrifikationsraten werden im Rahmen eines intensiven Methodenvergleichs
zusätzlich über die 15N-isotope pool dilution-technique bestimmt (Davidson et al., 1991; 1992). Um eine Aussage über das Verhältnis von Brutto- zur Netto-Nitrifikation treffen zu können, werden auch die
Netto-Nitratnachlieferungsraten über eine neue vom IFU entwickelte Methode bestimmt (Papen und Butterbach-Bahl, 1999; Gasche et al., 2001). Die Emissionen molekularen Distickstoffs (N2
) werden mit einem vom IFU neu entwickelten Meßverfahren, das N2
aus der Denitrifikation direkt nachzuweisen vermag, erfaßt (Butterbach-Bahl et al., 2001). Diese Untersuchungen werden an intakten Bodensäulen, die den Standorten entnommen werden, durchgeführt. Die Bestimmung der mikrobiellen Biomasse erfolgt nach der Fumigationstechnik (Vance et al., 1987).
zu b) Die Bestimmung der N- und C-Spurengasflüsse (N2O, NO/NO2, CO2) aus dem Boden werden mit dem vollautomatischen mobilen Meßsystem des IFU durchgeführt
(Butterbach-Bahl et al., 1997; 1998a; Papke und Papen, 1998, Papen und Butterbach-Bahl, 1999; Gasche und Papen, 1999). Um aus einer beschränkten Anzahl von Freilandmessungen zum Spurengasaustausch auf ganzjährige
Spurengasflußraten hochrechnen zu können, soll ein am IFU entwickeltes biogeochemisches Modell (PnET-N-DNDC), das die Stoffkreisläufe von N- und C in Waldökosystemen und den Austausch von N- und C-Spurengasen zwischen
Waldböden und der Atmosphäre beschreibt, nach Adaptation an die spezifischen Rahmenbedingungen (Waldumbau, Klima- und Bodenbedingungen) und Validierung zum Einsatz kommen (Li et al., 2000; Stange et al., 2000). zu c) Zentrale am N-Kreislauf beteiligte Bodenmikroorganismen-Populationen (autotrophe Ammoniak-Oxidierer, autotrophe Nitrit-Oxidierer, Denitrifizierer, heterotrophe Nitrifizierer) sowie die Veränderung
ihrer Zusammensetzung bei den unterschiedlichen Stadien des Waldumbaus im Vergleich zu den Reinbeständen (Buche/Kiefer) werden über z. T. neu entwickelte (Papen und von Berg, 1998) MPN-Techniken bestimmt.
Zitierte Literatur:
Butterbach-Bahl, K., Gasche, R., Breuer, L., Papen, H.: Fluxes of NO and N2O from temperate forest soils: impact of forest type, N deposition
and of liming on the NO and N2O emissions. Nutrient Cycl. Agroecosys 48: 79-90 (1997). Butterbach-Bahl, K., Gasche, R., Huber, Ch., Kreutzer, K., Papen, H.: Impact of N-input by wet
deposition on N-trace gas fluxes and CH4-oxidation in spruce forest ecosystems of the temperate zone in Europe. Atmos. Environ. 32: 559-564 (1998). Butterbach-Bahl, K., Willibald, G.,
Papen, H.: Soil core method for direct simultaneous determination of N2 and N2O emissions from forest soils. Plant and Soil (2001), im Druck). Davidson, E.A., Hart, S.C.,
Firestone, M.K.: Internal cycling of nitrate in soils of mature coniferous forests. Ecology 73: 1148-1156 (1992). Davidson, E.A., Hart, S.C., Shanks, C.A., Firestone, M.K.: Measuring gross
nitrogen mineralization, immobilization, and nitrification by 15N isotopic pool dilution in intact soil cores. J. Soil Science 42: 335-349 (1991). Gasche, R., Papen, H.: A 3-years
continuous record of nitrogen trace gas fluxes from untreated and limed soil of a N-saturated spruce and beech forest ecosystem in Germany: 2. NO and NO2 fluxes. J. Geophys. Res
. 104: 18505-18520 (1999). Gasche, R., Butterbach-Bahl, K., Papen, H.: Development and application of a method for determination of net nitrification rates. Plant and Soil (2001), eingereicht. Ingwersen, J., Butterbach-Bahl, K., Gasche, R., Richter, O., Papen, H.: Barometric process separation: New method for quantifying nitrification, denitrification, and nitrous oxide sources in soils.
Soil Sci. Soc. Am. J. 63: 117-128 (1999). Li, C., Aber, J., Stange, F., Butterbach-Bahl, K., Papen, H.: A process-oriented model of N2
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soil of a N-saturated spruce and beech forest ecosystem in Germany: 1. N2O emissions. J. Geophys. Res. 104: 18487-18503 (1999).
Papke, H., Papen, H.: Influence of acid rain and liming on fluxes of NO and NO2 from forest soil. Plant and Soil 199: 131-139 (1998). Stange, F., Butterbach-Bahl, K., Papen, H.,
Zechmeister-Boltenstern, S., Li, C., Aber, J.: A process-oriented model of N2O and NO emissions from forest soils: 2. Sensitivity analysis and validation. J. Geophys. Res. 105: 4385-4398 (2000). Vance, E.D., Brookes, P.C., Jenkinson, D.S.: An extraction method for measuring soil microbial biomass C. Soil Biol. Biochem. 19: 703-707.
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