Stickstoff-Umsätze in Humusauflagen von Buchen- und Fichtenwäldern im Fichtelgebirge (NO-Bayern) und entlang eines europäischen Nord-Süd-Transekts

Titelangaben

Hein, Michaela:
Stickstoff-Umsätze in Humusauflagen von Buchen- und Fichtenwäldern im Fichtelgebirge (NO-Bayern) und entlang eines europäischen Nord-Süd-Transekts.
Bayreuth , 2003
( Dissertation, 2003 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Unter natürlichen Bedingungen gilt der N-Kreislauf in terrestrischen Ökosystemen, in dem Mineralisation und Nitrifikation im Boden eine zentrale Rolle spielen, als geschlossenes System. Ausgehend davon wurden in der vorliegenden Arbeit die Brutto-N-Umsatzraten, in den Humusauflagen europäischer Buchen- und Fichtenwäldern getrennt quantifiziert. Diese wurden dann mit den Netto-Umsatzraten, die nur die Differenz der gleichzeitig ablaufenden Prozesse der N-Produktion und des N-Verbrauchs beschreiben, verglichen. Entlang eines Depositions- und klimatischen Transekts von Nordschweden bis Mittelitalien sowie im Fichtelgebirge – also bei ähnlicher Deposition und Klima – wurde die Abhängigkeit der N-Umsätze von atmosphärischem N-Eintrag und klimatischen Verhältnissen untersucht. Ziel der Arbeit war es zu klären, unter welchen Bedingungen der bodeninterne N-Kreislauf offen oder geschlossen ist. Mit Hilfe der 15N-Isotopenverdünnungsmethode wurden die Flüsse der Brutto-Mineralisation, des Brutto-NH4-Verbrauchs, der Brutto-Nitrifikation und des Brutto-NO3-Verbrauchs im Sommer und Herbst 1998 bestimmt und der mit der Beutelinkubationsmethode gemessenen Netto-Mineralisation und Netto-Nitrifikation gegenübergestellt. Alle diese N-Umsätze wurden sowohl im Of- als auch im Oh-Horizont der untersuchten Standorte ermittelt. Die Brutto-Umsatzraten von Ammonium und Nitrat entlang des europäischen Transekts waren mit denen im Fichtelgebirge vergleichbar. Die Brutto-Mineralisation war im Of-Horizont höher als im Oh-Horizont und spiegelt damit den zeitlichen Ablauf des Abbaus organischer Substanz wider. Bezüglich der Brutto-Nitrifikation waren die Unterschiede zwischen beiden Horizonten uneinheitlich. Dies gilt ebenfalls für saisonale Effekte, da die im Sommer gemessenen Raten nur z. T. höher waren als die im Herbst. Auf fast allen Standorten wurde nahezu alles produzierte Ammonium von Mikroorganismen assimiliert oder nitrifiziert. Insgesamt verbrauchte die Nitrifikation meist weniger als 20 % des produzierten Ammoniums. Dagegen war der Brutto-NO3-Verbrauch auf den nordeuropäischen Standorten z. T. mehr als doppelt so hoch wie die Brutto-Nitrifikation. Die Nitrataufnahme der Mikroorganismen war dort demnach stark substratlimitiert. Das Fehlen von Netto-Nitrifikation auf diesen Standorten bestätigt dies. Der Vergleich von Brutto- und Nettoumsatzraten zeigte, daß die Netto-Mineralisation und -Nitrifikation die Brutto-Mineralisation und -Nitrifikation nicht vorhersagen konnten. Die Bestimmung der Bruttoumsatzraten gibt damit einen tieferen Einblick in den bodeninternen N-Kreislauf als es mit der Bestimmung von Nettoumsatzraten möglich wäre. Die N-Umsatzraten der beiden europäischen Hauptbaumarten Buche und Fichte unterschieden sich nur z. T. Die Brutto-Mineralisation und der Brutto-NH4-Verbrauch waren unter Buche höher als unter Fichte. Dagegen wies die Brutto-Nitrifikation und der Brutto-NO3-Verbrauch der Buchenstandorte etwa gleiche Raten auf wie die der Fichtenstandorte. Die kleinräumige Variabilität innerhalb eines Bestandes bzw. einer Region, in der die klimatischen Bedingungen und die N-Einträge ähnlich sind, war genauso groß wie die Variabilität entlang des Transekts. Trotzdem ist festzuhalten, daß die Brutto-Mineralisation und der Brutto-NH4-Verbrauch auf dem nördlichsten Fichtenstandort etwa um den Faktor 10 geringer waren als auf dem deutschen und italienischen Fichtenstandort, also geographische Unterschiede in einem gewissen Rahmen sehr wohl vorhanden waren. Von zentraler Bedeutung ist der Einfluß der N-Deposition auf die bodeninterne N-Zirkulation und damit auch auf den Austrag von Nitrat. Der Vergleich des als ungestört geltenden nordschwedischen Fichtenstandorts mit dem deutschen Fichtenstandort mit hohem N-Eintrag legt nahe, daß bei hoher N-Deposition lediglich die Nitratnutzung vermindert ist, nicht jedoch die Brutto-Nitrifikation. Diese Diskrepanz ist es wohl, die am deutschen Standort zu einem hohen Nitrataustrag führte. Dagegen hatte ein Überschuß an produziertem Nitrat auf den Buchenstandorten keinen nennenswerten Nitrataustrag zur Folge. Der Nitrat-Austrag aus den Fichtenstandorten war bis zu 10 mal höher als bei den Buchenstandorten. Das Verhältnis von in der Humusauflage produziertem zu verbrauchtem Nitrat war dabei nur bedingt von Bedeutung, wie das Beispiel des französischen Fichtenstandorts zeigte. Dort wurde fast alles produzierte Nitrat aufgenommen und die Netto-N-Produktion war geringer als der N-Bedarf des Standorts. Dennoch wies dieser Standort mit 29 kg N ha-1 a-1 den höchsten Nitrataustrag aller Transektstandorte auf. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte keine singuläre Ursache für das Auftreten von Nitrat-Austrag identifiziert werden, obgleich die N-Deposition ein wichtiger Faktor zu sein scheint. Es ist wohl eher eine Reihe von Faktoren, deren standortspezifisches Zusammenspiel dazu führt, ob und in welchen Mengen Nitrat aus dem Waldökosystem ausgewaschen wird.

Abstract in weiterer Sprache

Under natural conditions, the soil internal Ncycle with the key processes mineralisation and nitrification is considered to be a closed system. Based on that, gross N transformation rates,were determined in the humus layer of European beech and spruce forests. Subsequently, these gross rates were compared to net rates, which only represent the difference of the concurrent processes of N production and consumption. The effects of atmospheric N deposition and climate on soil N transformations were investigated along a north-south transect through Europe, representing a gradient in deposition and climate. Furthermore, these processes were studied in spruce and beech forests in the Fichtelgebirge (NE-Bavaria), under similar deposition and climate conditions. Using the 15N isotope dilution method, the fluxes of gross mineralisation, gross NH4 consumption, gross nitrification and gross NO3 consumption were determined in summer and autumn 1998 and compared to net mineralisation and net nitrification, which were measured using the buried bag incubation method. These N transformations were investigated in the F and H layers of all studied sites. The gross rates of ammonium and nitrate along the European transect were comparable to those detected in the Fichtelgebirge. The gross mineralisation was higher in the F than in the corresponding H layer, both under beech and spruce and thus reflects the course of organic matter decomposition. Concerning gross nitrification, the differences between both humus layers were inconsistent for the sites studied. This also applies to seasonal effects, as the rates measured in summer were only sometimes higher than those in autumn. At almost all sites investigated, nearly all ammonium produced was assimilated by microorganisms or nitrified. Overall, nitrification consumed less than 20% of the ammonium produced. In contrast to this, at the northern sites gross NO3 consumption was more than double than gross nitrification.Thus, the nitrate uptake of microorganisms was strongly limited by substrate supply. Also the lack of net nitrification at these sites asserts this finding. The comparison of gross with net rates showed that net mineralisation could not predict gross mineralisation and net nitrification could not predict the respective gross rate. Thus, determining gross rates provides more insight into soil internal N cycling than would be possible by measuring net rates alone. N transformations of the dominating European tree species beech and spruce did not always differ from each other. Gross mineralisation as well as gross NH4 consumption were higher under beech than under spruce. In contrast, gross nitrification and gross NO3 consumption were comparable in spruce and beech sites. The small scale variability within a single site or within a region, with similar climate conditions and N deposition, was as large as along the transect. Despite this, gross mineralisation and gross NH4 consumption at the northernmost site were about 10 times less compared to the German and Italian sites, illustrating the existence of geographical differences at a certain scale. The influence of N deposition on the soil internal N cycle and thus on nitrate leaching is of central relevance. The comparison of the undisturbed North Swedish with the German spruce site receiving high N deposition suggests that under high N deposition, solely nitrate use is inhibited, but not gross nitrification. It might be this discrepancy that lead in this case to high nitrate leaching under high N deposition regime. However, excess nitrate production did not result in a noteworthy nitrate loss under beech. Nitrate leaching was about ten times higher at the spruce sites than at the beech sites. The ratio of produced to consumed nitrate in the humus layer is only of minor importance, which can be seen from the French spruce site. There, almost all nitrate produced was taken up and the net N production was lower than the N consumption. Still, with about 29 kg N ha-1 a-1, this site exhibited the largest nitrate loss along the transect. In this study, no singular cause for the occurence of nitrate leaching could be identified, even though N deposition seems to be an important factor. There seem to be a set of factors instead, and their site specific interaction may lead to a substantial export of nitrate out of forest ecosystems.