A carbon balance model for organic layers of acid forest soils

Organic layers of acid forest soils are highly dynamic carbon reservoirs. During forest succession the stored amount of organic carbon (OC) changes drastically. Because of feedback between OC storage in organic layers and in mineral soils and other compartments of the environment (plant, atmosphere, and groundwater), there is a strong need for applicable carbon balance models, particularly for organic layers. In this paper a simplified model for the carbon balance of organic layers (CABOLA model) of acid forest soils is presented. The model considers two horizons, the L and O horizon. Decomposition and transport processes are described by first order differential equations. C input into the organic layer is due to litter fall onto the L horizon. The governing equations are solved by integration. To demonstrate the model's capability of simulating the OC dynamics of organic layers, data on OC storage in organic layers of acid sandy forest soils with deep groundwater tables (Podzols) under pine stands were used. Together with literature data and some assumptions, these data were used for a first, rough estimation of the model parameters. Model calculations confirm that the CABOLA model is in principle able to simulate the dynamics of OC storage in organic layers during forest succession. Nevertheless, intensive research efforts will be necessary to independently parameterize the model for broad applications. Ein Modell der Kohlenstoffbilanz von Humusauflagen saurer Waldboden Humusauflagen saurer Waldboden sind Kohlenstoff- und Nahrstoffspeicher, die eine grose Auf- und Abbaudynamik aufweisen. Besonders im Zuge des Bestandesumtriebs unterliegen die Mengen an gespeichertem organischen Kohlenstoff erheblichen Veranderungen. Da die Kohlenstoff- und auch Nahrstoffspeicherung in Humusauflagen und Mineralboden direkt und indirekt mit anderen Umweltkompartimenten (Atmosphare, Grundwasser) ruckgekoppelt ist, sind leicht anwendbare Simulationsmodelle, die u.a. die Dynamik der Kohlenstoffbilanz von Humusauflagen simulieren konnen, von grosem Interesse. In dieser Arbeit wird ein einfaches Kohlenstoffbilanzmodell (CABOLA-Modell) fur Humusauflagen saurer Waldboden vorgestellt. Das Modell geht von zwei Horizonten der Humusauflage, dem L- und O-Horizont, aus. Innerhalb der Horizonte wird der organisch gebundene Kohlenstoff (OC) einem Pool bzw. einer Fraktion zugeordnet. Der OC-Abbau und der OC-Transport von einem Horizont zum anderen werden durch Differentialgleichungen erster Ordnung beschrieben. Der Kohlenstoffeintrag in die Humusauflage erfolgt durch Streufall auf den L-Horizont. Die Modellgleichungen werden geschlossen durch Integration gelost. Um grundsatzlich aufzuzeigen, dass das Modell fahig ist, die dynamische Entwicklung der Kohlenstoffspeicherung in Humusauflagen zu simulieren, wird auf Daten der OC-Speicherung in Humusauflagen saurer, grundwasserferner Sandboden (Podsole) unter Kiefernforst zuruckgegriffen. Dazu wurden Standorte im Wassereinzugsgebiet Fuhrberger Feld, nordlich von Hannover, beprobt. Die Daten zeigen, dass die gespeicherte OC-Menge wahrend eines Umtriebs besonders im O-Horizont von unter 10 t OC ha—1 auf ca. 50 t OC ha—1 ansteigt. Auf der Basis dieser Daten, weiterer Angaben aus der Literatur und einiger, begrundeter Annahmen, wird eine erste Schatzung der Modellparameter durchgefuhrt. Anhand von Modellrechnungen mit diesen Parametern wird die grundsatzliche Eignung des CABOLA-Modells zur Simulation der Dynamik der OC-Speicherung in Humusauflagen bestatigt. Allerdings werden weitere intensive Forschungsanstrengungen notig sein, um die Modellparameter fur breite Anwendungen des Modells aus unabhangigen Messungen zu ermitteln.