Implications of forest structure on carbon dioxide fluxes

Field: Environmental Science (Physical Sciences)

Wälder bieten der Gesellschaft zahlreiche wichtige Ökosystemdienstleistungen (ESS, ecosys- \ntem services), die empfindlich gegenüber dem Klima und extremen Klimaereignissen wie \nbspw. Dürren sind. Eine für diese Arbeit relevante ESS ist die Fähigkeit, das Treibhausgas \nKohlendioxid ( CO2 ) zu speichern. Es wird vermutet, dass Artendurchmischung und struk- \nturelle Heterogenität, den Effekt von Klimaschwankungen auf Wälder reduzieren können. \nEs ist wichtig zu verstehen, wie zunehmende Diversität und Heterogenität dazu beitragen \nkönnen, die Effekte von Klimaereignissen auf die CO2 -Aufnahme zu dämpfen. Gegenwärtig \nist die Fähigkeit verschiedener Wälder, den Klimaauswirkungen zu widerstehen oder sich \nvon diesen zu erholen noch unbekannt. Diese Arbeit untersucht deshalb die Bedeutung \nvon der Waldstruktur für die CO2 -Flüsse, um diese Wissenslücke zu füllen. Kapitel 1 \nenthält den allgemeinen Hintergrund zur Thematik. Kapitel 2 untersucht die Rolle von \nstruktureller Diversität für die saisonalen und jährlichen CO2 -Flüsse in zwei gemäßigten \nLaubwäldern für einen Zeitraum von elf Jahren. Die beiden Waldgebiete haben ein ähn- \nliches Bestandsalter und nahezu gleiche Klimabedingungen, jedoch ist die Bestandstruktur \nunterschiedlich. Die Hauptfrage war, wie sich das Management und damit verbundene \nstrukturelle Diversität auf die CO2 -Flüsse auswirken kann. Wir zeigen, dass die jährliche \nNettoökosystemproduktivität (NEP, net ecosystem productivity) im gemanagten, gleichal- \ntrigen und homogenen Wald im Durchschnitt um 13 % höher war als im unbewirtschafteten, \nungleichaltrigen und strukturell vielfältigen Wald. Das homogene Waldgebiet zeigte jedoch \neine stärkere Empfindlichkeit der saisonalen NEP und der Bruttoprimärproduktivität \n(GPP, gross primary productivity) gegenüber Umwelteinflüssen. Kapitel 3 stützt sich auf \nDaten von 21 Fluxnet-Standorten, um den Effekt von neun strukturellen Parametern auf \ndie zeitliche Stabilität der lichtgesättigten photosynthetischen Kapazität ( GPP1000 ) und \nauf ihre Widerstandfähigkeit gegenüber Veränderungen der Wasserverfügbarkeit während \nDürren zu untersuchen. Die Studie befasst sich mit zwei Fragen: (a) Haben strukturell \nvielfältige Wälder eine geringere Variation der jährlichen GPP1000 ? Und (b) Sind strukturell \nvielfältige Wälder resistenter gegenüber Dürreereignissen? Die Ergebnisse zeigen, dass un- \nbewirtschaftete Wälder und als Hochwald bewirtschaftete Wälder, die höhere Grundflächen \nhaben und tendenziell älter und vielfältiger in der Größe sind, stabilere jährliche GPP1000 \nhaben. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Standorten hinsichtlich der Anomalien \nder GPP1000 während Dürreperioden wurden hauptsächlich durch die Lufttemperatur in \nder Vegetationszeit erklärt. Kapitel 4 präsentiert ein neues Modell des Bodenwassers und \ndem damit verbundenen Flüssen in Wäldern – Forest Soil Water Model (FSWM), welches \nmithilfe von R entwickelt wurde. Das Modell eignet sich für das Simulieren von Boden- \nwasser in einem weiten Spektrum von Waldböden. FSWM beinhaltet das Gash-Modell \nfür Interzeption, das Ritchie-Modell für Bodenverdunstung und die Richard-Gleichung \nfür Bodenwasserbewegung. Die Leistungfähigkeit von FSWM wurde anhand von Boden- \nwassermessungen an 12 Standorten geprüft. Die Modellleistung war gut für Laubwälder, \nmäßig für Misch- und immergrüne Nadelwälder. FSWM bietet Flexibilität beim Simulieren \nvon Bodenhorizonten mit verschiedenen Tiefen und ist nützlich, wenn modellierte und \nbeobachtete Werte von verschiedenen Bodentiefen miteinander verglichen werden. Mit \ndiesen Eigenschaften ist FSWM ein flexibles und frei verfügbares Werkzeug für Ökosystem- \nund hydrologische Forschung. Es sind zusätzlich zwei Co-Autorenbeiträge im Anhang \nenthalten. Der erste Aufsatz bewertete den Nettoökosystemaustausch (NEE, net ecosys- \ntem exchange) von CO2 , die Gesamtevapotranspiration und die Nettoprimärproduktion \n(NPP, net primary production) für zwei benachbarte Buchenwälder (Fagus syvatica L.) in \nMitteldeutschland, die sich im Standortmanagement unterschieden. Wir fanden heraus, \ndass die zwischenjährliche Variabilität im bewirtschafteten, gleichaltrigen Bestand höher, \nund die Funktion als CO2 -Senke im unbewirtschafteten Wald während eines Trockenjahres \nniedriger war. Die Waldstruktur hätte die Reaktion auf Dürren beeinflussen können, aber \nin unserem Fall konnte der Struktureffekt nicht von den Umwelteinflüssen getrennt werden. \nDer zweite Aufsatz untersuchte Faktoren, die die zwischenjährliche Variabilität (IAV, inter- \nannual variability) der photosynthetischen Kapazität bei Lichtsättigung beeinflussen, einer \nwichtigen funktionalen Eigenschaft des Ökosystems, die die GPP bestimmt. Die Studie \nergab, dass der ältere und artenreiche Wald die IAV der photosynthetischen Kapazität bei \nLichtsättigung reduzierte. Im Allgemeinen unterstützen die Ergebnisse dieser Arbeit die \nIdee, dass unbewirtschaftete Wälder, vor allem ältere und artenreiche, eine geringere IAV \nin NEP, GPP und GPP1000 aufweisen. Grund hierfür ist ihre Anpassung an das jeweilige \nHabitat durch die Selektion geeigneter Arten, wodurch eine Waldstruktur entsteht, die \nLicht, Wasser und Nährstoffressourcen effizienter nutzen kann. Der Effekt der Waldstruktur \nwar während Dürreperioden nicht eindeutig. Um eindeutige Ergebnisse zu bekommen, sind \nweitere Untersuchungen notwendig, die ein breites Spektrum von verschiedenen Standorten \naus verschiedenen Klimazonen und mehr strukturelle Attribute abdecken.