Hainichtagung 2016

15 Jahre C-Bilanzierung im Weberstedter Holz /

Nationalpark Hainich

Alexander Knohl1, Martina Mund2, Marion Schrumpf3

1 Abt. Bioklimatologie, Georg-August Universität Göttingen2 Abt. Waldbau und Waldökologie der gemässigten Zone, Georg-August Universität Göttingen3 Abteilung Biogeochemische Prozesse, Max-Planck-Institut für Biogeochemie Jena

1

Terrestrische Ökosysteme sind wichtige Regulatoren

(Ciais et al., 2013, IPCC)

Quelle: MPI BGC und Le Quere et al. 2015. Earth Syst. Sci. Data

93 90

0.9

9.0

123

60

60

+4.4

+3.0

+2.6

Einheit : Gt C y-1

Terrestrische

Ökosysteme sind

wichtige Regulatoren

des biogeochemischen

Stoffkreisläufe von

lokaler bis globaler

Ebene

Globale CO2 Änderungsrate

CO

2(p

pm

y-1

)

Jahr

2

Zeitliche Änderungen der Quellen und Senken

Jahr

Le Quéré et al. (2015), Earth System Science Data

CO

2F

luss (

GtC

Ja

hr-

1)

Terrestrische

Ökosysteme zeigen die

höchste zeitliche

Variabilität

Quantifizierung der

Landsenke schwierig

3

Integrated Carbon Observation System (ICOS)

Seite

4

Atmosphäre

Ozeane

Terrestr. Ökosysteme

Langfristige Erfassung der Kohlenstoff-Bilanz von Europa

Hainich

Wieviel C wird netto vom Hainich

(Webersteder Holz) aufgenommen?

5

Messung des Netto-CO2-Flusses von Ökosystemen

Netto-CO2-Fluß

6

00:00 6:00 12:00 18:00 24:00

-32

-24

-16

-8

-4

0

4

8

Jan.

Okt.

Jul.

Apr.

C-Abgabe

C-Aufnahme

Blattfall

Unterwuchs

(µm

ol C

O2

m-2

s-1

)

CO2-Flüsse im Jahr 2000

2000

7

Tageszeit

Mo

na

t im

Ja

hr

Beispiele aus/mit dem Hainich

Hitzewelle 2003 wandelte die Europäischen

Landökosysteme von einer C Senke zu einer C Quelle.

Ciais et al. 2005, Nature

Landmanagement kann einen ähnlichen Effekt auf lokale

Erwärmung haben wie Landnutzungsänderungen.

Luyssaert et al. 2014, Nature Climate Change

Diffuse Strahlung erhöht die Effizienz der CO2 Aufnahme.

Knohl et al. 2008, Jour. Geophys. Res. –

Biogeosci

> 50 Publikationen, hunderte Datenanfragen

Netto-Primär-Produktion

Anomalien

8

Bestandesalter

Brutto-Primär-Produktion

Ökosystematmung

Netto CO2

Aufnahme

C Vorrat

Odum, 1969

Besonderheit des Turmstandort Hainich

Hainich ist einer der ganz wenigen alten,

unbewirtschafteten Wälder weltweit mit solchen

Messungen

9

Was passiert, wenn Wälder alt werden?

-12

-8

-4

0

4

CO

flux

[gC

md

]2

-2-1

2000

2001

Jan. 2000 - Dec. 2001

J A J O

Knohl et al. 2003, Ag. For. Met.

Hainich, Thüringen

C Quelle

C Senke

Net

CO

2F

lux

[g

C m

-2 d

-1]

Jan. Apr. Jul. Okt.

Wald ist weiterhin

C Senke 400 -

600 g C m-2

10

Luyssaert et al, 2008, Nature

boreale Wälder

temperate Wälder

Alter [Jahre]

Netto-CO2 Fluss sinkt mit Alter,

bleibt aber im Mittel positiv

Globale Perspektive?

Ne

tto

CO

2F

luß

[t

C h

a-1

yr-

1]

Globales Fluxnet Netzwerk

Unsere Studie: 519 boreale und

temperate WaldstandorteC Quelle

C Senke

11

16 Jahre kontinuierliche Messungen

bisher kein signifikanter Trend

insgesamt geringe interannuelle Variabilität (CV = 12%) im Vergleich zu

bewirtschafteten Wäldern

Variabilität nicht nur durch Umweltfaktoren erklärbar, biologische Prozesse

wie Mast spielen wichtige Rolle

Wieviel C geht in die Biomasse?

13

Netto-Primärproduktion (NPP)

• hohe inter-annuelle Variabilität einzelner Kompartimente

• geringe Variabilität von Gesamt-NPP

• Mastjahre: 2004, 2006, 2009, 2011, 2014

Mittlere Holz-NPP:

240 gC m-2 Jahr-1

Stabw.

Jahr

03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14

NP

P (

gC

m-2

Ja

hr

-1)

0

50

100

150

200

250

300

350

600

700

800

900

Gesamt

Blätter

Früchte

Holz

14

Mund et al. 2010, Mund et al. in prep.

Holz-NPP = f (Wetter; Frucht-NPP)Multiple linear Regression (R2 = 0.913)

Variable Koeffizient Standard

Fehler

p Standardisierter

Koeffizient

Interzept -188.419 56.238 -0.010

Mittl. Temperatur Mai (°C) 22.334 3.805 <0.001 0.824

Niederschlag Summe April

& Mai (mm)

0.730 0.104 <0.001 0.984

Fruit NPP (gC m-2 year-1) -0.323 0.0575 <0.001 -0.586

Weist der negative Einfluss der

Fruchtproduktion auf einen

Verteilungskampf um C zwischen

vegetativem und regenerativem

Wachstum hin?

Jahr

2004 2006 2008 2010 2012 2014

Holz

-NP

P (

gC

m-2

Jahr-1

)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

Messung

Model (TMittl. May, NSApril+Mai, Frucht NPP)

15

Mund et al. in prep.

GPP und NPP

GPP (gC m-2 Jahr -1)

0 1400 1500 1600 1700

NP

P (

gC

m-2

Ja

hr

-1)

0

200

400

600

800

1000

Holz-NPP

Gesamt-NPP

die jährliche NPP wird nicht von der Verfügbarkeit neu

assimilierten Kohlenstoffs bestimmt

16

Mund et al. in prep.

Totholzdynamik

Totholzvorräte:

• rund 1100 gC m-2 oder 6% des lebenden Bestandes

• Hohe räumliche Variabilität: Variationskoeffizient = 90%

Holz-NPP ~ NEPBiomasse

Methode:

o 2 Totholztransekte: jeweils 1 km lang, 40 m breit; BHD ≥ 30 cm, Inventur: 2006,

einzelne Begehungen, geplante Wiederholung 2016/17

o 34 Inventurplots (r = 15 m): Inventuren 2000, 2005, 2011, geplant 2016/17

• Mortalität < 1 Masse%

17

Mund et al. in prep.

Verteilung der Holz-C-Vorräte

BHD-Klasse (cm)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Ho

lz-C

-Vo

rra

t (t

C h

a-1

)

0

10

20

30

40

50

2005

2000

2011

18

Mund et al. in prep.

• Wie C geht in den Boden?

Wieviel C geht in den Boden?

19

Probenahme und Probenaufbereitung

• 100 Bohrkerne entlang von Grid im

Frühjahr 2004 und 2009 entnommen

• Zunächst Beprobung der organischen Auflage

mit Stechrahmen

• Bohrkern mit Rammkernsonde

bis 60 cm Tiefe:

0-5, 5-10, 10-20, 20-30,

30-40, 40-50, 50-60 cm

• Bestimmung von

- Lagerungsdichte

- Steingehalt

- Wurzelbiomasse

- Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration

- Kohlenstoff- und Stickstoffvorräte

20

Probenahme und ProbenaufbereitungSchritte bis zur Analyse:

Aussortieren von

Steinen und Wurzeln

Lufttrocknung Sieben < 2mm

Mahlen Einwaage für C/N Analyse Analyse am Elementaranalysator

vario MAX

Herzliches Danke an:

Marco Pöhlmann, Enrico Weber

AG Roma (Ines Hilke and Birgit Fröhlich)

Vielen weiteren helfenden Händen

21

OC Konzentration (g kg-1

)

0 20 40 60 80

Bo

de

ntie

fe (

cm

)

0

10

20

30

40

50

60

Feinboden (kg m-2

)

0 50 100 150 200

20042009

OC Vorrat (kg m-2

)

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

2004: 687 kg m-2

2009: 656 kg m-2

**

* *

*

Ergebnisse Kohlenstoff 1

• OC-Konzentrationen haben zugenommen

• Lagerungsdichte 2009 geringer als 2004

• Keine signifikanten Vorratsänderungen, bei Bezugauf Bodenvolumen

22

Schrumpf et al. 2014 (PLOS ONE)

Ergebnisse Kohlenstoff 2

Differenz 2012-2004 (g m-2

)

-500 0 500

Bodentiefe

(cm

)

0

10

20

30

40

50

60

Kumulativer C Vorrat (kg m-2

)

0 2 4 6 8 10 12 14

Bodentiefe

(cm

)

0

10

20

30

40

50

60

Kumulativer C Vorrat (kg m-2

)

0 2 4 6 8 10 12

Kum

ula

tive B

odenm

asse (

kg m

-2)

0

200

400

600

800

Differenz 2012-2004 (g m-2

)

-500 0 500

Kum

ula

tive B

odenm

asse (

kg m

-2)

0

200

400

600

800

20042012

65 ±29 g C m-2

yr-1

23

C Speicherung im

Boden:

65 ± 29 g C m-2 yr-1

2004

2009

Differenz 2009-2004 (g m-2) Differenz 2009-2004 (g m-2)

Schrumpf et al. 2014 (PLOS ONE)

Ergebnisse Stickstoff

TN Konzentration (g kg-1

)

0 2 4 6 8

Bodentiefe

(cm

)

0

10

20

30

40

50

60

Soroe

TN concentration (g kg-1

)

0 2 4 6 8

Easter Bush

TN concentration (g kg-1

)

0 2 4 6 8

20042009

20042012

20042011

• Neben OC ist auch die N-Konzentration gestiegen

• Das OC / TN Verhältnis der Änderung schwankt

zwischen 7 und 11

• Gesamt- N-Akkumulation: 7.8 ± 2.0 g N m-2 yr-1

Differenz OC Vorrat 04-09 (g m-2)

-4000 -2000 0 2000 4000 6000Diffe

ren

z N

Vo

rra

t (g

m

-2)

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

y = 0.062x+18.99 r=0.93

24

Schrumpf et al. 2014 (PLOS ONE)

Entwicklung der mittleren Holz-C-Vorräte ?

Simulationszeitraum (Jahre)

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Holz

vo

rrat

(tC

ha

-1)

040

140

160

180

200

220

240

260

280

300

040

140

160

180

200

220

240

260

280

300

2010

2005

2000

Dachsberg-Schnepfenhardt

Weberstedter Holz

Turm

fläch

e

Nationalparkverwaltung Hainich 2012

Mund et al. 2015

Hypothetischer

Gleichgewichtsvorrat (?)

Referenz: Uholka, Ukraine,

Commarmot et al. 2013

25

Zusammenfasssung

• Weberstedter Holz ist zur Zeit eine C

Senke

• Zeitliche Variationen erklären sich durch

a) kurzfristig: direkte Umweltfaktoren

b) interannuell: Interaktion Klima und

physiologische Prozesse

c) langfristig: natürliche Bestandesentwicklung

und Global Change

26

Unser Dank gilt:

Kübler, Karl,

Parth, Andreas

Pöhlmann, Marco

Pruschitzki, Uli

Rebmann, Corinna

Schulze, Ernst-Detlef

Schumacher, Jens

Siebicke, Lukas

Tamrakar, Rijan

Tiedemann, Frank

Trumbore, Susan

Tunsch, Edgar

Unger, Michael

Westphal, Ulrike

Ziegler, Waldemar

Wirth, Christian

und vielen studentischen

Helferinnen und Helfern

Verwaltung des NP Hainich

Europäische Kommission

(CARBOEUROPE, Forcast,

Carboeuroflux)

BMBF (ICOS)

Max-Planck-Gesellschaft

DFG

Fastnacht, Agnes

Fellert, Dietmar

Ghimire, Bishal

Herbst, Mathias

Hertel, Martin

Hilke, Ines

Hippler, Kerstin

Kollascheck, Marcus

Kolle, Olaf

Kuhlmann, Iris

Kutsch, Werner

Kreilein, Heinrich

27