Mikrobielle Biomasse und Kohlenstoffmineralisierung im Waldgrenzökoton am Stillberg (Davos / Schweiz) Analyse und Modellierung

Markus Reichstein

Diplomarbeit*

Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wurden im Waldgrenzökoton der Stillbergalp (Davos/Schweiz) an zwei reliefbedingten, hinsichtlich der Humusform unterschiedlichen Standorttypen (Hangrippe: Rohhumus unter Zwergsträuchern; Lawinenrunse: Mull unter Reitgrasrasen) Untersuchungen zu mikrobieller Biomasse und Kohlenstoffmineralisierung mit dem Ziel durchgeführt, eine bodenökologische Charakterisierung der Standorttypen vorzunehmen. Zusätzlich sollte an drei Standorttypen (Hangrippe, Nord- und Ostflanke) die kleinräumige Variabilität (0,2 - 2 m) von Eigenschaften organischer Auflagen und der Einfluß der Vegetationsstruktur auf sie beschrieben werden. Die Stillbergalp ist ein 2000 - 2230 m ü. NN gelegener, nordost-exponierter, orographisch stark gegliederter Hang der oberen subalpinen Stufe, dessen Untergrund von granitoidischen Paragneisen gebildet wird. Für die Erfassung der kleinräumigen Variabilität der organischen Auflagen und der Vegetationsstruktur wurden Rasterkartierungen durchgeführt und nicht-ergodische Korrelogramme berechnet. Die mikrobielle Biomasse wurde mit der substratinduzierten Respiration (SIR) und der Chloroform-Fumigation-Extraktion (CFE) untersucht. Die Kohlenstoff-mineralisierung wurde in einer 104-tägigen Laborinkubation bei 5, 15 und 25° C und 60 % der maximalen Wasserhaltekapazität ermittelt, mit einem Zwei-Fraktionen Modell beschrieben und mit einem mathematischen Modell zur Kohlenstoffdynamik auf Feldbedingungen übertragen.

Die geostatistische Analyse ergab:

• Die räumliche Variabilität der erhobenen Parameter war mit Variationskoeffizienten von bis zu 70 % deutlich höher als in Acker- und Waldflächen des Flachlandes, wobei selbst innerhalb von 0,2 m noch eine hohe Variabilität der Bodeneigenschaften vorlag. Sowohl die Vegetationsstruktur als auch der Standorttyp hatten einen Einfluß auf die Mächtigkeit der organischen Auflage.
• Der für die Waldhumusformenkartierung übliche Stichprobenumfang von 10 müßte im Waldgrenzökoton auf mindestens 30 - 35 erhöht werden, um eine gleich gute Schätzung der Mächtigkeit zu erreichen.

Die Untersuchungen zu mikrobiellen Parametern brachten folgende Ergebnisse:

• Bei Anwendung der konventionellen Umrechnungsfaktoren führte die SIR-Methode zu deutlich niedrigeren Schätzungen der mikrobiellen Biomasse als die Standardparameter (EC, ENin) der CFE-Methode, wobei die Unterschiede zwischen den Methodenpaaren in den Hangrippenproben ausgeprägter waren.
• Die mikrobielle Biomasse war, bezogen auf den organischen Kohlenstoff (= Cmic/Corg), im A-Horizont der Runsen größer als in der organischen Auflage der Hangrippen, während sich bei Bezug auf den Gesamtstickstoff (= Cmic/Nt) kaum Unterschiede zwischen Hangrippen und Runsen ergaben.
• Der metabolische Quotient (qCO2) war sehr variabel und unterschied sich im Mittel zwischen Hangrippen und Runsen nicht.
• Pro Zeiteinheit und Masse Corg wurde in den Runsen mehr Kohlenstoff mineralisiert als in den Hangrippen.
• Die Kohlenstoffmineralisierung korrelierte mit C- und N-Gehalten (gesamt und extrahierbar) bei den Runsen stärker positiv als bei den Hangrippen. Mit Biomasse-Parametern waren nie positive Korrelationen festzustellen.

Aus den mikrobiellen Parametern sind folgende Schlußfolgerungen möglich: Das im Vergleich zu den Runsen niedrigere Cmic/Corg-Verhältnis der Hangrippen deutet im Zusammenhang mit dem weiteren Corg/Nt-Verhältnis und der langsameren Kohlenstoffmineralisierung auf eine schlechtere Qualität der organischen Substanz der Hangrippen und eine stärkere Limitierung der Mikroorganismen durch andere Faktoren als Kohlenstoff hin. Einen Hinweis auf einen höheren Anteil dormanter bzw. K-selektierter Mikroorganismen oder höhere Streßintensität (sensu GRIME) in den Hangrippen im Vergleich zu den Runsen stellt das dort geringere SIR/EC-Verhältnis dar.

• Die Temperaturabhängigkeit der Kohlenstoffmineralisierungsraten zwischen 5 und 25° C ließ sich am besten mit einem temperaturunabhängigen Q10 von 2,5 und 2,8 (Hangrippen bzw. Runsen) beschreiben. Der Q10 des jeweils aktuellen CO2-Effluxes war zeitlich nicht konstant.
• Die Übertragung der Kohlenstoffmineralisierung von Labor- auf Geländebedingungen war mit großen Unsicherheiten verbunden. Die Schätzung der jährlichen Kohlenstoffmineralisierung hing stark von den verwendeten Modellen der Temperaturabhängig-keit der Kohlenstoffmineralisierung ab.
• Die jährliche Kohlenstoffmineralisierung wurde in den Hangrippen und Runsen auf ca. 50 - 100 g CO2-C m-2 a-1 geschätzt (bei 3 - 4 mal schnellerem Turnover in den Runsen). Die Kohlenstoffmineralisierung außerhalb der Vegetationsperiode ist dem Modell zufolge nicht zu vernachlässigen (mindestens 15 % der jährlichen Kohlenstoff-mineralisierung).

Zusammenfassend können die Hangrippen als Systeme mit hoher Streß- und geringer Störungsintensität, die Lawinenrunsen dagegen als Systeme mit hoher Störungs-, aber relativ geringer Streßintensität charakterisiert werden.

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