Kohlenstoff in Böden

Abb. 1: Die Böden des Tessins speichern pro Fläche am meisten Kohlenstoff in den Schweizer Waldböden. Die schwarze Farbe stammt von den hohen Gehalten an ‚Black Carbon’ – Überbleibsel und Zeugen häufiger Waldbrände. Photo: Marco Walser, WSL

Abb. 2: Organische Bodensubstanz ist ein Kontinuum von frischer Streu bis zu stark umgewandeltem ,Humus’, und reicht von einfachen niedermolekularen Komponenten bis zu komplexen, hochmolekularen Verbindungen. Photo: Beat Frey, WSL

Abb. 3: Auch im Winter veratmen Böden CO2 an die Atmsophäre. An der alpinen Waldgrenze misst Silvan Rusch mit Hilfe eines Skistocks den CO2-Gradienten im Schnee, aus dem sich der CO2-Fluss aus dem Boden errechnen lässt. Photo: Frank Hagedorn, WSL

Abb. 4: Mit Hilfe eines Kranes werden in einem Mischwald die atmosphärischen CO2-Konzentrationen erhöht. Wir messen die Reaktionen des gelösten organischen C im Boden. Photo: Frank Hagedorn, WSL

Böden spielen im globalen Kohlenstoffkreislauf eine wichtige Rolle. In der Schweiz speichern sie im Humus etwa 80% des terrestrischen Kohlenstoffs und rund 7.5 mal so viel Kohlenstoff wie die Atmosphäre in Form von CO₂. Die Umsetzung von Bodenkohlenstoff hängt eng von der Temperatur, der Feuchte und der Menge sowie der Qualität des Streueintrags ab. Veränderungen des Klimas und der Landnutzung wirken sich deshalb auf den Austausch von Kohlenstoff zwischen Atmosphäre, Vegetation und Böden aus. Dieser wiederum beeinflusst die Rolle von Böden als Quellen oder Senken für atmosphärisches CO₂.  

Ziele

• Wie viel und in welcher Form speichern Schweizer Waldböden Kohlenstoff?
• Welchen Einfluss haben Klima und Landnutzungsänderung auf den Bodenkohlenstoff?
• Wie wirkt sich erhöhtes atmosphärisches CO₂ auf die Kohlenstoffdynamik in Wald- und alpinen Böden aus?
• Wie bildet sich gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) und welche Bedeutung hat dieser im Kohlenstoffkreislauf?

Vorgehen

• Freiland- und Laborversuche: Wir manipulieren Temperaturen und atmosphärische CO₂-Konzentrationen und messen die Reaktion der C-Flüsse sowie verschiedener C-Pools.
• Dem C auf der Spur: Wir setzen stabile Isotope ein, um den C-Umsatz in Böden genau zu verfolgen und damit das Prozessverständnis zu verbessern.
• Beobachten: Auf Monitoring-Flächen messen wir die C-Flüsse in Waldökosystemen.
• C-Vorräte: In systematischen Erhebungen bestimmen wir die C-Vorräte Schweizer Waldböden.

Projekte

• Alpine Waldgrenzen in einer CO₂-reichen und warmen Zukunft
  Am Stillberg bei Davos setzen wir Ökosysteme an der Waldgrenze erhöhten CO₂ Konzentration (570 vs. 370 ppm CO₂) aus und erwärmen des Boden um 3°C. Wir untersuchen Veränderungen des Wachstums, der Artenzusammensetzung, der Bodenkohlenstoffpools, den Flüssen von CO₂ und DOC sowie den mikrobiellen Lebensgemeinschaften. Das hinzugegebene CO₂ enthält eine spezifische Isotopensignatur, die es uns auch ermöglicht, den von Pflanzen aufgenommenen Kohlenstoff bis in den Boden zu verfolgen und einen genauen Einblick in den C-Kreislauf zu erhalten.
• Reaktion des gelösten organischen C auf erhöhtes CO₂ in Mischwäldern
  Im Rahmen des Swiss Canopy Crane Projekt ermitteln wir, wie eine CO₂-Erhöhung (570 vs. 370 ppm CO₂) die Menge und Qualität des DOC beeinflusst.
  
• Verschiebung der Waldgrenze im Ural und Bodenkohlenstoff
  Historische Fotografien dokumentieren einen Anstieg der Waldgrenze in den menschenleeren Regionen des Uralgebirges, höchstwahrscheinlich als Folge der Klimaveränderung. Wir untersuchen, wie sich dieser Waldgrenzenanstieg auf die Vorräte, den Umsatz und die Eigenschaft des Bodenkohlenstoffs auswirkt.
• Umsatz der organischen Substanz unter erhöhtem Stickstoffeintrag
  Der C- und N-Kreislauf sind eng miteinander verknüpft. Jüngste Versuche weisen auf einen abnehmenden C-Abbau unter erhöhtem N-Eintrag in Wäldern hin, die Gründe hierfür sind jedoch nur ungenügend bekannt. Wir bringen 13C und 15N markierte Streu im Wald aus, um zu sehen, wie sich ein experimentell erhöhter N-Eintrag auf die Umsetzung frischer Streu und älteren C aus dem Mineralboden auswirkt.
• Kohlenstoffdynamik in initialen Ökosystemen
  Auf dem Dammagletscher untersuchen, wir sich der C-Kreislauf mit fortschreitender Bodenentwicklung verändert. Wir bringen isotopisch markierte Streu auf und wenden komponentenspezifische Radiocarbon-Analysen an, um der C Dynamik auf die Spur zu kommen.
• Windwurf und Bodenkohlenstoff – eine CO₂-Quelle?
  Windwurf stört die Bodenstruktur durch umfallende Wurzelteller und durch Aufräumarbeiten, was zu einem vermehrten Humusabbau führt. Wir quantifizieren, wie sich dies auf  die C-Bilanz der Schweiz auswirken könnte.
  

Reviewte Publikationen

• Hagedorn, F., van Hees, P.A.W., Handa, I.T., S. Hättenschwiler (2008): Elevated atmospheric CO2 fuels leaching of old dissolved organic matter at the alpine treeline. Global Biogeochemical Cycles doi:10.1029/2007GB003026.
• Handa, I.T.; Hagedorn, F.; Hättenschwiler, S. (2008): No stimulation in root production in response to four years of in situ CO2 enrichment at the Swiss treeline. Functional Ecology  22, 348-358.
• Hagedorn, F., Machwitz, M. (2007): Controls on dissolved organic matter leaching from forest litter grown under elevated atmospheric CO2. Soil Biology and Biochemistry, 39, 1759-1769.
• Fröberg, M., Berggren, D., Hagedorn, F. (2007): The contribution of fresh litter to dissolved organic carbon leached from a coniferous forest floor. European Journal of Soil Science 55, 108-114.
• Jandl, R.  Lindner, M., Bauwens, B., Vesterdal L., Baritz, R., Hagedorn, F., Johnson, D., Minkkinen, K., Byrne, K. (2007): Review: How strongly can forest management influence soil carbon sequestration? Geoderma 137, 253-268.
• Hajdas, I., Schlumpf, N., Minikus-Stary, N., Hagedorn, F., Eckmeier, E., Schoch, W., Burga, C., Bonani, G., Schmidt, M.W.I., Cherubini, P., (2007): Radiocarbon ages of soil charcoals from the southern Alps, Ticino,Switzerland. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 259: 398-402.
• Frey, B., Hagedorn, F., Guidici, F. (2006): Effect of girdling on soil respiration and root composition in a sweet chestnut forest. Forest Ecology and Management 225, 271-277.
• Hagedorn, F., Maurer, S., Bucher, J.B., Siegwolf R. (2005): Immobilization, stabilization and re-mobilization of N in forest soils at elevated CO2: a 15N and 13C tracer study. Global Change Biology 11, 1816-1827.
• Hagedorn, F., Saurer, M., Blaser, P. (2004): A 13C tracer study to identify the origin of dissolved organic carbon in forested mineral soils. European Journal of Soil Science 55, 91-100.
• Heim, A., Frey, B., 2004: Early stage litter decomposition rates for Swiss forests. Biogeochemistry 70, 301-315.
• Hagedorn, F., Spinnler, D., Siegwolf, R. (2003a): Increased N deposition retards mineralization of old soil organic matter. Soil Biology and Biochemistry 35, 1683-1692.
• Hagedorn, F., Spinnler, D., Bundt, M., Blaser, P., Siegwolf R. (2003b): The input and fate of new C in two forest soils under elevated CO2. Global Change Biology 9, 862-872.
• Hagedorn, F., Blaser, P., Siegwolf, R. (2002a): Elevated atmospheric CO2 and increased N deposition effects on dissolved organic carbon - clues from _13C signature. Soil Biology and Biochemistry 34, 355-366.
• Hagedorn, F., Landolt, W., Tarjan, D., Egli, P., Bucher, J.B. (2002b): Elevated CO2 influences nutrient availability in young beech-spruce communities on two soils. Oecologia 132, 109-117.
• Hagedorn, F., Maurer, S., Egli, P., Blaser, P., Bucher, J.B., Siegwolf, R. (2001a): Carbon sequestration in forest soils - effects of soil type, atmospheric CO2 enrichment, and N deposition. European Journal of Soil Science 52, 619-629.
• Hagedorn, F., Bucher, J.B., Schleppi, P. (2001c): Contrasting dynamics of dissolved inorganic and organic nitrogen in soil and surface waters of forested catchments with Gleysols. Geoderma 100, 173-192.
• Bundt, M., Jäggi, M., Blaser, P., Siegwolf, R., Hagedorn, F. (2001): Carbon and nitrogen dynamics in preferential flow paths and matrix of a forest soil. Soil Science Society of America Journal 65, 1529-1538.
• Hagedorn, F., Bucher, J.B., Tarjan, D., Rusert, P., Bucher-Wallin, I. (2000a): Responses of N fluxes and pools to elevated atmospheric CO2 in model forest ecosystems with acidic and calcareous soils. Plant and Soil 224, 273-286.
• Hagedorn, F., Schleppi, P., Waldner, P., Flühler, H. (2000b): Export of dissolved organic carbon and nitrogen from Gleysol dominated catchments - the significance of water flow paths. Biogeochemistry 50, 137-161.
• Hagedorn, F., Kaiser, K., Feyen, H., Schleppi, P. (2000c): Effects of redox conditions and flow processes on the mobility of dissolved organic carbon and nitrogen in a forest soil. Journal of Environmental Quality 29, 288-297.
• Perruchoud, D., Walthert, L., Zimmermann, S., Lüscher, P. (2000): Contemporary carbon stocks of mineral forests soils in the Swiss Alps. Biogeochemistry 50, 111-136.
• Perruchoud, D., Kienast, F., Kaufmann, E., Bräker, O. U. (1999): 20th century carbon budget of forest soils in the Alps. Ecosystems 2, 320-337.

Weitere Publikationen

• Hagedorn, F., Kaufmann, E., Zimmermann, S., Volz, R. (2005): Kohlenstoff-Vorrat. Waldbericht 2005 – Zahlen und Fakten zum Zustand des Schweizer Waldes. BUWAL & WSL, 36-39.
• Hagedorn, F. (2005): Böden - grosse Speicher, kleine Senken für CO2. - Vierteljahrsschrift Naturforschende Gesellschaft Zürich 150, 3-4: 94-96.
• Van der Meer, M. Hagedorn, F., Schweingruber, F.H., Rigling, A., Moiseev, P.A. (2004): Dynamik der alpinen Waldgrenze im südlichen Ural (Russland). DIE ERDE 135, 151-174.
• Zimmermann, S., Hagedorn, F., Walthert, L. (2004): Erfassung des Kohlenstoffvorrats in Schweizer Waldböden: Wunschdenken und Realität. - Bulletin Bodenkundliche Gesellschaft Schweiz 27, 11-16.
• Hagedorn, F. (2003): Böden - grosse Speicher, kleine Senken für CO2. Informationsblatt Forschungsbereich Wald 15, 4-5.
• Hagedorn, F.; Hättenschwiler, S.; Siegwolf, R. (2003): Die Herkunft von DOM in Waldböden - Hinweise aus Feldversuchen mit markiertem 13CO2. Mitteilungen der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft 102, 173-174.
• Hagedorn, F. (2002): Kann der Schweizer Wald als CO2-Senke dienen? Natur und Mensch 6, 6-11.
• Hagedorn, F.; Gärtner, H.; Bucher, J.B. (2002): Schweizer Wald: Eine Senke für atmosphärisches CO2? Holzforschung Schweiz 10, 7-9.
• Lüscher, P. (2002): Humus dynamics and changes in rooting patterns in windthrow areas. For. Snow and Landsc. Res. 77, 49-59.
• Hagedorn, F.; Blaser, P.; Bucher, J.B.; Siegwolf, R. (2001): Kohlenstoffpools von Modell-Waldökosystemen unter erhöhtem atmosphärischem CO2 und gesteigerter N-Deposition. Berichte Freiburger Forstliche Forschung 33, 149-155.
• Hagedorn, F.; Blaser, P.; Bucher, J.B.; Siegwolf, R., (2001): Kohlenstoffpools von Modell-Waldökosystemen unter erhöhtem atmosphärischem CO2. Mitteilungen der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft 96, 193-194.

Mitarbeitende

• Frank Hagedorn (Erhöhtes CO₂, Temperatur, Isotope, DOC)
• Stephan Zimmermann (Boden C-Pools)
• Elisabeth Graf-Pannatier (DOC)
• Beat Frey (mikrobielle Prozesse)
• Ivano Brunner (Wurzeln)
• Sonja Wipf (Erhöhtes CO₂, Temperatur, stabile Isotope, Winterprozesse)
• Adrian Kammer (N Deposition, Isotope, Ural)
• Kathi Gülland (Gletschervorfeld, Isotope, DOC)
• Silvan Rusch (Windwurf und CO₂)
• Urs Bloesch (C-Dynamik in Savannen)
• David Hiltbrunner, Matthias Müller, Dimitri Malsam, Daniel Wiedemeier (Diplomanden)
• Alois Zürcher (Labor)
• Daniel Christen (Labor)
• Zentrallabor WSL (chemische Analysen)

Kontakt

• Frank Hagedorn