Nährstoffkreisläufe und Bodenvegetation

Nährstofflüsse (Freiland- und Bestandesniederschlag, Streufall), Nährstoffversorgung des Bestandes, Bodenvegetation auf den Flächen der Langfristigen Waldökosystem-Forschung (LWF)

Anne Thimonier, Maria Schmitt, Peter Waldner (Project leaders)
Daniele Pezzotta

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Überblick

Um ein besseres Verstaendnis der dynamischen Prozesse in einem Waldökosystem besser zu erhalten erfordert die kontinuierliche Erfassung der ständigen Interaktionen zwischen den Kompartimenten und der Stofflüsse des Nährstoffkreislaufes. In diesem Projekt werden zwei Stofflüsse (Atmosphärische Deposition von Nährstoffen mit dem Niederschlag und den Streufall) und zwei Kompartimente (Blätter/Nadeln und Bodenvegetation).

Projekt-Ziele

Die Ziele des Projekt sind:

• quantifizieren zweier wichtiger Komponenten des jährlichen Nährstoff-Budgets des Bestandes (Atmosphärische Deposition, Streufall).
• bestimmen der Gesamtdeposition (total atmospheric deposition) und damit der Belastung, welcher das Waldökosystems ausgesetzt ist. Aus Freiland- und Bestandesniederschlag können mit Hilfe eines Modells über den Kationenaustausch in der Baumkrone die Trocken- und Nassdeposition bestimmt werden.
• beurteilen der Nährstoffversorgung des Baumbestandes und identifizieren allfälliger Mangelsituationen oder Nährstoffungleichtewichte.
• untersuchen der örtlichen und zeitlichen Variabilität der Bodenvegetation. Bodenvegeation ist hinsichtlich der Biodiversität ein wichtiges Element eines Ökosystems und spielt für das funktionieren des Ökosystems eine massgebliche Rolle. Ausserdem reagiert sie rascher auf Veränderungen als der Baumbestend und ist ein guter Bio-Indikator.
• erfassen von Daten zur Kalibration und Validation von Modellen für Schweizer Bedingungen.
• beurteilen von kritischen Situation wie der Überschreitung der Critical Loads.

Methoden

Die Sammelmethoden basieren auf den Empfehlungen in den Manuals der europäischen ICP Programme (ICP Forests, ICP Integrated Monitoring) (Anonymous, 1993, et seq.)

Das Probenahme-Design ist 1) optimiert in Bezug auf Repräsentativität und Kosten 2) und direkte Vergleiche der Stofflüsse und Kompartimente sind möglich.

Sammlung des Niederschlags, des Bestandesniederschlags und des Stammabflusses auf LWF Flaechen

Der Freilandniederschlag wird mit 3 trichterförmigen Bulk-Niederschlagssammlern gesammelt, die ausserhalb des Waldes nahe einer ebenfalls vom LWF betriebenen Meteostation stehen. Auf Flächen bei mit ergiebigen Schneefällen wird im Winter ein kübelförmiger Schneesammler eingesetzt.

Im Wald-Bestand wird der Bestandesniederschlag mit 16 Regensammlern gesammelt. Auf Flächen mit ergiebigen Schneefällen werden im Winter 4 Schneesammler eingesetzt.

Der Stammabfluss von 5 Bäumen wird je einzeln gesammelt. Er wird mit Silikonrinnen die in einer Spirale um den Stamm gelegt ist aufgefangen und in eine automatisches Wippensystem geleitet, dass die Menge registriert und eine abflussproportionale Teilprobe herstellt. Stammabfluss wird zurzeit auf einer Buchen LWF-Fläche gesammelt.

Die Niederschlagsproben werden alle 2 Wochen eingesammelt und ans WSL Labor gebracht oder geschickt. Die Proben in doppelter Ausführung verarbeitet und eine Probe im WSL Zentrallabor und eine zweite bei +2°C bis zur Validation der Resultate aufbewart. Ammonium (NH₄⁺) wird kolorimetrisch bestimmt mit einer automatisierten flow injection analysis (FIA). Calcium (Ca), magnesium (Mg), potassium (K), Natrium (Na) und Phosphor (P) werden in angesäuerten Proben (1.2% HNO3-Suprapur) mit induced coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES) bestimmt. Nitrat (NO₃^-), Sulfat (SO₄^2-) and Chlorid (Cl^-) werden am Ionenchromatograph (IC) bestimmt. Gesammter gelöster Stickstoff (TDN) wird seit März 2001 nach ansäuerung auf pH 2 bis 3 mit combustion bei 720 °C and chemiluminescence gas detection mit einem TOC-V analyser (Shimadzu, Tokyo, Japan) bestimmt.

Litterfall

Streufall wird auf 7 LWF-Flächen mit je 10 Sammlern aufgefangen, die monatlich geleert werden. Auf LWF-Flächen mit ergiebigen Schneefällen werden die Entnahmen im Winter unterbrochen und erst im Frühling fortgesetzt. Im Labor werden die Proben sortiert nach Blättern und Nadeln der Hauptbaumarten, und weitere Komponenten des Streufalls. Die Proben werden gemahlen und analysiert auf folgende Elemente analysiert: C, N mit einem CN-analyser, Ca, Mg, K, Na, B, Al, Cu, Fe, Mn, Ni, P, S mit ICP-AES. Alle Analysen werden im WSL Zentrallabor durchgefuehrt.

Nährstoffversorgung (Blatt- und Nadelanalysen)

Blätter und Nadeln werden jedes zweite Jahr von einem Baumkletterer auf je 5 Bäumen der Hauptbaumarten auf den LWF-Flächen entnommen. Nach Trocknung bei 65 °C wird das Gewicht von 100 leaves oder 1000 Nadeln bestimmt. Die Proben werden dann wie die Streufallproben gemahlen und chemisch analysiert.

Bodenvegetation

Sie Projekt "Stickstoff und Bodenvegetation".

Quellen

Anonymous, 1993. UN-ECE Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution - International Co-operative Programme on Integrated Monitoring on Air Pollution Effects: Manual for integrated monitoring. Programme Phase 1993-1996. Helsinki, Environmental Data Centre (EDC). 114 p.

Anonymous, 1994. UN-ECE Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution - International Co-operative Programme on Assessment and Monitoring of Air Pollution Effects on Forests: Manual on methods and criteria for harmonized sampling, assessment, monitoring and analysis of the effects of air pollution on forests. Hamburg, Prague, Programme Coordinating Centres West and East. 177 p.

and subsequent revisions of these manuals.

EC-UN/ECE, de Vries, W., Reinds, G. J., van der Salm, C., Draaijers, G. P. J., Bleeker, A., Erisman, J. W., Auée, J., Gundersen, P., Kristensen, H. L., van Dobben, H., de Zwart, D., Derome, J., Voogd, J. C. H., Vel, E. M., 2001. Intensive monitoring of forest ecosystems in Europe. 2001 technical report. EC, UN/ECE, Brussels, Geneva, 177 p. (PDF file)

Daten

Fig. 2. Jährliche Einträge von anorganischem Stickstoff in Freiland und Bestandesniederschlag auf LWF-Flächen und der Bereich der kritischen Einträge (Critical Loads). Die Gesamtdeposition ist im allgemeinen als der Bestandesniederschlag, da Stickstoff vom Kronendach aufgefangen wird (Referenzjahre 1995 bis 2001).

Publicationen

• Schmitt, M., Thöni, L., Waldner, P. & Thimonier, A., 2005: Total deposition of nitrogen on Swiss Long-term Ecosystem Research (LWF) plots: in situ evaluation of the throughfall and the inferential method. Atmospheric Environment, Vol. 39 (6): 1079-1091. [abstract | PDF (287 kB)]
• Thimonier, A., Schmitt, M., Waldner, P. & Rihm, B., in press: Atmospheric deposition on Swiss Long-term Forest Ecosystem Research (LWF) plots. Environmental Monitoring and Assessment. [early view: abstract | PDF (686 kB)]
• Dobbertin M., Bernhard L., Graf Pannatier E., Schmitt M., Thimonier A., Walthert L., 2001. Langfristige Waldökosystemforschung in Graubünden. Bündnerwald 54(2): 68-70.
• Thimonier A., 1998. Measurement of atmospheric deposition under forest canopies: some recommendations for equipment and sampling design. Environmental Monitoring and Assessment 53(3): 353-387.
• Thimonier A., 1998. Variabilité spatio-temporelle des dépôts atmosphériques d´éléments minéraux sous hêtraie. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen (Journal Forestier Suisse) 149(8): 585-614.
• Thimonier A., Dobbertin M., 1998. Langfristige Waldökosystem-Forschung: Erste Ergebnisse. In: P. Brang (Redaktion), Sanasilva-Bericht 1997. Gesundheit und Gefährdung des Schweizer Waldes Ð eine Zwischenbilanz nach 15 Jahren Waldschadenforschung. Berichte der Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Birmensdorf 345, pp. 59-60.
• Thimonier Rickenmann A., Schmitt M., Brang P., 2000. Zuviel des Guten. Jahresbericht der Eidg. Forschungsanstalt WSL 2000 : 19.
• Thimonier A., Schmitt M., Cherubini P., Kräuchi N., 2001. Monitoring the Swiss forest: building a research platform. In: T. Anfodillo, V. Carraro (eds), Monitoraggio ambientale: metodologie ed applicazioni. Atti del XXXVIII Corso di Cultura in Ecologia, 2001. S. Vito di Cadore, Centro Studi per l'Ambiente Alpino, Università degli Studi di Padova, pp. 121-134.

Mitarbeiter

Externe und ehemalig Mitarbeiter

Links

• International Co-operative Programme on Assessment and Monitoring of Air Pollution Effects on Forests (ICP Forests)
• Co-operative Programme for Monitoring of the Long-Range Transmission of Air Pollutants in Europe (EMEP)
• Bundesamt fuer Umwelt, Wald und Landschaft (BUWAL)
• Nationales Beobachtungsnetz für Luftfremdstoffe (NABEL)
• Ammoniak-Immissionsmessungen in der Schweiz [Bericht, PDF, 1.2 MB]
• Forschungsstelle Umweltbeobachtung (FUB)
• Institut für angewandte Pflanzenbiologie (IAP)

Project 6.97.938 "Flux d'éléments nutritifs en forêt (pluviolessivats et litière), statut nutritif des peuplements et végétation de sous-bois sur les placettes LWF"

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