Messungen zur Bodenrespiration auf der Fläche „Beerenbusch Buche“

Autor: Hubert Jochheim (ZALF)

Im Untersuchungsbestand „Buche Beerenbusch“ (Plot 1207) wurden im Jahr 2001 Messeinrichtungen zur Untersuchung des Wasser- und Stoffhaushalts sowie des Zuwachsverhaltens des Bestandes instal-liert. Der Bestand dient als Ergänzung zu den in Brandenburg im Rahmen des Level-II-Programms be-probten 6 Kiefernbeständen und wurde nach vergleichbaren Methoden vom ZALF und der LFE beprobt und analysiert. Nähere Angaben zum Bestand und zu ersten Ergebnissen finden sich in Jochheim et al.

(2007).

4.3.1 Methoden

Im Rahmen dieses Pilotprojektes wurde im Juni 2005 mit der Analyse der Bodenrespiration begonnen.

Dazu wurden jeweils 5 Bodenbereiche mit bzw. ohne Wurzeltrenching im 14-tägigen Turnus beprobt.

Zur Vorbereitung der Beprobung der Bodenbereiche ohne Wurzeltrenching wurden ringförmige PVC-Rinnen mit einem Durchmesser von 50 cm auf die Humusschicht ohne Zerstörung der Wurzeln einge-setzt und der äußere Rand durch Anhäufungen von Bodenmaterial abgedichtet. Bei den Bodenberei-chen mit Wurzeltrenching wurden Stahlrohre mit 50 cm Durchmesser 50 cm tief in den Boden einge-trieben (Abb. 17). Auf diese Stahlrohre wurden gleichartige PVC-Rinnen aufgeklebt.

Für die Beprobungen, die jeweils in der Zeit zwischen 11 und 13 Uhr durchgeführt wurden, wurden in die PVC-Rinnen Hauben mit einem Volumen von 65 dm³ eingesetzt und die Rinnen zur Abdichtung mit Wasser befüllt. Je nach Höhe der über den Boden hinausragenden Rinnen ergibt sich ein zusätzliches Volumen von 10 – 30 dm³. Die Entnahme der Gasproben erfolgte mit zwei an die Hauben ange-schlossenen evakuierten Gasmäusen. Zur Feststellung der CO2-Konzentration der Umgebungsluft wur-den unmittelbar nach dem Aufsetzen der Hauben auf die PVC-Rinne Gasproben mit der ersten Gas-maus aus den Hauben entnommen. Die Entnahme der zweiten Gasprobe geschah exakt 1 Stunde nach dem Aufsetzen der Haube. Die Differenz der CO2-Menge zwischen den beiden Proben entspricht der Bodenrespiration pro Stunde.

Abb. 17 Installation der Stahlrohre zum Wurzeltrenching (links) und Hauben zur Analyse der Boden-respiration (rechts)

Die Gasproben wurden mittels Gaschromatographie im ZALF-Institut für Landschaftsstoffdynamik unter Anleitung von Dr. Jürgen Augustin analysiert.

Die Abtrennung der Wurzeln in den Teilproben mit Wurzeltrenching hat eine Unterbindung der Wasser-entnahme zur Folge, so dass die Randbedingungen der beiden Bodenbereiche mit bzw. ohne Wur-zeltrenching nicht direkt vergleichbar sind. Zur Quantifizierung dieser Störeinflüsse wurde ab Mai 2006 bei jeder Bodenrespirationsanalyse die Bodenfeuchte unter jeder Messkammer in 0-10 cm Bodentiefe mit dauerhaft installierten ECH2O.EC-10-Sensoren gemessen. An dieser Stelle sei auf die

messtechni-stark austrocknenden Böden kann infolge von Schrumpfungen des Bodens die Bodenfeuchte zu niedrig angezeigt werden.

Die Bodentemperaturen werden nicht separat für jeden Messplatz gemessen. Es wird davon ausge-gangen, dass hier keine systematischen Unterschiede zwischen den Bodenbereichen mit bzw. ohne Wurzeltrenching bestehen. Zur Erfassung der Effekte der Bodentemperatur werden die Messwerte der unter der Streuauflage sowie in 20 cm Mineralbodentiefe installierten Sensoren verwendet.

4.3.2 Ergebnisse

Es zeigt sich ein signifikanter jahreszeitlicher Verlauf der Bodenrespiration mit Maxima in den Som-mermonaten, der im Wesentlichen vom Verlauf der Bodentemperatur bestimmt wird (Abb. 19). Die räumliche Variation ergibt sich aus den Boxplots in Abb. 18. In einigen Phasen ergeben sich Abwei-chungen in den Verläufen zwischen den lebenden und den abgetrennten Wurzelbereichen.

• An den ersten beiden Probeterminen (bis zu 4 Wochen nach Installation) lässt sich eine erhöh-te Bodenrespiration in den Bodenbereichen der abgetrennerhöh-ten Wurzeln erkennen. Dies wird als Effekt der absterbenden und sich zersetzenden Wurzeln gedeutet.

• Bei Bodentemperaturen um 0°C geht die Bodenrespiration aus den Bereichen mit Wurzeltren-ching auf nahezu Null zurück. In diesen Phasen liegt die Bodenrespiration der Bodenbereiche mit lebenden Wurzeln um 100 – 200 % über denen der reinen heterotrophen Respiration (Abb.

18, Abb. 19).

• Aus den Bodenbereichen der lebenden Wurzeln ergibt sich in den Sommermonaten eine deut-lich Dynamik der Bodenrespiration, die nicht mit Temperatureinflüssen im Zusammenhang steht. Die im Sommer zu beobachtenden Einbrüche der Bodenrespiration können vielmehr durch Begrenzungen infolge von Bodenaustrocknungen erklärt werden, die nur in den Berei-chen mit lebenden Wurzeln auftreten (Abb. 20).

In erster Näherung stehen die beiden Versuchsanordnungen für die heterotrophe Respiration inklusive Wurzelrespiration (Bodenbereiche mit lebenden Wurzeln) bzw. lediglich die heterotrophe Respiration (Bodenbereiche mit abgetrennten Wurzeln). Unterstellt man diese Annahme, kommt man innerhalb der vorliegenden Messperiode zu einem Wurzelatmungs-Anteil an der gesamten Bodenatmung von 19,3 %.

Berücksichtigt man, dass die unterbundene Wasseraufnahme bei den Bereichen mit Wurzeltrenching messtechnisch zu einer Überschätzung der heterotrophen Respiration führt, stellt dieser Wert einen Minimalwert dar. Der Anteil der Wurzelrespiration kann also auch deutlich über diesem Wert liegen.

Dies steht in Übereinstimmung mit den Einschätzungen von (Hanson et al. 2000), die in einem Über-sichtsartikel drei verschiedene Methoden zur messtechnischen Trennung zwischen heterotropher Re-spiration und WurzelreRe-spiration vergleichen.

In Abb. 21 sind die gemessenen Einzelwerte der Bodenrespiration in Bodenbereichen mit lebenden und abgetrennten Wurzeln in Abhängigkeit von Bodentemperatur und Bodenfeuchte gegenübergestellt. Es ist erkennbar, dass die Wurzelrespiration im gesamten Bodenfeuchte-Temperatur-Bereich einen erheb-lichen Anteil der Bodenrespiration ausmacht. Es wird aber auch deutlich, dass für Auswertungen an-hand von multiplen nichtlinearen Regressionsanalysen bei den Bodenbereichen ohne lebende Feinwur-zeln wichtige Messpunkte unter trockenen Bodenbedingungen fehlen.

Abb. 18 Verlauf der Bodenrespiration in den Bodenbereichen mit lebenden bzw. abgetrennten Wur-zeln. Dargestellt sind Boxplots aus den jeweils bis zu 5 Einzelmessungen

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

J 05 A 05 S 05 O 05 N 05 D 05 J 06 F 06 M 06 A 06 M 06 J 06 J 06 A 06 S 06 O 06 N 06 D 06

Bodenrespiration (t CO2-C/(ha*a))

-5 0 5 10 15 20 25

Bodentemperatur (°C)

Bodenrespiration, abgetrennte Wurzeln Bodenrespiration, lebende Wurzeln Bodentemperatur

Abb. 19 Verlauf der mittleren Bodenrespiration in den Bodenbereichen mit lebenden bzw. abgetrenn-ten Wurzeln sowie Verlauf der Bodentemperatur unterhalb der Humusauflage

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

J 05 A 05 S 05 O 05 N 05 D 05 J 06 F 06 M 06 A 06 M 06 J 06 J 06 A 06 S 06 O 06 N 06 D 06

Verhältnis der Bodenresp. lebende/abgetrennte Wurzeln

-5 0 5 10 15 20 25

Bodenfeuchte (vol.%), Bodentemperatur (°C)

Verhältnis der Bodenrespiration lebende/abgetrennte Wurzeln Bodenfeuchte, abgetrennte Wurzeln

Bodenfeuchte, lebende Wurzeln Bodentemperatur

Abb. 20 Verlauf des Verhältnisses aus Bodenrespiration der Bodenbereiche mit lebenden zu denen mit abgetrennten Wurzeln sowie Verlauf der Bodentemperatur unterhalb der Humusauflage und der Bodenfeuchte der beiden Bodenbereiche

Abb. 21 Bodenrespiration in Abhängigkeit von Bodentemperatur und Bodenfeuchte, a) CO2-Efflux bei abgetrennten Wurzeln, b) CO-Efflux bei lebenden Wurzeln

4.4 Ergänzende Untersuchungen auf brandenburgischen