Mechanisms of Soil Erosion Under Forest Vegetation – Throughfall Kinetic Energy as a Function of Forest Succession and Biodiversity in Subtropical Forests in China

Abstract

This thesis is part of the BEF (Biodiversity and Ecosystem Functioning) China research unit (DFG FOR 891) “The role of tree and shrub diversity for production, erosion control, element cycling, and species conservation in Chinese subtropical forest ecosystems” founded by the German Research Foundation (DFG) and the National Science Foundation of China (NSFC). The overall aim of the project is to analyze the influence of tree and shrub species diversity on ecosystem functioning and -services. The research approach consists of the combination of research in an experimental forest stand with studies in existing forests. The study area of the present thesis is the Gutianshan National Nature Reserve (GNNR) in Zhejiang Province, P.R. China (manuscript 1). The prevention of soil erosion is a prominent and most important ecosystem service of forests and consequently forest vegetation is regarded as the key control for soil erosion, particularly under the threat of climate change with e.g. increasing rainfall intensities. Yet, little is known about the mechanistic relation of this ecosystem service to biodiversity. As the underlying processes acting in a forest reducing or enhancing soil erosion are rather complex – including e.g. alteration of rainfall properties and forest floor processes - they should be studied separately. Focusing on the former, this thesis seeks to relate forest succession, specific species, forest stand variables and species richness to throughfall kinetic energy (KE). For measuring throughfall KE Ellison splash cups where chosen as an appropriate method. They have been developed further to the T splash cups to facilitate reliable and precise measurements with a large number of replications. Requirements were also to be able to conduct measurements in a steep and remote forest ecosystem under harsh environmental conditions (manuscript 2). By using partly more than 450 splash cups at once it was possible to show an asymptotic increase of throughfall KE with succession beginning with tree saplings of an age of less than two years (manuscript 3) and reaching to late successional forest stands of more than 80 years of age (manuscript 4). Tree saplings reduce KE of throughfall down to 40% of that of open field rainfall, while throughfall KE in established forests can count up to 7.61 times the KE of rainfall depending on external environmental conditions like e.g. rainfall intensity (manuscript 6). Moreover, throughfall KE in forests is highly variable and spatially inhomogeneous. A part of this heterogeneity can be attributed to the influence of specific species. The influence of specific species on throughfall KE mainly refers to their canopy architecture (manuscript 3) and the possibility to store and intercept water on its vegetative surfaces like leafs (manuscript 4) and branches (manuscript 3). Forest stand variables affecting the amount and spatial variability of throughfall are primarily related to variables describing forest structure. Here, (a) height and coverage of the different tree layers as well as (b) leaf area index (LAI) and (c) the proportion of coniferous species within a specific forest stand showed to be of increased importance (manuscript 6). These variables strongly influence the process of throughfall generation by controlling (a) the potential falling height of a given drop, (b) the possibility to store and detain water and (c) the drop size distribution (DSD) because of different drip mechanisms (c). The role of biodiversity in this process system summarizes the influence and dependencies of the factors mentioned above. Species richness influences both the total amount and the spatial variability of throughfall KE. Although species richness is increasing with succession in the GNNR species rich forests achieve to keep values for throughfall KE comparably low. Species rich forests are highly structured and layered and plant biomass as well as total plant cover is enhanced. Therefore, throughfall KE in species rich forests remains at relatively low values, despite a potential gain in total height (manuscript 6). Splash cups have proved to be a perfect tool to study a wide range of internal and external factors controlling the mechanism of throughfall KE in subtropical broad-leaved forests. In this thesis, besides others biodiversity and basic forest stand variables have been identified as key variables supporting the ecosystem service of soil erosion in forests.

Die vorliegende Arbeit ist Teil der BEF (Biodiversity and Ecosystem Functioning) China Forschergruppe (DFG FOR 891) „The role of tree and shrub diversity for production, erosion control, element cycling, and species conservation in Chinese subtropical forest ecosystems” gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und der National Science Foundation of China (NSFC). Ziel der Forschergruppe ist es, den Einfluss von Baum- und Strauchdiversität auf Ökosystemfunktionen und –dienstleistungen zu erforschen. Der Forschungsansatz beinhaltet die Kombination einer experimentellen Aufforstung mit Studien in bestehenden, etablierten Wäldern. Das Arbeitsgebiet der vorliegenden Arbeit ist das Gutianshan National Nature Reserve (GNNR) in der Provinz Zhejiang, Volksrepublik China. Die Verhinderung von Bodenerosion ist einer der zentralen und wichtigsten Ökosystemdienstleistungen, speziell unter dem Gesichtspunkt, dass Wäldflächen und Biodiversität weltweit stark zurückgehen, es aber durch den Klimawandel eine Tendenz zu heftigeren Niederschlägen gibt. Da die Mechanismen, die Bodenerosion unter Wald zu Grunde liegen von sehr komplexer Natur sind, sollten sie getrennt untersucht werden. Somit bildet der Schwerpunkt dieser Arbeit die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Waldsukzession, einzelnen Baumarten und Variablen die Struktur und Artenreichtum beschreiben mit der kinetischen Energie (KE) des Bestandsniederschlages. Um die KE des Bestandniederschlages zu messen wurden splash cups nach dem Vorbild Ellisons verwendet. Sie wurden zu den T (Tübingen) splash cups weiterentwickelt, um eine große Anzahl an Messwiederholungen in einem steilen und abgelegenen Waldökosystem unter rauen äußeren Bedingen zu ermöglichen (Manuskript 2). Durch das Messen mit teilweise mehr als 450 einzelnen splash cups war es möglich einen asymptotischen Anstieg der KE des Bestandsniederschlages während der Sukzession, beginnend mit sehr jungen Bäumen (< 2 Jahre) (Manuskript 3) bis zu alten, über 80 Jahre alten Beständen (Manuskript 4) zu zeigen. Junge Bäume reduzieren die KE des Bestandniederschlages bis auf 40% des Freilandniederschlages, während die KE des Bestandsniederschlages in etablierten Wäldern, je nach Umweltrahmenbedingungen, die KE des Freilandniederschlages um das mehr als siebenfache übersteigen kann (Manuskript 6). Darüber hinaus ist der Bestandsniederschlag in Wäldern hoch variabel und räumlich hochgradig inhomogen. Ein Teil dieser Heterogenität kann dem Einfluss einzelner Arten zugeschrieben werden. Der Einfluss einzelner Arten bezieht sich im Wesentlichen auf die Kronenarchitektur (Manuskript 3) und der Möglichkeit Wasser auf Pflanzenteilen wie Blättern (Manuskript 4) und Ästen (Manuskript 3) zu speichern. Waldseitige Variablen, die die Menge und Variabilität der KE des Bestandsniederschlages beschreiben sind im Wesentlichen solche, die mit der morphologischen Struktur des Waldes zusammenhängen. Höhe und Bedeckungsgrad der einzelnen Baumschichten (a), Blattflächenindex (LAI) (b) sowie der Anteil an Nadelbaumarten (c) sind hier von größter Wichtigkeit. Diese Variablen beeinflussen den Prozess der Generierung von Bestandsniederschlag grundlegend, da sie (a) die potentielle Fallhöhe eines Tropfens steuern, (b) die Möglichkeit der Speicherung von Niederschlag und (c) wegen unterschiedlicher Abtropfmechanismen die Tropfengrößenverteilung beeinflussen können (Manuskript 6). Die Rolle von Biodiversität fasst grundsätzlich die Einflüsse der oben genannten Faktoren und Variablen zusammen. Artenreichtum beeinflusst nicht nur die Gesamtmenge der Bestandsniederschlagsenergie sondern auch seine räumliche Variabilität. Obwohl der Artenreichtum mit dem Sukzessionsalter im GNNR ansteigt, bleibt die KE vergleichsweise gering. Hoch diverse Wälder sind morphologisch stärker strukturiert, geschichtet und Biomasse sowie Gesamtbedeckung ist gegenüber artenärmeren Wäldern deutlich erhöht. Dadurch ist es artenreichen Wäldern möglich die KE des Bestandniederschlages trotz einer potentiell größeren Gesamtfallhöhe, niedrig zu halten (Manuskript 6). Es hat sich gezeigt, dass die weiterentwickelten splash cups eine ausgezeichnete Methode sind, um eine große Spannbreite an internen und externen Faktoren, die die Mechanismen von Bestandsniederschlag unter Wald bestimmen, nachzuvollziehen. In der vorliegenden Arbeit konnten unter anderem Biodiversität und grundlegende, die Waldstruktur bestimmende Faktoren, als Schlüsselfaktoren bestimmt werden, die die Ökosystemdienstleistung Bodenerosion zu verhindern unterstützen.