Mechanisms of Soil Erosion in Subtropical Chinese Forests - Effects of Species Diversity, Species Identity, Functional Traits and Soil Fauna on Sediment Discharge

Abstract

Soil erosion is a serious environmental problem in many parts of the world, especially in ecosystems with high anthropogenic influences. It is also a serious challenge in subtropical China, but forest stands mitigate soil loss rates in this area. Forests provide a multi-storey canopy layer which largely influences rain throughfall patterns as well as a leaf litter layer on the forest floor which protects the soil against direct raindrop impact and modifies the water flow and storage capacities. Nevertheless, only little research has been conducted on biodiversity and species effects on soil erosion control under forest stands. Furthermore, the processes within a protective leaf litter cover as well as the impact of soil mesofauna and macrofauna are not yet clear.

This thesis investigated the effects of species diversity, species identity, functional traits and soil fauna on soil erosion in subtropical forest ecosystems. It focused on interrill soil erosion rates determined by micro-scale ROPs under natural and simulated rainfall. Additionally, investigations with splash cups were carried out on changes in throughfall kinetic energy during the canopy passage of raindrops. Measurements took place in a forest biodiversity and ecosystem functioning experiment in the PR China (BEF China).

Results showed that tree species richness did not affect sediment discharge, runoff and TKE, although a negative trend was visible. This could be attributed to an absence of species richness effects on canopy characteristics in early successional forest stands. Nevertheless, stands with multiple species seemed to ensure a more balanced and homogenous soil cover. Furthermore, results showed that leaf litter species diversity did not influence the litter cover and thus soil erosion rates. Nonetheless, we could show that species identity influenced initial soil erosion processes under forest. That also applied to the leaf litter cover, where single leaf species showed significantly different influences on sediment discharge. Therefore, the appropriate choice of tree species during the establishment of plantations plays a major role in erosion control, even in young forest stages. Moreover, species-specific functional traits affected soil erosion rates. High crown cover and leaf area index reduced soil erosion, whereas it was slightly increased by increasing tree height. Investigations on the kinetic energy of raindrops showed that low LAI, low tree height, simple pinnate leaves, dentate leaf margins, a high number of branches and a low crown base height effectively minimized TKE. At last, the presence of soil mesofauna and macrofauna increased soil erosion and thus effects of this fauna group on sediment discharge have to be considered in soil erosion experiments.

Die Bodenerosion stellt eines der weltweit bedeutendsten Umweltprobleme dar und tritt vor allem in Ökosystemen unter starker anthropogener Nutzung auf. Ein wesentlicher Einflussfaktor auf den Bodenabtrag ist hierbei die überdeckende Vegetation und insbesondere Waldökosysteme gelten als erosionsmindernd. Baumkronen beeinflussen die durch das Blätterdach fallenden Regentropfen und Laubstreu auf dem Boden schützt die Oberfläche gegen Abtrag. Biodiversitäts- und Arteffekte in der Baum- als auch in der bodenbedeckenden Laubschicht können hierbei eine Rolle spielen, wurden in der Forschung bislang aber wenig berücksichtigt.

Diese Dissertation liefert einen Beitrag zur Erforschung von Diversitäts-, Art- und Bodenfauna-Effekten auf initiale Bodenerosion in subtropischen Waldökosystemen. Hierzu wurden experimentelle Messungen mit kleinräumlichen Erosionsmessrinnen und Splash Cups durchgeführt. Neben der Nutzung des natürlichen Regenfalls erfolgte eine künstliche Beregnung mit einem mobilen Regensimulator. Die Messungen fanden in einem waldbaulichen Biodiversitätsexperiment in der Volksrepublik China (BEF China) statt.

In den Experimenten konnte ein deutlicher Einfluss einzelner Baum- und Blattarten auf den Bodenabtrag, aber kein Einfluss der Baum- und Blattdiversität festgestellt werden. Bei steigendem Diversitätsniveau war ein negativer Trend im Sedimentaustrag, im Oberflächenabfluss und der kinetischen Energie der Regentropfen zu verzeichnen. Es lag allerdings keine signifikante Einflussnahme vor, was mit dem frühen Sukzessionsstadium des untersuchten Waldökosystems begründet wird. Höher diverse Baumbestände zeigten eine ausgeglichenere und homogenere Bodenbedeckung als Monokulturen. Unterschiedliche Monokulturen und Blattarten unterschieden sich teilweise sehr deutlich in ihren Abtragsraten. Diese Unterschiede sind bei der Auswahl von Bäumen für Aufforstungen zu berücksichtigen und zeigen bereits in sehr jungen Sukzessionsstadien Wirkung. Weiterhin beeinflussten verschiedene funktionelle Gruppen der einzelnen Baumarten die Bodenerosion. Eine hohe Kronenüberdeckung und ein hoher Blattflächenindex führten zu geringeren Erosionsraten, während steigende Baumhöhen diese erhöhten. Die kinetische Energie der Regentropfen wurde von einem geringen Blattflächenindex, niedriger Baumhöhe, einfach gefiederten Blättern, gezähnten Blatträndern, einer hohen Anzahl an Ästen und geringer Kronenhöhe negativ beeinflusst. Außerdem führte das Auftreten von Bodenfauna in der Laubschicht zu einem erhöhten Sedimentabtrag. untranslated