On the Influence of Afforestation on Soil Erosion and Soil Carbon in a Subtropical Chinese Forest Ecosystem - Results from a tree diversity experiment

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URI: http://hdl.handle.net/10900/97061
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:21-dspace-970614
http://dx.doi.org/10.15496/publikation-38444
Dokumentart: Dissertation
Date: 2020-01-16
Language: English
Faculty: 7 Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Department: Geographie, Geoökologie, Geowissenschaft
Advisor: Scholten, Thomas (Prof. Dr.)
Day of Oral Examination: 2019-12-18
DDC Classifikation: 500 - Natural sciences and mathematics
550 - Earth sciences
570 - Life sciences; biology
Keywords: Boden , Erosion , Abtragung , Waldökosystem , Forst , Biodiversität
Other Keywords:
Soil
Erosion
Forest
Biodiversity
License: Publishing license including print on demand
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Inhaltszusammenfassung:

Die Wälder im subtropischen China erfuhren in den letzten Jahrzehnten große Verände-rungen durch umfassende Entwaldungen. Aufforstungen können nicht nur dazu beitra-gen, die Holzproduktion zu steigern, sondern auch Dienstleistungen von Waldökosys-temen wie z.B. Schutz gegen Bodenerosion, Verbesserung von Bodeneigenschaften oder Kohlenstoffspeicherung sicherzustellen und damit einen Beitrag zur Eindämmung des Klimawandels zu leisten. Die hügelige „Red Soil“ Region in Südchina ist auch trotz zahlreicher, langfristiger Aufforstungsprojekte nach wie vor mit hohen Bodenerosionsra-ten konfrontiert. Dies kann u.a. auf funktionelle Mängel der ausgewählten Baumarten und der für die Aufforstung geplanten Baumartendiversität zurückzuführen sein. Es ist daher von großem Interesse, wie Baumarten und Baumartenvielfalt, sowie insbesonde-re der Zusammenhang zwischen Artenvielfalt und Ökosystemfunktionen die Bodenero-sion beeinflussen. Darüber hinaus befassen sich nur wenige Studien mit der Rolle der Aufforstung für den Kohlenstoff- und Stickstoff-Haushalt, sowie deren Transport durch Bodenerosionsprozesse unter Wald. Diese Fragestellungen sind für die Bodenfrucht-barkeit und die Bewertung von Kohlenstoff- und Stickstoffflüssen vom Boden zu an-grenzenden aquatischen Ökosystemen sowie zur Atmosphäre von großer Wichtigkeit. Weiterhin ist bisher auch nur wenig über die Dynamik des organischen Kohlenstoffs im Boden in frühen Phasen der Aufforstung bekannt. Dies gilt insbesondere für subtropi-sche Waldökosysteme unter intensiver menschlicher Nutzung. Im Rahmen eines Biodiversitätsprojekts innerhalb eines subtropischen chinesischen Waldgebietes (BEF China) wurden in dieser Arbeit zunächst Punktwolkendaten von terrestrischen Laserscannern (TLS) und Splash Cups verwendet, um den räumlichen Blattflächenindex (LAI) zu analysieren und das Potenzial der Splash-Erosion im Be-standsniederschlag (TKE) vorherzusagen. Während der Regenzeiten von 2013 bis 2015 wurden Messungen der Sedimentfracht mit Erosionsmessplots durchgeführt, um zeitli-che Veränderungen der Erosionsraten und der Kohlenstoff- und Stickstoffflüsse im Bo-den zu erfassen und die Auswirkungen von Baumarten und Baumartendiversität auf diese zu untersuchen. In den Jahren 2010 und 2014 wurden 132 Bodenprofile in fünf Tiefenstufen (0-5 cm, 5-10 cm, 10-20 cm, 20-30 cm, 30-50 cm) untersucht, um die Veränderungen der Kohlenstoff-Bestände im Boden zu beurteilen. Die Ergebnisse zeigen, dass lognormale und exponentielle lineare Modelle geeignet sind, die vertikale und horizontale LAI-Verteilung ausgewählter Baumarten zu beschrei-ben. Die vertikalen Verteilungen von LAI und TKE verschiedener Baumarten waren signifikant unterschiedlich. Innerhalb des BEF China Projektes lassen sich auch nach 6 Jahren Baumwachstum noch immer starke Erosionsraten nachweisen. LAI und biologi-sche Bodenkrusten waren die beiden Haupteinflussfaktoren auf Bodenerosionsprozes-se in Baumbeständen mit unterschiedlichem Artenreichtum. Eine höherer Baumarten-diversität führte zu einer abnehmenden Bodenerosion durch positive Auswirkungen der Kronendächer und flächendeckender biologischer Bodenkrusten. Die Konzentrationen von C und N im Sedimentabtrag stiegen im Untersuchungszeitraum an, während die jährlichen Abflüsse von C und N in den beobachteten drei Jahren zusammen mit der Sedimentabgabe signifikant um 50 % zurückgingen. Die C- und N-Flüsse waren auch nach 6 Jahren Baumwachstum so hoch wie in Entwaldungsgebieten. Die junge Auffors-tung im BEF China Experiment führte zu einer Reduktion von insgesamt ca. 274 Mg Bodenkohlenstoff von 2010 bis 2014. Die Reduktion des Kohlenstoffs erfolgte haupt-sächlich im Oberboden (0-20 cm). Aufgeforstete Flächen mit höheren ursprünglichen C-Beständen zeigten höhere Verluste. Baumwachstum und Streufall als wichtiger Koh-lenstoffeintrag in den Boden konnten die Reduzierung des C-Bestands in der frühen Phase der Aufforstung nicht kompensieren.

Abstract:

Forests in subtropical China were undergoing great changes in the last decades, mainly caused by extensive deforestation. Afforestation in turn can help not only to increase the production of timber but also to enhance forest ecosystem services such as soil erosion control, soil properties, carbon storage and thus help mitigating climate change. However, even after long-term afforestation projects the hilly red soil region in southern China is still facing serious soil erosion. This might result from structural shortcomings of the tree species chosen and tree species richness planed for afforestation. Therefore, it is urgent to answer the question how tree species and tree diversity and especially the relationship between diversity and ecosystem functioning affect soil erosion. In addition, little research addresses the role of afforestation for carbon (C) and nitrogen (N) turno-ver and transport by soil erosion under forest, which is important for soil fertility and the assessment of carbon and nitrogen fluxes from soil to adjacent aquatic ecosystems as well as to the atmosphere. Moreover, in the earlier stage of afforestation after defor-estation, soil organic carbon (SOC) dynamics are still unclear, especially in subtropical areas with intensive human impacts on forest ecosystems. Based on a biodiversity and ecosystem functioning project in China (BEF China), this dissertation firstly used point cloud data from terrestrial laser scanners (TLS) and splash cups to analyze spatial leaf area index (LAI) and to predict the potential of splash ero-sion in subtropical forests. Measurements of sediment delivery were conducted during the rainy seasons from 2013 to 2015 to detected temporal changes of soil erosion and soil carbon and nitrogen fluxes and investigate the influences of tree species and diver-sity. Finally, 132 soil profiles at five increments (0-5 cm, 5-10 cm, 10-20 cm, 20-30 cm, 30-50 cm) were sampled in 2010 and 2014 to assess changes of SOC stocks. Results showed that lognormal and exponential linear models were suitable to describe the vertical and horizontal LAI distribution of selected tree species, respectively. Vertical distributions of LAI and throughfall kinetic energy (TKE) of different tree species were significantly different. BEF China is still suffering from severe soil erosion even after 6 years of tree growth. Leaf area index (LAI) and biological soil crusts (BSCs) were the two main factors driving soil erosion within tree stands of different species richness. Higher tree species richness lead to decreasing soil erosion by positive effects on tree canopies and surface covering BSCs. Sediment C and N concentrations increased while annual soil C and N fluxes significantly decreased at a rate of 50% in the ob-served three years together with sediment delivery. Soil C and N fluxes in the study were as high as in deforestation areas even after 6 years of tree growth. Earlier affor-estation in BEF China resulted in a reduction of approximately 274 Mg SOC from 2010 to 2014 in total. The reduction of SOC is mainly from the 0-20 cm topsoil. Afforested areas with higher original SOC stock showed higher losses. Tree growth and litter fall as an important carbon input to soil could not compensate SOC stock reduction in the ear-lier stage of the afforestation.

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