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Potential of above- and below-ground coarse woody debris as a carbon sink in managed and unmanaged forests

URN to cite this document: urn:nbn:de:bvb:703-epub-1686-5

Title data

Krüger, Inken:
Potential of above- and below-ground coarse woody debris as a carbon sink in managed and unmanaged forests.
Bayreuth , 2013 . - IX, 126 P.
( Doctoral thesis, 2013 , University of Bayreuth, Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences)

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Project financing: Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten


With respect to climate warming, carbon (C) sequestration is of important public and political interest. Forests represent important terrestrial C sinks. Their management can have direct and indirect influence on forest characteristics, including to some extent C sequestration. One direct effect of forest management is an increase in the stock of coarse woody debris (CWD). CWD represents a short- to middle term C sink that is of particular importance in natural and old-growth forests. Its impact on the soil organic carbon (SOC) stock is largely unknown. To investigate the impact of management, a case study was conducted in three adjacent managed and unmanaged forests with similar geological and micrometeorological conditions as well as similar tree species composition. In each forest, the C pools of the forest floor, the mineral soil and the CWD as well as their turnover times (TTs) or disappearance times (in case of CWD) were investigated. The unmanaged forests were withdrawn from management 40-100 years ago. The dominant tree species of temperate forests, European beech, Sessile oak and Norway spruce were considered. The experimental set-up permits to estimate how the C pools of a forest evolve within decades following its withdrawal from forest management. In each forest, the above-ground CWD stocks were inventoried. The volume and the decay class of each CWD piece was determined on an area of 1 ha. For each decay class, a representative number of samples of logs was sampled to measure wood density and C concentration. In addition, radiocarbon analysis and dendrochronological cross-dating were used to determine the time of tree death for CWD logs. From these data, disappearance times were calculated for the three tree species. In the unmanaged forests, the C stocks in the CWD accumulated to 10 Mg ha-1 in the spruce forest and to 24 – 30 Mg C ha-1 in the beech-oak forests. As such, the C stock in the CWD was 2 to 6 times greater in the unmanaged forests than in the managed forests where the C stocks in the CWD were around 5 Mg C ha-1 at all study sites. Average disappearance times of 30 and 70 years were calculated for beech and spruce CWD respectively. Oak CWD yielded a great variability of time since tree death at similar C densities of individual CWD pieces. The calculation of a decay function was thus not possible. However, the time since tree death of the dated oak CWD pieces indicated that oak CWD has the potential to remain in forests for more than 70 years. In addition to the field study, CWD samples of the three tree species and of three decay classes were incubated in a laboratory experiment under controlled conditions for a period of 380 days. In regular intervals, the CO2 production was measured and a leachate was produced to estimate the C fluxes from CWD in the gaseous and in the liquid phase. The yearly C loss was specific to the tree species and decay class. Beech CWD had the greatest C loss followed by oak and by spruce CWD. C loss generally increased with decay class for all tree species. The CO2 release represented the most important pathway of C loss, however, dissolved organic C (DOC) contributed between 1 and 25% of the total C loss. The DOC production was most important for oak CWD and for heavily decayed wood of all tree species. The C stock of below-ground CWD was estimated by uncovering stumps of known age. For each tree species, five stumps were sampled in their entity for two or three different times of tree death. Total mass and volume as well as C concentration of a representative number of sub-samples were measured. The great differences in volume, wood density and C concentration expressed the variability in the properties of below-ground CWD. For this reason, a calculation of the below-ground CWD mass in relation to the stump diameter was not possible. The number of stumps and snags was multiplied by an average C mass per stump to calculate below-ground CWD stocks. As a result of regular thinning and felling of trees and the resulting higher number of stumps, the below-ground CWD stocks in the managed forests were greater than in the unmanaged forests. The C stocks in the below-ground CWD ranged from 0.3 to 1.4 Mg C ha-1 in the managed and from 0.1 to 0.4 Mg C ha-1 in the unmanaged forest in one of the beech-oak forest. This corresponded to 16 % of the total CWD C stock in the managed forest and to 1 % of the total CWD C stock in the unmanaged forest. Soil samples were taken at 30 points on a regular raster plot on an area of 2 ha. The forest floor samples were separated by horizon in the field. The mineral soil was sampled up to a soil depth of 100 cm and separated by depth into 4 sub-samples. Of each sample, the organic C concentration was measured. Density fractionation in three fractions (<1.6 g cm-3, 1.6-2.0 g cm-3, >2 g cm-3) was carried out for one mixed sample of each soil depth. Radiocarbon signatures were measured of the mixed samples as well as of each fraction. The SOC stocks showed greater differences among the study sites than between the management forms. The SOC stocks ranged between 4.3 and 15.9 Mg C ha-1 in the forest floor and between 50 – 260 Mg C ha-1 in the mineral soil down to a depth of 1 m. At all study sites, the radiocarbon signatures of the Oe horizon indicated a shorter TT of SOC in the unmanaged than in the managed forests. The difference is attributed to a change in the decomposing community induced by the enhanced CWD stocks. Differences between managed and unmanaged forests in TT of SOC in the Oa horizon and the bulk mineral soil were not consistent across all study sites. Either potential management influences are overshadowed by other effects or the time since withdrawal from management is not sufficient to result in significant changes. Of the density fractions, only the light fraction <1.6 g cm-3 exhibited consistent differences across soil depths between management forms. No consistent patterns were found for the denser fractions. In dependence of tree species, CWD has the potential to substantially contribute to the C stocks of forest ecosystems. A withdrawal from management results in a significant increase in the CWD stocks within decades. However, SOC stocks did not increase as a result of enhanced CWD C stocks. A potentially greater input of C from CWD to the forest floor was compensated by a shorter TT of SOC in the Oe horizon. CWD and forest management had no effect on the SOC stocks or TT of the mineral soil. Most C from CWD is probably lost to the atmosphere as CO2 before it reaches the soil.

Abstract in another language

In Hinblick auf die Klimaerwärmung ist das Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufes und Kenntnis über die Möglichkeiten anthropogener Einflussnahmen unverzichtbar. Ein Bereich, in dem der Mensch durch sein Handeln den Kohlenstoffkreislauf beeinflussen kann, ist die Waldwirtschaft. Wälder stellen in terrestrischen Ökosystemen wichtige Kohlenstoffspeicher dar. Die Bewirtschaftungsform hat direkten und indirekten Einfluss auf die Kohlenstoffvorräte. Eine direkte Einflussgröße ist der Vorrat an Totholz, das im Wald verbleibt. Totholz stellt, vor allem in Naturwäldern, einen wichtigen kurz- bis mittelfristigen Kohlenstoffspeicher dar. Des Weiteren besitzt Totholz das Potential auch andere Kohlenstoffpools, vor allem den Boden, zu beeinflussen. Zur Untersuchung des Einflusses der Bewirtschaftung wurde eine Fallstudie mit drei unbewirtschafteten und benachbarten bewirtschafteten Wäldern mit jeweils ähnlichen Standorteigenschaften wie Ausgangsgestein, mikrometeorologischen Eigenschaften, Neigung und Baumartenzusammensetzung durchgeführt. In jedem Wald wurden Kohlenstoffvorräte und --umsatzzeiten erfasst. Besonderer Fokus wurde dabei auf die Kohlenstoffvorräte im Totholz gelegt. Die unbewirtschafteten Wälder werden seit 40-100 Jahren nicht mehr bewirtschaftet. Mit Buche, Eiche und Fichte sind die dominierenden Baumarten der feucht-gemäßigten Zone berücksichtigt. Das Versuchskonzept ermöglicht eine Abschätzung, wie sich die Kohlenstoffvorräte innerhalb von einigen Jahrzehnten in einem nicht mehr bewirtschafteten Wald entwickeln im Vergleich zu bewirtschafteten Wäldern. In jedem der Wälder wurden auf Flächen von rund 1 ha die oberirdischen Totholzvorräte in einer Gesamtinventur erhoben. Volumen und Zersetzungsgrad jedes Totholzstückes wurden erfasst. Für Totholzstämme von fünf definierten Zersetzungsgraden wurde aus einer repräsentativen Stichprobenmenge Holzdichte und Kohlenstoffgehalt bestimmt. Außerdem wurden Radiokarbonanalysen und dendrochronologische Kreuzdatierungen durchgeführt um das Absterbejahr von Totholzstämmen zu bestimmen. Aus diesen Daten wurden artspezifische Abbaukurven für Totholz berechnet. In den unbewirtschafteten Wäldern waren mit 10 Mg C ha-1 im Fichtenwald und 24 bzw. 30 Mg C ha-1 im Buchen-Eichenwald die Kohlenstoffvorräte im oberirdischen Totholz zwei- bis sechsmal größer als in den bewirtschafteten Wäldern, in denen die Kohlenstoffvorräte im oberirdischen Totholz rund 5 Mg C ha-1 betrugen. Die Verbleibzeiten von oberirdischem Totholz waren artabhängig. Buchentotholz hatte mit rund 30 Jahren eine kürzere Verbleibzeit als Fichtentotholz mit rund 70 Jahren. Für Eichentotholz unterschieden sich die erwarteten Verbleibzeiten einzelner Totholzstücke so stark, dass die Berechnung einer allgemeinen Abbaufunktion nicht möglich war. Jedoch deuteten die datierten Eichentotholzstämme daraufhin, dass Eichentotholz das Potential aufweist, genauso lange oder länger in Wäldern zu verbleiben wie Fichtentotholz. Zusätzlich zu den Feldaufnahmen wurde im Labor der Abbau von oberirdischen Totholz unter kontrollierten Bedingungen untersucht. Totholzstücke der drei Baumarten in drei verschiedenen Zersetzungsgraden wurden über eine Zeitspanne von 380 Tagen bei 15°C inkubiert. In regelmäßigen Abständen wurde die CO2 Produktion gemessen und ein Holzextrakt gewonnen, um die Flüsse aus Totholz in der Gas- und Flüssigphase zu ermitteln. Der jährliche Kohlenstoffverlust aus Totholz war art- und zersetzungsgradabhängig. Der größte Kohlenstoffverlust wurde für Buchentotholz gefolgt von Eichen- und Fichtentotholz festgestellt. Der jährliche Kohlenstoffverlust aus Totholz nahm mit dem Zersetzungsgrad zu. Die Mineralisierung zu CO2 stellte den Hauptanteil des Kohlenstoffverlusts dar, jedoch machte Auswaschung als gelöster Kohlenstoff bis zu 25% des Kohlenstoffverlusts aus. Die höchste Produktion an gelöstem Kohlenstoff hatte Eichentotholz sowie stark zersetztes Totholz aller Baumarten. Der Kohlenstoffvorrat im unterirdische Totholz wurde durch Ausgraben von Wurzelstöcken bekanntem Todesjahres ermittelt. Pro Baumart und Todesjahr wurden im bewirtschafteten Wald fünf Wurzelstöcke beprobt. Die Wurzelstöcke wurden vollständig entnommen und das Totholzvolumen im Labor durch Wasserverdrängung ermittelt. Eine repräsentative Probenanzahl wurde auf ihren Kohlenstoffgehalt untersucht. Unterirdisches Totholz zeigt eine große Variabilität im Abbau, die durch Unterschiede in Totholzvolumen, -dichten und Kohlenstoffgehalten der Wurzelstöcke von Bäumen des selben Todesjahres gekennzeichnet war. Aus diesem Grund war eine sichere Berechnung der unterirdischen Totholzmasse aus dem Stumpfdurchmesser von Totholz des selben Todesjahres nicht möglich. Vielmehr erwies es sich als sinnvoll, die unterirdischen Totholzvorräte durch Multiplikation der Anzahl an Totholzstücken, die dem stehendem Totholz und den Stümpfen zugeordnet wurden, mit der durchschnittlichen Kohlenstoffmasse pro Stumpf zu berechnen. Aufgrund der regelmäßigen Durchforstung und der daraus resultierenden größeren Anzahl an Stümpfen, war der Vorrat an unterirdischem Totholz in den bewirtschafteten Waldern höher als in den unbewirtschafteten. Der Kohlenstoffvorrat betrug im unterirdischen Totholz 0.3 – 1.4 Mg C ha-1 im bewirtschafteten Wald und 0.1 – 0.4 Mg C ha-1 im unbewirtschafteten Wald. Dies entsprach im bewirtschafteten Wald rund 16% und im unbewirtschafteten Wald 1% des Gesamttotholzkohlenstoffvorrats. Bodenproben wurden auf jeder Fläche an 30 Punkten auf einem regelmäßigen Raster mit einer Fläche von 2 ha genommen. Die Humusauflage wurde nach Horizonten getrennt beprobt. Der Mineralboden wurde bis in eine Tiefe von 100 cm beprobt und in 4 Tiefenstufen getrennt. Von jeder der Proben wurde der Kohlenstoffgehalt bestimmt. Des Weiteren wurde für jeden Wald und jede Tiefenstufe eine Mischprobe zur Dichtefraktionierung in drei Fraktionen (<1.6 g cm-3, 1.6-2.0 g cm-3, >2 g cm-3) angefertigt. Radiokarbonsignaturen der Mischprobe sowie jeder Fraktion wurden gemessen. Im Boden wiesen die Kohlenstoffvorräte größere Unterschiede zwischen den Versuchsflächen auf als zwischen den Bewirtschaftungsformen. Die Kohlenstoffvorräte betrugen zwischen 4.3 – 15.9 Mg C ha-1 in der Humusauflage und zwischen 48.1 – 261.4 Mg C ha-1 im Mineralboden bis in 1 m Tiefe. Radiokarbonanalysen der Humusauflage zeigten für den Of Horizont an allen Versuchsstandorten eine kürzere Umsatzzeit in den unbewirtschafteten als in den bewirtschafteten Wäldern. Dies wird durch eine Stimulation des Streuabbaus durch die erhöhten oberirdischen Totholzvorräte erklärt. Im Oh-Horizont und im Mineralboden sind die Unterschiede zwischen den Wäldern jedoch nicht konsistent. Es wurde angenommen, dass andere Faktoren einen Totholzeffekt überschatten bzw. die Umsatzzeiten im Vergleich zur Zeitspanne seit Änderung der Bewirtschaftungsform zu lang sind, um sich nach Jahrzehnten signifikant auf die Umsatzzeit im Oh Horizont und Mineralboden auszuwirken. Von den Dichtefraktionen waren nur die Unterschiede zwischen Bewirtschaftungsformen in der leichten Fraktion <1.6 g cm³ für jeden Versuchsstandort über alle Tiefenstufen konsistent. Totholz hat das Potential substantiell zur Kohlenstoffspeicherung im Wald beizutragen, wobei die Eignung Baumarten abhängig ist. Durch eine Beendigung der Bewirtschaftung können die Totholzvorräte innerhalb von Jahrzehnten signifikant gesteigert werden. Jedoch hat Totholz keinen Einfluss auf die Kohlenstoffvorräte im Boden. Ein eventuell bestehender größerer Input von Kohlenstoff in die Humusauflage wird durch eine kürzere Umsatzzeit im Of-Horizont ausgeglichen. Im Mineralboden sind keine konsistenten Unterschiede zwischen den Bewirtschaftungsformen in Kohlenstoffvorräten und Umsatzzeiten feststellbar.

Further data

Item Type: Doctoral thesis (No information)
Keywords: coarse woody debris; soil organic carbon; forest soils; radiocarbon dating; dendrochronological cross-dating; tree species effects; soil carbon turnover; organic matter; carbon stocks
DDC Subjects: 500 Science > 500 Natural sciences
500 Science > 550 Earth sciences, geology
500 Science > 570 Life sciences, biology
Institutions of the University: Faculties
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Earth Sciences
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Earth Sciences > Former Professors > Chair Soil Ecology - Univ.-Prof. Dr. Egbert Matzner
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Earth Sciences > Chair Soil Ecology
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Earth Sciences > Former Professors
Language: English
Originates at UBT: Yes
URN: urn:nbn:de:bvb:703-epub-1686-5
Date Deposited: 25 Jun 2014 06:29
Last Modified: 25 Jun 2014 06:59
URI: https://epub.uni-bayreuth.de/id/eprint/1686


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