Decomposition dynamics and carbon sequestration of downed coarse woody debris of Fagus sylvatica, Picea abies and Pinus sylvestris

Herrmann, Steffen

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Decomposition dynamics and carbon sequestration of downed coarse woody debris of Fagus sylvatica, Picea abies and Pinus sylvestris

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Dead wood, or coarse woody debris (CWD), is an essential component of forest ecosystems, particularly important for biodiversity, the energy and nutrient cycle and ecosystem carbon storage. In the past, CWD was removed from managed forests due to the intensive nature of forest utilisation and forest health considerations. However, today it is recognized as a key structural element and as an indicator for ecologically sustainable forest management. There are, therefore, numerous efforts underway on the part of forestry and nature conservation to ‘reintroduce’ and incorporate CWD into managed forests and management plans. Yet to do so in a meaningful way, it is necessary to obtain basic knowledge about the dynamics and the duration of the decomposition process. In particular for Central Europe and the economically most important tree species Fagus sylvatica, Picea abies and Pinus sylvestris the duration of the different decay stages until complete decomposition is as yet unknown. The main purpose of this doctoral thesis was to assess the decomposition rate of downed coarse woody debris as a function of substrate specific variables, i.e. tree species (F. sylvatica, P. abies, P. sylvestris), size, decay stage and climatic variables, i.e. temperature, precipitation. The decomposition rates were assessed for CWD for which the year of tree fall, i.e. death has been known based on storm events. The assessment was conducted in two different ways, 1) via current respiration rates in relation to decay stage and wood temperature and moisture content (chapter 3), and 2) retrospectively via mass loss for the whole decomposition period and the different decay stages (chapter 4). Finally, I tried to answer the question at what stage of the decomposition process CWD becomes a source of nutrients. For this purpose, I assessed changes in nutrient dynamics across the different decay stages (chapter 5). Since there were no established or recognized methods for the measurement of CWD respiration at the beginning of the PhD research, different methods and measurement options to quantify respirational carbon loss of CWD were compared in a first step (chapter 2)...

Totholz ist im Ökosystem Wald von großer Bedeutung, unter anderem als Habitat, für den Energie- und Nährstoffkreislauf und als Speicher im Kohlenstoffhaushalt. Während Totholz in der Vergangenheit aufgrund intensiver Waldnutzung und Forstschutzbedenken im Wirtschaftswald meist entfernt wurde, ist es mittlerweile als Schlüsselstrukturelement und Indikator einer ökologisch nachhaltigen Forstwirtschaft anerkannt. Daher werden im Naturschutz und in der Forstwirtschaft bewusste Anstrengungen unternommen, mehr Totholz im Wald zu belassen und diese Ressource zu bewirtschaften. Um dies zu ermöglichen, fehlen allerdings die wissenschaftlichen Grundlagen zur Zersetzungsdynamik und Zersetzungsgeschwindigkeit von Totholz. Insbesondere für mitteleuropäische Verhältnisse und die ökonomisch bedeutsamsten Baumarten Buche, Fichte und Kiefer ist nicht bekannt, wie lange Totholz in verschiedenen Zersetzungsstadien verweilt, bevor es weitestgehend zersetzt und der darin gebundene Kohlenstoff an die Atmosphäre oder den Waldboden abgegeben worden ist. Das Hauptziel der vorliegenden Doktorarbeit war es daher die Zersetzungsrate von liegendem Totholz in Abhängigkeit von substratspezifischen (Baumart (Buche, Fichte, Kiefer), Dimension, Zersetzungsstadium) und klimatischen Faktoren (Temperatur, Niederschlag) zu ermitteln. Die Zersetzungsraten wurden an Totholz ermittelt, dessen Entstehungsalter anhand von Sturmereignissen datiert werden konnte. Zersetzungsraten wurden auf zwei verschiedene Weisen ermittelt: (1) für die verschiedenen Zersetzungsstufen über die laufenden Atmungsraten in Abhängigkeit von Temperatur und Holzfeuchte (Kapitel 3) und (2) für den Gesamtzeitraum und die verschiedenen Phasen des Zersetzungsprozesses retrospektiv über den Massenverlust (Kapitel 4). Weiterhin wurde die Veränderung der Nährelementgehalte über die verschiedenen Zersetzungsstufen analysiert, um damit die Frage ab welchem Zeitpunkt CWD zur Nährelementquelle wird zu beantworten (Kapitel 5). Zu Beginn der Doktorarbeit gab es keine standardisierten Methoden zur Erfassung der Totholzrespiration. Daher wurden zunächst verschiedene Verfahren und Messoptionen zur Ermittlung der Totholzrespiration miteinander verglichen (Kapitel 2)...