Projekt Stoffbilanz

Waldökosysteme spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulierung von globalen Umweltprozessen. Der Stoffhaushalt, also Wechselwirkungen und Kreisläufe von organischen und anorganischen Elementen von Waldökosystemen ist der Schlüssel zum Verständnis ihrer Funktionen und ihrer Resilienz gegenüber sich verändernden Bedingungen.

Als Kohlenstoffsenke, Wasserspeicher, Stickstoffspeicher und Lebensraum bieten Waldökosysteme wichtige Ökosystemdienstleistungen. Trotz ihrer wichtigen Funktionen sind Waldökosysteme jedoch anfällig für sich verändernde Bedingungen wie Versauerung, Eutrophierung und Klimawandeleffekte. Um die Resilienz von Waldökosystemen zu unterstützen beziehungsweise zu erhöhen, ist es wichtig, das komplexe System des Stoffhaushalts von Waldökosystemen zu verstehen und gegebenenfalls zu regulieren.

In diesem von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) geförderten Verbundprojekt haben sich verschiedene forstliche Institutionen zusammengeschlossen um die Stoffbilanzen von über 170 Flächen des erweiterten intensiven forstlichen Umweltmonitorings (Level II des ICP Forests) in Deutschland nach einer einheitlichen Methodik zu quantifizieren. Der Fokus liegt auf den Stoffumsätzen von Stickstoff (N), Phosphor (P), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Kalium (K), Schwefel (S) und Kohlenstoff (C), welche durch verschiedene Prozesse beeinflusst werden. Zu den Eintragspfaden gehören Deposition und Verwitterung. Der Austrag kann über das Sickerwasser, in Form von Bodengasen oder durch eine Festlegung in der Biomasse und Ernteentzug erfolgen. Zu den systeminternen Stoffflüssen zählen der Kationenaustausch, Wurzelaufnahme und ober- und unterirdischer Streuumsatz. Die Gesamtbilanz der Stoffflüsse gibt Auskunft über die stoffliche Entwicklung über die Zeit und bildet die Bewertungsgrundlage, ob ein Waldökosystem als Quelle (Austrag > Eintrag) oder Senke (Eintrag > Austrag) fungiert.

Bestehende Daten von mehr als 170 Flächen in Deutschland werden für die Berechnung der Stoffbilanzen verwendet. Die für das Projekt verwendeten Daten stammen hauptsächlich von den oben erwähnten Level-II Flächen des ICP Forests, aber auch von zusätzlichen bundeslandeigenen Messflächen. Die Untersuchungsflächen decken einen großen Gradienten an verschiedenen Standortsfaktoren wie Boden, Vegetation, Topographie und Waldnutzung ab. Voraussetzung für die Wahl der Messflächen war unter anderem eine mindestens zehnjährige Messreihe bezüglich der Stoffkonzentration in der Bodenlösung (Sickerwasser) und dem Bestandesniederschlag (Deposition).

Basierend auf den Ökosystembilanzen werden die Waldstandorte hinsichtlich Nährstoffpotenzial, Resilienz gegenüber Versauerungsdynamiken, Folgen von Eutrophierung und des Klimawandels bewertet.
Die Ergebnisse bilden zudem die Grundlage für die Ableitung einer Risikobeurteilung der Waldstandorte und dienen der Erstellung von Handlungsempfehlungen bezüglich Klimaanpassung sowie Boden- und Gewässerschutz um die nachhaltige Entwicklung und den Schutz der Waldökosysteme zu gewährleisten.

Das Gesamtvorhaben wird von der NW-FVA koordiniert (zur Projektseite bei der NW-FVA). Untergliedert ist das Verbundprojekt in mehrere größere Teilprojekte (A1 bis A5), die von den verschiedenen Projektpartnern (Auflistung siehe unten) bearbeitet werden. Wir an der FVA sind für die Bearbeitung der Bilanzterme Sickerwasseraustrag (A1.3), Festlegung in der Biomasse beziehungsweise den Export durch die Holzernte (A1.4) und gasförmiger Stoffaustrag (A1.5) verantwortlich.

A1.3 Sickerwasseraustrag

In diesem Teilprojekt geht es um den Verlust von Nährelementen mit dem Sickerwasser aus der Wurzelzone. Die Stofffrachten im Sickerwasser sind ein Produkt aus Stoffkonzentration und Sickerwasserflüssen.
Gewonnen werden die Sickerwasserproben mittels Saugkerzen, die in unterschiedlichen Bodentiefen installiert sind. Im Anschluss werden die Proben im Labor auf ihre Stoffkonzentration untersucht. Die Wasserflüsse werden mit dem Standortswasserhaushaltsmodell LWF Brook90 (Hammel und Kennel 2001) hergeleitet. Das Modell bezieht dabei meteorologische Daten (z. B. Niederschlag, Windgeschwindigkeit), Bodenprofilmerkmale (Humusauflage und Horizontabfolge), bodenphysikalische Kenngrößen (z. B. Porenverteilung) und Bestandesdaten (z. B. Blattflächenindex) ein.

A1.4 Festlegung in der Biomasse und Export durch Holzernte

Dieses Teilprojekt befasst sich mit der Bestimmung der Biomasse und der Nährstoffe in den Bäumen. Ziel ist es, die Veränderungen der Stoffvorräte an Ca, Mg, K, N, S und P im Beobachtungszeitraum zu quantifizieren und zu bewerten.
Die Baumhöhe und der Brusthöhendurchmesser des Baumstammes (BHD) werden regelmäßig gemessen und stellen die Haupteingangsgrößen für die Berechnung der Biomasse dar. Verwendet werden empirisch erhobene Biomassefunktionen, die baumarten- und kompartimentspezifisch sind (Vonderach et al. 2018). Zur Ableitung der gebundenen Nährelemente wird die Biomasse mit Nährelementgehalten verrechnet. Diese elementspezifischen Gehalte stammen aus Literaturquellen, von bestehenden Schätzfunktionen und aus Messdaten der Level-II Flächen und werden nach Baumart und Kompartiment differenziert. Zusätzlich werden Information zum Standort wie Basensättigung und Stickstoffdeposition zur Berechnung der Nährelementgehalte benötigt.
Mithilfe von Szenarien sollen die Stoffentzüge bei unterschiedlichen Ernteintensitäten abgeschätzt werden.

A1.5 Gasförmige Stoffausträge

Der Fokus in diesem Teilprojekt liegt auf den gasförmigen Stoffausträgen von Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O = Distickstoffmonoxid) aus dem Waldboden.
Für die Bestimmung des gasförmigen Stoffaustrags werden in Baden-Württemberg passive Gassammler, die in unterschiedlichen Bodentiefen eingebaut sind, verwendet. Dieses Messverfahren wurde in den 1990er Jahren an der FVA entwickelt. Im Anschluss an die Probenahme werden die Gasproben auf ihren Gehalt von CO2, CH4 und N2O analysiert (Maier et al. 2020).
Die jährlichen Gasflüsse werden unter Anwendung des Bodengastransportmodells ConFluxPro (Gartiser et al. 2025) berechnet, bei dem die Gaskonzentration, der Bodenwassergehalt und die Porosität wichtige Eingangsgrößen darstellen.
Es werden auch Daten von Kammer- bzw. Haubenmessungen verwendet. Bei dieser Methode wird über einen bestimmten Zeitraum (z. B. einige Minuten) eine Haube auf dem Waldboden aufgesetzt. Im Innenraum kommt es währenddessen zu einer Akkumulation von Bodengasen, welche direkt vor Ort bestimmt werden können.

PROJEKTKOORDINATION DES GESAMTPROJEKTES

https://www.nw-fva.de/forschen/projekte/stoffbilanz

LITERATUR

• Gartiser, V., Lang, V., Maier, M. (2025) ConFluxPro: A toolkit for soil gas analysis. Journal of Open Source Software 10, 8094. Doi: 10.21105/joss.08094
  github.com/valentingar/ConFluxPro

• Hammel, K. und Kennel, M. (2001) Charakterisierung und Analyse der Wasserverfügbarkeit und des Wasserhaushalts von Waldstandorten in Bayern mit dem Simulationsmodell BROOK90. Forstliche Forschungsberichte München 185, 148 S. ISBN: 3933506166

• Maier, M., Gartiser, V., Schengel, A., Lang, V. (2020) Long term soil gas monitoring to understand soil processes. Applied Sciences 10, 8653. doi: doi.org/10.3390/app10238653

• Vonderach, C., Kändler, G., Dormann, C. (2018) Consistent set of additive biomass equations for eight tree species in Germany fitted by nonlinear seemingly unrelated regression. Annals of Forest Science 75, 49. doi: doi.org/10.1007/s13595-018-0728-4