Alpenhumus als klimasensitiver C-Speicher und entscheidender Standortfaktor im Bergwald

Ergebnisdarstellung und Abschlussbericht zum Verbundprojekt (Veröffentlichung 19.03.2021)

Hintergrund und Motivation

Mächtigkeit und Zusammensetzung von Humusauflagen spielen in Wäldern eine große, in Bergwäldern gar eine herausragende Rolle für Leistungsfähigkeit, Biodiversität und Resilienz dieser Ökosysteme. Dies gilt insbesondere für die Humusform „Tangelhumus“ (Abb. 1), welche in Bergwäldern Mächtigkeiten von mehr als 100 cm erreichen kann. Da diese Humusform vor allem in der montanen und subalpinen Stufe der Kalkalpen verbreitet ist, wird sie auch „Alpenhumus“ genannt. Feucht-kühle Gebirgsklimate und feinerdearm verwitternde Kalke und Dolomite als unterlagerndes Gestein begünstigen die Bildung von Alpenhumus.
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Ziele des Projekts

Das im Juli 2016 gestartete Vorhaben im Rahmen des Programms Waldklimafonds soll wesentliche Wissenslücken hinsichtlich des Alpenhumus als klimasensitiven C-Speicher und entscheidenden Standortfaktor im Bergwald schließen. Ziel des Projektes ist es, das System C-Speicher „Alpenhumus“ von der Mikroskala (Bodenprofil) über die Mesoskala (Waldbestand) bis zur Makroskala (Landschaft) im Bayerischen Alpenraum zu untersuchen und zu verstehen. Im Rahmen des Forschungsprojektes werden folgende Ziele verfolgt: 1. verbesserte Kenntnis über die Verbreitung mächtiger Humusauflagen in der Landschaft 2. Quantifizierung des Beitrags von Auflagehumus in Bergwäldern zur Kohlenstoffspeicherung 3. verbessertes Verständnis der Prozesse, die zu Bildung und Abbau von Humusauflagen führen 4. räumliche und zeitliche Szenarien zu Verbreitung und Vorratsänderungen bei Klimawandel 5. Empfehlungen zur Stabilisierung und Mehrung von Humusauflagen durch angepasste Landnutzung Die Erreichung dieser Ziele würde einen wesentlichen Beitrag zu den Zielen des Waldklimafonds darstellen, insbesondere für - die Anpassung der Bergwälder an den Klimawandel - die Sicherung des CO2-Minderungspotenzials und der C-Speicherfunktion von Bergwäldern - den Nachweis von Wirkungen des aktuellen Klimawandels auf die C-Speicherung im Humus - die Implementierung der Humuspflege in die Waldbehandlung
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Abb. 1: Tangelhumus in der subalpinen Stufe (Foto: Eckart Kolb)

Zielerreichung

Die Ziele werden im Vorhaben auf drei relevanten Maßstabsebenen verfolgt durch - vergleichende Untersuchung der Humuschemie und Mikrobiologie an ausgewählten Bodenprofilen mit unterschiedlicher Dynamik der C-Vorräte; dies ermöglicht Rückschlüsse auf entscheidende Prozesse - vergleichende Untersuchung des Wasser- und Stoffhaushalts in ausgewählten Bergwaldökosystemen; dies ermöglicht Rückschlüsse auf zeitliche Trends und Gefährdungen - Regionalisierung (räumliche Modellierung) von Auflagehumusmächtigkeiten und -vorräten in Abhängigkeit von Relief, Geologie, Klima, Vegetation und Nutzungsgeschichte; dies ermöglicht eine Quantifizierung auf Landschaftsebene und Steuerung der Waldbehandlung Durch Verknüpfung der drei Untersuchungsebenen werden die entscheidenden Triebkräfte und Prozesse, die zur Ausbildung mächtiger Humusauflagen führen, erkannt und im für Management und Monitoring relevanten Maßstab dargestellt.

Ergebnisse

Project description in English

Alpine humus as a Climate-sensitive C-storage and decisive site factor in mountain forests (ALPENHUMUS) The significance of organic surface layer humus for carbon storage and other important ecosystem functions of mountain forests has only been realized during recent years. The project will close important gaps of knowledge by pursuing the following goals: 1. improved knowledge on the distribution oft thick surface humus in the landscape 2. quantification of its contribution to the carbon storage of mountain forests 3. improved understanding of the processes leading to the formation and to the loss of humus layers 4. spatial and temporal scenarios of the distribution and changes of humus-bound C-stocks under climate change 5. recommendations for stabilization and enhancement of surface humus through adapted land-use Reaching these goals will make a significant contribution to the goals of the Waldklimafonds (Fund on Climate and Forests), especially to - adapting of mountain forests to climate change - securing the potential for CO2-reduction and C-storage of mountain forests - detecting effects of current climate change on C-storage in humus layers - implementing humus conservation measures into silviculture The project goals are pursued at three relevant scales: - comparative analysis of humus chemistry and microbiology on selected soil profiles with different dynamics of C-stocks, allowing identification of decisive processes - comparative analysis of water and bioelement budgets of selected mountain forest ecosystems, allowing identification of temporal trends and threats - regionalization (spatial modelling) of surface humus thickness and related C-stocks as a function of releif, parent material, climate , vegetation and land-use history, allowing extrapolation at landscape scale and recommendations for silviculture In linking the three levels of inquiry, the decisive driving forces and processes leading to the formation of thick humus layers will be identified and mapped at the scale relevant for management and monitoring.

Publikationen

Olleck, M.; Kohlpaintner, M.; Mellert, K.; Reger, B.; Göttlein, A.; Ewald, J. (2021): Thick forest floors in the Calcareous Alps – Distribution, ecological functions and carbon storage potential. CATENA, Volume 207, Article 105664.
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The thickness and composition of forest floors plays an essential role for the efficiency and resilience of mountain forests to store carbon, water and nutrients. Up to now, the distribution of particularly thick organic forest floors (TOFF) in the Bavarian Calcareous Alps is poorly known and their ecosystem services deserve increased consideration under climate change. We wanted to improve the knowledge of the TOFF-distribution and to investigate the forcing processes and ecological functions of TOFF. We aimed to quantify their carbon storage potential and to model areas in which humus management is mandatory for sustainable forest use. We drew a stratified sample of soil profiles. Through the combination of relief and soil parameters, we identified crucial control variables and modelled actual and potential (without human disturbance) forest floor thickness in the Bavarian Calcareous Alps based on quantile regression and Generalized Additive Models (GAM). TOFF were predicted to occur on approximately 10% of the forest area of the Bavarian Alps. A decisive condition for the development of TOFF was the absence or only shallow development of mineral fine soil. Contrary to conventional wisdom, these TOFF were found across a wide range of (montane to subalpine) elevations. C-storage of TOFF amounts to ca. 6.9 t C/ha per cm of humus depth and ca. 5.2 Mt C in the study area, resulting in C accumulations comparable to peatlands. TOFF are decisive for the delivery of ecosystem services, especially in the protection forests of the Bavarian Calcareous Alps. Due to the absence or ephemeral depth of mineral soil, all ecological functions depend solely on the forest floor. Therefore, the careful handling of the humus stock is mandatory for a sustainable management in these forests.

Ewald, J.; Göttlein, A.; Prietzel, J.; Kohlpaintner, M.; Reger, B.; Olleck, M. (2020): Alpenhumus als klimasensitiver C-Speicher und entscheidender Standortfaktor im Bergwald (Synthese und Ausblick). Forstliche Forschungsberichte. Schriftenreihe des Zentrums Wald-Forst-Holz Weihenstephan 220, S.5-19.

Ewald, J.; Göttlein, A.; Prietzel, J.; Kohlpaintner, M.; Reger, B.; Olleck, M. (2020): Alpenhumus als klimasensitiver C-Speicher und entscheidender Standortfaktor im Bergwald. Forstliche Forshcungsberichte München. Schriftenreihe des Zentrums Wald-Forst-Holz Weihenstephan 220.

Olleck, M.; Reger, B.; Ewald, J. (2020): Verbreitung und Vorkommen von Alpenhumus - Regionalisierung auf Landschaftsebene (Teilprojekt Makroskala). Forstliche Forschungsberichte. Schriftenreihe des Zentrums Wald-Forst-Holz Weihenstephan 220, S.21-60.

Olleck, M.; Reger, B.; Ewald, J. (2020): Plant indicators for Folic Histosols in mountain forests of the Calcareous Alps. jvsavsblog.org Official blog of the Journal of Vegetation Science & Applied Vegetation Science.
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Olleck, M.; Reger, B.; Ewald, J. (2019): Plant indicators for Folic Histosols in mountain forests of the Calcareous Alps. Applied Vegetation Science 23 (2), S.285-296.
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Questions: Although thick forest floors overlying unweathered bedrock are important resources for mountain forests' functioning, their actual distribution is poorly known and difficult to delimit in the field. We therefore asked: (a) What is the specific composition of vegetation growing on Folic Histosols; (b) can indicator plants be used to detect Folic Histosols in mountain forests; (c) what do functional traits of plant indicators tell about the ecological properties of Folic Histosols? Location: Northern Calcareous Alps, south Germany. Methods: Based on representative stratified sampling of joint vegetation plots and soil profile descriptions, we estimated the frequency and thickness of Folic Histosols, determined the proportion of compositional variation specifically attributable to forest floor thickness using ordination, applied Indicator Species Analysis and searched for typical traits and ecological requirements of indicator species. Results: The co-existence of acidophilic and calciphytic plants is typical for the tessellated occurrence and the successional origin of Folic Histosols. In the study region, the detection of Folic Histosols on pure limestone or dolomite by ground vegetation works very well. Particularly acidophilic plants are suitable indicators for thick forest floors. The indicator value of bryophytes and Ericaceae for Folic Histosols is likely related to the colonization of rotten wood. Folic Histosol indicator species are widely spread in the allocation to sociology group, which ranges from open landscapes to dark forests and reflects successional origin. Conclusions: In mountain forests on carbonate bedrock, thick humus layers often occur next to bare rock. This tessellated structure can also be detected in the ground vegetation, where acidophilic and calciphytic plants occur side by side. Thick Folic Histosols in late successional forests are dominated by acidophilic plants colonizing rotten wood. Thus, the detection of Folic Histosols by understorey species is an easy and cost-effective possibility and one key to protect these vulnerable forest sites.

Ewald, J.; Olleck, M. (2019): Humus on the rocks. forschungsfelder - BMEL-Magazin für Ernährung und Landwirtschaft (3), S.20.
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Wissenschaftliche Poster

Ewald, J.; Olleck, M. (2019): Alpenhumus als klimasensitiver C-Speicher und entscheidender Standortfaktor im Bergwald . Posterpräsentation am 1. Netzwerktreffen und der feierlichen Eröffnung des BayWISS Verbundkollegs "Life Sciences und Grüne Technologien" in Freising, Novermber 2019.
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Olleck, M.; Ewald, J. (2019): Alpenhumus als klimasensitiver C-Speicher und entscheidender Standortfaktor im Bergwald . Posterpräsentation auf dem Jahreskolloquium des Bayerischen Wissenschaftsforums in Regensburg, Juni 2019.
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Vorträge

Olleck, M.; Ewald, J. (2020): Schwarz-weiße Schönheit „on the Rocks“: Die Bedeutung des Tangelhumus für die Bergwälder der Kalkalpen - Wie man dicke Humuspolster an ihrem Bewuchs erkennt und was getan werden kann um sie zu schützen. Vortrag an der Bayerischen Botanischen Gesellschaft in München, März 2020.

Prietzel, J.; Kohlpaintner, M.; Olleck, M. (2019): Skeletthumusböden als klimasensitiver C-Speicher und entscheidender Faktor für die Ökosystemfunktionen von Bergwäldern der Kalkalpen. Vortrag im Weihenstephaner Kolloquium zur Angewandten Ökologie und Planung in Freising, Dezember 2019.

Olleck, M.; Ewald, J. (2019): Black beauty on the rocks – distribution, function and C-storage potential of Tangel humus in the Calcareous Alps. Vortrag auf dem 10th IALE World Congress in Mailand, Juli 2019.

Olleck, M.; Ewald, J. (2019): Tangelhumus in den Bayerischen Alpen - Verbreitung & Detektion anhand der Bodenvegetation. Vortrag in der Seminarreihe "Aspekte der Waldökosystemforschung" in Freising, Januar 2019.

Olleck, M.; Ewald, J. (2018): Verbreitung von mächtigen Humusauflagen und deren Potential als C-Speicher in den Bayerischen Kalkalpen. Vortrag auf der Forstwissenschaftlichen Tagung in Göttingen, September 2018.

Ewald, J.; Olleck, M. (2018): Vegetation-based detection of thick forest floors and their decline in the Calcareous Alps. Vortrag auf dem 7th workshop ("Vegetation Databases and Detection of Environmental Change") of the German working group on vegetation databases in Jena, März 2018.

Olleck, M.; Ewald, J. (2017): Mehr als gedacht - Verbreitung und ökologische Bedeutung mächtiger Humusauflagen in den Kalkalpen. Vortrag auf der ANL-Fachtagung „Naturschutz: Von der Forschung in die Praxis“ in Freising, November 2017.

Ewald, J.; Reger, B.; Olleck, M. (2017): More than we ever thought - distribution and function of lithic histosols in the Calcareous Alps. Vortrag auf dem 125th IUFRO Anniversary Congress in Freiburg i. Br. , September 2017.

Ewald, J.; Göttlein, A.; Kohlpaintner, M.; Olleck, M.; Prietzel, J. (2017): Alpenhumus als klimasensitiver C-Speicher und entscheidender Standortfaktor im Bergwald . Vortrag auf dem Waldklimafonds-Kongress in Berlin, März 2017.

Presseberichte und Medienbeiträge

Newsmeldung HSWT, .; Ewald, J.; Olleck, M. (2019): Präsentation des kurz vor Abschluss stehenden Verbundforschungsprojekts "Alpenhumus" im TUM/HSWT-Kolloquium für Angewandte Ökologie und Planung. Forschungs-News HSWT, 23.01.2020.
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Ewald, J.; Olleck, M. (2017): Alpenhumus-Projekt gestartet. Beitrag im Newsletter des Zentrums Wald-Forst-Holz Weihenstephan, März 2017.


Promotionen

"Alpenhumus" - Verbreitung und Vorkommen in den bayerischen Alpen

Doktorand: M.Sc. Michelangelo Olleck
Wissenschaftlich betreuende Person HSWT: Prof. Dr. Jörg Ewald
Einrichtungen: Fakultät Wald und Forstwirtschaft und Institut für Ökologie und Landschaft
Wissenschaftlich betreuende Person (extern) Technische Universität München | Prof. Dr. Dr. Axel Göttlein
Zeitraum: 12.06.2017 - 31.12.2021