Spatial and temporal variability of soil CO₂ efflux in a spruce-dominated forest in the Eifel National Park, Germany

Abstract

The objective of this study was the analysis of temporal and spatial patterns of soil respiration on a catchment scale. This study is part of the DFG-financed project Transregio 32, which deals with the analysis of spatial and temporal patterns of matter fluxes on different scales. For investigation of local CO₂-fluxes from soil a catchment area of 27 ha in a spruce stand of the Eifel National Park was chosen and 89 measurement points, placed along two transects and one measurement grid, were installed. Soil respiration was measured weekly using a closed-dynamic chamber system, along with soil temperature (in 5 and 11 cm depth) and soil moisture (integral of 15 cm) for each measurement point. Additionally soil samples for the characterization of soil structure, including texture, density, root distribution and organic matter content, were taken. <br /> In a first step the measured values were evaluated with regard to temporal and spatial patterns. These values were reproduced through a 1-dimensional simulation using a soil respiration model in a second step. <br /> The results of the measurements show that temperature plays an important role in the explanation of existing temporal patterns of soil respiration. Soil moisture exerts an influence on the temporal development of soil-CO₂-fluxes, when extremely high or extremely low values of soil moisture are present. Spatial patterns are partly explained through the thickness of litter layer and through the distance from the next tree. The analysis of mean relative differences (MRD) proves satisfactory with regard to the identification of outliers and representative field averages. <br /> The application of the soil respiration model PATCIS (Fang & Moncrieff 1999) was helpful, as it resulted in a good accordance of simulated and measured values of soil CO2 efflux. The assumption, that temperature plays a major role in the variability of soil respiration, was verified by the model. Additionally the amount of organic matter in soil was identified as a second important factor explaining patterns in soil respiration. Since the measurement of soil organic matter involves a high effort and was therefore reduced to a minimum, the characterization of unsampled measurement points may be affected by large extrapolation errors, which in turn can be responsible for a high modelling error. <br /> Future investigations in the observed catchment area should involve a detailed spatial examination of different soil parameters, especially of soil organic matter, to further reduce possible errors in simulation.

<strong>Räumliche und zeitliche Variabilität der Bodenrespiration in einem Fichtenwald im Eifel Nationalpark, Deutschland</strong><br /> In der vorliegenden Arbeit werden die zeitlichen und räumlichen Muster der Bodenrespiration auf Einzugsgebietsgröße untersucht. Diese Arbeit steht im Kontext des DFG-finanzierten Projektes Transregio 32, welches sich mit der Untersuchung räumlicher und zeitlicher Muster von Stoffflüssen auf unterschiedlichen Skalen beschäftigt. Zur Untersuchung der lokalen CO₂-Flüsse aus dem Boden wurde ein Einzugsgebiet von 27 ha in einem Fichtenwaldgebiet des Nationalparks Eifel ausgewählt und insgesamt 89 Messpunkte entlang zweier Transekte und eines Messnetzes errichtet. Die Messungen der Bodenrespiration wurden wöchentlich mittels eines geschlossenen dynamischen Kammersystems durchgeführt. Parallel wurden sowohl Bodentemperatur (in 5 und 11 cm Tiefe) als auch Bodenfeuchte (über ein Integral von 15 cm Tiefe) pro Messpunkt erfasst. Zusätzlich wurden Bodenproben zur Charakterisierung der Bodenbeschaffenheit bezüglich Körnung, Dichte, Durchwurzelung und Kohlenstoffgehalt entnommen und analysiert. <br /> In einem ersten Schritt werden die gemessenen Werte in Hinsicht auf zeitliche und räumliche Muster ausgewertet. Diese Werte werden in einem zweiten Schritt durch eine 1-dimensionale Modellierung mit einem Bodenrespirationsmodell nachgebildet. <br /> Die Ergebnisse der Messungen zeigen, dass der Temperatur die bedeutendste Rolle in der Erklärung der vorhandenen zeitlichen Muster der Bodenrespiration zukommt. Die Bodenfeuchte hat vor allem dann einen Einfluss auf die zeitliche Entwicklung der Boden-CO₂-Flüsse, wenn sie extrem hohe oder extrem niedrige Werte aufweist. Räumliche Muster der Bodenrespiration sind teilweise durch die Mächtigkeit der Streuschicht / organischen Auflage und durch den Abstand zum nächsten Baum zu erklären. Die Analyse der Mittleren Relativen Differenzen (MRD) erweist sich als hilfreich im Hinblick auf die Identifikation von Ausreißern und repräsentativen Feldmittelwerten.<br /> Die Anwendung des Bodenrespirationsmodells PATCIS (Fang & Moncrieff 1999) war erfolgreich, da sie in einer guten Übereinstimmung von gemessenen und simulierten Werten resultierte. Die Annahme, dass Temperatur eine sehr große Rolle in der zeitlichen Variabilität der Bodenrespiration spielt, wurde durch das Modell verifiziert. Zusätzlich wurde der Anteil organischen Materials im Boden als bedeutender Faktor identifiziert. Da aufgrund des hohen Aufwands nur an einzelnen Messpunkten alle Bodeneigenschaften erhoben wurden, kann es bei der Charakterisierung der weiteren Messpunkte zu Fehlern bei den Extrapolationen kommen, die wiederum zu nicht unerheblichen Modellfehlern führen können. <br /> Um mögliche Fehler in der Simulation weiter zu reduzieren wäre eine hoch aufgelöste räumliche Betrachtung unterschiedlicher Bodenparameter, insbesondere des organischen Materials, angebracht.