Nexus von Totholzfeuchte, Ligninabbau und Stofftransport in sich verändernden Waldökosystemen
Totholz ist essenziell für Waldökosysteme, bietet Lebensraum für zahlreiche Arten und beeinflusst Kohlenstoff- und Nährstoffkreisläufe. Seine Feuchte ist entscheidend für die Wasserspeicherung. Längere Trockenperioden und eine veränderte Landnutzung könnten diese verringern und damit die Funktionen von Totholz gefährden.
Die genauen Einflussfaktoren auf die Totholzfeuchte, insbesondere durch den Ligninabbau, sind jedoch unbekannt. Durch Ligninoxidation entstehen Wasser und Mikroporen und so erhöht sich die Wasserspeicherung von Totholz. Damit verbundene Wasserflüsse in und aus dem Totholz können den Ligninabbau auch durch eine Anreicherung von Metallkationen verstärken. Zudem können ligninbürtige Verbindungen über das Sickerwasser den Gehalt an organischer Bodensubstanz (OBS) erhöhen. Die Wasser- und Kohlenstoffvorräte von Deadwood könnten somit sowohl für die Bodenbiota als auch für die Funktionsweise der Waldökosysteme von Bedeutung sein, je nachdem, inwieweit eine zunehmende Landnutzungsintensität und der fortschreitende Klimawandel zu trockeneren Bedingungen führt.
Mit dem Projekt DeMoLD werden die folgenden Forschungsfragen adressiert:
- i) Inwieweit regulieren Pilze die Feuchtigkeit von Totholz durch Ligninabbau in Abhängigkeit von der Wasserverfügbarkeit, und
- ii) wie reguliert die schwankende Feuchtigkeit von Totholz den Stofftransport zum und vom Boden unter sich ändernden klimatischen Bedingungen und bei unterschiedlicher Landnutzungsintensität?
Zur Beantwortung dieser Forschungsfragen verfolgen wir in DeMoLD die folgende Ziele:
- i) Quantifizierung der unterschiedlichen Quellen für die Feuchtigkeit im Totholz,
- ii) Bewertung des pilzbedingten Abbaus von Buchen- und Kiefernholz sowie von Lignin entlang von Feuchtegradienten,
- iii) Ermittlung der Bedeutung von Transportprozessen zum und vom Boden, um schließlich
- iv) die pilzbedingte Regulierung des Ligninabbaus, den Transport der Abbauprodukte und den Beitrag zur organischen Substanz im Boden mit Feuchtigkeitsschwankungen in Zusammenhang zu bringen, die durch Veränderungen des Klimas und der Landnutzungsintensität verursacht werden.
- Totholzwasser stammt in abnehmender Bedeutung aus dem Boden (kapillarer Aufstieg), dem Niederschlag und der enzymatischen Oxidation der Lignocellulose.
- Bei Austrocknung oxidieren pilzliche Enzyme vermehrt Lignin, wodurch mehr Mikroporen entstehen.
- Ligninbürtige Verbindungen gelangen in den Boden, wenn Totholz feuchter ist als der Boden, Metallkationen ins Totholz, wenn der Boden feuchter ist als das Totholz.
- Höhere Temperaturen, weniger Niederschlag und saure Kationen fördern den Ligninabbau und erhöhen den Totholzbeitrag zur organischen Bodensubstanz
- Die wasserlösliche organische Substanz kann als Indikator für den Ligninabbau und den potenziellen Beitrag von Totholz zur organischen Bodensubstanz dienen.
Wir testen diese Hypothesen mit einem Laborexperiment, dem neuen BEClimWood- und dem alten BELongDead-Experiment. Dabei kombinieren wir Messungen von stabilen Wasserisotopen und CO2-Flüssen mit Holzstrukturanalysen und der Charakterisierung des Ligninabbaus mit modernen mikroskopischen und spektroskopischen Techniken. Im Laborexperiment mit markiertem Niederschlag werden mithilfe eines Isotopenmischungsmodells die Wasserquellen im Totholz quantifiziert. Im BEClimWood-Experiment untersuchen wir, wie sich ein unterschiedlicher Bodenkontakt und eine Niederschlagsmanipulation auf die Wasserverfügbarkeit im Totholz, auf die Enzymaktivitäten, die Ligninoxidation, die Porengröße und Wasserretention sowie die Anreicherung von Metallkationen auswirken. Mit dem BELongDead-Experiment bestimmen wir den Beitrag von abgebautem Lignin aus stark zersetztem Totholz zur organischen Bodensubstanz. In der Synthese integrieren wir die Ergebnisse aus den drei Experimenten, um wesentliche Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Klimaschwankungen, Totholzfeuchte, Ligninabbau und Stofftransport in und aus dem Boden in sich verändernden Waldökosystemen zu gewinnen.
Wissenschaftliche Mitarbeiter:innen
