Carbon stocks and sequestration rates of hardwood floodplain forests along the Middle Elbe River, Germany

Abstract

Hardwood floodplain (HF) forests are biodiversity hotspots that provide valuable ecosystem services such as carbon storage and sequestration, habitat provision, and nutrient cycling. Despite their high value, HF forests are listed as Endangered on the European Red List of Habitats and are threatened by river modifications (e.g. dikes), climate change, and agriculture and other anthropogenic land use on the floodplain. Although some European floodplain renaturalization and reforestation measures have been undertaken in recent years, targets have not been met and more potential exists to increase HF forest area and improve ecosystem services of the floodplain. Before this research, the quantification of ecosystem services such as carbon stocks and sequestration rates of Quercus robur was unknown for HF forests differing in age, structure, and hydrological conditions along the Middle Elbe River. This research provides a baseline quantification of the carbon stocks of trees, shrubs, deadwood, and leaf litter (Chapter 2), a method for estimating carbon sequestration rates of Q. robur trees (Chapter 3), an estimation of the carbon sequestration rates (CSR) of dominant Q. robur trees in forests differing in age, hydrological conditions, and during flood and drought years (Chapter 4), as well as a quantification of the decomposition of Q. robur and Ulmus laevis leaf litter in different forest types on the active floodplain (Chapter 5). This research found that old forests provide a higher carbon storage function than young plantations, while young plantations may provide higher CSRs than old forests. In terms of carbon storage, old forests on the low and high active floodplain as well as in the seepage water zone and tributaries provide the same service. In terms of carbon sequestration of Q. robur (the tree species responsible for the highest amount of carbon storage in HF forests), dominant trees on the active floodplain provide a higher service than trees in the seepage water zone behind dikes. Also considering climate change projections, HF forests with ample access to water and flooding can provide a higher CSR service than forests located behind dikes in the seepage water zone. Therefore, afforesting the current active floodplain and increasing the active floodplain area through dike relocations may provide a higher CSR service in the future.

Hartholz-Auenwälder sind Hotspots der Biodiversität, die wertvolle Ökosystemleistungen, wie die Kohlenstoffspeicherung, die Bereitstellung von Lebensräumen erbringen und eine wichtige Rolle in funktionierenden Nährstoffkreisläufen spielen. Trotz ihres hohen Wertes sind Hartholz-Auenwälder auf der Europäischen Roten Liste der Lebensräume als gefährdet aufgeführt und durch Flussveränderungen (z. B. Deiche), Klimawandel, und Landwirtschaft und andere anthropogene Landnutzung in der Aue bedroht. Obwohl in den letzten Jahren einige europäische Maßnahmen zur Renaturierung und Wiederaufforstung von Überschwemmungsgebieten durchgeführt wurden, wurden die beabsichtigten Ziele nicht erreicht, und es besteht weiterhin Potenzial, die Hartholz-Auenwaldfläche zu vergrößern und die Ökosystemleistungen der Überschwemmungsgebiete zu verbessern. Vor dieser Untersuchung bestanden große Wissenslücken bezüglich der Quantifizierung von Ökosystemleistungen wie Kohlenstoffvorräte und Sequestrationsraten von Quercus robur für Hartholz-Auenwälder unterschiedlichen Alters, Struktur und hydrologischer Bedingungen entlang der Mittleren Elbe. Die vorliegende Untersuchung liefert eine grundlegende Quantifizierung der Kohlenstoffvorräte von Bäumen, Sträuchern, Totholz und Laub (Kapitel 2), eine Methode zur Schätzung der Kohlenstoffbindungsraten von Q. robur-Bäumen (Kapitel 3), eine Schätzung der Kohlenstoffbindungsraten (CSR) von dominanten Q. robur-Bäumen in Wäldern unterschiedlichen Alters, unterschiedlicher hydrologischer Bedingungen und während Flut- und Dürrejahren (Kapitel 4), sowie eine Quantifizierung des Abbaus von Q. robur- und Ulmus laevis-Blattstreu in verschiedenen Waldtypen der aktiven Aue (Kapitel 5). In der vorliegenden Arbeit wurde herausgefunden, dass alte Wälder eine höhere Kohlenstoffspeicherfunktion bieten als junge Plantagen, während junge Plantagen höhere CSRs liefern können als alte Wälder. In Bezug auf die Kohlenstoffspeicherung leisten alte Wälder in der niedriger und höher liegenden aktiven Aue sowie in der Qualmwasserzone und an den Nebenflüssen die gleiche Menge Kohlenstoff pro ha. Hinsichtlich der Kohlenstoffspeicherung von Q. robur (der Baumart, die für die höchste Kohlenstoffspeicherung in Hartholz-Auenwälder verantwortlich ist) speichern dominante Bäume in der aktiven Aue mehr Kohlenstoff als Bäume in der Qualmwasserzone hinter dem Deich. Unter Berücksichtigung von Prognosen zum Klimawandel können Hartholz-Auenwälder bei ausreichender Wasserversorgung eine höhere CSR-Leistung erbringen als Wälder hinter dem Deich in der Qualmwasserzone. Daher kann die Wiederaufforstung der aktuellen aktiven Auenbereiche und die Vergrößerung des aktiven Überschwemmungsgebiets durch Deichrückverlegungen in Zukunft einen höheren CSR-Service ermöglichen.