Interactions between soil-water dynamics and hardwood floodplain forest in the lower middle Elbe river – Germany

Abstract

Hardwood floodplain forests are one of the most biodiverse and productive ecosystems in Central Europe. They provide important ecosystem services as nature habitat, flood retention, runoff regulation, carbon storage, recreation and others. At the same time, they have been under threat since hundreds of years due to anthropogenic activities such as river channelization, diking and land use change to agricultural and grazing lands. Furthermore, recent and future effects of climate change comprise increased and more frequent droughts. They interfere with regular hydrologic fluctuations in hardwood floodplain forests, which are highly sensitive and dependent on the connection to the river hydrology. Processes specific to floodplains, like active sedimentation and groundwater fluctuations contribute to topographic and soil heterogeneity in this ecosystem. Soils play a pivotal role for the functioning and productivity of hardwood floodplain forests, as they regulate nutrient and water availability and contribute to the storage and stabilization of soil organic carbon. The overarching aim of this thesis is to understand how the heterogeneity of the floodplain landscape influences soil nutrient distribution and soil water availability, and analyze how these factors influence forest processes and productivity. Two different studies were conducted to achieve this aim. In the first study, I investigated the influence of diking on the distribution of nutrients and soil formation processes in four defined hydrogeomorphic units (HGUs) that account for landscape heterogeneity (high and low sites) and hydrological connection (active and former floodplain). For this, mixed topsoil samples (0-10 cm of mineral soil) were collected in 44 hardwood floodplain forest sites (2500m2 each) along 150 km of the lower middle Elbe and 18 soil profiles were studied. Soil parameters as grain size distribution, pH, total carbon (TC), total nitrogen (TN), plant available phosphorous (Psol), cation exchange capacity (CEC) and base saturation (BS) were determined in the laboratory. Main results show that diking had a strong influence on floodplain nutrient availability. The active floodplain presented higher availability of Psol, which was related to higher soil pH values and most probably to the active sedimentation of riverine particulate matter and the input of soluble nutrients from the flooding water. Former floodplain soils acidified significantly and showed lower nutrient availability. This occurs in the absence of flooding that allows litter accumulation, decomposition and further soil development. In the second one, I studied the sap flow velocity of five oaks (Quercus robur) and five elms (Ulmus laevis) under high evaporative demand and different soil water availability (high and low) in two active floodplain forest sites (sandy and loamy). In this study, continuous monitoring of soil water parameters as volumetric water content and water tension (at defined depths up to 1.6 m below ground), as well as micrometeorological parameters and tree sap flow velocity were performed during the vegetation period of 2020. The sap flow velocity of the trees was measured with self-built heat-ratio method devices at three positions per tree. This data was averaged for the five trees per species per site. Based on measured values of vapor pressure deficit and global radiation, I model potential sap flow under non-water-limited conditions by using the Jarvis-type model. The ratio between modeled and measured sap flow, under high and low water availability and for the sandy and loamy site, was analyzed against measured soil water tension to define the relevance of soil water on the sap flow velocity dynamics. Sap flow velocity in Elms was up to 100% higher than in oaks. However, under low water availability, high evaporative demand, and sandy texture, Ulmus laevis reduced sap flow velocity considerably. In comparison to Ulmus laevis, the Quercus robur displayed lower, but less variable sap flow velocities, and sensitivity to soil substrate and associated soil water storage by presenting 50% lower sap flow velocity in the sandy site compared to the loamy site. For Ulmus laevis, the ratio of measured and modeled sap flow against soil water potential showed that in the sandy site under low water availability, the measured sap flow deviates from potential sap flow, implying a reduction of sap flow velocity. In linear regressions, I show that soil water potential explains the sap flow velocity variability of Ulmus laevis. Both studies point to the importance of considering the spatial complexity of soil properties and processes in floodplains for floodplain restoration measures, in particular concerning reforestation with hardwood species. I show that the nutrient distribution in the floodplain soils is driven by the connection to the river hydrology and that those sites that were disconnected do not display similar nutrient contents as those in the active floodplain. The active floodplain provides higher potential for hardwood floodplain forest restoration in terms of nutrient availability. In the active floodplain, soil water potential explains sap flow variability under periods of drought and in sand-dominated sites. Regarding species, Quercus robur appears to be more tolerant to drought stress and shows a higher adaptation to site conditions by lowering sap flow velocity under periods of water stress. Thus, this species may be better equipped to avoid problems like cavitation under the expected increase of drought events.

Hartholzauenwälder gehören zu den artenreichsten und produktivsten Ökosystemen in Mitteleuropa und erbringen wichtige Ökosystemleistungen als Lebensraum, Hochwasserrückhalt, Abflussregulierung, Kohlenstoffspeicherung, Erholungsraum, weitere. Gleichzeitig sind sie seit Jahrhunderten durch anthropogene Aktivitäten wie die Kanalisierung und Eindeichung von Flüssen sowie die Umnutzung von Wald in Agrar- und Weideland bedroht. Darüber hinaus beeinträchtigen aktuelle sowie zukünftige Auswirkungen des Klimawandels wie zunehmende und häufigere Dürreperioden die regelmäßigen hydrologischen Schwankungen die Hartholzauenwälder, die sehr empfindlich und abhängig von der Anbindung an die Flusshydrologie sind. Auenspezifische Prozesse wie aktive Sedimentation und Grundwasserschwankungen tragen zur topografischen und pedologischen Heterogenität in diesem Ökosystem bei. Die Böden spielen eine zentrale Rolle für die Funktion des Ökosystems und die Produktivität von Hartholzauenwäldern, da sie die Verfügbarkeit von Nährstoffen und Wasser regulieren und zur Speicherung und Stabilisierung des organischen Kohlenstoffs beitragen. In dieser Arbeit soll untersucht werden, wie sich die Heterogenität der Auenlandschaft auf die Nährstoffverteilung und die Wasserverfügbarkeit im Boden auswirkt und wie diese Faktoren die Prozesse im Wald und dessen Produktivität beeinflussen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden zwei verschiedene Studien durchgeführt. Die erste Studie behandelt den Einfluss der Eindeichung auf die Nährstoffverteilung und die Bodenbildungsprozesse in vier definierten hydrogeomorphen Einheiten (HGUs), die die landschaftliche Heterogenität (Hoch- und Tieflagen) und den hydrologischen Zusammenhang (aktive und ehemalige Aue) berücksichtigen. Dazu wurden gemischte Oberbodenproben (0-10 cm Mineralboden) an 44 Hartholzauwaldstandorten (2500m2) entlang 150 km der unteren Mittelelbe gesammelt und 18 Bodenprofile untersucht. Bodenparameter wie Korngrößenverteilung, pH-Wert, Gesamtkohlenstoff (TC), Gesamtstickstoff (TN), pflanzenverfügbarer Phosphor (Psol), Kationenaustauschkapazität (KAK) und Basensättigung (BS) wurden im Labor bestimmt. Die wichtigsten Ergebnisse zeigen, dass die Eindeichung einen starken Einfluss auf die Nährstoffverfügbarkeit in der Aue hatte. Die aktive Aue wies eine höhere Verfügbarkeit von Psol auf, was mit höheren pH-Werten im Boden und höchstwahrscheinlich mit der aktiven Sedimentation von Flusspartikeln und dem Eintrag löslicher Nährstoffe aus dem Überschwemmungswasser zusammenhing. Ehemalige Auenböden sind stark versauert und wiesen eine geringere Nährstoffverfügbarkeit auf. Dies ist auf das Fehlen von Überschwemmungen zurückzuführen, die die Akkumulation und Zersetzung von organischem Material und eine weitere Bodenentwicklung ermöglichen. In der zweiten Studie untersuche ich die Saftflussgeschwindigkeit von fünf Eichen (Quercus robur) und fünf Ulmen (Ulmus laevis) unter hohem Verdunstungsbedarf und unterschiedlicher Bodenwasserverfügbarkeit (hoch und niedrig) an zwei aktiven Auenwaldstandorten (sandig und lehmig). In dieser Studie wurden während der Vegetationsperiode 2020 kontinuierlich Bodenwasserparameter wie der volumetrische Wassergehalt und die Wasserspannung in definierten Tiefen (bis zu 1,6 m unter Geländeoberkante) sowie mikrometeorologische Parameter und die Saftflussgeschwindigkeit der Bäume gemonitored. Die Saftflussgeschwindigkeit der Bäume wurde mit selbstgebauten Heat-ratio Geräten an drei Positionen pro Baum gemessen. Diese Daten wurden für die fünf Bäume pro Art und Standort gemittelt. Auf der Grundlage der gemessenen Werte des atmosphärischen Wassersättigungsdefizits und der Globalstrahlung wurde der potenzielle Saftstrom unter nicht wasserlimitierten Bedingungen mit Hilfe des Jarvis-Modells modelliert. Das Verhältnis zwischen modelliertem und gemessenem Saftfluss bei hoher und niedriger Wasserverfügbarkeit und für den sandigen und lehmigen Standort wurde anhand der gemessenen Bodenwasserspannung analysiert, um die Bedeutung des Bodenwassers für die Dynamik der Saftstromgeschwindigkeit zu bestimmen. Die Saftflussgeschwindigkeit von Ulmen war um bis zu 100 % höher als die der Eichen. Bei geringer Wasserverfügbarkeit, hohem Sättigungsdefizit und sandiger Textur verringerte Ulmus laevis die Saftflussgeschwindigkeit jedoch erheblich. Quercus robur wies geringere Saftflussgeschwindigkeiten sowie eine geringere Variabilität als Ulmus laevis auf und reagierte empfindlich auf das Bodensubstrat und die damit verbundene Wasserspeicherung im Boden. Die Saftflussgeschwindigkeit war bei sandiger Textur um 50 % niedriger als bei lehmiger Textur. Das Verhältnis zwischen gemessenem und modelliertem Saftfluss und dem Bodenwasserpotenzial zeigte, dass der gemessene Saftstrom auf dem sandigen Standort bei geringer Wasserverfügbarkeit vom potenziellen Saftfluss abweicht, was eine Verringerung der Saftflussgeschwindigkeit bei Ulmus laevis bedeutet. Mithilfe einer linearen Regression konnte ich zeigen, dass das Bodenwasserpotenzial einen Großteil der Variabilität der Saftflussgeschwindigkeit von Ulmus laevis erklären. Beide Studien zeigen, wie wichtig es ist, die räumliche Komplexität der Bodeneigenschaften und -prozesse in Auen für Renaturierungsmaßnahmen zu berücksichtigen. Dies gilt insbesondere für die Wiederaufforstung mit Laubholzarten. Wir zeigen, dass die Nährstoffverteilung in den Auenböden von der Anbindung an die Flusshydrologie abhängt und dass die Standorte, die vom Fluss abgetrennt wurden, nicht den gleichen Nährstoffgehalt aufweisen wie diejenigen in der aktiven Aue. Die aktive Aue bietet in Bezug auf die Nährstoffverfügbarkeit ein höheres Potenzial für die Wiederherstellung von Hartholzauwäldern. In der aktiven Aue erklärt das Bodenwasserpotenzial die Schwankungen des Saftflusses in Trockenperioden und an sanddominierten Standorten. Was die Arten betrifft, so scheint Quercus robur toleranter gegenüber Trockenstress zu sein und sich besser an die Standortbedingungen anzupassen, indem die Saftflussgeschwindigkeit in Zeiten von Wasserstress verringert wird. Daher ist diese Art möglicherweise besser gerüstet, um Probleme wie Kavitation bei der erwarteten Zunahme von Dürreereignissen zu vermeiden.