Water, Air and Soil Pollution: Focus

, Volume 4, Issue 2–3, pp 391–414 | Cite as

Nitrogen Turnover and Nitrate Leaching after Bark Beetle Attack in Mountainous Spruce Stands of the Bavarian Forest National Park

  • Christian Huber
  • Manuela Baumgarten
  • Axel Göttlein
  • Verena Rotter
Article

Abstract

More than 85% of the mountainous spruce forest of the Bavarian Forest National Park died after bark beetle attack during the last decade. The elemental budget of intact stands and of different stages after the dieback was investigated. N-fluxes in throughfall of intact stands were lower (12–16 kg ha-1 a-1) than in an earlier study in an intact mountainous spruce stand in the Bavarian Forest National Park and were reduced in the first years after the dieback (3–5 kg N ha-1 a-1). Nitrate-N fluxes by seepage water of intact stands at 40 cm depth, which is below the main rooting zone, were moderate (5–9 kg ha-1 a-1). After the dieback of the stands, NH4+ concentrations were increased in humus efflux as were NO3- concentrations in mineral soil. Due to the relatively high precipitation, dilution of the elemental concentrations in seepage was considerable.Therefore, NO3- concentrations were usually below the level of drinking water (806 μmol NO3- L-1), with lowest concentrations after the snowmelt and highest in autumn. Nitrate concentrations were elevated from the first year until the 7th year after the dieback. Total NO3--N losses by seepage until the 7th year after the dieback equalled 543 kg N ha-1. Aluminium fluxesafter the dieback were enhanced in the mineral soil from 55 to 503 mmolc m-2 a-1 (average of 8 yr), K+ fluxes from 8 to 37 mmolc m-2 a-1, and Mg2+ fluxes from 13 to 35 mmolc m-2 a-1. The consequences for the nutritional status of the ecosystem, the hydrosphere, and forest management are discussed in the paper.

aluminium ammonium bark-beetle clear-cutting magnesium nitrate nitrogen cycle potassium spruce water quality 

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. Anonymous: 2002, ‘Berichte über den Zustand des Waldes 2001. Ergebnisse des forstlichen Umweltmonitorings’, Bundesministerium für Verbraucherschutz, Ernährung und Landwirtschaft (BMVEL) Referat öffentlichkeitsarbeit, Bonn.Google Scholar
  2. Bauhus, J.: 1994, ‘Stoffumsätze in Lochhieben’, Berichte des Forschungszentrums Waldökosysteme der Univ. Göttingen, Reihe A, Bd.113.Google Scholar
  3. Beudert, B.: 1999, ‘Veränderungen im Stoffhaushalt eines abgestorbenen Fichtenökosystems im Forellenbachgebiet des Nationalpark Bayerischer Wald’, in Einzugsgebiet Große Ohe - 20 Jahre Hydrologische Forschung im Nationalpark Bayerischer Wald, Grafenau, 11.05.1999, Wasserhaushalt und Stoffbilanzen im naturnahen Einzugsgebiet Große Ohe Bd.7, pp. 93-106.Google Scholar
  4. Borman, F. H. and Likens, G. E.: 1979, Pattern and Process in a Forested Ecosystem: Disturbance, Development and Steady State based on the Hubbard Brook Ecosystem Study, Springer, New York.Google Scholar
  5. Bosch, C.: 1986, ‘Standorts-und ernährungskundliche Untersuchungen zu den Erkrankungen der Fichte (Picea abies(L.) Karst.) in höheren Gebirgslagen’, Forstliche Forschungsberichte München 75.Google Scholar
  6. Dahlgren, R. A. and Driscoll, C. T.: 1994, ‘The effects of whole-tree clear-cutting on soil processes at the Hubbard Brook Experimental Forest, New Hampshire, U.S.A.’, Plant Soil 158, 239-262.Google Scholar
  7. De Keersmaeker, L., Neirynck, J., Maddelein, D., DeSchrijver, A. and Lust, N.: 2000, ‘Soil water chemistry and revegetation of a limed clearcut in a N saturated forest’, Water, Air, Soil Pollut. 122, 49-62.Google Scholar
  8. Dietrich, H.-P., Raspe, S., Schwarzmeier, M. and Ilg, S.: 2002, ‘Biomasse-und Nährstoffinventuren zur Ermittlung von Ernteentzügen an drei bayerischen Fichtenstandorten’, in Inventur von Biomasse-und Nährstoffvorräten in Waldbeständen, Freising, Seminar der Bayer. Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft, Forstliche Forschungsberichte München 186, pp. 59-72.Google Scholar
  9. Elling, W., Bauer, E., Klemm, G. and Koch, H.: 1987, Klima und Böden, Wissenschaftliche Schriftenreihe Nationalpark Bayerischer Wald, 1. Bayerisches Staatsministerium für Ernährung Landwirtschaft und Forsten, München, pp. 255.Google Scholar
  10. Emmett, B. A., Anderson, J. M. and Hornung, M.: 1991, ‘The control on N-losses following two intensities of harvesting in a Sitka spruce forest (N. Wales)’, Forest Ecol. Manag. 41, 81-93.Google Scholar
  11. Federer, C. A.: 1997, ‘Brook90: A simulation model for evaporation, soil water and streamflow. Version 3.2’, Computer share ware and documentation, USDA Forest Service, Durham, NH, U.S.A., pp. 84.Google Scholar
  12. Frazer, D. W., McColl, J. G. and Powers, R. F.: 1990, ‘Soil nitrogen mineralisation in a clearcutting chronosequence in a northern California conifer forest’, Soil Sci. Soc. Am. J. 54, 1145-1152.Google Scholar
  13. Führer, H.-W. and Hüser, R.: 1991, Bioelementausträge aus mit Buche bestockten Wassereinzugsgebieten im Krofdorfer Forst: Zeittrends und Effekte von Verjüngungseingriffen, Forstw. Cbl. 110, pp. 240-247.Google Scholar
  14. Gessler, A., Schneider, S., Von Sengbusch, D., Weber, P., Hanemann, U., Huber, C., Rothe, A., Kreutzer, K. and Rennenberg, H.: 1996, ‘Field and laboratory experiments on net uptake of nitrate and ammonium by the roots of spruce (Picea abies) and beech (Fagus sylvatica) trees’, The New Phytologist 138(2), 275-285.Google Scholar
  15. Göttlein, A. and Kreutzer, K.: 1991, ‘Der Standort Höglwald im Vergleich zu anderen ökologischen Fallstudien.’ in K. Kreutzer and A. Göttlein (eds), ökosystemforschung Höglwald, Forstwissenschaftliche Forschungen 39, Paul Parey, Hamburg, pp. 22-29.Google Scholar
  16. Hauhs, M.: 1989, ‘Lange Bramke: An Ecosystem study of a forested catchment’, in D. C. Adriano and M. Hauhs (eds), Acid Precipitation, Springer, New York, NY, pp. 275-305.Google Scholar
  17. Heil, K.: 1996, ‘Wasserhaushalt und Stoffumsatz in Fichten-(Picea abies(L.) Karst.) und Buchenökosystemen (Fagus sylvaticaL.) der höheren Lagen des Bayer. Waldes’, Dissertationzur Erlangung des Doktorgrades der Forstwissenschaftlichen Fakultät der Ludwig-Maximilians-Universität München.Google Scholar
  18. Heurich, M., Reinelt, A. and Fahse, L.: 2001, ‘Die Buchdruckermassenvermehrung im Nationalpark Bayerischer Wald’, in Waldentwicklung im Bergwald nach Windwurf und Börkenkäferbefall, Nationalpark Bayerischer Wald 14, pp. 10-47 (with English abstract: ‘Bark beetle outbreak in the Bavarian Forest National Park’).Google Scholar
  19. Huber, C. and Göttlein, A.: 2001, ‘Auswirkungen des Borkenkäferbefalls auf Wasserqualität und Waldernährung in den Hochlagen des Nationalpark Bayerischer Wald’, in Chemische und Physikalische Schlüsselprozesse der Speicher-, Regler-und Reaktorfunktionen von Waldböden, Freiburg, 5-6 April 2001, Berichte Freiburger Forstliche Forschung 33, pp. 99-108.Google Scholar
  20. Huber, C.: 1999, ‘Auswirkungen des Borkenkäferbefalls auf Wasserqualität und Waldernährung in den Hochlagen im Nationalpark Bayerischer Wald: Forschungskonzept’, in Einzugsgebiet Große Ohe - 20 Jahre hydrologische Forschung im Nationalpark Bayerischer Wald, Grafenau, 11-05-1999,Wasserhaushalt und Stoffbilanzen im naturnahen Einzugsgebiet Große Ohe Bd.7, pp. 137- 146.Google Scholar
  21. Jehl, H.: 2001, ‘Die Waldentwicklung nach Windwurf in den Hochlagen des Nationalparks Bayerischer Wald’, in Waldentwicklung im Bergwald nach Windwurf und Borkenkäferbefall, Nationalpark Bayerischer Wald 14, pp. 49-97 (with English abstract: ‘Forest development in high elevations of the Bavarian Forest National Park’).Google Scholar
  22. Likens, G. E., Bormann, F. H. and Johnson, N. M.: 1969, ‘Nitrification: Importance of nutrient losses from a cutover forested ecosystem’, Science 163, 1205-1206.Google Scholar
  23. Likens, G. E., Borman, F. H., Johnson, N. M., Fisher, D. W. and Pierce, R.: 1970, ‘Effects of forest cutting and herbicide treatment on nutrient budgets in Hubbard Brook watershed - Ecosystem’, Ecol. Monogr. 40(1), 23-47.Google Scholar
  24. Likens, G. E., Bormann, F. H., Pierce, R. S., Eaton, J. S. and Johnson, N. M.: 1977, Biogeochemistry of a Forested Ecosystem, Springer, New York, pp. 146.Google Scholar
  25. Mellert, K.-H., Kölling, C. and Rehfuess, K. E.: 1996, ‘Bioelement leaching from Norway spruce ecosystems in Bavaria after windthrow’, Forstw. Cbl. 115, 363-377.Google Scholar
  26. Rall, H.: 1999, ‘Ziele und Aufgabenschwerpunkte der Forschung im Nationalpark Bayerischer Wald’, in Einzugsgebiet Große Ohe - 20 Jahre Hydrologische Forschung im Nationalpark Bayerischer Wald, Grafenau, 11-05-1999, Wasserhaushalt und Stoffbilanzen im naturnahen Einzugsgebiet Große Ohe Bd.7, pp. 1-5 (with English abstract).Google Scholar
  27. Raspe, S.: 2002, ‘Beispiele zur Erhebung der Biomasse-und Mineralstoffvorräte von Fichtenwurzeln’, in Inventur von Biomasse-und Nährstoffvorräten in Waldbeständen, Freising, Seminar der Bayer Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft, Forstliche Forschungsberichte München 186, pp. 73-82.Google Scholar
  28. Ring, E.: 1995, ‘Nitrogen leaching before and after clear-felling of fertilised experimental plots in a Pinus sylvestris stand in central Sweden’, Forest Ecol. Manage. 72, 151-166.Google Scholar
  29. Stevens, P. A. and Hornung, M.: 1990, ‘Effect of harvest intensity and ground flora establishment on inorganic N-leaching from a Sitka spruce plantation in northWales’, Biogeochemistry 10, 53-65.Google Scholar
  30. Swank,W. T.: 1988, ‘Stream chemistry responses to disturbance’, in W. T. Swank and D. A. Crossley (eds), Forest Hydrology and Ecology at Coweeta, Springer, New York.Google Scholar
  31. Vitousek, P. M., Gosz, J. R., Grier, C. C., Melillo, J. M., Reiners, W. A. and Todd, R. L.: 1979, ‘Nitrate losses from disturbed ecosystems’, Science 204, 469-474.Google Scholar
  32. Weis, W., Huber, C. and Göttlein, A.: 2001, ‘Regeneration of mature Norway spruce stands: Early effects of selective cutting on seepage water quality and soil fertility’, in Optimizing Nitrogen Management in Food and Energy Production and Environmental Protection, Proceedings of the 2nd International Nitrogen Conference on Science and Policy, The ScientificWorld 1(S2), pp. 493-499.Google Scholar

Copyright information

© Kluwer Academic Publishers 2004

Authors and Affiliations

  • Christian Huber
    • 1
  • Manuela Baumgarten
    • 2
  • Axel Göttlein
    • 1
  • Verena Rotter
    • 1
  1. 1.Fachgebiet für Waldernährung und Wasserhaushalt, Department für ÖkologieWissenschaftszentrum Weihenstephan, TU-MünchenFreisingGermany
  2. 2.Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden WürttembergAbteilung Biometrie und InformatikFreiburg i. Br.Germany

Personalised recommendations