Auswirkungen von erhöhtem CO2 auf die Vegetation eines Grünlandes

Abstract

Im Rahmen des Freiland-Experiments "Giessen FACE" (FACE = Free Air Carbon dioxide Enrichment), in dem mit einer CO2-Konzentration von +20% über Umgebungsluft eine in ca. 30 Jahren zu erwartende CO2-Konzentration simuliert wird, wurde in den ersten Versuchsjahren ein signifikanter konstanter Einfluss von erhöhtem CO2 auf die Deckung eines Arrhenatheretum elatioris beobachtet. Im Verlauf des Experiments nahm der Einfluss der Jahre stark zu, so dass der konstante CO2-Effekt im vierten Jahr nach Beginn der Begasung von einem zeitabhängigen CO2-Effekt (Interaktion CO2 x Jahre) abgelöst wurde. Evenness und Diversität nahmen unter erhöhtem CO2 ab. Die Abnahme der Artenzahl auf allen Flächen war unter Umgebungsluft stärker als unter erhöhtem CO2. Die meisten der 27 untersuchten Arten reagierten mit einer Abnahme der Deckung auf erhöhtes CO2, einige dominanten Arten allerdings mit einer Zunahme. Daraus ergab sich insgesamt eine kaum veränderte Deckung unter erhöhtem CO2. Wichtige Unterschiede in der Artenreaktion ließen sich auf die ganzjährige Begasung im wintermilden Klima zurückführen, weil die immergrünen Arten, die im Frühjahr bereits von erhöhtem CO2 profitierten, den Raum effektiver besetzten. Eine feinere Differenzierung der Artcharakteristika in Merkmalsgruppen ergab eine negative CO2-Reaktion der sommergrünen Konkurrenten und der meisten Ruderalen sowie eine positive CO2-Antwort der immergrünen Konkurrenten. Kräuter und Gräser reagierten nicht einheitlich auf erhöhtes CO2: Es nahmen mehr Gräser zu als ab und mehr Kräuter ab als zu. Trotz der geringen Düngung konnte die einzige Leguminose der Fläche von ihrer Fähigkeit, Stickstoff zu fixieren, nicht profitieren und zählte aufgrund ihrer sommergrünen Eigenschaft ebenfalls zu den Verlierern. Die Wurzel-Biomasse und die Bestandswurzellänge (RLD, root length density) nahmen unter erhöhtem CO2 zu. In den Meshbag-Proben und den Unterbodenproben der Zylinder war die Zunahme der Wurzelbiomasse signifikant, in den Zylinderproben des Oberbodens nicht. Auch die Veränderungen von spezifischen Wurzellängen (SRL, specific root length) und Wurzeldicken waren nicht signifikant. Die Reaktionen im Wurzelraum (Biomasse, RLD, SRL und Wurzeldicke) waren in den Zylinderproben geringer ausgeprägt als in den Meshbagproben, die einen freien bewurzelbaren Raum darstellten. In Zylinderproben war vor allem der Oberboden bereits stark durchwurzelt, so dass hier die Zunahme der Bewurzelung unter erhöhtem CO2 nicht signifikant war. Allgemein waren die CO2-Reaktionen im Unterboden stärker als im Oberboden: Die Wurzelbiomasse und RLD nahmen im Unterboden stärker zu, die SRL stärker ab. Die Wurzeldicke nahm in den Zylinderproben im Unterboden stärker ab als im Oberboden, in den Meshbag-Proben war die Abnahme unter erhöhtem CO2 im Oberboden stärker. Der Einfluss von Feuchte und Zeit auf die Wurzelparameter war erstaunlich gering. Die Ergebnisse der Wurzeluntersuchungen entsprechen denen der übrigen europäischen, nicht jedoch denen der amerikanischen Versuche auf Grasländern. Eventuell wirken sich unterschiedliche Artenzusammensetzungen auf die untersuchten Parameter stärker aus als unterschiedliche Bodentypen. In the context of the grassland ecosystem experiment "Giessen FACE" (FACE = Free Air Carbon dioxide Enrichment) with an elevated CO2 concentration of + 20% above ambient CO2 concentrations a significant constant CO2 effect on the cover of an Arrhenatheretum elatioris community was observed for the first years in investigation. Due to the increasing influence of the years during the experiments the constant CO2 effect changed into a time dependent CO2 effect (CO2 x year interaction) from the fourth year of application onwards. Evenness and diversity decreased under elevated CO2. The decrease of species richness was stronger under ambient CO2 concentrations than under elevated CO2. Most of the 27 species under examination showed a decreased cover under elevated CO2, on the other hand some of the dominant species´ cover increased, resulting in a marginal change of the general cover under elevated CO2. Important differences in species reactions were associated with the year round CO2 application in the winter mild climate. Evergreen species profited already in early spring and occupied space in a more effective way under elevated CO2 than in ambient CO2 concentrations. A more differentiated analysis of species characteristics indicated a negative CO2 response of summer green competitors and most of the ruderals, in contrast to a positive CO2 response of evergreen competitors. Forbs and grasses responded heterogeneously, with more grass species increasing than decreasing under elevated CO2, and more forb species decreasing than increasing. Despite moderate nutrient application, legumes profited less from N-fixation under elevated CO2 but suffered more from being summer green, and therefore decreased. Root biomass and root length density (RLD) increased under elevated CO2. Increase of root biomass was significant in meshbags and soil cores of the lower soil, but not in soil cores of the upper soil. Changes of specific root length (SRL) and root diameter were not significant. Root responses of all parameters (biomass, RLD, SRL and root diameter) were less pronounced in soil cores than in meshbags, which provided a space free of roots. In contrast soil cores from upper soil contained already many roots at the beginning of the experiment, and therefore the increase of biomass was not significant. CO2-responses were generally stronger in the lower soil than in the upper soil: root biomass and RLD increased stronger and SRL decreased stronger. Root diameter increased stronger in core samples of the lower soil than in upper soil, but meshbags showed a stronger increase in the upper soil. The impact of humidity and time on the root parameters examinated was surprisingly low.Investigation of roots showed similar results to other European investigations in grasslands, but were different to those in America. Species compositions obviously influenced root parameters more than different soil types did.