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Liming in spruce stands: What effect does the number of lime applications have on the herb layer?

  • Martin Baumann
  • Sebastian DittrichEmail author
  • Michael Körner
  • Goddert von Oheimb
Original Paper
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Abstract

Forest liming is often used as a mitigation tool to counteract soil acidification that is caused by atmospheric deposition. However, our understanding of the long-term effects of liming on forest communities is still incomplete. We examine the effects of repeated liming on the herb layer of spruce stands in the Ore Mountains in East Germany. The area is characterised by acidic bedrock and profound soil acidification caused by high levels of anthropogenic sulphur deposition in the late twentieth century. Lime has been applied as part of forest management since 1988. We created a stratified sample in which we recorded vegetation relevés covering spruce stands without liming (L0) and with one to five lime applications (L1–L5). We found a positive correlation between liming intensity and alpha diversity. Most of the indicator species were identified for spruce stands with high liming intensity (L2–L5), but no indicators were found for unlimed stands. From the third liming, the impact of lime application on species diversity and composition saturated. Several of the species promoted by liming are typical for mature stands of the natural vegetation but had declined in the twentieth century. Thus, a slight trend towards the restoration of the natural vegetation can be seen after liming. However, this is contrasted with a strong increase in species that are disturbance indicators (i.e. species of nitrogen-rich soils and open habitats). Continuation of liming as part of regular forestry management will cause these effects to establish permanently over large areas. Based on these findings, we make suggestions to adapt forest management strategies.

Keywords

Picea abies Diversity Indicator species analysis Normative indicators Vegetation relevés 

Notes

Acknowledgements

Thanks to Dr. R. Petzold for many fruitful discussions and useful comments on the manuscript.

References

  1. Anderson TH (1998) The influence of acid irrigation and liming on the soil microbial biomass in a Norway spruce (Picea abies [L.] Karst.) stand. Plant Soil 199:117–122CrossRefGoogle Scholar
  2. Baselga A, Orme D, Villeger S, De Bortoli J, Leprieur F (2013) betapart: partitioning beta diversity into turnover and nestedness components. R package version 1.3. http://CRAN.R-project.org/package=betapart
  3. Becker M, Bonneau M, Le Tacon F (1992) Long-term vegetation changes in an Abies alba forest: natural development compared with response to fertilization. J Veg Sci 3(4):467–474CrossRefGoogle Scholar
  4. Beese F (1996) Indikatoren für eine multifunktionelle Waldnutzung. Forstw Cbl 115:65–79CrossRefGoogle Scholar
  5. Bergholm J, Olsson BA, Vegerfors B, Persson T (2015) Nitrogen fluxes after clear-cutting. Ground vegetation uptake and stump/root immobilization reduce N leaching after experimental liming, acidification and N fertilization. For Ecol Manag 342:64–75CrossRefGoogle Scholar
  6. Bierögel L, Bitterlich G, Brandhoff H, Dexelberger F, Hänel H, Kegel H, Lux H, Mauersberger G, Neuhof G, Ranft H, Weise A, Wünsche M (1957) Erläuterungen zur Standortserkundung und -Kartierung der Hochlagen des Erzgebirges im Staatlichen Forstwirtschaftsbetrieb AnnabergGoogle Scholar
  7. Buttler KP, Thieme M, Mitarbeiter (2017) Florenliste von Deutschland - Gefäßpflanzen. Version 9. http://www.kp-buttler.de/florenliste/index.htm
  8. Chiu CH, Wang YT, Walther BA, Chao A (2014) An improved nonparametric lower bound of species richness via a modified Good-Turing frequency formula. Biometrics 70:671–682CrossRefGoogle Scholar
  9. Chytrý M (2013) Vegetace České republiky. 4. Lesní a křovinná vegetace. Academia, PragGoogle Scholar
  10. Connell JH (1978) Diversity in tropical rain forests and coral reefs. Science 199:1302–1310CrossRefGoogle Scholar
  11. Däßler HG (1991) Einfluß von Luftverunreinigungen auf die Vegetation. Gustav Fischer, Jena, 4. AuflGoogle Scholar
  12. De Cáceres M, Legendre P (2009) Associations between species and groups of sites: indices and statistical inference. Ecology 90:3566–3574CrossRefGoogle Scholar
  13. De Cáceres M, Legendre P, Moretti M (2010) Improving indicator species analysis by combining groups of sites. Oikos 119:1674–1684CrossRefGoogle Scholar
  14. De Keersmaeker L, Neirynck J, Maddelein D, De Schrijver A, Lust N (2000) Soil water chemistry and revegetation of a limed clearcut in a nitrogen saturated forest. Water Air Soil Pollut 122:49–62CrossRefGoogle Scholar
  15. Denner M (2007) Auswirkungen des ökologischen Waldumbaus in der Dübener Heide und im Erzgebirge auf die Bodenvegetation. Forstwissenschaftliche Beiträge Tharandt 29Google Scholar
  16. Dierschke H (1994) Pflanzensoziologie: Grundlagen und Methoden. Ulmer, StuttgartGoogle Scholar
  17. Dittrich K (2006) Neue Chancen für den Wald im Mittleren Erzgebirge. FuH 3:89–94Google Scholar
  18. Dufrêne M, Legendre P (1997) Species assemblages and indicator species: the need for a flexible asymmetrical approach. Ecol Monogr 67:345–366Google Scholar
  19. Ebrecht L, Schmidt W (2005) Einfluss von Rückegassen auf die Vegetation. Forstarchiv 76:83–101Google Scholar
  20. Ellenberg H (1991) Ökologische Veränderungen in Biozönosen durch Stickstoffeintrag. Ber Ökol Forsch 4:74–90Google Scholar
  21. Ellenberg H, Werner HE, Düll R, Wirth V, Werner W (2001) Zeigerwerte von Pflanzen in Mitteleuropa. 3. Aufl. Scr Geobot 18Google Scholar
  22. Ewald J (2007) Beurteilung von Waldstandorten und Waldgesellschaften mit Zeigerarten-Ökogrammen. Tuexenia 27:7–18Google Scholar
  23. Fischer A (1987) Untersuchungen zur Populationsdynamik am Beginn von Sekundärsukzessionen. Die Bedeutung von Samenbank und Samenniederschlag für die Wiederbesiedlung vegetationsfreier Flächen in Wald- und Grünlandgesellschaften. Diss Bot 110, J. Cramer, Berlin, StuttgartGoogle Scholar
  24. Goodall DW (1973) Sample similarity and species correlation. In: Whittaker RH (ed) Ordination and classification of communities. Handbook of vegetation science, vol 5, pp 105–156Google Scholar
  25. Gorham E (1989) Scientific understanding of ecosystem acidification: a historical review. Ambio 18:150–154Google Scholar
  26. Grabherr G, Koch G, Kirchmeir H, Reiter K (1998) Hemerobie österreichischer Waldökosysteme. Veröffentlichungen des österreichischen MaB-Programmes Bd. 17, Wagner, InnsbruckGoogle Scholar
  27. Greene RH (1979) Sampling design and statistical methods for environmental biologists. Wiley, New YorkGoogle Scholar
  28. Guckland A, Ahrends B, Paar U, Damman I, Evers J, Meiwes KJ, Schönfelder E, Ullrich T, Mindrup M, König N, Eichhorn J (2012) Predicting depth translocation of base cations after forest liming—results from long-term experiments. Eur J For Res 131:1869–1887CrossRefGoogle Scholar
  29. Hallbäcken L, Zhang LQ (1998) Effects of experimental acidification, nitrogen addition and liming on ground vegetation in a mature stand of Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) in SE Sweden. For Ecol Manag 108:201–213CrossRefGoogle Scholar
  30. Hartmann FK (1959) Über die Wirkung von Kalkungen auf Waldböden verschiedenen Nährstoff- und Basengehaltes in soziologisch-ökologischer Betrachtung. In: Kalkdienst. Der Wald braucht Kalk (3):30–44Google Scholar
  31. Hendricks SB, Taylorson RB (1972) Promotion of seed germination by nitrates and cyanides. Nature 237:169–170CrossRefGoogle Scholar
  32. Hill MO (1973) Diversity and evenness: a unifying notation ant its consequences. Ecology 54:427–432CrossRefGoogle Scholar
  33. Höcke CE (2006) Langfristige Veränderungen der Bodenvegetation und der Bodeneigenschaften durch Walddüngungen im Nordschwarzwald und auf der Baar. Dissertation, TU FreiburgGoogle Scholar
  34. Huber C, Weis W, Göttlein A (2006) Tree nutrition of Norway spruce as modified by liming and experimental acidification at the Höglwald site, Germany, from 1982 to 2004. Ann For Sci 63:861–869CrossRefGoogle Scholar
  35. Huettl RF, Zoettl HW (1993) Liming as a mitigation tool in Germany`s declining forests—reviewing results from former and recent trials. For Ecol Manag 61:325–338CrossRefGoogle Scholar
  36. Hurlbert S (1984) Pseudoreplication and the design of ecological experiments. Ecol Monogr 54:187–211CrossRefGoogle Scholar
  37. Immer A, Schmidt W, Meiwes KJ, Beese F (1993) Langzeitwirkungen von Kalkung und Düngung auf den chemischen Zustand im Oberboden, die Humusform und die Bodenvegetation in einem Fichtenforst. Forstw Cbl 112:334–346CrossRefGoogle Scholar
  38. Jandl R, Starlinger F, Englisch M, Herzberger E, Johann E (2002) Long-term effects of a forest amelioration experiment. Can J For Res 32:120–128CrossRefGoogle Scholar
  39. Jenssen M, Hofmann G (2005) Einfluss atmogener Stickstoffeinträge auf die Vielfalt der Vegetation in Wäldern Nordostdeutschlands. Beitr Forstwirtsch u Landschökol 39(3):132–141Google Scholar
  40. Koleff P, Gaston KJ, Lennon JJ (2003) Measuring beta diversity for presence-absence data. J Anim Ecol 72:367–382CrossRefGoogle Scholar
  41. Kraft M, Reif A, Schreiner M, Aldinger E (2003) Veränderungen der Bodenvegetation und der Humusauflage im Nordschwarzwald in den letzten 40 Jahren. Forstarchiv 74:3–15Google Scholar
  42. Krause S (1989) Waldvegetationskundliche Untersuchungen in ausgewählten Naturschutzgebieten der Hoch- und Kammlagen des Erzgebirges sowie Ableitung eines Behandlungskonzeptes. Dissertation, TU DresdenGoogle Scholar
  43. Krebs C (1999) Ecological methodology, 2nd edn. Addison Wesley Longman, Menlo ParkGoogle Scholar
  44. Legendre P, Legendre L (2012) Numerical ecology: 3rd English edition. Elsevier, AmsterdamGoogle Scholar
  45. Leitgeb E (1994) Reaktion der Bodenvegetation auf Düngung und Kalkung in einem Fichtenbestand. Cbl gesamte Forstwes 111:229–241Google Scholar
  46. Leube F (2000) Leitfaden Forstliche Bodenschutzkalkung in Sachsen. Schriftenreihe der Sächsischen Landesanstalt für Forsten 21Google Scholar
  47. LfULG (ed) (2018) Luftqualität in Sachsen. Jahresbericht 2017. DresdenGoogle Scholar
  48. Lorenz K, Feger KH, Kandeler E (2001) The response of soil microbial biomass and activity of a Norway spruce forest on liming and drought. J Plant Nutr Soil Sci 164:9–19CrossRefGoogle Scholar
  49. Lundström US, Bain DC, Taylor AFS, van Hees PAW (2003a) Effects of acidification and its mitigation with lime and wood ash on forest soil processes: a review. Water Air Soil Pollut Focus 3:5–28CrossRefGoogle Scholar
  50. Lundström US, Bain DC, Taylor AFS, van Hees PAW, Geibe CA, Holmström SJM, Melkerud PA, Finlay R, Jones DL, Nyberg L, Gustafsson JP, Riise G, Tau Strand L (2003b) Effects of acidification and its mitigation with lime and wood ash on forest soil processes in Southern Sweden. A joint multidisciplinary study. Water Air Soil Pollut Focus 3:167–188CrossRefGoogle Scholar
  51. Maas D, Pfadenhauer J (1994) Effizienzkontrollen von Naturschutzmaßnahmen – fachliche Anforderungen im vegetationskundlichen Bereich. Schr-R f Landschaftspflege u. Naturschutz 40:25–50Google Scholar
  52. Mannsfeld K, Syrbe RU (2008) Naturräume in Sachsen. Forschungen zur deutschen Landeskunde 257:1–268Google Scholar
  53. Neale SP, Shah Z, Adams WA (1997) Changes in microbial biomass and nitrogen turnover in acidic organic soils following liming. Soil Biol Biochem 29:1463–1474CrossRefGoogle Scholar
  54. Nohrstedt HÖ (2001) Response of coniferous forest ecosystems on mineral soils to nutrient additions: a review of Swedish experiences. Scan J For Res 16:555–573CrossRefGoogle Scholar
  55. Oberdorfer E, Schwabe A, Müller T (2001) Pflanzensoziologische Exkursionsflora. Für Deutschland und angrenzende Gebiete. 8. Aufl., Stuttgart, UlmerGoogle Scholar
  56. Økland T, Bakkestuen V, Økland RH, Eilertsen O (2004) Changes in forest understorey vegetation in Norway related to long-term soil acidification and climatic change. J Veg Sci 15:437–448CrossRefGoogle Scholar
  57. Oksanen J, Blanchet FG, Kindt R, Legendre P, Minchin PR, O’Hara RB, Simpson GL, Solymos P, Stevens MHH, Wagner H (2015) Vegan: Community Ecology Package. R package version 2.2-1. http://CRAN.R-project.org/package=vegan
  58. Pfadenhauer J, Poschlod P, Buchwald R (1986) Überlegungen zu einem Konzept geobotanischer Dauerbeobachtungsflächen für Bayern. Teil I. Berichte der Akademie für Naturschutz und Landschaftspflege 10:41–60Google Scholar
  59. Priehäußer G (1958) Änderungen im Artenbestand der Flora auf den Rohhumusböden der Hochlagen des Bayerischen Waldes bei natürlicher Auflichtung und bei künstlicher Auflichtung mit Kalkung. Ber Bayer Bot Ges 32:108–117Google Scholar
  60. R Core Team (2014) R: a language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. http://www.R-project.org/
  61. Reif A, Schulze ED, Ewald J, Rothe A (2014) Waldkalkung – Bodenschutz contra Naturschutz? Waldökologie, Landschaftsforschung und Naturschutz 14:5–29Google Scholar
  62. Reinhold F (1939) Versuch einer Einteilung und Übersicht der natürlichen Fichtenwälder (Piceion excelsae) Sachsens. Thar Forstl Jb 90:229–271Google Scholar
  63. Rennwald E (2000) (Bearb.). Verzeichnis und Rote Liste der Pflanzengesellschaften Deutschlands. Schriftenreihe für Vegetationskunde 35. Bonn—Bad GodesbergGoogle Scholar
  64. Rineau F, Garbaye J (2009) Does forest liming impact the enzymatic profiles of endomycorrhizal communities through specialized fungal symbionts? Mycorrhiza 19:493–500CrossRefGoogle Scholar
  65. Rodenkirchen H (1993) Wirkungen von Luftverunreinigung und künstlichem sauren Regen auf die Bodenvegetation in Koniferenwäldern. Forstw Cbl 112:70–75CrossRefGoogle Scholar
  66. Rodenkirchen H (1998) Evidence for a nutritional disorder of Oxalis acetosella L. on acid forest soils. I. Control Situation and effects of dolomitic liming and acid irrigation. Plant Soil 199:141–152CrossRefGoogle Scholar
  67. Schlüter H (1966) Untersuchungen über die Auswirkung von Bestandskalkungen auf die Bodenvegetation in Fichtenforsten. Die Kulturpflanze 14:47–60CrossRefGoogle Scholar
  68. Schmidt W (1992) Der Einfluß von Kalkungsmaßnahmen auf die Waldbodenvegetation. Z Ökol Natursch 1:79–88Google Scholar
  69. Schmidt PA (1993) Veränderung der Flora und Vegetation von Wäldern unter Immissionseinfluß. Forstw Cbl 112:213–224CrossRefGoogle Scholar
  70. Schmidt W (2002) Einfluss der Bodenschutzkalkung auf die Waldvegetation. Forstarchiv 73:43–45Google Scholar
  71. Schmidt PA, Hempel W, Denner M, Döring N, Gnüchtel A, Walter B, Wendel D (2002) Potentielle Natürliche Vegetation mit Karte 1:200000. In: LfUG (ed) Materialien zu Naturschutz und Landschaftspflege. DresdenGoogle Scholar
  72. Schmidt M, Kriebitzsch WU, Ewald J (2011) Waldartenlisten der Farn- und Blütenpflanzen, Moose und Flechten Deutschlands. BfN-Skripten 299Google Scholar
  73. Schornick OK (1990) Änderung der Bodenvegetation in Waldbeständen als Folge einer künstlichen Düngung. KfK-PEF 63Google Scholar
  74. Schubert R (1972) Übersicht über die Pflanzengesellschaften im südlichen Teil der DDR. III. Wälder Teil 3. Hercynia NF 9 (1972) 3: 197–228Google Scholar
  75. Seibt G, Wittich W (1977) Ertragskundliche und bodenkundliche Ergebnisse langfristiger Kalkungsversuche im nord- und westdeutschen Bergland. Der älteste Kalkungsversuch in Neuenheerse und bodenkundliche Grundlagen. Schr-R forstl Fak Univ Göttingen 50:5–88Google Scholar
  76. SMUL (ed) (1996) Waldschadensbericht 1996. Vetters, RadeburgGoogle Scholar
  77. Ulrich B (1986) Natural and anthropogenic components of soil acidification. Z Pflanzenernaehr Bodenk 149:702–717CrossRefGoogle Scholar
  78. Ulrich B (1987) Stability, elasticity and resilienc of terrestrical ecosystems with respect to matter balance. Ecol Stud 61:11–49CrossRefGoogle Scholar
  79. UN/ECE (1992) Critical levels of air pollutants for Europe. Background Papers prepared for the UN/ECE Workshop on Critical Levels in Engham, U.K. 23.-26-March 1992. Air Quality Division, Department of the Environment, LondonGoogle Scholar
  80. Usher MB (1991) Scientific requirements of a monitoring programme. In: Goldsmith FB (ed) Monitoring for conservation and ecology. Chapman & Hall, London, pp 15–32CrossRefGoogle Scholar
  81. Van Breemen N (1990) Deterioration of forest land as a result of atmospheric deposition in Europe: a review. In: Gessel SP, Lacate DS, Weetman GF, Powers RF (eds) Sustained productivity of forest soils. Proceedings of the 7th North America Forest Soils Conference on University of British Columbia, Faculty of Forest Publication, Vancouver, pp 1–525Google Scholar
  82. VEB Forstprojektierung (Ed.) (1985) Erläuterungen zur Standortskarte des Staatlichen Forstwirtschaftsbetriebes Schwarzenberg. PotsdamGoogle Scholar
  83. Wenzel B (1989) Kalkungs- und Meliorationsexperimente im Solling: Initialeffekte auf Boden, Sickerwasser und Vegetation. Ber Forschungszentrums Waldökosysteme A 51Google Scholar
  84. Wittig R, Ballach HJ, Brandt CJ (1985) Increase of number of acid indicators in the herb layer of the millet grass-beech forest of the Westphalian Bight. Angewandte Botanik 59:219–232Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature 2019

Authors and Affiliations

  1. 1.Public Enterprise Sachsenforst, Competence Centre for Wood and ForestryPirnaGermany
  2. 2.Institute of General Ecology and Environmental ProtectionTechnische Universität DresdenTharandtGermany
  3. 3.Faculty of Forest and EnvironmentEberswalde University for Sustainable DevelopmentEberswaldeGermany
  4. 4.German Centre of Integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-LeipzigLeipzigGermany

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