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Projekte von Dr. Wendelin Weis:


Standortssicherung im Kalkalpin

Teilprojekt I: Baumartenvergleich in intakten Altbeständen

Finanzierung:
Europäische Union
INTERREG Bayern – Österreich

2010 – 2012

Die Untersuchungen zum Standortssicherungspotential intakter Bergwälder sollen den Einfluss der dort wichtigsten Baumarten auf den Standort sowie die Resilienz der Baumarten hinsichtlich Nährstoffknappheit und Klimaextremen charakterisieren. Gleichzeitig soll die Reaktion der wichtigsten Bergmischwaldbaumarten auf die bereits eingetretenen Klimaänderungen entlang von Höhen- und Standortgradienten analysiert werden, um daraus die Baumarteignung für die prognostizierten Klimaverhältnisse abzuschätzen.

Auf ca. 120 Flächen in drei- bis vierstufigen Höhengradienten werden Altbestände hinsichtlich Klima, Bodeneigenschaften, Ernährungssituation, Stoffhaushalt und Zuwachs in Abhängigkeit von Standort und Baumart (Fichte, Tanne, Buche, Bergahorn, Kiefer und Lärche) untersucht. Der Vergleich von  Zuwachs und Ernährungszustand der Baumarten soll den Grad der Anpassung der Bäume an den Standort und ihre Resilienz gegenüber standortsbedingten Stressfaktoren aufzeigen. Die Aufnahme von Boden- (Humus-) Mächtigkeit und Nährstoffspeicherung im Boden ermöglicht eine Einschätzung des Baumarteneinflusses auf den Standort sowie die Wechselwirkungen zwischen Zuwachsverhalten und Standortfaktoren. Intensive Messungen zu Wasser- und Stoffhaushalt finden auf flachgründigen, südexponierten und damit besonders sensiblen Standorten statt (12 der 120 Flächen). Hier stehen die Widerstandsfähigkeit gegenüber Trockenperioden und die unterschiedliche Nutzung des im Kalkalpin oft knappen Kalium-, Phosphor- und Spurenelementangebots durch die Bergmischwaldbaumarten im Vordergrund.


Stoffliche Nachhaltigkeitskriterien für die bayerische Forstwirtschaft

Criteria for nutritional sustainability of forest management in Bavaria, Southern Germany)

Finanzierung:
Bayerisches Staatsministerium
für Landwirtschaft und Forsten

2008 – 2011

Das Wachstum von Wäldern wird in erster Linie von den Standortsfaktoren Klima, Wasserverfügbarkeit und Nährstoffangebot bestimmt. Im Zusammenhang mit einer Intensivierung der forstlichen Nutzung (Energieholznutzung, Hackschnitzelproduktion) ist die Nährstoffverfügbarkeit am Standort für eine stofflich nachhaltige Forstwirtschaft von entscheidender Bedeutung. Die dem Wald zur Verfügung stehenden Nährstoffe ergeben sich aus der Differenz zwischen dem Nährstoffeintrag (atmosphärische Deposition + Mineralverwitterung im Boden) und dem Nährstoffaustrag (Verluste mit dem Sickerwasser + Biomasseexport). Ist der Austrag dabei geringer als der Eintrag, so ist das System hinsichtlich dieses Kriteriums als stofflich nachhaltig zu betrachten.

Für eine verlässliche Quantifizierung der Nährelementexporte durch Holzernte und Biomassenutzung müssen neben einer standortsabhängigen Quantifizierung der Biomasse auch die Informationen über deren spezifischen Elementgehalte zur Verfügung stehen. Sollen die standortsbezogenen Aussagen auch Prognosen ermöglichen, ob eine Intensivierung der Nutzung zu ernährungsbedingten Wachstumseinbußen in der Folgegenerationen führt, so müssen neben den aktuellen Elementgehalten auch die jeweiligen wachstumslimitierenden unteren Grenzen bekannt sein.

Ziele des Forschungsvorhabens:

  • Quantifizierung der Biomasse- und Nährelementexporte bei unterschiedlicher forstlicher Nutzungsintensität für die Baumarten Fichte und Buche auf den wichtigsten Standorten Bayerns.
  • Gegenüberstellung von standortsbezogenem Nährstoffangebot und Nährelementexport bei unterschiedlicher forstlicher Nutzung und damit Identifizierung von Standorten, an denen die Nährstoffversorgung bereits heute wachstumslimitierend wirkt oder in Folge einer Nutzungsintensivierung problematisch werden kann.
  • Identifikation von wachstumshemmend wirkenden Grenzbereichen der Nährelementversorgung für die Hauptbaumarten Fichte und Buche
  • Ableitung von Empfehlungen für eine aus nährstoffkundlicher Sicht nachhaltige Nutzung der Fichten- und Buchenwälder in Bayern.

Erstellung von Nährstoffbilanzen für die Staatswaldflächen in Bayern als Grundlage einer nachhaltigen Biomassenutzung

Finanzierung:
Bayerische Staatsforsten AöR
2007 – 2008

Für die gesamte bayerische Staatswaldfläche wurden die bodengebundenen Vorräte an Calcium, Magnesium und Kalium sowie die Nährstoffbilanzen der genannten Elemente berechnet. Die geographischen Grundlagen waren Bewertungseinheiten, die aus der bayerischen Konzeptbodenkarte (1:25000) bzw. der Geologischen Übersichtskarte Bayerns (1:200000) abgeleitet und mit der Staatswaldfläche verschnitten wurden. Diesen Bewertungseinheiten wurden typische Bodenprofile verschiedener Bodenprofildatenbanken Bayerns zugeordnet um daraus die bodenphysikalischen und –chemischen Eigenschaften abzuleiten. Die Bilanzierung stellte den Stoffeinträgen aus Deposition und Verwitterung die Austräge durch Ernteentzug und Verluste mit dem Sickerwasser gegenüber. Berücksichtigt wurden dabei die Baumart (Buche, Eiche, Fichte, Kiefer), verschiedene Nutzungsstrategien (keine Nutzung, Derbholz mit Rinde, Derbholz mit Rinde und Krone), Klima, Bodentextur, Lagerungsdichte, Mineralzusammensetzung und der Vorrat an nutzbaren Nährelementen im Boden (Gesamtvorräte im Humus plus austauschbare Vorräte im Mineralboden).

Die Bilanzen wurden in drei Kategorien eingeteilt: (I) Bilanz > 0 (Nährstoffverluste durch Holzernte und Sickerwasseraustrag werden durch Einträge über Deposition und Verwitterung vollständig kompensiert, keine nährstoffbedingte Nutzungseinschränkung); (II) Bilanz <0 aber >-10% des nutzbaren Nährelementvorrats pro Umtriebszeit (Nährstoffentzüge werden nicht durch Deposition und Verwitterung gedeckt, die nutzbaren Nährstoffvorräte werden aber rein rechnerisch innerhalb von zehn Umtriebszeiten nicht erschöpft, Nutzungseinschränkungen empfohlen); Bilanz <-10% des nutzbaren Nährelementvorrats pro Umtriebszeit (Nährstoffentzüge können nicht durch Deposition und Verwitterung gedeckt werden, die nutzbaren Nährstoffvorräte sind rein rechnerisch nach zehn Umtriebszeiten völlig erschöpft, Nutzungseinschränkungen dringend empfohlen).

Buche ist die Baumart, die am häufigsten negative Nährelementbilanzen aufweist. Gefolgt wird sie von Eiche und Fichte. Kiefer dagegen zeigt nur auf extrem nährstoffarmen Standorten negative Nährstoffbilanzen. Die Bilanzen fallen im Allgemeinen auf sandigen, skelettreichen oder sehr flachgründigen Böden und bei basenarmen Ausgangsgestein negativ aus. Betroffen sind davon insbesondere die ostbayerischen Mittelgebirge, Spessart, Oberpfälzer Becken, Böden aus Kreideverwitterung und Teile des Keupers. Oberbayern südlich der Donau schneidet dagegen vergleichsweise gut ab. Auf knapp 20 % der Staatswaldfläche können negative Nährstoffbilanzen durch Verzicht auf Kronennutzung vermieden werden.


Biomasse- und Nährelementverschiebungen bzw. –verluste bei Harvesterdurchforstungen und deren Auswirkungen auf Bodeneigenschaften und Stoffhaushalt von Waldökosystemen

Finanzierung:
Bayerisches Staatsministerium
für Landwirtschaft und Forsten

2007 – 2009

Aufgabenbereich: Wasserhaushalt, Bodenphysik

Zur Einhaltung internationaler und nationaler Vorgaben (Helsinki-Kriterien; Waldgesetz) sowie zur Erfüllung von Zertifizierungskriterien ist ein Nachweis der stofflichen Nachhaltigkeit des forstlichen Wirtschaftens zu erbringen. Während früher die Streunutzung einen bedeutenden Störfaktor darstellte, kann heute der verstärkte Harvestereinsatz zu einer Umverteilung bzw. zu einem echten Verlust von Nährstoffen führen. Das Anlegen einer Reisigmatte auf den Fahrlinien wird im allgemeinen empfohlen, sowohl aus Bodenschutzgründen als auch aus Waldschutzgründen (Material auf der Rückegasse ist nach dem Befahren im Sommer weniger fängisch). Da in der Ast-, Reisig-, Rinden- und Nadelmasse im Kronenbereich eines Baumes ein großer Anteil der Nährelemente gebunden ist, bedeutet eine Verfrachtung auf die Rückegassen eine erhebliche Nährelementumverteilung. Dies ist insofern von Bedeutung, da Rückegassen im Flachland rechnerisch ca. 20 % der Waldfläche ausmachen und bayernweit ca. 70 % der Waldfläche als „harversterfähig“ angesehen werden. Zusätzlich zum Nährstoffexport durch die reine Derbholznutzung kann eine Verlagerung des nährelementreichen Materials vom Bestand zu den Rückegassen insgesamt einer Vollbaumernte nahe kommen, falls die dort aufkonzentrierten Nährstoffe nicht mehr für den Bestand verfügbar sind. Die Höhe der Nährstoffverlagerung hängt u. a. von den Standorteigenschaften sowie der Art und Intensität der Nutzung ab. Besonders auf basenarmen Standorten kann ein Verlust an basisch wirkenden Kationen wie K+, Mg2+ und Ca2+ auf der Fläche zu einer erheblichen Störung des Stoffkreislaufs im Waldökosystem führen. Die maschinelle Holzernte wurde in Bayern erst ab 1990 in breiterem Umfang eingeführt. Bislang ist jedoch nicht bekannt, welche Auswirkungen eine Umverteilung oder auch der Entzug der Nährelemente bei der Ernte hat. Eine mögliche Folge ist ein Rückgang der Produktivität des Waldes, was den wirtschaftlichen Interessen des Waldbesitzers widersprechen würde. Für eine nachhaltige Waldwirtschaft ist es daher von großer Bedeutung abzuschätzen, inwieweit moderne Erntetechniken das Stoffhaushaltsmanagement beeinflussen und welche konkreten Verfahrensoptimierungen, wie z.B. eine flächige Rückführung des Reisigs, getroffen werden können um einer möglichen Störung des Waldökosystems entgegenzuwirken. Im Rahmen des Projektes sollen daher folgende Fragen bearbeitet werden:

  • Welcher Anteil der Biomasse verbleibt nach hochmechanisierten Holzernteeingriffen im Bestand und welcher Anteil wird auf die Rückegasse verfrachtet?
  • In welchem Umfang gehen Nährstoffe tatsächlich durch die Entastung und Zopfung an der Rückegasse aus dem Waldökosystem verloren?
  • Wie wirkt sich die Reisigmatte auf Bodenstrukturveränderungen und ökologische Funktionalität aus?
  • Können Veränderungen des bodenchemischen Milieus unter veränderten Porenraumbedingungen und –funktionalitäten quantifiziert werden?
  • Ermöglicht die Durchwurzelung der Rückegasse durch die randständigen Bäume eine verstärkte Aufnahme der auf die Rückegasse verlagerten Nährstoffe und so eine Rückverteilung in die Zwischenfelder, oder ist die Durchwurzelung auf der Rückegasse nachhaltig gestört?
  • Inwieweit ist der Boden imstande die aus der Reisigmatte ausgewaschenen Nährelemente aufzunehmen oder gehen diese als Begleitkationen von Nitrat verloren und ist mit einer Belastung des Sickerwassers (Trinkwassers) zu rechnen?
  • Inwiefern wirken sich diese „Nährstoffentzüge“ nachhaltig negativ auf den Bestand aus und können diese gegebenenfalls durch Rückverteilung des Reisigs minimiert werden?
  • Wie rechnet sich eine Reisigrückverteilung betriebswirtschaftlich?

Stellt die oberirdische Biomasse eine Senke für Calcium und Magnesium nach Kalkung dar?

Finanzierung:
Bayerisches Staatsministerium
für Landwirtschaft und Forsten

2007 – 2008

Im Jahr 1984 begannen die Messreihen zur Kalkung im Höglwald, einem fichtendominierten Forschungsbestand des Fachgebiets Waldernährung und Wasserhaushalt der Technischen Universität München. Die dolomitische Kalkung führte zu einem lang anhaltend erhöhten Fluss von Magnesium und Calcium aus dem Wurzelraum. 20 Jahre nach Kalkung war eine dem ausgebrachte Magnesium äquivalente Menge bereits komplett aus dem Hauptwurzelraum ausgetragen. Für Calcium konnten etwa 45 % der ausgebrachten Menge weder im Sickerwasser noch am Kationenaustauscher des Bodens wieder gefunden werden. Nadelanalysen ergaben bis 2004 keine signifikant erhöhten Magnesium- und Calciumwerte.

Untersuchungen zu den Elementgehalte der wichtigsten Baumkompartimente (Holz, Rinde, Äste, Zweige, Nadeln) im gekalkten und ungekalkten Fichtenaltbestand wurden am Standort Höglwald durchgeführt um die Frage zu klären ob die Fichten im Höglwald einen nährstofflichen Nutzen aus der Kalkung ziehen und zu welchem Anteil das in den Bilanzen fehlende Calciums in der oberirdischen Biomasse gespeichert wurde. Neben Calcium und Magnesium wurden auch die Elemente C, N, S, Al, Fe, Mn, K, und Na analysiert um die umfassenden Stoffhaushaltsuntersuchungen im Höglwald mit und ohne Kalkung zu vervollständigen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die oberirdische Biomasse am Standort Höglwald keine nennenswerte Senke für das mit der Kalkung ausgebrachte Ca und Mg darstellt. Für Ca und Mg ist aber eine Tendenz zur höheren Gehalten in den biologisch aktivsten Teilen der Biomasse, den Zweigen und Nadeln, auf der gekalkten Fläche zu erkennen. Diese ist nur für die Mg-Gehalte in den Nadeln signifikant. Insbesondere für Ca deuten die sehr hohen Gehalte auf eine Überschussaufnahme und „Entsorgung“ in Zellwand bzw. Zellvakuolen hin.

In Folge der Kalkung fallen die Gehalt von K in Rinde und Nadeln deutlich ab. Die Gehalte in einjährigen Nadeln liegen nahe der Grenze einer sehr niedrigen Nährstoffversorgung. Von einer für den untersuchten Bestand bedeutsamen Verschlechterung der Kaliumversorgung durch Kalkung muss dementsprechend ausgegangen werden. Einschränkend ist zu bemerken, daß sich bei den langjährigen Untersuchungen der Nadelspiegelwerte zuvor keine Tendenz für eine generelleVerschlechterung der Kaliumversorgung zeigte (Huber et al. 2006b). Negative Auswirkungen der Kalkung auf die P-Versorgung z.B. durch Festlegung von P im Boden als Calciumphosphat, konnten nur teilweise bestätigt werden. Die P-Gehalte der gekalkten Bäume lagen in der Rinde niedriger, nicht aber in den Nadeln.


Die Auswirkungen der Verjüngung von Fichtenaltbeständen auf Bodenfruchtbarkeit und Nitratkonzentration im Sickerwasser

Finanzierung:
Bayerisches Staatsministerium
für Landwirtschaft und Forsten

2002 – 2006

Die Verjüngung von Fichtenaltbeständen erfolgt in Bayern in der Regel über Femelhiebe unterschiedlicher Intensität. Eine möglich Alternative ist die Verjüngung auf Kahlflächen, die sowohl auf natürliche Weise (Sturmwurf oder Borkenkäferkalamitäten) als auch aus Gründen der Berwirtschaftung (Saum- und Kahlschlagsbetrieb) entstehen. Beide Fälle bedeuten einen Eingriff in den Stoffhaushalt der Wälder. Es kommt durch erhöhten Strahlungseinfall zu einer verringerten Aufnahme von Nährelementen durch den Altbestand und zur Beschleunigung bodenbiologischer Prozesse wie Mineralisation und Nitrtifikation. Eine mögliche Folge sind hohe Nitratausträge mit dem Sickerwasser und, falls das Nitrat bis in den Grundwasserleiter gelangt, eine Beeinträchtigung des Trinkwassers. Gleichzeitig können hohe Nitratausträge einen Export von Nährstoffkationen aus dem Oberboden und damit eine Verschlechterung der Bodenfruchtbarkeit bewirken.

Zur Beantwortung der Frage, ob und in welchem Ausmaß Nitratausträge und Verluste von Nährstoffkationen wie Calcium, Magnesium oder Kalium bei Verjüngung von Fichtenaltbeständen auf Femel- und Kahlflächen mit nachfolgender Pflanzung von Buche zu erwarten sind, wurden in drei repräsentativen Beständen Bayerns Stoffhaushaltsuntersuchungen durchgeführt. Die gewählten Standorte Ebersberg (Münchner Schotterebene), Flossenbürg (Innerer Oberpfälzer Wald) und Höglwald (Oberbayerisches Tertiärhügelland) unterscheiden sich hinsichtlich Klima, Boden, Stoffeintrag, Bestandesdichte und Bodenvegetation. An einem Standort (Ebersberg) wurden außerdem an Hand unechter Zeitreihen die mittelfristigen Änderungen des Stoffhaushalts bis zum Alter der Buchenverjüngung von ca. 20 Jahren erfasst.

Die Untersuchungen zeigen, dass Kahlflächen eine deutliche Saisonalität mit anfänglich hohen Nitratkonzentrationen im Sickerwasser aufweisen. Kurzfristig können Konzentrationen von über 150 mg l-1 erreicht werden. Die hohen Konzentrationswerte bleiben allerdings auf die ersten beiden Jahre nach Kahlhieb beschränkt. In dieser Zeit können die Stickstoffverluste an gut wüchsiger Standorte ohne Vorausverjüngung oder Bodenvegetation über 200 kg ha-1 betragen. Zusammen mit dem durch Überschussnitrifikation nach Kahlschlag entstehenden Nitrat werden Kationen aus dem Hauptwurzelraum in tiefere Bodenschichten verlagert. Im versauerten Oberboden ist die zunächst Aluminium, in basenreicheren Bodenschichten nach Ionenaustausch vor allem Calcium und Magnesium. Verluste von Nährstoffkationen sind die Folge. Dabei kann eine schon im Altbestand gut entwickelte Bodenvegetation bzw. Naturverjüngung oder eine frühe Vorausverjüngung helfen hohe Nitratausträge und Nährstoffverluste nach Kahlhieb, Windwurf oder Borkenkäferkalamitäten zu vermeiden. Wird die Verjüngung über Femelhiebe initiiert ist die Erhöhung des Nitrataustrags insbesondere dann gering, wenn die Auflichtung verteilt über die gesamte Fläche und nicht konzentriert auf kleine „Lochhiebe“ stattfindet. Das später nötige Freistellen der Buchen kann allerdings ebenfalls zu erhöhter Nitratproduktion und damit zu Nährstoffverlusten führen. Hinsichtlich Phosphor und den Nährstoffkationen zeigen die ernährungskundlichen Untersuchungen am Standort Ebersberg keine Benachteiligung der Buchenverjüngung nach Kahlschlag. Die Stickstoffversorgun scheint dagegen insbesondere in den ersten Jahren nach Pflanzung beeinträchtigt. Dies kann sowohl eine physiologische Reaktion auf die hohe Sonneneinstrahlung sein, als auch ein Ausdruck der Konkurrenz zwischen den Bäumen und den nitrifizierenden Mikroorganismen im Boden um die bevorzugte Stickstoffquelle Ammonium.


Auswirkungen von Verjüngungsverfahren in Fichtenaltbeständen Mittelschwabens auf Bodenfruchtbarkeit und Nitrataustrag: Phase II

Finanzierung:
Bayerisches Staatsministerium
für Landwirtschaft und Forsten

2003

Aufgabenbereich: Wasser- und Stoffhaushalt

Ziel des Vorhabens war es die Auswirkungen von Femelhieb und Kahlschlag im Höglwald, einem Fichtenaltbestand Mittelschwabens, auf Nitratkonzentration, Nitrataustrag und Austrag an Nährstoffkationen zu verfolgen. Die 1999 begonnen Untersuchungen zu Wasser- und Stoffhaushalt wurden für das Jahr 2003 fortgesetzt. Die Ergebnisse der Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Durch höheren Niederschlagseintrag und verringerter Transpiration steigen die Was-serflüsse nach Femelhieb geringfügig, nach Kahlschlag deutlich an. Die starke Verringerung der trockenen Deposition bei Wegfall des Fichtenaltbestands führt zu geringe-ren Stoffeinträgen auf der Kahlfläche. Die Femelfläche zeigt bezüglich des Stoffeintrags kaum Unterschiede zum Fichtenaltbestand. Gleiches gilt für die Elementkon-zentrationen und die Stoffflüsse mit dem Sickerwasser. Dagegen führte der Kahlschlag in den ersten 2 Jahren nach dem Hieb zu einem Anstieg der Nitratkonzentration und, verstärkt durch die höheren Wasserflüsse, des Nitrataustrags unterhalb des Hauptwurzelraums. Die Überschussnitrifikation führte zur Auswaschung von Nährstoffkationen, vor allem von Magnesium und Kalium. Im dritten und vierten Jahr nach dem Hieb lagen die Nitratkonzentrationen allerdings deutlich niedriger als im Fichtenaltbestand und auf der Femelfläche. Bis auf Kalium sind auch die Austräge der Nährkationen deutlich rückläufig und die Sickerwasserqualität besser als im Fichten-altbestand und auf der Femelfläche, die beide noch unter hohen Stickstoffeinträge durch das Ausfiltern von N-Verbindungen im Kronenraum leiden. Die flussgewichteten mittleren Nitratkonzentrationen von Fichtenaltbestand, Femel- und Kahlfläche unterscheiden sich bei Betrachtung der gesamten Beobachtungszeit von nunmehr vier Jahren nur geringfügig. Für diese vier Jahre ergeben sich gegenüber dem Altbestand deutlich höhere Austräge an Nährstoffen nur auf der Kahlfläche und dort nur für Stickstoff, der als Nitrat den Wurzelraum verlässt und hauptsächlich von Aluminium begleitet wird, und Kalium nicht aber für Calcium oder Magnesium.


Auswirkungen eines femelartigen Verjüngungsverfahrens in Mittelschwaben auf die Sickerwasserchemie

Finanzierung:
Bayerisches Staatsministerium
für Landwirtschaft und Forsten

2002

Aufgabenbereich: Wasser- und Stoffhaushalt

Ziel des Vorhabens war es die Auswirkungen von Femelhieb und Kahlschlag im Höglwald, einem Fichtenaltbestand Mittelschwabens, auf Wasserhaushalt, Sickerwasserchemie und Bodenvegetation zu verfolgen. Die 1999, während eines dreijährigen BMBF Projekts, begonnen Untersuchungen zu Wasser- und Stoffumsätzen von Bestand und Bodenvegetation sowie der Artenzusammensetzung der Flora wurden für das Jahr 2002 fortgesetzt. Die Ergebnisse der Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Durch den höheren Niederschlagseintrag bei gleichzeitig verringerter Transpiration steigen die Wasserflüsse nach dem Femelhieb geringfügig, nach Kahlschlag deutlich an. Die starke Verringerung der trockenen Deposition bei Wegfall des Fichtenaltbestand führt zu geringeren Stoffeinträgen auf der Kahlfläche. Die Femelfläche zeigt auch hier kaum Unterschiede zum Fichtenaltbestand. Gleiches gilt für die Elementkonzentrationen und die Stoffflüsse mit dem Sickerwasser. In den ersten 2 Jahren nach dem Hieb führt dagegen der Kahlschlag zu einem Anstieg der Nitratkonzentration und, noch verstärkt durch die höheren Wasserflüsse, des Nitrataustrags unterhalb des Hauptwurzelraums. Die Überschussnitrifikation führt zu einer Auswaschung von Nährstoffkationen, vor allem von Magnesium und Kalium. Bereits im dritten Jahr nach dem Hieb liegen die Nitratkonzentrationen allerdings bereits deutlich niedriger als im Fichtenaltbestand und Femel. Bis auf Kalium sind auch die Konzentrationen der Nährkationen deutlich rückläufig.

Die Diversität der Flora erhöhte sich auf den Umbauflächen nur sehr langsam. Ein erster Trend eines sich verändernden Artenspektrums bei einer höheren Diversität zeigte sich im Jahr 2002 auf der Kahlfläche, während der Femel sich kaum vom Altbestand unterscheidet. Der Deckungsgrad und die Nährstoffspeicherung der Bodenvegetation gingen zeitweise auf den Kahlflächen deutlich zurück, wobei kleinstandörtlich einige völlig unbedeckte Flächen zu finden sind. Somit konnte die Bodenvegetation bisher nicht als Nährstoffspeicher fungieren.


Auswirkung der Mischwaldbegrüngung in einem stickstoffgesättigten Fichtenökosystem (Höglwald) auf Bodenfruchtbarkeit, Sickerwasserqualität, Atmosphäre und Biodiversität

Teilprojekt A:
Einfluss forstlicher Maßnahmen auf Wasserhaushalt, Sickerwasserchemie, Bodenvegetation und Fauna

Finanzierung:
Bundesministerium für Bildung und Forschung

1999 – 2001

Aufgabenbereich: Wasserhaushalt

Anliegen einer zukunftsorientierten Waldwirtschaft ist die Bewahrung und Wiederbegründung stabiler und leistungsfähiger Wälder, die eine langfristige Erhaltung und Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit sowie eine möglichst geringe Belastung der terrestrischen und aquatischen Nachbarsysteme. Diesem Ziel wird in Bayern durch das verstärkte Einbringen von Laubbaumarten in Fichtenreinbestände Rechnung getragen. Dabei kommen großflächig in erster Linie zwei waldbaulichen Verfahren zur Anwendung. Im Staatswald wird vorzüglich der Voranbau von Laubhölzern unter aufgelichtetem Fichtenaltholzschirm durchgeführt. Vor allem im Privatwald erfolgt die Verjüngung von Fichtenbeständen auch über Kleinkahlschläge mit folgender Pflanzung. Der Kleinkahlschlag kann auch als ein Untersuchungsmodell für Saumschlagsituationen angesehen werden.

Teilweiser oder völliger Wegfall der Überschirmung führt zu einer deutlichen Veränderung von Eintragssituation, Bestandesklima und Nährstoffentzug aus dem Boden. Auswirkungen auf Wasserhaushalt, Sickerwasserqualität, Artenvielfalt und Bedeckungsgrad der Bodenvegetation sowie auf die Biodiversität der Boden- und bodennahem Fauna sind die Folge. Im weiteren zeitlichen Ablauf beeinflussen sich die genannten Parameter gegenseitig, Rückkopplungen treten auf. Der Verlust von Stickstoff und vor allem der Austrag von Nährkationen mit Nitrat als „Schlepperion“ kann die Nährstoffversorgung an sensiblen Standorten erheblich beeinträchtigen. Hier sind vor allem Böden mit nährstoffarmen Ausgangssubstrat und Standorte mit starker Versauerung im Oberboden zu nennen. Allerdings kann durch aufkommende Bodenvegetation der Stoffverlust des Systems verringert werden. Eine Zunahme der Artenvielfalt und des Deckungsgrades der Bodenvegetation nach Windwurf ist bekannt. Die Veränderungen im Bestandes- und Bodenklima sowie der Bodenchemie zusammen mit der zu erwartenden Reaktion der Bodenvegetation und Mikrobiologie wird zu einer erhöhten Strukturvielfalt im Waldökosystem führen. Ein räumliches Nebeneinander verschiedenster Kleinstandorte ist eine wesentliche Vorraussetzung für eine hohe Biodiversität der Boden- und bodennahen Fauna.


Vergleichende Untersuchungen zum Stoffverlust in Waldökosystemen bei Verjüngung über Gruppenschirmstellung und Kleinkahlschlag

Finanzierung:
Bayerisches Staatsministerium
für Landwirtschaft und Forsten

1999 – 2001

Der praxisübliche Voranbau von Laubholz unter standortsspezifisch mehr oder weniger stark aufgelichtetem Altholzschirm beeinflußt Wasser- und Stoffeintrag, Temperatur- und Feuchteregime, Durchwurz

elung und Bodenvegetation. Als Folge kommt es zu geänderten Stoffumsätzen im Boden. Begleitende Stoffhaushaltsuntersuchungen liegen hierzu jedoch nicht vor. Die möglichen hohen Stoffverluste im Verlauf von Verjüngungsmaßnahmen können zu einer Verschlechterung der Ernährungssituation und, durch Nitratbelastung und Versauerung, zur Beeinträchtigung der Sickerwasserqualität am Standort führen. Letzteres trägt langfristig zur Belastung des Grundwassers bei.
Ziel des beantragten Projekts ist die Beurteilung von Elementausträgen während der im Staatswald praktizierten Verjüngungmaßnahmen im Vergleich zu Altbestand und Kahlschlag. Letzteres ist ein vor allem im Privatwald häufig anzutreffendes Verfahren und kann außerdem als Modell für eine Saumschlagssituation herangezogen werden. Die Untersuchungen werden in drei für die bayerische Forstwirtschaft bedeutenden Waldstandorten (Schotterebene, Mittelgebirge und Tertiärhügelland) durchgeführt. Dabei schließen sich die Untersuchungsflächen an bestehende Dauerbeobachtungsflächen in Fichtenaltbeständen an.


Untersuchungen zum Stickstoffhaushalt in einem stickstoffübersättigtem Waldökosystem (Höglwald)

Teilprojekt:
Bodenchemische und Bodenhydrologische Untersuchungen
 
Finanzierung:
Bundesministerium für Bildung und Forschung
 
1996 – 1998
 
Aufgabenbereich:
Wasserhaushalt, Wasserhaushaltsmodell

Die detaillierte Bilanzierung der vertikalen Stoffverlagerung im Boden erfordert die genaue Kenntnis des zeitlichen Verlaufs der Sickerwasserflüsse in verschiedenen Tiefen. Diese sind hauptsächlich bestimmt durch Infiltration, Bodenwassergehalt und Evapotranspiration. Während Infiltration und Wassergehalt vergleichsweise einfach zu bestimmen sind, können weder Bestandestranspiration noch Bodenwasserflüsse direkt gemessen werden. Für den Höglwald wurde ein deterministisches Modell des Bestands- und Bodenwasserhaushalts erarbeitet. Es ermittelt aus meteorologischen Daten und meßbaren physikalischen Zustandsgrößen des Bodens den Bodenwasserentzug über Evapotranspiration und den Sickerwasserfluss in zeitlicher und räumlicher Auflösung. Validiert werden die Ergebnisse an Hand kontinuierlicher Messungenvon Saugspannung und Wassergehalt im Boden.


Experimental Manipulation of Forest Ecosystems in Europe (EXMAN)

The influence of drought on the biogeochemical cycling in the soil of a mature Norway Spruce forest

Finanzierung:
Europäische Union

1993 – 1995

Global change may lead to prolonged summer droughts in Middle Europe. Therefore the effects of severe experimental drought on a mature spruce ecosystem in Southern Germany (Höglwald) were investigated as part of the EU founded EXMAN project (Experimental Manipulation of Forest Ecosystems in Europe). The experiment focuses on water balance and nutrient cycling in the soil during desiccation and rewetting. Experimental drought during the vegetation period was obtained by installing a mobile roof construction for 171 days in 1994 and 98 days in 1995 with minimal matrix potentials in 75 cm soil depth reaching -800 hPa and -400 hPa. Rewetting occurred due to natural rainfall without addition of surplus water. Evapotranspiration and seepage was calculated from continuous measurements of soil matrix potential and volumetric water content. The presented ion concentrations and fluxes are based on the monthly sampling of seepage water in different soil depth. Furthermore the abundance of aerob heterotrophic microorganisms and aerob heterotrophic nitrifiers was investigated by the MPN technique (most probable number).

The results of the individual investigations suggest the following overall reaction in the soil:

During experimental drought reduced seepage, hindered transpiration and plant uptake together with continuing mineralisation but impeded nitrification lead to increased contents of ammonium and other products from mineralisation in the humus layer. With rewetting especially ammonium, potassium and dihydrogenphosphate are moved into the mineral soil.

Concerning soil acidification due to nitrification pulses after drought it is suggested that the length of drought and the season during which it occurs have high influence. When the preceding desiccation has been severe the population of nitrifying micro-organisms seems to be vigorously affected, so that oxidation of ammonium can be hindered for months and nitrate flux is low. Plant uptake, microbial turnover and specific adsorption in clay minerals explain the lack of the above mentioned ions in mineral soil seepage water. Less extreme drought only temporarily impedes nitrification. Ammonium accumulated in the humus layer during desiccation is oxidised with rewetting. Probably ammonium specifically adsorbed in clay minerals after former drought periods is oxidized as well. With desiccation during summertime nitrate is mainly produced after the vegetation period and lost for the trees due to its easy mobilization in the soil.

At the investigated site protons originating from nitrification are not transported as free acid but exchanged against aluminum in the upper soil horizons. This leads to an increased depletion of calcium and magnesium in the lower mineral soil where base saturation is high.