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Agrarforschung

Verlustraten im Basenhaushalt von Buchen- und Fichtenbeständen auf mäßig versauerten Paragneis-Standorten- Bedeutung kleinräumiger Störungen des Bestandesgefüges für Stofftransporte mit der Bodenlösung

K. v. Wilpert und D. Zirlewagen, Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt; Freiburg, Abteilung Bodenkunde und Waldernährung
1997-1999

Problemstellung

Jahrzehntelange Stickstoff- und Säureeinträge aus der Luft haben dazu geführt, dass allmählich die Pufferreserven auch auf besser versorgten Standorten sich erschöpfen und gerade hier besonders dynamische Entbasungs- und Entsauerungsprozesse ablaufen. In dieser Übergangsphase können geringfügige Unterschiede in der Waldbewirtschaftung erheblichen Einfluss auf Geschwindigkeit und Intensität der Standortsveränderungen nehmen. Dadurch ist dem Forstmann ein gewisser Spielraum gegeben, innerhalb dessen er durch eine gezielte waldbauliche Vorgehensweise eintragsbedingte Standortsverschlechterungen verlangsamen und da-mit Zeit für die Umsetzung von politischen Luftreinhaltemaßnahmen gewinnen kann. Möglichkeiten, ressourcenschonender waldbaulicher Vorgehensweisen sind durch vermehrten Einsatz standortstypischer Laubbaumarten, Vermeidung von Kahlschlägen und dauerwaldartige Bewirtschaftungsformen gegeben, die eine ständige Bodenbedeckung durch Verjüngung unter Schirm erreichen. Differenziertere Waldbaumethoden bedeuten einen erhöhten betriebswirtschaftlichen Aufwand. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die "ökologischen Gewinne", wie eine verbesserte Standortsnachhaltigkeit oder verstärkten Trinkwasserschutz, die durch ressourcenschonende Bewirtschaftungsstrategien möglich sind, zu bewerten.

Ziele

Für die im Bereich der Conventwald-Fallstudie untersuchten Bestandesvarianten sollen auf der Basis einer achtjährigen Messreihe durchschnittliche Stoffbilanzen aufgestellt werden, die eine verlässliche Abschätzung von Stoffaustragsraten ermöglichen.

Durch zufällige Störungen des Bestandesgefüges entstandene kleinräumige Unterbrechungen des Kronendaches sollten in ihrer Auswirkung auf den Stoffhaushalt untersucht werden um abzuschätzen, inwiefern kleinräumige Eingriffe z.B. im Zusammenhang mit femelorientierter Naturverjüngung relevante Stoffhaushaltsstörungen darstellen können.

Auf der Basis von Stoffbilanzen soll abgeschätzt werden, inwiefern durch eine Umstellung von Fichtenreinbeständen zu Buchen- und Buche/
Fichte-Mischbeständen sowie durch kahlschlags-freie Verjüngungsverfahren unter den heute wirkenden Randbedingungen die Standortsnachhaltigkeit der Waldbewirtschaftung aufrechterhalten und ggf. erhöht werden kann. Analog dazu lässt sich ableiten, inwiefern in den untersuchten Bestandes- und Bewirtschaftungsvarianten ein Meliorationsbedarf durch Kompensationskalkungen gegeben ist.

Untersuchungsmethode

Das Untersuchungsgebiet liegt am Westabfall des mittleren Schwarzwaldes im Übergangsbereich zwischen submontaner und montaner Höhenstufe (700 - 860 m ü.NN.). Aus dunklen Paragneisen haben sich tiefgründige, mäßig versauerte Braunerden entwickelt. Die atlantische Klimacharakteristik sorgt für eine gleichmäßige Wasserversorgung.

Es werden in Höhenlage, Exposition und Substrat vergleichbare und räumlich nahe beieinanderliegende Bestände unterschiedlicher Baumartenzusammensetzung und Bestandesstruktur untersucht. Dies sind ein 150-jähriger Buchen-Tannen-(Fichten)-Mischbestand, ein 40-jähriges Buchen- und ein ebenso altes Fichten-Stangenholz sowie ein 90-jähriges Fichtenbaumholz. Daneben werden Femellücken im Mischbestand, Naturverjüngungskegel und eine Kleinkahlschlagsfläche getrennt untersucht.

Stoffeinträge werden auf einem Messturm oberhalb des Kronendaches gemessen, ebenso die für Wasserhaushaltsberechnungen notwendigen meteorologischen Daten. An wichtigen Kompartiments-grenzen bei der Fließpassage durch das System werden Stoffkonzentrationen und Wasserflüsse erfasst. Dies ist in 1 m über dem Boden, unter der Humusauflage, im Wurzelraum in 15, 60 und 120 cm Bodentiefe, sowie unterhalb des Wurzelraumes in 180 cm Bodentiefe. Für alle untersuchten Bestandes- und Bewirtschaftungsvarianten wurde ein Wasserhaushaltsmodell geeicht und anhand der 8-jährigen Messdatenreihe validiert. Dadurch war es möglich, durch Multiplikation der im 14-Tages-rhythmus gemessenen Stoffkonzentrationen mit den auf Tagesbasis berechneten Wasserflüssen Stoffflüsse zu berechnen. Durch den Vergleich der Stoffeinträge oberhalb des Kronendaches und der Stoffausträge unterhalb des Wurzelraumes (180 cm Bodentiefe) war die Aufstellung von bestandesbezogenen Stoffbilanzen möglich.

Ergebnisse

1. Eintrags-/Austragsbilanzen wurden für die flächigen Bestandesvarianten innerhalb des Untersuchungsgebietes berechnet. Dabei wurden Stoffflüsse für einzelne Kompartimente (Kronensituationen, Bestandeslücken und Naturverjüngungskegel) flächenmäßig gewichtet in die Berechnung einbezogen. Die berechneten Eintrags-/Austragsbilanzen basieren auf dem Vergleich zwischen den Stoffeinträgen oberhalb des Kronendaches und den Stoffausträgen unterhalb des Wurzelraumes in 180 cm Bodentiefe. Sie wurden für das Buchenstangenholz, das Buchen -Tannen -Fichten -Mischbestand, das Fichtenstangenholz und den Fichtenaltbestand be-rechnet. In Abb. 1 sind neben den Bilanzen für die den Stoffhaushalt im wesentlichen bestimmenden Anionen und Kationen Flussbilanzen für die durch das Ökosystem transportierten Säureäquivalente und für Gesamtstickstoff dargestellt. Auf der Eintragsseite wurden in die Säurebilanz Ammonium- und Protoneneinträge einbezogen, auf der Austragsseite Aluminium und Protonen.

 

eintrag

Abb. 1: Eintrags-/Austragsbilanzen für die Untersuchungsbestände der Conventwald-Fallstudie, basierend auf Stoffhaushaltsmessungen aus den Jahren 1992 - 1997. Die Gesamtsäurebilanz setzt sich aus Ammoniumeinträgen (senkrecht schraffiert) und Protoneneinträgen zusammen und dem Säureaustrag in Form von Aluminium (senkrecht schraffiert) plus dem Protonenaustrag.
 

Im Buchenstangenholz wurde nahezu die gesamte eingetragene Säuremenge im Boden gepuffert. Nur Spuren von Säureäquivalenten wurden in Form von Aluminium aus dem Solum in 180 cm Tiefe ausgetragen. In beiden Altbeständen, dem 90-jährigen Fichtenbestand und dem 150-jährigen Buchen-Tannen-(Fichten-) Bestand ist offensichtlich die Pufferkapazität des Bodens durch den über Jahrzehnte andauernden Säureeintrag weitgehend erschöpft. Dies äußert sich darin, dass 60 - 85 % der aktuellen Säureeinträge ungepuffert den Boden passieren und in den Aquifer überwiegend in Form von Aluminium ausgetragen werden. Im Fichtenstangenholz erreicht der Säureaustrag trotz der aktuell vergleichsweise hohen Säureeinträge nicht mehr als 12 % der Einträge. Die Gesamtstickstoffbilanz ist durch ein Fließgleichgewicht auf hohem Niveau für beide Fichtenbestände charakterisiert. Etwa 60 % der eingetragenen Stickstoffmengen werden dort in 180 cm Tiefe an die Hydrosphäre weitergegeben. Im Gegensatz dazu verlassen in den buchendominierten Beständen nur 25 - 30 % (ca. 4 kg/a/ha) der eingetragenen Stickstoffmengen das Ökosystem. Wenn man die Stickstoffbilanz nach den dominierenden Verbindungen Nitrat und Ammonium differenziert, wird sichtbar, dass die Fichtenbestände eine Nitratquelle darstellen (Nitrat-austräge > Nitrateinträge), während die Buchenbestände als Nitratsenke wirken. Ammonium wird in allen Bestandesvarianten entweder vollständig aufgenommen oder zu Nitrat aufoxidiert. Diese Relation zwischen der Ammonium- und der Nitratbilanz zeigt, dass Buche offensichtlich effektiver Nitrat aus der Bodenlösung entziehen kann als Fichte. Die Flussbilanzen legen nahe, dass in den untersuchten Fichtenbeständen allenfalls vernachlässigbar kleine Nitratmengen durch den Bestand aufgenommen worden sind. Dieser Unterschied kann zum einen daran liegen, dass in buchendominierten Beständen ein tiefergreifendes, tiefgestaffeltes Wurzelwerk besteht, das über eine viel längere Fließpassage in der Lage ist, Stickstoffmengen aufzunehmen. Andererseits liegt offensichtlich bei Buche eine baumartenspezifische, physiologisch begründete Fähigkeit zur Nitrataufnahme vor. In den buchendominierten Beständen ist die Stickstoffbilanz nach den Kriterien von DISE et al. (1998) und STODDARD (1994) mit Eintragsraten von ± 15 kg/a/ha und Austragsraten von 3 - 4 kg allenfalls als sättigungsnah einzuschätzen, während die Fichtenökosysteme stickstoffgesättigt sind. Dort werden ca. 26 kg/a/ha Stickstoff eingetragen und zwischen 14 und 15 kg ausgetragen und die Nitratbilanz weist ca. 10 % höhere Austräge als Einträge auf.

In beiden Altbeständen weist die Sulfatbilanz deutlich höhere Austräge als Einträge auf. In den beiden Stangenhölzern ist die Sulfatbilanz nur schwach negativ. Dieser z.T. rasante Abbau von geogen nicht begründeten Schwefelvorräten kann als Remobilisierung immissionsbürtiger Schwefel-Zwi-schenspeicher im Boden interpretiert werden. Diese Interpretation wird dadurch gestützt, dass die Altbestände, die über die gesamte relevante Depositionsgeschichte eine deutlich höhere Kronenoberfläche aufwiesen als die Stangenhölzer, mehr als doppelt so hohe Netto-Sulfatausträge zeigen wie die Stangenhölzer.

Für alle Neutralkationen (Natrium, Magnesium, Kalium und Calcium) wurde in allen Untersuchungsbeständen ein deutlicher Netto-Austrag festgestellt. Magnesium zeigte die höchsten Netto-Austräge, was mit der Tatsache korrespondiert, dass in lehmigen und tonigen Böden Magnesium im Vergleich zu Kalium und Calcium die niedrigste Selektivität hat. Die Summe der Basizitätsverluste ist in den buchendominierten Beständen niedriger als in den Fichtenbeständen.

2. Bewirtschaftungsbedingte Unterbrechungen des Kronendaches, wie sie im Zuge der Verjüngung in Form von Kahlschlägen und kleinräumigen Femellücken entstehen, aber auch Einzelbaumentnahmen im Zuge von Durchforstungsmaßnahmen können Störungen des Stoffhaushaltes nach sich ziehen, die bei der Erstellung von Stoffbilanzen für gesamte Waldbauverfahren relevant sein können. Im dargestellten Untersuchungsabschnitt konnten solche kleinräumigen Störsituationen nur z.T. systematisch untersucht werden. Zum überwiegenden Teil handelt es sich bei den dargestellten Ergebnissen um Zufallssituationen, die durch Erkrankung und Ausfall einzelner Bäume innerhalb der mit Messinstrumenten bestückten Areale entstanden sind. Die einzige regulär angelegte Störungsvariante ist ein im Jahr 1989 entstandener Kleinkahlschlag. Die zufällig entstandenen Störsituationen sind im Buchen-Tannen - Mischbestand eine Buche, die seit 1993 einen zunehmenden Wolllausbefall aufwies und schließlich während des Jahres 1998 abgestorben ist, sowie im gleichen Bestand eine Buche, die im Jahr 1995 durch Sturmbruch ausgefallen ist. Im benachbarten Fichtenstangenholz musste ein Einzelbaum entnommen werden, um eine mittelfristig mit Messinstrumenten ausgestattete Kleinlücke im Bestandesgefüge vor dem Zuwachsen zu bewahren.

In allen kleinflächigen Störsituationen und insbesondere auf der Kleinkahlschlagsfläche ist der lokale Stoffhaushalt durch verstärkte mineralisationsbedingte Stickstofffreisetzung und erhöhte Nitratausträge charakterisiert. In Folge der erhöhten Aktivität von Nitrat in der Bodenlösung sind pH-Werte im Sickerwasseraustrag erniedrigt und korrespondierend dazu Aluminiumkonzentrationen er-höht. Auf der Kleinkahlschlagsfläche treten bis 3 Jahre nach der Anlage des Kahlschlags im Sickerwasseraustrag Nitratkonzentrationen auf, die deutlich oberhalb des Trinkwassergrenzwertes liegen. Danach sinken in Zusammenhang mit dem Auftreten einer nitrophilen Schlagflora die Nitratkonzentrationen allmählich ab, sind aber 10 Jahre nach Anlage des Kahlschlags noch um ca. 2 Größenordnungen gegenüber den Nitratkonzentrationen unter einer geschlossenen Buchennaturverjüngung erhöht (Abb. 2). Der Nitrataustrag unterhalb der Windwurfbuche liegt in der Größenordnung, die auf der Kleinkahlschlagsfläche in den Jahren direkt nach der Anlage des Kahlschlags bestanden hatte. Der Anstieg der Nitratkonzentrationen unterhalb der Wolllausbuche ist allmählicher. Er erreicht nach 2 - 3 Jahren das Niveau, das aktuell auf der Kleinkahlschlagsfläche gemessen wird.

 

verlauf

Abb. 2: Verlauf der Nitratkonzentrationen in 180 cm Tiefe unter einem Kleinkahlschlag, einer Windwurfbuche und einer Wolllausbuche im Vergleich zu einer geschlossenen Buchennaturverjüngung.
 

Beispielhaft für Nitrat, Sulfat und Aluminium sind die Tiefenprofile der Stoffflüsse in Abb. 3 im Vergleich zu den Wasserflüssen dargestellt. Man sieht, dass für alle Mineralbodentiefen zwischen 5 und 180 cm die Unterschiede in der Bodenlösungschemie sich sicher nicht mit Unterschieden im volumetrischen Wasserfluss erklären lassen, sondern dass sich die 4 dargestellten Varianten vielmehr in der Qualität ihrer Quellen und Senken für gelöste Mineralien, insbesondere Nitrat unterscheiden. Während die Sickerung unter der Buchennaturverjüngung quasi nitratfrei ist, werden unter der Windwurfbuche 100 kg Stickstoff/a/ha ausgetragen, begleitet von einem hohen Aluminiumaustrag und einer fortschreitenden Bodenversauerung. Im Klein-kahlschlag werden auch im 10. Jahr nach dem Hiebsereignis immer noch fast 40 kg Stickstoff ausgetragen, begleitet vor allem von hohen Calciumausträgen. Ähnlich ist die Situation bei der Wolllausbuche, wobei hier das Nitrat vorwiegend von Magnesium begleitet wird.

 

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Abb. 3: Tiefenprofile der Stoffflüsse für Nitrat, Sulfat und Aluminium sowie der Wasserflüsse in den Störungsvarianten Kleinkahlschlag, Windwurfbuche und Wolllausbuche im Vergleich zur Buchennaturverjüngung.
 

Die Entnahme eines Einzelbaums im Fichtenstangenholz verursachte im Sickerwasseraustrag einen schon wenige Wochen nach dem Einschlag des Baumes beginnenden Anstieg der Nitratkonzentrationen, der von einem Absinken des pH-Wertes um 1 - 1,5 pH-Einheiten begleitet war.

Zusammenfassend zeigen alle Ergebnisse, die zum Einfluss kleinflächiger Störungen des Bestandesgefüges auf den Stoffhaushalt gesammelt werden konnten, dass selbst kleinstflächige Unterbrechungen des Kronendaches durch Ausfall oder Entnahme von Einzelbäumen merkliche Auswirkungen auf den lokalen Stoffkreislauf, insbesondere den Stickstoffkreislauf, haben. Die Entwicklung der Bodenvegetation und der Naturverjüngung spielt hierbei offensichtlich eine steuernde Rolle. In kleinstflächigen Kronenlücken, wie sie z.B. durch die Windwurfbuche oder die Wolllausbuche entstanden sind, entwickeln sich sowohl Naturverjüngung als auch Bodenvegetation durch mangelnde Belichtungsintensitäten verzögert, wodurch die dort beobachteten sehr hohen lokalen Nitratausträge erklärbar sind. In allen dargestellten Zufallssituationen konnte ein z.T. spontaner Anstieg von Nitratausträgen beobachtet werden. Dies sind initiale Reaktionen, sowohl die Intensität dieser Stoffhaushaltsstörungen als auch deren Dauerhaftigkeit bis zur weitgehenden Resilienz lassen sich aus diesen Ergebnissen nicht abschätzen. Hierzu ist eine systematisierte Erweiterung der Untersuchungen zu Störungseinflüssen notwendig.

Konsequenzen für die Praxis

Die Ergebnisse der Conventwald-Fallstudie bestätigen, dass die Depositionen von Säuren und Stickstoff erheblich durch Baumart und Bestandesstruktur beeinflusst werden. In buchendominierten Beständen ist die Gesamtdeposition ca. 45 - 85 % niedriger als in Fichtenbeständen. Es kann festgehalten werden, dass durch einen konsequenten Baumartenwechsel von Fichte zu Buche Depositionseinflüsse auf etwa 50 % reduziert werden können. Die Input-/Outputbilanzen zeigten jedoch, dass auch in buchendominierten Beständen klare Anzeichen von Stickstoffüberfluss und Bodenversauerung nachweisbar sind. So besteht auf lange Sicht keine Alternative zur politisch gesteuerten Reduktion der Stickstoff- und Säureeinträge. Durch waldbauliche Maßnahmen lassen sich die Prozesse der zunehmenden Stickstoffsättigung und Bodenversauerung lediglich verlangsamen und dadurch Zeit gewinnen.

Sowohl in den Fichten- als auch den Buchenbeständen der Fallstudie ist der Vorrat an organischen und anorganischen Stickstoffverbindungen hoch, so dass jede Störung des Bestandesgefüges zu Nitratmobilisierung und Stoffhaushaltsstörungen wie z.B. verstärkte Basenausträge führt. Diese ersten Pilotuntersuchungen zur Bedeutung kleinflächiger Bestandesunterbrechungen für den Stoffhaushalt sowie geplante systematische Untersuchungen zu diesem Thema sollen zukünftig eine verbesserte Grundlage bieten, lückenorientierte Naturverjüngungsverfahren und kahlschlagsgebundene Waldbauverfahren in Bezug auf ihre Stoffhaushaltswirkungen zu bewerten. Angesichts der bisher vorliegenden Ergebnisse ist eine Bewertung lückenorientierter Verjüngungsverfahren wie z.B. des Femelschlages noch sehr unsicher. Mittelfristiges Ziel ist es, auf der Basis der vorliegenden Stoffhaushaltsmessungen und einiger vertiefender Aspekte eine Bewertung der Wirkung gesamter waldbaulicher Verfahren einschließlich der Durchforstungs- und Verjüngungsphase auf die langfristige Standortsnachhaltigkeit zu erarbeiten.

 

Literatur
Siehe Abschlußbericht

 

Fördernde Institution
MLR

Förderkennzeichen
55-97.0063


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