3 Vitalität. 3.1 Entwicklung des Kronenzustandes Waldschadenserhebung REINHARD KALLWEIT, WINFRIED RIEK

Transkript

1 3.1 Entwicklung des Kronenzustandes Waldschadenserhebung Vitalität 3.1 Entwicklung des Kronenzustandes Waldschadenserhebung REINHARD KALLWEIT, WINFRIED RIEK 1 Einführung Der Wachstums- und Entwicklungserfolg eines Baumes, seine Vitalität ist eng an seine Fähigkeit gekoppelt, unter gegebenen Standortbedingungen mit einer möglichst großen Blattfläche die Sonnenenergie zur Photosynthese zu nutzen. Einschränkungen seiner Belaubungsdichte gegenüber dem normalen Phänotyp weisen auf einwirkende Stressfaktoren hin (EICH- HORN et al. 1995). Die Waldschadenserhebung nutzt den Kronenzustand als gut sichtbares, schnell und kostengünstig erfassbares Merkmal der Baumvitalität. Durch die jährlich im Zeitraum der maximalen Belaubungs- bzw. Benadelungsdichte im Juli-August erfolgende Bonitur identischer Bäume über eine längere Zeitreihe werden eventuelle Trends der Kronenzustandsentwicklung erkennbar. Kurzfristige Veränderungen der Benadelungsdichte der Baumkronen in Reaktion auf aktuelle Witterungsbedingungen, Insektenfraß, Fruchtbildung oder andere natürliche Stressoren, die in einzelnen Jahren den Kronenzustand dominieren, treten in der Zeitreihe in ihrer Bedeutung zurück, sofern sich nicht ihre Frequenz selbst ändert bzw. die Regenerationsfähigkeit der Kronen vermindert ist oder gar die Mortalität zunimmt. 2 Methodik der Kronenzustandsbewertung Die Waldschadenserhebung (WSE) wird in Brandenburg seit 1991 jährlich in einem systematisch über die Waldfläche verteilten Gitternetz von Probepunkten nach im europäischen Maßstab abgestimmter Methodik durchgeführt. In jeweils einem Bestand beurteilen speziell geschulte Mitarbeiter der Ämter für Forstwirtschaft den Kronenzustand von 24 permanent markierten herrschenden Bäumen. Bis 2003 wurde ein Grundnetz mit 4 km-gitterweite vollständig aufgenommen, für die Kiefern-Reinbestände aber ab 2004 auf 8 km reduziert. Im Zeitraum 1986 bis 1989 wurde durch die Standortserkundung der DDR neben einem von 1986 bis 1990 aktiven Rasternetz zur Waldschadenserhebung ein Netz von forstlichen Dauerbeobachtungsflächen, das Basisnetz der ökologischen Waldzustandskontrolle (ÖWK) eingerichtet, in dem in Brandenburg neben wiederholten Bodenzustands- und Nadel-/Blattanalysen auch jährliche Kronenzustandsaufnahmen an jeweils 30 Bäumen erfolgen. Bis 2003 wurden diese Aufnahmen bei den Nadelbaumarten im Spätherbst nach dem Nadelfall durchgeführt. Seit 2004 werden sie mit der WSE im Juli/August erhoben. Der Kronenzustand jedes Probebaums wird durch visuelle Schätzung a) der Kronenverlichtung ( relativer Nadel-/Blattverlust ) im Vergleich zu einem voll belaubten Referenzbaum in 5 %-Stufen und b) des Grades der Vergilbung der Nadeln bzw. Blätter in den Stufen 0 = 0-10 %, 1 = %, 2 = %, 3 = % erfasst. Dabei werden nur die Bereiche der Baumkrone berücksichtigt, die sich ohne störende Einflüsse durch benachbarte Baumkronen oder Lichtmangel entwickeln konnten. Um ein zeitlich konstantes Niveau der Bewertung zu sichern, finden jährlich im Vorfeld der Erhebungsperiode Schulungen auf Bundes- und Landesebene statt und stehen für die Hauptbaumarten Bilderserien typischer Verlichtungsgrade zur Verfügung. Neben den Hauptmerkmalen und der Baumart werden den Kronenzustand beeinflussende Nebenmerkmale wie Alter, soziologische Stellung, Intensität der Fruktifikation (bei Kiefer Zapfenbehang und männliche Blüte), Art und Intensität von Insektenschäden, Art und Intensität von Pilzschäden, Kronenbrüche und andere abiotische Schäden erfasst. Bei der Kiefer wird als Besonderheit die Benadelungsdichte in den letzten vier Jahrgängen in jeweils 5 Stufen erhoben (100, 75, 50, 25, 0). Zur Ergebnisdarstellung werden die Erhebungen der Kronenverlichtung konventionell zu sogenannten Schadstufen zusammengefasst (Tab. 1). Treten an einem Probebaum mittlere oder starke Vergilbungen auf, wird die Schadstufe zur kombinierten Schadstufe erhöht (Tab. 2). Die Schadstufen 2, 3 und 4 werden zusammengefasst als deutliche Schäden (2-4) bezeichnet. Der Ausdruck Schadstufe ist insofern kritisch zu betrachten, da auch die Klasse der besten Belaubung konventionell als Schadstufe 0 bezeich-

2 134 Vitalität Tabelle 1: Definition der Schadstufen Nadel-/Blattverlust Verlichtungsstufen Kronenverlichtung Aufnahmestufen 0 ohne Schadmerkmale bis 10 % 0, 5, 10 1 schwach geschädigt % 15, 20, 25 2 mittelstark geschädigt % 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 3 stark geschädigt % 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 4 abgestorben 100 % 100 Tabelle 2: Ableitung der Kombinierten Schadstufe Verlichtungsstufe Vergilbungsstufe Kombinierte Schadstufe (abgestorben) net wird und z. B. die Kronenverlichtung von 30 % (Schadstufe 2) aufgrund der Vollmast einer Buche eigentlich weder eine Schädigung ist noch einen Schaden zur Folge haben muss. Daneben wird die mittlere Kronenverlichtung als Mittelwert der 5 %-Stufen der Kronenverlichtung aller Bäume einer Auswertungseinheit als zusätzliches Merkmal genutzt. Sie hat den Vorteil, das Ergebnis unabhängig von den festgelegten, unterschiedlich breiten Schadstufengrenzen in einem Wert zu integrieren. Der Stichprobenumfang der Waldschadenserhebung ist dem hohen Baumartenanteil in Brandenburg entsprechend für die Kiefer hoch. Bis 2003 wurden in der WSE ca Kiefern in ca. 460 Beständen bonitiert, ab 2004 mit verringerter Netzdichte noch ca in 127 Beständen. Hinzu kommen in den ÖWK- Basisflächen der Baumart Kiefer noch ca Bäume in 119 Flächen. In 80 % der WSE-Flächen tritt die Kiefer 2006 noch im Reinbestand auf, in den ÖWK- Flächen ausschließlich, da neben Alter (40-60 Jahre) und Standort der Reinbestand ein Kriterium der Flächenauswahl war. 3 Kronenzustandsentwicklung der Kiefer und Vergleich zu anderen Baumarten Der Kronenzustand der Waldbäume in Brandenburg hatte sich von 1991 bis zum Jahr 1999 deutlich verbessert. Der Anteil deutlicher Schäden (2-4) sank von 33 % auf 7 %, der Anteil der Waldfläche mit Kronen ohne sichtbare Schäden nahm gleichzeitig von 29 % auf 57 % zu. In den Folgejahren bis 2006 stiegen die deutlichen Schäden über alle Baumarten auf 18 % an, die Schadstufe 0 sank wieder auf 32 %. Die Kiefern dominieren mit 83 %-Baumartenanteil (2006) im herrschenden Oberstand der WSE-Stichprobe des Landes Brandenburg das Ergebnis der Waldschadenserhebung (Abb. 1). Die mittlere Kronenverlichtung der Kiefern war von 24 % in 1991 auf 13 % in 1999 gesunken und stieg bis 2006 kontinuierlich auf 19 %. Ab 1993 blieben zunächst die Eichen stärker verlichtet, nach 1999 auch die Buchen und anderen Laubbaumarten. In der Phase der Erholung des Waldzustandes ( ) blieb das Ni- Abb. 1: Entwicklung der Schadstufenanteile für die Baumart Kiefer in Prozent

3 3.1 Entwicklung des Kronenzustandes Waldschadenserhebung veau der Kronenverlichtung von Buche und Eiche eher konstant, während neben der Kiefer auch die anderen Laubbaumarten eine Zunahme der Belaubung aufwiesen. Nach 1999 erscheint dagegen der Anstieg der Kronenverlichtung bei der Baumart Kiefer weniger stark als bei Buche, Eiche und anderen Laubbaumarten. Generell auf sehr geringem Niveau der Verlichtung bleiben die anderen Nadelbaumarten, die nahezu ausschließlich in den weniger verlichteten Altersbereich unter 60 Jahre fallen (Abb. 2). Abb. 2: Entwicklung der mittleren Kronenverlichtung [%] in der WSE-Brandenburg nach Baumartengruppen Die Kronenzustandsentwicklung der Kiefern an den ÖWK-Dauerbeobachtungsflächen Brandenburgs (Abb. 3), die von 1986 bis 2003 im Spätherbst nach dem Nadelfall bonitiert wurden, weist mit der Verlängerung der Zeitreihe auf mehrjährige Perioden zunehmender bzw. abnehmender Kronenverlichtung der Kiefern hin, die durch endogene Reserven gepuffert erscheinen. 4 Entwicklung des Kronenzustandes in Abhängigkeit vom Baumalter Der Kronenzustand weist eine deutliche Beziehung zum Alter der Bäume bzw. des Bestandes auf. Während in der Waldschadenserhebung konventionell nur zwei Altersgruppen (>60 Jahre und < 60 Jahre) unterschieden werden, kann durch den recht hohen Stichprobenumfang für die Kiefer auch die Entwikklung der Waldschäden nach Altersstufen sinnvoll verfolgt werden (Abb. 4). Es zeigt sich ein prinzipiell übereinstimmender Verlauf der Kronenzustandsentwicklung in den verschiedenen Altersstufen. Auffällig ist vor allem der deutlich besser eingeschätzte Kronenzustand der bis 20-jährigen Kiefern. Auch die zweite Altersstufe (21-40-jährig) ist noch geringer verlichtet als die Altersstufen Jahre, die sich kaum voneinander unterscheiden. Allein die Altersstufe über 120-jähriger Kiefern war zu Beginn der Waldschadenserhebung noch auffällig stärker geschädigt, ordnet sich aber ab 1996 etwa in das gleiche Niveau wie die Gruppe der jährigen Kiefern ein. Durch die erhebliche Reduzierung des Stichprobenumfangs ab 2004 sind ab diesem Zeitpunkt die Differenzen der Zustandsentwicklung nicht statistisch abzusichern. Im Vergleich zu den anderen Baumartengruppen ist bei der Kiefer ein wesentlich geringerer Einfluss des Baumalters auf die Kronenverlichtung festzustellen (Abb. 5). Gemittelt über den Zeitraum weisen mit Ausnahme der Kiefern und der anderen Laubbaumarten alle Baumartengruppen eine mehr oder weniger stetig steigende Kronenverlichtung mit zunehmendem Alter auf. Abb. 3: Mittelwerte und Spanne der 95-%-Konfidenzintervalle der Kronenverlichtung der ÖWK-Flächen der Kiefer in Brandenburg (Herbstansprache)

4 136 Vitalität in seltenen Fällen noch Nadeln vorhanden, im Maximum bisher 5 % mittlere Benadelungsdichte in den Jahren (Abb. 6). Die Kronenverlichtung erfolgt also vorwiegend durch verringerte Nadellebensdauer. Die ältesten Nadeln werden entsprechend der endogenen Rhythmik überwiegend im Herbst abgeworfen (GLUCH 1988). Das sind gegenwärtig in Brandenburg überwiegend die Nadeln des dritten Jahrgangs. Die vierte Vegetationsperiode wird nur von wenigen Nadelpaaren erreicht. Abb. 4: Entwicklung des Anteils deutlicher Schäden der Baumart Kiefer nach Altersstufen Abb. 5: Mittelwerte und Spanne der 95-%-Konfidenzintervalle der Kronenverlichtung in Brandenburg nach Alters- und Baumartengruppen (Zeitraum ) 5 Benadelungsgrad und Nadellebensdauer Seit 1993 werden in der Waldzustandserhebung neben der Kronenverlichtung die Benadelungsdichten der Nadeljahrgänge 1 (aktuell) bis 4 in 25 %-Stufen bonitiert. Aus der Summe über die Benadelungsdichten der 4 Jahrgänge ergibt sich die Gesamtbenadelung mit dem theoretischen Wertebereich von 0 (ohne Nadeln) bis 400 (4 voll benadelte Jahrgänge). Zum Zeitpunkt der Aufnahme des Kronenzustandes ist der erste Jahrgang 3-4 Monate alt und überwiegend vollständig vorhanden. Verluste sind durch Insektenschäden und abgestorbene Bäume bedingt, die 1-2 % des Nadeljahrgangs betreffen. Im zweiten Jahrgang, zum Zeitpunkt der Ansprache 16 Monate alt, sind unter günstigen Bedingungen noch 96 Prozent der Nadeln vorhanden, in den Jahren 2005 und 2006 sank die mittlere Benadelungsdichte des Jahrgangs auf 88 %. Im dritten Jahrgang (28 Monate) sinkt die Benadelungsdichte auf maximal 68 %, minimal (2006) bisher auf 48 %. Im vierten Jahr (40 Monate) sind nur Die Gesamtbenadelung bzw. mittlere Lebensdauer der Kiefernnadeln hat sich gegenüber anderen strukturellen Trieb- und Nadelparametern (jährliche Nadelmasse, Nadelmasse des Jahrgangstriebs, Nadelzahl, 100-Nadelmasse, Trieblänge) in Untersuchungen von LAMPPU (2002) als relativ stabiler Parameter erwiesen. Eine geringe Plastizität der Nadellebensdauer wird als Akklimatisation an die Umweltbedingungen und die Länge der Vegetationsperiode gesehen, um die Effektivität der Kohlenstoffassimilation zu maximieren. Das deckt sich mit dem ökologischen Konzept der Baumvitalität der Kiefer, das im Rahmen der BallWÖS-Untersuchungen in Berlin entwickelt wurde (CORNELIUS et al. 1992, 1993). Das entwickelte Modell der C-Leistungsbilanz mit Nadelmasse und Benadelungsgrad als wesentlichen Regelgrößen ließ drei Kardinalpunkte des Benadelungsgrades der Kiefer ableiten, einen Optimalbereich mit 3,5-4 Nadeljahrgängen, den Kompensationspunkt von 1,5 Jahrgängen, der den normalen Zuwachs realisieren lässt ohne Reserven anlegen zu können (Reservenullpunkt), sowie den Zuwachsnullpunkt mit 1 Nadeljahrgang, der die notwendige Benadelung zur Aufrechterhaltung der Lebensfähigkeit bei Verzicht auf Stamm- und Grobwurzelzuwachs beinhaltet. Die Autoren kamen zu dem einleuchtenden Schluss, das es nicht möglich ist, einen festen Benadelungsgrad als Vitalitätsnorm anzugeben. Vielmehr existieren Regelungsbereiche, die durch die o. a. Kardinalpunkte differenziert werden können. Trotzdem kontrollieren Nadellebensdauer und jährlicher Neuaustrieb die Bilanz in hohem Maße und stellen im Hinblick auf ihre hohe Abhängigkeit von Umweltfaktoren zentrale und sensitive Parameter für Vitalitätseinschätzungen dar. Im Modell kam der Temperatur eine entscheidende Regelfunktion zu, die sich vor allem in den Übergangsmonaten Frühjahr und Herbst entscheidend auf die C-Reservebilanz auswirkte. Die Nadelhaltung erwies sich auch in anderen Studien als eng mit den Temperaturverhältnissen (Zunahme der Nadeljahrgänge mit geografischer Breite und Höhenlage) wie auch der Nährstoffverfügbarkeit in Zusammenhang stehende phänotypische Anpassung der Kiefer (REICH et al. 1996), die daneben auch durch andere Stressoren wie Trockenheit und Immissionsbelastung modifiziert wird (KOUKI und HOKKANEN 1991, VOSE et al. 1994; POUTTU und DOBBERTIN 2000; NIINEMETS und LUKJANOVA 2003; MUUKKONEN 2005; KALLWEIT und BÖTTIGER 2001). Als Fazit ist mit steigender Temperatur, atlantischerer Klimatönung und besserer N-Versorgung (Selbstbeschattung durch höhere Trieb-, Nadelmassen) mit einer Reduktion des Benadelungsgrades zu rechnen,

5 3.1 Entwicklung des Kronenzustandes Waldschadenserhebung Abb. 6: Mittelwerte und Spanne der 95-%-Konfidenzintervalle der Benadelungsdichten der Nadeljahrgänge der Kiefern ( ) die aber nicht mit der Kronenverlichtung gleichzusetzen ist. In finnischen Untersuchungen mit der Nadelspurmethode wurde eine negative Korrelation der Länge der Vegetationsperiode (Grenzwert +5 C) mit der mittleren sommerlichen Nadelhaltung gefunden (JAL- KANEN et al. 1995). Für Südfinnland wurde in dieser Studie von ein steigender Trend von 3,5 auf 4 Nadeljahrgänge, gefolgt von einem deutlichen Rückgang bis 1991 in Schwingungen mit einer jährigen Periode gefunden (Abb. 7). Im Beobachtungszeitraum ist in Brandenburg eine erhebliche Dynamik der mittleren Nadellebensdauer der Kiefern aufgetreten. Nach einem mit zunehmender Kronendichte erfolgten Anstieg der Benadelung wurde bei maximaler Kronendichte im Zeitraum 1999 bis 2001 eine Gesamtbenadelung von 267 bzw. 2,67 Nadeljahrgängen bonitiert, seither ist ein Rückgang auf 2,37 Nadeljahrgänge (2006) beobachtet worden (Abb. 8). Es deutet sich in der noch sehr kurzen Zeitreihe ein ähnliches Einschwingen auf eine modifizierte Normbenadelung an, wie sie in der zitierten finnischen Arbeit gefunden wurde. Wie bei der Entwicklung der Kronenverlichtung ist eine deutliche Pufferung möglicher äußerer Einflüsse erkennbar. Abb. 8: Mittelwerte und Spanne der 95-%-Konfidenzintervalle der Gesamtbenadelung der Kiefern in Brandenburg Gesamtbenadelung (Jahrgangszahl) und Kronenverlichtung (Nadelmassendichte) sind verschiedene Merkmale des Kronenzustandes, sind aber eng korreliert (Abb. 9). Der Kompensationspunkt von 1,5 Jahrgängen (CORNELIUS et al. 1992) ist danach bei etwa 40 % Abb. 7: Jährliche sommerliche Nadeljahrgangshaltung Nord- und Südfinnland (aus JALKANEN et al. 1995) Abb. 9: Beziehung zwischen Gesamtbenadelung und Kronenverlichtung der Kiefern in der WZE Brandenburgs ( )

6 138 Vitalität Abb. 10: Anteile von Vergilbungsstufen in der WSE-Stichprobe der Kiefer in Brandenburg Kronenverlichtung anzusetzen, der nur kurzfristig bei Zuwachsreduktion überschritten werden kann. In den > 40-jährigen Kiefernbeständen der WSE-Stichprobe waren %, im Minimum 2 % der Kiefern stärker verlichtet ( ), 2006 erfolgte wieder ein Anstieg auf 5 %. 6 Vergilbung Mit Beginn der Waldschadenserhebung wurde die Vergilbung von Nadeln-/Blättern als zweites wesentliches Merkmal der Kronenzustandsbewertung eingeführt. In Brandenburg und Berlin hatte dieses Merkmal bisher sowohl bei Kiefer wie auch den anderen Baumarten keine Bedeutung (Abb. 10). 7 Intensität von Blüte und Fruktifikation Die Ausbildung männlicher Blüten der Kiefer erfolgt an der Basis der Jahrgangstriebe an Stelle der Ausbildung von zweinadeligen Kurztrieben (Faszikeln). Dadurch wird in Jahren hoher Blühintensität an einer großen Zahl von neuen Trieben eine geringere Nadelmasse ausgebildet. Es entsteht das Bild einer schirmchenartigen Benadelung; bei Blüte über mehrere Jahre bildet sich eine Triebkette wiederholt unterbrochener Benadelung, die zu erhöhter Transparenz der Kiefernkronen führt (Abb. 11). Als wesentliche Einflussfaktoren für die Blütenbildung werden erhöhte Sommertemperaturen im Jahr der Blütenanlage, Frühjahrstemperaturen, verbesserte Standortsgüte (Stickstoff) und hohe Reservestoffgehalte (verlängerte Vegetationszeit) diskutiert. Insofern könnte die steigende Intensität der Pollen- und Samenproduktion der Kiefern (Abb. 12) (wie die hohe Frequenz der Buchenmast) als eine Reaktion auf die starke Erwärmungstendenz seit Ende der 80er Jahre des vergangenen Jahrhunderts sowie die anhaltenden Stickstoff-Einträge sein. Die Zunahme der Blühintensität wird aber als Ursache einer seit 2000 wieder steigenden Verlichtung der Kiefern ausgeschlossen, da die bei Erfassung der Kronenverlichtung bonitierte Oberkrone selten erhebliche Anteile von Trieben mit männlicher Blüte aufwies. Abb. 11: Triebkette mit reduzierter Benadelung aufgrund wiederholter männlicher Blütenbildung Abb. 12: Entwicklung der mittleren Intensität von männlicher Blüte und Zapfenbehang (1-jährig) an Kiefer im Altersbereich > 40 Jahre

7 3.1 Entwicklung des Kronenzustandes Waldschadenserhebung Einfluss von Standortsmerkmalen auf den Kronenzustand der Kiefer Bei der Suche nach Ursachen auftretender Waldschäden spielt der Bodenzustand als Ergebnis natürlicher und anthropogen überlagerter Stofftransformationsprozesse eine wesentliche Rolle. Der Humuszustand bzw. seine Veränderung ist ein guter Indikator für Störungen der Stoffkreisläufe in forstlichen Ökosystemen durch Fremdstoffbelastungen. Für einen Teil der Aufnahmepunkte der Waldschadenserhebung (8 x 8 km-netz der Bundesweiten Bodenzustandserhebung) liegt eine punktkonkrete Ansprache der Stamm-Nährkraftstufe und Analyse der Humusformen in der Einstufung nach Stickstoff- und Basensättigung für den Beginn der 1990er Jahre vor. Für die Baumart Kiefer im Altersbereich > 40 Jahre ist eine größere Stichprobe unterschiedlicher Stamm- Nährkraft mit Daten belegt. Um jährlich differenzierte Einflüsse auf den Kronenzustand durch Witterung sowie biotische Schäden einzuschränken, wurde für die Untersuchung der Beziehung zu den relativ stabilen Bodenzustandseigenschaften das Mittel der Kronenverlichtung der Jahre 1995 bis 2002 herangezogen. In Beziehung zur Stamm-Nährkraftstufe (Abb. 13) weist die mittlere Kronenverlichtung der Kiefer bei den Nährkraftstufen Z (ziemlich arm) und M (mäßig nährstoffhaltig) ein ausgeprägtes Minimum auf und steigt nur geringfügig in Richtung auf das nährstoffarme Standortspektrum. Sehr ausgeprägt ist dagegen der Anstieg der mittleren Kronenverlichtung zum nährstoffreicheren Standortsspektrum. Innerhalb der Stamm-Standortsgruppen Z und M differenziert die mittlere Kronenverlichtung mit den aktuellen Humuszustandskomponenten Stickstoff- und Basensättigung (Abb. 14, Abb. 15). Jeweils in der armen Stufe findet sich ein Minimum der Kronenverlichtung. Mit der Zunahme sowohl der Stickstoff-Stufe als Abb. 13: Mittlere Kronenverlichtung der Kiefer im Altersbereich > 40 Jahre im Zeitraum nach Stamm-Nährkraftstufen der Waldböden Abb. 14: Mittlere Kronenverlichtung (Kiefer, Alter > 40, Zeitraum ) der Stamm-Nährkraftstufen Z und M nach der Stickstoff-Stufe des Oberbodens (Zustands-Nährkraftstufe)

8 140 Vitalität Abb. 15: Mittlere Kronenverlichtung (Kiefer, Alter > 40, Zeitraum ) der Stamm-Nährkraftstufen Z und M nach der Basenstufe des Oberbodens (Zustands- Nährkraftstufe) auch der Basen-Stufe der Zustands-Nährkraft-Stufe steigt die mittlere Kronenverlichtung der Kiefer deutlich an. Dagegen zeigt sich bei Degradation der Humusform zur Stufe sehr arm nur eine geringfügig erhöhte mittlere Kronenverlichtung der Kiefer. Nachgewiesen ist eine gerichtete Veränderung der Standortsbedingungen hinsichtlich einer zwar verlangsamten, aber fortschreitenden Stickstoffakkumulation in den Oberböden und einer Abnahme der Vorräte basischer Kationen (Kalzium, Magnesium, Kalium), d. h. eine Versauerung durch anthropogene Stoffeinträge. Die Kiefer kann unter der Bedingung überwiegend in Brandenburg noch nicht erreichter Stickstoffsättigung der Standorte und noch erkennbarer Tolerierung der Auswirkungen reduzierter Basensättigung aktuell einen guten Vitalitätszustand halten. Die mit besserer Nährstoffausstattung erfolgende Reduzierung des Benadelungsgrades der Kiefer entspricht dem Schema der Akklimatisation. Bei besserer Nährstoffverfügbarkeit und vorhandenen C-Reserven kann auf weniger effektive Nadeljahrgänge verzichtet werden. 9 Einfluss des Wasserhaushalts auf den Kronenzustand der Kiefer in Brandenburg Während direkte Einflüsse von Luftverunreinigungen auf den Kronenzustand der Wälder aufgrund der erfolgreichen Maßnahmen zur Luftreinhaltung in ihrer Bedeutung abgenommen haben, tritt mit zunehmender Klimaerwärmung der Trockenstress als möglicher Schadfaktor für die Wälder in den Mittelpunkt des Interesses. Obwohl die Zeitreihe der Kronenzustandsdaten von 16 Jahren für eine Trendbetrachtung noch kurz erscheint, konnten in den letzten Waldzustandsberichten relativ deutliche Entwicklungstendenzen des Kronenzustandes für die Region Berlin-Brandenburg beschrieben werden (KALLWEIT 2006). Danach folgt im Zeitraum 1991 bis 2006 einer anfangs stetigen Abnahme deutlicher Kronenverlichtungen seit etwa 1999 eine andauernde Zunahme der Kronentransparenz bei allen Baumartengruppen. Ohne damit die zugrundeliegenden Ursachen nachweisen zu können, ist auffällig, dass eine große Übereinstimmung der Baumarten im zeitlichen Verlauf der Abb. 16: Relative Abweichung von Temperatur und Niederschlag in der Vegetationsperiode vom langjährigen Periodenmittel ( ) an den Level-II- Standorten in Brandenburg

9 3.1 Entwicklung des Kronenzustandes Waldschadenserhebung Die statistische Auswertung erfolgte im wesentlichen mittels nicht linearer multipler Regressionsanalyse, wobei Kovariaten, wie Bestandesalter und Befall mit biotischen Schaderregern mit berücksichtigt wurden (RIEK und KALLWEIT, 2007). Es zeigt sich, dass der Quotient AET/PET des aktuellen Jahres und des Vorjahres Einfluss auf den Grad der Kronentransparenz der Kiefern hat. Vor allem wiederholt auftretende Trockenjahre wirken sich negativ auf den Kronenzustand aus. Der Erklärungswert des ermittelten additiven nicht linearen Regressionsmodells für die Kronentransparenz der Kiefer beträgt 38,4 %. Abb. 17: Modellierte Quotienten AET/PET im Zeitraum als Jahresmittelwerte aller Erhebungspunkte Kronenzustandsentwicklung gegeben ist. Nicht nur die Richtung der dargelegten Kronenzustandsentwicklung ist übereinstimmend, auch der Zeitpunkt der Trendwende liegt bei allen Baumartengruppen um das Jahr Da alle Baumarten relativ gleichmäßig betroffen sind, ist hier ein klimatischer Einfluss zu vermuten. Die Vegetationsperioden 1999 und 2000 waren in Folge im Vergleich zum langjährigen Mittel sehr warm und trocken (Abb. 16). Der Quotient aus realer und potenzieller Verdunstung (AET/PET) zur Kennzeichnung des Wassermangels erreichte über zwei Jahre hinweg vergleichsweise niedrige Werte (Abb. 17). Die ähnliche Situation hatte bei etwas weniger Niederschlag aber auch geringerer Temperatur in der Periode 1988 und 1989 mit noch hoher SO 2 -Immission zu einem rasanten Anstieg der Kronenverlichtungen der Kiefer geführt (Abb. 3). Die trocken-warmen Vegetationsperioden 1976, 1982, 1992 und 2003 die als Auslöser von Zuwachseinbrüchen bekannt sind, traten indes jeweils nur über eine Vegetationszeit auf, gefolgt von weniger angespannten Wasserhaushaltsbedingungen. Sowohl die häufigeren und intensiveren Niederschlagsdefizite als auch der steigende Trend der Temperatur in der Vegetationsperiode werden im Vergleich über die Zeitreihe deutlich (Abb. 16). Der Auswertung liegen Zeitreihen der mittleren prozentualen Kronentransparenz von Erhebungspunkten der ÖWK und WZE zugrunde. Als potenzielle Einflussgrößen auf den Kronenzustand dienen interpolierte Klimadaten sowie bodenphysikalische Kenngrößen, welche mit Hilfe eines Wasserhaushaltsmodells zur Modellierung der aktuellen Evapotranspiration (AET) miteinander verknüpft werden. Als integrierender Kennwert für Wassermangel wird der Quotient aus realer und potenzieller Verdunstung (AET/PET) für jeden Erhebungspunkt und jedes Erhebungsjahr berechnet. Die Berücksichtigung der autoregressiven Komponente bei den Kronenzustandsdaten führt zu einem AR- Modell mit einem stark erhöhten Bestimmtheitsmaß von R 2 = 0,61 (Gl.1). Die beiden Prädiktoren AET/PET des Vorjahres sowie Bestandesalter wurden in diesem Fall von der Regressionsanalyse ausgeschlossen. Sie korrelieren mit der Kronenverlichtung des Vorjahres, d. h. ihr Erklärungsbeitrag ist in dieser bereits enthalten. Durch den Ausschluss dieser beiden Prädiktoren wird gewährleistet, dass die Prämisse der gegenseitigen Unabhängigkeit aller erklärenden Variablen nicht verletzt wird (Problem der Multikollinearität). [Gl.1]: Y = 12, ,984 INS 11,539 INS 2 + 4,820 INS 3 + 2,268 PILZ + 3,285 JAHRESZEIT 10,685 AET/PET t + 0,570 KV t-1 mit R 2 = 0,61 Y: Mittlere Kronenverlichtung [%] INS: Mittlere Insektenbefallsstufe ALTER: Bestandesalter [Jahre] PILZ: Dummy-Variable: 0=kein Pilzbefall; 1=Pilzbefall (Befallsstufe > 0) JAHRESZEIT: Dummy-Variable: 0 = Sommererhebung; 1 = Herbsterhebung AET/PET: Quotient aus aktueller und potenzieller Evapotranspiration KV t-1 : Kronenverlichtung im Vorjahr Aus den in Tab. 3 dargestellten Beträgen der t-werte aller einzelnen Regressionskoeffizienten geht die überragende Bedeutung der Kronenverlichtung im Vorjahr für die Ausprägung der aktuellen Kronenverlichtung hervor. Hierin spiegelt sich die Trägheit der Kronenzustandsdynamik offensichtlich infolge interner Puffermechanismen wider (RIEK et al. 1995). Es ist zum einen davon auszugehen, dass die in dem Modell berücksichtigten Einflussgrößen den Prozess der Kronenverlichtung nicht vollständig erklären. Zum anderen reicht das additive Modell offensichtlich nicht aus, die Dynamik der Kronenverlichtung vollständig zu beschreiben, welche auch von nicht additiven, synergistisch wirkenden Steuergrößen beeinflusst wird. Als Beispiel hierfür seien wiederholt hintereinander auftretende Witterungsextreme genannt, die u. a. Veränderungen der Sensitivität gegenüber bereits im Modell be-

10 142 Vitalität Tabelle 3: Statistische Maßzahlen der multiplen Regressionsanalyse (Gl.3) Nicht standardisierte Standardfehler t-wert Signifikanz Koeffizienten KONSTANTE 12,337 1,204 10,247,000 INSEKTEN 9,984 2,209 4,519,000 INSEKTEN 2-11,539 2,589-4,457,000 INSEKTEN 3 4,820 0,699 6,895,000 PILZE 2,268 0,465 4,874,000 JAHRESZEIT 3,285 0,295 11,128,000 AET_PET t -10,685 1,796-5,948,000 KRONENVERLICHTUNG t-1 0,570 0,015 38,773,000 rücksichtigten Einflussgrößen auslösen können. Durch Anpassungs- und Puffermechanismen auf Bestandesebene ergeben sich so in Abhängigkeit von der Zeit kontinuierliche Verläufe bzw. Muster der Residualgrößen des additiven Models. Die Kiefer ist auf Grund ihrer Vorwärtsregelung des Spaltöffnungszustandes als extremer Wassersparer einzustufen (CORNELIUS 1993, IRVINE et al. 1998, POYATOS et al. 2005). Der Baum erkauft sich den reduzierten Wasserverlust aber durch Einschränkung seiner Leistung, der Regelungsvorgang besteht in einem Lavieren zwischen Dursten und Hungern. Die Waldkiefer gilt zwar gemeinhin als trockenheitsresistente Baumart; gleichwohl zeigen Wasserhaushalts-Zuwachs-Beziehungen eine klare Reaktion auf Wassermangel (RIEK und RENGER 1994; RIEK 1995). Es ist also bei angespanntem Wasserhaushalt zunächst mit verminderter C-Assimilation zu rechnen, die entsprechend zu veränderter C-Allokation führt und Folgen für den Zuwachs, Neuaustrieb von Nadeln und Wurzeln, Fruktifikation, Abwehr biotischer Schäden hat (BREDA et al. 2006). Ein zweiter Wirkungspfad besteht in der erhöhten Mortalität der Feinwurzeln in den oberen trockenen Bodenhorizonten (VANGUELOVA et al. 2005), bzw. verstärktem Aufwand für zusätzliches Feinwurzelwachstum in noch feuchten tieferen Horizonten. An Brandenburger Level-II-Dauerbeobachtungsflächen wird die herausragende Bedeutung des Jahres 1999 im Bodenwasserhaushalt der bisherigen Beobachtungsperiode erkennbar. Sowohl in 0,7 m Bodentiefe, als auch in 2,5 m Tiefe wird in der Vegetationsperiode 1999 eine extreme Ausschöpfung des Bodenwassers durch die Vegetation beobachtet. In den Folgejahren stieg die Bodenfeuchte mit geringer werdenden Amplituden zwischen den Vegetationszeiten bis Erst im Extrem-Trockenjahr 2003 wurde diese Wiederbefeuchtung erneut unterbrochen, die Ausschöpfung des Bodenwassers erreichte in 70 cm Bodentiefe nahezu wieder die Intensität der Vegetationsperiode 1999 (Abb. 18). Aus den vorgestellten Befunden kann geschlossen werden, dass der unspezifische Kennwert Kronenverlichtung grundsätzlich auch für das flächenhafte Monitoring von Trockenstress geeignet ist. Die Kronenverlichtung ist vergleichsweise leicht zu erfassen und in- Abb. 18: Entwicklung der Bodenfeuchte in 0,7 und 2,5 m Bodentiefe an der Level-II-Fläche Kienhorst (1203)

11 3.1 Entwicklung des Kronenzustandes Waldschadenserhebung tegriert verschiedene natürliche und anthropogene Stressfaktoren, die wiederum die ökologische Wirkung des klimabedingten Wassermangels modifizieren. Dieser kann durch frühzeitigen und sensiblen Spaltenschluss bei zunehmender Bodenaustrocknung interpretiert werden. Klimasignale in den Kronenzustandsdaten wurden auch in anderen Studien in jüngster Zeit gefunden (KLAP 2000, BECK 2004, SEIDLING 2004 und 2006, DOBBERTIN et al. 2007). KÄTZEL und LÖFFLER (2004) ermittelten bei Kiefern erhöhte Prolingehalte als Hinweis auf trockenheitsbedingte Stressbelastung, welche mit reduzierter Lebensdauer der Nadeljahrgänge in Verbindung steht (Kap. 3.5). Wie weit darin eine vitale Regelungsfunktion zur Einstellung neuer Gleichgewichte von Ressourcenverfügbarkeit und Produktionskapazität zu sehen ist, müssen künftige Untersuchungen zeigen. Gegenwärtig verfügt die Kiefer in Brandenburg mit knapp 2,5 Nadeljahrgängen bei überwiegend guter Zuwachsleistung noch über ein ausreichendes Puffervermögen, ihre C-Reserven an zunehmende Stressintensitäten und Häufigkeiten anzupassen. Mit der drastisch reduzierten SO 2 -Immissionsbelastung ist ein intensiver Stressor abgebaut worden, was die Toleranz gegenüber Trockenstress erhöhen sollte. Die Szenarien über zukünftige Klimaentwicklungen vor Augen, erscheint die Kronenzustandserfassung als ein adäquates Mittel für flächenrepräsentative Aussagen zu ihren ökologischen Wirkungen. Die Weiterführung von jährlichen Erhebungen erscheint unabdingbar, da die vorliegenden Untersuchungen die besondere Bedeutung jahresübergreifender Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge verdeutlicht hat. Zeitreihenanalytische Auswertungen der Kronenzustandsdaten könnten unter dieser Voraussetzung regional eine erhebliche Bedeutung für die Quantifizierung von Klimasignalen bei Waldbäumen und damit für die Beschreibung und Prognose allgemeiner Klimatrends erlangen. Dr. REINHARD KALLWEIT Landesforstanstalt Eberswalde Prof. Dr. WINFRIED RIEK Landesforstanstalt Eberswalde