Abnehmende Vitalität der Hauptbaumarten

Der Klimawandel führt zu einer Zunahme extremer Wetterereignisse. Besonders höhere Sommertemperaturen und länger andauernde Dürreperioden hinterlassen in den Wäldern Nordwestdeutschlands deutliche Schäden. Häufiger Trockenstress führte zu einer abnehmenden Vitalität der Bäume auf bestimmten Standorten. Gleichzeitig erhöht sich das Risiko für weitere abiotische und biotische Stressfaktoren. Diese Umstände erschweren die langfristige forstliche Planung und die Waldbewirtschaftung zusätzlich. 

Eine wichtige Rolle spielt daher die Standortswasserbilanz (SWB). Auf der Grundlage der SWB wurden an der Nordwestdeutschen Forstlichen Versuchsanstalt (NW-FVA) baumartenspezifische Schwellenwerte für das Trockenheitsrisiko festgelegt. Sie  helfen bei der Bewertung der Vitalität, Widerstandsfähigkeit und der Leistungsgrenzen der Baumarten und dienen somit als Entscheidungshilfe für eine klimaangepasste Baumartenwahl.

Standortswasserbilanz: Verrechnung des Mittelwerts der klimatischen Wasserbilanz in der Vegetationszeit (Verhältnis zwischen Verdunstungsanspruch und zur Verfügung stehenden Niederschlägen) mit der nutzbaren Feldkapazität des Bodens (pflanzenverfügbares Wasser) für eine Bezugstiefe von 1 m (nach Grier und Running (1977)).

Bündelung vieler Daten

Die Abbildung zeigt in einem Schema die Bohrkerngewinnung bei Bäumen, wobei die vier Hauptbaumarten Buche, Eiche, Fichte und Kiefer schematisch in Grautönen gezeigt werden, bis hin zur grafischen Darstellung der Wachstumskurven. Dabei werden Fotos von Bohrkernen der Hauptbaumarten verwendet. In einem vergrößerten Bohrkernfoto sind die Jahrringe markiert

Abb. 1: Übersicht der Bohrkernentnahme und Aufbereitung. An Plots der WZE/BZE werden 10 –15 Bäume beprobt. Die einzelnen Bohrkerne werden aufbereitet, sodass die Jahrringe eingemessen werden können. Die sich daraus ergebenen Wachstumskurven sind Grundlage für die weiteren Analysen. Quelle: NW-FVA

Um die definierten Schwellenwerte im Gelände zu überprüfen, untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der NW-FVA in einem Projekt die Vitalität und das Wachstum der vier Hauptbaumarten Eiche (Quercus petraea + Q. robur), Kiefer (Pinus sylvestris), Fichte (Picea abies) und Buche (Fagus sylvatica). Diese Daten wurden mit Hilfe von Jahrringanalysen erhoben. Die in Nordwestdeutschland ausgewählten Flächen liegen innerhalb des Probenetzes der Waldzustandserhebung (WZE) und der Bodenzustandserhebung (BZE). Auf diese Weise konnten neben den Jahrringmessungen auch zusätzliche Informationen über den Standort aus der BZE sowie baumindividuelle  Informationen über den Kronenzustand aus der WZE in die Analysen mit einbezogen werden.

Ein Farbschema, dargestellt als sich nach rechts öffnendes Dreieck, ist mit einer darunter eingefügten Tabelle verknüpft, in der sich die Farben wiederfinden. Gezeigt wird schematisch der Gradient der Standortswasserbilanz der Untersuchungsflächen. Die linke Spitze des Dreiecks zeigt in Rot den trockenen Bereich mit hohem Trockenstressrisiko und geht über in Bereiche mit mittlerem Trockenstressrisiko in orange und gelb über grün zu blau, was nasse Standorte mit geringem Trockenstressrisiko bedeutet. Die darunter eingefügte Tabelle zeigt für die Hautbaumarten die Grenzwerte der Standortswasserbilanz in Millimetern für die Trockenstressrisikoklassen hoch, mittel und gering. In der Trockenstressrisikoklasse „hoch“ liegen die Grenzwerte für Fichte unter -80 mm, für Buche unter -100 mm, für Eiche unter -350 mm und für Kiefer unter -450 mm. In der Trockenstressrisikoklasse „mittel“ liegen die Grenzwerte für Fichte zwischen 0 und -80 mm, für Buche zwischen -50 und -100 mm, für Eiche zwischen -150 und -350 mm und für Kiefer zwischen -200 und -450 mm. In der Trockenstressrisikoklasse „gering“ liegen die Grenzwerte für Fichte über-0 mm, für Buche über -50 mm, für Eiche über -150 mm und für Kiefer über -200 mm. Bezugnehmend auf die darüber stehende Tabelle zeigen 12 Karten die Umrisse der Trägerländer der NW-FVA Schleswig-Holstein, Niedersachsen, Hessen und Sachsen-Anhalt. Von links nach rechts gibt es jeweils drei Karten in einer Spalte für Fichte, daneben für Buche, Eiche und ganz rechts für Kiefer. Die oberen Karte zeigen die Standortswasserbilanz der ausgewählten Untersuchungsplots für das Trockenjahr 2003. Die Punkte sind gemäß der darüberstehenden Tabelle eingefärbt. Demnach war das Trockenstressrisiko für Fichte und Buche im Jahr 2003 überwiegend hoch, nur vereinzelte Punkte sind mittel. Eiche und Kiefer hatten überwiegend mittleres bis geringes Trockenstressrisiko. Darunter liegend zeigen die Karten die Standortswasserbilanz und damit das Trockenstressrisiko für das Trockenjahr 2018. Fichten und Buchen hatte überall hohes Trockenstressrisiko, Eichen mittleres bis hohes und Kiefern überwiegend mittleres. Die unteren Karten für das Jahr 2020 weisen für Fichte ein überwiegend hohes Risiko aus, nur vereinzelt in Niedersachsen ist das Risiko mittel bis gering. Ähnliches gilt für Buche, wobei die Zahl der Fläche mit mittlerem und auch geringem Risiko größer ist – vor allem in Schleswig-Holstein, Südniedersachsen und Nordhessen. Eichen hatte überwiegend ein mittleres, in Niedersachsen und Schleswig-Holstein auch geringes Risiko. Für Kiefer war das Trockenstressrisiko überwiegend gering, nur in Südhessen und Ost-Sachsen-Anhalt gering.

Abb. 2: Baumartenspezifischer Gradient der Standortswasserbilanz entlang der Schwellenwerte des Trockenstressrisikos. Eine Übersicht der WZE-Punkte zeigt, welche Plots der Baumarten Buche, Eiche, Fichte und Kiefer für die Trockenjahre 2003, 2018 und 2020 ein geringes, mittleres und hohes Risiko nach den Schwellenwerten aufwiesen. Quelle: NW-FVA

Individuelle Wachstumskurven

Das Wachstum der Bäume in der gemäßigten Klimazone zeigt sich in jährlichen Ringen im Holz, die durch den Wechsel von Vegetations- und Nicht-Vegetationsperiode geprägt sind. Die einzelnen Jahrringe können durch Unterschiede in der Zellgröße und-dichte zwischen Frühholz (in der Regel großporiger und heller) und Spätholz (in der Regel kleinporiger und dunkler) differenziert werden. Die Breite und Dichte der Jahrringe variiert in Abhängigkeit von diversen Umweltfaktoren. Sie spiegeln die Wuchsbedingungen eines Baumes wider. Je besser die Bedingungen, desto größer sind in der Regel die Jahrringe – und umgekehrt. Zur Bestimmung der Jahrringe wurden den Bäumen sogenannte Bohrkerne (von 5 mm Durchmesser) mit einem Zuwachsbohrer entnommen. Die Bohrkerne werden so aufbereitet, dass die einzelnen Jahrringe sichtbar werden. Die einzelnen Jahrringe können per Software für jeden Bohrkern und jedes Baumindividuum millimetergenau eingemessen werden. Für jeden Baum erhält man so eine individuelle Wachstumskurve. 

Das obere Foto zeigt das Eindrehen des Bohrers in den Stamm. Das untere Foto zeigt den gewonnenen Bohrspahn im Bohrer.

Abb. 3: Probennahme eines Bohrkerns mit Hilfe eines Zuwachsbohrers. Foto: Anja Gröning (NW-FVA)

Indikatoren für das Wachstumsverhalten

Solche Wachstumskurven können zu Standortschronologien zusammengefasst werden und sind ein guter Indikator für das allgemeine Wachstumsverhalten auf einem bestimmten Standort bzw. für eine Baumart. In Extremjahren zeigen die Kurven überregionale Reaktionen, die als Zeigerjahre identifiziert werden können. Beispiele für solche Zeigerjahre sind die sehr trockenen Jahre 2003 und 2018, was sich in einem verringerten Wachstum der Hauptbaumarten widerspiegelt. Wie stark und auf welche Art und Weise Bäume auf Extremereignisse reagieren, hängt dabei zum einem vom Standort, zum anderen von der Baumart selbst ab. So zeigen beispielsweise Buchen oft eine zeitversetzte Reaktion auf Trockenstress, was sich sowohl im Wachstum als auch in einer Verlichtung der Kronen äußert. Eichen und Kiefern gelten bisher als relativ trockenresistent. Im Jahr 2018 wurden jedoch auch für diese Baumarten Probenahmenflächen (Plots) identifiziert, die ein hohes Risiko, d.h. eine deutliche negative  Standortswasserbilanz aufwiesen.

Gradienten-Design: Um zu identifizieren, wie sich die verschiedenen Baumarten entlang eines Gradienten der Standortswasserbilanz unterscheiden, wurden für das Projekt im Winter 2022/2023 insgesamt 1340 Bohrkerne von 670 Bäumen auf jeweils 13 Plots pro Baumart gewonnen. Der Gradient für jede Baumart ist dabei so gewählt, dass die baumartenindividuellen Trockenstressgrenzen (durchschnittliche Standortswasserbilanz in der Vegetationsperiode im Zeitraum 1990 bis 2020) abgebildet werden. So erstrecken sich die einzelnen Gradienten von trockenen Plots (mit höherem Risiko) zu feuchten Plots (mit geringerem Risiko).

Schwankende Wachstumsverläufe

Klimatische aber auch nicht-klimatische Faktoren beeinflussen die Jahrringbreite von Bäumen. Der Jahrringbreitenindex (RWI) wird verwendet, um das Wachstum von Bäumen vergleichbar zu machen. Dieser Wert wird durch die Standardisierung der Rohdaten (die gemessenen Jahrringbreiten in mm) berechnet. Ein Indexwert > 1 bedeutet, dass das Wachstum in diesem Jahr über dem erwarteten Wert lag (z.B. günstige Bedingungen) und umgekehrt.  Im Zeitraum der WZE von 1984 bis 2022 zeigten sich unterschiedliche Wachstumsverläufe der Baumarten. Die Buche zeigt die größten Wachstumsschwankungen, während Eiche, Kiefer und Fichte weniger ausgeprägte Schwankungen aufweisen. Insbesondere in oder nach den Trockenjahren 2003 und 2018 sind kleinere Werte des RWI, also reduziertes Wachstum, für alle Baumarten zu verzeichnen. Die trockeneren Plots zeigten ein gesteigertes Wachstum im Feuchtejahr 2007,  feuchtere Plots in Trockenjahren (2003 und 2019) dagegen ein deutlich reduzierteres Wachstum. 

Die Grafiken zeigen für Buche links oben, Eiche rechts oben, Fichte links unten und Kiefer rechts unten den berechneten Jahrringbreitenindex über den Zeitraum 1984 bis 2022. Jedes Diagramm enthält viele Linien, die den Gradienten zugeordnet sind: rot sind trockene Standorte, blau nasse, die Varianten dazwischen sind orange bis gelb und grün. Bei allen Baumarten sind Jahre mit hohem und mit niedrigem Zuwachs zu erkennen. Die Ausschläge variieren je nach Gradient auch zeitlich unterschiedlich.

Abb. 4: Durchschnittlicher Jahrringbreitenindex (RWI) für die einzelnen Baumarten im Zeitraum der WZE entlang des Gradienten. 1 = trockenster Plot, 13 = feuchtester Plot einer Baumart.

Zusammenhänge zwischen Vitalität und Wachstum

Vitalitätsindikatoren für den Gesundheitszustand von Bäumen sind 

  • die Kronenverlichtung,

  • die Fruktifikation

  • das Wachstum. 

Sie stehen in direkter Beziehung zueinander. Bei negativeren Werten der SWB, zeigen Buche, Fichte und auch die Eiche eine tendenziell höhere Kronenverlichtung, während für die Kiefer der gegenteilige Trend beobachtet wurde. Bei Bäumen mit höherer Kronenverlichtung – besonders deutlich für Buche und Fichte – wurde wiederum ein geringerer Ringbreitenindex gemessen, d.h. geringeres Wachstum. Auch der Zusammenhang zwischen der Fruktifikation und dem Wachstum zeigte sich am deutlichsten in der Buche und der Fichte und nur gering ausgeprägt bei Kiefer und Eiche. Die Fruktifikation wird durch unterschiedliche Stärkestufen innerhalb der WZE im Sommer (Juli/August) erfasst. Je mehr die Bäume fruktifizieren, desto höher die Stufe und desto geringer das Wachstum. 

Fazit

Die Jahrringanalyse bietet die Möglichkeit, wertvolle Zusammenhänge zwischen dem Wachstum und der Vitalität aufzuzeigen. Die Beprobung entlang eines Gradienten der Standortswasserbilanz (SWB) für die einzelnen Baumarten gibt Aufschluss über die Wirkungsweise von Trockenstress auf unterschiedlichen Standorten. Es zeigte sich, dass die Bäume entlang des Gradienten unterschiedlich auf Trockenstress reagieren. Diese Beobachtungen lassen sich besonders durch die Vitalitätsindikatoren der Kronenverlichtung und des Wachstums beschreiben.