Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2015. / ENGLISH ABSTRACT: This study investigates the crustal structure, and assesses the qualitative and quantitative impacts of crust-mantle dynamics on subsidence pattern, past and present-day thermal field and petroleum system evolution at the southern South African continental margin through the application of a multi-disciplinary and multi-scale geo-modelling procedure involving both conceptual and numerical approaches. The modelling procedure becomes particularly important as this margin documents a complex interaction of extension and strike-slip tectonics during its Mesozoic continental rifting processes. Located on the southern shelf of South Africa, the Western Bredasdorp Basin (WBB) constitutes the focus of this study and represents the western section of the larger Bredasdorp sub-basin, which is the westernmost of the southern offshore sub-basins. To understand the margin with respect to its present-day structure, isostatic state and thermal field, a combined approach of isostatic, 3D gravity and 3D thermal modelling was performed by integrating potential field, seismic and well data. Complimenting the resulting configuration and thermal field of the latter by measured present-day temperature, vitrinite reflectance and source potential data, basin-scale burial and thermal history and timing of source rock maturation, petroleum generation, expulsion, migration and accumulation were forwardly simulated using a 3D basin modelling technique. This hierarchical modelling workflow enables geologic assumptions and their associated uncertainties to be well constrained and better quantified, particularly in three dimensions. At present-day, the deep crust of the WBB is characterised by a tripartite density structure (i.e. prerift metasediments underlain by upper and lower crustal domains) depicting a strong thinning that is restricted to a narrow E-W striking zone. The configuration of the radiogenic crystalline crust as well as the conductivity contrasts between the deep crust and the shallow sedimentary cover significantly control the present-day thermal field of the study area. In all respects, this present-day configuration reflects typical characteristics of basin evolution in a strike-slip setting. For instance, the orientations of the deep crust and fault-controlled basin-fill are spatially inconsistent, thereby indicating different extension kinematics typical of transtensional pull-apart mechanisms. As such, syn-rift subsidence is quite rapid and short-lived, and isostatic equilibrium is not achieved, particularly at the Moho level. Accompanied syn-rift rapid subsidence and a heat flow peak led to petroleum preservation in the basin since the Early Cretaceous. Two additional post-rift thermal anomalies related to the Late Cretaceous hotspot mechanism and Miocene margin uplift in Southern Africa succeeded the syn-rift control on maturation. This thermal maturity of the five mature source rocks culminated in four main generation and three main accumulation phases which characterise the total petroleum systems of the WBB. The Campanian, Eocene and Miocene uplift scenarios episodically halted source maturation and caused tertiary migration of previously trapped petroleum. Petroleum loss related to the spill point of each trap configuration additionally occurs during the Late Cretaceous-Paleocene and Oligocene-Early Miocene. The timing and extent of migration dynamics are most sensitive to the geological scenario that combined faulting, intrusive seal bypass system and facies heterogeneity. In fact, for models that do not incorporate facies heterogeneity, predicted past and present-day seafloor leakage of petroleum is largely underestimated. This complex interplay of generation and migration mechanisms has significant implications for charging of petroleum accumulations by multiple source rocks. Due to early maturation and late stage tertiary migration, the syn-rift source rocks particularly Mid Hauterivian and Late Hauterivian source intervals significantly control the extent of petroleum accumulation and loss in the basin. Lastly, the modelled 3D crustal configuration and Mezosoic to Cenozoic thermal regime of the WBB dispute classic uniform lithospheric stretching for the southern South African continental margin. Rather, this PhD thesis confirms that differential thinning of the lithosphere related to a transtensional pull-apart mechanism is the most appropriate for accurately predicting the evolution of basin and petroleum systems of the margin. Also, the presented 3D models currently represent the most advanced insights, and thus have clear implications for assessing associated risks in basin and prospect evaluation of the margin as well as other similar continental margins around the world. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie studie ondersoek die korsstruktuur en evalueer die kwalitatiewe en kwantitatiewe impakte van kors-mantel-dinamika op insinkingspatroon, die termiese veld en petroleumstels evolusie aan die suidelike Suid-Afrikaanse kontinentale grens, in die hede en die verlede, deur die toepassing van ’n multidissiplinêre en multiskaal-geomodelleringsprosedure wat beide konseptuele en numeriese benaderings behels. Die modelleringsprosedure veral is belangrik aangesien hierdie kontinentale grens ’n komplekse interaksie van uitbreidings- en strekkingsparallelle tektoniek gedurende die Mesosoïese vastelandskeurprosesse daarvan dokumenteer. Omdat dit op die suidelike platvorm van Suid-Afrika geleë is, maak die Westelike Bredasdorp Kom (WBK) die fokus van hierdie studie uit, en verteenwoordig dit die westelike deel van die groter Bredasdrop-subkom, wat die verste wes is van die suidelike aflandige subkomme. Om die grens met betrekking tot sy huidige struktuur, isostatiese staat en termiese veld te verstaan, is ’n kombinasie benadering bestaande uit isostatiese, 3D-gravitasie- en 3D- termiese modellering gebruik deur potensiëleveld-, seismiese en boorgatdata te integreer Ondersteunend totot die gevolglike konfigurasie en termiese veld van die laasgenoemde deur middel van hedendaagse temperatuur, soos gemeet, vitriniet-refleksiekoëffisiënt en bronpotensiaal data, komskaal-begrawing en termiese geskiedenis en tydsberekening van brongesteentematurasie, is petroleumgenerasie, -uitwerping, -migrasie en -akkumulasie in die toekoms gesimuleer deur gebruik te maak van ’n 3D-kommodelleringstegniek. Hierdie hierargiese modelleringswerkvloei maak dit moontlik om geologiese aannames en hulle geassosieerde onsekerhede goed aan bande te lê en beter te kwantifiseer, veral in drie dimensies. In die hede word die diep kors van die WBK gekarakteriseer deur ’n drieledige digtheidstruktuur (met ander woorde voorrift-metasedimente onderlê deur bo- en benedekors domeine) wat dui op ’n baie wesenlike verdunning, beperk tot ’n dun O-W-strekkingsone. Die konfigurasie van die radiogeniese kristallyne kors, sowel as die konduktiwiteitskontraste tussen die diep kors en die vlak sedimentêre dekking, beheer grotendeels die hedendaagse termiese veld van die studiearea. Hierdie hedendaagse konfigurasie weerspieël in alle opsigte tipiese eienskappe van kom-evolusie in ’n skuifskeur omgewing. Byvoorbeeld, Die oriëntasies van die diep kors en verskuiwingbeheerde komsedimentasie byvoorbeeld is ruimtelik inkonsekwent en dui daardeur op verskillende ekstensiekinematika, tipies van transtensionale tensiemeganisme. As sulks, is sin-rift-versakking taamlik vinnig en kortstondig, en word isostatiese ekwilibrium nie by die Moho-vlak, in die besonder, bereik nie. Samehangende sin-rift vinnige versakking en hittevloeihoogtepunt het gelei tot petroleum behoud in die kom sedert die vroeë Kryt. Twee bykomende post-rift termiese anomalieë wat verband hou met die laat Kryt-“hotspot” meganisme en die Mioseense kontinentale grensopheffing in Suidelike Afrika het die sin-rift-beheer met maturasie opgevolg. Hierdie termiese maturiteit van die vyf gematureerde brongesteentes het in vier hoofgenerasie- en drie hoofakkumulasie fases, wat die totaliteit van die petroleumstelsels van die WBK karakteriseer, gekulmineer. Die Campaniese, Eoseense en Mioseense opheffings senarios het episodies bronmaturasie gestop en tersiêre migrasie van petroleum wat vroeër opgevang was veroorsaak. Addisioneel vind petroleumverlies gekoppel aan die spilpunt van elke opvanggebiedkonfigurasie tydens die laat Kryt-Paleoseen en Oligoseenvroeë Mioseen plaas. Die tydstelling en omvang van migrasiedinamika is die sensitiefste vir die geologiese scenario wat verskuiwing, seëlomseilingstelsel en fasiesheterogeniteit kombineer. Trouens, vir modelle wat nie fasiesheterogeniteit inkorporeer nie, is voorspellings van vroeëre en huidige seebodemlekkasie van petroleum grotendeels onderskattings. Hierdie komplekse wisselwerking van generasie- en migrasiemeganismes het beduidende implikasies vir die laai van petroleumakkumulasies deur veelvoudige brongesteentes. Vanweë vroeë maturasie en laatstadiumtersiêre migrasie, oefen die sin-rift-brongesteentes, veral middel Hauterivium- en laat Hauteriviumbronintervalle, beduidende beheer oor die omvang van petroleumakkumulasie en -verlies in die kom uit. Laastens weerspreek die gemodelleerde 3D-korskonfigurasie en Mesosoïese-tot-Senosoïesetermiese regime van die WBK ’n klassieke uniforme litosferiese rekking vir die suidelike Suid- Afrikaanse kontinentale grens. Inteendeel, hierdie PhD-proefskrif bevestig dat ’n differensiële verdunning van die litosfeer, gekoppel aan ’n transtensiemeganisme, die beste geskik is om ’n akkurate voorspelling oor die evolusie van kom- en petroleumstelsels van die kontinentale grens mee te maak. Verder, verteenwoordig die 3D-modelle, wat hier aangebied word, tans die mees gevorderde insigte, en het hierdie modelle dus duidelike implikasies vir die assessering van verwante risiko’s in kom- en petroleum teikene valuering van die kontinentale grens, so wel as van ander soortgelyke kontinentale grense regoor die wêreld.

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Die vorliegende Arbeit konnte im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojektes „Zukunftsorientierte Waldwirtschaft (1998-2003)“ erstellt werden. Dieses Vorhaben hat die bundesweiten Forderungen und Zielvorstellungen der Landesforstverwaltungen aufgegriffen, die nicht standortsgemäßen, naturfernen und instabilen Nadelbaumreinbestände umzubauen und den Anteil an Mischbeständen in den Forstbetrieben deutlich zu erhöhen. Neben ökonomischen Zielen sollte der Waldumbau vor allem auch ökologische Belange berücksichtigen. Dies wurde durch entsprechende Forschungsschwerpunkte vom BMBF wissenschaftlich begleitet. Die Vogelbeere (Gemeine Eberesche, Sorbus aucuparia L.) ist aufgrund ihrer hohen klimatischen und standörtlichen Anpassungsfähigkeit in den Mittelgebirgslagen Europas eine der häufigsten Nebenbaumarten in Fichtenwaldgesellschaften und künstlichen Fichtenforsten. Mit der vorliegenden Arbeit sollte geprüft werden, wie einzelbaumweise eingemischte Vogelbeeren, welche sich natürlich angesamt haben, frühzeitig in die Behandlung von Fichtenjungbeständen einbezogen werden können. Die Vogelbeere wird somit für eine erhebliche Dauer des Bestandeslebens – mindestens aber bis zum Zeitpunkt ihrer möglichen natürlichen Verjüngung – als ein vitales Bestandesglied im Sinne eines ökologischen Waldumbauverfahrens angesehen. Ziel war dabei die optimale Einzelbaumentwicklung der Vogelbeere hinsichtlich ihrer Dimension und Qualität, vor allem aber ihrer Vitalität. Grundlegend ist durch eine Abfrage in der Forsteinrichtungsdatenbank (FESA) für den Landeswald Sachsens das Flächenpotential an Fichtenjungbeständen bis zum Alter 50 Jahre in den mittleren Lagen erfasst worden, in denen natürlich angesamte und einzelbaumweise eingemischte Vogelbeeren vorkommen. Mit Hilfe einer terrestrischen Inventur wurden die ausgewählten Bestände stichprobenartig aufgesucht und dabei die vorkommenden Vogelbeeren hinsichtlich Dimension, Qualität, Vitalität und Schäden untersucht. Für ein waldbauliches Experiment sind weiterhin Fichtenjungbestände im Alter 16, 19, 26 und 32 Jahre auf Standorten mäßiger Trophie in den mittleren Lagen des sächsischen Forstbezirkes Bärenfels ausgewählt worden. In diesen Beständen wurden einzelbaumweise eingemischte Vogelbeeren unterschiedlicher soziologischer Stellung in den drei Varianten „keine“, „mäßige“ und „starke“ Freistellung gefördert. Die Zuwachsreaktionen verschiedener Baumkompartimente der untersuchten Vogelbeeren wurden in Abhängigkeit der Faktoren Alter, Freistellungsvariante und Konkurrenzsituation analysiert. Für einige Messungen war es notwendig dem Versuchsdesign auch Bäume destruktiv zu entnehmen. Insgesamt wurden ca. 700 ha Fichtenjungbestände erfasst, in denen die Vogelbeere einzelbaumweise in den Oberstand eingemischt war oder als weitere Baumart erwähnt wurde. Das durchschnittliche Mischprozent der Vogelbeere im Oberstand betrug ca. 16%. Die terrestrische Inventur zeigte, dass in den sehr jungen und kleinflächigen Beständen (mit bis zu 4 ha Größe) das Vorkommen der der Vogelbeeren am höchsten ist. Die Bäume sind dort zwar vor allem durch Mehrstämmigkeit (Garbenwuchs) gekennzeichnet, dennoch konnte bei den untersuchten Bäumen überwiegend eine gerade Stammform angesprochen werden. In den älteren Beständen stieg dann der Anteil der einschnürigen Stämme und Gabelungszwiesel, und zunehmend wurde die soziologische Stellung als „beherrscht“ und „unterdrückt“ für die Vogelbeeren angesprochen. Die erfassten Schälschäden fielen entgegen den Erwartungen vergleichsweise gering aus. Merkliche Schälschäden wurden erst in den beiden ältesten Fichtenaltersklassen angesprochen und diese nur als gering eingestuft. Die Einschätzung der Vitalität der Vogelbeeren mit Hilfe des baumartenunabhängigen Kronenanspracheschlüssels nach ROLOFF (2001) ergab in allen betrachteten Fichtenaltersklassen überwiegend eine geschwächte bis merklich geschwächte Vitalität. Die Ergebnisse des waldbaulichen Experimentes zeigten, dass die Wachstumsreaktionen der Vogelbeeren je nach betrachteter Fichtenaltersstufe unterschiedlich sind. Je früher eine Förderung erfolgt, umso stärker sind die Reaktionen des Einzelbaumes. Die freigestellten Bäume reagierten deutlich mit gesteigertem relativem BHD-Zuwachs, wobei die Kategorie „mäßige Freistellung“ am Ende der Beobachtungsperiode tendenziell die höchsten Werte besaß und dieser Zuwachs mit zunehmender Fichtenaltersstufe abnahm. Jahrringanalysen an Stammscheiben von entnommenen Probebäumen zeigten, dass die gesteigerte Zuwachsrate des Dickenwachstums nach 3 Vegetationsperioden wieder nachlässt. Das Höhenwachstum wurde in jeder beobachteten Fichtenaltersstufe und Konkurrenzsituation nicht signifikant durch die angewendeten Maßnahmen beeinflusst. Insgesamt zeichneten sich alle Probebäume durch hohe HD-Werte (im Mittel 138) aus, nur die Vogelbeeren der Fichtenaltersstufe 19 besaßen vergleichsweise stabile Werte unter 100. Die freigestellten Vogelbeeren entwickelten in allen betrachteten Altersstufen deutlich erweiterte Kronenschirmflächen und einen signifikanten Kronenradiuszuwachs. Die Ergebnisse der Gesamtblattmasseschätzungen zeigten für Vogelbeeren der Fichtenaltersstufe 26 deutliche Tendenzen, die belegen, dass geförderte Bäume mehr Blattmasse pro Baum ausgebildet haben als nicht geförderte Bäume. Die Anzahl der fruktifizierenden Bäume stieg von 41 % im Jahr 2001 auf 81 % im Jahr 2003, wobei die Stichprobe im Jahr 2003 um 17 Bäume durch destruktive Beprobungen reduziert gewesen ist. Es zeichnete sich ein Trend zum Anstieg der Fruchttrockenmasse je Vogelbeere in Abhängigkeit von der Freistellungsvariante ab, wobei stärker freigestellte Bäume mehr Fruchtmasse produzierten, als mäßig freigestellte Bäume (p = 0,029). Für einen mittleren Probebaum von ca. 5 cm BHD wurde eine Gesamtfeinwurzelmasse von ca. 202 g (R² = 0,30) und eine maximale horizontale Feinwurzelausbreitung von etwa 8 m ermittelt. Die höchsten mittleren Biomasseanteile an der gesamten oberirdischen Biomasse der Bäume hatte jeweils das Kompartiment „Stamm“, mit Anteilen zwischen 67 und 86 % über alle betrachteten Versuchsvarianten. Darauf folgen bei fast allen Versuchsvarianten die Biomasseanteile der Äste aus der Lichtkrone (ca. 5,5 bis 15,5 %). Die Blattbiomasse nimmt am Gesamtbaum einen verhältnismäßig geringen Anteil ein (zwischen 3,1 und 12,4 % über alle Varianten). Die jüngeren Bäume der Fichtenaltersstufe 16 hatten über alle Versuchsvarianten verhältnismäßig hohe Blattmasseanteile im Vergleich zu den Bäumen der Fichtenaltersstufe 26. Insgesamt hat die starke Freistellung tendenziell das Allokationsverhältnis zugunsten der Astbiomasse verschoben. Die älteren Bäume bildeten weniger Blattbiomasse im Vergleich zur Stammbiomasse. Einzelbaumweise eingemischte Vogelbeeren können als ideale Mischbaumart für einen ökologischen Waldumbau, speziell in jungen Fichtenreinbeständen, angesehen werden. Die Vogelbeere findet sich auf natürlichem Wege in diesen Beständen ein, wenn eine ausreichende Präsenz an fruktifizierenden Altbäumen gewährleistet ist. Um sie als wertvolle Zeitmischung zu erhalten, muss sie aber als eigenständiger Z-Baum Eingang in die Waldbaustrategien der Fichtenjungbestände finden, indem sie frühzeitig und regelmäßig gefördert wird. Ein passendes Wildmanagement sollte dabei Schäden an den Bäumen weitestgehend vermeiden, welche die Qualität und Vitalität, und somit den Erhalt der Vogelbeeren, nachweislich gefährden. Aus ökologischem Blickwinkel erfahren Standort, Fauna und Flora der Fichtenreinbestände durch die Präsenz geförderter und somit vitaler Vogelbeeren eine Aufwertung. Die freigestellten Bäume produzieren höhere Blattbiomassen, die nachweislich zu einer Verbesserung der Humusauflage führen, und von gesteigerten Fruktifikationsraten können Insekten und Säugetiere profitieren. Eine erhöhte unterirdische Wurzelaktivität und entsprechende Bodenmelioration wird zudem angenommen. Wenn geeignete Verjüngungsnischen in näherer Umgebung der Einzelbäume existieren, kann mit einer konsequent und regelmäßig geförderten Vogelbeere auch dem Nachhaltsumbau für die Gestaltung von zukünftigen Bestandesgenerationen gedient werden. Weiterhin kann sie als eine geeignete Baumart hinsichtlich der Gestaltung eines Risikomanagements nach Störungen und Katastrophen angesehen werden, da sie aufgrund ihrer Eigenschaften für eine rasche Wiederbewaldung sorgt. Vor dem Hintergrund eines prognostizierten Klimawandels stellt sie zudem mit ihrer standörtlichen Anspruchslosigkeit eine geeignete Mischbaumart für zukünftige Bestockungen dar. Die vorliegende Arbeit konnte zeigen, dass das Wuchspotential der Vogelbeere in bisherigen Untersuchungen und daraus resultierenden Erkenntnissen unterschätzt wurde. Konsequent gepflegte Vogelbeeren ohne Wildschäden existieren kaum und konnten somit kaum untersucht werden. An dieser Stelle besteht weiterer Forschungsbedarf, welcher auf längerfristigen Versuchsaufbauten basieren sollte. / The present work is part of the joint research program „Zukunftsorientierte Waldwirtschaft (1998-2003)“ which was funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF). The program acted on nationwide requests and formulated goals of federal forest administrations to convert artificial and instable conifer stands unsuited to the site and to significantly increase the portion of mixed populations. Besides economic goals the conversion measures primarily were to consider ecological needs. These were assured by scientific super-vision by the BMBF in respective focal programs. Rowan (Sorbus aucuparia L.) exhibits high climatic and habitational adoptability. Therefore, it is a major secondary tree species in Europe’s average mountain ranges both in natural and artificial spruce forests. This work aimed to investigate how naturally seeded single tree admixtures of rowan can precociously be integrated into the management of young spruce stands. By rowan is viewed as a vital member of stand for a considerable part of the stand`s lifecycle in the sense of natural forest conversion, at least until its potential natural rejuvenation. The major goal in this approach was an ideal single tree development of rowan with respect to dimension, quality and, above all, its vitality. As a basis, the areal potential of young spruce stands aged up to 50 years in the mid altitudinal ranges containing naturally seeded single tree admixtures of rowan was determined by querying the forest inventory system database of the Federal Forest of Saxony (FESA). Selected stands were visited at random in the frame of a terrestrial inventory and found rowans were examined with respect to dimension, quality, vitality and damage. Furthermore, young spruce stands in the age of 16, 19, 26 and 32 years at sites of moderate trophic level at midaltitude of the Saxon forestry district Bärenfels were selected for a silvicultural experiment. In these stands single tree admixtures of rowans differing in sociological situation were supported by either no, moderate or strong thinning. Growth responses of different tree compartments of the examined rowans were analyzed in relation to the factors age, thinning variant and competition. For some measurements destructive removal of trees from the experimental design became necessary. In total, approx.700 ha of young spruce stands containing rowan as single tree admixtures in the overstorey or as additional tree species records were registered. The average percentage of mountain as in the overstorey was approx. 16 %. The terrestrial inventory demonstrated that very young stands with small plot sizes (up to 4 ha) exhibit the highest occurrence of rowan. Even though trees are mainly characterized by several secondary trunks here, straightshaped stems could be found in the majority of examined individuals. In older stands the percentage of constricted and bifurcated stems raised and sociological position of the rowan trees was increasingly determined as “dominated” and “repressed”. Recorded stripping damage was low in contrast to expectations. Notable stripping damage was only found in the two oldest age classes of spruce and was determined as low. The vitality assessment of the rowans using the tree species independent crown assessment method according to ROLOFF (2001) resulted predominantly in a weakened to substantially weakened vitality. Results of the silvicultural experiment demonstrated the growth reactions of rowan differ depending on the age class of spruces under investigation. The earlier crown release is initiated the stronger are the reactions of a single tree. Released trees considerably reacted by enhanced increment of relative diameter at breast height with the category of “moderate thinning” in direction showed highest values at the end of the observation period while this increment decreased with increasing age class of the spruces. Treering analysis of stem disks from removed individuals revealed that the enhanced rate of diameter growth decreased again after 3 vegetation periods. Vertical growth was not significantly influenced by the taken measures in any of the spruce age classes or competitive situations under investigation. Overall, all trees under investigation were characterized by high height to diameter ratios (mean of 138) with only rowans of age category 19 exhibiting relatively stable values below 100. Released rowans developed markedly expanded crown areas in all investigated ageclasses and a significantly elevated increment in crown diameter. Results of the total leaf biomass estimations revealed clear tendencies for rowans in the spruce age category 26. These prove the supported trees having developed more leaf biomass per individual as nonsupported. The number of fructifying trees rose from 41 % in 2001 to 81 % in 2003 whereas the sample size was reduced by 17 in 2003 by destructive sampling. A tendency of increased dry fruit mass per rowan berry depending on the release variant could be seen with stronger released trees producing more fruit mass than moderately released ones (p=0.029). For an average sample tree of approx. 5 cm breast height diameter a total hair root mass of approx. 202 g (R² = 0.30) and a maximum horizontal hair root distribution of approx. 8 m was determined. Highest mean portions of overall aboveground biomass of the trees were assigned to the stem compartment with percentages ranging from 67 to 86 % throughout all experimental variants. These were followed by the biomass portions of branches from the light crown (approx. 5.5 to 15.5 %). The leaf biomass accounts for a comparatively low proportion of the tree (between 3.1 und 12.4 % throughout all variants). The younger trees of spruce age category 16 had relatively high portions of leaf biomass as compared to trees of spruce age category 26. Altogether the strong release shifted the allocation pattern in favor of the branches biomass. Older trees developed less leaf biomass compared to stem biomass. Single tree admixtures of rowan can be considered ideal for ecological forest conversion, especially in young spruce stands. Rowan naturally adapts to these stands if a sufficient presence of fructifying, old trees is ensured. To preserve it as valuable temporal mixture, it has to make its way into forestry planting strategies for young spruce stands as an autonomous future tree by being receiving early and regular support. Associated wildlife management should as far as possible avoid damage of the trees endangering quality and vitality and by that preservation of rowans. From an ecological perspective the site, fauna and flora of pure spruce stands experience a revaluation through the presence of supported and therefore vital rowans. The released trees produce higher amounts of leaf biomass demonstrably leading to an amelioration of the humus layer and insects and mammals can profit from enhanced fructification rates. Furthermore, an increased underground root activity and related soil melioration is assumed. If suitable regeneration niches exist nearby the single trees, consequently and regularly supported rowans can as well serve sustainable conversion for the design of future generations of tree populations. Furthermore it can be considered a suitable tree species in view of the creation of a risk management plan following disturbances and catastrophes as its characteristics ensure fast reforestation. Against the background of a predicted climate change the rowan with its habitational modesty constitutes a suitable species for future stockings. The present work could demonstrate a clear underestimation of the growth potential of rowan in studies to date and their resulting conclusions. Consequently maintained rowans without damage caused by game do rarely exist and could therefore rarely be examined. Here, additional research is needed which should be based on longerterm experimental setups.

Cette thèse est une contribution à la fois expérimentale, théorique et numérique à l'étude des écoulements bidimensionnels de fluides complexes dans une conduite cylindrique présentant des singularités et dans une géométrie annulaire à cylindres excentrés. Le fluide utilisé est une solution de xanthane à différentes concentrations présentant un caractère non newtonien rhéofluidifiant. L'objectif principal de cette thèse est la caractérisation de l'influence des propriétés rhéofluidifiantes sur le comportement des zones de recirculation, en terme de morphologie, de positionnement et d'intensité, par l'utilisation et le développement de techniques de mesures non intrusives et performantes. La première méthode expérimentale utilisée une technique laser classique: la vélocimétrie par images de particules. La seconde technique mise en oeuvre est une méthode originale: la vélocimétrie par imagerie par résonance magnétique. Elle est utilisée pour la première fois au laboratoire pour la mesure de champ de vitesse d'écoulement de fluides complexes en conduite cylindrique, représentant l'intérêt majeur de cette thèse. La première partie de notre travail consiste en une description rhéologique complète de nos fluides modèles avec la détermination de leur loi de comportement et la mise en évidence de leurs propriétés viscoélastiques, par ailleurs négligeables. Par la suite les mesures de champ de vitesse des écoulements bidimensionnels étudiés et la représentation des lignes de courant montrent que les propriétés rhéofluidifiantes influencent très fortement la structure et la morphologie de ces écoulements et le comportement des zones de recirculation. Par une étude fine nous observons qu'il existe une compétition entre les effets d'inertie et les effets rhéofluidifiants induisant un champ de contrainte variable qui modifie le positionnement et la taille de la zone de recirculation. Nous montrons également que l'augmentation du caractère rhéofluidifiant affaiblit son intensité de la zone de recirculation. Enfin, des simulations numériques utilisant la loi de comportement macroscopique déterminée par rhéométrie classique ont été réalisées avec le logiciel Fluent. Une bonne concordance est observée entre les résultats de ces simulations numériques et les expérimentaux. Cette comparaison permet ainsi de valider le code de calcul et la loi de comportement, utilisée pour les simulations numériques au travers de sa modélisation suivant la loi de Cross, pour les écoulements considérés / This thesis is an experimental and numerical study of structured fluids bidimensional flows in a cylindrical pipe with singularity and in an annular geometry with eccentric cylinders. The objective of this thesis is to characterize the influence of the shear thinning properties on the recirculation zones by using efficient and non-intrusive techniques: particle image velocimetry and velocimetry by nuclear magnetic resonance imaging. Materials are xanthane solutions at different concentrations. In the first part, we determine the rheological and viscoelastic properties of the fluids used. The second part concerns the measured velocity field. It is shown that the shear thinning behavior have a strongly influence on the structure and the morphology of these flows and the pattern of the recirculation zones. Simultaneously, numerical simulations performed by Fluent and using the rheological behavior. A good concordance is observed between the experimental and numerical results. For the flows considered here, this comparison allows to validate the computational code and the behavior law used in the numerical simulations and modelling by a Cross model

AD is regarded as a sustainable technology that could assist the UK Government meet internationally agreed GHG emission targets by 2050. However, the mature status of the technology is based on expensive systems that rely on high energy feedstock to be profitable. Meanwhile, the natural biodegradation of cow slurry is a recognised contributor to climate change despite having a relatively low CH4 potential because of the large volumes produced. Economic mixing is essential to the cost-effectiveness of farm AD but techniques applied are not always appropriate as slurry is a shear thinning thixotropic Herschel-Bulkley fluid and therefore challenging to mix. The apparent viscosity of slurry and the shear stress induced was most influenced by solids content (exponential change) followed by temperature (linear). Most shear thinning occurred before a rising shear rate of 20s-1 was achieved with the fluid acting near-Newtonian above. Thixotropic recovery occurred within 1 hour of resting. Rheological values were also much higher than previously reported. Highest CH4 production occurred in the first 10 days of the batch process using a range of mixing regimes with different shear rates and rest periods. During fed-batch operations, changing shear rate had a minimal effect on CH4 production using a 30-day HRT whereas shorter rest periods increased production. Specific CH4 production rate was highest when feeding and mixing coincided. However, when HRT was reduced (OLR increased) the CH4 produced by all mixed regimes significantly increased with highest values being achieved using high intensity mixing rested for short periods. Lower HRTs also requires smaller digesters. Parasitic mixing energy invariably had the most influence on net energy production. Signs of instability were evident after 20 days using the low HRT. Significant microbial adaptation was also observed as the experiments progressed. The research outcomes demonstrate that mixing regime and HRT can be managed to maximise net energy production whilst reducing capital expenditure.

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Made available in DSpace on 2016-12-08T16:24:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PGCA13MA094.pdf: 3484558 bytes, checksum: 4cd098df0840598b9d19fbbc52ff65cb (MD5) Previous issue date: 2013-03-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In regions with subtropical climates the use of grasses intercropping, mainly oats and ryegrass is a common practice, but the advantages and disadvantages of the intercrop in relation the pure culture are little studied. The aim of this work was to evaluate the production and persistence of black oat and ryegrass swards grown pure or intercropping throughout the period of use. The three treatments were randomly distributed into a complete blocks design with four replicates. The pre-grazing sward heights were 23, 20 and 17 cm for the oat, intercrop and ryegrass treatments, respectively. The post-grazing sward heights were 40% lower than their initial heights. Morphogenesis was performed using the technique of marked tillers and dynamic and tiller population density (TPD) was determined with three 10-cmdiameter PVC rings per paddock. The treatments did not differ in the final length of intact leaf, being the October month with the lowest values (approximately 48% lower). The phyllochron was not affected by the form of cultivation, but the values were increasing with the advance of the growing season. The leaf elongation rate decreased over the months, with a mean value of 0.14 cm / perfilhos.graus-day for all treatments. The advance of the growing season resulted in increases stem elongation rates, with the species in the intercrop having smaller increments in the final months. In general, rates of senescence reduced with the advance of months, and the intercrop increased tissue death of ryegrass. The intercrop TPD remained constant until October, inverting the participation of species in August. Of the tillers existing on the last grazing cycle, approximately 0, 40 and 20% were first generation of the oats, ryegrass and intercrop, respectively. Thus, despite of ryegrass pure have the lowest rate of tillering, it have the same rate of population stability of the intercrop. The pure ryegrass had the highest average net accumulation rates by offering smaller forage losses by senescence. Tiller size/density compensation was observed in the three plant communities (treatments) according to the self-thinning rule. In addition, no relationships were found when each species was analysed individually in the intercrop treatment. For the species tested the developmental stage of sward has greater influence on the morphogenesis and structural characteristics than cultivation form. The morphological similarity of oats and ryegrass enables evaluated traits similar in both forms of cultivation. When intercropping the temperate climate grasses under rotational grazing, size/density compensation mechanisms occurred throughout the grazing cycles and in the plant communities the same form of the pure cultivation to maintain the leaf area index and production capacities of the pastures / Em regiões de clima subtropical a utilização de gramíneas em consórcio, principalmente aveia e azevém, é uma prática comum, porém as vantagens e desvantagens do consórcio em relação ao cultivo puro são pouco estudadas. Objetivou-se avaliar a produção e a longevidade de pastos de aveia-preta e azevém anual cultivados puros ou em consórcio ao longo de todo o período de utilização. Os três tratamentos foram distribuídos em blocos completos casualizados com quatro repetições, tendo cada unidade experimental 98 m2. As alturas em pré-pastejo foram 23, 20 e 17 cm para a aveia, o consórcio e o azevém, respectivamente, sendo rebaixados em 40% destas alturas. A morfogênese foi realizada por meio da técnica de perfilhos marcados e a dinâmica e densidade populacional de perfilhos (DPP) em três anéis de PVC com 10 cm de diâmetro por piquete. Os tratamentos não diferiram quanto ao comprimento final de folha intacta, ficando o mês de outubro com os menores valores (aproximadamente 48% menor). Não houve efeito da forma de cultivo para os valores de filocrono, porém os valores foram crescentes com o avanço da estação de crescimento. A taxa de alongamento foliar reduziu com o passar dos meses, com valor médio de 0,14 cm/perfilho.grau-dia para todos os tratamentos. O avanço da estação de crescimento resultou em incrementos nas taxas de alongamento de colmos, com as espécies no consórcio apresentando menores incrementos nos meses finais. De maneira geral, as taxas de senescência foliar reduziram com o avanço dos meses, sendo que o consórcio aumentou a morte de tecidos do azevém. O consórcio manteve a DPP constante até outubro, apresentando uma inversão na participação das duas espécies em agosto. Dos perfilhos existentes no último ciclo de pastejo, aproximadamente 0, 40 e 20% eram da primeira geração no azevém, na aveia e no consórcio, respectivamente. Com isso, apesar de apresentar a menor taxa de aparecimento de perfilhos o azevém cultivado puro apresentou o mesmo índice de estabilidade populacional do consórcio. O azevém cultivado puro apresentou as maiores taxas de acúmulo líquido médio por apresentar as menores perdas de forragem por senescência. A compensação tamanho/densidade de perfilhos foi observada segundo a lei do auto-desbaste (self thinning rule) nos três tratamentos quando levados em conta todos os perfilhos da área, não sendo encontrada relação quando as espécies foram analisadas individualmente no consórcio. Para as espécies testadas o estádio de desenvolvimento dos pastos apresenta maior influência sobre as características morfogênicas e estruturais do que a forma de cultivo. A semelhança morfológica da aveia e do azevém possibilita características morfogênicas e estruturais parecidas em ambas as formas de cultivo. É sugestivo que em consórcios entre gramíneas de clima temperado sob lotação intermitente os mecanismos de compensação tamanho/densidade operem na comunidade de plantas e ao longo dos ciclos de pastejo da mesma forma que nos cultivos puros, mantendo elevado índice de área foliar e capacidade produtiva

Des changements de croissance ont été documentés pour le XXe siècle dans de nombreuses régions en Europe. Cependant une évaluation exhaustive des changements de productivité, à une large échelle géographique, avec une analyse de leur hétérogénéité spatiale et de la diversité interspécifique de la réponse fait encore défaut. L'objectif de cette thèse est d'évaluer les changements récents de la productivité forestière aux échelles nationale, régionale et locale en France, et de rechercher leurs causes environnementales, à partir d'une approche de modélisation statistique de l'accroissement en surface terrière du peuplement (∆G) et d'indicateurs environnementaux. Nous avons utilisé les données de l'inventaire forestier national français pour 8 espèces dont la niche écologique et la distribution diffèrent (Fagus sylvatica, Quercus robur, Quercus petraea, Quercus pubescens, Picea abies, Abies alba, Pinus sylvestris and Pinus halepensis), observées en peuplements purs et réguliers. Nous présentons les facteurs ayant un effet sur la productivité des différentes espèces à l'échelle nationale, ainsi que des cartes de productivité suggérant que l'aire de distribution des espèces n'est pas toujours limitée par les conditions environnementales. Entre 1980 et 2005, nous observons des tendances positives, modales ou non significatives de la productivité pour toutes les espèces à l'exception des deux espèces méditerranéennes dont la productivité a diminué, soulignant ainsi la variabilité interspécifique de ces changements. Nous observons également de fortes variations spatiales des changements de productivité, autant dans leur intensité que dans leur signe, aux échelles régionale et intra-régionale. Ces résultats remettent en question la pertinence d'une évaluation moyenne à large échelle et soulignent le caractère contextuel des estimations. Nous mettons en évidence le rôle du réchauffement climatique récent dans les tendances observées. Ce travail fournit une évaluation plurispécifique et multi-échelle de la réaction de la productivité des espèces arborées à un environnement changeant. Nous avons souligné le caractère spécifique des changements de productivité et leur caractère contextuel, du fait de différences dans l'autécologie des espèces et de variations spatiales des facteurs limitants. Une étude approfondie de l'effet des facteurs environnementaux et de leurs interactions complexes est nécessaire pour la prédiction de la productivité future des espèces. / Growth trends have been reported in many regions of Europe over the twentieth century. However, an integrated assessment of productivity changes, including focus on a wide geographical scale, analysis of spatial heterogeneity, and the inter-specific diversity of growth responses is still lacking. The aim of this Ph.D work was to assess recent changes in forest productivity on a national, regional and local scale in France, and to investigate their potential environmental causes, based on statistical modeling approaches of stand basal area increment (BAI), and environmental indicators. We used the French NFI data for 8 species of contrasted ecological niches and distributions (Fagus sylvatica, Quercus robur, Quercus petraea, Quercus pubescens, Picea abies, Abies alba, Pinus sylvestris and Pinus halepensis), taken in pure and even-aged stands. We identified the main factors influencing tree species productivity on a national scale, and produced productivity maps suggesting that species distribution ranges are not always limited by environmental conditions. Between 1980 and 2005, the productivity trends reported were positive, modal or non-significant for all species, except the two Mediterranean species for which productivity decreased, highlighting inter-specific differences in these changes. We observed strong variations of productivity changes, both in intensity and sign, on a regional and intra-regional scale. These results question the relevance of wide-scale average assessments and highlight their context-dependence. The role of recent climatic warming in featuring the BAI trends was highlighted. This work provides an enriched scale- and species-dependent assessment of tree species reaction to a changing environment. We emphasized the species- and context dependence of productivity changes, due to differences in species autecology and spatial variations in the limiting factors. Further focus on the effect of environmental factors and their complex interactions is needed for the prediction of species future productivity.

Die vorliegende Arbeit konnte im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojektes „Zukunftsorientierte Waldwirtschaft (1998-2003)“ erstellt werden. Dieses Vorhaben hat die bundesweiten Forderungen und Zielvorstellungen der Landesforstverwaltungen aufgegriffen, die nicht standortsgemäßen, naturfernen und instabilen Nadelbaumreinbestände umzubauen und den Anteil an Mischbeständen in den Forstbetrieben deutlich zu erhöhen. Neben ökonomischen Zielen sollte der Waldumbau vor allem auch ökologische Belange berücksichtigen. Dies wurde durch entsprechende Forschungsschwerpunkte vom BMBF wissenschaftlich begleitet. Die Vogelbeere (Gemeine Eberesche, Sorbus aucuparia L.) ist aufgrund ihrer hohen klimatischen und standörtlichen Anpassungsfähigkeit in den Mittelgebirgslagen Europas eine der häufigsten Nebenbaumarten in Fichtenwaldgesellschaften und künstlichen Fichtenforsten. Mit der vorliegenden Arbeit sollte geprüft werden, wie einzelbaumweise eingemischte Vogelbeeren, welche sich natürlich angesamt haben, frühzeitig in die Behandlung von Fichtenjungbeständen einbezogen werden können. Die Vogelbeere wird somit für eine erhebliche Dauer des Bestandeslebens – mindestens aber bis zum Zeitpunkt ihrer möglichen natürlichen Verjüngung – als ein vitales Bestandesglied im Sinne eines ökologischen Waldumbauverfahrens angesehen. Ziel war dabei die optimale Einzelbaumentwicklung der Vogelbeere hinsichtlich ihrer Dimension und Qualität, vor allem aber ihrer Vitalität. Grundlegend ist durch eine Abfrage in der Forsteinrichtungsdatenbank (FESA) für den Landeswald Sachsens das Flächenpotential an Fichtenjungbeständen bis zum Alter 50 Jahre in den mittleren Lagen erfasst worden, in denen natürlich angesamte und einzelbaumweise eingemischte Vogelbeeren vorkommen. Mit Hilfe einer terrestrischen Inventur wurden die ausgewählten Bestände stichprobenartig aufgesucht und dabei die vorkommenden Vogelbeeren hinsichtlich Dimension, Qualität, Vitalität und Schäden untersucht. Für ein waldbauliches Experiment sind weiterhin Fichtenjungbestände im Alter 16, 19, 26 und 32 Jahre auf Standorten mäßiger Trophie in den mittleren Lagen des sächsischen Forstbezirkes Bärenfels ausgewählt worden. In diesen Beständen wurden einzelbaumweise eingemischte Vogelbeeren unterschiedlicher soziologischer Stellung in den drei Varianten „keine“, „mäßige“ und „starke“ Freistellung gefördert. Die Zuwachsreaktionen verschiedener Baumkompartimente der untersuchten Vogelbeeren wurden in Abhängigkeit der Faktoren Alter, Freistellungsvariante und Konkurrenzsituation analysiert. Für einige Messungen war es notwendig dem Versuchsdesign auch Bäume destruktiv zu entnehmen. Insgesamt wurden ca. 700 ha Fichtenjungbestände erfasst, in denen die Vogelbeere einzelbaumweise in den Oberstand eingemischt war oder als weitere Baumart erwähnt wurde. Das durchschnittliche Mischprozent der Vogelbeere im Oberstand betrug ca. 16%. Die terrestrische Inventur zeigte, dass in den sehr jungen und kleinflächigen Beständen (mit bis zu 4 ha Größe) das Vorkommen der der Vogelbeeren am höchsten ist. Die Bäume sind dort zwar vor allem durch Mehrstämmigkeit (Garbenwuchs) gekennzeichnet, dennoch konnte bei den untersuchten Bäumen überwiegend eine gerade Stammform angesprochen werden. In den älteren Beständen stieg dann der Anteil der einschnürigen Stämme und Gabelungszwiesel, und zunehmend wurde die soziologische Stellung als „beherrscht“ und „unterdrückt“ für die Vogelbeeren angesprochen. Die erfassten Schälschäden fielen entgegen den Erwartungen vergleichsweise gering aus. Merkliche Schälschäden wurden erst in den beiden ältesten Fichtenaltersklassen angesprochen und diese nur als gering eingestuft. Die Einschätzung der Vitalität der Vogelbeeren mit Hilfe des baumartenunabhängigen Kronenanspracheschlüssels nach ROLOFF (2001) ergab in allen betrachteten Fichtenaltersklassen überwiegend eine geschwächte bis merklich geschwächte Vitalität. Die Ergebnisse des waldbaulichen Experimentes zeigten, dass die Wachstumsreaktionen der Vogelbeeren je nach betrachteter Fichtenaltersstufe unterschiedlich sind. Je früher eine Förderung erfolgt, umso stärker sind die Reaktionen des Einzelbaumes. Die freigestellten Bäume reagierten deutlich mit gesteigertem relativem BHD-Zuwachs, wobei die Kategorie „mäßige Freistellung“ am Ende der Beobachtungsperiode tendenziell die höchsten Werte besaß und dieser Zuwachs mit zunehmender Fichtenaltersstufe abnahm. Jahrringanalysen an Stammscheiben von entnommenen Probebäumen zeigten, dass die gesteigerte Zuwachsrate des Dickenwachstums nach 3 Vegetationsperioden wieder nachlässt. Das Höhenwachstum wurde in jeder beobachteten Fichtenaltersstufe und Konkurrenzsituation nicht signifikant durch die angewendeten Maßnahmen beeinflusst. Insgesamt zeichneten sich alle Probebäume durch hohe HD-Werte (im Mittel 138) aus, nur die Vogelbeeren der Fichtenaltersstufe 19 besaßen vergleichsweise stabile Werte unter 100. Die freigestellten Vogelbeeren entwickelten in allen betrachteten Altersstufen deutlich erweiterte Kronenschirmflächen und einen signifikanten Kronenradiuszuwachs. Die Ergebnisse der Gesamtblattmasseschätzungen zeigten für Vogelbeeren der Fichtenaltersstufe 26 deutliche Tendenzen, die belegen, dass geförderte Bäume mehr Blattmasse pro Baum ausgebildet haben als nicht geförderte Bäume. Die Anzahl der fruktifizierenden Bäume stieg von 41 % im Jahr 2001 auf 81 % im Jahr 2003, wobei die Stichprobe im Jahr 2003 um 17 Bäume durch destruktive Beprobungen reduziert gewesen ist. Es zeichnete sich ein Trend zum Anstieg der Fruchttrockenmasse je Vogelbeere in Abhängigkeit von der Freistellungsvariante ab, wobei stärker freigestellte Bäume mehr Fruchtmasse produzierten, als mäßig freigestellte Bäume (p = 0,029). Für einen mittleren Probebaum von ca. 5 cm BHD wurde eine Gesamtfeinwurzelmasse von ca. 202 g (R² = 0,30) und eine maximale horizontale Feinwurzelausbreitung von etwa 8 m ermittelt. Die höchsten mittleren Biomasseanteile an der gesamten oberirdischen Biomasse der Bäume hatte jeweils das Kompartiment „Stamm“, mit Anteilen zwischen 67 und 86 % über alle betrachteten Versuchsvarianten. Darauf folgen bei fast allen Versuchsvarianten die Biomasseanteile der Äste aus der Lichtkrone (ca. 5,5 bis 15,5 %). Die Blattbiomasse nimmt am Gesamtbaum einen verhältnismäßig geringen Anteil ein (zwischen 3,1 und 12,4 % über alle Varianten). Die jüngeren Bäume der Fichtenaltersstufe 16 hatten über alle Versuchsvarianten verhältnismäßig hohe Blattmasseanteile im Vergleich zu den Bäumen der Fichtenaltersstufe 26. Insgesamt hat die starke Freistellung tendenziell das Allokationsverhältnis zugunsten der Astbiomasse verschoben. Die älteren Bäume bildeten weniger Blattbiomasse im Vergleich zur Stammbiomasse. Einzelbaumweise eingemischte Vogelbeeren können als ideale Mischbaumart für einen ökologischen Waldumbau, speziell in jungen Fichtenreinbeständen, angesehen werden. Die Vogelbeere findet sich auf natürlichem Wege in diesen Beständen ein, wenn eine ausreichende Präsenz an fruktifizierenden Altbäumen gewährleistet ist. Um sie als wertvolle Zeitmischung zu erhalten, muss sie aber als eigenständiger Z-Baum Eingang in die Waldbaustrategien der Fichtenjungbestände finden, indem sie frühzeitig und regelmäßig gefördert wird. Ein passendes Wildmanagement sollte dabei Schäden an den Bäumen weitestgehend vermeiden, welche die Qualität und Vitalität, und somit den Erhalt der Vogelbeeren, nachweislich gefährden. Aus ökologischem Blickwinkel erfahren Standort, Fauna und Flora der Fichtenreinbestände durch die Präsenz geförderter und somit vitaler Vogelbeeren eine Aufwertung. Die freigestellten Bäume produzieren höhere Blattbiomassen, die nachweislich zu einer Verbesserung der Humusauflage führen, und von gesteigerten Fruktifikationsraten können Insekten und Säugetiere profitieren. Eine erhöhte unterirdische Wurzelaktivität und entsprechende Bodenmelioration wird zudem angenommen. Wenn geeignete Verjüngungsnischen in näherer Umgebung der Einzelbäume existieren, kann mit einer konsequent und regelmäßig geförderten Vogelbeere auch dem Nachhaltsumbau für die Gestaltung von zukünftigen Bestandesgenerationen gedient werden. Weiterhin kann sie als eine geeignete Baumart hinsichtlich der Gestaltung eines Risikomanagements nach Störungen und Katastrophen angesehen werden, da sie aufgrund ihrer Eigenschaften für eine rasche Wiederbewaldung sorgt. Vor dem Hintergrund eines prognostizierten Klimawandels stellt sie zudem mit ihrer standörtlichen Anspruchslosigkeit eine geeignete Mischbaumart für zukünftige Bestockungen dar. Die vorliegende Arbeit konnte zeigen, dass das Wuchspotential der Vogelbeere in bisherigen Untersuchungen und daraus resultierenden Erkenntnissen unterschätzt wurde. Konsequent gepflegte Vogelbeeren ohne Wildschäden existieren kaum und konnten somit kaum untersucht werden. An dieser Stelle besteht weiterer Forschungsbedarf, welcher auf längerfristigen Versuchsaufbauten basieren sollte. / The present work is part of the joint research program „Zukunftsorientierte Waldwirtschaft (1998-2003)“ which was funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF). The program acted on nationwide requests and formulated goals of federal forest administrations to convert artificial and instable conifer stands unsuited to the site and to significantly increase the portion of mixed populations. Besides economic goals the conversion measures primarily were to consider ecological needs. These were assured by scientific super-vision by the BMBF in respective focal programs. Rowan (Sorbus aucuparia L.) exhibits high climatic and habitational adoptability. Therefore, it is a major secondary tree species in Europe’s average mountain ranges both in natural and artificial spruce forests. This work aimed to investigate how naturally seeded single tree admixtures of rowan can precociously be integrated into the management of young spruce stands. By rowan is viewed as a vital member of stand for a considerable part of the stand`s lifecycle in the sense of natural forest conversion, at least until its potential natural rejuvenation. The major goal in this approach was an ideal single tree development of rowan with respect to dimension, quality and, above all, its vitality. As a basis, the areal potential of young spruce stands aged up to 50 years in the mid altitudinal ranges containing naturally seeded single tree admixtures of rowan was determined by querying the forest inventory system database of the Federal Forest of Saxony (FESA). Selected stands were visited at random in the frame of a terrestrial inventory and found rowans were examined with respect to dimension, quality, vitality and damage. Furthermore, young spruce stands in the age of 16, 19, 26 and 32 years at sites of moderate trophic level at midaltitude of the Saxon forestry district Bärenfels were selected for a silvicultural experiment. In these stands single tree admixtures of rowans differing in sociological situation were supported by either no, moderate or strong thinning. Growth responses of different tree compartments of the examined rowans were analyzed in relation to the factors age, thinning variant and competition. For some measurements destructive removal of trees from the experimental design became necessary. In total, approx.700 ha of young spruce stands containing rowan as single tree admixtures in the overstorey or as additional tree species records were registered. The average percentage of mountain as in the overstorey was approx. 16 %. The terrestrial inventory demonstrated that very young stands with small plot sizes (up to 4 ha) exhibit the highest occurrence of rowan. Even though trees are mainly characterized by several secondary trunks here, straightshaped stems could be found in the majority of examined individuals. In older stands the percentage of constricted and bifurcated stems raised and sociological position of the rowan trees was increasingly determined as “dominated” and “repressed”. Recorded stripping damage was low in contrast to expectations. Notable stripping damage was only found in the two oldest age classes of spruce and was determined as low. The vitality assessment of the rowans using the tree species independent crown assessment method according to ROLOFF (2001) resulted predominantly in a weakened to substantially weakened vitality. Results of the silvicultural experiment demonstrated the growth reactions of rowan differ depending on the age class of spruces under investigation. The earlier crown release is initiated the stronger are the reactions of a single tree. Released trees considerably reacted by enhanced increment of relative diameter at breast height with the category of “moderate thinning” in direction showed highest values at the end of the observation period while this increment decreased with increasing age class of the spruces. Treering analysis of stem disks from removed individuals revealed that the enhanced rate of diameter growth decreased again after 3 vegetation periods. Vertical growth was not significantly influenced by the taken measures in any of the spruce age classes or competitive situations under investigation. Overall, all trees under investigation were characterized by high height to diameter ratios (mean of 138) with only rowans of age category 19 exhibiting relatively stable values below 100. Released rowans developed markedly expanded crown areas in all investigated ageclasses and a significantly elevated increment in crown diameter. Results of the total leaf biomass estimations revealed clear tendencies for rowans in the spruce age category 26. These prove the supported trees having developed more leaf biomass per individual as nonsupported. The number of fructifying trees rose from 41 % in 2001 to 81 % in 2003 whereas the sample size was reduced by 17 in 2003 by destructive sampling. A tendency of increased dry fruit mass per rowan berry depending on the release variant could be seen with stronger released trees producing more fruit mass than moderately released ones (p=0.029). For an average sample tree of approx. 5 cm breast height diameter a total hair root mass of approx. 202 g (R² = 0.30) and a maximum horizontal hair root distribution of approx. 8 m was determined. Highest mean portions of overall aboveground biomass of the trees were assigned to the stem compartment with percentages ranging from 67 to 86 % throughout all experimental variants. These were followed by the biomass portions of branches from the light crown (approx. 5.5 to 15.5 %). The leaf biomass accounts for a comparatively low proportion of the tree (between 3.1 und 12.4 % throughout all variants). The younger trees of spruce age category 16 had relatively high portions of leaf biomass as compared to trees of spruce age category 26. Altogether the strong release shifted the allocation pattern in favor of the branches biomass. Older trees developed less leaf biomass compared to stem biomass. Single tree admixtures of rowan can be considered ideal for ecological forest conversion, especially in young spruce stands. Rowan naturally adapts to these stands if a sufficient presence of fructifying, old trees is ensured. To preserve it as valuable temporal mixture, it has to make its way into forestry planting strategies for young spruce stands as an autonomous future tree by being receiving early and regular support. Associated wildlife management should as far as possible avoid damage of the trees endangering quality and vitality and by that preservation of rowans. From an ecological perspective the site, fauna and flora of pure spruce stands experience a revaluation through the presence of supported and therefore vital rowans. The released trees produce higher amounts of leaf biomass demonstrably leading to an amelioration of the humus layer and insects and mammals can profit from enhanced fructification rates. Furthermore, an increased underground root activity and related soil melioration is assumed. If suitable regeneration niches exist nearby the single trees, consequently and regularly supported rowans can as well serve sustainable conversion for the design of future generations of tree populations. Furthermore it can be considered a suitable tree species in view of the creation of a risk management plan following disturbances and catastrophes as its characteristics ensure fast reforestation. Against the background of a predicted climate change the rowan with its habitational modesty constitutes a suitable species for future stockings. The present work could demonstrate a clear underestimation of the growth potential of rowan in studies to date and their resulting conclusions. Consequently maintained rowans without damage caused by game do rarely exist and could therefore rarely be examined. Here, additional research is needed which should be based on longerterm experimental setups.