Die Trauben-Eiche (Quercus petraea [MATT.] LIEBL.) ist ökologisch wie ökonomisch eine prägende Baumart im nordostdeutschen Tiefland. Seit längerer Zeit haben jedoch lokal bis regional drastische Vitalitätseinbußen zu Diskussionen um ihre Verwendbarkeit für den Wald der Zukunft geführt. Vor dem Hintergrund fortschreitender Veränderungen des Klimas stellen sich Fragen nach der Anpassungsfähigkeit der Baumart im Sinne der Überlebensfähigkeit, nach den Beziehungen zwischen Vitalitätszustand und Wuchsverhalten sowie nach möglichen Entwicklungstendenzen dieser Parameter. Die vorliegende Arbeit untersucht die Zusammenhänge zwischen Vitalität und Zuwachs sowie die Effekte der Witterung auf die Jahrringbreite als wesentlichem Vitalitätsindikator. Die retrospektive Analyse dieser Beziehungen dient dazu, das mögliche Verhalten des Witterungs-Zuwachs-Komplexes in der Zukunft abzuschätzen und damit die Risiken einer forstlichen Schwerpunktsetzung auf die Trauben-Eiche in Nordostdeutschland genauer zu fassen.
Die Untersuchungen fußen auf zwei Versuchsflächen-Sets. Die Kernflächen K1-K5 umfassen fünf Mischbestände aus Trauben-Eichen und Kiefern (Pinus sylvestris L.) entlang eines Gradienten von Sachsen-Anhalt bis Ostpolen im Altern von etwa 110-150 Jahren auf Standorten mittlerer Nährkraft und durchschnittlicher Wasserversorgung. Dieses Set wird erweitert durch 20 Zusatzflächen im Osten bis Süden des Landes Brandenburg, ebenfalls zum größten Teil in Mischbeständen mit Kiefer. Neben den ertragskundlichen Basisaufnahmen wurden auf den Versuchsflächen Bohrkerne an Stichproben des herrschenden Bestandes entnommen. Zu allen Flächen liegen die Angaben der forstlichen Standortkartierung über die Nährkraftstufe und die Wasserversorgung sowie Zeitreihen von Tagesmitteltemperaturen und Niederschlagstagessummen vor. Als Szenariodaten werden die Medianläufe des 2-Kelvin-Szenarios mit dem Regionalisierungsmodell STAR 2 auf Grundlage des SRES-A1B-Szenarios verwendet. Zur Einschätzung der Vitalität der Trauben-Eichen in den Untersuchungsbeständen wurde 2006-2011 der prozentuale Laubverlust im Sommerzustand nach dem Standard der Waldzustandserhebungen erfasst (EICHHORN et al. 2006). Parallel wurde der Kronenzustand im Winter nach dem Schema von KÖRVER et al. (1999) beurteilt.
Als Indikatoren für die Vitalität der Trauben-Eichen standen die Jahrringbreite und die Zuwachsrate ("Jahrringindex") im Mittelpunkt der Untersuchungen. Für die Zeitreihen der Jahrringbreite wurden die Parameter Autokorrelation und Sensitivität für die gesamte Zeitreihe sowie als gleitende Mittel hergeleitet und interpretiert. Im Programmpaket "CLIMTREG" (BECK et al. 2013) erfolgten anschließend die Trendeliminierung und die AR(1)-Modellierung zur Entfernung autokorrelativer Effekte aus den baumspezifischen Jahrringindex-Zeitreihen. Die Identifikation von Weiserjahren stützte sich auf die Verteilungsparameter Mittelwert und Standardabweichung der Einzelbaum-Jahrringindizes pro Jahr. Aus den individuellen Zeitreihen des Jahrringindexes wurde die mittlere bestandesbezogene Index-Zeitreihe (= Chronologie) errechnet. Zur Quantifizierung der Witterungs-Zuwachs-Beziehungen wurden die Analyse-Tools CLIMTREG (mit tagesgenauer Auflösung) sowie "bootRes" für R (monatliche Auflösung; ZANG & BIONDI 2012) verwendet, in die Daten der jeweils nächstliegenden Wetterstationen sowie Zeitreihen des mittleren Jahrringindexes eingesteuert wurden.
Die Auswertungen zeigten, dass sich im Untersuchungszeitraum 2006-2011 Belaubungsgrad und Kronenstruktur für die Mehrzahl der untersuchten Bäume deutlich verbessert haben. Mit dem relativen Kreisflächenzuwachs ist die Kronenstruktur (hochsignifikant) über alle Kernflächen hinweg straffer positiv korreliert als der Laubverlust (nicht signifikant). Bei gleichem BHD sind größere Kronenflächen sowohl mit besseren Kronenstrukturwerten als auch mit einem geringeren Laubverlust gekoppelt. Der jährliche Radialzuwachs nimmt im Mittel der Kernflächen seit mehreren Jahrzehnten zu. Auf den Zusatzflächen liegen die mittleren Jahrringbreiten etwa auf Ertragstafelniveau (ERTELD 1963). Die absolut und relativ höchsten Zuwächse 2006-2011 zeigten die polnischen Kernflächen. Die Korrelationen der Jahrringindizes (JRI) mit dem Niederschlag sind etwas straffer als mit der Temperatur, aber nur selten signifikant. Die für die Vegetationsperiode berechneten Korrelationskoeffizienten sind in keinem Fall höher als die für das Gesamtjahr ermittelten.
Bei der Prüfung dendroklimatologischer Zusammenhänge auf Monatsebene mit bootRes zeigen die Flächen K1 und K3 ein ähnliches Bild: Höhere Jahrringindizes sind mit überdurchschnittlichen Niederschlägen vor allem in den Wintermonaten sowie im Spätsommer bis Frühherbst des Wuchsjahres gekoppelt. Auf den übrigen Kernflächen sind die Zusammenhänge im Vergleich weniger straff. Zwischen herrschendem und beherrschtem Bestand gibt es kaum Unterschiede in der Reaktion des Jahrringindex auf die Witterung. Die Beziehungen zu den Mitteltemperaturen sind etwas schwächer ausgeprägt. Auf allen Flächen sind vorrangig kühle Spätfrühlings- und Frühsommermonate mit überdurchschnittlichen Jahrringindizes verbunden. Analysen durch moving windows zeigen für einige Flächen im Lauf der Zeit zunehmende Korrelationen zwischen Witterung und Jahrringindex. In Zusammenfassung aller Flächen ergeben sich für die zweite Hälfte der Untersuchungsperiode deutlich mehr signifikante Zusammenhänge als in der ersten.
Nach den Auswertungen mit CLIMTREG führen fast überall hohe Niederschläge bei niedrigen Temperaturen im Hochsommer des Vorjahres zu überdurchschnittlichen Zuwachsraten. Außerdem fördern erhöhte Niederschlagsmengen von Ende November bis in den Februar, zum Teil auch höhere Temperaturen, die Jahrringbildung. Das dritte auffällige Intervall ist die Zeit von Anfang April bis Mitte Juli mit höheren Zuwachsraten bei niedrigen Temperaturen und überdurchschnittlichen Niederschlägen. Die Modellierung von Jahrringindex-Zeitreihen für den Szenariozeitraum 2001-2055 auf Basis unterschiedlicher Kalibrierungszeiträume ergibt in den meisten Fällen die höchsten mittleren Jahrringindizes (JRI) für das mit der zweiten Hälfte des Gesamtuntersuchungsintervalls 1951-2006 parametrisierte Modell. Im Vergleich unterschiedlicher Kalibrierungszeiträume verändern die von CLIMTREG identifizierten zuwachswirksamen Zeiträume in der Regel weder ihre Lage noch ihre Länge in wesentlichem Ausmaß. Auffällig ist jedoch, dass die Richtung der Zusammenhänge in der jüngeren Vergangenheit uneinheitlicher wird.
Auf Basis der Untersuchungsergebnisse leitet die Studie Chancen und Risiken ab, die für die Trauben-Eiche unter dem Einfluss des genutzten Witterungsszenarios im Untersuchungsgebiet maßgeblich sind. Die Handlungsoptionen zum Stärken der Anpassungsfähigkeit umfassen im Wesentlichen die Steuerung der negativen und positiven Einflüsse, die dem menschlichen Einfluss zugänglich sind. Dazu gehört die Förderung der individuellen Vitalität und Elastizität durch optimal entwickelte Kronen und Wurzelsysteme. Die Mischung mit anderen Baumarten steigert die Bestandesstabilität, wobei die relative Konkurrenzschwäche der Eiche zu berücksichtigen ist.
Verjüngungsmaßnahmen sollten auf die Erhaltung und Steigerung der genetischen Vielfalt ausgerichtet sein und Individuen mit überdurchschnittlicher Vitalität besonders fördern. Die Konkurrenz um Wasser kann – unter Beachtung des Risikos zusätzlicher Verdunstung –durch geringere Bestandesdichten reduziert werden. Die größten Erfolgsaussichten für diese Aktivitäten bestehen auf Standorten höherer Wasserspeicherkapazität und Nährkraft. Ein angepasstes Monitoring sollte Bedrohungen zum Beispiel durch Insektenmassenvermehrungen rechtzeitig erkennen, gegen die alle Bekämpfungsmöglichkeiten auszuschöpfen sind. Auf gesellschaftlicher Ebene ist eine umfassende Diskussion zu den Zielen und Methoden der Waldbewirtschaftung zu führen, um eine höhere Wertschätzung und Langfristigkeit gezielter Eichenförderung zu erreichen. / Sessile oak (Quercus petraea [MATT.] LIEBL.) is an important tree species in the northeastern lowlands of Germany. The widespread introduction of the species into mature Scots pine (Pinus sylvestris L.) stands as a means of ecological forest conversion has further enhanced its relevance in forest science and management. For a few decades, however, increasing numbers of trees and stands showing a severe decline in vitality have led to critical discussions on the possible role of oaks in today's forest development strategies. The adaptive capacity of Sessile oak will be further challenged by climate change in the future. In this context, more information is needed on the relations between the vitality status and growth, including the development of these relations in the next decades. Thus, the study investigates the dependencies between annual radial increment in Quercus petraea (measured as tree-ring width, TRW) and individual-tree vitality as well as the effects of climatic variables on TRW on different temporal scales.
Investigations were carried out using two sets of trial plots. The core plot sequence K1-K5 comprises five mature mixed stands of Sessile oak with Scots pine along a gradient from Saxony-Anhalt to eastern Poland. Trees are 110-150 years old and grow on sandy and partly podsolic cambisols with average water supply. A set of 20 additional plots was established in mixed oak-pine stands in Brandenburg. In addition to growth and yield data for the whole plot, increment cores were extracted from a representative sample of 20 trees per plot. Time series data of local daily mean temperatures and daily precipitation sum were provided by the Potsdam-Institute for Climate Impact Research. Data for 2007-2060 come from the median scenario of the regional climate model "STAR 2" based on the SRES-scenario A1B and assumes an increase in temperature of two Kelvin until 2060. Individual vitality was recorded from 2006 to 2011on the core plots (i) according to the European standard method for the assessment of crown condition based on defoliation percentages in summer (EICHHORN et al. 2006) and (ii) following the approach by KÖRVER et al. (1999) for crown structure classification in winter. Both methods were applied to all dominant and co-dominant oaks in the five subsequent years. Trees on the additional plots were assessed only once.
Because they are regarded a reliable indicator of tree vitality, annual radial increment as expressed in tree-ring width (TRW) and the resulting growth rate (tree-ring index) are at the center of the analyses. For TRW time series the parameters autocorrelation and sensitivity were calculated both for the whole investigation period and as floating means ("moving windows"). The program "CLIMTREG" (BECK et al. 2013) was applied to eliminate long-term trends in individual TRW series by means of cubic spline functions and to minimize auto-correlation within the resulting TRI time series. Pointer years were identified on the basis of the mean and standard deviation of annual TRI distributions. Plot-specific "chronologies" were calculated as arithmetic means of all "typical" tree-specific TRI series per plot. To analyze the relations between climate and growth, the programs CLIMTREG (for daily climate data resolution) and "bootRes" for R (monthly resolution; ZANG & BIONDI 2012) were applied to local climate data and the TRI chronologies.
The repeated assessments show that during the interval 2006-2011 crown condition as expressed in summer foliage as well as in crown structure has improved considerably. Crown structure values are correlated more closely to individual basal area increment than defoliation percentages. At the same DBH, trees with larger crowns exhibit a significantly better crown structure and less defoliation. Annual radial increment has been increasing on the core plots over the past decades, thus the increment level of the dominant trees is on average slightly higher than that of the first yield class in the table by ERTELD (1963). On the additional plots, mean TRW is parallel to yield table values but shows a slowly decreasing trend in a number of stands. The two core plots in Poland exhibited the highest radial increments 2006-2011, both absolutely and relatively. On the annual level, TRI time series are correlated more closely to precipitation sums than to annual mean temperatures. Except for one of the additional plots, the respective correlation coefficients are statistically insignificant. Correlations did not increase when climate parameters were calculated exclusively for the vegetation period instead of the whole year.
According to dendroclimatological analyses on the monthly scale with bootRes, trees on core plots K1 and K3 respond almost similarly to climatic influences: High TRI values are related to above-average precipitation mainly during the winter months, as well as in late summer and early fall of the year of growth. On the other core plots, dependencies are less clear. The relations of TRI to monthly temperature are weaker than those to precipitation with the same ranking of plots regarding their sensitivity. The most favorable influence on TRI is exerted by cool spring to early summer months in the year of growth. Correlation patterns are very similar for both dominant and suppressed trees. Separate analyses of the first and the last half of the investigated interval show that the strength of correlations between TRI and climatic variables has been increasing over the past decades. When summarized over all plots, there were distinctly more significant correlation coefficients in the period from 1984-2006 than from 1951-1983.
The analyses using CLIMTREG showed that high summer precipitation in the preceding year clearly promotes above-average TRI values. Another conspicuous climate-influenced time period ranges from late November to February with positive correlations both to precipitation and to temperature (at least partly). The third important period for TRI in most trees on the core plots starts in early April and lasts until Mid-July. During this time, high TRI values are correlated with low temperatures and high precipitation. For most of the plots, the average modeled TRI is higher if the second half of the data interval 1951-2006 is used for calibration rather than the entire interval or its first half. The results of the models based on different calibration periods do not differ very much in terms of the identified variables (i.e. length of influential period and type of climatic parameter). However, the direction of correlations becomes more variable in the more recent past.
The results of this study are summarized in a number of risks and opportunities regarding future vitality and growth of Sessile oak under regional conditions. Finally, several options of silvicultural management to support vitality and growth of the species are recommended. These consist basically in promoting favorable conditions and limiting negative influences. A large crown with dense foliage and a well-developed root system are crucial conditions for individual vitality which should be strengthened for instance by reducing stand densities at an early age. Mixed stands have a higher stability towards disturbances and provide more diverse habitats for natural antagonists against defoliators. The relatively weak competitiveness of oaks should be taken into account when advocating mixed stands. Regeneration activities should enhance genetic diversity, promote phenotypes with above-average vitality, and accelerate the adaptation of the species by "assisted migration" of drought-tolerant provenances. Competition for water may be eased by lower stand densities. However, the canopy should be kept sufficiently closed to prevent excessive growth of ground vegetation or increased evapotranspiration. An adapted system to monitor forest growth and vitality should be used to technically assist the species in counteracting major insect outbreaks and other severe biotic risks as early as possible. On a more general level, productive discussions are needed between all stakeholders, interest groups, and the public on the social and political role of forests and the required level of management. This should lead to a stable social and political appreciation of forestry and provide the resources and staff necessary to cope with an uncertain future.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:27393 |
| Date | 02 December 2013 |
| Creators | Schröder, Jens |
| Contributors | Röhle, Heinz, Kätzel, Ralf, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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