Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, wie der Buchen-Voranbau als Regelverfahren des Waldumbaus von Fichtenreinbeständen angelegt und bewirtschaftet werden soll, damit keine Qualitätseinbußen entstehen und das Wachstum unter Schirm nicht zu stark geschmälert wird.
Dahinter stehen im Kern drei Fragen. Die erste zielt darauf ab herauszufinden, welche Auflichtung in Fichtenaltbeständen notwendig und zweckmäßig ist. Dabei lässt sich der Bogen über zu dichte Oberstände und die Gefahr des Kümmerns sowie dauerhaft plagiotropen Wuchses sowie eine zu niedrige Schirmdichte spannen, die wiederum das Risiko von Frostschäden verstärken kann und negative Auswirkungen für die Qualität bedeutet.
Zweitens ist von Interesse, ab welchem Alter der Voranbau-Buchen (Standzeit seit der Pflanzung) sich mögliche Qualitätsunterschiede überhaupt bemerkbar machen.
Drittens wird gefragt, ob sich die teure Anlage von Voranbauten mit hohen Stückzahlen lohnt, wenn qualitativ gute Dickungen und angehende Stangenhölzer erzielt werden sollen. Die zu untersuchende Alternative lautet dabei, ob die Pflanzenzahlen abgesenkt werden können und der Verlust an qualitätsförderndem Seitendruck durch einen dichteren Altbestandesschirm aufgefangen werden kann.
Die abgeleiteten Arbeitshypothesen unterstellen der Fichtenüberschirmung und der Pflanzenzahl im Voranbau einen gerichteten Effekt auf Wachstum, Stabilität, Astreinheit, Astreinigung, Stammform und Achsenmorphologie der Buchen-Vorausverjüngung. Es wird außerdem angenommen, dass sich Unterschiede in Überschirmungsdichte und Pflanzenzahl erst ab einem bestimmten Alter bemerkbar machen.
Die zwölf Untersuchungsflächen liegen im nordrhein-westfälischen Sauerland und im sächsischen Elbsandsteingebirge in einer Höhenlage zwischen 250 und 550m ü NN auf terrestrischen Standorten mittlerer bis ziemlich armer Trophie. Die Altbestände sind zwischen 66 und 102 Jahre alt und weisen fünf Jahre vor der Datenaufnahme konstante Schirmdichten auf. Die Buchenvoranbauten sind mindestens horstweise angelegt und seit ihrer Pflanzung ohne Pflege- oder Ästungsmaßnahmen. Das Alter variiert zwischen acht und 20 Jahren, die 1,68 bis 11,70m hoch sind. Eine Verbissbelastung kann ausgeschlossen werden. Die Stückzahl je Hektar variiert zwischen 4.444 und 10.417 Stck./ha.
Die Flächen lassen sich einer zweistufigen Versuchsanlage zuordnen. In der ersten Stufe variieren Alter, Überschirmungsdichte und Dichte im Voranbau. Je nach den Verhältnissen auf der Fläche werden in homogenen Voranbauten rechteckige Kernflächen etabliert und in Subflächen unterteilt. Bei weiten Pflanzverbänden oder ungleichmäßiger Bestockung dient ein Probekreisraster dazu, die Probebuchen auszuwählen. Die Anzahl an Probebuchen wird im Nachhinein um solche bereinigt, die Schäden haben, nicht vital sind, unteren soziologischen Klassen angehören oder von anderen Baumarten in der Verjüngung berührt werden (n=2.991).
Für alle diese Buchen werden im ersten Teil der Arbeit das Alter, der mittlere Standraum und die direkt über dem Wipfeltrieb befindliche Überschirmungsdichte mit der Qualitätseinstufung (sehr gut, gut, zwieselig, unzureichend) in Verbindung gebracht. Dieses Merkmal betrachtet die Gesamtmorphologie als Kombination aus vier Kronen- und drei Stammformklassen.
Als statistische Methode wird ein kumulatives, gemischtes Schwellenwertmodell verwendet. Es ermöglicht, eventuelle unerwünschte räumliche Korrelationen aus dem Regressionsmodell zu eliminieren. Dazu werden die Daten auf Ebene der Plots bzw. Subflächen aggregiert. Der Stichprobenumfang reduziert sich dadurch auf n=619.
Das Ergebnis zeigt, dass ein weiterer Standraum zu einer höheren Wahrscheinlichkeit schlechterer Qualitätstypen führt und andererseits eine intensivere Überschirmung diesen Trend umkehrt. So sind bei gleicher Wahrscheinlichkeit für sehr gute und gute Buchen entweder 7.140 Stck./ha bei moderatem Schirm oder 2.860 Stck./ha bei intensivem Schirm nötig. In der Validierung des Modells zeigen sich jedoch gravierende Unterschiede anhand der Daten aus den beiden Bundesländern.
Im zweiten Teil der Untersuchung wird von den vorausgewählten Probebuchen eine Unterstichprobe von n=186 gezogen um daran Höhe, Wurzelhalsdurchmesser, hd-Wert, den maximalen Grünastdurchmesser je Schaftabschnitt (Schaftabschnitt 1: 0,0-1,5m, Schaftabschnitt 2: 1,5-3,0m, Schaftabschnitt 3: 3,0-4,5m), den relativen maximalen Grünastdurchmesser (ASIX von STRUCK & DOHRENBUSCH 2000), den kleinsten Grünastansatzwinkel, den Astwinkelindex von HAGEMANN (2005), das Vorhandensein von steilen Ästen, den Schaftanteil ohne Grünäste, den neu eingeführten Ästigkeitsindex, den Durchmesser des stärksten Totastes, den relativen Durchmesser des stärksten Totastes (ASIX), das Auftreten von Tiefzwieseln, die Ansatzhöhe des untersten Zwiesels, die Stammneigung und die Krummschaftigkeit zu messen, einzuschätzen bzw. aus Hilfsmessgrößen zu berechnen.
Die Konkurrenzsituation dieser Einzelbuchen wird in Bezug auf den Oberstand und den Voranbau erfasst. Beim Oberstand sind es die Grundfläche je Hektar und der HEGYI-Index, die auf eingemessenen Stammverteilungsplänen der Kernflächen bzw. Plotrasterflächen beruhen, die um einen Rahmenbereich von 15m Breite ergänzt werden. Innerhalb der Verjüngung sind es der mittlere Standraum, der HEGYI-Index mit zwei verschiedenen Suchmodi (Suchradius 1/3 der Höhe und Suchkegel mit 60° Öffnungsweite am Baumfußpunkt) und der neu eingeführte Ast-Index nach CLUZEAU et al. (1994), der nahe am Baum stehende Buchen mit ihrem am weitesten auf den Zentralbaum zuragenden Ast und dessen Parametern einbezieht.
Die berechneten Regressionsmodelle sind alle gemischt und fangen über einen gestuften Zufallseffekt mögliche unerwünschte räumliche Korrelationen auf. Die verwendeten Modelltypen sind die lineare und die binäre logistische Regression. Bei der Auswertung werden die unabhängigen Variablen in acht festen Varianten miteinander kombiniert. Neben der Homoskedastizität der Residuen beim linearen Modell sind die Modelle u.a. auf eine mögliche erhöhte Multikollinearität hin überprüft. Aus den maximal acht Regressionsmodellen pro Qualitätsmerkmal ist dasjenige das Endmodell, welches den niedrigsten Strafterm (AIC-Kriterium) verbunden mit einer akzeptablen Multikollinearität aufweist.
Im Ergebnis ist der HEGYI-Index sowohl für den Oberstand als auch für die Verjüngung überdurchschnittlich häufig in den Endmodellen vertreten. In der Diskussion steht die Frage nach der Genauigkeit der Oberstands-Indices, die durch den zu kleinen Rahmenbereich von 15m und daher möglicherweise fehlenden, aber wirksamen Konkurrenten beeinträchtigt wird.
Die Ergebnisse für die Einzelmerkmale zeigen, dass ein enger Standraum unverzichtbar ist, wenn qualitativ hochwertige Buchen herangezogen werden sollen. Kein Merkmal verhält sich in Bezug darauf indifferent.
Zusätzlich bedarf es eines dichten Schirms, wenn die absoluten Grünastdurchmesser in allen drei Schaftabschnitten gering, der relative Grünastdurchmesser im Schaftabschnitt 3,0 bis 4,5m niedrig, der Grünastansatzwinkel in Bezug auf die Vertikale weit, der astfreie Schaftanteil hoch und die relative Dimension des stärksten Totastes groß sein sollen.
Demgegenüber stellt eine niedrige Überschirmungsintensität bei engem Standraum in der Verjüngung sicher, dass sich die Höhe nicht zu stark reduziert, der relative Grünastdurchmesser minimal wird, der Durchmesser bereits abgestorbener Äste steigt, Tiefzwiesel weniger wahrscheinlich sind und der unterste Zwiesel hoch ansetzt. Steile Äste sind nur dann weniger wahrscheinlich, wenn der Standraum eng ist. Der Überschirmung gegenüber verhält sich dieses Merkmal dagegen indifferent.
Ein weiter Standraum bewirkt in Kombination mit einem intensiven Schirm, dass die Schäfte junger Buchen weniger stark gekrümmt sind oder schief stehen. Die jungen Stämme sind bei weitem Standraum häufiger zweischnürig, was unabhängig von der Überschirmungsdichte ist. Bezüglich der Wurzelhalsdurchmesser und der hd-Werte wirkt sich ein weiter Standraum positiv aus, wenn gleichzeitig ein Schirm geringer Dichte über dem Voranbau stockt.
Insofern werden die Arbeitshypothesen nicht vollumfänglich bestätigt, weil auch indifferente Reaktionsmuster der jungen Buchen vorkommen. Der Alterseffekt bzw. die Auswirkungen der unterschiedlichen Buchenhöhen sind in Bezug auf die Höhe, den Wurzelhalsdurchmesser, den stärksten Grünastdurchmesser im mittleren Schaftabschnitt, den grünastfreien Stammanteil, die Astreinigung in den unteren beiden Abschnitten, den absoluten und relativen Durchmesser des stärksten Totastes, der Stammneigung und die Krümmungsstärke besonders ausgeprägt.
In der Diskussion wird die Reaktion der jungen Buchen auf unterschiedliche Auswirkungen der Konkurrenz in Raum und Zeit aufgegriffen. Die Bäumchen reagieren sowohl auf physiologischer, histologischer, anatomischer und morphologischer Ebene, was sich im Laufe der Entwicklung in der Bedeutung für den gesamten Organismus verschiebt. Diese vielfältigen Reaktionen können dafür verantwortlich gemacht werden, dass Unterschiede bei den ausgewerteten Qualitätsmerkmalen hervortreten. Zusätzlich wird die Frage diskutiert, welchen Einfluss genetische Komponenten oder der Standort auf die Qualität haben können.
Für die Praxis wird empfohlen, die Pflanzenzahlen nicht unter 7.700 Stck./ha abzusenken. Für die Überschirmung ist eine Grundfläche von 25-40m²/ha empfehlenswert, wobei der Altbestand erst nach 20 Jahren vollständig geräumt werden soll. Zu dichte Fichtenoberstände sind u. a. aus Gründen der Wuchshemmung für den Voranbau, der damit einhergehenden Produktionszeitverlängerung und dem gesteigerten Risiko von Bruch und Wurf des Oberstandes nicht anzuraten. Für eine Absenkung der Pflanzenzahlen ist aus Sicht der Qualität im Voranbau lediglich ein Rahmen von 5.000 bis 7.700 Stck./ha denkbar. Diese Absenkung geht zu Lasten der Astreinigung und Feinästigkeit und sie erfordert außerdem, den Oberstand bei Grundflächen über 40m²/ha zu halten und in einem Zeitraum von mehr als 20 Jahren langsam abzuräumen. Das Bestreben bei den Pflanzen- und Pflanzungskosten einzusparen, wird insgesamt als risikobehaftet eingestuft. / The following study deals with the problem how to install and to manage advance-planting as a standard method for forest conversion in order to obtain a good quality combined with an adequate growth of young beech trees.
There are three main questions that have to be answered. First, it is necessary to point out the intensity of a spruce shelter which is needed for the mentioned aims. On the one hand nor it is favourable for the vitality nor it is for the morphology of the underplanted beeches if spruce shelters are too dense. On the other hand a too sparse shelter increases the risk of frost damage and other negative effects on beech quality.
Second, it has to be revealed at which time since plantig differences in quality due to various competition conditions become visible.
Third, one needs to know if the use of a high amount of plants is worthwile in order to obtain the desired quality traits of thickets and young poles. Maybe it could be a meaningful alternative to plant less beeches under a more dense spruce shelter.
It is hypothesized that there exists a directional effect of spruce shelter intensity as well as underplanting density on growth, stability, branchiness, stem form and morphology of advance-planted beeches. Furthermore it is supposed that young beeches show a visible reaction not immediatly after planting.
Within the scope of the study, twelve sample areas were established in North-Rhine-Westphalia in the Sauerland region as well as in Saxony in the Sandstone Mountain region. The stands stock at terrestrial sites which are elevated between 250 and 550 m above sea level. The spruce shelters vary in age from 66 to 102 years and have had a constant density five years before data collection started. The underplantings have at minimum clump size and vary in age since planting from eight to 20 years with heights from 1,68 to 11,70m. They are not damaged through browsing and no thinning or pruning have taken place. The density within the underplantings lies between 4.444 and 10.417 pieces per hectare.
At the study site, a two-staged sampling design is used. The first stage varies age of the young trees, shelter density and density within the underplanted area. If the beeches are homogeneously planted, rectangular plots were established, subdivided into smaller units. If the planting resulted in wide-spread or a scattered, inhomogeneous spatial distribution of young beech trees, circular sample plots were established fixed in a regular grid pattern. The relevant sample trees are vital beeches of a high sociological order without damage and without a visible competition caused by young naturally established individuals of other tree species (n=2.991).
The first part of the study analyzes the effect of age, mean standing area per beech and shelter density on morphological quality (very good, good, forked, not sufficient). This trait focuses on the habitus of a young beech where crown form (four classes) and stem form (three classes) are combined. As statistical method for the analysis a mixed proportional-odds regression model is used. By this means undesirable spatial autocorrelation residual structures can be eliminated which can potentially be found. In order to reach this, sample data had to be aggregated on subplot respectively on circular sample plot level (n=619).
The result shows on the one hand the negative effect of widely spaced beeches. This leads to a higher probability of worse quality classes. On the other hand, a more dense shelter can reverse the mentioned effect of a sparse density in underplanted areas. Either 7.140 beeches per hectare at a moderate shelter density or 2.860 pieces per hectare at a dense shelter will lead to the same probability level of very good and good beeches. The validation of the regression model shows great differences between the data from NRW and SAX.
In the second part of the study at a subsample of 186 beeches following quality treats are measured respectively calulated afterwards: height, girth at a height of 20cm above ground, hd-ratio, diameter of the thickest living branch per stem sector (stem sector 1: 0,0-1,5m, stem sector 2: 1,5-3,0m, stem sector 3: 3,0-4,5m height above ground), relative branch diameter of the thickest living branch (ASIX after STRUCK & DOHRENBUSCH 2000), minimal branching angle out of all measured living branches, branch-diameter-angle-index of HAGEMANN (2005) for the thickest alive branch, steep branches, relative length of the branch-free bole, a new branchiness-index, absolute and relative diameter of the thickest dead branch, occurence of low forks, height of the first fork, stem leaning and crookedness. The competitional situation is assessed related to shelter as well as to regeneration. Several competition indices are used. For the spruce shelter, basal area per hectare and the index after HEGYI are calculated, based on stand maps which are established at the sample plots and additionally at a surrounding area as a margin with width of 15m. Within the regeneration, the mean standing area, two variants of the index after HEGYI based on two selection modi (radius 1/3rd of the height and searching cone with an angle of 60°) and a newly introduced branch competition index after CLUZEAU et al. (1994) are the tools to quantify the intensity of competition. The new branch competition index uses competitors nearby and in particularly their branch which is directly oriented to the sample tree and has simultaneously the greatest horizontal elongation.
The regression models are mixed ones and use a spatially hierachical random effect in order to eliminate undesirable spatial correlation structures of residuals. As model types, linear and binary logistic regression types are used. The analysis combines independent variables to eight fixed variants. All linear models are investigated if their residuals are homogeneously distributed, furthermore all models are checked for an acceptable extent of collinearity amongst others. The further analysed and interpreted model ist the result of a selection process focused on an acceptable extent of collinearity and a low AIC-value.
The competition index after HEGYI is the one which has the best performance among all used indices, for shelter density as well as in relation to regeneration density. Methodically, accuary of the shelter-competition-indices is discussed. The unaccuracy evolved from the fixed margin width of 15m and the fact that relevant competitors outside of this zone are missing.
The results clearly show the importance of a narrow spacing in the underplanting in order to reach the goal. There is no quality trait which does not show a reaction to a varying spacing. Additionally, a dense shelter is needed if diameters of the thickest alive branches in all stem sections and the relative branch diameter at a stem height from 3,0 to 4,5m shall be small, if the branching angle shall be wide in respect to the stem axis, if the branch-free bole shall be long and if the relative branch diameter of the thickest dead branch shall be of great dimension.
In contrast, a low shelter density combined with narrowly planted beeches supports other quality traits: height is not reduced so much, relative branch diameter of the thickest living branch decreases, dead branch diameter reaches a high level, low forks do not occur frequently and forking appears in the uppermost parts of the stem. Steep branches do less prevail only, if there is a narrow spacing independent of shelter density.
If spacing is wide, highly crooked stems or vertical intensively leaned ones are rare. Independently of shelter density, stem form ist less crooked. Wide spacings and simultaneously a low shelter density lead to tight stem diameters of underplanted beeches and therefore to a good stability.
That is why the postulated hypotheses can not completely be accepted – there are indifferent growth reactions related to quality traits, too. Age effect and impact of varying beech heights, respectively, can mainly be detected in relation to height, stem diameter, diameter of the thickest living branch in the second stem section, branch-free bole length, pruning dynamics in the lowermost stem sections, absolute and relative branch diameter of the thickest dead branch, stem leaning intensity and to intensity of crookedness.
The general discussion argues the reaction of the young beech trees to different effects of competition dependent of space and time. The young beeches show a clear physiological, histological, anatomical and morphological response which is attended by a shift of importance during life time. The sum of response is the reason for differences in quality traits detected in the study. Additionally the discussion focuses on genetic aspects and site conditions which also may have an impact.
Practical recommendations lead to an amount of 7.700 pieces per hectare as a minimum to let management match the quality goals. Spruce shelter density should vary between 25 to 40m² per hectare, optimally lasting ca. 20 years before complete removing. If the spruce shelter becomes too dense, this is not any more appropriate for an acceptable regeneration growth intensity which leads to a prolonged production time for the beech understorey. Also the risk of dying old overstorey stocking is increased. If regeneration density has to be decreased for operative reasons, 5.000 to 7.700 pieces per hectare are recommended. Nevertheless pruning dynamics will deteriorate and branchiness will also increase. Furthermore an approach like this requires a dense spruce shelter beyond 40m² per hectare whith a longer lasting period, longer than 20 years, until complete removing. If someone wants to economize on planting costs one should keep in mind the mentioned risks and efforts on the whole.
At the end the study takes into account how forest conversion is generally discussed with respect to the needs of wood-working industry which are in contrast to the widely used silvicultural method.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:32256 |
| Date | 27 November 2018 |
| Creators | Blaschkewitz, Birgit |
| Contributors | Wagner, Sven, Bues, Claus-Thomas, Hein, Sebastian, 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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