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«Kritische Uberprü fung und Weiterentwicklung des Konzepts der forstlichen Standortproduktivitä t Hans-Peter Kahle, Professur für Waldwachstum ...»

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Kritische Uberprü fung und Weiterentwicklung des Konzepts der

forstlichen Standortproduktivitä t

Hans-Peter Kahle,

Professur für Waldwachstum und Dendroökologie, Institut für Forstwissenschaften,

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Summary

The assessment, evaluation and projection of the amount of wood that can be produced on a certain

site with a given tree species or stand management regime has been in the focus of scientifically based

forest growth and yield studies from the very beginning. The straightforward way to assess forest site productivity retrospectively is to measure the amount of wood that has been produced per unit stand area and unit time. However, since over time some of the wood will be transformed, e.g. lost through mortality and subsequent decomposition or extracted from a forest stand by intermediate or harvest cuttings, the amount of standing wood does not represent the full amount of wood which has been produced in the stand. Hence direct measurement is a tedious task, and maintenance of long-term forest research plots is necessary to systematically collect the data necessary for capturing forest site productivity.

In this review the concept of forest site productivity is revisited. The relevance and meaning of different productivity potentials in the context of forest site productivity assessment, evaluation and projection is discussed. Suggestions are made to differentiate between the role of site- and the role of standrelated factors on forest site productivity. Linkages between terms and concepts used in managementoriented and ecological approaches of forest site productivity assessment are provided.

Zusammenfassung Die Bestimmung, Bewertung und Vorhersage der Menge an Holz die auf einem bestimmten Standort mit einer bestimmten Baumart bei einer bestimmten waldbaulichen Behandlung pro Zeit- und Flächeneinheit erzeugt werden kann, ist eine zentrale Aufgabe der waldwachstumskundlichen Forschung seit ihrer Entstehung. Langfristig beobachtete, nach einem standardisierten Protokoll behandelte, periodisch aufgenommene und ausgewertete waldwachstumskundliche Versuchsflächen stellen die Grundlage dar für die direkte retrospektive Bestimmung der forstlichen Standortproduktivität. Eine wichtige Voraussetzung für die Bewertung der Standortproduktivität ist die Kenntnis des Produktivitätspotenzials, also der unter bestimmten Bedingungen und Voraussetzungen zu erwartenden maximalen Produktivität. Eine belastbare Vorhersage der zukünftigen Entwicklung der Standortproduktivität setzt die Kenntnis der Wirkungszusammenhänge und Faktoren welche die Standortproduktivität bedingen voraus.

Angesichts von Veränderungen der natürlichen, ökonomischen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen sowie technologischer Innovationen ist eine kritische Überprüfung des Entwurfs der forstlichen Standortproduktivität angebracht, und eine kompatible Weiterentwicklung des Konzepts notwendig. In dem Beitrag werden die direkten und indirekten Verfahren zur Bestimmung bzw. Einschätzung der forstlichen Standortproduktivität dargestellt und die Grundlagen des derzeitigen Konzepts kritisch durchleuchtet. Es wird ein weiterentwickeltes Konzept vorgestellt, welches die spezifische Bedeutung des Standorts, der Baumart, des Bestandes und der Standort-Baum-Bestand-Interaktionen für die forstliche Standortproduktivität berücksichtigt, und auf dessen Grundlage Änderungen relevanter Komponenten und deren Auswirkungen auf die forstliche Standortproduktivität besser abgebildet werden können.

Forstliche Standortproduktivitä t Im ökologischen Kontext wird die Produktivität von Wäldern als die Nettobiomasseproduktion eines Waldbestandes pro Flächen- und Zeiteinheit definiert. Die Produktivität hängt von der Strahlungsabsorption durch die Blätter und der Umwandlung der Strahlungsenergie in chemisch gebundene Energie in Form von Kohlehydraten durch die Photosynthese, abzüglich der autotrophen und heterotrophen Atmungsverluste, ab (CANNELL 1989; LANDSBERG & SANDS 2011, vgl. Abb. 1). Im Bewirtschaftungskontext bezieht sich forstliche Produktivität auf die inhärente Fähigkeit von Wäldern, Güter oder Leistungen

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entsprechend der Zielsetzung ihrer Bewirtschaftung zu erzeugen oder zu erbringen und bereitzustellen.

Dies können Produkte wie Biomasse, Fasern oder Nahrungsmittel oder Leistungen wie die Wasser- oder Klimaregulation, der Bodenschutz oder der Schutz von Biodiversität oder die Erbringung von kulturellen Werten z.B. bei der Erholungsnutzung sein.

Während die forstliche Produktivität (engl. forest productivity) größere räumliche Einheiten auf Landschaftsebene, z.B. ganze Ökosysteme oder Betriebseinheiten einschließt, bezieht sich die forstliche Standortproduktivität (engl. forest site productivity) auf einen ganz bestimmten Standortstyp (in der gängigen Anwendung wird der Begriff auch für Teile von Waldbeständen oder für einzelne Waldbestände verwendet). Betrachtet man die Produktionsfunktionen der Wälder, ist forstliche Standortproduktivität im engeren Sinne definiert als quantitatives Maß für die Fähigkeit eines Waldstandorts, pflanzliche Biomasse zu produzieren. Die forstliche Standortproduktivität hängt sowohl von natürlichen, dem Standort und Bestand innewohnenden Faktoren, als auch von Bewirtschaftungsfaktoren ab (ASSMANN 1970; DYCK et al. 1994; HÄGGLUND 1981).





Häufig wird der Begriff ‘Standortqualität‘ (engl. site quality) synonym für 'forstliche Standortproduktivität‘ (engl. site productivity) verwendet, dies ist vor allem in der englischsprachigen Literatur der Fall (SOCIETY OF AMERICAN FORESTERS 2014). Da Qualität im begrifflichen Gegensatz zu Quantität steht, und auch eine Art nichtmetrischer Messung suggeriert, ist der Begriff forstliche Standortproduktivität zu bevorzugen (LEARY 1985).

Abbildung 1: Flussdiagramm der produktionsökologischen Grundgleichung zur Darstellung der Primärproduktion in Waldbeständen unter dem Einfluss von Standort, Genetik, Bestand und der Modifikation des Produktionsprozesses durch Maßnahmen der Waldbewirtschaftung (Ra: autotrophe Respiration) (verändert nach MONTEITH 1981).

In Abbildung 1 ist die produktionsökologische Grundgleichung als Flussdiagramm dargestellt (vgl. MONTEITH 1981). Gezeigt ist die Primärproduktion in Waldbeständen unter dem Einfluss von Standort, Genetik, Bestand und der Modifikation des Produktionsprozesses durch Maßnahmen der Waldbewirtschaftung. Die Darstellung im uni-direktionalen Flussdiagramm folgt dem Konzept der Ressourcenlimitierung der Primärproduktion, eine mögliche Rückkopplung von der rechten auf die linke Seite der Produktionsgleichung, entsprechend dem Konzept der Wachstumslimitierung, ist in Abbildung 1 nicht enthalten (siehe jedoch Abb. 2). Am Beispiel Strahlung entspricht die auf der Bestandesoberfläche eintreffende Strahlungsmenge dem Ressourcenangebot, die von den Assimilations-organen absorbierte Strahlungsenergie entspricht der Ressourcenaneignung, und der Output an chemisch gebundener Energie in den Assimilaten je absorbierter Strahlungsenergieeinheit entspricht der Ressourcennutzungseffizienz.

Abbildung 2 zeigt die Regulation der Primärproduktion als Prozessdiagramm. Die Primärproduktion ist das Ergebnis des Zusammenwirkens von Photosynthese in den Assimilationsorganen und Wachstum in den Meristemen. Im Gleichgewichtszustand sind beide Teilprozesse gekoppelt und fein aufeinander abgestimmt. Regelt die Photosynthese die Primärproduktion spricht man von Quellenlimitierung (syn.

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Ressourcenlimitierung), regelt das Wachstum spricht man von Senkenlimitierung (syn. Wachstumslimitierung) (KÖRNER 2012). Bei Unterversorgung mit Strahlungsenergie oder CO2 liegt Quellenlimitierung vor, bei Unterversorgung mit O2 kommt es zur Senkenlimitierung. In allen anderen Fällen ist wegen der gegenseitigen Überlagerung der Effekte, alleine anhand der Produktionsrate keine eindeutige Aussage über die Hierarchie der Regelmechanismen möglich.

Abbildung 2: Regulation der Primärproduktion. Die Primärproduktion ist das Ergebnis des Zusammenwirkens von Photosynthese in den Assimilationsorganen (PS) und Wachstum in den Meristemen (WS) (verändert nach KÖRNER 2008).

In den letzten Jahren wurden in der wissenschaftlichen Literatur mehrere systematische Übersichten zur Bedeutung, geschichtlichen und modernen Entwicklung und zu Hintergründen der forstlichen Standortsproduktivität verfasst (BONTEMPS & BOURIAUD 2014; PRETZSCH 2009; SKOVSGAARD &VANCLAY 2008 und 2013; WEISKITTEL et al. 2011). Diese Veröffentlichungen stellen einen wichtigen Hintergrund für die vorgelegte Studie dar.

Maßeinheiten der forstlichen Standortproduktivität Im Kontext der Holzproduktion ist die übliche Maßeinheit der forstlichen Standortproduktivität das auf einer bestimmten Fläche und in einem bestimmten Zeitraum produzierte Holzvolumen (z.B. m³ Holz je Hektar und Jahr) (ASSMANN 1970). Das produzierte Holzvolumen, der Holzertrag, bezieht sich meist auf ein ‘verwertbares‘ bzw. ‘handelsübliches‘ Holzvolumen, das regelmäßig bei den monopodialen Nadelbäumen das Stammholzvolumen bzw. bei den Laubbäumen das Stamm- und Astholzvolumen oberhalb eines bestimmten Durchmesserschwellenwertes umfasst. Im deutschsprachigen Raum liegt der Schwellenwert (die sog. Kluppschwelle) des oberirdischen Holzes meist bei ≥ 7 cm mit Rinde (das sog. Derbholz) (PRETZSCH 2009). In anderen Ländern werden unterschiedliche Schwellenwerte angewendet (FAO 2010). Das auf diese Weise definierte Derbholzvolumen beinhaltet folglich nur einen Teil der in Wäldern produzierten Biomasse. Das Volumen des Holzes mit einem Durchmesser unterhalb der Kluppschwelle, das Volumen von Nichtholz- und Nichtbaum-Komponenten sowie die unterirdischen BiomasseKomponenten werden mit dem so definierten Derbholzvolumen nicht erfasst. In einem ökologischen Kontext und auch im Kontext der Kohlenstoffbindung von Wäldern, ist es darüber hinaus üblich, die Produktivität nicht auf das produzierte Holzvolumen, sondern auf die produzierte Holzbiomasse zu beziehen. Anhand der Maßeinheit Biomasse ist eine direkte Ableitung der Nettoprimärproduktion und Berechnung der Menge an gebundenem Kohlenstoff möglich. Dies ist besonders beim Vergleich verschiedener Baumarten mit unterschiedlichen Holzdichten vorteilhaft.

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Kenngrößen der forstlichen Standortproduktivität Die Produktionsrate von Holz pro Flächen- und Zeiteinheit wird entweder als durchschnittlicher Zuwachs über ein bestimmtes Zeitintervall oder als laufender Zuwachs in einer bestimmten Zeiteinheit ausgedrückt (ASSMANN 1970; PRETZSCH 2009). In der Forstwirtschaft wird die produzierte Holzmenge meist auf das Holzvolumen bezogen, und als Zeiteinheit das Jahr gewählt. Entsprechend beziehen sich der durchschnittliche und der laufende Zuwachs auf den durchschnittlichen jährlichen (engl. mean annual increment, MAI) und den laufenden jährlichen Zuwachs (current annual increment, CAI). Der Zeitraum, für den der durchschnittliche Zuwachs berechnet wird, bezieht sich meist auf die Zeit ab der die Bäume begonnen haben zu wachsen bis zu einem festgelegten Bezugs- oder Referenzalter. Der periodisch jährliche Zuwachs (engl. periodic mean annual increment, PAI) dagegen bezeichnet die durchschnittliche jährliche Zuwachsrate während eines bestimmten Zeitintervalls. Dabei kann sich das Zeitintervall entweder auf eine bestimmte Altersspanne beziehen, z.B. Alter 15 bis 20 Jahre, oder auf einen bestimmten Zeitraum, z.B. Kalenderjahr 2005 bis 2010. Aus diesem Grund ist der periodisch jährliche Zuwachs auch für ungleichaltrige Wälder und in der Dauerwaldwirtschaft anwendbar, wo das Alter nicht bekannt ist oder für die Bewirtschaftung nicht relevant ist. In der Altersklassenwirtschaft findet in der Regel jedoch der durchschnittliche jährliche Zuwachs Anwendung.

Abbildung 3: Komponenten der Produktivität von Wäldern und deren Zusammenhänge anhand der in der englischsprachigen Literatur verwendeten Begriffe. Oben sind die im ökologischen Kontext, unten die vor allem in der Altersklassenwirtschaft üblichen Komponenten und Begriffe dargestellt (verändert nach BEERS 1962; KUUSELA 1994; PRETZSCH 2009; UN-ECE & FAO 2000). In der Darstellung sind ausschließlich oberirdische Biomassekomponenten dargestellt. In kursiv bezeichnete Komponenten werden typischerweise in Biomasseeinheiten angegeben, die anderen in Volumeneinheiten. RH: Jährliche Rate der heterotrophen Respirationsverluste durch die Zersetzung kurzlebiger Baumbiomassekomponenten. Die forstliche Standortproduktivität schließt üblicherweise den jährlichen Nettoholzvolumenzuwachs, den jährlichen Einwuchs, sowie den jährlichen Verlust an Holzbiomassekomponenten oberhalb der Kluppschwelle durch natürlichen Abgang ein.

Für Wachstumskurven (Wachstum vs. Alter) mit sigmoidalem Verlauf besteht ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem durchschnittlichen und dem laufenden Zuwachs: der laufende jährliche Zuwachs hat sein Maximum an der Stelle an der die Wachstumskurve ihren Wendepunkt aufweist, und der durchschnittliche jährliche Zuwachs erreicht sein Maximum an der Stelle, an der sich die beiden Kurven des laufenden und des durchschnittlichen Zuwachses schneiden (ASSMANN 1970). Aus der Sicht

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der Holzproduktion in der Altersklassenwirtschaft kann es sinnvoll sein, den Zeitpunkt der Kulmination des durchschnittlichen Zuwachses als Erntezeitpunkt festzulegen, da hierdurch die Holzproduktion maximiert wird.

Unterschiedliche Definitionen und Maßeinheiten der forstlichen Standortproduktivität erschweren Vergleiche zwischen verschiedenen Studien, dies gilt in besonderem Maße für Studien die von verschiedenen Forschungsdisziplinen durchgeführt wurden. Abbildung 3 zeigt Zusammenhänge zwischen verschiedenen Komponenten der Produktivität in Wäldern anhand der in der englischsprachigen Literatur verwendeten Begriffe. Im oberen Bereich des Blockdiagramms sind die im ökologischen Kontext verwendeten Begriffe, im unteren die vor allem in der Altersklassenwirtschaft üblichen Komponenten und Begriffe dargestellt.



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