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Entwicklung eines fernerkundungsbasierten Monitoringverfahrens auf Grundlage einer physiologisch fundierten Vitalitätsbewertung von Hauptbaumarten in Mischbeständen

Im Zuge des Klimawandels steigt der Informationsbedarf zur Vitalitätsentwicklung von Wäldern und Baumarten sowie deren Reaktionen auf Störungsereignisse wie Sturm oder Kalamitäten. Da detaillierte Informationen häufig fehlen, sind die verbreiteten Abschätzungen hierzu teils widersprüchlich und spekulativ. Parallel zur terrestrischen Waldzustandserfassung ist die forstliche Fernerkundung bemüht, diese Informationslücke zu schließen. Allerdings ist die Unterscheidung von Baumarten und deren Vitalitätszustand noch immer problematisch. Zur Erhebung dieser Messwerte fehlen belastbare baumphysiologisch belegte Zusammenhänge. Dafür bieten sich Verfahren der Fernerkundung an, wenn über eine rein empirische Erhebung hinaus die Ableitung baumphysiologischer Parameter gelingt. Mit dem aktuellen Forschungsvorhaben soll eine Brücke zwischen den modernen Möglichkeiten der forstlichen Fernerkundung und Gehölzphysiologie geschlagen werden. Ein im Wald installierter 40 m hoher Drehkran am GFZ TERENO-Forschungsstandort im Raum Demmin (MV) bietet dabei für FeMoPhys einzigartige Möglichkeiten. Das Vorhaben verfolgt folgende Ziele: 1. Untersuchung von Zusammenhängen zwischen stressbedingten, physiologischen Veränderungen in Baumkronen, Stamm und Wurzeln und deren Quantifizierbarkeit durch 'Messung von außen' 2. Verknüpfung des methodischen Knowhow der baumphysiologischen Diagnostik und den Verfahren der hyper-/multispektralen und thermalen Diagnostik von Baumkronen 3. Identifikation klimasensitiver Areale auf der Basis von Flächendaten und baumphysiologischen Untersuchungen speziell für Hauptbaumarten 4. Entwicklung eines einfach zugänglichen Informationsproduktes zum baumartenspezifischen Waldzustand Das Projekt will einen Forest Vulnerability Index anvisieren, der Zielgrößen wie Anfälligkeit für Insektenbefall und Dürreschäden ausgibt. Dieser und weitere Indizes können kombiniert werden und so helfen, Risiken für Kaskadeneffekte und die Überschreitung von Kipppunkten abzuschätzen.

Umgestaltung eines Wassereinzugsgebietes im Nationalpark Eifel von einem Fichtenwaldreinbestand zu einem standortgerechten Laubmischwald: Dynamik des Kohlenstoff- und Wasserhaushaltes; Heterogenität relevanter Standortfaktoren für die Waldentwicklung - Untersuchungen zum Wasser- und Stoffhaushalt kleiner bewaldeter Einzugsgebiete unter besonderer Berücksichtigung periglazialer Deckschichten (Natio

Hintergrund: Dieses Projekt begleitet die Umgestaltung eines Fichtenwald-Reinbestandes im Nationalpark Eifel vom derzeitigen Ist-Zustand über eine Baumentnahme hin zu einem standortgerechten Laubmischwald. Der Stoffhaushalt (Kohlenstoff, Lösungsfracht, Schwebfracht, Bachgeschiebe und Wasser) sowie die ihn beeinflussenden Faktoren (Klima, Boden, Vegetation, Landnutzung) werden genauer untersucht. Erstmalig werden für dieses Gebiet im Rahmen dieses Projektes CO2-Kreisläufe quantifiziert und Maßnahmen zur Kohlenstoffreduktion beschrieben (durch das Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre - Institut 4: Agrosphäre (ICG-4)). Zudem sollen zu erwartende Veränderungen auf Stoff- und Wasserkreisläufe erfasst werden. Bestehende Datenlücken für die Mittelgebirge werden damit geschlossen (durch den Lehrstuhl für Physische Geographie und Geoökologie (PGG)). Fragestellungen: Aufgabe des Projektes wird sein, präzise Informationen zum Stoff- (u.a. Kohlendioxid, Nitrat, Phosphat, Ammonium) und Wasserkreislauf zu erhalten sowie die Bedeutung standortrelevanter Parameter (Klima, Boden, Vegetation, Landnutzung) bei der Entstehung eines standorttypischen Laubmischwaldes zu erfassen. Während der Umwandlung eines Fichtenreinbestandes zu einem Laubwald - mit Vergleichsuntersuchungen im Freiland (Wiese) - sollen verschiedene Stadien der Umwandlung untersucht werden. Die Ergebnisse werden neue und vor allem quantifizierbare Erkenntnisse zum CO2-Haushalt sowie zum Wasser- und Stoffkreislauf im Ökosystem Wald liefern; Grundbausteine für eine nachhaltige Landnutzung und der Reduzierung atmosphärischen CO2. Von der Arbeitsgruppe PGG und dem ICG-4 bearbeitete Fragestellungen: - Wie wirken sich Landnutzungsänderungen auf Stoff- und Wasserhaushalt aus? - Welche Auswirkungen hat der Klimawandel auf Wasser, Boden und Vegetation? - Wie wirken sich Rückkopplungsprozesse auf terrestrische Systeme aus? - Wie wirken sich großräumige Eingriffe aus? Ziele: Ziele des Lehrstuhls für Physische Geographie und Geoökologie sind insbesondere, in Kooperation mit dem ICG-4 Veränderungen des Kohlenstoff- und Wasserhaushaltes sowie der Nährstoffkreisläufe in Erwartung des absehbaren Klimawandels und der Maßnahmen zur CO2-Reduktion zu erfassen. Gesicherte Erkenntnisse in Bezug auf den Wasserhaushalt und die ihn beeinflussenden Größen in Mittelgebirgsräumen liegen bisher kaum vor. Hier schließt das Projekt eine Datenlücke. Die Rolle der Vegetation sowie der Böden (insbesondere die bodenbildenden periglazialen Deckschichten) sind hier von Bedeutung, da Prozesse der Stoffakkumulation, -umwandlung und -transport von diesen Parametern stark abhängig sind. Deckschichten haben mit ihren Mächtigkeiten und Ausprägungen einen starken Einfluss auf Sickerwasser, Grundwasserneubildung, Retention und Oberflächenabfluss. Zudem ist für die Kooperation mit dem ICG-4 die Betrachtung des Bodenwasserhaushaltes unerlässlich, um den CO2-Vorrat im Boden zu analysieren. Die Retentionskapazitäten der Böden werden präzi

Räumliche Optimierung als Strategie waldbaulicher Bestandesplanung

Die ökologische Forschung zu Einzelbaumeffekten in Mischbeständen eröffnet tiefere Einsichten in die Wechselbeziehungen zwischen Baumarten und -individuen. Sie ermöglicht darüber hinaus die rationale Planung der Gestaltung von Waldbeständen. In diesem Projekt sollen die Kenntnisse über ökologische Felder von Einzelbäumen erstmals mit Methoden der Räumlichen Optimierung dazu genutzt werden, Empfehlungen für die Strukturierung von Beständen zu erarbeiten. Hierzu soll das Wissen über einige Einzelbaumeffekte so aufbereitet werden, dass es mit Algorithmen der mathematischen Optimierung bearbeitet werden kann. Die dabei zum Einsatz kommenden nichtlinearen Algorithmen und die verwendete Software erlauben eine derart nachhaltige Optimierung, so dass trotz zahlreicher Nebenbedingungen und multikriterieller Optimierungsziele im Einzelbestand mit über hundert Baumindividuen vertrauenswürdige Ergebnisse erzielt werden. Diese Methoden sichern ökosystemorientierte Nachhaltigkeitsindikatoren in forstlichen Managementmodellen und liefern einen Beitrag zur horizontalen Integration verschiedener Waldfunktionen auf Bestandesebene.

Towards pollen accumulation rates as a measure of plant abundance a case study in NE-Germany

The aim of my study is to calibrate PAR from small lakes against tree biomass, which can be used to achieve quantitative estimates of biomass in the past. Furthermore, the relation between pollen percentages and plant abundance will also be investigated. As study area, the state Brandenburg was chosen, because it has a large number of lakes and is covered by different plant communities, like conifer forest, mixed forest, deciduous forest and open land. These are situated on a range of soil types in a terrain with little altitudinal differences. Lakes in different types of landscape were selected. They were of almost uniform size, mostly ranging from 100-300 m in diameter and without inflow and outflow. Deeper lakes in proportion to the lake size were preferred, to avoid lakes with a high pollen redeposition. In order to have an effective fieldwork and to get the broadest possible data spectrum for modeling, the relevant pollen source area of pollen (Sugita, 1994) was estimated, based on the map CORINE. The calculation shows that the pollen source area is approximately 5-6 km. However, we also sampled lakes which are situated closer together, especially when the landscape structure was very heterogenic at the small scale. From the surface samples of 50 lakes, the pollen percentages of different taxa will be compared with the information from the forest inventory data for different distances around the lakes to evaluate theoretical considerations of pollen source area. These data are available at the data base Datenspeicher Wald, which contains information about cover, age and biomass for the different tree species. This information was collected during the time of the German Democratic Republic (DDR) and is in the most continued. Concurrently, 15 of the short cores are selected for dating by 210Pb. PAR will be calculated based on the sedimentation rates obtained for these cores, so that PAR can be compared to tree biomass for different time slices over the past 50 years.

Entwicklung eines fernerkundungsbasierten Monitoringverfahrens auf Grundlage einer physiologisch fundierten Vitalitätsbewertung von Hauptbaumarten in Mischbeständen, Teilvorhaben 2: Vitalitätsdiagnostik mittels Biomarker

Im Zuge des Klimawandels steigt der Informationsbedarf zur Vitalitätsentwicklung von Waldbeständen, zu Baumarten, zu Folgereaktionen von Störungsereignissen wie z.B. Sturm, Kalamitäten, Da detaillierte Information häufig fehlen, sind die zahlreich verbreiteten Abschätzungen hierzu widersprüchlich und spekulativ. Parallel zur terrestrischen Waldzustandserfassung ist die forstliche Fernerkundung seit mehreren Jahrzehnten bemüht, diese Informationslücke zu schließen. Allerdings ist die Unterscheidung von Baumarten bzw. -gattungen und deren Zustand noch immer problematisch. Zur Erhebung dieser Messwerte fehlen u.a. belastbare baumphysiologisch belegte Zusammenhänge. Dafür bieten sich Verfahren der Fernerkundung an, wenn über eine rein empirische Erhebung hinaus die Ableitung baumphysiologischer Parameter gelingt. Vor diesem Hintergrund soll mit dem aktuellen Forschungsvorhaben eine Brücke zwischen den modernen Möglichkeiten der forstlichen Fernerkundung und Gehölzphysiologie geschlagen werden. Ein im Wald installierter 40 m hoher Drehkran am GFZ TERENO-Forschungsstandort im Raum Demmin (Mecklenburg-Vorpommern) bietet dabei für FEMOPHYS einzigartige Möglichkeiten. Das Forschungsvorhaben verfolgt folgende Zielstellungen: 1. Untersuchung von Zusammenhängen zwischen stressbedingten, physiologischen Veränderungen in Baumkronen, Stamm und Wurzeln und deren Quantifizierbarkeit durch 'Messung von außen' 2. Verknüpfung des methodischen Knowhow der baumphysiologischen Diagnostik und den Verfahren der hyper-/multispektralen und thermalen Diagnostik von Baumkronen 3. Identifikation klimasensitiver Areale auf der Basis von Flächendaten und baumphysiologischen Untersuchungen speziell für Hauptbaumarten 4. Entwicklung eines einfach zugänglichen Informationsproduktes zum baumartenspezifischen Waldzustand Das Projekt will einen Forest Vulnerability Index anvisieren, der Zielgrößen wie z.B. Anfälligkeit für Insektenbefall und Dürre-Schäden ausgibt.

Entwicklung eines fernerkundungsbasierten Monitoringverfahrens auf Grundlage einer physiologisch fundierten Vitalitätsbewertung von Hauptbaumarten in Mischbeständen, Teilvorhaben 6: Dendrochronologie und Baummonitoring

Im Zuge des Klimawandels steigt der Informationsbedarf zur Vitalitätsentwicklung von Wäldern und Baumarten und deren Reaktionen auf Störungsereignisse wie Sturm oder Kalamitäten. Da detaillierte Information häufig fehlen, sind die zahlreich verbreiteten Abschätzungen hierzu teils widersprüchlich und spekulativ. Parallel zur terrestrischen Waldzustandserfassung ist die forstliche Fernerkundung bemüht, diese Informationslücke zu schließen. Allerdings ist die Unterscheidung von Baumarten und deren Vitalitätszustand noch immer problematisch. Zur Erhebung dieser Messwerte fehlen belastbare baumphysiologisch belegte Zusammenhänge. Dafür bieten sich Verfahren der Fernerkundung an, wenn über eine rein empirische Erhebung hinaus die Ableitung baumphysiologischer Parameter gelingt. Mit dem aktuellen Forschungsvorhaben soll eine Brücke zwischen den modernen Möglichkeiten der forstlichen Fernerkundung und Gehölzphysiologie geschlagen werden. Ein im Wald installierter 40 m hoher Drehkran am GFZ TERENO-Forschungsstandort im Raum Demmin (MV) bietet dabei für FeMoPhys einzigartige Möglichkeiten. Das Vorhaben verfolgt folgende Ziele: 1. Untersuchung von Zusammenhängen zwischen stressbedingten, physiologischen Veränderungen in Baumkronen, Stamm und Wurzeln und deren Quantifizierbarkeit durch 'Messung von außen' 2. Verknüpfung des methodischen Knowhow der baumphysiologischen Diagnostik und den Verfahren der hyper-/multispektralen und thermalen Diagnostik von Baumkronen 3. Identifikation klimasensitiver Areale auf der Basis von Flächendaten und baumphysiologischen Untersuchungen speziell für Hauptbaumarten 4. Entwicklung eines einfach zugänglichen Informationsproduktes zum baumartenspezifischen Waldzustand Das Projekt will einen Forest Vulnerability Index anvisieren, der Zielgrößen wie Anfälligkeit für Insektenbefall und Dürreschäden ausgibt. Dieser und weitere Indizes können kombiniert werden, und so helfen, Risikos für Kaskadeneffekte und die Überschreitung von Kipppunkten abzuschätzen.

Grundlagen des ökologischen Waldbaus

Naturnahe Waldbewirtschaftung orientiert sich an den Entwicklungsmodellen des Naturwaldes mit hohem Selbststeuerungspotential. Diese Modelle müssen mit Hilfe von Beobachtungen und Versuchen aufgestellt und untermauert werden, um sie dann im praktischen Waldbau nutzen zu können. Ohne Eingreifen des Menschen wäre NRW wahrscheinlich auf über 90 % der Fläche mit fast reinem Buchenwald bestanden. Heute sind nur ca. 27 % bewaldet und davon nur ca. 16,5 % mit Buche. Das Laub-/Nadelholzverhältnis beträgt für den gesamtwald 52,7% (Laubbäume) / 47,3 % (Nadelbäume). Ein Ziel im ökologischen Waldbau ist damit die Waldvermehrung durch Erstaufforstung mit Laubwald und der Waldumbau. Angemessene Beimischungen von nutzbringenden Nadelhölzern sind hierbei auch im Sinne der Biodiversität gefragt. Die Auswertungen von Beobachtungen und Versuchen steuern stetig neue Entwicklungen von Leitbildern zu naturnahen Waldbauverfahren bei. Daraus ergeben sich Planungen und Konzepte zu neuen Versuchen im ökologischen Waldbau. Letztendlich steht die Weitergabe der gewonnenen Erkenntnisse an die Forstbehörden und die Beratung bei der Umsetzung von Maßnahmen im Vordergrund.

Hochauflösende Untersuchung des Baumwachstums in Abhängigkeit von der Kronenentwicklung in einem Auenwald-Mischbestand

Untersuchungen zum Zusammenhang von Belaubungsdichte bzw. Verzweigung und Dickenzuwachs bei Laubbäumen ergaben keine zwangsläufige Abnahme des Zuwachses bei stärker verlichteten Kronen und in vielen Fällen sogar einen vermehrten Radialzuwachs des Stammes in Brusthöhe. Die Allokation des Assimilate bei unterschiedlicher Verzweigungsentwicklung und Kronentransparenz ist weitgehend unbekannt. Zur genauen Beschreibung der Wachstumsvorgänge in einzelnen Kronenteilen von Altbäumen geschlossener Bestände soll die Phänologie von Längen- und Dickenwachstum in Abhängigkeit von meteorologischen Einflüssen erfasst werden. Der Zuwachs ausgewählter Äste wird mit Hilfe einer Krangondel zeitlich und räumlich hochaufgelöst analysiert. Als Erklärungshilfe für unterschiedliche Zuwachsverläufe sollen Spotmessungen der Photosynthese und Transpiration mit Bezug zur Blattfläche dienen. Mittels der Analyse der laufenden und der retrospektiven Zuwächse, wird die Konkurrenz zwischen Ästen sowie zwischen Ästen verschiedener Arten erfasst. Dazu werden auch die photosynthetisch wirksame Strahlung und die Effizienz der Blätter in der Licht- und Schattenkrone berücksichtigt. Durch die Vorhersage der Reaktionen des Ast-, Kronen-, Stamm- und damit Baumwachstums unter Konkurrenz lassen sich so Konsequenzen für die Behandlung artenreicher Mischbestände ableiten, die zum Erhalt der Struktur und der Artenvielfalt (auch unter sich ändernden Standortbedingungen) beitragen können.

Waldbiodiversität entlang eines Bewirtschaftungsgradienten

Die naturnahe Waldwirtschaft fördert zwar vertikal strukturierte Waldbestände, offene Störungsflächen und Strukturen der Alters- und Zerfallsphasen sind jedoch rar. Waldarten, die an solche defizitären Strukturen gebunden sind, sind daher häufig gefährdet. Zur Struktur- und Biodiversitätsförderung im Wald kommen daher unterschiedliche Naturschutzinstrumente zum Einsatz, die gleichzeitig einen Gradienten der forstlichen Nutzungsintensität repräsentieren: von Nicht-Nutzung in großen Naturwaldreservaten bis hin zur Strukturförderung durch intensive forstliche Eingriffe. Doch welche Artengruppen profitieren wovon? Wie lange dauert es, bis sich die gewünschten Lebensraumstrukturen einstellen? Und kann durch einen kombinierten Einsatz verschiedener, komplementärer Instrumente die Waldbiodiversität auf Landschaftsebene erhöht werden? Um diese Fragen zu beantworten werden im montanen und hochmontanen Bergmischwald drei Flächentypen miteinander verglichen: je eine Prozessschutzfläche, eine naturnah bewirtschaftete Fläche und eine Fläche, auf der im Jahr 2018 eine starke Auflichtungsmaßnahme (mindestens 0.5 ha) erfolgte. Auf 15 dieser ‘Flächen-Triplets‘ werden Waldstruktur, Bodenvegetation sowie mehrere faunistische Artengruppen über mehrere Jahr hinweg untersucht. Das Projekt liefert Grundlagen für den effizienten Einsatz der Waldnaturschutzinstrumente sowie strukturelle Zielwerte für die Arten- und Biodiversitätsförderung.

Standardisiertes Monitoring von Wachstumsreaktionen wichtiger Waldbaumarten auf klimatische Extremereignisse, Teilvorhaben 4: Klima-Wachstumsbeziehungen, Wasserspeicher ungesättigte Zone und Grundwassereinfluss

Hauptziel von TV4 ist die Untersuchung verschiedener Hauptbaumarten in Bezug auf ihre Reaktion auf klimatische Extremereignisse. Dazu werden in Kooperation mit der RWTH Aachen durch dendrochronologische Messungen langfristige Klima-Wachstumsbeziehungen ermittelt und mit hochfrequenten physiologischen Messungen am Baum sowie Messungen der Wasserspeicheränderungen im Untergrund kombiniert. Zur Erklärung der beobachteten Reaktionsmuster werden verschiedene Standortfaktoren und Umweltparameter herangezogen. Dabei werden Klima, Boden und Topographie genauso berücksichtigt wie die Bestandshistorie, Bestandes-Charakteristika und Managementfaktoren. Schwerpunkte bei der Analyse der Reaktionen der verschiedenen Baumarten werden in TV4 auch insbesondere in der Untersuchung des Einflusses der unterirdischen Wasserspeicher, ihrer räumlichen Variabilität und Dynamik liegen. Ein Arbeitspaket befasst sich hier mit dem Einfluss des Grundwasserflurabstandes auf Wachstum und Stressreaktionen der Baumarten. Dazu eignet sich das Untersuchungsgebiet im Müritz Nationalpark besonders, da hier auf geringen Distanzen sehr unterschiedliche Flurabstände auftreten. Zusätzlich ermöglicht das experimentelle Design auch den Vergleich verschiedener grundwasserferner Standorte um den Effekt des Baumbestandes, d.h. Reinbestand gegenüber Mischbestand genauer zu untersuchen. Unterstützend wird die Tiefenverteilung der Wurzelwasseraufnahme aus der Dynamik der Bodenfeuchtedaten ermittelt. An Standorten mit intensiver Instrumentierung zur Bodenfeuchte und Saugspannung werden die räumlichen Verteilungen der Bodenfeuchte (lateral und vertikal) im Kontext der Waldbestände ausgewertet. Diese dynamischen räumlichen Muster werden den hochaufgelösten Wachstums- und Stressreaktionen der Bäume gegenübergestellt. Die direkte Gegenüberstellung sowie die lokalen meteorologischen Beobachtungen ermöglichen dann die Ermittlung von kombinierten hydropedo- und hydrometeorologischen Schwellenwerten der Stressreaktion.

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