Abb. 1: Fortbildung im Conventwald. (Foto: FVA/Isenberg)
Die Ökosystemstudie Conventwald ist ein langfristiges Projekt der Abteilung Boden und Umwelt, welches 1991 begonnen wurde und aus welchem inzwischen mehr als 25 Jahre ununterbrochene Beobachtungen der Wasser- und Stoffkreisläufe vorliegen. Ziel der Conventwald-Studie war und ist die Beantwortung der Frage, ob und in welchem Maße Variationen der waldbaulichen Bewirtschaftungsformen depositionsbedingten Störungen der Ökosysteme entgegenwirken können. Die Studie untersucht, wie verschiedene waldbauliche Verfahren die langfristige Standortstabilität im Hinblick auf die pflanzenverfügbaren Nährstoffvorräte, aber auch auf die Oberflächen- und Grundwasserqualität sichern können.
Messprogramm
Der Conventwald ist einer der fünf baden-württembergischen Standorte des ICP-Forest-Netzwerks, auf welchen nach europaweit einheitlichen Standards umfassende Messungen zu Klima, Bodenwasserhaushalt, Stoffflüssen (Eintrag mit dem Niederschlag, Austrag mit dem Bodensickerwasser), dem bodenchemischen Zustand, dem Bodengashaushalt sowie von Bestandesernährung, -wachstum und -vitalität durchgeführt werden.
Infobox "Conventwald"
Der Bannwald im Forstbezirk Kirchzarten, östlich von Freiburg i. Br. liegt in der montanen Höhenstufe (700-860 mNN) am Südrand des Mittleren Schwarzwaldes. Er ist klimatisch geprägt durch ein atlantisch montanes Klima (Jahresdurchschnittstemperatur 7,3 °C, Jahresdurchschnittsniederschlag 1490 mm).
Das Untersuchungsgebiet umfasst einen naturnahen Buchen-Tannen-Fichten-Mischwald (Bannwald) sowie angrenzend verschiedene waldbaulich bewirtschaftete Flächen. Die Messflächen befinden sich zum einen in geschlossenen Beständen, wo Unterflächen in Kronenzentren, an Kronenrändern und in Kronenlücken angelegt wurden. Zum anderen wurden verschiedene größere, natürlich entstandene Bestandeslücken, mehrere Femellücken sowie ein Kleinkahlschlag instrumentiert, um deren unmittelbare Auswirkungen auf die Stoffflüsse in der Bodenzone zu beobachten. Am Auslass des Wassereinzugsgebietes werden – als integrales Maß für die Dynamik in den verschiedenen Bestandesstrukturen – die Menge des Gebietsabflusses sowie dessen chemische Zusammensetzung beobachtet.
Aus den langjährigen, nahezu lückenlosen Beobachtungen der Ökosystemstudie Conventwald können langfristige Trends, beispielsweise in den klimatischen Bedingungen, im Stoffeintrag oder im Stoffaustrag, aber auch kurz- und mittelfristige Reaktionen des Waldökosystems auf Störungen wie Hiebsmaßnahmen oder Trockenjahre abgeleitet werden. Im Folgenden werden ausgewählte Ergebnisse der Ökosystemstudie vorgestellt.
Hohe Stoffausträge in Fichtenbeständen
Sowohl die Stoffeinträge mit dem Niederschlag als auch die Austräge mit dem Bodensickerwasser unterscheiden sich deutlich zwischen den verschiedenen instrumentierten Bestandesvarianten. Der Vergleich der Ionenflüsse für einen 150-jährigen Buchen-Tannen-Fichten-Mischbestand und einen 100-jährigen Fichtenbestand zeigt das Potenzial der Baumartenwahl für den Erhalt geschlossener Stoffkreisläufe (Abb. 2). Die beiden Baumartenvarianten unterscheiden sich am stärksten beim Nitratfluss. Dieser ist im Buchen-Mischbestand vernachlässigbar niedrig, während er den Stoffhaushalt des Fichtenbestandes dominiert. Im Fichtenbestand treiben außerdem hohe Sulfatflüsse unterhalb 60 cm, welche aus der Remobilisierung von aus früheren Depositionen stammenden Schwefelausfällungen resultieren, den Austrag von basischen Kationen an. Im Buchenmischbestand ist die Stoffflussdichte unter der Wurzelzone niedriger als im Eintrag mit dem Niederschlag, wodurch die Nährelementvorräte im Boden weitgehend erhalten bleiben. Das dargestellte Beispiel zeigt, dass durch die Baumartenwahl sowohl ein nennenswerter Beitrag zur Erhaltung der Ernährungsfunktion des Bodens als auch anderer Ökosystemfunktionen wie Säurepufferung und Stickstoffspeicherung geleistet werden kann.
Abb. 2: Ionenflüsse über den gesamten Fließweg vom Freilandniederschlag (FRL) über den Bestandesniederschlag (Best.) durch den Boden bis in 100 cm Bodentiefe für ein Fichtenaltholz und einen Buchenmischbestand. Durchschnittswerte für die hydrologischen Jahre 1995 bis 2002.
Hohe Nitratausträge nach Holzernte
Exemplarisch zeigt Abb. 3 langjährige Nitratmessungen im Bodenwasser in einem Kleinkahlschlag, in zwei Femelschlägen und in einer aufwachsenden Buchennaturverjüngung. Abb. 3 zeigt, wie die Nitratkonzentrationen im Bodensickerwasser nach einem Hieb sprunghaft ansteigen. Die Femelschläge erzeugten im Bodensickerwasser ähnliche Nitratpeaks wie der Kleinkahlschlag, wirkten sich aufgrund ihrer geringeren Fläche aber deutlich weniger auf die Nitratfracht im Gebietsabfluss aus. Auffällig ist die Wirkung aufwachsender Naturverjüngung. Im Femelschlag, in dem zum Zeitpunkt des Hiebes bereits vitale Naturverjüngung vorhanden war, geht die Nitratkonzentration innerhalb weniger Jahre nach dem Hieb auf ihr Ausgangniveau zurück, während im Femelschlag mit fehlender Naturverjüngung bis zu 10 Jahre nach dem Hieb erhöhte Nitratkonzentrationen zu beobachten waren.
Abb. 3: Nitratkonzentrationen im Sickerwasser unterhalb des Wurzelraumes (120 cm Bodentiefe) in einer Buchennaturverjüngung (grün), einem Kleinkahlschlag (rot) sowie zwei Femellücken mit (hellblau) und ohne (dunkelblau) Naturverjüngung.
Ausgeglichene Elementbilanzen im Dauerwald
Aus den strukturbezogenen Einzelmessungen wurden kumulative Elementbilanzen für basische Kationen für gesamte waldbauliche Umtriebszeiten abgeleitet (Quelle). Im Untersuchungsgebiet waren 50 für unterschiedliche Bestandesphasen repräsentative Stoffbilanzen verfügbar, die zu unterschiedlichen waldbaulichen Behandlungsstrategien kombiniert wurden. Die Stoffbilanzen ergeben sich aus dem Stoffeintrag mit der Deposition und der Gesteinsverwitterung auf der einen Seite und dem Stoffaustrag mit dem Sickerwasser und dem Holzernteentzug auf der anderen Seite. Der Verlauf der basischen Kationenbilanzen (Ca, Mg, Na und K) über gesamte Umtriebszeiten hinweg wird in Abb. 4 für verschiedene, im Stoffhaushalt stark voneinander abweichende Waldbauverfahren gezeigt. Die beiden Kahlschlagsverfahren zeigen einen Netto-Verlust an basischen Kationen bis zu 5-6 kmolcha-1a-1 in der Kahlschlagsphase. Im Buchenbestand sind 25 Jahre nach der Kahllegung die Bilanzen basischer Kationen wieder ausgeglichen. Im Gegensatz dazu wird im Fichtenbestand ein Verlust basischer Kationen über die gesamte Umtriebszeit hinweg beobachtet. Der Buchen-Tannen-Fichten-Dauerwald erweist sich als die vorsichtigste Behandlungsstrategie, die keine längeren Perioden mit erheblichen Verlusten basischer Kationen aufweist.
Abb. 4: Verlauf der jährlichen basischen Kationenbilanz (Ca, Mg, Na und K) für einen Buchenreinbestand nach Kahlschlag (links oben), einen Fichtenreinbestand mit Kahlschlag (links unten) sowie einen Buchen-Tannen-Fichten-Mischwald in Dauerwaldbewirtschaftung.
Zusammenfassung & Ausblick
Stoffflussmessungen sind geeignete Instrumente um die durch Deposition von Säuren und Stickstoff angetriebenen Ökosystemveränderungen zu verstehen. In der Conventwald-Studie konnte gezeigt werden, dass waldbauliche Behandlungskonzepte einen wertvollen Beitrag zur Erhaltung der Standortsqualität leisten können. Lückenorientierte Bewirtschaftungsverfahren zeigten im Conventwald ausgeglichene Nährelementbilanzen. Im Gegensatz dazu führen weniger pflegliche Waldbauverfahren am gleichen Standort zu hohen Basenverlusten. Auch die Baumartenwahl beinhaltet ein nennenswertes Potenzial, der Bodenversauerung entgegenzuwirken. Im Conventwald zeigen die Buchenbestände tendenziell positive Basenbilanzen, während sie in Fichtenreinbeständen deutlich negativ sind.
Die Ergebnisse belegen, dass Ökosystemstudien wie die Conventwald-Studie oder das ICP-Forest-Programm wichtige Instrumente zur Überwachung der Standortsqualität und Nachhaltigkeit sind. Sie ermöglichen es außerdem, den Wert von Waldökosystemen für die Erbringung von Ökosystemdienstleistungen wie die Trinkwasservorsorge zu bewerten. Zukünftige Fragestellungen der Conventwald-Studie werden die Reaktionen des Waldökosystems auf den Klimawandel und die Gefährdung der Standortsnachhaltigkeit durch anhaltend hohe Stickstoffeinträge in den Fokus stellen.
