| dc.contributor.advisor | Nagel, Jürgen Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Fischer, Christoph | |
| dc.date.accessioned | 2018-03-02T09:37:05Z | |
| dc.date.available | 2018-03-02T09:37:05Z | |
| dc.date.issued | 2018-03-02 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-002E-E373-7 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6684 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6684 | |
| dc.language.iso | deu | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 634 | de |
| dc.title | Laubholz mit niedriger Umtriebszeit in Nordwestdeutschland - Charakterisierung der Vorkommen, Wachstumsmodellierung und waldbauliche Steuerung | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.title.translated | Short-lived Deciduous Tree Species in Northwest Germany - Supply, Growth Modelling and Silvicultural Treatment | de |
| dc.contributor.referee | Nagel, Jürgen Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2017-10-27 | |
| dc.description.abstractger | Anhand der Daten der Bundeswaldinventur (BWI, Stichjahre 2002 und 2012) wurde das Aufkommen an Laubholz mit niedriger Umtriebszeit (ALn) in Niedersachsen analysiert. Es wurden eigene Berechnungen durchgeführt, um in Erweiterung zu den Standardergebnissen der BWI eine Einzelbetrachtung der unter ALn zusammengefassten Arten zu ermöglichen. Es lässt sich festhalten, dass sowohl beim Vorrat als auch bei der Fläche Birke und Erle mit 80 % den überwiegenden Anteil des ALn in Niedersachsen ausmachen. Daneben besitzen die Pappeln gewisse Bedeutung, die übrigen Arten zusammengenommen (Weide, Eberesche, Wildobst, Kastanie, Traubenkirsche, Hasel) weisen ca. 10 % des Vorrats- bzw. Flächenanteils auf. Mit 10 Mio. m³ stockt knapp ein Drittel des ALn-Vorrates in besonders geschützten Biotopen (§ 30 BNatSchG), wobei die Erle mit ca. 8 Mio. m³ den höchsten Beitrag leistet. Etwa 5 Mio. m³, d.h. 12 % des Gesamtvorrates, unterliegt rechtlichen und/oder geländebedingten Nutzungseinschränkungen. In der Verjüngung weisen Birke und Eberesche mit jeweils 30-40 % die höchsten Anteile auf. Daneben ist noch die Traubenkirsche (15 %) von Bedeutung. Die Alterklassenverteilung des Hauptbestandes zeigt eindeutige Schwerpunkte in der zweiten und dritten Altersklasse (Birke, Pappel) bzw. in der dritten Altersklasse (Erle). Das übrige ALn ist vor allem in der ersten Altersklasse vertreten. Aufgrund des Altersklassenaufbaus ist davon auszugehen, dass die Vorräte bei Birke und Erle zumindest in der nächsten Inventurperiode weiter zunehmen, mittelfristig ist aber mit einem Rückgang zu rechnen. Momentan ergeben sich bei beiden Baumarten zumindest theoretisch (d.h. ohne Berücksichtigung ökonomischer Restriktionen) relativ hohe Nutzungspotenziale, zumal gezeigt werden konnte, dass beachtliche Anteile des ausgeschiedenen Vorrates derzeit ungenutzt bleiben. Bei der Pappel mit dem dritthöchsten Anteil am ALn-Vorrat hat durch die Umwandlung der Nachkriegsaufforstungen bereits ein Vorratsabbau eingesetzt, der sich weiter fortsetzen wird, da der Pappel in der waldbaulichen Planung keine Rolle mehr beigemessen wird. Bezogen auf die Fläche ist davon auszugehen, dass das ALn insgesamt vor allem im Tiefland weiterhin bedeutende Anteile einnehmen wird. Allerdings muss künftig vermutlich mit einem leichten Rückgang der Fläche gerechnet werden. Bei der Erle sind aufgrund der spezifischen Standortansprüche keine gerichteten Flächenveränderungen zu erwarten. Die übrigen Baumarten (Birke, Eberesche, Weide, Aspe) dürften zwar einerseits von bestimmten Elementen des waldbaulichen Strategiewechsels profitieren. Dazu zählen z.B. das Einbeziehen von Naturverjüngung bei der Bestandesbegründung, die Erhöhung des Laubbaumanteils sowie die gezielte Förderung von Neben- bzw. Mischbaumarten. Auf der anderen Seite stehen aber der verstärkte Anbau von schattentoleranten Baumarten (z.B. Ablösung der Kiefer durch Buche und Douglasie im Tiefland) und die Wiedervernässung degradierter Moore, wodurch sich das Flächenpotenzial für das ALn konkurrenz- bzw. standortbedingt reduzieren dürfte. Zudem wurde für die Inventurperiode 2002-2012 ein Rückgang der sukzessionsbedingten Neuwaldbildung auf Grenzertragsböden im Tiefland festgestellt, der noch in der Vorperiode (1987-2002) ausschlaggebend für den deutlichen Anstieg beim ALn (v.a. Birke) war. Weiteres Ziel war es, für die ALn-Arten Einzelbaummodelle zu konstruieren und diese in eine forstliche Simulationssoftware zu integrierten, wobei ein Einzelbaummodell jeweils aus mehreren Komponenten (Regressionsmodellen) besteht. Der Fokus lag auf der Abbildung von Durchmesser- und Höhenzuwachs, Kronenbreite, Kronenansatz, Einzelbaumvolumen und -biomasse, Site Index sowie dichte- und altersbedingter Mortalität. Soweit möglich wurden die Funktionen an den Daten der Bundeswaldinventur in Niedersachsen und der Betriebsstichprobe der Niedersächsischen Landesforsten parametrisiert. Bei nicht ausreichender Datenlage wurden Modelle in der Fachliteratur recherchiert und nach Überprüfung ausgewählt. Der Durchmesserzuwachs auf Einzelbaumebene wurde über ein lineares Modell mit linksseitiger Variablentransformation formuliert. Die Box-Cox Transformation erwies sich dabei der üblicherweise verwendeten logarithmischen Transformation als überlegen. Als Prädiktoren wurden Durchmesser, Alter und Konkurrenzstatus des betrachteten Einzelbaumes verwendet. Der Höhenzuwachs wurde nichtlinear über den algebraischen Differenzenansatz in Abhängigkeit sowohl der Höhe als auch des Baumalters zum Ausgangszustand modelliert. Es wurden verschiedene Modelle getestet und entsprechend der Güte der Anpassungsstatistiken ausgewählt. Nach dem gleichen Verfahren wurden Funktionen zur Abbildung des Site Index ermittelt. In beiden Fällen konnten für alle betrachteten Baumarten stabile Parameterschätzungen erreicht werden. Über die Methode der Quantilsregression wurde aus den Einzelbaumdaten ein baumarten- und alterspezifischer maximaler Höhenzuwachs ermittelt und somit eine Begrenzungsfunktion für den Höhenzuwachs erstellt. Die Kronenbreite wurde als lineare Funktion des Baumdurchmessers beschrieben. Aufgrund der Datenlage musste hier auf Angaben aus der Literatur zurückgegriffen werden. Gleiches gilt für die Volumenschätzung auf Einzelbaumebene. Der Kronenansatz wurde nichtlinear über die Eingangsgrößen Baumhöhe, Baumdurchmesser, Verhältnis von Höhe zu Durchmesser sowie Bestandesoberhöhe beschrieben. Erwies sich die Schätzung eines oder mehrerer Parameter als instabil, wurden reduzierte Modelle verwendet. Die Einzelbaumbiomasse wurde über eine dreiparametrige Exponentialfunktion hergeleitet. Bei Birke und Erle konnte dabei auf eigene Daten zurückgegriffen werden, für die übrigen Arten wurden aus den Angaben zur Einzelbaumbiomasse in den Daten der Bundeswaldinventur Pseudobeobachten generiert und anschließend das Modell angepasst. Die maximale Bestandesdichte zur Berücksichtigung der dichtebedingten Mortalität im Modell wurde über die Bestandesgrundfläche als Funktion der Oberhöhe hergeleitet. Der Schwellenwert, ab dem die altersbedingte Mortalität mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit einsetzt, wurde baumartenweise aus dem 95%-Quantil der Altersverteilung bestimmt. Die aufgestellten Einzelbaummodelle bildeten die Basis für eine waldbauliche Szenariensimulation für die Baumarten Birke und Erle. Aktuelle waldbauliche Behandlungsempfehlungen, die zusammenfassend eine früh einsetzende und gezielte Bestandespflege zur Stammholzerzeugung vorsehen (NLF-Konzept), wurden mit vier alternativen Behandlungsvarianten verglichen (Nullvariante, Ertragstafel, Extensiv, Z-Baum-Auslese). Dies erfolgte anhand ertragskundlicher Kenngrößen, ökonomische Restriktionen blieben unberücksichtigt. Die Modellbestände wurden mit Oberhöhenbonitäten von 27 m (Birke) bzw. 32 m (Erle) initialisiert, das Anfangsalter wurde auf 15 Jahre (Birke) bzw. 10 Jahre (Erle) gesetzt, die Simulation erfolgte bis zum Alter 70. Im Variantenvergleich zeigte sich, dass das NLF-Konzept bei beiden Baumarten einen guten Kompromiss zwischen gesamter flächenbezogener Volumenleistung (VL, = verbleibender Vorrat + Nutzungsmenge) und Durchmesserentwicklung der Z-Bäume darstellt. Die höchste Gesamtwuchsleistung (GWL, = Volumenleistung + Mortalität) zeigte bei beiden Baumarten die Nullvariante, allerdings waren hier die Durchmesser (dg und dg der Z-Bäume) deutlich geringer als in den übrigen Varianten. Es wurde weiterhin bestätigt, dass bereits wenige, frühzeitige Eingriffe zu einer erkennbaren Steigerung des Durchmesserzuwachses führen können (Extensiv-Variante). Im Vergleich dazu führte eine permanente Auskesselung der Z-Bume über den gesamten Betrachtungszeitraum zwar zu den höchsten Durchmesserzuwächsen, allerdings wurde vor allem bei Erle die Volumenleistung in den Zwischenfeldern dadurch stark herabgesetzt und die GWL dieser Variante war entsprechend gering. Die Ertragstafelvariante zeigt bei beiden Baumarten sowohl bei Volumenleistungen und erreichten Durchmessern mittlere bis gute Ergebnisse. Im Unterschied zum extensiveren NLF-Konzept finden die Eingriffe jedoch über den gesamten Simulationszeitraum statt und es wird zusätzlich zur Z-Baum Freistellung eine Hochdurchforstung in den Zwischenfeldern bis zum Erreichen der Soll-Grundfläche durchgeführt, wodurch der Pflegeaufwand höher ist. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die dichtebedingte Mortalität bei beiden Baumarten einen hohen Anteil an der GWL ausmachen kann, wenn eine Bestandesbehandlung ausbleibt. Das zu wählende Behandlungskonzept hängt entscheidend von den individuellen Zielen in Bezug auf die angestrebte Sortimentsstruktur ab. Hierfür konnten die aufzeigten Varianten Hinweise geben. Eine Nichtbehandlung (Nullvariante) kann sich bei teuren Erntekosten und dem Ziel der Energieholzproduktion als geeignet erweisen. Andererseits lässt sich aber bereits durch wenige Eingriffe, vor allem in der frühen Altersphase, die Durchmesserentwicklung fördern und damit die Zusammensetzung der Sortimentstruktur verbessern. Eine permanente Auskesselung der Z-Bäume über den gesamten Produktionszeitraum scheint nicht ratsam, da hierdurch die Volumenleistung auf der Fläche zu stark vernachlässigt wird. | de |
| dc.description.abstracteng | The supply of short-lived deciduous trees (ALn) in Lower Saxony was analysed using data from the German national forest inventory (NFI, 2002 and 2012). The standard results of the NFI were augmented by own calculations, which allowed ALn species to be looked at individually. In terms of both standing volume and area covered, birch and alder, with 80 %, make up the major share of the ALn in Lower Saxony. Apart from these species, poplars are of some importance, while the remaining ALn species (willow, Mountain ash, wild fruit trees, chestnut, Red cherry, hazel) combined make up only around 10 % of the volume / ground cover. Almost one third (10 Mio. m³) of the ALn stock is growing in specially protected biotope areas (§ 30 BNatSchG – the nature protection legislation in Germany), with the alder, at ca. 8 Mio. m³, making up the greatest share. Around 5 million m³, or 12 % of the total standing volume, are subject to limitations on usage, either legal restraints or restrictions caused by difficult terrain. Birch and Mountain ash, with 30-40 % respectively, make up the highest proportion of the regeneration, with Red cherry (15 %) also having a considerable share. Trees in the second and third age-class (birch, poplar), or the third age-class (alder), make up the bulk of the main crop. The remaining ALn consists mainly of trees in the first age-class. The age-class structure means that, while the standing volume of birch and alder will probably further increase in the next inventory period, this volume will, however, decrease in the medium term. Both species have, at least theoretically (i.e. without taking economic restrictions into account), a relatively high usage potential, particularly as it could be shown, that a considerable proportion of the harvested wood-volume is currently not used. The transformation of poplar stands planted in the 1950s has already resulted in a reduction of the timber volume of poplar, the species with the third highest share of the ALn timber volume. As poplar is no-longer of importance for silvicultural planning, this trend will continue in the future. It can be assumed that ALn will continue to make up a significant share of the forest area, above all in the lowlands, although a slight decrease in the area covered is anticipated. Due to the very specific site requirements of alder, no intentional changes in the area covered for this species are expected. The remaining ALn species (e.g. birch, Mountain ash, willow, aspen) may benefit from some aspects of a silvicultural strategy change, for instance the inclusion of natural regeneration in stand establishment, the increased proportion of deciduous trees, or the targeted increase in secondary and admixed tree species. On the other hand, the increased planning of shade-tolerant species (for instance the replacement of pine with beech or Douglas fir in lowland areas) and the re-wetting of degraded moors will, through increased competition or denial of habitat, mean a reduction in the potential area available for ALn species. Furthermore, in the inventory period 2002-2012 a decrease in natural afforestation through succession on marginal ground in lowland areas has been recorded. This process was the main reason for the clear increase in ALn (above all birch) in the previous inventory period (1987-2002). The aim was to construct single-tree models for each ALn species and subsequently to integrate these models in a forestry simulation software. Each single-tree model consists of several components (regression models). The focus lay on the depiction of diameter and height growth, crown width, height to crown base, single tree volume and biomass, site index, as well as density and age related mortality. As far as possible the functions were parameterised using the national forest inventory (NFI) data for Lower Saxony and the Lower Saxony state forestry service inventory. Where insufficient data was available, models were researched in the relevant literature, checked and selected on merit.
The diameter growth at the level of the single tree was formulated using a model with left-sided variable transformation. For this the Box-Cox transformation proved to be superior than the logarithmic transformations usually used. The diameter, age and the competitiveness of the observed single tree were used as predictors. The height growth was modelled non-linearly using the algebraic difference approach as a function of the initial tree height and tree age. Different models were tested, the goodness of fit statistic being the selection criteria. Functions for determining the site index were developed using the same method. In both cases robust parameter estimates were achieved for all observed tree species. Using quantile regression, an age and species specific maximal height-growth was determined from the single tree data. A limiting function for height-growth was thus created. The crown width was described as a linear function of tree diameter. Because of insufficient available data, data from the literature had to be used in this case. The same was true for the volume estimate at the level of the single-tree. The crown basal height was described non-linearly using tree height, diameter, height/diameter ratio and stand top height as input variables. If the estimation of one or more parameters proved to be unstable then reduced models were used. The single-tree biomass was derived using a three parameter exponential function. For birch and alder own data was used. For the remaining ALn species pseudo-observations were generated from the NFI data on single-tree biomass and fitted to the model. The maximum stand density (for factoring density-related mortality into the model) was derived from the stand basal area as a function of stand top height. The threshold value, above which the age-related mortality is applied with a pre-defined probability, was determined per species from the 95 % quantile of the underlying age distributions.
The single-tree models introduced here form the basis of a silviculture scenario simulation for the species birch and alder. Current recommendations for silvicultural treatments, which envisage a stand treatment, that begins early and is aimed at the production of logs (NLF concept), were compared with four alternative treatment variants (no-action alternative, yield-table, extensive, elite-tree selection). This comparison was carried using yield performance indicators. Economic restrictions were not taken into account. The model stands were initialised with top-height site quality classes of 27 m for birch and 32 m for alder, while the initial age was set to 15 years for birch or 10 years for alder. The simulation ran to age 70. The comparison showed that the NLF concept is a good compromise between volume productivity (VP, = remaining volume + harvested volume) and the diameter growth development of the elite trees. The maximum total productivity (TP = VP + mortality) exhibits, for both species, the no-action treatment, although here the diameter (dg and dg of the crop trees) were considerably smaller than in the other variants. It was confirmed, that even few, early thinnings can lead to a recognisable increase in the incremental diameter growth (extensive variant). In comparison, although permanent release of crop trees over the entire simulation period led to the highest incremental diameter growth, the volume growth in the remaining trees was greatly reduced, in particular for alder, and the TP for this variant was lower. The yield table variant showed medium to good performance for both volume growth and in achieved diameter for both species. In contrast to the extensive NLF concept, the thinnings are performed over the entire simulation period and, in addition to the release of crop-trees, a thinning form above is carried out on the remaining stock until the targeted stand basal area is achieved. The maintenance costs are thus higher. It could also be shown that, for both species, the density-related mortality can make up a high proportion of the TP, if no stand treatment is undertaken. Which treatment concept is most appropriate depends entirely on the objectives, with regard to the desired assortment structure. The treatment variants listed here can provide some guidelines. No treatment, the no-action alternative, can be adequate if the harvesting costs are high and the goal is to produce fuel wood. On the other hand, even a few interventions, especially in the early phase, can improve the diameter growth, and thus improve the assortment structure. Keeping crop trees free over the entire production period does not seem advisable, as this leads to a reduction of volume productivity in the stand as a whole. | de |
| dc.contributor.coReferee | Ammer, Christian Prof. Dr. | |
| dc.contributor.thirdReferee | Saborowski, Joachim Prof. Dr. | |
| dc.contributor.thirdReferee | Spellmann, Hermann Prof. Dr. | |
| dc.subject.ger | Waldinventur | de |
| dc.subject.ger | Einzelbaummodell | de |
| dc.subject.ger | Waldbauliche Szenariensimulation | de |
| dc.subject.eng | forest inventory | de |
| dc.subject.eng | individual tree growth model | de |
| dc.subject.eng | scenario simulation | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-002E-E373-7-8 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie | de |
| dc.subject.gokfull | Forstwirtschaft (PPN621305413) | de |
| dc.identifier.ppn | 1015173071 | |