Unsicherheit zukünftiger Waldentwicklung unter besonderer Berücksichtigung von Standort und Sterblichkeit der Wald-Kiefer (Pinus sylvestris L.) in Norddeutschland
Uncertainty of Future Forest Development with Special Regard to Site and Survivability of Scots pine (Pinus sylvestris L.) in Northern Germany
by Hergen Christian Knocke
Date of Examination:2025-09-12
Date of issue:2025-11-19
Advisor:Prof. Dr. Matthias Albert
Referee:Prof. Dr. Matthias Albert
Referee:Prof. Dr. Christian Ammer
Referee:Prof. Dr. Carola Paul
Sponsor:Waldklimafonds unter Aufsicht der Bundesministerien für Ernährung und Landwirtschaft sowie für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11605
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Abstract
English
Scots pine (Pinus sylvestris L.) is the most important tree species in northern Germany in terms of both area of cultivation and expected tolerance to drought stress. It typically occurs in poorly mixed, disturbance-prone stands that are around 75 years old. Against the backdrop of climate change and an imbalanced age structure, the question arises of how pine forest management can be further developed in ecological and economic terms to ensure long-term functionality and viability. This study investigates the future development of Scots pine forests under different realistic forest management and climate scenarios, with a particular focus on site conditions and survivability. The aim is to illustrate the range of potential development trajectories, to quantify associated uncertainties, and to derive silvicultural recommendations for an adaptation to dynamic environmental conditions. The research focuses on analyzing cause-effect relationships and developing a goal-means framework for forest development under uncertainty. Simulations were conducted for northwestern and northeastern Germany, regionally differentiated, in terms of yield sciences and silviculture significant drivers of forest restoration, both with and without disturbance impact. Additionally, the severity of disturbances in northwestern pine forests was modeled. To support the prioritization of silvicultural adaptation measures, a multi-criteria decision support system was developed that emphasizes the landscape level scale. Based on data from the third National Forest Inventory, eight forest management scenarios were simulated over a 50-year period at the single-tree level. In four site-specific and climate-sensitive scenarios without disturbance impact, forest development types were selected to promote either high or low stand mixture proportions of Scots pine. In a subsequent Monte Carlo simulation, four disturbance scenarios with varying severity levels were applied to the high-pine proportion scenarios. These scenarios contrast discrete, stand-wise disturbances with diffuse, tree-wise damage. Using a moving window approach of climate data, mortality was projected to potentially double in the future, depending on the tree species. By comparing the different management and disturbance scenarios, both the range of possible developments and the range of uncertainty were estimated. The results suggest that both the area of cultivation and growing stock of Scots pine could decline even under management practices designed to support the species. However, the stock of large-dimensioned timber and the amount of harvest increase under both disturbance severity scenarios. Forest development is more strongly influenced by silvicultural objectives and practices than by the choice of climate model. In monospecific stands, the forest landscape restoration rate ranges from 50 % to 72 %, largely depending on thinning intensity, as well as starting time and cycles of harvests. High-severity, discrete disturbances were found to accelerate forest restoration under the model assumptions. Given the currently high proportion of mature pine stands, the restoration rate is too slow and lacks sufficient differentiation to meet the challenges posed by climate change and the imbalance of the age structure. The study further investigated which disturbance factors influence Scots pine mortality and whether a severity can be modeled accordingly. This analysis was based on crowd sensing data from the governmental forest health notification portal, which was linked with forest management plans and weather data. The findings show that diffuse, low-severity disturbances are the most frequent over a ten-year period and are mainly triggered by wind. The average disturbance size covers 0.5 ha, with a median of 0.12 ha. Biotic disturbance factors cause higher severity than abiotic ones and are increasing in frequency. The severity of disturbances in Scots pine forests is strongly influenced by competitive pressure, as indicated by pine’s volume mixture ratio, as well as by site water availability. Particularly severe damage occurs on dry sites, although severity tends to rise again under favorable growing conditions. The Bayesian beta regression applied in this study achieves an explanatory power of 38 %. In the case study of the Lüchow-Dannenberg county, diverse site and stocking conditions at the landscape level scale were used to prioritize forest restoration across ownership boundaries. A multi-criteria decision analysis was conducted using remote sensing and field observation data to assess overstory tree species diversity and their tolerance to drought stress. Equal weighing of indicators produced a differentiated prioritization sequence, supplementing the previously monocriterial harvest definition based on target diameter. This work emphasizes the importance of evidence-based decision tools for fostering resilient forest development and highlights the need to revise existing silvicultural guidelines. In particular, uneven-aged and combined regeneration systems are suitable for emulating the natural disturbance regime of Scots pine in northern Germany. For achieving close-to-nature goals, the treatment of the subsidiary stand is substantial: To this end, reserves should be retained at sufficient densities and the initiation of harvests in the main stand should begin earlier than has been common practice. Harvesting sequences should be guided by multi-criteria prioritization at the landscape level and by a framework of target diameters. Overall, the intended forest development is less likely to succeed through static planning alone and will increasingly depend on dynamic adaptation processes. In light of uncertainty associated with climate change, the application of diverse silvicultural strategies represents a promising approach for responding flexibly and effectively to unforeseen challenges for Scots pine survivability.
Keywords: Scots pine; climate change; forest restoration; uncertainty; disturbance severity; mortality; survival probability; site drift; dynamical simulation; statistical growth model; multi-criteria forest planning; close-to-nature forestry; continuous cover forestry; decision support system
German
Die Wald-Kiefer (Pinus sylvestris L.) ist die hinsichtlich Anbaufläche und erwarteter Trockenstresstoleranz bedeutendste Baumart Norddeutschlands. Typisch sind wenig durchmischte, störungsanfällige Bestände im Alter von etwa 75 Jahren. Vor dem Hintergrund des Klimawandels und einer unausgewogenen Altersstruktur stellt sich die Frage, wie die Bewirtschaftung von Kiefernwäldern ökologisch und ökonomisch weiterentwickelt werden kann, um ihre Funktionalität zu erhalten. Diese Arbeit untersucht die zukünftige Entwicklung von Kiefernwäldern unter verschiedenen realitätsnahen Bewirtschaftungs- und Klimaszenarien mit Fokus auf Standortbedingungen und Sterblichkeitsprozesse. Ziel ist es, die Bandbreite möglicher Entwicklungsgänge aufzuzeigen, bestehende Unsicherheiten zu quantifizieren und waldbauliche Handlungsempfehlungen zur Ernte und Anbaueignung unter dynamischen Umweltbedingungen abzuleiten. Thematische Schwerpunkte liegen in der Analyse von Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen sowie der Entwicklung eines Ziel-Mittel-Systems für die Waldentwicklung unter Unsicherheit. Dabei werden für Nordwest- und Nordostdeutschland differenzierte, ertragskundlich und waldbaulich relevante Einflussgrößen auf den naturnahen Waldumbau simuliert – jeweils unter Einbeziehung und Ausschluss von Störungen. Ergänzend erfolgt eine Modellierung von Störungsschweregraden in nordwestdeutschen Kiefernwäldern. Zur prioritären Umsetzung waldbaulicher Anpassungsmaßnahmen wird ein multikriterielles Entscheidungsunterstützungssystem entwickelt, das sich auf die Landschaftsebene fokussiert. Basierend auf Daten der dritten Bundeswaldinventur wurden acht forstliche Bewirtschaftungsszenarien für einen Zeitraum von 50 Jahren auf Einzelbaumbasis simuliert. In vier ungestörten standort- und klimasensitiven Szenarien erfolgt die Auswahl von Waldentwicklungstypen mit dem Ziel, entweder hohe oder niedrige Kiefernanteile zu fördern. In einer anschließenden Monte-Carlo-Simulation wurden für die Szenarien mit hohem Kiefernanteil vier weitere Störungsszenarien mit verschiedenen Schweregraden definiert, die diskrete Bestandes- und diffuse Einzelbaumschäden kontrastieren. Anhand eines gleitenden Fensters von Klimadaten wird prognostiziert, dass sich die Sterblichkeit je nach Baumart zukünftig verdoppeln könnte. Durch die Gegenüberstellung unterschiedlicher Bewirtschaftungs- und Störungsszenarien wurde sowohl die Bandbreite möglicher Entwicklungen als auch das Ausmaß der Unsicherheit abgeschätzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anbauflächen und die Vorräte der Kiefer selbst unter fördernder Bewirtschaftung zurückgehen könnten. Dabei steigen die Starkholzvorräte und Nutzungsmengen sowohl mit als auch ohne Störungseinfluss. Die Waldentwicklung wird stärker von der Wahl der Waldbauziele und -verfahren, als von der Wahl der Klimamodelle beeinflusst. Die Waldumbaurate variiert bei ausgeprägten Reinbeständen zwischen 50 und 72 %; maßgeblich abhängig vom Durchforstungsregime sowie vom Zeitpunkt und Turnus der Ernte. Diskrete, hohe Schweregrade neigen dazu, den Waldumbau gemäß den Modellannahmen zu beschleunigen. Angesichts des gegenwärtig hohen Anteils alter Kiefernbestände erfolgt der Waldumbau insgesamt zu langsam und zu wenig differenziert, um den Herausforderungen des fortschreitenden Klimawandels und der unausgewogenen Altersstruktur angemessen zu begegnen. Untersucht wurde ferner, welche Störungsfaktoren die Mortalität von Kiefern beeinflussen und ob sich daraus Schweregrade modellieren lassen. Diese Analyse basiert auf Massenerfassungen im staatlichen Waldschutz-Meldeportal, die mit Forsteinrichtungs- und Wetterdaten verknüpft wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass diffuse Störungen mit niedrigen Schweregraden über einen Zeitraum von zehn Jahren am häufigsten auftreten und meist durch Wind ausgelöst werden. Die durchschnittliche Schadfläche beträgt 0,5 ha und die mediane Fläche liegt bei 0,12 ha. Biotische Störungsfaktoren verursachen im Vergleich zu abiotischen Faktoren höhere Schweregrade und nehmen zu. Der Schweregrad von Störungen in Kiefernwäldern wird besonders effektstark durch Konkurrenzverhältnisse, abgebildet durch den Mischungsanteil, sowie die Wasserverfügbarkeit beeinflusst. Insbesondere weisen Kiefern auf trockenen Standorten die stärksten Schäden auf. Es zeigt sich jedoch die Tendenz, dass die Schweregrade mit zunehmender Standortsgüte wieder ansteigen, wenn gleichzeitig die Baumartenvielfalt hoch ist. Die verwendete bayesianische Beta-Regression erreicht eine Erklärungskraft von 38 %. Im Fallbeispiel des Landkreises Lüchow-Dannenberg dienen die vielfältigen Standorts- und Bestockungsattribute auf Landschaftsebene als Grundlage zur Priorisierung eines besitzübergreifenden Waldumbaus. Mithilfe einer multikriteriellen Entscheidungsanalyse wurden Fernerkundungs- und Feldbeobachtungsdaten genutzt, um die Baumartenvielfalt im Oberstand und deren Trockenstresstoleranz zu bewerten. Durch Gleichgewichtung der Indikatoren ergibt sich eine differenzierte Reihenfolge, die die bislang monokriterielle Erntedefinition anhand eines Zieldurchmessers ergänzen kann. Die Arbeit betont die Bedeutung evidenzbasierter Entschei-dungsinstrumente für eine resiliente Waldentwicklung und unterstreicht die Notwendigkeit, die Waldbau-Richtlinien weiterzuentwickeln. Insbesondere kombinierte, ungleichmäßige Verjüngungsformen eignen sich, das natürliche Störungsregime der Kiefer in Norddeutschland nachzubilden. Für das Erreichen naturnaher Zielstellungen ist der Umgang mit dem Nebenbestand zentral, wofür Überhälter – durch früheren Erntebeginn als bisher – langfristig und in ausreichender Dichte ausreifen sollten. Die Ernteabfolge sollte durch eine multikriterielle Priorisierung auf Landschaftsebene und durch einen Zielstärkenrahmen ausgestaltet werden. Die zielgerichtete Waldentwicklung wird voraussichtlich weniger durch statische Planungen gelingen, sondern vielmehr durch dynamische Anpassungsprozesse. Vor dem Hintergrund der klimawandelbedingten Unsicherheit erscheint die Praktizierung einer Vielfalt an kombinierten Waldbauverfahren als ein geeigneter Ansatz, um differenziert auf unbekannte Herausforderungen reagieren zu können.
Schlagwörter: Wald-Kiefer; Klimawandel; Waldumbau; Unsicherheit; Störungsausmaß; Mortalität; Überlebenswahrscheinlichkeit; Standortsdrift; dynamische Simulation; statistisches Wuchsmodell; multikriterielle Forsteinrichtung; naturnahe Forstwirtschaft; Dauerwald; Entscheidungsunterstützungssystem
