| dc.contributor.advisor | Dohrenbusch, Achim Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Punzet, Manuel | |
| dc.date.accessioned | 2021-07-02T09:29:33Z | |
| dc.date.available | 2021-07-09T00:50:09Z | |
| dc.date.issued | 2021-07-02 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0008-588B-9 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8699 | |
| dc.language.iso | deu | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 634 | de |
| dc.title | Untersuchungen zum Einfluss des Klimas auf das Wachstum der Hauptbaumarten in Deutschland | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.title.translated | Investigations on the influence of the climate on growth of the main tree species in Germany | de |
| dc.contributor.referee | Dohrenbusch, Achim Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2020-08-19 | |
| dc.description.abstractger | Seit dem 20. Jahrhundert verändert sich das globale Klima in einer bislang nicht gekannten
Geschwindigkeit. Für Mitteleuropa bedeutet dieser Wandel eine stetige Zunahme der
mittleren Jahrestemperaturen, veränderte Niederschlagsverhältnisse sowie eine
zunehmende Frequenz und Intensivierung von Witterungsextremen wie Hitzewellen und
Dürreperioden. Dadurch verschieben sich auch die ökologischen Rahmenbedingungen für
unsere Wälder. Vielerorts sind die Reaktionen auf den Klimawandel bereits erkennbar. Sie
reichen von regionalen Produktionsrückgängen und Vitalitätsverlusten über
Verschiebungen in der Artenzusammensetzung bis hin zum großflächigen Absterben von
Bäumen.
Um die ökologischen, wirtschaftlichen und soziokulturellen Funktionen der Wälder zu
erhalten und Lösungen für einen an die Veränderungen angepassten Waldumbau zu
finden, ist es erforderlich die Prozesse des Klimawandels in den Wäldern zu verstehen. In
den vergangenen Jahren haben zahlreiche Studien dieses Phänomen mit
unterschiedlichen Ansätzen untersucht. Häufig beziehen sich diese Studien auf lokale
Gebiete oder berücksichtigen aufgrund des hohen Aufwands nur wenige Bäume. Die drei
Bundeswaldinventuren von 1986-1989 (BWI1), 2001-2002 (BWI2) und 2011-2012 (BWI3)
liefern einen umfassenden Datensatz für das gesamte Bundesgebiet über einen Zeitraum
von über 25 Jahren. Bislang wurden diese Daten zur Analyse von klimabedingten
Wachstumsuntersuchungen jedoch noch wenig genutzt.
Ziel dieser Arbeit war es herauszufinden, ob Waldinventurdaten ein geeignetes Medium
darstellen, um klimabedingte Zuwachsreaktionen für die Hauptwirtschafts-baumarten
Gemeine Fichte (Picea abies, (L.) H.Karst.), Rot-Buche (Fagus sylvatica, L.), Wald-Kiefer
(Pinus sylvestris, L.), Trauben-Eiche (Quercus petraea, L.), Stiel-Eiche (Quercus robur, L.)
und Weiß-Tanne (Abies alba, Mill.) abzuleiten, anhand derer praktikable Aussagen
bezüglich ihres Anbaurisikos und der Zukunftssicherheit getroffen werden können. Für die
Zuwachsanalysen diente der jährliche Durchmesserzuwachs als Proxy für die Beurteilung
der Klimasensitivität. Die Berechnungen erfolgten auf Basis der Erhebungen der drei
Bundeswaldinventuren für jeweils zwei Zuwachsperioden (P1: 1986-2001, P2: 2003-
2011). Das Untersuchungsgebiet bezog sich auf die alten Bundesländer in Deutschland, da zum Zeitpunkt der BWI1 keine Inventurdaten für die Neuen Bundesländer vorlagen.
Als Klimafaktoren wurden Mitteltemperatur (°C), Niederschlagssumme (mm) und de
Martonne Index (dMI) für die forstliche Vegetationsperiode (IV-IX) verwendet. Auf
Grundlage des de Martonne Index wurde ein weiterer Klimaindex, die relative Häufigkeit
von Trockenmonaten (rHTM) abgeleitet. Dieser Klimaindex berücksichtigt zusätzlich
saisonale Klimaaspekte. Der Index basiert auf der Anzahl der Trockenmonate (dMI <20)
während der drei Untersuchungsperioden.
Der Ansatz verfolgte eine allgemeine Analyse der klimabedingten Zuwachsreaktion sowie
eine räumliche Betrachtung dieser Beziehung. Neben den oben genannten Klimavariablen
wurden weitere standörtliche und strukturelle Faktoren wie Hangneigung, nutzbare
Feldkapazität des effektiven Wurzelraumes und Baumalter in die Untersuchungen
einbezogen.
Die Klimaveränderungen der beiden Zuwachsperioden bezogen sich auf einen fünfzehn
jährigen Referenzzeitraum vor der ersten Waldinventur (P0 1971-1985). Auf den Trakten
aller sechs Hautbaumarten war eine Zunahme der Temperatur von 0.6 °C pro
Zuwachsperiode im Vergleich zur Periode vor den Inventuren (1971 bis 1985) zu
beobachten. Die Veränderung betraf nahezu das komplette Untersuchungsgebiet. Der
Niederschlag nahm über den Untersuchungszeitraum nur geringfügig zu. Allerdings war
die Niederschlagsverteilung in den Perioden sehr heterogen. Auch der de Martonne Index
veränderte sich auf den meisten Standorten nur wenig. Der für trockenheitssensitive
Arten kritische Wert von 25 wurde nur an drei Standorten unterschritten. Die relative
Häufigkeit von Trockenmonaten hatte eine größere Dynamik als die vorhergehenden
Klimafaktoren. Von P0 zu P1 wurde es für die meisten Bäume zunächst feuchter und von
P1 zu P2 nahm die Häufigkeit der Trockenmonate wieder zu. Auch die Häufigkeit trockener
Monate zeigte eine räumlich heterogene Verteilung.
Der Vergleich der Durchmesserzuwächse beider Zuwachsperioden (P1 und P2) ergab,
dass bei allen Baumarten, außer bei Trauben-Eiche, der Durchmesserzuwachs in P1 höher
war als in P2.
Bei der Analyse der Beziehung von Klima und Durchmesserzuwachs konnten für die sechs
Hauptbaumarten artspezifische Zuwachsmuster gefunden werden. Die ZuwachsKlimahüllen für Niederschlag und Temperatur zeigten für Gemeine Fichte und Weiß-
Tanne unterschiedliche Zuwachsmuster in beiden Zuwachsperioden, während die übrigen vier Hauptbaumarten in beiden Perioden ein ähnliches Zuwachsmuster aufwiesen. RotBuche und Trauben-Eiche hatten ihr Zuwachsoptimum bei mittleren Niederschlägen
zwischen 400 und 600 mm in der Vegetationsperiode und oberhalb von 14.5 °C. WaldKiefer und Stiel-Eiche zeigten auch bei Niederschlägen unterhalb von 400 mm hohe
Zuwächse. Bei Gemeiner Fichte war kein spezifischer Zuwachstrend erkennbar. Bei der
Weißtanne führten Temperaturen oberhalb von 15 °C zu reduziertem Zuwachs.
Dieser Trend wurde durch den Vergleich der Zuwächse von fünf Ariditätsklassen (sehr
seltene, seltene, mittlere, häufige und sehr häufige relative Häufigkeit von
Trockenmonaten (rHTM)) bestätigt. In 8 von 12 Fällen fiel der durchschnittliche Zuwachs
in den Kategorien häufige und sehr häufige Anzahl von Trockenmonaten höher aus als der
durchschnittliche Zuwachs. Der Zuwachs in den Kategorien geringe und sehr geringe
Trockenmonate war in den meisten Fällen unterdurchschnittlich. Dies lässt sich dadurch
begründen, dass diese Ariditätsklassen meist in den höheren Gebirgslagen auftraten, wo
Strahlung und Temperatur geringer sind als in Tieflagen.
Um räumliche Aspekte der Klima-Zuwachsbeziehungen zu berücksichtigen, wurden
mittels räumlicher Clusteranalysen Gebiete mit ähnlichen Zuwachsverhalten lokalisiert
und hinsichtlich ihrer klimatischen Einflüsse untersucht.
Die räumliche Clusteranalyse ergab für über 50% der Einzelbäume keine Clusterung in
Bezug auf den Zuwachs. Das heißt, dass in den meisten Regionen die Zuwächse der
Einzelbäume sehr stark variierten und kein räumliches Muster abgeleitet werden konnte.
Für die andere Hälfte der Individuen lag eine räumliche Clusterung hoher und niedriger
Zuwächse zu etwa gleichen Anteilen vor. Die Cluster mit hohen Zuwächsen (HighCluster)
waren vor allem in Gebieten mit feucht warmen Klima zu finden. Während die Zuwächse
in feucht kühlen Hochlagen oft geringer ausfielen (LowCluster). Bei Gemeiner Fichte, RotBuche und Weiß-Tanne konnte regional eine Zuwachsreduktion bei zunehmenden
Temperaturen und Trockenheit beobachtet werden, während bei Wald-Kiefer und beiden
Eichenarten geringe klimabedingte Veränderungen auftraten.
Neben klimatischen Faktoren spielt auch das Wasserspeichervermögen des Bodens eine
wichtige Rolle für das Wachstum. Bei häufiger Trockenheit (rHTM>40%) reagierten
Gemeine Fichte, Rot-Buche, Trauben-Eiche und Weiß-Tanne auf Standorten mit sehr
geringer nutzbarer Feldkapazität des effektiven Wurzelraumes (<50 mm) mit vermindertem Zuwachs im Vergleich zu Böden mit besser Wasserspeicherkapazität. WaldKiefer und Stiel-Eiche zeigten auf Böden geringer Feldkapazität höheres Wachstum. Bei
mittlerer Trockenheit (30 %> rHTM <40 %) hatte die nutzbare Feldkapazität des effektiven
Wurzelraumes keinen Einfluss auf ihren Zuwachs.
Anhand von multifaktoriellen Analysen wurden weitere ökologische und standörtliche
Faktoren identifiziert, wodurch die Bedeutung des Klimas für den Zuwachs besser
eingeschätzt werden konnte. Hierfür wurden geographisch gewichtete Regressionen
verwendet, die zusätzlich zu den Eingangsfaktoren auch räumliche Aspekte
berücksichtigten.
Die geographisch gewichteten Regressionen zeigten, dass insbesondere die Faktoren
Alter, Ausgangs-BHD und Bestandesgrundfläche (Konkurrenz) den Zuwachs beeinflussten.
Von den Klimavariablen hatte die Temperatur den größten Anteil als erklärende Variable.
Sie war bei 54% der Modelle von Relevanz. Danach folgte Niederschlag mit 38%. Die
relative Häufigkeit von Trockenmonaten kam in 23% der Modelle als erklärende Variable
vor.
Bei der Bewertung der Ergebnisse ist zu berücksichtigen, dass zwar baumartenspezifische
Muster gefunden wurden, die auf klimabedingte Zuwachsreaktionen hindeuten, häufig
kein statistischer Zusammenhang für die Klima-Zuwachsbeziehung gefunden wurde. Eine
der Ursachen für die geringe Prognosegüte ist auch dadurch zu begründen, dass der
Durchmesserzuwachs aus zwei Durchmesserwerten berechnet wurde, die in einen
mehrjährigen Abstand von 11 bis 15 Jahren gemessen wurden. Zuwachsreaktionen der
Bäume in Jahren mit extremen Witterungsbedingungen konnten dadurch nicht abgebildet
werden, obwohl sich gerade auch in der jüngsten Vergangenheit gezeigt hat, dass extreme
Situationen den Zuwachs und die Vitalität direkter und intensiver beeinflussen können als
stetige Veränderungen. Somit sind die Zuwachsdaten der Waldinventuren aufgrund der
langen Zeitintervalle nur bedingt geeignet, um klimabedingte Zuwachsreaktionen
abzuleiten.
Die Ergebnisse der multifaktoriellen Analysen deuten darauf hin, dass die
Berücksichtigung weiterer Faktoren wie zum Beispiel Konkurrenz zu einer Verbesserung
der Prognosen führen kann. | de |
| dc.description.abstracteng | Since the 20th century, the global climate is changing at an unprecedented rate. For
Central Europe, this change means an increase in average annual temperatures, changing
precipitation conditions and an increase of weather extremes like heat waves and
droughts. Climate change also alters the ecological site-conditions of forests. In many
areas, effects of climate change are already recognizable. They range from regional
declines in productivity and loss of vitality to shifts in species composition and large-scale
tree mortality.
In order to preserve the ecological, socio-cultural and economic functions of forests it is
necessary to understand the processes of climate change. In recent years, numerous
studies have investigated this phenomenon with different approaches. Often, these
studies are conducted on smaller regional scale, due to the high costs, or only considered
a limited number of trees. The three German national forest inventories contain a
comprehensive dataset for the entire federal territory and for a period of more than 25
years. So far, however, these data have still been rarely used to analyze climate-induced
growth.
The aim of this work was to find out to what extent forest inventory data are suitable to
describe climate-related growth reactions for the main economic tree species Norway
spruce (Picea abies, (L.) H. Karst.), European beech (Fagus sylvatica, L.), Scots pine (Pinus
sylvestris, L.), sessile oak (Quercus petraea, L.), pedunculate oak (Quercus robur, L.) and
silver fir (Abies alba, Mill.).
The annual diameter increment served as proxy for the assessment of climate sensitivity.
The analysis was based on the data of the three German National Forest Inventories
(BWI1: 1986-1989, BWI2: 2001-2002, BWI3: 2011-2012) for two incremental periods each
(P1: 1986-2002, P2: 2003-2011). The analysis was restricted to the old federal states of
Germany, since no data was collected in the new federal stats during the first inventory1.
Mean temperature (°C), precipitation sum (mm) and the de Martonne index (dMI) for the
forest vegetation period (IV-IX) were used as the descriptive climate variables. Another
climate index, the the relative frequency of dry months (rHTM), was derived On the basis
of the de Martonne index. This index took seasonal climatic aspects into account. It was
based on the number of dry months (dMI <20) during the three study periods.
The approach followed a general analysis of climate-induced growth reaction as including
spatial analysis of this relationship. In addition to the climate, other site-specific and
ecological factors were included in the analysis.
The climatic changes of the two growth periods were related to a 15-year period before
the first forest inventory (P0 1971-1985). For all six tree species, an increase in
temperature of 0.6 °C per incremental period (P1 and P2) was observed compared to the
pre-inventory period (1971 to 1985). Almost the entire study area was affected by this
change in temperature. The precipitation slightly increased over the investigation period.
However, the distribution of precipitation in the growing season was very heterogeneous.
Also, the de Martonne index changed only slightly in most locations. The values fell below
the threshold of 25, considered to be critical for drought-sensitive species, at three sites.
The relative frequency of dry months had greater dynamics than the previous climatic
factors. From P0 to P1 it became moister for most trees and from P1 to P2 the frequency
of the dry months increased again. The frequency of dry months also showed a spatially
heterogeneous distribution.
The analysis of climatic growth relationships revealed species-specific growth patterns for
the six main tree species. The climatic envelopes for precipitation and temperature
showed different growth patterns for Norway spruce and Silver fir in the two incremental
periods, while the other four tree species showed a similar growth pattern in both periods.
European beech and sessile oak had their growth optimum on sites with an average
precipitation sum between 400 and 600 mm and mean temperatures above 14.5°C during
the growing season. Scots pine and pedunculate oak had high diameter increments even
at precipitation sums below 400 mm. No specific trend could be found for spruce. For the
silver fir, temperatures above 15°C resulted in reduced growth. These trends were
confirmed by comparing the increases of five aridity classes (very rare, rare, medium,
frequent and very frequent number of dry months (rHTM) with average increment of each
tree species. In 8 of 12 cases, the average increment in the categories frequent and very
frequent number of dry months was higher than the average increase. However, the
increase in very frequent drought was lower than in frequent drought. The increase in the
categories low and very low dry months was below average in most cases, which was due
to the fact that these arid classes mostly occurred in the higher mountain ranges where
radiation and temperature are lower than in low altitudes.
In order to consider spatial aspects of the climatic growth relationships, areas with similar
growth behavior were localized by means of a spatial cluster analysis and examined with
regard to their climatic influences.
Spatial cluster analysis showed no clustering in terms of growth for over 50% of the single
trees. This means that in most regions, the growth of individual trees varies greatly, that
there was no spatial pattern. For the other half of the individuals, spatial clustering of high
and low growth was roughly equal. The high-growth clusters were found mainly in wet,warm conditions. While clusters with low increment occurred especially in mid and high
altitudes with more humid and cool conditions. For Norway spruce, European beech and
silver fir, increasing temperatures and drought led to a reduction in diameter increment
between the two growth periods. While Scots pine and both oak species showed little
growth response to climate changes.
In addition to climatic factors, the water storage capacity of soils is also important for tree
growth. With frequent aridity (rHTM> 40%), Norway spruce, European beech, sessile oak
and silver fir showed reduced growth response at sites with very low field capacity
compared to soils with better water storage capacity. Scots pine and pedunculate oak
showed higher diameter increment on these soils. At a medium frequency of drought
events (40% <rHTM> 30%), the field capacity in the effective root zone had no impact on
diameter increment.
Multifactorial analyzes identified additional environmental and site factors, which
improved the ability to assess the importance of the climate for diameter growth. For this
purpose, geographically weighted regressions were applied which, in addition to the input
factors, also take spatial aspects into account.
The geographically weighted regressions showed that especially the factors age, diameter
at breast height and basal area (competition) influence the diameter increment stronger
than climate. Regarding the climate variables, temperature was the most frequent
significant factor. It was relevant in 54% of the models, followed by precipitation with
38%. The relative frequency of dry months occurred as an explanatory variable in 23% of
the models.
In general, tree-specific patterns could be found in the models, but in most cases the
statistical significance was weak. One of the reasons for the low predictive strength is
probably related to the fact that the diameter increase was calculated from two diameter
values, which were several years apart (ranging from 11 to 15 years). From this data
growth reactions in years with extreme weather conditions cannot be derived. However,
recent studies have shown that extreme conditions might influence growth and vitality
more strongly than successive changes in the overall climate conditions.
Due to the long time intervals between the inventories, the data of forest inventories are
conditionally suitable to estimate climate-related growth reactions. The results of the
multifactorial analyzes indicate that the consideration of other ecological and structural
factors may lead to an improvement in the forecasts. | de |
| dc.contributor.coReferee | Nagel, Jürgen Prof. Dr. | |
| dc.subject.ger | Rotbuche | de |
| dc.subject.ger | Waldkiefer | de |
| dc.subject.ger | Gemeine Fichte | de |
| dc.subject.ger | Traubeneiche | de |
| dc.subject.ger | Stieleiche | de |
| dc.subject.ger | Klimaerwärmung | de |
| dc.subject.ger | Witterungsextreme | de |
| dc.subject.ger | klimabedingte Zuwachsreaktionen | de |
| dc.subject.ger | Zuwachsreaktion | de |
| dc.subject.ger | Durchmesserzuwachs | de |
| dc.subject.ger | Bundeswaldinventur | de |
| dc.subject.eng | climate change | de |
| dc.subject.eng | tree growth | de |
| dc.subject.eng | growth reaction | de |
| dc.subject.eng | national forest inventory | de |
| dc.subject.eng | global warming | de |
| dc.subject.eng | common beech | de |
| dc.subject.eng | climate-related growth reactions | de |
| dc.subject.eng | Scots pine | de |
| dc.subject.eng | European beech | de |
| dc.subject.eng | Norway spruce | de |
| dc.subject.eng | pedunculate oak | de |
| dc.subject.eng | sessile oak | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0008-588B-9-6 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie | de |
| dc.subject.gokfull | Forstwirtschaft (PPN621305413) | de |
| dc.description.embargoed | 2021-07-09 | |
| dc.identifier.ppn | 176184444X | |