Lehrforschungsprojekt: preFALL
Auswirkungen von simuliertem Trockenstress- und Borkenkäferinduziertem vorzeitigen Fichtennadelabwurf auf Stoffkreisläufe im Waldboden und ihrer Veränderung nach Bodenfeuern
Abgestorbene Fichten nach Borkenkäferbefall
Projektleitung: Prof. Dr. Beate Michalzik & Florian Achilles
Projektbearbeitung: Florian Achilles, Studierende im Modul GEOG 332 (WS 2022/23; WS 2023/24; WS 2024/25)
Laufzeit: seit 10/2022
Mittelgeber: Haushalt
Forschungsschwerpunkt: Stoffkreisläufe und Ökosystemprozesse
Inhalt:
Im Rahmen eines Lehrforschungsprojektes werden in einem Streumanipulationsexperiment in einem Kiefern-Fichten-Forst in Ostthüringen die Auswirkungen von simuliertem Trockenstress- und Borkenkäferinduziertem vorzeitigen Fichtennadelabwurf auf Stoffkreisläufe im Waldboden und ihrer Veränderung nach Bodenfeuern untersucht.
Im Zuge des weltweiten Klimawandels treten vermehrt in Deutschland Wetterextreme auf, die zu Störungen in den verschiedensten Ökosystemen führen. In diesem Zusammenhang sind auch Wälder mit vielfältigen Problemen konfrontiert, welche als ineinandergreifende Störungsereignisse (Trockenheit, Vegetationsfeuer und Borkenkäferbefall) unter anderem Auswirkungen auf Ökosystemeigenschaften und -dienstleistungen haben. Die Wälder im Bundesland Thüringen waren in den vergangenen Jahren mehrfach phasenweise stark von Trockenheit betroffen. Besonders anfällig für Trockenstress waren hierbei Fichtenforste, deren Hauptbaumart, die Gemeine Fichte (Picea abies), natürlicherweise an ein feuchtes und kühles Klima angepasst ist.
Trockenstress tritt auf, wenn Bäume nicht ausreichend Wasser erhalten, um ihre normalen physiologischen Funktionen aufrechtzuerhalten. Die durch längere Trockenperioden reduzierte Wasserverfügbarkeit im Boden führt dabei letztlich zu einer Schwächung betroffener Bäume und macht sie anfälliger für verschiedene Krankheiten und Forstschädlinge, darunter auch für Borkenkäferarten (Buchdrucker - Ips typographus und Kupferstecher - Pityogenes chalcographus). Klimaänderungsinduziert durch eine Zunahme der Jahresdurchschnittstemperatur und einer Zunahme von Frühjahrs- und Sommertrockenheiten, kommt es in letzter Zeit häufiger zu Insektenmassenvermehrungen. In ihrem Lebenszyklus als Pioniere im Abbau geschwächter Bäume, befallen Borkenkäfer Fichten und graben Gänge im Holz des Baumes zur Fortpflanzung. Anders als gesunde Bäume, können trockenheitsgestresste Individuen jedoch kaum mehr eindringende Borkenkäfer abwehren, da sie in ihrem Harzfluss stark eingeschränkt sind. Dies ermöglicht es den Borkenkäfern, sich nahezu ungehindert zu vermehren. Die Anlage von Fraßgängen im Bast des Baumes durchtrennt dabei essentielle Wasserleitungsbahnen im Holz, was zum Absterben des gesamten Baumes führt.
Untersuchungsregion und Borkenkäfer-Kalamitätsflächen
Foto: F. AchillesAusgangslage der Streumanipulation:
Durch die Unterversorgung der Baumkronen mit Wasser, trockenstressbedingt oder im Zuge eines Borkenkäferbefalls, kommt es zum Abwurf von Nadeln durch die Fichte in nennenswerter Menge. Dies dient, geringfügiger ausgeprägt, während Trockenphasen in erster Linie dem Selbstschutz (Verdunstung) und ist, bei Borkenkäferbefall, stark ausgeprägt als Nadelteppich am Waldboden eine Folge der Unterbrechung der Kronenraumversorgung.
Das lokal teils erhebliche Auftreten nicht gealterter und vorzeitig gefallener Streu, ausgelöst durch Störungsereignisse (greenfall) ist in Mitteleuropa von künftiger Bedeutung aufgrund von prognostiziert häufigeren Wetterextremen und des noch weit verbreiteten Vorkommens von Fichtenbeständen außerhalb ihres natürlichen Wuchsraumes. Grüne, abgeworfene Nadelstreu ist nährstoffreich, leichter abbaubar als gealterte Streu und besitzt einen hohen Gehalt an labilen organischen Verbindungen. In Zeit und räumlichem Ausmaß kann der vorzeitige Streufall einen hot moment und einen hot spot für biologische Abbauprozesse bilden (in kurzer Zeit auf begrenzter Fläche überdurchschnittlich hohe Umsatzrate organischen Materials möglich). Ein Auftreten solch erhöhter nährstoffreicher Streueinträge im Zuge von Ökosystemstörungen, ist bislang kaum untersucht und mit weitgehend unbekannten Effekten auf lokale Abbauaktivitäten und den Nährstoffhaushalt im Boden!
Teppich aus vorzeitig gefallener, grüner Nadelstreu am Waldboden
Foto: F. AchillesAuf der Untersuchungsfläche wurden im Jahr 2022, unter Trockenstressbelastung, als Simulation von Trockenheits- und Dürreauswirkungen auf Fichtenforste verschiedene Mengen vorzeitig gefallener, grüner Fichten-Nadelstreu auf die natürliche organische Auflage (Moderartiger Rohhumus) des Standortes auf definierten Flächen aufgebracht. Hierbei unterschied sich die Menge grüner Fichten-Nadelstreu:
- Trockenheits-Simulation: 0,25 kg/qm grüne Streu
- Dürre-Simulation: 1,0 kg/qm grüne Streu
Das Auftreten eines Nadelteppichs vorzeitig gefallener grüner Streu im ersten Jahr des Borkenkäferbefalls eines Fichtenbestandes (am Übergang der green-attack zur red-attack Phase), wurde im Herbst 2023 durch folgende Menge aufgebrachter Nadelstreu simuliert:
- Borkenkäfer-Simulation: 3,0 kg/qm grüne Streu
Die zusätzlichen Streumengen orientieren sich dabei an real im Zuge der jeweiligen Störungsereignisse auftretenden Massen an vorzeitig gefallener Streu. Zur Simulation eines geringintensiven Bodenfeuers (Brandtemperaturen an der Bodenoberfläche von ca. 400°C) wurden im Sommer 2023 unter strengen Brandschutzmaßnahmen auf der Versuchsfläche einzelne Wiederholungen der Trockenheits- sowie der Dürre-Simulation abgebrannt. Das simulierte Bodenfeuer richtete sich in Intensität und Branddauer nach realen Bodenfeuern und verbrannte Teile der organischen Auflage und größtenteils die im Streumanipulationsexperiment aufgebrachte grüne Fichten-Nadelstreu.
Versuchsdesign auf der Untersuchungsfläche
Foto: F. Achilles, L. M. Danius, S. Reichel, A. Vorberger-
Streumanipulation:Bodenatmungsringe und Lysimeter mit aufgebrachter grüner Nadelstreu
Ein zweiter Schwerpunkt im Lehrforschungsprojekt preFALL widmet sich den Auswirkungen von Bodenfeuern auf Stoffflüsse und Bodeneigenschaften beim Verbrennen vorzeitig abgeworfener Streu.
Die für Mitteldeutschland prognostizierte Zunahme an Sommertrockenheit und Hitzetagen kann zu einem vermehrten Auftreten von Waldbränden führen. Am häufigsten sind hierbei Bodenfeuer geringer Intensität (auch Lauffeuer genannt), bei denen es zum Brand der Streuauflage sowie der Bodenvegetation kommt. Bodenfeuer verändern die Eigenschaften des Waldbodens chemisch-physikalisch, indem es zur Abnahme von organischer Substanz unmittelbar nach dem Feuer (Verbrennung von Biomasse), zur relativen Zunahme von schwerer abbaubarer organischer Substanz (stark polymerisierte Verbindungen), zu einem pH-Anstieg in nichtkalkhaltigen Böden und zu einem vorübergehendem Anstieg der Nährstoffverfügbarkeit (Kationenfreisetzung aus organischer Substanz) kommt. Ferner tritt eine Volatilisierung des organischen Stickstoffs sowie eine teilweise Mineralisierung zu Ammonium und eine Abnahme mikrobieller Biomasse ein.
Im Lehrforschungsprojekt wurde zur weiteren Erforschung dieses Themenfeldes auf Teilen der Versuchsinstallationen ein gering intensives Bodenfeuer simuliert. Seither werden die Sickerwasserflüsse nach Brand analytisch begleitet und ausgewertet. Welche Auswirkungen ein Bodenfeuer auf Stoffflüsse und Bodeneigenschaften beim Verbrennen vorzeitig abgeworfener Fichten-Nadelstreu nach Trockenheit oder Borkenkäferbefall hat, ist bislang unbekannt!
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Bodenfeuer: Simulation eines geringintensiven Bodenfeuers
Ein dritter Schwerpunkt im Lehrforschungsprojekt preFALL bestimmt in einem Perkolations-Laborexperiment das Auswaschungsverhalten und die Niederschlagsintensitätsabhängigkeit von gelöstem und partikulärem Kohlen- sowie Stickstoff aus grüner, vorzeitig abgeworfener Fichten-Nadelstreu. Genutzt wird natürlicher Bestandesniederschlag aus standortsgleichen Fichtenwäldern. Im Experiment werden außerdem reale mittlere Sommer- und Wintertemperaturen simuliert, um die Temperatursensitivität der Flüsse von gelöstem und partikulärem C, N sowie der CO2-Emissionen zu untersuchen.
Erweitert wird das Forschungsspektrum durch die Untersuchung des Auswaschungsverhaltens von grüner, vorzeitig abgeworfener Buchen-Laubstreu nach identischem Versuchsdesign unter Nutzung von natürlichem Bestandesniederschlag aus standortsgleichen Buchenwäldern. Als Reaktion auf Trockenstress abgeworfene, nährstoffreiche grüne Laubstreu (greenfall) von Rotbuche (Fagus sylvatica) konnte insbesondere in den Jahren 2018 und 1019 beobachtet werden.
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Grüne Fichten-Nadelstreu, initial (0,65x).Foto: S. Reichel -
Grüne Fichten-Nadelstreu, nach Perkolation von Bestandesniederschlag nach 18. Beregnungsevent (0,65x).Foto: S. Reichel -
Perkolat nach viertem Beregnungsevent. Li POM, Re DOM: je v.l.n.r. Bestandesniederschlag, 20°C, 5°C.Foto: F. Achilles
Das Modul "GEOG 332 - Erfassung und Bewertung von Ökosystemprozessen und -funktionen" im Rahmen des Lehrforschungsprojektes preFALL ist Bestandteil im Zertifikatsprogramm Nachhaltigkeit der Friedrich-Schiller-Universität Jena (Stufe "Advanced") als wählbare Veranstaltung im Vertiefungsmodul Nachhaltigkeit.
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Totholzaufnahme auf der VersuchsflächeFoto: F. Achilles -
Oberflächentemperaturprofil des Waldbodens im Sommer (IR-Aufnahme)Foto: F. Achilles -
Hemisphärische Aufnahmen zur SolarstrahlungsberechnungFoto: F. Achilles -
Kronenraumstruktur (hemisphärische Negativ-Aufnahme)Foto: F. Achilles -
Filtration von LösungsprobenFoto: F. Achilles -
TOC-Analyse: Katalytische Verbrennungsoxidation zur Untersuchung von gelöster und partikulärer organischer SubstanzFoto: F. Achilles -
Photometer: Bestimmung von Ammonium in LösungsprobenFoto: A. Borrmann -
Elementaranalyse: Bestimmung von C- und N-Gehalten in BodenprobenFoto: F. Achilles
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ProjektlogoFoto: F. Achilles