Gebhardt, Timo

English

Die prognostizierte Zunahme der Häufigkeit von intensiven und langanhaltenden Trockenheitsereignissen stellt die Forstwirtschaft vor eine Herausforderung. Jahrzehntelange Forstwirtschaft führte zu einer monokulturartigen Struktur der Fichte (Picea abies [L.] Karst.) außerhalb ihres natürlichen Verbreitungsgebietes. In Deutschland stellt die Fichte, mit einem Flächenanteil von ca. 25% der gesamten Waldfläche, die ökonomisch wichtigste Baumart dar. Aus diesem Grund werden Durchforstungen als waldbauliches Mittel zur Abmilderung des Trockenstressrisikos in jungen Fichtenbeständen diskutiert.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Potential und die Grenzen zunehmender Durchforstungsstärken im Hinblick auf die Abschwächung von Trockenheitsereignissen durch die Verringerung intraspezifischer Konkurrenz und erhöhter Wasserverfügbarkeit zu untersuchen. Um Unterschiede in der Reaktion der Bäume bei zunehmender Durchforstungsstärke auf strenge Trockenzeiten zu untersuchen und die Auswirkungen solcher Durchforstungsstärken auf den Wasserhaushalt festzustellen, wurde ein zweistufiger Ansatz mit retrospektiven Untersuchungen und in-situ Messungen gewählt.
Um die Reaktionen der Bäume auf strenge Trockenzeiten zu erfassen wurden retrospektiv auf zwei langfristigen Durchforstungsversuchen in Süddeutschland die Zuwachsreaktionen der Bäume in Verbindung mit den stabilen Kohlenstoff und Sauerstoff Isotopen im Früh- und Spätholz der Jahrringe aufgenommen. Die Erstdurchforstung mit ansteigender Durchforstungsstärke wurden 1974 in einem ca. 27-jährigen Fichtenbestand durchgeführt. Um mögliche Unterschiede in der physiologischen Reaktion und im Zuwachs zwischen den Bäumen auf den Flächen mit unterschiedlichen Durchforstungsstärken in den außergewöhnlichen Trockenjahren 1976 und 2003 aufzudecken, wurden die jährlichen Radialzuwächse sowie die Stabilisotopen-Analyse verwendet. 
Um die Änderungen im Wasserhaushalt mit zunehmender Durchforstungsstärken und das Potenzial der Durchforstungseingriffe Trockenheit abzumildern, zu untersuchen, wurde 2008 in einer ca. 26-jährigen undurchforsteten Fichtenmonokultur ein Durchforstungsexperiment etabliert. Vor dem Durchforstungseingriff Anfang 2009 wurden ca. 430 Auslesebäume pro Hektar ausgewählt. Dabei wurden auf dem Standort 3 Durchforstungsstärken ausgeführt: eine undurchforstete Fläche (NT) mit einer Bestandesgrundfläche von ca. 42 m2 ha-1, eine moderate Durchforstung (MT) mit einer Reduktion der Bestandesgrundfläche von 43% (Förderung der Auslesebäume durch die Entnahme der stärksten 1-2 Bedrängern) und eine starke Durchforstung (HT) mit einer Reduktion der Bestandesgrundfläche um 67% (Entnahme aller Bäume mit Ausnahme der Auslesebäume). Neben den Variablen des Wasserhaushaltes, wie Freilandniederschlag, Bestandesniederschlag, Bodenwassergehalt und Wasserverbrauch des Bestandes, wurden auch die strukturellen Änderungen (z.B. Feinwurzelbiomasse, Bodenvegetation) fortlaufend auf der Versuchsfläche aufgenommen.
Der retrospektive Ansatz zeigte, dass der trockenheitsbedingte Zuwachseinbruch kurzfristig nach dem Eingriff durch eine intensive Durchforstung verringert wurde, aber mittel- und langfristig erhöht war. Die kurzfristig erhöhte Resistenz im Zuwachs wurde auf eine zeitlich begrenzte erhöhte Wasserverfügbarkeit zurückgeführt. Nach beiden Trockenjahren, war die Erholung im Jahreszuwachs auf den stark durchforsteten Flächen verbessert. Sehr wahrscheinlich durch eine Verbesserung der Wasserverfügbarkeit in den kürzlich durchforsteten Beständen und längerfristig durch zusätzliche strukturelle Anpassungen (höhere Blattfläche und Feinwurzelbiomasse) der Auslesebäume durch wiederholte intensive Durchforstungseingriffe.
Der experimentelle Ansatz zeigte, dass die Entnahme der Grundfläche und dadurch der Blattfläche zu einer verringerten Transpiration und einem erhöhten Niederschlag auf Bestandesebene führte. Jedoch zeigte sich auch, dass die Auswirkungen auf die Bestandestranspiration und der Interzeption nicht proportional der Reduktion der Bestandesgrundfläche entsprachen. So führte die Durchforstung zu einer erhöhten Transpiration auf Einzelbaumebene der verbliebenen Bäume. Dennoch führte die Durchforstung zu einer erhöhten zuwachsbezogenen Wassernutzungseffizienz sowohl auf Baum- als auch auf Bestandesebene. Des weiteren, zeigten die Auslesebäume auf den durchforsteten Flächen über den gesamten Untersuchungszeitraum, auch während des Trockenjahres 2015, einen erhöhten Jahreszuwachs im Vergleich zu den Bäumen auf den undurchforsten Flächen. Bis zu 5-7 Jahre nach dem Durchforstungseingriff zeigten beide Durchforstungsstärken einen reduzierten Zeitraum unterhalb kritischer Bodenwassergehalte im Vergleich zu den undurchforsteten Flächen. Jedoch zeigte sich auch, dass mit zunehmendem zeitlichen Abstand nach der Durchforstung das Potenzial, den Zeitraum mit kritischen Bodenwassergehalten zu verringern, abnimmt. Des weiteren, führte die starke Durchforstung zu einer raschen Entwicklung einer vitalen Bodenvegetation und dadurch zu einem zusätzlichen Wasserverbrauch durch Evapotranspiration. Die zusätzliche Transpiration der Bodenvegetation führte innerhalb von 2 Jahren zu einer Angleichung im Wasserverbrauch zwischen der moderaten und der starken Durchforstung.
In ähnlicher Weise, wie auch im retrospektiven Ansatz zeigte sich während des Trockenjahres 2015 (7 Jahre nach der Durchforstung), dass die Auslesebäume mit zunehmender Durchforstung während des Trockenjahres tendenziell stärker im Zuwachs eingebrochen sind. Dies könnte zum Teil auf eine verstärkte Reduktion der Kronenleitfähigkeit, aufgrund der Freistellung der Auslesebäume zurückzuführen sein. Dennoch, führte die Bodenvegetation auf der starken Durchforstung zu einer Verstärkung der Konkurrenz um das Bodenwasser. Des weiteren, führte die unterirdische Konkurrenz der Bodenvegetation in den Jahren nach dem Durchforstungseingriff zu einer Unterdrückung der Erholung der Feinwurzelbiomasse des Baumbestandes auf den starken Durchforstungen im Vergleich zu der moderaten Durchforstung. Die verringerte Feinwurzelbiomasse im Verhältnis zu der erhöhten Blattfläche auf Baumebene und die Konkurrenz um Wasser kann den Trockenstress für die Auslesebäume während der Trockenheit erhöhen und mittelfristig die oben beschriebene verbesserte Erholung von Trockenzeiten abschwächen. 
Zusammenfassend konnte gefolgert werden, dass Durchforstungen das Potenzial besitzen Trockenstress abzumildern und die Erholung zu verbessern. Jedoch wurde auch gezeigt, dass die Vorteile eines Durchforstungseingriffes auf die Wasserbilanz zeitlich begrenzt sind und eine starke Durchforstung das Aufkommen einer Bodenvegetation fördern kann, welche die Konkurrenz um Wasser und um unterirdischen Feinwurzelzuwachses für die Auslesebäume erhöht. Bei einer zu schwach ausgeprägten Auslesedurchforstung (z.B. zu geringe Anzahl an geförderten Auslesebäumen) und dadurch eine nicht ausreichende Entnahme an Bestandesgrundfläche, wird die Nachfrage nach Wasser der Auslesebäume erhöht, ohne jedoch den Wasserhaushalt auf Bestandesebene zu verbessern. Eine zu starke Erstdurchforstung wiederum, kann zu einer aufkommenden Bodenvegetation führen, die die Vorteile auf den Wasserhaushalt der starken Durchforstung im Vergleich zu einer mehr moderaten Durchforstung verringert und möglicherweise das Trockenstressrisiko für die Auslesebäume erhöht. Die intensive moderate Durchforstung des Durchforstungsversuches (Entnahme von ca. 40% der Bestandesgrundfläche durch die Förderung von ca. 400 Auslesebäumen pro Hektar) - aber mit einer kurzen Zeitspanne zwischen den Durchforstungen von ca. 5 Jahren (für die ersten Durchforstungseingriffe) scheint eine praktikable Möglichkeit zu sein, um Trockenstress während einer Trockenheit abzumildern und in Kombination mit geförderten strukturellen Anpassungen der Auslesebäume die Erholung zu verbessern. Dies kann vor allem für die durch Sekundschädlinge gefährdete Fichte von besonderer Bedeutung sein.
Aus diesem Grund scheinen wiederholte intensive Durchforstungseingriffe, bei gleichzeitiger Vermeidung aufkommender Bodenvegetation, die erfolgversprechendste forstwirtschaftliche Maßnahme in jungen Fichtenbeständen zu sein, um Trockenzeiten abzumildern ohne das Risiko für die Auslesebäume zu erhöhen und ohne den Blick auf die ökonomischen Anforderungen zu verlieren.The predicted increase in frequency of intense and prolonged drought events challenges forest management.  Centuries of forest management has led to Norway spruce (Picea abies [L.] Karst.) monocultures outside its natural range. In Germany, Norway spruce covers ca. 25% of the total forest area and represents the economically most import tree species. Thinning as a silvicultural measure has been discussed to reduce drought risk in young Norway spruce stands.
The aim of the present study is to investigate the potential and the limits of increasing thinning intensity to mitigate drought by reducing intraspecific competition and increasing the availability of soil water. A two-tier approach (i.e. retrospectively and in-situ measurements) was applied to examine differences in tree response to severe drought within increasing thinning intensities and the effects of such thinning intensities on the water balance.
To investigate tree response to severe drought events radial growth increments in combination with stable carbon and oxygen isotopes in the early- and latewood per year ring were measured retrospectively at two long-term thinning experiments in southern Germany. The initial thinning with increasing intensities was conducted in 1974 within a ca. 27-year-old Norway spruce stand. Annual radial growth and stable isotope analyses were used to unveil differences in physiological performance and radial growth between trees within increasing thinning intensities to the exceptional drought events 1976 and 2003. 
To address changes in the stand water balance modified by increasing thinning intensity and therefore to investigate the potential to mitigate drought, a thinning experiment was established in 2008 in a 26-year-old un-thinned Norway spruce monoculture. Prior to the thinning treatment at the beginning of 2009 about 430 target trees per hectare were selected. On the experimental site 3 thinning intensities were conducted: A “not-thinned” control (NT) with a stand basal area of 42 m² ha-1, a moderate thinning (MT) with a reduction of the stand basal area by 43 % (thinning from above and fostering the target trees by removing 1- 2 competitors) and a heavy thinning (HT) with a reduction of 67% (removal of all trees except the target trees). Besides the variables of the water balance, like open field precipitation, throughfall, soil water content and stand transpiration, structural changes (i.e. fine root biomass, ground vegetation) altered by the increasing thinning intensities were continuously assessed on the research plots.
The retrospective approach showed, that the drought induced decline in radial growth during drought years was reduced by intense thinning on the short-term but increased on the medium to long-term. The higher resistance in radial growth on the short-term was attributed to increased soil water availability, but this advantage is likely to be reduced over time. After the drought events, the recovery was increased on the heavy-thinned plots from a likely increase of available soil water content in recently thinned stands and additionally structural adaptions of the target trees fostered by repeated intense thinning interventions (i.e. higher foliage area and fine root biomass) on the medium to long-term. 
The experimental approach showed, that the removal of basal area and therefore leaf area reduced transpiration on stand-level and an increased throughfall within the first years following the thinning intervention. But the thinning effect on stand transpiration and on Interception was not proportional to the reduction in basal area. The thinning led to an increased transpiration on tree-level of the remaining trees. Nevertheless, thinning increased the growth-related water use efficiency on tree- and stand level. Furthermore, over the whole study period the basal area increment was enhanced by thinning, also during the drought year. Furthermore, both thinning intensities allowed for a reduced time span below critical soil water content up to 5-7 years. However, with increasing time-lag after the thinning intervention the potential of thinning to reduce the time span decreased. Furthermore, the fast establishment of vital ground vegetation on the heavy-thinned plots added an additional water loss via evapotranspiration. The additional transpiration of the ground vegetation diminished the differences between MT and HT in stand transpiration within 2 years. Similar to the retrospective approach the radial growth decline in the target trees with increasing thinning intensity tended to be higher during the drought year in 2015 (7 years after initial thinning). This may partly be attributed to an intensified reduction of the canopy conductance compared to the pre-drought year(s) due to the open position of the target trees. Nevertheless, on HT the vital ground vegetation enhanced the competition for soil water. Moreover, the belowground competition of the ground vegetation also suppressed the recovery of fine root biomass on the heavy thinning plots compared to the more moderate thinning on the medium-term. The reduced fine root biomass compared to the increased leaf area on tree-level of HT and the competition for water may intensify drought stress for the target trees during the drought period and decrease the above mentioned favourable thinning effect on the recovery from the drought for HT on the medium-term.  
In summary it can be concluded, that thinnings have the potential to mitigate drought during and to improve the recovery from drought. However, it has also been shown, that the benefits of a thinning intervention on the water balance are temporary and heavy thinnings may foster ground vegetation, enhancing competition for water and belowground fine root recovery. Furthermore, if the thinning intensity is too low (by fostering not enough future crop trees) and therefore insufficient removal of basal area on stand level, the thinning intervention may increase the evaporative demand and insolation of the future crop tree without improving the water balance of the whole stand. Nevertheless, if the thinning intensity is too heavy the emerging ground vegetation may diminish the benefit of increased thinning intensity on the water balance compared to a more moderate thinning intervention without ground vegetation. The intense moderate thinning on the experimental site (removal of about 40 % basal area, fostering ca. 400 target trees, by removing 1-2 competitors), but with a relative short thinning frequency for the first interventions of about 5 years seems to be a viable option to mitigate drought during and in combination with fostering leaf and fine root biomass increment of the target trees, to improve the recovery from drought. This may be particularly important for Norway spruce endangered by secondary pests.
Therefore, the present study suggests that frequent and intense thinning interventions while preventing the establishment of a vital ground vegetation seems to be the most promising forest measure to mitigate drought in young Norway spruce stands without increasing risks and without losing sight of economic needs

Georg-August-University Göttingen

Picea abies and climate change – does increasing thinning intensity prevent drought stress?

https://ediss.uni-goettingen.de/bitstream/11858/00-1735-0000-0023-3F2A-B/1/Gebhardt_Dissertation_ohne%20CV.pdf

Picea abies and climate change – does increasing thinning intensity prevent drought stress?

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