Juchheim, Julia

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Die dreidimensionale Verteilung von Bäumen und ihren Kronen ist ein wesentliches Charakteristikum von Waldökosystemen, welche in direktem Zusammenhang mit verschiedenen Ökosystemfunktionen und –dienstleistungen steht. Waldbauliche Eingriffe verändern die Bestandesstruktur und haben somit einen großen Einfluss auf den ökologischen und ökonomischen Wert eines Waldes.
In der Vergangenheit war es schwierig quantitative Daten über die Auswirkungen verschiedener Managementansätze auf die Baumarchitektur und die dreidimensionale Bestandesstruktur zu erhalten. Umfassende manuelle Messungen von Kronenmerkmalen in Altbeständen waren arbeitsintensiv, zeitaufwendig und aufgrund der Komplexität des Kronendaches im großen Maßstab schwierig zu realisieren. In den letzten Jahren wurden bedeutende Fortschritte bei der Messung der dreidimensionalen Struktur mittels terrestrischem Laserscanning (TLS) bei vertretbarem Aufwand und hoher Genauigkeit erzielt. 
Das terrestrische Laserscanning ist eine bodengestützte aktive Fernerkundungstechnik, die den Abstand zwischen einem Laserscanner und einem Objekt durch das Aussenden von Laserstrahlen misst. Die Entfernung zum Ziel wird entweder durch die Phasendifferenz zwischen ausgesendetem und empfangenem Signal oder über die Signallaufzeit berechnet. Die räumlichen Daten der gescannten Objekte werden dann verwendet, um dreidimensionale Punktwolken zu erzeugen.
In der vorliegenden Arbeit haben wir terrestrische Laserscandaten verwendet, um den Einfluss der Waldbewirtschaftungsintensität und der Baumartenvielfalt auf die Architektur einzelner Bäume sowie auf die dreidimensionale Bestandesstruktur zu quantifizieren. Die Studien wurden im Rahmen der Biodiversitäts-Exploratorien durchgeführt. Hierbei handelt es sich um ein langfristig und groß angelegtes Projekt zur Erforschung der Beziehung zwischen Landnutzungsintensität und Biodiversität. Die Untersuchungsflächen befinden sich in drei verschiedenen Regionen in Deutschland: auf der Schwäbischen Alb in Südwestdeutschland, in der Hainich-Dün Region in Mitteldeutschland und in der Schorfheide-Chorin in Nordostdeutschland.
In unserer ersten Studie konnten wir zeigen, dass verschiedene Strukturmerkmale der Rotbuche (Fagus sylvatica L.), wie beispielsweise Kronen- und Stammform oder Verzweigungsmuster durch die waldbauliche Bewirtschaftungsintensität und die Bestandeszusammensetzung signifikant beeinflusst wurden. Unsere Ergebnisse verdeutlichen die hohe Plastizität der Rotbuche und weisen auf eine zunehmende Konkurrenz mit abnehmender Bewirtschaftungsintensität und auf einen höheren Konkurrenzdruck für Buchen in Reinbeständen im Vergleich zu Mischbeständen mit Edellaubhölzern hin.
Unsere zweite Studie zeigte, dass eine zunehmende Intensität der Bewirtschaftung in Buchenbeständen zu einer vertikal gleichmäßigeren Verteilung der oberirdischen Biomasse führte. Die regelmäßig durchforsteten Beständen wiesen, verglichen mit den unbewirtschafteten Beständen, trotz der Entnahme von Bäumen, eine höhere Raumbesetzung auf.  Unsere Ergebnisse zeigten darüber hinaus, dass eine höhere Raumbefüllung insbesondere in der Schattenkrone die Bestandesproduktivität positiv beeinflusst. 
In unserer dritten Studie stellten wir fest, dass eine zunehmende Baumartendiversität zu einer höheren Komplexität der Bestandesstruktur führt. Weiterhin konnten wir zeigen, dass ein zunehmender Laubbaumanteil die strukturelle Komplexität von Nadelbaumbeständen erhöht.
Die vorgestellten Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis darüber bei, wie verschiedene Bewirtschaftungsansätze die Baum- und Bestandesstruktur verändern und liefern Erkenntnisse, um bestimmte Ökosystemfunktionen und –dienstleistungen von Wäldern zu fördern.   
 The three-dimensional distribution of trees and their crowns is an essential characteristic of forest ecosystems that is directly related to several ecosystem functions and services. Silvicultural interventions modify the stand structure and thus have a major impact on the ecological and economical value of a forest stand.
In the past, it was challenging to obtain quantitative data on the effects of different silvicultural treatments on tree architecture and three-dimensional stand structure. Comprehensive manual measurements of crown characteristics in mature stands were labor-intensive, time-consuming and, because of the complexity of the canopy, difficult to realize on a large-scale. In recent years, terrestrial laser scanning (TLS) allowed great advances in measuring the three-dimensional forest structure with reasonable effort and high accuracy. Terrestrial laser scanning is a ground-based active remote sensing technique that measures the distance between a laser scanner device and an object by transmitting laser energy. The distance to the target is calculated either by the phase difference between the transmitted and the received laser light or by the laser return time. Spatial data on the scanned objects is then available in form of three-dimensional point clouds.
In the present work, we used terrestrial laser scanning data to quantify the impact of forest management intensity and tree species diversity on individual tree shape and three-dimensional stand structure. We conducted our studies within the framework of the Biodiversity Exploratories, a long-dated and large-scaled project which addresses the relationship between land-use intensity and biodiversity. The research plots are located in three different regions of Germany: the Swabian Alb in southwest Germany, the Hainich-Dün in central Germany, and the Schorfheide-Chorin in northeast Germany. 
In our first study we identified that structural attributes of European beech trees, such as crown and trunk shape or branching patterns, were significantly influenced by silvicultural management intensity and stand composition. Our findings demonstrate the high plasticity of beech and indicate an increasing competition with decreasing management intensity and a higher competitive pressure for beech trees growing in pure stands than for beech trees surrounded by valuable hardwoods.
Our second study showed that an increasing management intensity in beech stands led to a vertically more even distribution of aboveground biomass. The regularly thinned stands showed a higher canopy space filling compared to the unmanaged stands, despite the removal of trees. In addition, our results revealed that a higher space filling, particularly in the shaded canopy, positively affected stand productivity.
In our third study we could show that an increasing tree species diversity enhanced the complexity of the stand structure. Furthermore, we found that an increasing share of broadleaved trees increased the structural complexity of coniferous stands. 
The presented results contribute to a better understanding of how different management approaches modify tree and stand structure and provide insights to promote certain ecosystem functions and services of forests

Georg-August-University Göttingen

Quantifying the impact of forest management intensity and tree species diversity on individual tree shape and three-dimensional stand structure

https://ediss.uni-goettingen.de/bitstream/21.11130/00-1735-0000-0005-14DB-E/1/eDiss_Julia_Juchheim.pdf

Quantifying the impact of forest management intensity and tree species diversity on individual tree shape and three-dimensional stand structure

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