Peter Bebi1, 2, Frank Hagedorn2, Melissa Martin1, 2, Christian Rixen1, 2, Josef Senn2und Ueli Wasem2
1 WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF, Flüelastrasse 11, CH-7260 Davos Dorf
2 WSL Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf bebi@slf.ch, frank.hagedorn@wsl.ch, m.martin@slf.ch, rixen@slf.ch, josef.senn@wsl.ch, ueli.wasem@wsl.ch
1971), mikroklimatische Unterschu-chungen (TURNER et al. 1975), Böden (BLASER 1980) und Lawinenaktivität (RYCHETNIK 1985). Zudem wurden zahlreiche Begleitstudien durchgeführt, beispielsweise zur Photosynthese und zur Transpiration (HÄSLER1982) oder zum Wurzel- und Sprosswachstum (TURNER und STREULE 1983; HÄSLER
et al. 1999). Eine umfassende Übersicht über den Beginn der Stillbergfor-schung wurde in SCHÖNENBERGERund FREY(1988b) gegeben.
1 Beginn der
Stillbergforschung
Die Versuchsfläche Stillberg in einem typischen Lawinenanrissgebiet an der alpinen Waldgrenze wurde in den 1950er Jahren im Rahmen des ersten gemeinsamen F orschungsprogramms zwischen den WSL Standorten Bir-mensdorf und Davos eingerichtet. Das Hauptziel der Versuchsanlage lag zu-nächst darin, ökologisch und technisch geeignete Verfahren für Aufforstungen in Lawinenanrissgebieten im Wald-grenzenbereich zu finden (T URNER
1985). Nach diversen Vorversuchen wurden im J ahr 1975 mehr als 92 000 Arven, Bergföhren und Lärchen in ei-nem regelmässigen Muster gepflanzt, 400 Schneepegel gesetzt und in einem Drittel der aufgeforsteten Versuchsflä-che temporäre Lawinenverbauungen errichtet (Abb . 1). In den darauf fol-genden J ahren wurde ein intensives Monitoring dieser Bäume betrieben, im Rahmen dessen die Bäume jährlich ausgezählt, vermessen und bezüglich Schädigungen untersucht wurden (SCHÖ NENBERGERund FREY1988a). In hoher zeitlicher und räumlicher Auflö-sung wurden auch die wichtigsten Kli-maparameter und andere Standortfak-toren erhoben, beispielsweise Vegeta-tion (K UOCH 1970), W ind (NÄGELI
Am Stillberg wurde in den 1950er Jahren an der Waldgrenze eine Versuchsfläche zur Erforschung der Wiederherstellung des natürlichen Lawinenschutzes errich-tet. Der im Jahr 1975 systematisch mit 92 000 Bäumen bepflanzte Hang gibt seit-her Auskunft über die langfristige Wirkung verschiedener Umweltfaktoren an der alpinen Waldgrenze und über die Möglichkeiten und Grenzen von Hochlagenauf-forstungen. Seit einigen Jahren werden einzelne Bäume am Stillberg zudem expe-rimentell mit erhöhten CO2-Konzentrationen behandelt und erwärmt. Damit wurde der Stillberg zunehmend auch zum Experimentierfeld für die Beantwor-tung von Fragen rund um den Klimawandel. In diesem Beitrag ziehen wir eine Zwischenbilanz über die bisherigen Entwicklungen und zeigen, welche Lehren daraus im Hinblick auf die Bewirtschaftung von Waldgrenzen-Standorten und im Hinblick auf zukünftige langfristige Forschungsarbeiten gezogen werden können.
Abb. 1. Aufforstung in der steilen Lawinenanrisszone am Waldgrenzenstandort Stillberg im Jahr 1975 (Foto: W. Schönenberger).
2 Bäume an der Waldgrenze im Wandel von Raum und Zeit
Der nun schon mehr als 30jährige Überlebenskampf der Stillbergbäume an der Alpinen Waldgrenze hat deutli-che Spuren hinterlassen. Von den ur-sprünglich 92 000 gepflanzten Bäumen hatten 1985 noch 57,9 %, 1995 noch 40,2 % und bei der letzten Zustandser-fassung im J ahr 2005 nur noch rund 30,7 % überlebt. Dabei hatte sich schon wenige J ahre nach der Auffor-stung ein deutliches Muster von günsti-gen Standorten (mit hohen Überle-bensraten und gutem Wachstum) und ungünstigen Standorten herausgebil-det (SENN und SCHÖNENBERGER2001;
Abb. 2). Entscheidend dafür war in den ersten J ahren nach der Aufforstung nicht in erster Linie der Höhengra-dient der Fläche von 2000 bis 2230 m ü. M., sondern vor allem das durch ver-schiedene Expositionen und Gelände-formen bestimmte Kleinstandortsre-lief. Überleben und Wachstum der Bäume war am reich gegliederten Hang insbesondere dort gut, wo der Schnee früh ausaperte, wo die Sonnen-einstrahlung während des Sommers hoch war und wo die noch kleinen Bäume nicht durch Hochstauden und Reitgras konkurrenziert wurden (SENN
und SCHÖNENBERGER2001). Innerhalb des allgemein NE-exponierten Hanges waren diese günstigen Kleinstandorte vor allem E- bis SE-exponiert.
Dabei zeigten sich im Laufe des Jugendwachstums der Bäume baum-artspezifisch wechselnde Reaktions-muster. Während zu Beginn der Auf-forstung alle drei gepflanzten Baumar-ten gleichmässig vertreBaumar-ten waren, prägen heute vor allem die Lärchen das Bild (Abb . 2 und 3). Bergföhren und Arven wurden in den 1980er J ah-ren auf ungünstigen, spät ausapernden Kleinstandorten zunehmend vom Triebsterbepilz (Gremeniella abietina) befallen (SENN1999). Insbesondere die Arven, welche zusätzlich noch von der Ausbreitung des Schneeschüttepilzes (Phacidium infestans) betroffen wur-den, kommen deshalb fast nur noch auf sonnenzugewandten und im Winter mit wenig Schnee bedeckten Gelän-deerhöhungen vor , wo sie auch von Natur aus am besten gedeihen. Als die Stämme der Bäume dicker waren als
Abb. 2. Stillbergfläche im Jahr 2008.
30000 25000 20000 15000 10000 5000
0 1979 1985 1995 2005
Jahr
AnzahlüberlebendeBäume
Arven Bergföhren Lärchen
Abb. 3. Anzahl überlebende Bäume der drei gepflanzten Baumarten in den J ahren 1985, 1995 und 2005. Bei der Pflanzung im J ahr 1975 waren alle Baumarten in gleicher Anzahl vorhanden.
7 cm, wurden Bergföhren und Arven zunehmend anfälliger auf Stammbrü-che durch Schneebewegungen (HORAK
2004). Lärchen kommen aufgrund ih-rer grösseren Elastizität etwas später in dieses Stadium, wurden aber in den letzten beiden Wintern zunehmend durch den Druck von schwerem Schnee entwurzelt.
Auch die Bedeutung der verschiede-nen Einflussfaktoren auf das Baum-wachstum hat sich dabei im Laufe der Jahrzehnte verändert (Tab. 1). Je grös-ser die Bäume sind, umso weniger sind Wachstumsprozesse durch die
Exposi-tion bestimmt, dafür aber durch die Umgebungstemperatur und damit in-direkt durch die Höhenlage (T ab. 1).
Während im unteren Teil der Fläche die Bäume heute teilweise schon über sechs Meter hoch sind, wachsen sie nur 150 m weiter oben auch 34 J ahre nach der Pflanzung kaum über den wärmen-den Bowärmen-denbereich hinaus . Während Lärchen und Arven an Standorten mit vielen überlebenden Nachbarbäumen in den ersten J ahren nach der Pflan-zung noch stark gewachsen sind, hat sich dieser Effekt nach 1995 umge-kehrt (Tab. 1). Dies wurde auch durch
dendroökologische Untersuchungen bestätigt, welche zeigten, dass das Dik-kenwachstum der Lärchen im unteren Teil der Fläche seit dem J ahr 2002 durch Konkurrenz zwischen den Bäu-men eingeschränkt ist (AMOS2007).
Die im Laufe der Zeit wechselnde Bedeutung der ökologischen Einfluss-faktoren verdeutlicht die Wichtigkeit langfristiger Zeitreihen für die Wald-forschung generell und insbesondere für die Erforschung von Waldgrenzen-Ökosystemen, wo ökologische Prozes-se wegen niedrigerer Durchschnitts-temperaturen allgemein langsamer ab-laufen.
3 Wandel von
Forschungsschwerpunkten Seit den 1990er J ahre, als Hochlagen-aufforstungen in der Praxis sel tener, das Ausmass von natürlicher Waldaus-dehnung und Klimawandel deutlicher und die Finanzierung von Langzeitfor-schungsprojekten zunehmend schwie-riger wurden, hat eine Verschiebung der Forschungsschwerpunkte am Still-berg stattgefunden. Die Intensität des Monitorings hat drastisch abgenom-men, gleichzeitig sind neue Forschungs-felder, insbesondere auch Experimente zur Auswirkung von klimatischen Ver-änderungen auf Waldgrenzen-Ökotone dazu gekommen. Die gut dokumen-tierte Versuchsaufforstung am Stillberg mit verschiedenen Baumarten bietet
die einmalige Möglichkeit, an der na-türlichen W aldgrenze kontrollierte Versuche durchzuführen, da hier gleich alte und gleichmässig angeordnete Bäume jeweils gleicher Herkünfte zur Verfügung stehen.
In einem 2001 begonnen Experiment untersuchen F orschende, wie sich der abzeichnende Klimawandel auf die Ökosysteme an der Waldgrenze aus-wirkt (HÄTTENSCHWILER et al. 2002).
Wissenschafter der WSL, der Universi-tät Basel, und verschiedener ausländi-scher F orschungsinstitute simulieren hierbei auf das J ahr 2070 extrapolierte atmosphärische CO2-Konzentrationen und Temperaturen. Sie erhöhen dazu die CO2-Gehalte um 200 ppm (= heute + 50 %) und die Bodentemperaturen um 3 °C. Über perforierte Schläuche erhalten je zehn Lärchen und Bergföh-ren höhere CO 2-Konzentrationen, die gleiche Anzahl an Bäumen bleibt als Kontrolle unbehandelt. Unter jeweils der Hälfte der Bäume wird der Boden während der Vegatationszeit mittels Heizkabeln um 3 °C erwärmt. Die Wis-senschafter untersuchen die Reaktio-nen des Wachstums, den Nährstoffum-satz, den Schädlingsbefall sowie die Krankheiten der Bäume und die CO2 -Bilanz des Bodens (ASSHOFand HÄT
-TENSCHWILER2005; HANDAet al. 2005;
HAGEDORNet al. 2008).
Der simulierte Klimawandel wirkte sich unterschiedlich auf die verschiede-nen Arten aus. So zeigen Lärchen bei erhöhtem CO2-Angebot ein um rund
20 Prozent stärkeres Spross- und Dik-kenwachstum. Die Bergföhren steigern ihr Wachstum hingegen nicht (HANDA
et al. 2005 ). Bei ihnen begrenzen F ak-toren wie Temperatur und Schädlinge das Wachstum. Die Bergföhren profi-tierten vom erwärmten Boden. Zwerg-sträuchern wie der Krähenbeere (Em-petrum hermaphroditum) bekam die Wärme hingegen weniger gut. Sie erlitt Schäden durch Spätfrost da sie im Frühsommer zu früh zu wachsen be-gann (Abb . 4). Auch einige Lärchen wiesen F rostschäden auf , allerdings nicht wegen der Bodenerwärmung , sondern aufgrund des erhöhten K oh-lendioxids (MARTIN et al. in press).
Diese Lärchen legten im Vorjahr mehr Reserven an und trieben im F rühjahr eine Woche früher aus. Aus diesen Er-gebnissen folgern die Wissenschafter, dass der Klimawandel zu einer Arten-verschiebung führen könnte.
Erhöhtes CO2 wirkte sich auch auf den Schädlingsbefall aus: Im Sommer 2007 befielen Tausende Blattläuse vor allem die Bäume unter erhöhtem CO2. Denn dort fanden sie mehr Zucker . Und das hatte Folgen: Von den Läusen tropfte Zucker auf den Boden, was dort wiederum biologische Abbaupro-zesse in Gang setzte.
Bei Erwärmung um 3°C setzten akti-vere Mikroorganismen im Boden zu-sätzliche Mengen CO2frei, die nicht – wie erhofft – durch eine verstärkte CO2-Aufnahme durch erhöhtes Wachs-tum ausgeglichen wurden (HAGEDORN Tab. 1. Einfluss verschiedener Faktoren (Gelände, Nachbarschaft) auf das Wachstum der drei am Stillberg gepflanzten Baumarten in ver-schiedenen Zeiträumen.
Bemerkungen: Ein positives (negatives) Vorzeichen bedeutet einen positiven (negativen) Einfluss eines Umweltfaktors auf das Wachstum der Bäume im jeweilige Zeitraum.
Die Berechnung der Signifikanzen beruht auf ANOVA-Modellen zufällig ausgewählter Bäume unter gleichmässiger Berücksichtigung ver-schiedener Höhen-, Expositions- und Nachbarschaftsklassen. (Sign. ***: p < 0.001, **: p < 0.01, * < 0.05)
Zeitraum Lärchen(Larix decidua) Arven(Pinus cembra) Bergföhren(Pinus montana)
1975–1985 + Anzahl Nachbarbäume *** – N-Exposition *** – N-Exposition ***
– Höhe über Meer *** – Höhe über Meer *** – Höhe über Meer ***
+ Anzahl Nachbarbäume *
1985–1995 + Anzahl Nachbarbäume * – N-Exposition * – N-Exposition *
– Höhe über Meer* – Höhe über Meer *** – Höhe über Meer ***
+ Anzahl Nachbarbäume ***
1995–2005 – Anzahl Nachbarbäume *** – Höhe über Meer ***
– Höhe über Meer ***
et al. 2009). Mit Isotopenmessungen können die Wissenschafter nachwei-sen, dass das zusätzlich im Boden frei-gesetzte CO2beim Abbau des Rohhu-mus freigesetzt wird. Das CO2, das für die Begasung benutzt wurde , wies nämlich ein anderes Verhältnis der Kohlenstoff-Isotope C-12 und C-13 auf als der im Humus gespeicherte K oh-lenstoff. Die Isotopenmessungen erga-ben, dass eine substanzielle Menge Kohlenstoff aus dem Boden als Treib-hausgas CO2 in die Atmosphäre ge-langte, dass also Humus abgebaut wur-de (HAGEDORNet al. 2009). Damit wür-de dieses Ökosystem bei wür-der zu erwartenden Kilmaänderung zumin-dest anfänglich zu einer CO 2-Quelle.
Wie lange dieser Effekt andauert und welche mengenmässige Bedeutung er hat, werden die nächsten Versuchsjah-re zeigen. Auch bei solchen Experi-menten wird die Bedeutung von Lang-zeitversuchen deutlich: Die jährliche Variation von Klimafaktoren und Baumreaktionen ist so gross, dass rele-vante Folgerungen aus Freilandexperi-menten an der Alpinen Waldgrenze oft erst nach mehreren J ahren oder gar Jahrzehnten möglich sind.
Abb. 5. Arbeit an einem Baum des CO2 -Er-wärmungsexperiments.
4 Vor lauter Bäumen am Stillberg den Wald noch sehen
Die grosse Zahl gepflanzter und beob-achteter Bäume birgt eine gewisse Ge-fahr, dass vor lauter Bäumen und Daten der Wald beziehungsweise der praktische Nutzen der langjährigen Forschung nicht mehr gesehen wird.
Dass dem am Stillberg nicht so ist, zeigen wichtige Erkenntnisse zur Hochlagenaufforstung, welche aus der Stillbergforschung abgeleitet wurden (SCHÖNENBERGER et al. 1990) und in die Lehre eingeflossen sind. In gefrag-ten Kursen und Exkursionen wird seit Jahrzehnten der F orstpraxis, den Stu-denten und Wissenschaftlern die Be-deutung des Kleinstandorts an der oberen W aldgrenze gezeigt. A us der Waldgrenzenforschung wurde zusam-men mit den Försterschulen das K on-zept der Rottenaufforstung abgeleitet.
Nur eine dem Gelände angepasste , zeitlich gestaffelte Pflanzung kann an der Waldgrenze zu langfristigem Erfolg führen.
Statt wie früher flächig aufzuforsten, werden heute Ökologie und Klein-standort bei Aufforstungen im Gebirge stärker berücksichtigt und mit stand-ortgerechten Baumarten bepflanzt.
(Beispiel in Abb. 6). Beispielsweise wurden aus den Lehren vom Stillberg im Jahr 1984 in einer Waldbrandfläche im Münstertal zusammen mit dem Forstdienst eine Rottenaufforstung an der oberen Waldgrenze realisiert (SCHÖNENBERGER und WASEM 1997).
Die dort gepflanzten Bäume sind heu-te vier bis sechs Meheu-ter hoch und stabi-lisieren bereits die winterliche Schnee-decke. Wichtige Erkenntnisse für die Praxis konnten auch zur K ombination von Aufforstungen und technischem Verbau und zum Verhalten von Bäu-men bei Schneebewegungen imAnriss-gebiet abgeleitet werden. Temporäre Holzrechen, wie sie in einem Teil der Aufforstung errichtet wurden, haben sich zwar bei der Stabilisierung der Schneedecke am Stillberg wie auch in anderen Lawinenanrissgebieten bisher gut bewährt (LEUENBERGER2003). Sie trugen aber gleichzeitig wesentlich da-zu bei, dass der Schnee im F rühling länger liegen blieb und dass immergrü-ne Nadelbäume stärker von pathogeimmergrü-nen
Pilzen befallen wurden (S ENN 1999;
SENNund SCHÖNENBERGER2001).
Resultate aus den neueren Experi-menten zur Wirkung von Klimaeinflüs-sen auf die Bäume sind zwar nicht un-mittelbar in die Tat umzusetzen. Vor dem Hintergrund der ablaufenden Klimaänderung könnten aber diese Erkenntnisse bald wichtige praktische Bedeutung bekommen. Wenn beispiels-weise in wärmeren Böden mehr Hu-mus abgebaut wird und damit Wald-grenzen-Ökosysteme trotz Erhöhung von Biomasse nicht zu CO 2-Senken sondern zu CO 2-Quellen werden und wenn verschiedene Baumarten unter-schiedlich auf den Klimawandel rea-gieren, dann sind diese Resultate für ein nachhaltiges Waldmanagement der Zukunft von grosser Bedeutung.
60 50 40 30 20 10
0 AK AW EK EW
Frostschäden(%Deckung)
Abb. 4. Frostschäden bei der Krähenbeere (Empetrum hermaphroditum) bei unter-schiedlichen Behandlungsvarianten. AK = Aussen-CO2-Konzentrationen (380 ppm CO2), nicht erwärmt; AW = Aussen-CO2 -Konzentrationen (c. 380 ppm), erwärmt um 3 °C; EK = Erhöhte CO 2-Konzentrationen (570 ppm), nicht erwärmt; EW = Erhöhte CO2 Konzentrationen (570 ppm), erwärmt um 3 °C.
5 Schlussfolgerungen
Die Versuchsfläche am Stillberg wurde einst eingerichtet zur Erforschung von Möglichkeiten und Grenzen der Wiederaufforstung an der Alpinen Waldgrenze, um mit den gewonnen Er-kenntnissen Lawinenschäden zu ver-hindern oder mindestens zu reduzie-ren. Auch wenn einige wichtige prakti-sche Erkenntnisse schon nach wenigen Jahren ersichtlich waren und die F or-schungstätigkeit für ein paar Jahre fast aufgegeben werden musste, zeigte sich das eigentliche Potential der Anlage in vielerlei Hinsicht erst J ahrzehnte spä-ter. Ökologische Zeitreihen weisen oft
so starke Schwankungen auf , dass Ex-trapolationen aufgrund von einzelnen Versuchsjahren oft zu unvollständigen oder gar falschen Schlüssen führen.
Dies gilt insbesondere für Bäume an der Waldgrenze, für deren Wachstum und Überleben im Laufe ihrer Ent-wicklung verschiedene Einflüsse von wechselnder Bedeutung sind. Dank dem vor mehr als 30 J ahren systema-tisch angelegten und dokumentierten Versuchsaufbau, können am Stillberg heute und in Zukunft neue relevante Forschungsfragen angegangen werden, welche bei der Errichtung der Fläche noch nicht im Zentrum des Interesses gestanden sind.
Dank
Wir danken Ruedi Häsler für wertvolle Kommentare zu einer früheren Ver-sion des Manuskripts.
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Abstract
Long term treeline research Stillberg – Can we still see the forest for the trees?
The WSL-research site Stillberg was established in the 1950s to explore suitable ecological and technical measures in avalanche starting zones near the treeline. In 1975, the site was systematically planted with 92 000 trees of different species . Microtopography and in particular duration of snow cover was highly relevant for the survival and growth of trees , but the relative importance of environmental predictor variables were species specific and changed during the juvenile growth of the trees . Results of the long term observations on Stillberg helped to better understand ecological factors in high altitude afforestations. Today the systematic design of the research site still is a solid basis for simulating effects of elevated
The WSL-research site Stillberg was established in the 1950s to explore suitable ecological and technical measures in avalanche starting zones near the treeline. In 1975, the site was systematically planted with 92 000 trees of different species . Microtopography and in particular duration of snow cover was highly relevant for the survival and growth of trees , but the relative importance of environmental predictor variables were species specific and changed during the juvenile growth of the trees . Results of the long term observations on Stillberg helped to better understand ecological factors in high altitude afforestations. Today the systematic design of the research site still is a solid basis for simulating effects of elevated