Hässig, J., Zimmermann, S., Waldner, P., Thees, O., & Lemm, R. (2009). Ein Modell zur Bewertung des Nährstoffentzugs durch die Holzernte - Erste Anwendung bei intensivierter Energieholznutzung im Schweizer Mittelland. In O. Thees & R. Lemm (Eds.), Mana

Ein Modell zur Bewertung des Nährstoffentzugs durch die Holzernte - Erste Anwendung

bei intensivierter Energieholznutzung im Schweizer Mittelland

Jörg Hässig, Stephan Zimmermann, Peter Waldner, Oliver Thees und Renato Lemm

Abstract. Da Nährstoffmangel im Waldboden das Baumwachstum beeinträchtigen kann, ist es von grosser Bedeutung, dass gerade im Hinblick auf die technische Rationa­

lisierung der Holzernte und auf die verstärkte Energieholznutzung eine Nährstoffbilanzie­

rung und Nachhaltigkeitsüberprüfung erfolgt. Der vorliegende Beitrag zeigt, wie sich Holzernte und Aushaltungsvarianten auf die Nährstoffbilanzierung auswirken und mit welchen Vermeidungsstrategien man die Risiken einer Nährstoffunterversorgung vermei­

den kann. Dazu müssen die Nährstoffzuflüsse und -abflüsse des Waldes modelliert und ihre Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit an konkreten Fallbeispielen geprüft werden.

Die Analyse zeigt auf, dass eine Vollbaumnutzung auf vielen Standorten längerfristig nicht nachhaltig ist. Da die Kompartimente Äste und Nadeln/Blätter bei allen Baumarten hohe Nährstoffgehalte aufweisen, ist das liegenlassen dieser Kompartimente die wir­

kungsvollste Massnahme zur Vermeidung einer Unterversorgung. An einigen Standorten im Schweizer Mittelland ist eher ein Stickstoffmangel als ein überhöhter Nitratgehalt im Bodenwasser zu verzeichnen. Eine überhöhte Biomassenutzung führt zu einem Un­

gleichgewicht des Nährstoffhaushaltes und kann die Bodenfruchtbarkeit mindern, was das Zuwachspotenzial der Wälder beeinträchtigen und somit die Nutzungsmöglichkeiten langfristig verringern würde. Im Bestand zurückgelassene Biomasse wird zu Humus ab­

gebaut, der die Bodenstruktur begünstigt und für die Speicherung und Freisetzung von Wasser und Nährstoffen wichtig ist.

Keywords: Biomasse, Baumkompartimente, Ernteexport, Deposition, Verwitterung, Auswaschung, Waldernährung, Nachhaltigkeit

Evaluation de la disponibilite durable en elements nutritifs en cas d'exploitation de bois - Premiere application modelisee en cas d'exploitation intensive de bois energie sur le Plateau Suisse

Resume. Le manque d'elements nutritifs dans les sols forestiers pouvant influencer la croissance des arbres, il est d'autant plus important d'etablir un bilan nutritionnel axe sur le lang terme. Ceci se justifie taut particulierement en vue d'une rationalisation technique de l'exploitation et d'une exploitation accrue du bois energie. Le present expose montre comment l'exploitation des bois et les variantes de gestion influent sur le bilan en ele­

ments nutritifs et avec quelles strategies une reduction des risques de sous-approvision-

Thees und Lemm (2009): Management zukunftsfähige Waldnutzung

nement en elements nutritifs est possible. Pour ceci, les apport et les ecoulements en elements nutritifs en foret ont ete modelises, tout comme leurs effets

a

long terme

a

l'aide d'exemples concrets. L'analyse demontre qu'une exploitation par arbre entier n'est

a

long terme pas durable sur de nombreuses stations. Les parties de l'arbre telles que les branches, les aiguilles et les feuilles presentent toujours des concentrations elevees d'elements nutritifs; le fait de laisser ces elements sur le parterre de coupe constitue la methode la plus efficace pour eviter un sous-approvisionnement. Sur certaines stations du Plateau suisse, on remarque plutöt un manque d'azote qu'un taux eleve de nitrate dans l'eau souterraine. Une exploitation trop intensive de la biomasse conduit

a

un desequilibre de la mineralisation et peut reduire la fertilite des sols, pouvant agir sur le potentiel d'accroissement des forets et,

a

long terme diminuer les possibilites d'exploitation. Les parts de biomasses restantes dans le peuplement sont decomposees en humus, qui favo­

rise la structure du sol ; elles sont donc necessaires au stockage et

a

la liberation de l'eau et des mineraux nutritifs.

1 Einleitung

1 . 1 Ausgangslage

Mit der Holzernte werden dem Waldboden Nährstoffe entzogen. Im Zuge des globa­

len Energiehungers und der technischen Rationalisierung der Holzernte steigt die Tendenz zur Vollbaumnutzung. Werden nicht nur das Schaftholz, sondern auch Äste, Reisig, Nadeln und Blätter genutzt, so erhöht sich der Nährstoffentzug beträchtlich. Je nach Ausgangsituation am Standort kann es in der Folge langfristig zu Verschlechte­

rungen der Nährstoffversorgung des Bestandes kommen. Mit einem erhöhten Risiko für die nachhaltige Bodenfruchtbarkeit ist auf empfindlichen Waldstandorten zu rech­

nen, wenn zukünftig eine intensivere Nutzung der Waldbiomasse erfolgt.

Die ökologischen Grenzen bzw. standortverträglichen Möglichkeiten der erhöhten Biomassenutzung sind aber wenig erforscht und in der Praxis unzureichend bekannt.

In der Folge ist der Umgang mit diesen Risiken bei der Bewirtschaftung des Waldes nicht geklärt und die Nachhaltigkeit unter Umständen nicht gewährleistet. Um die Konsequenzen einer rationellen Holzernte und verstärkten Energieholznutzung für den Ernährungszustand von Waldböden abschätzen zu können, muss der Nährstoff­

entzug durch die Holznutzung in Bezug zum gesamten Nährstoffhaushalt des Waldes gestellt werden. Dazu müssen die Nährstoffflüsse erfasst und bilanziert werden. Zu­

sätzlich zum Nährstoffentzug durch die Holzernte ist dabei die Auswaschung von Nährstoffen aus dem Boden durch Sickerwasser als Senke zu berücksichtigen. Als Quellen gelten die Freisetzung von Nährstoffen bei der Verwitterung des Gesteins und der Eintrag von Nährstoffen aus der Luft (atmosphärische Deposition). Als Vorrat berücksichtigt diese Arbeit die verfügbaren Nährstoffe bis in eine durchwurzelbare Bodentiefe von max. 60 cm. Waldbauliche Massnahmen können auch einen direkten Einfluss auf einzelne Nährstoffflüsse haben. Beispielsweise können grössere Femel- 1 92

Hässig et al.: Ein Modell zur Bewertung des Nährstoffentzugs durch die Holzernte und Kahlschläge durch Veränderung des Mikroklimas in Bodennähe zu einer ver­

stärkten Nährstoffauswaschung führen (Hegg et al. 2004; Wilpert 2006).

Die Mangelerscheinungen reichen, je nachdem welcher Nährstoff mangelhaft vor­

handen ist, von unspezifischem Versorgungsmangel und Verfärbung der Blätter IN adeln über verminderte Resistenz gegenüber Stresssituationen bis zur Wachstumseinbusse.

Vor allem Kalium, Magnesium und Phosphor, aber auch verschiedene Spurenelemente, wie Eisen und Mangan, sind von grosser Bedeutung, da sie Hauptrollen beim Energie­

haushalt der Zelle, bei Enzymreaktionen oder bei der Assimilation einnehmen. Die Bedeutung des Ca liegt vornehmlich in seinem Beitrag zur Basensättigung des Bodens (Kilian et al. 1994). Grosse Bedeutung kommt auch den Bodentypen zu. Sie weisen unterschiedliche Eigenschaften bei der Nährstoff- und Wasserspeicherung sowie bei der Säurepufferung auf (Evers und Hüttl 1992). Stickstoff kommt insofern eine grosse Be­

deutung zu, als er aus Mangel an vielen Standorten wachstumslimitierend ist, bei höhe­

rem Eintrag wachstumsfördernd wirkt, und bei übermässigem Eintrag auch zu Versaue­

rung und Nährstoffungleichgewicht führen kann (Aber et al. 1998; Schleppi et al. 2003;

de Vries et al. 2006; Waldner et al. 2007).

1 .2 Ziel

Im Hinblick auf das Risiko von Mangelerscheinungen an Bäumen durch Nährstoffun­

terversorgung, war das Ziel der Untersuchung, ein praxistaugliches Modell zu entwi­

ckeln, um die Auswirkungen von verschiedenen Nutzungsarten auf die Nährstoffbilanz der wichtigsten Waldstandorte in der Schweiz zu untersuchen und das Risiko zu beur­

teilen. Als Basis wird ein Waldentwicklungsmodell verwendet, welches sowohl das Wachstum auf verschiedenen Standorten abbildet und die Waldbauvarianten unter­

schiedlicher Intensität simuliert als auch diverse Ernteverfahren modelliert (Rosset et al. 2009, in diesem Buch). Als Ergänzung wird ein Nährstoftbilanzierungsmodell eingeflochten, das näher erläutert wird. Gestützt auf dieses Gesamtmodell wird am Beispiel eines Bestandes im Schweizer Mittelland getestet, wie sich die verschiedenen Waldbau- und Aushaltungsvarianten sowie die Holzernteverfahren auf die Nährstoff­

bilanz auswirken. Daraus werden für die Praxis Empfehlungen abgeleitet.

2 Material und Methoden

2.1 Überblick

Mit dem Gesamtmodell „Dynamische W aldholzverfügbarkeitskarte" (WVK) wird versucht, geeignete Entscheidungsgrundlagen für die Beurteilung der Ressourcenver­

fügbarkeit von Waldholz, insbesondere von Waldenergieholz, zu erstellen. Diese dienen unter anderem zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der schweizerischen

Thees und Lemm (2009): Management zukunftsfähige Waldnutzung

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OUTPUT

Nulzungsmtngc nach Hauptsorümtoleo und Emlckosteofreic Erlöse der optimalen Variante Mortalitlbverlusl Nacbhalligkelt Nlbrstoffverfilgbarkeit

Abbildung 1 : Übersicht Dynamische Waldholzverfügbarkeitskarte (WVK).

Forstbetriebe, zur Überprüfung der Möglichkeiten vermehrter Waldenergieholznut­

zung und zum Identifizieren und Quantifizieren von Optimierungspotenzialen in der Holzproduktion. Den grössten Nutzen aus diesem aus einigen Teilmodellen zusam­

mengestellten Instrumentes dürften die kantonalen Forstdienste für forstpolitische Entscheide sowie die Forstbetriebe für strategische Planung und Optimierung der Holzproduktion ziehen. Der Rahmen der WVK ist in Abbildung 1 abgesteckt; er be­

ginnt beim Erfassen der Bestandsangaben und endet beim Output der relevanten Re­

sultate und Erkenntnisse. Die aufgeführten Eingangsgrössen und Zwischenergebnisse liefern Informationen für die Teilmodelle, die in Abbildung 1 erläutert werden.

Das FBSM ist ein Simulationsmodell für Forstbetriebe. Ausgehend von realen Be­

ständen simuliert es das Wachstum, die Handlungen (Kulturen, Pflege, Durchforstun­

gen und Endnutzungen) sowie daraus resultierende Sortimente, Zeitaufwand, Kosten und Erlöse. Die Eingangsgrössen sind Angaben über den Bestand wie Baumart, Be­

standsalter, Bonität, Fläche, Stammzahlverteilung und Schadzustand sowie die in Abschnitt 2.2 definierten Waldbauvarianten (Emi und Lemm 1 995). Im Falle der WVK liefert das FBSM die unsortierte Nutzungsmenge pro BHD¹-Klasse und den Verlust

• BHD = Brusthöhendurchmesser 1 94

Hässig et al.: Ein Modell zur Bewertung des Nährstoffentzugs durch die Holzernte durch Mortalität. Für die Berechnung der Mortalitätsverluste musste dem FBSM noch ein Zusatzmodell hinzugefügt werden (Rosset et al. 2009, in diesem Buch).

Das Sortimentierungsmodell SORSIM ist ein EDV-gestützter Schaftform- und Sor­

timentssimulator, der als Softwarebaustein für Windows-Betriebssysteme im Prototyp erstellt worden ist. Er liefert, ausgehend von in der Praxis verfügbaren Informationen über Bäume und Bestände (Baumart, BHD, Stammzahl etc.), eine Prognose der Schaft­

formen und der anfallenden Sortimentsdimensionen, nicht jedoch der Qualitäten. Der SORSIM gibt eine optimale Einteilung eines Baumes und eines Bestandes in die Haupt­

sortimente Sägeholz und Industrieholz ab und achtet darauf, möglichst wenig Restvo­

lumen zu produzieren. Damit trägt er Wesentliches zur Verfügbarkeitsprüfung im Rah­

men der gesamten Holzproduktionskette bei und stellt ein unverzichtbares Instrument eines umfassenden Informationssystems dar (Lemm und Erni 2009, in diesem Buch).

Als Eingangsdaten dienen die Aushaltungsvarianten und die Holzerlöse, die einerseits auf der Holzpreisstatistik des Bundes (BFS 2007) und andererseits auf Holzpreisent­

wicklungsszenarien für die nächsten 20 Jahre beruhen (Holthausen und Pudack 2006).

In den Aushaltungsvarianten sind die Anteile der Kompartimente Schaftholz, Astderb­

holz, Äste und Reisig sowie Nadeln/Blätter in Prozent pro BRD-Klasse für Fichte und Buche hinterlegt (Rademacher et al. 2004). Damit kann über das vom SORSIM gene­

rierte Schaftholzvolumen auf das Vollbaumvolumen geschlossen werden.

Der Sortimentssimulator teilt das Fichten- und Buchenschaftholz in die 9 Durch­

messerklassen (la bis 6) und die Längenklassen LI und L2 nach den Schweizerischen Holzhandelsgebräuchen für Rundholz (Zeltner 2000) bis zu dem von der Aushal­

tungsvariante (Abschn. 2.3) definierten Zopfdurchmesser ein. Da das SORSIM keine Sortierung nach Qualität vornimmt, wird die Qualitätssortierung nach Zeltner (2000) aufgrund von Erfahrungswerten des Forstbetriebes Bremgarten, Wohlen, Walten­

schwil für jede Durchmesserklasse vorgenommen. Die Entscheidung, welches Holz dem Hauptsortiment Sägeholz bzw. Industrieholz zugeteilt wird, fällt mit dem Holzpreis für die Durchmesserklassen und Qualitäten. Unabhängig davon, ob die Holzpreisstatistik oder die Holzpreisentwicklungsszenarien als Grundlage dienen, fliesst das Holz dort hin, wo der höhere Preis bezahlt wird (Rosset et al. 2009, in die­

sem Buch). Zur weiteren Verwendung liefert das SORSIM mit den kleinen Zusatz­

modellen die Nutzungsmenge nach Hauptsortiment und Bruttoerlös, bzw. nach Kom­

partimenten pro BRD-Klasse.

Das Transportkostenmodell für die Berechnung der Transportkosten des an die lastwagentaugliche Strasse gerückten Holzes bis zum Abnehmer, sowohl in langer Form als auch als Hackschnitzel, wurde vor allem im Hinblick auf die Energieholz­

belieferung von grossen Verbraucheranlagen zur besseren Kostenkontrolle entwickelt (Hässig et al. 2009). Obwohl das Modell funktionstüchtig bereitsteht, wurde es noch nicht in die WVK integriert.

Für die Berechnung der Holzerntekosten bzw. der erntekostenfreien Erlöse wird das bereits vielfach in der Praxis angewendete Holzernteproduktivitätsmodell HeProMo, ein EDV-Modell zur Kalkulation von Zeitaufwand und Kosten der wichtigsten Holz­

ernteverfahren und einzelner Holzernteketten, verwendet (Erni et al. 2003). Für eine solide Berechnung der Erntekosten werden die Kostenansätze der Produktionsfaktoren

Thees und Lemm (2009): Management zukunftsfähige Waldnutzung

bestimmt, die erntetechnischen Bedingungen berücksichtigt und die Ernteverfahren definiert. Weitere Informationen dazu finden sich in Abschn. 2.2.

Ein weiteres Modell der WVK ist das Nährstoffbilanzierungsmodell (NBM), das zur Überprüfung der Nachhaltigkeit des Nährstoffentzuges durch die Holzernte einge­

setzt wird. Für die Bilanzierung sind Informationen über die Nutzungsmenge pro BHD-Klasse, die Ernteverfahren mit ihren Ernteverlusten, die Aushaltungsvarianten (via SORSIM) und der Nährstoffein- und -austrag, sowie der Vorrat erforderlich. Die­

se Funktionsweise des NBM wird in diesem Beitrag noch ausführlicher beschrieben.

Die kurz beschriebenen Modelle werden ins modulartig aufgebaute Informations­

system WIS.2 integriert, dem zur Betrachtung eines Waldgebietes aus verschiedenen räumlichen und zeitlichen Perspektiven eine MS-Access-Datenbank sowie ein GIS² hinterlegt wurden. Das WIS.2 ist ein Informationssystem, welches eine zielgerichtete und effiziente sowie eine nachhaltige und multifunktionale Bewirtschaftung der Waldökosysteme fördert. Es erlaubt auch die Möglichkeiten und Grenzen des wald­

baulichen Handelns zu erfassen sowie die Waldprodukte und -leistungen darzustellen und die Umsetzungen der betrieblichen Strategie zu unterstützen, indem es die kurz­

bis mittelfristigen Massnahmen auf Bestandesebene konkretisiert. Das WIS.2 ist ein Prototyp, der für das Schweizer Mittelland und den Femelschlagbetrieb entwickelt wurde. Aufgrund des modularen Aufbaus ist es möglich, die Anwendungsmöglichkei­

ten auf weitere Regionen und waldbauliche Betriebsarten auszubauen (Rosset 2006).

Damit die WYK eine optimale Lösung liefern kann, werden jeweils alle möglichen Varianten durchgerechnet. Detaillierte Informationen zur Integration der Modelle ins WlS.2 sowie zu den Konformitätsanpassungen und der Funktionsweise des Gesamt­

modells finden sich bei Rosset et al. (2009, in diesem Buch).

2.2 Waldbauvarianten und Ernteverfahren

In der WYK wurden die Waldbauvarianten „Energieholz", ,,Wertholz" und „Wertholz mit Energieholz als Kuppelprodukt" definiert. Bei der ersten Variante steht die Ener­

gieholzproduktion bzw. die reine Biomasse Waldholz im Vordergrund. Ihr liegt ein Femelschlagbetrieb zugrunde, bei dem versucht wird, eine möglichst grosse Menge Holz möglichst extensiv, also kostenminimal, zu produzieren. Die zweite Variante simuliert die konventionelle flächige Verjüngung im Femelschlagbetrieb mit dem Ziel der Qualitätsholzproduktion. Das Energieholz wird als reines Kuppelprodukt genutzt.

Bei der dritten Variante steht die Qualitätsholzproduktion zwar im Vordergrund, es wird aber versucht, auch möglichst viel Energieholz zu nutzen. Das Konzept berück­

sichtigt nicht nur die direkten Konkurrenten der ausgewählten Wertträger, sondern versucht auch, den Füllbestand weitgehend zu nutzen. Für alle drei Waldbauvarianten sind die Betriebsform mit Umtriebszeit, die Eingriffsart und -stärke sowie der Ein­

griffszeitpunkt bestimmt worden, um das FBSM für die Bestimmung der Nutzungs-

Geografisches Informationssystem (ArcGIS View 9.1 von ESRI) 1 96

Hässig et al.: Ein Modell zur Bewertung des Nährstoffentzugs durch die Holzernte menge ausreichend zu versorgen. Bei den Bestandsangaben gibt es aufgrund der vor­

handenen Grundlagen Einschränkungen bei den Baumarten und Bonitäten. Somit können im FBSM nur Nutzungsmengen für Bestände mit Fichte der Bonität 18, 22, 26 und 30 sowie für Buche der Bonität 18, 22 und 26 simuliert werden. Weitere In­

formationen zu diesem Kapitel befinden sich in Rosset et al. (2009, in diesem Buch).

Als Ernteverfahren kommen sowohl die konventionelle, teilmechanisierte als auch die moderne, hochmechanisierte Holzernte zum Einsatz. Tabelle 1 zeigt die Prozess­

vorgänge und Einsatzschwerpunkte der Holzernteverfahren, die in Abhängigkeit von Baumdimension, Hangneigung, Rückedistanz und -richtung den Beständen zugeordnet werden. Die Kosten für die Holzernte basieren auf den Holzernteproduktivitätsmodel­

len HeProMo (Erni et al. 2003). Diese konnten als Bausteine direkt ins Gesamtmodell integriert werden. Die abgebildeten Prozesse beziehen sich auf die Aufarbeitung der Hauptsortimente. Das Energieholz wird nach dem Rücken mit einem mobilen Gross­

hacker auf der Waldstrasse produziert. Im Gegensatz zu der Auflistung in der Ta­

belle 1 erfolgt die Aufarbeitung, gerade auch im Hinblick auf die Kronennutzung, oft nach dem Rücken. Als Zusatz wird jedem Ernteverfahren der Biomasseverlust durch die Holzernte hinterlegt. Dieser Ernteverlust wird von der Nutzungsmenge abgezogen und beeinflusst dadurch auch die Nährstoffbilanzierung.

Tabel le 1 : Prozess und Einsatzschwerpunkt der ausgewählten Holzernteverfahren (Frutig et al. 2009, in diesem Buch).

Ernte- Prozess

verfahren Fällen und Rücken Hacken Hang-

Aufarbeiten neigung

MS+ MS Schlepper G'hacker <50%

Schlepper MS Schlepper G'hacker <50%

MS + MS Seilkran G'hacker 2'.50%

konv. MS Seilkran G'hacker 2'.50%

Seilkran

MS + MS+ Kombiseil- G'hacker 2'.50%

Kombi- Kombiseilg. gerät

seilgerät MS + Kombiseil- G'hacker 2'.50%

Kombiseilg. gerät

vollme- Harvester Forwarder G'hacker <50%

chanisiert klein klein

Harvester Forwarder G'hacker <50%

mittel mittel

MS = Motorsäge, STH = Stangeholz, BH = Baumholz.

* Betrifft die Strecke bis zur Erschliessung ohne Vorrücken.

Einsatzschwerpunkt Rückedistanz [m)*

Rückerichtung**

Holzlänge***

LI-L3 L I-L3 300-1200 (l) LI 300-1200 U) LI 100--600 (i) LI-L3 1 00--600 (l) L 1-L3

LI LI

** Betrifft die Bergaufbringung (i) und Bergabbringung (!) der beiden Seilkranvarianten.

*** LI = Kurzholz, L2 = Mittellangholz, L3 = Langholz bzw. Vollbaum

Bestand

STH 1 + 2 BH 1-3 STH 1 + 2 BH 1-3 STH 1 +2 BH 1-3 STH 1 + 2 BH 1-3

Thees und Lemm (2009): Management zukunftsfähige Waldnutzung

Das Kombiseilgerät ist ein Mobilseilkran mit Kranprozessor, der auf einen LKW aufgebaut wurde. Zur Berechnung der Aufarbeitungs- und Rückekosten wird das Ge­

rät mit drei Personen für die Bergaufwärtsbringung auf einer Rückedistanz zwischen 100 und 600 m eingesetzt. Der konventionelle Seilkran kommt auf einer Rückedistanz von 300-1200 m für die Bergabwärtsbringung von Kurzholz in Frage. Liegt die Rü­

ckedistanz zwischen 300 und 600 m, werden beide Ernteverfahren gerechnet, jedoch die kostengünstigere bevorzugt (Frutig et al. 2009, in diesem Buch).

2.3 Aushaltungsvarianten

Die Aushaltungsvarianten beschreiben modellartig, nach Kompartimenten gegliedert, die zu nutzende Baumart (Fichte oder Buche). Die Abbildungen in der Tabelle 2 ver­

deutlichen, wie viel eines Baumes bei jeder Aushaltungsvariante effektiv genutzt wird.

Das SORSIM errechnet für jede Aushaltungsvariante aus dem Schaftholz (gelb) den Anteil des Säge-, bzw. Industrieholzes. Die Krone (Äste, Reisig und Blätter/Nadeln)

Tabelle 2: Aushaltungsvarianten für Fichte und B uche.

Aushaltungsvariante Abkürzung Fichte Ohne Trenn-

schnitt VB 1

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Zopf 27 cm SH T27 1

Trennschnitt bei SH T37 1 Zopf 37 cm

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Hässig et al.: Ein Modell zur Bewertung des Nährstoffentzugs durch die Holzernte

und das Astderbholz werden, soweit sie in den Abbildungen der Tabelle 2 enthalten sind, als Energieholz genutzt. Abgetrennte Kompartimente verbleiben im Bestand, denn die Aushaltungsvarianten sollen auch als Vermeidungsstrategie bei einer nega­

tiven Nährstoffbilanz dienen. Die liegenbleibenden Kompartimente werden anteils­

mässig vom Vollbaum abgezogen. Zum Beispiel bleiben bei VB_ T7 ca. 1 % des Schaft­

holzes und jeweils 10% von Äste/Reisig und Nadeln/Blätter liegen. Die Abzüge wurden für das Schaftholz berechnet und für die anderen Kompartimente geschätzt (Hässig et al. 2009). Die Wahl der Aushaltungsvarianten hat direkten Einfluss auf die Nutzungsmenge nach Hauptsortimenten und Kompartimenten, die für die Berechnung der erntekostenfreien Erlöse und die Nährstoffbilanzierung weiter verwendet werden.

Bei Buche und den anderen Laubbäumen kann die Holzernte in laubfreiem Zustand ausgeführt werden. In diesem Fall verbleiben die Blätter im Bestand. Auch wenn mehr­

heitlich im unbelaubten Zustand geerntet wird, sollte das Modell trotzdem die Nutzung von Buchenvollbäumen mit Blättern bilanzieren können, z. B. wegen „Just-in-Time"­

Lieferungen oder Bereitstellung frischer Hackschnitzel aus Durchforstungen.

2.4 Nährstoffbilanzierung

Die Bilanzierung berücksichtigt die fünf wichtigsten Komponenten: Nährstoffvorrat, Lufteintrag, Verwitterung des Ausgangsgesteins, Auswaschung und Nährstoffexport durch die Holzernte. Sie wurde für die Nährelemente Kalium (K), Calcium (Ca), Mag­

nesium (Mg), Natrium (Na), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Stickstoff (N), Phosphor (P) und Schwefel (S) durchgeführt. Die bodeninternen Prozesse sowie der Eintrag durch nicht geerntete Biomasse wurden nicht aufgeführt, da sie den Bilanzrahmen nicht verlassen. Die Nährstoffbilanzierung erfolgt für die meisten Waldgesellschaften nach

Nährstoffexport durch Holzernte

Abbildung 2: Berücksichtigte Nährstoffflüsse des Nährstoffbilanzierungsmodells NBM.

Thees und Lemm (2009): Management zukunftsfähige Waldnutzung

Ellenberg und Klötzli (1972). Da in den Forstbetrieben die Bestandskarten weitgehend vorhanden sind, aber Bodeneignungskarten fehlen, muss jeder Waldgesellschaft ein Bodentyp, die durchwurzelbare Bodentiefe und die Höhenlage zugeordnet werden (Tabelle 3), was in Anlehnung an den Datensatz der Waldböden der Schweiz (Walthert et al. 2004; Blaser et al. 2005; Zimmermann et al. 2006) und mithilfe von Waldstand­

ortsbeschreibungen (Schmider et al. 1993; Frey 1995; Frey et al. 1998; Frey et al.

2000; Frey et al. 2002; Stocker et al. 2002; Frey et al. 2004) erfolgte.

Diese Konvention birgt insofern Unsicherheiten, als dass auf einem Bodentyp nicht zwingend eine bestimmte Waldgesellschaft stocken muss. Jedoch ist die Variation der wichtigsten Grundlagen -z. B. der Nährstoffvorräte -für die in Tabelle 3 aufgeführten Waldgesellschaften als niedrig zu bezeichnen. Für die Waldgesellschaft Nr. 7, die häufigste im Schweizer Mittelland, sind ausführliche Grundlagen von vier Bodenprofi­

len vorhanden, die alle zwischen Braunerde und Parabraunerde sowie zwischen einer Höhenstufe von 350-750 m ü. M. variieren und tiefgründig sind. Auch beim Nähr­

stoffvorrat weisen die Grundlagen der vier Bodenprofile wenig Streuung auf (z. B. K zwischen 163 und 270 kg/ha). Die Untereinheiten können aufgrund der Waldstandorts­

bcschreibungen abweichen. Dasselbe gilt für die Waldgesellschaft Nr. 8, die sich auch auf vier Bodenprofile abstützt. Hier streuen die Nährstoffvorräte jedoch etwas stärker, was möglicherweise daran liegt, dass die vier Profile auf die Forstregionen Jura, Mit­

telland und Voralpen verteilt vorkommen. Für die Bilanzierung wird jeweils der Me­

dian der vorhandenen Grundlagen verwendet, um die Streuung etwas abzufedern. Der Nährstoffeintrag über die Verwitterung wird ebenfalls über die Bodentypen den Wald­

gesellschaften zugeordnet. Für die Zuteilung wurde auf Rhim (1994) zurückgegriffen, der die verschiedenen Bodentypen, aufgrund des pH-Wertes im oberen Bereich des M ineralbodens und der Säurepufferungsfähigkeit, in fünf Verwitterungsklassen ein­

teilte. Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten der Nährstoffbilanzierung etwas ausführlicher beleuchtet.

2.4.1 Nährstoffvorrat

Der Vorrat an Nährstoffen im Boden ist wichtig für die Nährstoffversorgung der Bäu­

me. Die Vorratswerte wurden Walthert et al. (2004), Blaser et al. (2005) und Zimmer­

mann et al. (2006) entnommen. Die Eingangsgrössen für die Vorratsberechnung von Ca, Mg und K sind die Horizontmächtigkeit, die austauschbaren, NH4Cl-extrahierbaren Gehalte von Ca, Mg, und K, die Trockenraumdichte der Feinerde und der Skelettgehalt.

Fehlende Eingangsgrössen in Horizonten werden durch Inter- und Extrapolation ermit­

telt. Für die Berechnung der C-, N- und P-Vorräte wurden neben der Horizontmächtig­

keit, der Trockenraumdichte der Feinerde und dem Skelettgehalt auch die Gehalte von C0,g, N¹⁰¹ und P101 verwendet (Walthert et al. 2004). Alle horizontspezifischen Vorräte wurden bis auf 60 cm Bodentiefe aufsummiert, da diese Tiefe den Hauptbereich der Feinwurzeln darstellt. Für die in der Tabelle 3 als tiefgründig deklarierten Böden

Hässig et al.: Ein Modell zur Bewertung des Nährstoffentzugs durch die Holzernte

Tabelle 3: Wa ldgesellschaften nach E l l enberg und Klötzli (1 972) m it zugeordneten Boden­

typen, Bodentiefen, Höhenlagen und Verwitterungsklassen.

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Waldnesellschafl nach E & K Typischer Waldsimsen-Buchenwald Waldslmsen-Buchenwald mit Weis!l!Tloos

TyplscherSchnus,msen-Buchenwakl fllfflreicherSchn1nimsen-Bucheriwald Waklrmuster-Buchenwald mit Hain�ifm:e Typ. W111dmeister-Buchenwald Typ Waldm-Buchenwa1d m AbgerücklllhrigerSe9ge

Typ Waldm -Buchenwald m Rippenl'am TyJJ Watdm -Buchenwald m Hainsimse Typ. Waldm-Buchenwald m. Homstrauch Typ. Waldm -Buchenwald m Lungenkraut Typ Waldm -Buchenwald m Lungenkraut Ausb m,t Wald-Ziest

Typ Waklhitsen-Buchenwald Waldhil'sen-Buchenwald m Abgerücklatvlger Segge

Waldhir-"...en-8uch1mwald m Rippenfarn Waldhir$!!n-Buchenwald m Hamsimsa Waldhitsen-Buchenwald m. Homstrauch Waldnil'sen-Buchenwald m Lungenkraut Waldhiroen-Buchenwakl m LungInkrauL Ausb. mit Wa!d-Z.est

Typi$charlungenkraul-Buchenwald Lungenkraul-Buchenwald m� Hexenkraut Lungenkraut-Buchenwald nvl Gold-Hahnenfuss

Lungeokraut-Buch1rw,ald mlt Schlalfer Se9�

Lun.gonkraut-Buchcnwald mll lnvneroblatt Lungenkraut-Buchenwald mit lmmenblatt , Ausb m Schlalfer Se9�

N011slab-Buchen1T11Sthwald Typi5eherZ3hnwurz-Buthcnwa'd Zahm••.:z•Bucherw,ald m WeisserSe!1!111

Zahnwurz-Buchenwald m Bärlauch Z3hnwurz-Buchenwald m SchfafferSeggo

Unden-Zahnwurz-Buchenwald Linden-hshnwurz-Buchcnwald m WeisserSeg!1(!

Lindon-Zahnwurz-Buchenw.-ld m Bärlauch Alpendost-Buchenwald Typischo!rWeir.s-Seggen,Buchenw.'.l!d

Bergseggen-Buchenwa'd Bergseggen-Budienwa!dmo1 SchlalferSe99"

Typ Bloogms-Buchenwald Blaugr.rn-Bucherw,aldmil Sch!alferSoggo

Typi5eherTannen-Buchenwald Tl!.mll'm-Buchenwald lTIII Bärlauch Tanncn-Buchenwald fllll SchlalferSeggo

Tannen-Buchonwaldmi1 Wald,;i,ns0 Famreicher Tannenbuchenwald Hirllchzungon-Ahom:.chluchtwa!d Ahom-Lindenwald Ahom-Eschf!nWllld mil WeisserSegge

Ahom-Escherw,ald mr! Lungeokraul Ahorn-Eschenwald 1T11t 8ärlauch Ahcm-Eschenwald mil Pfe�engras Typ. S0!1!11!n-Bachoschenwald Seggen-Bacheschenwakl m. Riesenschachtelh31m

Soggen-Bacheschenwald m Bärlauch Typ. Ulmen-Eschen-Auenwald

Zwelblalt-Eschenmischwald Traubenkirschen-Eschenwald Montaner Salbei-Esch,,rvmschwald Schnet!simsen-Winll!rlmdenwald m. SchwN1gel

Waldlab�raut-Hainbuchemnischwald Turmkresson-Flaumeithenwald

Plalterbsen-Eichenmischwald Ra unzel-Ka�tanienwa!cl Pe�schllMloo!.-Fichton-TalVlenwald Typ Wollreitgr:is-Tannon-Fich1enwald Schoch1elhalm-Tannon•Fichtonwald Alpendosl•Fichten-Taooenwa!tl Al?endost-Foth1cn-Tannenwald m. Weisser Pestwurz

Labkraut-Fichten-Tannenwald We1ssseggen-Fichten•Tannenw31d Tunichr r

Pertgras-Fichtenwald Etvenp1eis-Fichtenwald At?enla11ich-Fichtenwald m. Heidelbeere Alpenlamch-Fichtenwald m. Wolreilgras A!penlalUch-Fich1enwald m. Torfmoos

Larchen-Arvenwald Alpendostllur mit Fichta Buntre1t m�-Fichterw,1tld Preilongras-(Wald-)FOhrenwald Goissklee-(Wald-)Fetven-Mischwald

Schneeheide-(Wald-)Föhtenwald Schnoehelda-Berglehrenwald

Stoinrosen-BergfOhrenwa'd Typ.Alpenrosen-Berg!Ohrenwald

Torfmoos-Ber-'llhrenwald

Bodentvn Parootllunerde Parab.aunerde podsolierteBraunerde podsoherteBraunerde sall'eBraunerda

Pseuclogley saure Parabrauoerde - Pseudogtey

pseuclovergley1eBrimnerdl verbrauntarPseudog!ey

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RendZl/111 Rc11dzin11 Kalk-Braunerde Mc,gclrcndzna Rendzina Rendzma Rendzma Rendzma Mergelrendzina

Rendzina Rendzina Mm,.,,..,r.ndzin�

pseudovergleyteBraunordo Mergelrendzina sooreB�erde Braunerde

Rendzina Kalkschul1 Pseudogley Pseudogiey Gley Gloy Gley Gley Gley Gley Gley o., Gley pod!lOller1eBraunerde

Rendzinac:ilc P:imbraunerde Podeol Pseudogley podsolierteBrnuncrde

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Rendzina podsolierte BmUOl!rde

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Gley Podsol

Mergelrendzina Rendzina Rendzina Rendzina Slauwasser nasooeble,chl

Bodentiefe cm1 H.ü.M. Yeiwitterun"klatlSe

tiefgrundig 60 700 2

liefgrilndig tiefgründig tiefgründig tielgnjndig liefgrtlndig tiefgründig tiefgründig tiefgründig miltelgrOndig Uefgrtindig lielgnlndig tiefgründig [,elgründig Uelgrilndig helgnlndig m,tte!grOodig hefgrtlndig hefgti.lndig mitteigründ,g mit!elgrOodig miltelgrOodi<;J miltelgründig milleigründig mi1t11igr0odig tiolgrOndig mil!elgründ,g 1T11\!el5Irünchg tielgründlg mi1tel9rOnchg m11telgründ,g millelgründ,y m1ttolgrilnd,y mil101gründ19 nach,rründig nac11grllndig mil1elgrilndl!l nach,rrOml,g nachgrundig m�1e1·r0nd1

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miltelgriindig flachgrtlndlg tiefgründig mrnelgrilndig tiergrilndig tiefgrOodig tielgrOndtg millelgründig m�1elgriindig mit1elgriindig mil1elgründig miUelgrilndig nachgründig hergründig miUelgrilndig mrUelgriindig nachgrilndig ffachgrllnchg fü1l rOnd·

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' 5 s

Thees und Lemm (2009): Management zukunftsfähige Waldnutzung

wurden diese Werte unverändert benützt. Für die mittel- und flachgründigen Böden, mit 40 bzw. 20 cm durchwurzelbarer Bodentiefe, erfolgte eine anteilsmässige Reduk­

tion der Vorräte. Waldgesellschaften mit Verbreitungsschwerpunkt über 1600 m ü. M.

weisen maximal eine Bodentiefe von 40 cm und ab 2000 m ü. M. von rund 20 cm auf, was ebenfalls eine Anpassung des Vorrates erforderte (Rihm 1994).

2.4.2 Lufteintrag

Der Eintrag von Nährstoffen aus der Atmosphäre (Deposition) ist beachtlich und bei einzelnen Nährelementen von grosser Bedeutung. Im 20. Jahrhundert haben die Emis­

sionen von Abgasen (Schwefeldioxid und Stickoxide) und von der Landwirtschaft (Ammoniak) zugenommen, was zu einer Erhöhung der Einträge aus der Atmosphäre in den Wald führte (Thimonier et al. 2005). Die Deposition ist zudem regional sehr unterschiedlich (BFS 2002) und wird deshalb für alle Elemente, bei denen dies mög­

lich ist, spezifisch pro Forstregion sowie für Nadel-, Laub- und Mischwald angegeben.

Der Eintrag von K, Ca, Mg, Na und S aus der Luft wird aus den Depositionsmessun­

gen auf den Forschungsflächen der langfristigen Waldökosystem-Forschung (LWF) hergeleitet (Thimonier et al. 2005). Die Einträge innerhalb einer Forstregion weichen im Gegensatz zu den Auswaschungen wenig voneinander ab (siehe Abschn. 2.4.4).

Für den Eintrag von Stickstoff wurde das Stickstoffdepostionsmodell des Bundesamtes für Umwelt verwendet (BAFU 2007). Für Mn, Fe und P mussten Literaturdaten aus dem nahe gelegenen Schwarzwald (D) herangezogen werden (Heyn 1989). Die ver­

wendeten Grundlagen sind Mittelwerte über Datensätze aus rund fünf Jahren. Eine Extrapolation der Datensätze über eine Umtriebszeit hinaus erhöht die Ungenauigkeit der Bilanzierung.

2.4.3 Eintrag durch Verwitterung des Ausgangsgesteins

Die Verwitterung ist die Freisetzung von Nährstoffen aus der chemischen Auflösung von Muttergestein. Je nach Ausgangsgestein, Höhenlage und klimatischen Verhältnis­

sen variieren die Verwitterungsraten. Für alle Nährstoffe ausser N sind Verwitterungs­

raten pro Verwitterungsklasse vorhanden. Mit dem regionalen steady-state Boden­

chemiemodell PROFILE (Sverdrup 1990) konnten, basierend auf der Berechnung von Massenbilanzen für Säureneutralitätskapazität, für Podsol Verwitterungsraten der basischen Kationen K, Ca, Mg und Na unter der Berücksichtigung von durchwurzel­

barer Bodentiefe und Höhenstufe berechnet werden. Über die Verwitterungsraten für Podsol als Basis und die Zuteilung vieler in der Schweiz vorkommenden Bodentypen in Verwitterungsklassen nach Rihm (1994) können den Waldgesellschaften die Ver­

witterungsraten zugeordnet werden. Für die Nährstoffe Mn, Fe, P und S muss auf weitere Literatur zurückgegriffen werden (Mazzarino 1981; Sigg und Stumm 1994).

202

Hässig et al.: Ein Modell zur Bewertung des Nährstoffentzugs durch d ie Holzernte

2.4.4 Auswaschung der Nährstoffe

Ein wichtiger Austrag ist die Auswaschung (Leaching) von Nährelementen in Boden­

schichten tiefer als 60 cm oder ins Grundwasser. Die Auswaschung hängt von diversen Kriterien wie den spezifischen Eigenschaften des Bodentyps ab und kann sehr hoch sein. Für K, Ca, Mg und S werden Messwerte von den intensiv untersuchten For­

schungsflächen benützt, die im Rahmen der Langfristigen Waldökosystem-Forschung L WF laufend auf 1 8 Standorten über die Schweiz verteilt erfasst werden (Thimonier et al. 2005). Die Daten werden über die Verwitterungsklassen den Waldgesellschaften zugeordnet. Für jede Verwitterungsklasse sind 1-3 Datensätze vorhanden. Die Auswa­

schung kann vor allem bei Ca, N und S beträchtlich variieren. Für Fe, Mn, Na und P muss wie beim Lufteintrag auf Literatur unterschiedlicher Herkunft zurückgegriffen werden (Heyn 1989; Armbruster 1998). Bei der Auswaschung von N werden zusätz­

lich der Lufteintrag (siehe Abschn. 2.4.2), die Immobilisation und die Denitrifikation berücksichtigt. Die Immobilisation von N ist abhängig von der Höhenlage der Wald­

gesellschaft (Rihm 1996). Die Denitrifikation wird durch die Bodenfeuchtigkeit be­

stimmt, welche wiederum aufgrund der Niederschlagsmenge, der Wasserleitfähigkeit und -verfügbarkeit des Bodens sowie Vernässungsmerkmalen festgelegt wurde (weite­

re Informationen dazu in Hässig et al. 2009). Es ist zu berücksichtigen, dass die Aus­

waschung mit grossen Ungenauigkeiten behaftet ist. Es konnten Auswaschungsraten von Ca, N und S zum Teil nicht verwendet werden, weil sie aufgrund ihrer Höhe eine Nährstoffbilanzierung über das Schweizer Mittelland bzw. die Interpretation der Er­

gebnisse massiv erschwert hätten. Grundsätzlich sind die Auswaschungsraten eher als zu tief einzustufen. Die Benützung dieser Werte ist trotzdem möglich, da sie nicht über eine Umtriebszeit hochgerechnet werden.

2.4.5 Nährstoffexport durch Holzernte

Der Ernteexport entspricht dem Nährstoffentzug durch die Holzernte. Dabei werden sämtliche Nutzungen über eine Umtriebszeit berücksichtigt (Durchforstungen und Endnutzung). Die Umtriebszeit ist der Zeitraum von der Bestandesbegründung bis zur Endnutzung. Je nach Baumart, Standort und Betriebsziel variiert die Umtriebszeit.

Der oberirdische Teil eines Baumes besteht aus den Kompartimenten Schaftholz, Äste und Reisig sowie Blätter und Nadeln, die mit unterschiedlichen Nährstoffgehalten ausgestattet sind. Zudem weisen die Buchen noch Astderbholz (Durchmesser >7 cm mit Rinde) auf, die bei den schlagreifen Bäumen einen beträchtlichen Anteil an Bio­

masse einnehmen können. Die Fichten hingegen haben nach Brändli et al. (2001) kein Astderbholz. Mit der Nutzungsmenge nach Kompartimenten pro BHD-Klasse, den Nährelementanteilen in den Kompartimenten und den Kompartimentsanteilen pro Baum (bezogen auf das Schaftholz) lässt sich der Nährstoffexport für Fichten- und Buchenvollbäume berechnen.

Thees und Lemm (2009): Management zukunftsfähige Waldnutzung

wobei

NGki:

k = l:

k = 2:

k⁼3:

k=4:

7 4

NE =

L L

^{(NMki · NGk};) · (100% - EVk;) · (l 00% - A Vk;) (l)

i=l k=I

Nährstoffexport [kg/(ha • U)]

Nutzungsmenge pro Kompartiment (k) und BHD-Klasse (i) [t^a1ro/(ha • U)] Um­

rechnungsfaktor von m³ zu ta1ro: Fichte⁼ 0.379; Buche⁼ 0.558 (Schmidt 2003) Nährstoffgehalt pro Kompartiment und BHD-Klasse [kg/ta1ro]

Schaftholz in Rinde Astderbholz (nur Buche) Äste und Reisig

Nadeln/Blätter

i ⁼ 1 ..7: 10-cm-Intervalle bis BHD 70 cm EV: Ernteverlust bei Vollbaumnutzung [%]

A V: Aushaltungsvariante [%]

Durch die Holzernte bleibt jedoch auch bei einer Vollbaumnutzung immer ein Teil der Biomasse aller Kompartimente im Bestand liegen, was als Ernteverlust bezeichnet wird.

Der Ernteverlust variiert je nach Ernteverfahren und liegt beim Schaftholz zwischen 10 und 20% (Wittkopf 2005). Da Nadeln und Blätter gegenüber den anderen Kompar­

timenten sehr hohe und Reisig ebenfalls beträchtliche Nährstoffkonzentrationen auf­

weisen, kann es sinnvoll sein, einen Teil der Kompartimente im Bestand liegen zu las­

sen. Mit der Auswahl der Aushaltungsvarianten (siehe Abschn. 2.3) wird festgelegt, wie viel Prozent jedes Kompartiments im Wald zurückbleibt. Damit kann auch er­

kannt werden, welche Auswirkung ein Kronentrennschnitt auf die Nährstoffbilanz hat.

2.5 Bewertung der Nährstoffbilanz

Die Nährstoffbilanz beinhaltet auch eine Bewertung in drei Schritten. Der erste Schritt ist eine Nachhaltigkeitsbewertung. Sie betrachtet die Nährstoffnachlieferung und den Gesamtvorrat nach der Methode von Göttlein et al. (2007). Im zweiten Schritt wird der Nitratgehalt im Bodenwasser bewertet. Die Abschätzung der Stickstoffflüsse sowie der Nitratauswaschung erfolgt nach dem Modell von Rihm (1996). Beim letzten Schritt wird die Wichtigkeit der einzelnen Nährstoffe für das Pflanzenwachstum in Bezug auf ihre Verfügbarkeit beurteilt. Das Ziel der Bewertung ist es, allfällige Risiken durch die Holznutzung zu identifizieren und -z. B. auf einer Bestandskarte -zu visualisieren.

2.5.1 Nachhaltigkeitsbewertung

Es gibt vermutlich keine absolute Nachhaltigkeit, weil jede Art der Holznutzung dem Boden Nährstoffe entzieht und das Waldökosystem grundsätzlich ärmer macht. In dieser Arbeit werden zwei Aspekte der Nachhaltigkeit, die Nährstoffnachlieferung

204

Hässig et al.: Ein Modell zur Bewertung des Nährstoffentzugs durch die Holzernte und der Gesamtvorrat, angeschaut. Gerade weil die Bewertung über eine bis mehrere Umtriebszeiten erfolgt, gilt es zu berücksichtigen, dass die Datengrundlage nicht über mehrere Jahrzehnte konstant bleiben wird, insbesondere wenn der Bestand sein Wuchsverhalten ändert, z. B. wegen der Nährstofflimitierung. Die Formel für die Nachhaltigkeit in Bezug auf die Nährstoffnachlieferung lautet:

VE,. + _DEI -LE„

NNN,J == ___ N_E __

wobei

NNN: Nachhaltigkeitsfaktor in Bezug auf die Nährstoffnachlieferung VE: Eintrag durch Verwitterung [kg /(ha • U)]

DE: Nährstoffeintrag über die Luft (Depositon) [kg /(ha • U)]

LE: Auswaschung der Nährstoffe (Leaching) [kg /(ha • U)]

NE: Nährstoffexport [kg /(ha • U)]

r = 1 .. 5: Verwitterungsklassen in Abhängigkeit der Bodentypen (siehe Tabelle 3) (2)

f = 1..5: Forstregionen der Schweiz: Jura, Mittelland, Voralpen, Alpen, Alpensüdseite Ist NNN> 1, so stehen dem System mehr Nährstoffe zur Verfügung als durch die Nutzung entnommen werden. Falls N = 1 ausgewiesen wird, dann heben sich der Ein­

trag und der Austrag auf. Ist der Faktor kleiner Eins, bedeutet dies, dass die Nachliefe­

rung die bei der Ernte eintretenden Nährstoffentzüge nicht kompensieren kann. Die Nachhaltigkeit in Bezug auf den Gesamtvorrat wird wie folgt definiert:

NGV _wrf -_- GV,v

LE,. + NE - DEJ - VE„

wobei

NGV: Nachhaltigkeitsfaktor in Bezug auf den Gesamtvorrat GV: Gesamtvorrat [kg/ha]

VE: Eintrag durch Verwitterung pro Umtriebszeit[kg/(ha • U)]

(3)

DE: Nährstoffeintrag über die Luft pro Umtriebszeit (Depositon) [kg/(ha • U)]

LE: Auswaschung der Nährstoffe pro Umtriebszeit (Leaching) [kg/(ha • U)]

NE: Nährstoffexport pro Umtriebszeit [kg/(ha • U)]

w = 1..51: Waldgesellschaften nach Ellenberg und Klötzli (1972) mit Nährstoffvorrä­

ten (siehe Walthert et al. 2004; Blaser et al. 2005; Zimmermann et al. 2006) r = 1..5: Verwitterungsklassen in Abhängigkeit der Bodentypen (siehe Tabelle 3) f= 1..5: Forstregionen der Schweiz: Jura, Mittelland, Voralpen, Alpen, Alpensüd-

seite

Ist NGV < 10, wäre der Vorrat bei gleich bleibenden Bedingungen theoretisch in we­

niger als zehn Umtriebszeiten aufgebraucht, was als nicht nachhaltig betrachtet wird.

Hält der Gesamtvorrat bis zum kompletten Verzehr länger als zehn Umtriebszeiten, wird er als nachhaltig angesehen. Resultate im Minusbereich (y-Achse) zeigen an, während wie vielen Umtriebszeiten sich der Vorrat das erste Mal verdoppeln würde (siehe Abbildung 5).

Thees und Lemm (2009): Management zukunftsfähige Waldnutzung

2.5.2 Bewertung des Nitratgehalts im Bodenwasser

Die Auswaschung eines Nährelements hängt stark von der Höhe seines Eintrags in den Boden ab. Der Stickstoffkreislauf ist in der Schweiz im Vergleich zu den anderen Nähr­

elementen sehr gut untersucht; folglich liegen für Stickstoff die genauesten Eintrags­

werte vor, zumal über die Verwitterung kein Stickstoff zugeführt wird. Bei der Berech­

nung der Stickstoffauswaschung CNLeaching) werden die Deposition, die Immobilisation, die Denitrifikation sowie der Ernteexport von Stickstoff berücksichtigt (Rihm 1996).

wobei Nu,: Nrn,:

N 1 :

N

_{LE µ,.,}

= N - N - N - N

_{DE1 11, DN., NE}

Auswaschung von Stickstoff (N) [kg/(ha • a)]

Stickstoffeintrag über die Luft [kg /(ha • a)]

Stickstoffimmobilisation im Boden [kg/(ha • a)]

(4)

N DN : Denitrifikation im Boden (Umwandlung von Nitrat in molekularen Stick­

stoff) [kg/(ha • a)]

NNE : Export von N durch Holzernte [kg /(ha • a)]

r I ..5: Forstregionen der Schweiz: Jura, Mittelland, Voralpen, Alpen, Alpensüd- seite

h 1 .. 11: h 1 : ::;500 m ü. M. = 3 kg/(ha • a); h 1 1 : 2:1500 m ü. M. = 5 kg/(ha • a), dazwi- schen in einem Intervall von 100 Höhenmeter linear interpoliert.

s 1 . .4: trockene Böden, feuchte Böden, leicht vernässte Böden, nasse Böden Ein hohes N-Leaching kann zu einer erhöhten Konzentration von Stickstoff im Sicker­

wasser führen, welcher meist in Form von Nitrat (N03-) vorliegt bzw. in sauerstoffhal­

tigem Wasser zu Nitrat umgewandelt wird. Die Konzentration von Nitrat wird durch Division des Leachings mit der Infiltration bestimmt (Formel 5). Die Infiltration be­

zeichnet die Menge an Regenwasser, die in einem Gebiet durchschnittlich durch den Boden sickert. Die restliche Menge an Regenwasser wird durch den Wald (Blätter usw.) zurückgehalten, verdunstet, wird transpiriert oder tliesst oberflächlich ab. Für die ganze Schweiz wird eine Infiltrationsmenge von 400 Liter/nl eingesetzt, obwohl dieser Wert sehr pauschal zu bezeichnen ist (Waldner et al. 2007). Im Folgenden ist die Glei­

chung für die Berechnung der Nitrat-Konzentration aufgeführt.

N · M

C _NO, = ^{LE NO, •} 1 00 IF · M N

wobei

C^N03: Nitratkonzentration im abfliessenden Wasser [ mg/1 ] N^LE: Auswaschung von Stickstoff (N) [kg /(ha • a)]

MN03: Molmasse von Nitrat⁼ 61.98

IF: Infiltrierendes Regenwasser⁼ 400 l/(m^{2 •} a) MN: Molmasse von Stickstoff⁼ 14.01

206

(5)

Hässig et al.: Ein Modell zur Bewertung des Nährstoffentzugs durch die Holzernte Als Mass zur Bewertung des N-Leachings kann somit der Grenzwert für Nitrat im Grundwasser herangezogen werden (siehe Gewässerschutzverordnung, SR 814.201).

Der Zielwert für die Nitratkonzentration beträgt 25 mg/Liter. Konzentrationen unter 20 mg/Liter werden als unproblematisch und über 30 mg/Liter als problematisch er­

achtet. Der Bereich dazwischen wird als indifferent angesehen, da die Eingangswerte mit einer gewissen Ungenauigkeit behaftet sind. Erscheinen niedrige Resultate, kann mit diesem Bewertungssystem nicht auf Stickstoffmangel geschlossen werden. Besse­

re Auskunft dafür liefert die Nachhaltigkeitsbewertung (Abschn. 2.5.1).

2.5.3 Berücksichtigung der Wichtigkeit der Nährstoffe für das Pflanzenwachstum

Neben der Nachhaltigkeitsprüfung berücksichtigt man auch die Ungenauigkeit der Daten und die Wichtigkeit der Nährstoffe für das Baumwachstum. Die Resultate aus der NNN sind gerade im Bereich des Wertes 1 schwierig zu beurteilen, da sie aufgrund der getroffenen Annahmen und der Extrapolation der Grundlagen um einige Prozent abweichen können. Deshalb werden die NNN zwischen 0.9 und 1.1 als indifferent be­

zeichnet sowie die NNN ::::; 0.9 als problematisch, bzw. die NNN 2: 1.1 als unproblema­

tisch deklariert. Die Einstufung der Wichtigkeit der Nährstoffe für das Wachstum wur­

de gutachtlich, im Hinblick auf die Auswirkungen bei Mangel, vorgenommen. K, Mg, P und S werden als wichtig betrachtet, während Ca, N und Mn als mittelwichtig einge­

stuft werden. Fe und Na gelten als wenig wichtig bzw. unwichtig. Sollte ein wichtiger Nährstoff durch seinen Mangel zu einem wachstumslimitierenden Faktor werden, wird dies damit stärker gewichtet als bei einem weniger wichtigen Nährstoff.

Zum Schluss der Bewertung der Nährstoffbilanz wird für jeden Bestand eine zu­

sammenfassende Abschätzung über alle neun Nährstoffe abgegeben, damit die Nähr­

stoffsituation übersichtlich dargestellt werden kann. Wirkt sich die Holzernte auf ein oder mehrere Nährstoffe problematisch aus, kann mit den im Modell definierten Ern­

temassnahmen versucht werden, das Defizit zu beheben.

3 Resultate

Das Kapitel ist in vier Teile gegliedert. Im ersten (3.1) werden die beiden Baumarten Fichte und Buche und verschiedene Ernteverfahren miteinander auf die Nachhaltig­

keit bezüglich der Nährstoffnachlieferung NNN verglichen. Dabei geht es auch dar­

um, festzustellen, ob Unterschiede erkennbar und plausibel sind. Im zweiten Teil (3.2) werden die Waldbau- und die Aushaltungsvarianten einander gegenübergestellt sowie die Auswirkung von Umtriebszeitverkürzung bzw. -verlängerung um zehn Jahre un­

tersucht. Dafür wird ebenfalls die NNN herangezogen. Im dritten Teil wird die voll­

mechanisierte Vollbaumernte von Fichten auf die Nachhaltigkeit in Bezug auf den