abgestorbener Bäume gegen Naturgefahren
Martin Ammann
Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft
Herausgeber
Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Birmensdorf, 2006
abgestorbener Bäume gegen Naturgefahren
Martin Ammann
Adresse des Autors:
Dr. Martin Ammann Gasterweg 28b 8730 Uznach
martin.ammann@swissonline.ch
Die vorliegende Arbeit wurde von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich im Sommersemester 2006 auf Antrag von Prof. Dr. Ottmar Holdenrieder als Dissertation angenommen.
Zitierung:
Ammann, M., 2006: Schutzwirkung abgestorbener Bäume gegen Naturgefahren. Birmensdorf, Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL. 228 S.
Layout:
Martin Ammann, Margrit Wiederkehr, Eidg. Forschungsanstalt WSL, Birmensdorf
Umschlaggestaltung:
Jacqueline Annen, Eidg. Forschungsanstalt WSL, Birmensdorf
Zu beziehen bei:
Bibliothek WSL Zürcherstrasse 111 CH-8903 Birmensdorf Fax 01 739 22 15
E-mail: publications@wsl.ch CHF 26.–
ISBN: 3-905621-34-7
© Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Birmensdorf, 2006
Umschlag: (von oben nach unten)
Schwanden, Gandberg vom Gegenhang (Foto M. Ammann 2006)
Davos, Bruchschlagarbeitsversuche am SLF Davos (Foto M. Ammann 2004) Schwanden, mykologische Untersuchungen am Gandberg (Foto M. Ammann 2003) Schwanden, Umziehversuche am Gandberg (Foto M. Ammann 2003)
Ammann, M., 2006: Schutzwirkung abgestorbener Bäume gegen Naturgefahren. Birmensdorf, Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft. 228 S.
Abstract
Protection effects of dead trees against natural hazards
Norway Spruce (Picea abies) is the most common tree in the European mountains and there- fore of very great importance in the protection mountain forests provide against natural hazards. The European spruce bark beetle (Ips typographus) may cause extensive dying of spruce. Especially in the alpine and subalpine regions, this may have very serious consequences as the proportion of spruce in the woods here is often near 100%. When the decay of the remaining trees and the decomposition of dead wood proceed too rapidly, there is a risk that for some time the protective properties of the forests will fall below a critical level.
The scope of this study was to analyse the behaviour of dead trees under mechanical loads such as are caused by avalanches and snow movements, rockfall and slope failure, and to de- termine the effect of wood-rot fungi on the resistance of tree stems.
The research was carried out in a case study in the Gandberg forest near Schwanden, in the canton of Glarus (Switzerland). From 1992 to 1997, in the wake of the storm Vivian (1990), a vast area (about 100 hectares) of a spruce tree mountain forest died off as a consequence of the bark beetle calamity.
The area affected by the bark beetle was not cleared, the dead spruce were left standing. The mechanical stability of these stumps was measured about 10 years after their death. At- tempts were made to pull down entire stumps in the field thus simulating a static load, com- parable to the pressure of creeping snow in winter. On a test installation, stem parts were crushed by falling weights and the fracture energy calculated. In this way it was possible to simulate the dynamic loads caused by rock impact. The rot agents were isolated and identified by examining the cut surfaces of the stumps and stem sections. As the root system of the stump contributes to the slide-preventing stability of the soil, the tensile strength of the exca- vated roots of both dead trees and freshly-cut spruce were calculated and compared with each other.
During the attempts to pull down the stumps, three-quarters of the tested stumps failed by stem fracture, and at a lower bending moment than that of the stumps which were uprooted.
In determining the fracture energy, stem sections from deadwood that had already been in- vaded by fungus Fomitopsis pinicola were found to have the lowest fracture energies (25.59
±7.74 kJ/m2). In stem sections from deadwood in which the fungus was not found, mean frac- ture energies of 131.89 ±34.52 kJ/m2 were observed. For stem sections from fresh spruce, maximum values of 238.89 ±40.43 kJ/m2 were calculated.
F. pinicola was the predominant rot fungus to be found in the stumps ten years after the Gandberg spruces were killed off by bark beetles. It was found in 68.7% (n=90) of all basidio- mycete isolates from above-ground deadwood
If the dead trees break early (within about 5–10 years) and the deadwood comes to rest at right angles to the slope, there is an increase in their protective properties against avalanches and rockfall. However, on steep slopes (with an angle of >70%) the protective properties of dead spruce is rather dubious. The process of decomposition may cause the deadwood itself to come loose and slide down together with the snow mass.
In comparison with the roots of freshly-cut living spruce, the roots of spruce that had died about 10 years previously had 29% less tensile strength and 75% less strain energy. Conse- quently, where the ground is susceptible to erosion and landslides, the danger of surface slides increases after the death of trees in proportion to the increase in the decomposition of the root wood.
Basically, areas with dead spruce do offer some protection against natural hazards in spite of the decreasing strength of the wood. However, it cannot be excluded that in certain places and under unfavourable conditions, the protective effect of the decomposing matter may not be enough to offer sufficient protection until the next regeneration.
Keywords: Natural hazards; protection forest; maximum bending moment; fracture energy; root tensile strength; Fomitopsis pinicola; Picea abies; wood decay
Inhalt
Abstract 3
Dank 7
Abkürzungen und Dimensionen 9
1 Einleitung 11
1.1 Schutzwald und Borkenkäferschäden 12
1.2 Schutzwirkung abgestorbener Bäume 13
1.3 Zielsetzungen und Fragestellungen 18
1.4 Aufbau der Arbeit 19
1.5 Untersuchungsobjekt: Der Gandbergwald 20
1.5.1 Entstehung 20
1.5.2 Standort, Geologie und Klima 20
1.5.3 Bestandesgeschichte 22
1.5.4 Natürliche Sukzession: Zerfall und Verjüngung 22
2 Dominante Fäuleerreger in den Stirzeln 25
2.1 Einleitung 25
2.1.1 Problemstellung 25
2.1.2 Fragestellungen 27
2.1.3 Stand des Wissens 27
2.2 Material und Methoden 30
2.2.1 Entnahme von Holzproben 30
2.2.2 Isolierung der Fäuleerreger 32
2.2.3 Bestimmung der Pilzarten 33
2.2.4 Besiedlungsmuster von Fomitopsis pinicola im Stirzel 34
2.3 Resultate 35
2.3.1 Isolierung und Probenumfang 35
2.3.2 Die häufigsten Fäuleerreger 35
2.3.3 Besiedlungsmuster von Fomitopsis pinicola im Stirzel 37
2.4 Diskussion 37
2.4.1 Ergebnisse 37
2.4.2 Angewendete Methoden 39
2.5 Schlussfolgerungen
3 Reaktion der Stirzel bei statischer Belastung 43
3.1 Einleitung 43
3.1.1 Problemstellung 43
3.1.2 Fragestellungen 47
3.1.3 Stand des Wissens bezüglich Umziehversuche 48
3.2 Material und Methoden 50
3.2.1 Auswahl der Stirzel 50
3.2.2 Seilzugsystem 51
3.2.3 Messsystem 52
3.2.4 Durchführung der Umziehversuche im steilen Gelände 56
3.2.5 Protokollierte Parameter und Dokumentation 57
3.2.6 Auswertung 63
3.3 Resultate 72
3.3.1 Umgezogene Stirzel 72
3.3.2 Versagensarten und Fäulegrad 73
3.3.3 Verhalten zum Zeitpunkt des primären Versagens 77 3.3.4 Verhalten im quasi linear elastischen Verformungsbereich 82
3.3.5 Verformungsarbeit bis zum primären Versagen 83
3.4 Diskussion 85
3.4.1 Ergebnisse 85
3.4.2 Angewendete Methoden 87
3.5 Schlussfolgerungen 89
4 Dynamische Belastung ganzer Stammabschnitte 91
4.1 Einleitung 91
4.1.1 Problemstellung 91
4.1.2 Fragestellung 95
4.1.3 Stand des Wissens bezüglich Bruchschlagarbeit 95
4.2 Material und Methoden 97
4.2.1 Probenmaterial 97
4.2.2 Anprallanlage 99
4.2.3 Messeinrichtung 102
4.2.4 Protokollierte Parameter und Dokumentation 104
4.2.5 Auswertungen 106
4.3 Resultate 114
4.3.1 Untersuchte Stammabschnitte 114
4.3.2 Bruchschlagarbeit 115
4.3.3 Holzeigenschaften 117
4.4 Diskussion 121
4.4.1 Ergebnisse 121
4.4.2 Angewendete Methoden 125
4.5 Schlussfolgerungen 126
5 Zugfestigkeit von Wurzeln 131
5.1 Einleitung 131
5.1.1 Problemstellung 131
5.1.2 Fragestellung 134
5.1.3 Stand des Wissens bezüglich Wurzelfestigkeit 134
5.2 Material und Methoden 138
5.2.1 Probenmaterial 139
5.2.2 Eingiessen der Wurzelenden 140
5.2.3 Prüfung der Wurzeln auf Zug 142
5.2.4 Protokollierte Parameter und Dokumentation 143
5.2.5 Auswertungen 145
5.3 Resultate 148
5.3.1 Untersuchte Wurzelsegmente 148
5.3.2 Zugfestigkeit 150
5.3.3 Elastizitätsmodul 151
5.3.4 Verformungsarbeit 152
5.3.5 Bruchbilder 154
5.4 Diskussion 156
5.4.1 Ergebnisse 156
5.4.2 Angewendete Methoden 157
5.5 Schlussfolgerungen 160
6 Synthese und Ausblick 163
6.1 Wichtigste Ergebnisse 163
6.1.1 Dominante Fäuleerreger in den Stirzeln (Kapitel 2) 163
6.1.2 Festigkeitseigenschaften (Kapitel 3, 4, 5) 163
6.2 Entwicklung der Schutzwirkung im Gandbergwald 165
6.3 Schutzwirkung abgestorbener Bäume gegen Naturgefahren 167
6.4 Verwendete Methoden und Forschungsbedarf 170
6.4.1 Verwendete Methoden 170
6.4.2 Ausrichtung der Arbeit 171
6.5 Schlussbemerkungen 172
7 Zusammenfassung 173
8 Summary 175
9 Literatur 177
Anhang 187
Dank
An erster Stelle möchte ich mich bei meinem Referenten Prof. Dr. Ottmar Holdenrieder bedanken. Er gewährte mir bei der Ausgestaltung und der Durchführung der Versuche viele Freiheiten. Er begleitete meine Arbeit stets kritisch, was viel zur Präzisierung des Textes beitrug.
Ein besonderer Dank geht an meinen Korreferenten Dipl. Ing. Albert Böll. Seine Ratsch- läge und Kommentare erlaubten mir ein effizientes und zielgerichtetes Arbeiten. Nach den gemeinsamen Besprechungen in seinem Büro hatte ich stets einen vorskizzierten Lösungsweg für anstehende Probleme im Kopf.
Ein spezieller Dank gehört meinem zweiten Korreferenten Prof. Dr. Th. Speck von der Universität Freiburg im Breisgau (D). Trotz prall gefülltem Terminkalender und vielseiti- gem Engagement bekam ich von ihm immer konstruktive Antworten auf meine Fragen und er hat mich auch bei der optischen Auswertung der Stammquerschnitte sehr gut unterstützt.
Dem Revierförster von Schwanden Herrn A. Tschudi und seinen Mitarbeitern danke ich für die unkomplizierte Zusammenarbeit während der ganzen Projektzeit. Im Speziellen stellte er mir für die Feldversuche im Sommer 2003 die Forstwartlehrlinge D. Luchsin- ger und N. Lehmann und Personal aus dem Beschäftigungsprogramm zur Verfügung.
Herrn Jürg Walcher vom Kantonsforstamt Glarus danke ich für die zahlreichen Anre- gungen zur Arbeit und für die detaillierten Informationen zur Geschichte des Gand- bergwaldes.
In der Abteilung Wasser-, Erd- und Felsbewegung der WSL in Birmensdorf danke ich Dr.
F. Graf, Chr. Rickli und W. Gerber für die fachliche Betreuung, Herrn B. Fritschi für die Konzeptionierung und Herstellung der Messsysteme und K. Steiner für seine Einsätze im Feld. Den Praktikantinnen N. Bürkler, J. Bolli und den Praktikanten M. Eggenberger und L. Daguatti danke ich für ihre Hilfe bei den Laborarbeiten. Speziell erwähnen möch- te ich dabei Frau N. Bürkler, welche mit grossem Geschick die Wurzelzugversuche durchgeführt hat.
Dem Werkstatt-Team des SLF in Davos rund um Franz Leuenberger und Bernhard Zingg und dem Team Baumstabilität mit M. Kalberer, H. Simon, M. Jonsson und T.
Lundström danke ich für die tatkräftige Mithilfe bei den Versuchen zur Bruchschlagar- beit.
An der Professur für Forstschutz und Dendrologie der ETH Zürich danke ich Dr. Th. Sie- ber für die Hilfe bei den mykologischen Untersuchungen sowie bei den statistischen Analysen und Angelo Duo für die ausgeführten Laborarbeiten.
Bei Dr. K. Noetzli bedanke ich mich für seine grosse Hilfe bei der Auswertung der Re- sistographbohrungen bei der sein selbst entwickeltes Programm zum Einsatz kam.
Special thanks go to Mr. Duncan Lutes from the Fire Siences Lab in Missoula, USA. He supported my research with several internal reports from the US Forest Service.
Dipl. Forst- Ing. David Walker danke ich für die unzähligen Kommentare und Anregungen zur Arbeit in der Schlussphase und für seine Mitarbeit im Feld.
Frau Ursula Mohr-Suter danke ich herzlich für das Redigieren sämtlicher Kapitel der vorliegenden Arbeit in den vergangenen zwei Monaten.
Meinen Eltern danke ich für die Freiräume, welche sie mir gewährten und es mir damit ermöglichten, zuerst ein Studium und anschliessend eine Dissertation durchzuführen.
Meiner Frau Anna-Barbara und meinem Sohn Flurin danke ich für das grosse Verständ- nis, welches sie mir vor allem in der Schlussphase der Dissertation entgegengebracht haben. Ihr fröhliches Lachen brachte mich jeweils auch nach einem weniger erfolgrei- chen Tag schnell auf andere Gedanken.
Der VELUX STIFTUNG danke ich für die finanzielle Unterstützung (Projekt Nr. 66 Oek, Schutzwirkung abgestorbener Bäume gegen Naturgefahren), welche die Durchführung des Projektes in diesem Rahmen erst ermöglichte.
Abkürzungen und Dimensionen
A [mm2] Querschnittsfläche
A0 [mm2] nomineller Ausgangsquerschnitt
BS [Nmm2] Biegesteifigkeit
blfaul [%] faule Bohrlänge bezogen auf die gesamte Bohrlänge
d [mm] [cm] Durchmesser
d(HBruch) [cm] mittlerer Durchmesser des Stirzels auf
Bruchhöhe
dBruch [mm] mittlerer Durchmesser der Wurzelprobe an der
Bruchstelle
d0 [mm] nomineller Durchmesser der Wurzelprobe E [N/mm2] = [MN/m2] Elastizitätsmodul
Etot [J] Totale Energie
Ekin [J] Kinetische Energie
Epot [J] Potentielle Energie / Lageenergie
F [N] Kraft
Fult [N] maximale Kraft
Fel [N] Kraftdifferenz im quasi linear elastischen Verformungsbereich
FSeil [N] Seilzugkraft
Ftan [N] Tangentiale Kraft (senkrecht zur Stammachse) FN [N] Kraft in Richtung der Stammachse
Fhor [N] Horizontale Kraftkomponente
Fver [N] Vertikale Kraftkomponente
f(HAh) [m] Horizontale Verschiebung auf Anhänghöhe (HAh)
fel (HAh) [m] Horizontale Verschiebung im quasi linear
elastischen Verformungsbereich (unter Fel)
fgquer [%] Fäulegrad des Stammquerschnittes
H [m] Höhe des Stirzels
HBruch [m] Bruchhöhe
HAh [m] Anhänghöhe
Iy [mm4] Flächenträgheitsmoment um die y-Achse
hL [m] Hebelarm zur Berechnung des Biegemomentes auf Nullniveau
hBruch [m] Hebelarm zur Berechnung des Biegemomentes
auf Bruchhöhe
L [m] [mm] Länge
LSp [m] lichte Spannweite
L0 [mm] Ausgangslänge
ΔL [mm] Längenänderung
ΔLult [mm] Längenänderung bei maximaler Kraft (Fult) ΔLel [mm] Längenänderung im quasi linear elastischen
Verformungsbereich (unter Fel)
ΔLBruch [mm] Längenänderung beim totalen Versagen
mu [kg] Masse der feuchten Probe
m0 [kg] Masse der wasserfreien Holzprobe
Mult (0) [kNm] maximales Biegemoment auf Nullniveau
Mult (HBruch) [kNm] maximales Biegemoment auf Bruchhöhe (HBruch)
n [Stk.] Probenanzahl
st Wurzelzustand / Holzzustand der Probestämme
t [s] Zeit
σ [N/mm2] = [MN/m2] Normalspannung
σx ult (HBruch) [N/mm2] = [MN/m2] maximale Biege(-Bruch)-Spannung auf Bruchhöhe (HBruch)
σult [N/mm2] = [MN/m2] Zugfestigkeit
Θ [°] [rad] Drehwinkel
Θult [°] [rad] Drehwinkel bei maximaler Kraft (Fult), d.h.
beim primären Versagen
ΘBruch [°] Drehwinkel beim totalen Versagen
ρw [kg/dm3] Rohdichte von Wasser ρ0 [kg/dm3] Darr-Rohdichte
v [m/s] Geschwindigkeit
V0 [m3] Volumen der wasserfreien (darrtrockenen)
Holzprobe / Wurzelprobe
u [%] Feuchtigkeitsgehalt des Holzes
Uult [J] Verformungsarbeit bis zum Erreichen der
maximalen Kraft (primäres Versagen)
UBruch [J] Verformungsarbeit bis zum totalen Versagen
va Versagensart
W [kJ] Bruchschlagenergie, die zum Durchschlagen des Stammabschnittes erforderlich war
w [kJ/m2] Bruchschlagarbeit
Bemerkung zu den Abkürzungen und Dimensionen:
In dieser Arbeit werden die Dimensionen nach Eurocode 5 für den Holzbau (Schneider 1996) und nach der Schweizer Norm für den Holzbau (SN 505 265 2003) verwendet.
Dies vereinfacht die Berechnung von Fallbeispielen in der Praxis. Die Abkürzungen der verschiedenen Stadien während der mechanischen Belastung der Proben wurden in Anlehnung an Timoschenko (1984) gewählt. Tiefgestellte Indices eines Parameters, wie beispielsweise „HBruch“ bei M ult (HBruch) nehmen Bezug auf die spezifische Stelle, an welcher die Materialeigenschaften berechnet wurden.
1 Einleitung
Viele Gebirgswälder schützen im europäischen Alpenraum Menschen und deren Sach- werte vor Naturgefahren (BRANG 2001). Etwa ein Viertel des Schweizer Waldes liegt so, dass er Siedlungen und Verkehrswege vor Lawinen, Steinschlag, Rutschungen oder Murgängen direkt schützen kann (BUWAL und WSL 2005). Oftmals kostet es weniger die Schutzwälder zu pflegen, als teure technische Schutzbauten zur Abwehr der Na- turgefahren zu erstellen (BUWAL und WSL 2005). Im Waldprogramm Schweiz ist des- halb die Erhaltung des Schutzwaldes als eines der fünf prioritären Ziele verankert (Projektleitung WAP-CH 2004). Eine optimale Schutzwaldbewirtschaftung soll einen nachhaltig wirksamen Schutzwald mit minimalem Aufwand sicherstellen (DORRENet al.
2004; FREHNER et al. 2005; BRANG et al. 2004). Zur Umsetzung stellt der Bund in der Schweiz mit der Vollzugshilfe «NaiS – Nachhaltigkeit im Schutzwald» ein Instrument zur Verfügung, welches den aktuellen Stand des Wissens aus Praxis und Forschung be- züglich Waldwirkung vereint und in praxisgerechter Form präsentiert (FREHNER et al.
2005). Viele der in der Vollzugshilfe «NaiS» getroffenen Annahmen basieren auf Erfah- rungen aus der Praxis und sind nur teilweise wissenschaftlich fundiert (BRANGet al.
2004).
Abb. 1.1: Ansicht des Naturreservates Gandbergwald (Foto J. Walcher 1997)
Blick vom Gegenhang auf den westlichen Teil der Totholzfläche am Gandberg. Bis auf eine Höhe von ca. 1200 m ü.M. wurden die befallenen Fichten zur Bekämpfung des Borkenkäfers gefällt und abtransportiert. Darüber verzichtete man auf eine Nutzung und liess den grossflächig ab- gestorbenen Fichtenbestand stehen.
Ausgelöst durch abnehmende öffentliche Mittel für die Waldpflege, müssen auch die Massnahmen zur Pflege des Schutzwaldes zunehmend nach ihrem Kosten-Nutzen- verhältnis priorisiert werden. Die Umsetzung dieser so genannten risikobasierten Schutzwaldstrategie (BEBIet al. 2004; SCHÄRER 2004) führt unter anderem dazu, dass heute bei der Borkenkäferbekämpfung an Orten, wo die Holzerntekosten die Holz- erlöse übersteigen und keine Beiträge der öffentlichen Hand den Mehraufwand abde- cken, die abgestorbenen Fichten vermehrt stehen gelassen und die Flächen nicht ge- räumt werden (Abb. 1.1und Abb. 1.2).
1.1 Schutzwald und Borkenkäferschäden
Ausgelöst durch Sturmschäden oder Trockenperioden kam es immer wieder zur Mas- senvermehrung des Borkenkäfers mit ausgedehntem Stehendbefall (Abb. 1.1). Dabei können Borkenkäfer (Ips typographus L.) Nadelholzbestände rasch und grossflächig befallen und abtöten (BRANG 2001; FORSTER et al. 2003). Die Fichte (Picea abies [L.] Kast.) ist in den europäischen Gebirgswäldern die häufigste und damit die wichtigste Baumart für die Schutzwirkung dieser Wälder gegen Naturgefahren (BRASSEL und BRÄNDLI 1999; OTT et al. 1997). In Fichtenbeständen kann nach aussergewöhnlichen Sturmschäden eine Vermehrung des Borkenkäfers meist nicht verhindert werden (FORSTER et al. 2003). Eine Verzehnfachung der Käferpopulation ist dabei innerhalb ei- ner Gradation möglich (WERMELINGER und SEIFERT 1999). Vor allem in der subalpinen und in der hochmontanen Stufe wirkt sich der Borkenkäferbefall besonders gravierend aus, weil der Fichtenanteil in Beständen auf dieser Höhenstufe häufig nahezu 100% be- trägt (BUWAL 2000; OTT et al. 1997). In solch aussergewöhnlichen Situationen müssen die knappen Ressourcen zur Käferbekämpfung (Finanzen, Arbeitskräfte, Maschinen) gezielt eingesetzt werden. Dies hat in jüngster Vergangenheit dazu geführt, dass an weniger dringlichen Orten auf eine Nutzung der befallenen Fichten verzichtet, und die abgestorbenen Fichten vermehrt stehen gelassen wurden (Abb. 1.2 und Abb. 1.1).
Abb. 1.2: Borkenkäfer Zwangsnutzungen in der Schweiz (1985–2004).
Auf die Stürme wie Vivian 1990 oder Lothar 1999 folgten massive Folgeschäden durch den Borkenkäfer. Grafik aus (BUWAL 2005); die Daten stammen von der Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (MEIER et al. 2005). [04*) Winterhalbjahr ist eine Schätzung].
0 500 1000 1500 2000
85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2000 01 02 03 04*)
in 1000 m3
Zwangsnutzung im Sommerhalbjahr Zwangsnutzung im folgenden W interhalbjahr Stehengelassenes Käferholz
Nach dem Sturm Lothar (Dezember 1999) wurden in der Schweiz während den Jahren 2000–04 insgesamt 692’000 m3 durch Borkenkäferbefall abgestorbene Fichten ste- hen gelassen. Dividiert man diese Holzmenge durch den mittleren Vorrat der Schweizer Wälder (354.0 m3/ha; (BRASSEL und BRÄNDLI 1999), entspricht dies theoretisch einer Waldfläche von 1955 Hektaren.
1.2 Schutzwirkung abgestorbener Bäume
Treten grossflächige Borkenkäferschäden im Schutzwald auf ohne anschliessende Massnahmen zur Sanierung, stellt sich die Frage nach der Entwicklung der Schutz- wirkung einer solchen Fläche gegen Naturgefahren. Hat ein Bestand aus abgestorb- enen Fichten überhaupt noch eine Wirkung gegen Naturgefahren oder stellt er eventu- ell selber ein Gefahrenpotential dar?
Abb. 1.3: Theoretischer Verlauf der Schutzwirkung eines abgestorbenen Gebirgswaldes gegen Naturgefahren.
In diesem Beispiel kommt die Verjüngung genügend schnell auf und der Zerfall des Altbestan- des schreitet nur langsam voran. Die Grenze der zulässigen Schutzwirkung wird zu keinem Zeitpunkt unterschritten.
t0: Absterbezeitpunkt
1: Abnehmende Schutzwirkung des Altbestand
2: Zunehmende Schutzwirkung der aufkommenden Verjüngung 3: Gesamte Schutzwirkung des Waldes
4: Grenze der zulässigen Schutzwirkung, die nicht unterschritten werden darf.
(Dieses Diagramm ist von WALCHERet al. (2001) und von KUPFERSCHMID ALBISETTI (2003) vorge- stellt worden und enthält keine Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit.)
Werden keine Aufforstungen oder Verbauungen als Sanierungsmassnahmen durch- geführt, sondern die Flächen der natürlichen Waldentwicklung überlassen, sind bezüg- lich der Schutzfunktion des Waldes zwei Prozesse relevant (Abb. 1.3).
1. Die Schutzwirkung des zerfallenden Altbestandes nimmt durch die Zersetzung des Totholzes im Laufe der Zeit ab (Kurve 1 in Abb. 1.3).
Zeit
Schutz w irkung
2 1
3 4
t
0Zeit
Schutz w irkung
2 1
3 4
t
02. Die aufkommende Naturverjüngung sollte genügend schnell die abnehmende
Schutzwirkung des Altbestandes kompensieren und ersetzen (Kurve 2 in Abb. 1.3).
Bis vor ca. 15 Jahren fehlten in den europäischen Alpen geeignete Flächen um solche langfristigen natürlichen Prozesse beobachten zu können. Erst in den 90er-Jahren nach dem Sturm Vivian (1990) und später nach dem Sturm Lothar (1999) wurden erstmals Schadenflächen nicht geräumt, und die abgestorbenen Bäume blieben stehen. Bei- spiele dafür sind der Nationalpark Bayerischer Wald in Deutschland (HEURICHet al.
2001) oder der Gandbergwald in der Schweiz (Abb. 1.1) (WALCHERet al. 2001).
Der Gandbergwald ist ein geeignetes Untersuchungsgebiet um den Verlauf der Schutz- wirkung gegen Naturgefahren zu beobachten. In der Vergangenheit wurde im Gebiet Steinschlag beobachtet und die Hänge können im unbewaldeten Zustand potentielle Lawinenanrissgebiete sein.
Die aufkommende Verjüngung am Gandbergwald wurde in der Dissertation von A.
Kupferschmid eingehend untersucht (KUPFERSCHMID ALBISETTI 2003). Basierend auf Feldaufnahmen im Gandbergwald und Literaturangaben erarbeitete sie ein Modell zur Simulation der Verjüngung in Totholzbeständen. Dabei nahm sie an, dass Fichten, die grösser als 5 Meter sind, genügend Schutz vor Waldlawinen und Steinschlag bieten.
Nach ihren Modellberechnungen braucht die natürliche Verjüngung drei bis fünf Jahr- zehnte bis sie wieder selber eine Schutzwirkung übernehmen kann (Kurve 2 in Abb. 1.3) (KUPFERSCHMID ALBISETTI 2003).
Abb. 1.4 Ein Stirzel
Ein Stirzel ist ein unterschiedlich langer Stammrest, welcher beim Zerfall stehend abgestorbener Fichten als stehendes Totholz ver- bleibt. Im Vordergrund des Bildes ist Stirzel Nr. 23 (Höhe = 3.8 m;
BHD = 47.8 cm) vor dem Umzieh- versuch zu sehen. Knapp unterhalb der Stammgurte befindet sich ein Fruchtkörper von F. pinicola. Im Hintergrund sind wietere, z.T. höhe- re Stirzel sichtbar.
Erste Studien im Gandbergwald zeigten, dass die stehend abgestorbenen Fichten in- folge der Aktivität des Braunfäuleerregers Fomitopsis pinicola (Rotrandiger Baum- schwamm) (Abb. 1.4 und Abb. 1.5) bereits fünf bis zehn Jahre nach dem Absterben in einigen Metern über dem Boden abbrachen (HAMDAN 2002; KUPFERSCHMIDet al. 2003;
LANDOLT 2001). Unterschiedlich lange Stammreste verblieben als stehendes Totholz, welche in der vorliegenden Arbeit als Stirzel bezeichnet werden (Abb. 1.4 und Abb.
1.5). In Deutschland wird der Begriff Hochstumpf synonym zu Stirzel gebraucht (MÜLLER-USING und BARTSCH 2003; STÖCKER 1998).
Die Stirzel hindern das liegende Totholz oder eine Schneedecke am Abrutschen. Sie bilden dabei zentrale Verankerungspunkte für das liegende Totholz oder für eine Schneedecke und sind somit ein wesentliches Element für die verbleibende Schutz- wirkung des Altbestandes. Je nach Naturgefahr sind sie unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt (Tab. 1.1). Durch die fortschreitende Zersetzung verliert ein Stirzel zu- nehmend an Festigkeit. Dies beeinträchtigt seine rückhaltende Wirkung gegen Stein- schlag, gegen Lawinen und gegen oberflächennahe Rutschungen im Laufe der Zeit zu- nehmend (Tab. 1.1).
Tab. 1.1: Mögliche Einwirkungen auf die Stirzel durch die Naturgefahrenprozesse, welche in der vorliegenden Arbeit mit Versuchen simuliert wurden.
Statische Belastung
Schneedruck (S’N, M) – Biegemoment
Die Stirzel stützen die Schneedecke ab und verhin- dern Lawinenanrisse (MÖSSMERet al. 1994; WEIR 2002). Der Schneedruck auf den Stirzel (S’N, M) ent- steht durch Gleiten und Kriechen der Schneedecke ((MARGRETH 2004a; SALMet al. 1990))
Aktiver Erddruck (Ea) – Biegemoment:
Hinter dem Stirzel sind quer liegende Stämme ver- ankert, welche Erdmaterial und Steine zurückhalten.
Als resultierende Kraft wirkt der aktive Erddruck (Ea) wie bei einem mit Bodenmaterial hinterfüllten Stützwerk (BÖLL 1992; BÖLL 1997).
Dynamische Belastung
Steinschlag – Bruchschlagarbeit
Trifft ein stürzender Stein auf einen Baum, verliert der Stein durch den Kontakt mit dem Baum an kine- tischer Energie (Ekin) und wird abgebremst oder so- gar gestoppt (DORREN und BERGER 2005; JAHN 1988).
Es kommt zur Biegung oder zum Bruch des Stammes (BRAUNERet al. 2003; ZINGGELER 1990).
Belastungen im Wurzelraum
Oberflächennahe Rutschungen – Wurzelzugfes- tigkeit
Baumwurzeln können potentielle Gleitflächen (ge- strichelte Linie) von oberflächennahen Rutschungen durchwachsen und dem Boden Halt geben
(BURROUGHS und THOMAS 1977; SELBY 1993). Die Wur- zeln wirken gegen hangabwärts gerichtete Kräfte, dabei richten sie sich parallel zur Krafteinwirkung aus und werden auf Zug belastet (SCHMIDTet al.
2001; WALDRON und DAKESSIAN 1981).
Ea Ea
Ekin Ekin Ekin
S‘N,M S‘N,M
Liegendes und stehendes Totholz kann Steine wirksam abbremsen und verhindert den Aufbau einer gleichförmigen Schneedecke. Bezüglich Steinschlag und Waldlawinen kann unmittelbar nach dem Zusammenbrechen der Fichten von einem Anstieg der Schutzwirkung gegenüber der Situation vor dem Absterben der Bäume ausgegangen werden (Anstieg der Kurve 1 nach dem Absterbezeitpunkt t0 in Abb. 1.3). Diese Aus- sagen wurden auf Grund der Wirkhöhe1 des Totholzes im Gandbergwald 5–10 Jahre nach dem Absterben der Fichten gemacht (KUPFERSCHMID ALBISETTI 2003). Der Festig- keitsverlust durch die fortschreitende Zersetzung des Totholzes wurde dabei nicht berücksichtigt.
Abb. 1.5: Fruchtkörper von F. pinicola (Rotrandiger Baumschwamm).
An diesem Stirzel treten die Fruchtkörper gehäuft am Stammfuss auf.
Weiterführende Untersuchungen zur abnehmenden Schutzwirkung infolge der fort- schreitenden Holzzersetzung existierten bis anhin nicht (Kurve 1 in Abb. 1.3). Im Fall- beispiel Gandbergwald stellte sich die konkrete Frage, ob die abgestorbenen Fichten den unterschiedlichen Einwirkungen aus den Naturgefahren (Tab. 1.1) auch 30 oder 40 Jahre nach dem Absterben durch den Borkenkäfer noch widerstehen können, damit die zulässige Schutzwirkung zu keinem Zeitpunkt unterschritten wird (Abb. 1.3). Es exis- tierten keine Grundlagen, welche die Beurteilung der Schutzwirkung solcher Bestände gegen Naturgefahren erlaubte. Es war nicht bekannt, welchen mechanischen Belastun- gen die stehend abgestorbenen Fichten in Abhängigkeit von der Holzzersetzung noch widerstehen können (Tab. 1.1).
1 Als Wirkhöhe wird hier die durchschnittliche, lotrechte Höhe der obersten Stammlage über
dem Boden bezeichnet. Das ist der Bereich, in welchem das liegende Holz stabilisierend auf die Schneedecke wirkt (BUWAL 2000).
1.3 Zielsetzungen und Fragestellungen
Für den Umgang mit abgestorbenen Fichtenbeständen, welche bei der Umsetzung einer risikobasierten Schutzwaldstrategie in Zukunft vermehrt stehen gelassen werden, braucht es wissenschaftliche Grundlagen. Um die Schutzwirkung abgestorbener Be- stände gegen Naturgefahren besser beurteilen zu können werden Grenzwerte2 zum Verhalten der Stirzel bei Belastungen (quantitative Daten) benötigt, wie sie durch die Einwirkungen der Naturgefahren entstehen können. Dazu wurden folgende sechs Fra- gestellungen formuliert:
– Welches sind die dominanten Fäuleerreger in den oberirdischen Stirzelteilen?
– Wie hoch ist das kritische Biegemoment, dem ein Stirzel bei statischer Kraftein- wirkung widerstehen kann, bevor er versagt?
– Brechen die Stirzel beim Erreichen einer kritischen Belastung über dem Boden ab oder versagt der Stirzel durch Entwurzelung?
– Wie viel Bruchschlagenergie können Stammabschnitte von Stirzeln bei dynamischer Belastung im Vergleich zu Stammabschnitten von frisch gefällten, lebenden Fichten noch aufnehmen?
– Wie wirken sich die Fäuleerreger auf das Verhalten der Stirzel bei statischer und dynamischer Belastung aus?
– Wie hoch ist die Zugfestigkeit der Wurzeln von vor ca. 10 Jahren durch Borkenkä- ferbefall abgestorbenen Fichten im Vergleich zu Wurzeln von frisch gefällten, le- benden Fichten?
Die in Tab. 1.1 aufgeführten Einwirkungen der Naturgefahren Lawinen, Steinschlag und Rutschungen auf die Stirzel sind als Modelle dargestellt. Die Einwirkungen aus den ein- zelnen Naturgefahren konnten in der vorliegenden Arbeit nicht direkt untersucht wer- den. Sie wurden mittels statischer und dynamischer Belastung in drei verschiedenen technischen Versuchsanordnungen simuliert.
Die Festigkeit von liegendem Totholz war nicht Gegenstand dieser Untersuchung.
Durch die detaillierte Definition der verschiedenen Holzzustände mittels erklärenden Variablen wie Darr-Rohdichte, Feuchtigkeitsgehalt oder Ausdehnung der Fäule im Stamm, lassen sich die am stehenden Stirzel ermittelten Erkenntnisse und Grenzwerte aber teilweise auch auf liegendes Totholz oder auf lebende Bäume übertragen.
2 Die Grenzwerte quantifizieren die maximale Belastung, welcher Stirzel oder Stirzelteile gera- de noch widerstehen können, bevor ein Versagen eintritt (SN 505 260 2003).
1.4 Aufbau der Arbeit
Die sechs Fragestellungen (Kap.1.3) wurden am Gandbergwald bei Schwanden (Kt. Gla- rus) im Rahmen einer Fallstudie untersucht. Das Untersuchungsobjekt wird in Kapitel 1.5 beschrieben. Die Fragestellungen werden in vier Kapiteln (Kap. 2–5) abgehandelt.
Jedes Kapitel beinhaltet die detaillierte Fragestellung, den aktuellen Stand des Wis- sens, die Methodik, die Resultate und eine Diskussion der Ergebnisse. Die wichtigsten Resultate und Schlussfolgerungen dieser Teiluntersuchungen werden abschliessend in einer Synthese (Kapitel 6) zusammengefasst und gesamthaft diskutiert. Die in der vorliegenden Arbeit zitierte Literatur ist in Kapitel 7 aufgeführt.
Die nachfolgenden Kurzbeschreibungen zeigen die Schwerpunkte der vier Kapitel auf.
Kapitel 2: Aus den getesteten Stirzeln und Stammabschnitten wurden Fäuleerreger isoliert und die dominanten Pilzarten identifiziert.
Kapitel 3: Am Gandberg wurden 31 Stirzel mit einem Seilzugsystem in situ umgezogen und deren Verhalten bei statischer Belastung gemessen.
Kapitel 4: Stammabschnitte aus zersetztem und unzersetztem Stirzelholz und von frisch gefällten, lebenden Fichten wurden auf einer Anprallanlage
durchschlagen, um die Bruchschlagarbeit des Stammes zu berechnen.
Kapitel 5: Auf einer Prüfmaschine wurde die Zugfestigkeit von Fichtenwurzeln ermittelt. Dabei wurden Wurzeln von Fichten aus dem Gandbergwald, welche vor ca. 9–10 Jahren abgestorben waren, und Wurzeln von lebenden Fichten, die kurz vor dem Test gefällt wurden, miteinander verglichen.
1.5 Untersuchungsobjekt: Der Gandbergwald
1.5.1 Entstehung
Vom 26. bis zum 28. Februar 1990 wüteten die Winterstürme „Vivian“ und „Wiebke“
über Europa und richteten in der Gemeinde Schwanden und im Speziellen im Niederental grossflächige Waldschäden an (Abb. 1.6). Im Gemeindewald von Schwanden wurde der Wald auf 150 Hektaren total zerstört (HÜRLIMANNet al. 2001). Im Gandbergwald selber waren nur einige kleine Windwürfe zu verzeichnen (WALCHERet al. 2001). Nach dem Sturmereignis fand durch den grossen Anfall an Brutmaterial in den Schadenflächen eine Massenvermehrung des Buchdruckers (Ips typographus) statt. Zuerst wurden die Randbäume der Windwurfflächen, anschliessend auch stehende Fichten im Innern von intakten Beständen durch die Käfer befallen. Nach 1992 nahmen die Borkenkäfer- schäden im Gandbergwald rasant zu und erreichten mit 20 ha Frischbefall im Jahr 1993 einen Höhepunkt. Erst 1997 beruhigte sich die Situation wieder. Auf einer Fläche von 100 ha waren im Gandbergwald zu diesem Zeitpunkt praktisch alle Fichten abgestor- ben (WALCHERet al. 2001) (Abb. 1.1 und Abb. 1.6).
Mit viel Überzeugungsarbeit konnten die betroffenen Gemeinden Ennenda, Mitlödi, Schwändi und Schwanden überzeugt werden, auf Eingriffe in dieser Fläche zu ver- zichten und über die ganze Waldfläche ein Naturreservat einzurichten. Der Gandberg- wald wurde durch diesen Entscheid zu einem einmaligen Objekt für die Untersuchung der natürlichen Waldentwicklung und ist als Anschauungsobjekt für die Öffentlichkeits- arbeit von grossem Wert.
1.5.2 Standort, Geologie und Klima
Der Gandbergwald liegt am nördlichen Hang des Hellhorns im Südosten der Gemeinde Schwanden (Kt. Glarus) (Abb. 1.6). Der Waldkomplex am Eingang zum Sernftal ist Be- standteil des Wildschongebietes Freiberg Kärpf. Der Gandbergwald befindet sich auf einer Höhenlage von 1100–1600 m ü.M., ist gegen Norden exponiert und weist Hang- neigungen von 30–80% (17–39°) auf.
Der Standort im Untersuchungsobjekt wurde pflanzensoziologisch der Gesellschaft Galio-abieti-Piceetum (OTTet al. 1997) zugeordnet (KÄGI 1992). Der geologische Unter- grund am Gandberg besteht aus Verrucano der helvetischen Decken (SPICHER 1980).
Das silikatreiche Ausgangsgestein verwitterte zu sauren und frischen Braunerden mit schwacher Podsolierung (ROTH 1996). In der Versuchsfläche (Abb. 1.6) ist die Braun- erde stellenweise sehr blockig, skelettreich und weist stellenweise Hohlräume auf.
Eine Podsolierung konnte nicht festgestellt werden. Der Boden besteht an vielen Stel- len aus überwachsenem Blockschutt.
Der Hang ist mit Felsbändern durchzogen, aus denen Steine ausbrechen können. Die Felsbänder sind potentielle Steinschlagquellen und die Hangneigung ist genügend gross (>30°), damit die Steine weiter hangabwärts stürzen können (FREHNER et al.
2005). Der Gandbergwald ist demzufolge Entstehungs- wie auch Transitgebiet für Steinschlag.
Abb. 1.6: Situation im Gebiet Schwanden, Niederental, Gandbergwald.
Die Schadenflächen wurden ungefähr nach WALCHERet al. (2001) eingezeichnet und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Reproduziert mit Bewilligung von swisstopo (BA057552).
Am Gandberg herrscht ein kühl-feuchtes Klima (Tab. 1.2). Für die Untersuchungfläche wird eine jährliche Durchschnittstemperatur von 2–3 °C angenommen (KUPFERSCHMID
ALBISETTI 2003). Basierend auf Niederschlagsmessstationen in Elm und Braunwald wird die mittlere jährliche Niederschlagssumme auf 1600–2000 mm/Jahr geschätzt (Tab.
1.2).
Tab. 1.2: Mittlere jährliche Niederschlagssummen und Temperaturen.
Quellen: Elm und Braunwald (MeteoSchweiz), Werte für den Gandberg aus KUPFERSCHMID ALBISETTI (2003).
Elm Braunwald Gandberg
[m ü.M] (963) (1340) (1100–1600)
Mittlere Temperatur [°C] 6.3 ca. 2–3
Mittlere jährliche Nie-
derschlagssumme [mm/Jahr] 1571 2053 1600–2000
Während der fünfmonatigen Feldsaison (1.6.–6.11.03) wurde mit einem Regenmesser in der Versuchsfläche 546 mm Niederschlag gemessen. Diese Messung war nicht re- präsentativ, da sie nur eine Sommersaison abdeckte und zusätzlich aus dem sehr heissen und trockenen Sommer 2003 stammte.
Die mittlere maximale Schneehöhe im Winter beträgt 160 cm und die maximale Schneehöhe mit einer Wiederkehrperiode von 100 Jahren wird auf über 300 cm be- rechnet (Tab. 1.3) (KUPFERSCHMID ALBISETTI 2003). Auf Grund der Hangneigung könnten im unbewaldeten Zustand im Gebiet des Gandbergwaldes Lawinen anreissen (SALM et al. 1987).
Tab. 1.3: Schneehöhen
Quellen: Elm und Braunwald von SLF-Vergleichsstationen. die berechneten Werte für die Wind- wurfflächen in Schwanden sind aus FREY und THEE (2002). Die Angaben zum Gandberg stammen von KUPFERSCHMID ALBISETTI (2003).
Elm Braunwald Schwanden Wind-
wurfflächen Gandberg [m ü.M] (963) (1340) (900–1000) (1100–1450) Schneehöhen
Mittlere maximale [cm] 170 210 84 ca. 160
Maximal gemessene [cm 470 304 168
Maximale berechnete 10 Jahre 30 Jahre 100 Jahre
[cm]
[cm]
[cm]
275 335
400 200 200
250 290–395
1.5.3 Bestandesgeschichte
Vor 1990 stockte am Gandbergwald ein einschichtiger und sehr vorratsreicher Fich- tenhochwald (Picea abies[L.] Karst.), wobei die Fichten langschäftig und bis zu
30–40 Meter hoch waren (OTTet al. 1997). Als weitere Baumarten kamen beigemischt wenige Weisstannen (Abies alba) und einige Bergahorne (Acer pseudoplatanus) vor.
Die Fichten stammten aus Naturverjüngung, welche sich nach Kahlschlägen in den Jah- ren 1842–1846 grossflächig einstellte (Kantonsforstamt Glarus 1949). Nach dem Wirtschaftsplan betrug der Vorrat im Jahr 1949 rund 639 Fm/ha (Kantonsforstamt Glarus 1949). Basierend auf der Erfassung des liegenden und stehenden Totholzes im Jahr 2000 kalkulierte KUPFERSCHMID ALBISETTI (2003) für das Jahr 1990 einen Vorrat von 816 m3/ha.
Im dichten Bestand vor 1990 war das Kronendach geschlossen und auf den Wald- boden gelangte nur wenig Licht. Die Bodenvegetation war deshalb nur sehr spärlich und eine Baumverjüngung fehlte (ROTH 1996) (Abb. 1.7).
Waldbauliche Eingriffe fanden in diesem Gebiet wegen der Unzugänglichkeit seit Jahr- zehnten nur vereinzelt oder gar nicht statt.
1.5.4 Natürliche Sukzession: Zerfall und Verjüngung
Nach dem Absterben der Fichten durch den Borkenkäfer verfärbten sich die Kronen rot. Die Bäume wurden stehend dürr und verloren ihre Nadeln. In den ersten Jahren nach dem Absterben lösten sich grosse Rindenmengen von den Stämmen und bedeck- ten den Boden (ROTH 1996). Nach 5–10 Jahren brachen die toten Bäume zuerst unter- halb des Kronenansatzes und später im unteren Stammdrittel ab (KUPFERSCHMID ALBI- SETTI 2003). In der Regel waren die Stämme durch den rotrandigen Baumschwamm (Fomitopsis pinicola) besiedelt (HAMDAN 2002). Der untere Stammabschnitt blieb als
mehrere Meter hoher Stirzel stehen (Abb. 1.7). Im Jahr 2000 (ca. 5–8 Jahre nach dem Absterben) waren bereits 75% der Bäume gebrochen (KUPFERSCHMID ALBISETTI 2003;
LANDOLT 2001). Davon waren 50% in einer Höhe unterhalb von zehn Metern und 25%
oberhalb von zehn Metern gebrochen (KUPFERSCHMIDet al. 2003). Die abgebrochenen Stirzelteile lagen meist horizontal bis schräg zum Hang, was eine bessere Schutz- wirkung ergab als hangabwärts liegende Stämme. Auch während des Sturmes «Lothar»
(26. Dezember 1999) konnte man bei den abgestorbenen Fichten kein Versagen durch Entwurzelung feststellen (KUPFERSCHMIDet al. 2003). Die verbleibenden Stirzel sind ein wesentliches Element für die verbleibende Schutzwirkung des Altbestandes, indem sie das liegende Totholz im Hang verankern (Abb. 1.7).
Abb. 1.7: Zerfallsdynamik des Totholzbestandes innerhalb von sechs Jahren.
Bild links: Die Schadenfläche im Jahre 1996 rund 2–4 Jahre nach dem Absterben der Fichten (Aufnahme: J. Walcher). Die Bäume sind stehend dürr geworden und die meiste Rinde ist abge- fallen. Die Bodenvegetation ist aufgrund des früheren Lichtmangels noch spärlich und besteht aus Moosen, Rundblättrigem Labkraut (Galium rotundifolium) und Sauerklee (Oxalis acetosella) (KUPFERSCHMID 2003; ROTH 1996).
Bild rechts: Die Schadenfläche im Sommer 2003 (Aufnahme: M. Ammann). Zahlreiche abgestor- bene Fichten sind bereits unter der Krone oder im unteren Stammdrittel abgebrochen. Das lie- gende Totholz wird durch die noch stehenden Stirzel am Abrutschen gehindert. Es herrschen freilandähnliche Lichtverhältnisse. Die Bodenvegetation ist üppig und wird durch die Himbeere (Rubus idaeus), Waldweidenröschen (Epilobium angustifolium) und verschiedene Farne dominiert (KUPFERSCHMID 2003).
Seit 1993 wurde in 24 Dauerflächen (1 x 1 m gross) die aufkommende Baumverjün- gung aufgenommen und in der Dissertation von A. Kupferschmid Albisetti zusammen- fassend dargestellt. Am häufigsten keimten Fichten (Picea abies), gefolgt von Berg- ahorn (Acer pseudoplatanus), Vogelbeere (Sorbus aucuparia), Birke (Betula pendula) und Tanne (Abies alba). Im Jahr 2001 waren durchschnittlich 0.5 Fichtensämlinge pro Quadratmeter vorhanden. Von den Tannensämlingen überlebte vermutlich auf Grund des starken Verbisses durch Gemsen kein einziges Exemplar bis 2001. Die jungen
Fichten und Bergahorne waren im Mittel erst 13 cm hoch. Nur einzelne Birken waren im Jahr 2001 zwei Meter hoch, da sie weniger stark durch Gemsen verbissen werden (KUPFERSCHMID ALBISETTI 2003).
Basierend auf diesen Daten und Literaturangaben erarbeitete KUPFERSCHMID ALBISETTI (2003) ein Modell zur Simulation der Verjüngung von Totholzbeständen. Dabei nahm sie an, dass Fichten, die grösser als 5 Meter sind, Schutz vor Waldlawinen und Steinschlag bieten. Nach ihren Berechnungen wird es nach dem Absterben der Fichten etwa 30–35 Jahre dauern, bis die jungen Fichten am Gandberg eine Höhe von fünf Meter erreicht haben werden, und eine effektive Schutzwirkung gegen die Naturgefahren bieten kön- nen. Die Wilddichte und die Anzahl Fichten, die auf Moderholz aufkommen werden (Mo- derholzverjüngung), sind für diese Entwicklung die zwei entscheidenden Faktoren.
2 Dominante Fäuleerreger in den Stirzeln 2.1 Einleitung
2.1.1 Problemstellung
Störungen spielen im Ökosystem Wald eine grosse Rolle und sind Auslöser und trei- bende Kräfte von walddynamischen Prozessen. Insbesondere Nadelholzbestände kön- nen durch Windwurf, Feuer, Insektenkalamitäten (z.B. Borkenkäfer) oder durch Pilzbe- fall (z.B. Hallimasch) grossflächig zerstört werden (ALBRECHT 1991; BRANGet al. 2001;
HARRIS 1999; KORPEL 1995; LEIBUNDGUT 1993; MASER und TRAPPE 1984; MÜLLER-USING und BARTSCH 2003). Während in Nordamerika zahlreiche totholzreiche Nadelholzurwälder zu finden sind, weisen europäische Wälder auf Grund intensiver Bewirtschaftung mehr- heitlich geringe Totholzmengen auf. Natürliche Nadelholzbestände sind in der Regel totholzreicher als natürliche Buchenwälder, wobei in den mitteleuropäischen Buchen- waldgesellschaften eher eine kleinräumige, unregelmässige Totholzverteilung typisch ist (DETSCH et al. 1994; KORPEL 1995; LEIBUNDGUT 1993). Hierfür werden einerseits bes- sere Zersetzungsbedingungen durch höhere Substratqualität und -dimension sowie günstigere klimatische Bedingungen in Laubwäldern verantwortlich gemacht (MÜLLER- USING und BARTSCH 2003), andererseits sterben Nadelholzbestände durch exogene Faktoren (Wind, Feuer, Borkenkäfer) häufig grossflächiger ab als Laubholzbestände.
Abb. 2.1: Klassierung von Totholz am Beispiel der Douglasie.
Die stehend abgestorbenen Bäume (Snags) und das liegende Totholz wird in Abhängigkeit der Zersetzung verschiedenen Klassen zugeordnet (MASER und TRAPPE 1984).
Es existieren diverse Verfahren und Methoden um Totholz im Wald nicht nur quantita- tiv, sondern auch qualitativ in Abhängigkeit verschiedener Zersetzungsklassen zu er- fassen (Abb. 2.1) (ALBRECHT 1991; MASER und TRAPPE 1984; STÖCKER 1998). Mit Hilfe dieser Verfahren können z.B. Lebensräume für höhlenbrütende Vögel bewertet (BÜTLER
und SCHLAEPFER 2004) oder die potentiell brennbare Biomasse (engl. fuel) bestimmt werden um z.B. die Ausbreitung und Intensität von Waldbränden modellieren zu können (BROWNet al. 1985).
Nachfolgend wird unter den Aspekten Totholz als Lebensraum, als Substrat für Moder- holzverjüngung und als Bestandteil des weltweiten Kohlenstoffkreislaufes die Bedeu- tung von Totholz kurz aufgezeigt.
Das durch den Zerfall der Wälder entstehende Totholz erhöht die Strukturvielfalt im Ökosystem Wald (ALBRECHT 1991). Eine Vielzahl von Organismen hat sich dem Lebens- raum Totholz angepasst (MÜLLER-USING und BARTSCH 2003). Das frisch tote Holz wird von Pionierarten aus den Familien der Bock- und Borkenkäfer befallen. Alle «Frischholz- Eroberer» beschleunigen den ersten Schritt des Holzabbaus. Ihre Bohrlöcher öffnen den Holzkörper nach aussen und vergrössern die Angriffsfläche für Witterung und Pil- ze (DETSCHet al. 1994). Gänge der holzbohrenden Insekten sind neben natürlichen Baumwunden günstige Eintrittspforten für Pilze. Die Pilze arbeiten mit ihren Enzymen chemisch, Insekten mit ihren Mundwerkzeugen mechanisch bei der Holzaufschliessung (DETSCH et al. 1994).
Vermoderndes Totholz ist für die Verjüngung natürlicher Fichtenwälder in Hang- und Hochlagen ein bevorzugter Kleinstandort (OTTet al. 1997). Die Sämlinge wachsen auf oder im vermodernden Holz, wo sie günstige Bedingungen (Wärme, Konkurrenz, Was- serhaushalt, Mykorrhizapilze, Absenz von pathogenen Pize) vorfinden (BAUER 2002;
BRANGet al. 2003; HARMON und FRANKLIN 1989; O'HANLON-MANNERS und KOTANEN 2004;
STÖCKER 1998).
Untersuchungen in Russland, wo 50% der borealen Nadelwälder der Welt stehen, haben ergeben, dass die totholzreichen Wälder einen signifikanten Einfluss auf den Kohlen- stoffkreislauf der Welt haben (KRANKINA und HARMON 1995; YATSKOV et al. 2003).
Die stehend abgestorbenen Fichten in der Borkenkäferschadenfläche am Gandberg brachen bereits 5–10 Jahre nach dem Absterben zusammen (KUPFERSCHMID ALBISETTI
2003). Die Zersetzung des Holzes durch Pilze führte zum oberirdischen Abbrechen der Fichten, wobei unterschiedlich lange Stammreste als stehendes Totholz verblieben.
Diese werden in der vorliegenden Arbeit als Stirzel bezeichnet. Die Stirzel entsprechen in der Klassierung von stehendem Totholz den Zuständen fünf und sechs (Abb. 2.1).
Bisherige Untersuchungen (HAMDAN 2002) zeigten, dass die Stämme der abgestor- benen Fichten nach 5–10 Jahren in der Regel vom Rotrandigen Baumschwamm (Fomi- topsis pinicola) besiedelt waren. Er verursacht eine aggressive Braunfäule im Holz (SCHWARZEet al. 1999; WEBER und MATTHECK 2001).
Über den Einfluss von holzzersetzenden Pilzen auf Festigkeitseigenschaften von Fich- ten, welche nach Borkenkäferbefall abgestorben sind, existieren keine Untersuchun- gen. Bei der Beurteilung der Schutzwirkung gegen Naturgefahren ist die Zersetzung des Totholzes eine entscheidende Einflussgrösse (BUWAL 2000; FREHNER et al. 2005).
Die vorliegende Arbeit liefert hierzu Grundlagen, indem sowohl die Fäuleerreger in den
Stirzeln identifiziert als auch deren Einfluss auf die Festigkeit ganzer Stirzel, bzw.
ganzer Stammabschnitte bei unterschiedlichen Belastungen untersucht wird.
2.1.2 Fragestellungen Fragestellungen:
– Welches sind die dominanten Fäuleerreger in den oberirdischen Stirzelteilen?
– Wie wirken sich die Fäuleerreger auf das Verhalten der Stirzel bei statischer und dynamischer Belastung aus?
Die vorliegende Arbeit beschränkt sich auf die Identifikation von Basidiomyzeten, da diese hauptsächlich den Festigkeitsverlust des Holzes verursachen. Der Abbau der Zellwände, welcher zu Festigkeitsverlusten beim Holz führt, erfordert besondere En- zymsysteme, über die in der Regel nur Basidiomyzeten verfügen (MÜLLER und LOEFFLER
1992). Ascomyceten können ebenfalls Holz besiedeln, dies führt jedoch meist nur zu Holzverfärbungen oder langsam fortschreitenden Moderfäulen (MÜLLER und LOEFFLER
1992).
2.1.3 Stand des Wissens
Holzzersetzung und Zerfall von Wäldern
Mit dem Absterben der Bäume beginnt die Zersetzung des Holzes. Die Abbauprozesse sind enorm vielgestaltig, da sich ein komplexes Beziehungsgefüge von Baumart, Holz- dimension, Zersetzungsmilieu (Höhenlage, Exposition, Mikroklima) und der Lebens- gemeinschaft der Holzbesiedler ergibt (DETSCHet al. 1994).
Mit fortschreitender biologischer Zersetzung und mechanischer Verwitterung des Hol- zes (ALBRECHT 1991):
– nimmt das Porenvolumen zu, – sinkt der Anteil der Holozellulosen,
– ändern sich Farbe, makroskopisches Erscheinungsbild und mechanische Konsistenz des Holzes und
– schreitet die Sukzession pflanzlicher oder tierischer Totholzbesiedler voran.
Eine wichtige Einflussgrösse auf diese Prozesse sind die Standortseigenschaften; so laufen z. B. diese Prozesse im Hochgebirge langsamer ab als etwa in einem Auwald (DETSCH et al. 1994). Diese Unterschiede sollen am Beispiel von ausgedehnten Borken- käferschäden in Amerika und an Hand erster Erkenntnisse aus der Schadenfläche am Gandberg ausgeführt werden.
In Colorado und Utah starben im subalpinen Bereich in den 20- und 40er Jahren des letzten Jahrhunderts Fichtenwälder durch Borkenkäferbefall grossflächig ab. Später wurde der Anteil an umgestürzten Bäumen, der Holzzustand der abgestorbenen ste- henden Bäume (Snags), die Holzfeuchtigkeit und die vorkommenden Fäuleerreger be- stimmt. Die Untersuchungen hatten zum Ziel, die Bestände bezüglich der zu erwarten- den Holzqualität der Snags bei einer allfälligen Nutzung zu beurteilen. In einem Bestand in Utah, USA von Picea engelmannii standen 25 Jahre nach dem Absterben der Fichten durch den Engelmann spruce beetle (Dendroctonus engelmannii) noch 84% der Snags
(MIELKE 1950). HINDSet al. (1965) ermittelten in Totholzbeständen von Picea engel- mannii in Colorado, welche ebenfalls durch Borkenkäferbefall entstanden waren, einen Anteil von 28% an geworfenen Bäume nach dem Absterben der Fichten vor 20 Jahren.
In beiden Untersuchungen trat das Versagen der Snags bei Wind durch Entwurzelung oder durch Bruch des Wurzelstockes ein, wobei ein Drittel der umgestürzten Snags wegen verfaulter Wurzeln und zwei Drittel wegen Fäule im Bereich des Wurzelstockes versagten (HINDSet al. 1965). Im wechselfeuchten Übergangsbereich vom Stamm in den Boden herrschen für Fäuleerreger günstigere Wuchsbedingungen (HINDSet al. 1965). Stammbrüche in mehreren Metern Höhe wurden nicht beobachtet. MIELKE (1950) fand in den Beständen in Utah im oberirdischen Stammteil ca. 1.2 m über dem Boden keine Fäuleerreger mehr. Das kontinentale Klima (500–750 mm Niederschläge pro Jahr und eine tiefe mittlere Temperatur [in der Literatur nicht detailliert ausgewiesen]) führte offenbar zum raschen Austrocknen der Snags, und das Holz wurde als Substrat für die holzzersetzenden Pilze schnell unattraktiv.
MIELKE (1950) und HINDSet al. (1965) identifizierten Fomitopsis pinicola als häufigste und bezüglich Holzabbau (Stammfuss, liegendes Totholz) sehr effiziente Pilzart in den untersuchten Picea engelmannii–Beständen.
Die stehend abgestorbenen Fichten in der Borkenkäferschadenfläche am Gandberg brachen bereits 5–10 Jahre nach dem Absterben zusammen (KUPFERSCHMID ALBISETTI
2003). Im Jahr 2000 waren bereits 75% der abgestorbenen Fichten in einigen Metern Höhe abgebrochen (KUPFERSCHMID ALBISETTI 2003). Die Stämme der abgestorbenen Fichten waren nach 5–10 Jahren in der Regel vom Rotrandigen Baumschwamm (Fomi- topsis pinicola) besiedelt (HAMDAN 2002). Diese Pilzart verursacht eine rasch fort- schreitende Braunfäule im Holz (SCHWARZEet al. 1999; WEBER und MATTHECK 2001), welche vermutlich für das Abbrechen der Fichten verantwortlich war. Im Vergleich zu den Flächen in Amerika läuft am Gandberg die Zersetzung offenbar deutlich schneller ab. Als Erklärung dafür können standörtliche Unterschiede angeführt werden: die Flä- che am Gandbergwald liegt weniger hoch (1100–1450 m ü.M.), die jährliche Nieder- schlagssumme (1600–2000) ist ca. drei Mal höher und es kann angenommen werden, dass auch die mittlere Temperatur höher ist (tiefere Höhenlage, Einfluss des Föhns).
MIELKE (1950) und HINDSet al. (1965) stellten eine schnelle Zersetzung des Holzes fest, sobald die Snags umgestürzt waren und auf dem Boden lagen. Es ist allgemein bekannt, dass stehendes Totholz eine andere Zersetzungsrate hat als am Boden lie- gendes Totholz (DETSCH et al. 1994; GOREet al. 1985; STORAUNET und ROLSTAD 2002).
Über die Zersetzung von liegendem Totholz existieren diverse Untersuchungen, wobei neben den Standortseigenschaften folgende Faktoren von Bedeutung sind:
– Die Zersetzungsrate ist am höchsten, wenn liegendes Totholz im direkten Kontakt mit einem feuchten, biologisch hoch aktiven Waldboden ist (HYTTEBORN und PACKHAM
1987).
– Sehr gehemmt ist die Zersetzung, wenn der Stamm über einer Mulde liegt oder durch noch vorhandene Äste gestützt wird und so den Boden nicht berührt (HYTTEBORN und PACKHAM 1987).
– Der Stammdurchmesser beeinflusst die Zersetzung ebenfalls (NAESSET 1999b).
NAESSET (1999a) stellte für dickere Querschnitte eine signifikant schnellere Zer-
setzung fest. Andere Untersuchungen wiesen genau das Gegenteil nach, d.h. eine schnellere Zersetzung bei dünneren Querschnitten (DANIELSet al. 1997; STORAUNET
und ROLSTAD 2002).
Fäuletypen
Auf Grund ihrer Wirkungsweise werden Fäuleerreger in drei Typen eingeteilt:
Die Braunfäuleerreger zersetzen nur die Zellulose und die Hemizellulosen im Holz. Das Lignin bleibt in leicht veränderter Form erhalten (JAHN 1990; SCHWARZEet al. 1999).
Dadurch verliert das Holz seine Biegefestigkeit, schrumpft beim Trocknen und be- kommt dadurch Längs- und Querrisse. Es zerbricht typischerweise würfelig (ERIKSSON
et al. 1990).
Bei der Weissfäule werden zuerst das Lignin, z.T. gleichzeitig oder erst nachträglich die Zellulose und die Hemizellulosen zersetzt (SCHWARZEet al. 1999). Durch den Lignin- verlust schwindet das Holz relativ gleichmässig und zerfällt faserig.
Die Moderfäule wird als besondere Form der Holzzersetzung unterschieden. Damit be- zeichnet man einen sehr langsam fortschreitenden Prozess des Holzabbaus Sie wird vorwiegend durch eine Reihe Ascomyceten und Fungi imperfecti hervorgerufen und tritt vor allem an wassergesättigten oder stark wechselfeuchten Holzkörpern auf.
Auch viele Basidiomyzeten können unter bestimmten Bedingungen (z.B. zur Überwin- dung der Reaktionszone des Baumes) Moderfäulen verursachen. Für die Festigkeit und die Stabilität von Bäumen spielt dieser Fäuletyp aber in der Regel nur eine sehr unter- geordnete Rolle (SCHWARZEet al. 1999).
Wachstumsbedingungen
Die Pilze sind für den Abbau der Polymere im Holz verantwortlich (BODIG und JAYNE
1982). Abbauprodukte sind vor allem Kohlendioxid und Wasser. Vier grundlegende Be- dingungen müssen in folgender Reihenfolge erfüllt sein, damit ein Fäuleerreger im Holz wachsen kann:
– Geeigneter Temperaturbereich – Ausreichende Sauerstoffversorgung – Ausreichende Feuchtigkeitsversorgung – Geeignetes Substrat
Pilze können in einem Temperaturbereich von ca. 0–45 °C wachsen, wobei der optimale Bereich für die meisten Pilze zwischen 25 und 30 °C liegt. Temperaturen über 45 °C sind für die meisten Pilzarten tödlich (BODIG und JAYNE 1982). Für den Abbauprozess braucht es eine ausreichende Sauerstoffversorgung. Der fehlende Sauerstoff ist der Hauptgrund, weshalb tief in der Erde vergrabenes Holz oder Holz unter Wasser nicht durch Pilze zersetzt werden kann (BODIG und JAYNE 1982). Neben dem Wasser, welches der Pilz durch den Abbau des Holzes selber produziert, ist zusätzliche Feuchtigkeit für den Abbau von Lignin und Zellulose notwendig. Ein Holzfeuchtigkeitsgehalt von 35–
50% ist optimal für das Pilzwachstum (BODIG und JAYNE 1982). Das Substrat muss in ausreichender Menge vorhanden sein, damit Fruchtkörper gebildet werden können. Vie- le Basidiomyzeten leben in ihrem Substrat so lange, bis dieses praktisch vollständig abgebaut ist. Andere Arten unterliegen aber einer Sukzession (RAYNER und BODDY 1988).
