FORUM Kritische Belastungen und die Sanasilva-Inventur

FORUM Kritische Belastungen und die Sanasilva-Inventur

FÜR WISSEN

1997

Es bestehen ernste Befürchtungen, dass Einträge von versauernden Substanzen und Stickstoff aus der Atmo­

sphäre eine Ursache für die Destabilisierung von Waldökosystemen darstellen. Die Verlichtung von Baum­

kronen wird oft als Indikator für den Gesundheitszustand eines Waldökosystems genommen. Doch kann eine solche Annahme auch in Frage gestellt werden. Eine Analyse der räumlichen und zeitlichen Entwicklung der Baumkronenverlichtung in der Schweiz ergab keine Anhaltspunkte dafür, dass die Zunahme der Verlichtung mit modellierten Stickstoffdepositionen und mit der Bodenazidität zusammenhängt. Es wurde ein schwacher Zusammenhang zwischen der Entwicklung der Verlichtung und der Schwefeldeposition festgestellt. Allerdings bedeutet eine gefundene Korrelation nicht gleichermassen einen Kausalzusammenhang. Deshalb müssen die Ergebnisse mit Vorsicht interpretiert werden. Erforderlich sind, neben der Überprüfung durch experimentelle Forschung, vor allem Verbesserungen bei den zur Zeit verfügbaren Messmethoden für die Gesundheit des Waldes und Informationen über die Zuverlässigkeit der Modelle, die zur Schätzung von Depositionen verwen­

det werden. Diesbezügliche Studien sind zur Zeit unter der Ägide der «Langfristigen Waldökosystem­

Forschung» im Gange.

1 Einleitung

Seit 1985 werden in der Schweiz jährlich Ansprachen des Gesundheitszustands des Waldes vorgenommen.

Zwar hat sich mit der Zeit die Dichte des Stichpro­

benrasters verändert, aber die Bestimmungsmethoden, die zur Beurteilung einzelner Bäume angewandt wer­

den, sind mutmasslich die gleichen geblieben. Das einzige Kriterium, das über die ganze Zeitspanne für den Zustand des Waldes verwendet wurde, ist der

«Nadel-/Blattverlust», eine visuelle Schätzung der quantitativen Kronenverlichtung, für deren Erklärung es keine bekannten Ursachen gibt. Dieses Kriterium ist mit einer Reihe von Problemen verbunden, insbe­

sondere was seine Interpretation betrifft. Trotzdem stellt es weiterhin den in Europa am verbreitetsten In­

dikator für die Gesundheit des Waldes dar.

Das Fehlen einer deutlichen räumlichen oder zeit­

lichen Korrelation zwischen der Entwicklung der Baumkronenverlichtung und dem Auftreten bestimm­

ter Schadstoffe (KANDLER und INNES 1995) auf mit­

teleuropäischer Ebene führte zu einer Verschiebung der Schwerpunkte in den Forschungsarbeiten, die über den Zustand des Waldes in ganz Europa unter­

nommen wurden. Es wurde zunehmend die Bedeu­

tung des Bodenzustands, insbesondere die Bodenazi­

dität betont. Der Bodenzustand, vor allem die Katio­

nenaustauschfähigkeit, wurde mit der Deposition von Schadstoffen in Zusammenhang gebracht, und zwar nach dem Konzept der kritischen Belastung und der Überschreitung der kritischen Belastung. Eine kriti­

sche Belastung wurde als die höchste Deposition einer Substanz definiert, die keine chemischen Veränderun-

gen verursacht, welche sich langfristig schädlich auf Struktur und Funktion eines Ökosystems auswirken (NILSSON und GRENNFELT 1988; HETTELINGH et al. 1992). Das gleiche gilt für die Menge an Säure, die in ein bestimmtes Ökosystem eindringen kann, ohne dort möglicherweise Schäden zu verursachen.

Auf politischer Ebene hat man dazu geneigt, die empfindlichsten Arten mit den wertvollsten Arten gleichzusetzen. In Grossbritannien wurden beispiels­

weise die kritischen Belastungen für Frischwasser als die versauernden Einträge definiert, die stattfinden können, ohne Schäden für die Bachforelle (Salmo trutta) zu verursachen, obwohl viele wirbellose Arten wahrscheinlich empfindlicher sind. In Waldstudien herrschte die Tendenz, die gleiche Methode anzu­

wenden, wobei den wichtigen Baumarten mehr Be­

deutung zugemessen wurde als anderen Bestandteilen des Waldökosystems. Dies ist vielleicht eher zu recht­

fertigen, da ja die Bäume nicht nur wirtschaftliche Bedeutung haben, sondern auch die wichtigsten struk­

turellen Komponenten eines Waldökosystems darstel­

len. Für die Bestimmung von kritischen Belastungen werden im allgemeinen eher die Böden als die Bäume selbst als sensitiver Parameter genommen (DE VRIES et al. 1993, 1995a).

Baumarten werden in Studien über belastende Einträge in erster Linie als modifizierende Grösse der Depositionsraten berücksichtigt. (DE V R I E S et al.

1992). Einen Zusammenhang zwischen Veränderun­

gen der Bodenchemie und Veränderungen des Ge­

sundheitszustands der Bäume herzustellen, hat sich als äusserst schwierig herausgestellt. Es wurden verschie­

dene Hypothesen aufgestellt, bei denen die wichtigsten

74

Auslöser von Überschreitungen kritischer Belastun­

gen in Waldökosystemen folgende waren (DE VRIES 1988; DE VRIES et al. 1995b):

- durch Ammonium im Boden verursachte Hemmung der Nährstoffaufnahme

- Veränderungen der Vegetation infolge erhöhter N-Zufuhr aus dem Boden

- verminderte Frosthärte und erhöhte Empfindlich­

keit gegenüber Insekten, Pilzen, Bakterien und Viren im Zusammenhang mit einer Erhöhung des N-Gehalts in den Blättern

- toxische Wirkungen von mobilisiertem Al - durchsickern von N03 in Bäche und ins Grund-

wasser.

In der Schweiz wurden auf den Sanasilva-Überwa­

chungsrastern Laub- und Nadelanalysen vorgenom­

men, in denen aber die N-Gehalte nicht berücksichtigt wurden (LANDO L T et al. 1984, 1985). FLOCKIGER et al. (1 986) berichteten, dass der Blattgehalt an N bei Buchen im allgemeinen über 2% und gelegentlich über 2.5% lag. Die ökologische Auswirkung dieser Konzentrationen ist jedoch unbekannt, da die Bezie­

hung zwischen dem Gehalt der Blätter an einzelnen Elementen und dem Gesundheitszustand der Bäume weiterhin unsicher ist (INNES 1995). So variieren zum Beispiel die normalen Gehalte des Laubes und der Nadeln an N zwischen den verschiedenen Arten, wo­

bei Buchen im allgemeinen höhere Konzentrationen aufweisen als Fichte, Kiefer oder Tanne.

Eine internationale Literaturübersicht lässt erken­

nen, dass überraschend wenig Informationen über die kritischen Belastungen von Sulfat, Nitrat, Ammonium oder Azidität für die einzelnen Waldbaumarten zur Verfügung stehen (siehe aber Schleppi in diesem Band). Umgekehrt gibt es viele Studien über die kriti­

schen Konzentrationen von gasförmigen Schadstoffen bei Bäumen. Dieser scheinbare Gegensatz ergibt sich daraus, dass Bäume gasförmige Schadstoffe direkt durch ihre Stomata aufnehmen können, während die Wirkungen nasser und trockener Deposition der obigen Art hauptsächlich durch den Boden statt­

fimJcn. Folglich treten Wirkungen mit grösster Wahr­

scheinlichkeit erst ein, nachdem eine Veränderung der Bodenchemie stattgefunden hat. Die kritischen Bela­

stungen von Böden werden in anderen Artikeln dieses Bandes untersucht. In dieser Arbeit gehen wir der Frage nach, ob es irgendwelche Anhaltspunkte dafür gibt, dass die räumlichen und zeitlichen Muster der in der Schweiz beobachteten unerklärten Verlichtung von Bäumen mit modellierten Schadstoffkonzentra­

tionen oder Depositionsbereichen in Verbindung ge­

bracht werden können, unter gleichzeitiger Berück­

sichtigung der verfügbaren Boden- und Klimadaten.

FORUM für Wissen 1997 2 Methoden

Für die Nadel- und Blattverluststudien in der Schweiz kommen verschiedene Rasterdichten zur Anwendung.

Zwischen 1985 und 1992 wurden Schätzungen auf einem 4 x 4-km-Rasternetz vorgenommen. 1993 wurde die Zahl der Stichprobenflächen auf einen Raster von 8 x 8 km reduziert. Von 1995 an werden die Stichpro­

benflächen auf dem 8 x 8-km-Raster nur jedes dritte Jahr ausgewertet (das nächste Mal 1997), während das europäische 16 x 16-km-Rasternetz in den dazwischen­

liegenden Jahren verwendet wird. Jede Stichproben­

fläche beinhaltet einen inneren Kreis von 200 m² und einen äusseren Kreis von 500 m². Im inneren Kreis wurden alle Bäume mit einem Brusthöhendurchmes­

ser (BHD: Durchmesser auf 1.3 m Höhe) ab 12 cm als Proben genommen, wie auch alle Bäume im äusseren Kreis mit einem BHD ab 36 cm, und zwar ungeachtet ihrer sozialen Stellung. 1993 wurden allen Stichpro­

benflächen auf den 8 x 8-km und 16 x 16-km-Rastern Satelliten-Stichprobenflächen hinzugefügt, wodurch die Probenzahl auf jeder Stichprobenfläche effektiv verdoppelt wurde. Eine solche Massnahme war nötig, wenn der Baumzustand standortspezifisch bestimmt werden sollte. Die zugrundegelegten Probenauswahl­

methoden stammen aus der für das erste Landesforst­

inventar entwickelten Aufnahmenleitung (ZINGG und BACHOFEN 1988), und die Methoden für die Beurtei­

lung der Bäume basieren auf MÜLLER und STIERLIN (1990) und einer anonymen Arbeit (1994a).

2.1 Kronenverlichtung

Als Höhe der Kronenverlichtung wird in dieser Studie der unerklärte Nadel-/Blattverlust benutzt. Diese Schätzung beruht auf der Blatt- bzw. Nadelmasse, die ein Baum verloren hat, ohne dass dieser Verlust durch offensichtliche Faktoren wie Insekten oder Sturm­

schäden erklärt werden kann. Für die Analysen, die die Verlichtung mit Umweltfaktoren in Zusammen­

hang stellen, wurden diese Daten zu einem Trend­

indikator umgeformt, der auf den Veränderungen ein­

zelner Bäume innerhalb des Beobachtungszeitraums beruhte. Für die Trendindikatoren wurden dann ge­

wichtete Mittelwerte gebildet, um für jeden Standort einen einzelnen Wert zu erhalten. Es ist fraglich, ob dies aus biologischer Sicht sinnvoll ist, doch die Pro­

bengrössen waren zu klein, um die einzelnen Arten getrennt betrachten zu können. Die Daten wurden nicht durch die soziale Stellung oder den Brust­

höhendurchmesser gewichtet, da in dieser Studie nur die Veränderungen des Nadel-/Blattverlustes der Bäume und nicht der Nadel-/Blattverlust selber be­

nutzt wurden. Das Alter der Bäume wurde in der Analyse ausgeschlossen, da erstens keine zuverlässige Schätzung des Alters der in der Inventur aufgenom­

menen Bäume verfügbar ist und da zweitens die Schätzverfahren des unerklärten Nadel-/Blattverlusts die zunehmende Neigung zur Verlichtung mit dem

Alter berücksichtigt und die Werte entsprechend an­

passt (SCHWYZER und HUG, unveröffentlicht).

Die geschätzten Probenquantile der Standortindi­

katoren zeigen deutlich, dass an den meisten Stand­

orten der Trendindikator höher als Null ist, was auf eine allgemeine Zunahme der unerklärten Kronenver­

lichtung hinweist.

2.2 Erklärende Variablen

Die Beobachtungen des Kronenzustandes wurden durch weitere Studien ergänzt. Diese blieben meistens auf den 8 x 8-km-Raster beschränkt. 1993 wurden die Böden der verschiedenen Stichprobenflächen be­

schrieben und Proben davon genommen, wobei - un­

ter Verwendung der vom UN-ECE (PCC 1994) be­

schriebenen Methoden - Profile erstellt und Proben aus verschiedenen Tiefen genommen wurden (ZI M - MERMANN und BLASER 1993). Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind aufgrund der sehr hohen Anzahl der Probeflächen und der Schwierigkeiten, Böden für die chemische Analyse zu präparieren, nur ein Viertel der Stichprobenflächen vollständig analysiert worden (die­

jenigen auf dem 16 x 16-km-Raster des europäischen Netzwerks). Dennoch stehen Informationen über ver­

schiedene Bodeneigenschaften für den 8 x 8-km-Raster zur Verfügung.

Andere Daten zu erklärenden Variablen wurden aus verschiedenen Quellen gewonnen. Die Daten zur Umweltverschmutzung wurden von der Firma Meteo­

test erhoben und sind weitgehend diejenigen, die bei RIHM (1994) veröffentlicht sind. Die ermittelte Ozon­

belastung beruhte auf AOT40-Werten (siehe Glossar).

Die kritischen Belastungen wurden unter der Ver­

wendung einer «Steady-State-Massenbilanzmethode»

abgeleitet. Diese Werte stellen vorläufige Schätzungen der tatsächlichen und der kritischen Schadstoffbela­

stungen an jedem einzelnen Standort dar, und es ist durchaus möglich, dass die Werte sich durch zukünf­

tige Überarbeitungen des Modells erheblich verändern werden.

Die klimatischen Daten beruhten auf Schätzungen für bestimmte Standorte während des Zeitraums von 1985 bis 1995 nach einer bei BA E R I S W Y L und REBETEZ (1997) beschriebenen Methode. Die meteo­

rologischen Daten basierten nicht auf einer Interpola­

tion. Die Daten für jeden Rasterpunkt beruhen auf den Daten der nächstgelegenen SMA-Station (nach einer manuellen Nachprüfung, um sicherzustellen, dass bezüglich der Topographie keine Widersprüche zwischen SMA- und SANASILV A-Punkten entstan­

den). Für die Temperatur wurde ein Koeffizient von 0.65 °C 100 m-1 verwendet, um den Höhenunterschie­

den Rechnung zu tragen. (Was die Anzahl Frosttage betrifft, wurden die Temperaturen transformiert, bevor die Tage gezählt wurden). Für den Niederschlag ist, wie dies kürzlich von REBETEZ und BAERISWYL (1997) aufgezeigt wurde, die Region das wichtigste Kriterium, und es gibt keinen Koeffizienten im Zu-

sammenhang mit der Höhe. Daher wurden keine Transformationen der Niederschlagsdaten vorgenom­

men, um Höhenunterschiede zu berücksichtigen.

3 Ergebnisse

3.1 Zeitliche Tendenzen im Zustand der Baumkronen

Die Entwicklung der Kronenverlichtung sollte nur auf dem gleichen Stichprobenflächenraster analysiert wer­

den. Da die Rasterdichte in der Schweiz zwischen 1985 und 1995 zweimal verändert wurde und die Satel­

liten-Stichprobenflächen hinzugefügt worden sind, müssen die verschiedenen Datenquellen getrennt aus­

gewertet werden. In der Abbildung 1 ist die Entwick­

lung des prozentualen Anteils der Bäume mit einer unerklärten Kronenverlichtung von mehr als 25% zwi­

schen 1985 und 1995 dargestellt. Unabhängig von der Rasterdichte liegt eine zunehmende Tendenz vor. Die verschiedenen Rastergrössen weisen allerdings wegen der variierenden Baum- und Stichprobenflächenzah­

len verschiedene Schätzgenauigkeiten auf, wie dies durch die Fehlerbalken zum Ausdruck kommt. Sie dienen als Indikator der Schätzgenauigkeit in einem Jahr, nicht der Signifikanz zwischen zwei Jahren!

Es lässt sich auch beobachten, wie viele Bäume hinsichtlich der Verlichtungsschätzungen von einem Jahr zum anderen variieren. Wenn zwei Beobachter denselben Baum beurteilen, schwankt die genaue Übereinstimmung in der Schweiz zwischen 23 und 33%. Das bedeutet, dass, selbst wenn zwischen den Jahren keine Veränderung stattfindet, doch 67 bis 77%

der Bäume ihre Kategorie wechseln. Vor dem Hinter­

grund dieser Ungenauigkeit nahm in den meisten Jah­

ren bei mehr Bäumen die Verlichtung zu als dass sie abnahm (Abb. 2). Jedoch weisen selbst in Jahren mit einer erheblichen Zunahme der Zahl der Bäume mit einer stärkeren Verlichtung, mehr als 20% der Bäume eine Abnahme der Verlichtung auf.

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4 x 4-km-Netz 8 x 8km 16x16

0

Abb. 1. Entwicklung des Anteils der Bäume mit mehr als 25% unerklärtem Nadel-/Blattverlust in Prozent. Der Feh­

lerbalken entspricht dem 95 %-Vertrauensbereich der Schätzung.

76

60 �--�f----+---+----+---+---1---4--+--- l+--+---l---�i---1-1-1----1---.______.

!i1m ^Zunahme D Abnahme -- Veränderung Abb. 2. Veränderungen des unerklärten Nadel-/Blattverlustes von einem Jahr zum nächsten. In jedem Jahr weisen einige Bäume und Standorte . eine Besserung auf, während andere eine Verschlechterung zeigen.

3.2 Beziehungen zwischen dem Zustand der Kronen und anderen Parametern

Daten über den Zustand der Baumkronen im Jahre 1993 und über den Boden, das Klima (Niederschlag und Evapotranspiration) und über die Topographie wurden analysiert, um zu bestimmen, in welchem Ausmass der Kronenztistand (Verlichtung, Verfär­

bung, Prozentsatz der toten Äste, der toten Zweige usw.) mit diesen Faktoren zusammenhängt (WE 8- STER et al. 1996). Die Verlichtung war das einzige weit verbreitete Symptom eines schlechten Ge­

sundheitszustands oder mangelnder Lebenskraft. Die Beziehungen zwischen der Verlichtung und den be­

obachteten Umweltvariablen waren schwach (maxi­

male erklärte Varianz von 22 % ) und für Buchen (Fagus sylvatica L.) zu schwach, um signifikant zu sein. Der ausgeprägteste Zusammenhang bestand bei der Fichte (Picea abies (L.) Karst.) mit der Wasser­

speicherkapazität des Bodens und bei der Weisstanne (Abies alba Mill.) mit der Wasserspeicherkapazität und dem Carbonatgehalt des Bodens. Es scheint, dass der Nadel-/Blattverlust die natürliche physiologische Reaktion der Bäume auf Wassermangel im Boden ist:

Dürre kann eine ausreichende Erklärung für den be­

obachteten Baumkronenzustand sein (WEBSTER et al. 1996). Die Ergebnisse und deren Interpretation stimmten 1993 mit denjenigen in anderen Gebieten Europas überein (Anonym 1994b).

3.3 Zusammenhänge zwischen dem Baumkronen­

zustand und Einträgen von versauernden Substanzen und von Stickstoff

Das räumliche Muster der Entwicklung der Verlich­

tung wird in Abbildung 3 dargestellt. Dieses lässt er­

kennen, dass es (im Gegensatz zu vielen anderen Ländern Europas) keine Region mit einer besonders starken Zunahme der Verlichtung gibt und dass

FORUM für Wissen 1997 Standorte mit massigen bis starken Zunahmen der Verlichtung auf die ganze Schweiz verteilt sind. Folg­

lich gibt es kein offensichtliches Muster, das sich leicht mit den verfügbaren Karten über die N-Depositionen in Beziehung setzen lässt. In der Abbildung 4 werden die Verteilungen der Indikatoren auf verschiedenen Höhenlagen angegeben. Die allgemeine Häufigkeits­

verteilung ist linksschief, was darauf hinweist, dass die Verlichtung an den meisten Standorten zugenommen hat.

Eines der Hauptprobleme in der Verwendung der Baumkronenverlichtung als Indikator der Baumge­

sundheit, liegt in ihrer unspezifischen Natur. Das heisst, dass eine Vielfalt von Faktoren sie beeinflussen können, einschliesslich klimatische Bedingungen, Waldbewirtschaftung, Nährstoffgehalt des Bodens, Pilz- oder Insektenbefall sowie Umweltverschmut­

zung. Es ist äusserst schwierig, den Einfluss dieser Faktoren zu eliminieren, insbesonders da viele von ihnen in Wechselwirkung zueinander stehen. So weiss man beispielsweise, dass klimatische Bedingungen den Schweregrad des Befalls durch gewisse Insekten beeinflussen (HADLEY und VEBLEN 1993). Wichti­

ger ist vielleicht noch, dass es bekanntermassen Wech­

selwirkungen zwischen der Umweltverschmutzung und einer Vielfalt von Faktoren gibt, angefangen bei der Dürre- und Frostempfindlichkeit bis zum Auftre­

ten bestimmter Krankheiten (INNES 1993). Bei einer routinemässigen Sanasilva-Inventur stehen viele dieser detaillierten Informationen nicht zur Verfügung. Doch selbst wenn solche Informationen verfügbar wären, ist es zweifelhaft, ob sie in ein statistisches Modell einbe­

zogen werden sollten. Sollte beispielsweise die durch Borkenkäfer verursachte Sterblichkeit mitberücksich­

tigt oder unbeachtet gelassen werden? Sie wurde bis zu einem gewissen Grade bei der Schätzung der Ver­

lichtung berücksichtigt. Die vorliegende Analyse hat sich nur mit der unerklärten Verlichtung beschäftigt.

Mit den Schätzungen der gesamten Verlichtung wurde erst 1990 begonnen, so dass relativ wenige Daten vor­

liegen.

Es gibt jedoch statistische Methoden die zur Su­

che nach Mustern in den Daten angewandt werden können. Die Verlichtungstendenzen während des Zeitraums 1985-1995 wurden mit einer Reihe von Umweltfaktoren verglichen. Die in der Analyse be­

rücksichtigten Standorte befanden sich auf dem 8 x 8- km-Unternetz des 4 x 4-km-Stichprobenrasters. Die in der Analyse enthaltenen Variablen sind in der Tabelle 1 wiedergegeben. In allen Fällen wurden für Baumda­

ten jedes Standorts Mittelwerte gebildet, und es wurde kein Versuch unternommen, die Daten nach Baum­

art, Region, Alter oder einer anderen Kategorie zu gruppieren. Das wäre zwar interessant, aber eine solche Stratifizierung würde zu einer Verminderung der für die Analysen verfügbaren Probengrössen füh­

ren, wodurch Probleme für die Erkennung relevanter Tendenzen entstehen würden.

250 000

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1 00 000

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600 000 650 000 Westen-Osten (m)

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700 000

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750 000 800 000

Trendindikatoren

• sehr hoch O hoch D mässig

X niedrig

Abb. 3. Räumliche Verteilung der Trend-Indikatoren des unerklärten Nadel-/Blattverlustes i11 der Schwei:.:. Die Indizes sind unterteilt in weniger als Null (niedrig), zwischen Null und dem Median (mässig), zwischen dem Median und dem 75. Perzentil (hoch) und zwischen dem 75. Perzentil und 1 (sehr hoch). Die Daten stammen aus der Periode 1985-1996).

3.3.1 Die 0-1-Indikator-Variablen: hohe Niveaus der 3.3.2 Schrittweise Regression erklärenden Variablen

Da die verschiedenen Umweltdaten sowohl ordinal als auch nominal skaliert sind, war es nötig, eine ge­

wisse Standardisierung vorzunehmen. Alle Daten wurden daher zu 0-1-Indikator-Variablen konvertiert, wobei diejenigen als «hoch» (1) hervorgehoben wur­

den, die in der Verteilung der Werte für jede Variable oberhalb des 75. Percentils auftraten. Die Schwellen­

werte für jede Variable sind in der Tabelle 1 angege­

ben.

Die Variable «Feinwurzeldichte» wurde als kate­

gorische Variable mit zwei Kategorien verwendet:

hoch (mehr als 5 Wurzeln pro 100 cm²⁾ und niedrig (weniger oder gleich 5 Wurzeln pro 100 cm²). Der Carbonatgehalt des Bodens wurde in vier Klassen ka­

tegorisiert, nämlich keine, leichte, mässige und starke Reaktion auf HCI, wobei mässige und starke Reaktio­

nen als die hohen Variablen zusammengefasst wur­

den. Die Variable Lagerungsdichte war ebenfalls eine kategorische Variable: für die Analyse wurden zwei Stufen der Lagerungsdichte definiert (Lagerungsdichte von mehr als 1.2 g/cm-3 und von weniger oder gleich 1.2 g/cm-3). Ausserdem wurden zwei Stufen der Bo­

denazidität unterschieden (pH über 5.25 und pH unter oder gleich 5.25). Die Humusform wurde in zwei Klassen unterteilt: Mull und Mullmoder oder Moder, rohhumusartiger Moder und Rohhumus. Der Hu­

musgehalt wurde in bis 5% und mehr als 5% Humus­

anteil unterteilt. Den Skelettgehalt unterschied man in bis 10% und mehr als 10% Skelettanteil.

Um die Daten zu analysieren wurde eine gewichtete schrittweise Regression angewandt. Nur Bäume, die in mehr als einem Jahr beurteilt worden waren, wurden in die Studie aufgenommen. Der sensitive Parameter (mittlerer Standort-Trendindikator) und Daten über die Standortmerkmale standen für 124 Standorte zur Verfügung. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 zu­

sammengefasst. Die p-Werte und Standardfehler soll­

ten nur als Richtlinien verwendet werden.

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...

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319--668

� ,_',,

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' _l ^- _� ⁱ

669-963 964-1316 1317-2189 Höhen (m)

Abb. 4. Verteilung der Trend-Indikatoren für die Entwick­

lung des unerklärten Nadel-/Blattverlustes in der Schweiz (1985-1996) in Höhenklassen aufgeteilt. Diese wurden von den Verteilungspercentilen abgeleitet. D as Vorherrschen positiver Indizes gibt die allgemeine Zunahme der be­

obachteten Verlichtung wieder.

78

Tab. 1. In der Analyse verwendete Variablen.

Umweltverschmutzung

Überschreitung der kritischen Belastungen mit Azidität (eq. ha-1 a-1) Überschreitung der kritischen Belastungen mit dem Nährstoff N Mittlere Jahreskonzentrationen von NO2 (µg m-3)

Gegenwärtige Belastung mit NHy (kt N ha-1 a-1) NOx-Deposition (kg N ha-¹ a-1)

Schwefeldioxid (µg m-3)

Gegenwärtige Belastung mit S (eq. ha-1 a·1) Ozon (AOT40)

Klima

Durchschnittliche Tagestemperaturen (Mai-August) (⁰C) Absolute Minimaltemperatur Dezember-Februar (⁰C) Absolute Maximaltemperatur (Mai-August) (⁰C) Mittlere Maximaltagestemperatur (Mai-August) (⁰C) Anzahl Tage mit Temperaturen unter O °C (Mai-Juni) Jährlicher Niederschlag (mm)

Anzahl Tage mit weniger als 1 mm Niederschlag (Mai-August) Evapotranspiration (mm)

Böden

Bodenazidität (Kategorie)

Feinwurzeldichte des Bodens (Kategorie)

Speicherkapazität des Bodens in tieferen Wurzeltiefen (mm) Carbonatgehalt des Bodens (Kategorie)

Lagerungsdichte (g cm -3) Humusform (Kategorie) Humusgehalt (Kategorie) Skelettgehalt des Bodens (%)

Schwellenwert

1458.5 25 20 26 15 8 1225 35.25

1 5.7 -13.3 30.8 21 .3 4.7 1645 81.8 744

pH 4.25 hoch 94.5 1.2

(siehe Text) 5%

10%

Tab. 2. Ergebnisse der schrittweisen multiplen Regression. (Multiple R ² = 0.176, n = 124, Ergebnis des F-Tests = 5.056 mit 5 und 118 Freiheitsgraden mit p-Wert = 0.0003).

Ausgewählte Variablen und geschätzte Koeffizienten.

Parameter Koeffizient Standardfehler !-Statistik p-Wert

y-Achsenabschnitt 0.232 0.045 5.144 0

Ozon 0.156 0.056 2.795 0.006

Schwefel 0.224 0.062 3.604 0

Absolute Minimaltemperatur -0.129 0.058 -2.23 0.028

Dezember-Februar

Carbonatgehalt -0.294 0.116 -2.53 0.013

Humusgehalt -0.086 0.051 -1.692 0.093

FORUM für Wissen 1997

Bei der schrittweisen Regression wurden Ozon, S, die absolute Minimaltemperatur (Dez.-Febr.), der Carbonatgehalt und der Humusgehalt als die signifi­

kanten erklärenden Variablen ausgewählt. Die Stick­

stoffdeposition wurde vom Modell nicht als signifi­

kante Variable ermittelt. Ebenso hatten Überschrei­

tungen der kritischen Belastungen der Bodenazidität keinen wesentlichen Einfluss auf das Modell.

Die Ergebnisse sind in der Abbildung 5 wieder­

gegeben, wo die Mittelwerte zusammen mit ihren Feh­

lerbalken (± einfache Standardabweichung)' dargestellt sind. Auch hier sollten die Schätzungen_ der Stan­

dardabweichungen nur als Richtlinien benutzt wer­

den. Die erhöhten Indikatoren beispielsweise im .. Zu­

sammenhang mit höheren Ozonkonzentrationen sind deutlich erkennbar.

3.3.3 Interpretation

Die Analyse deutet darauf hin, dass die Verlichtung in Gebieten mit hohen Ozonkonzentrationen und S-De­

positionen, in Gebieten mit niedrigen Wintertempera­

turen und an Standorten mit einem niedrigen Humus­

gehalt des Bodens stärker zugenommen hat. Der Zu­

sammenhang mit dem Carbonatgehalt war komplex, da die Verlichtungszunahmen bei mässigem Gehalt im Boden schwächer, jedoch sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Gehalten stark waren. Die Schätzung

Ozon: 0 ⁼ niedrig, 1 = hoch ,_ 0.35

I

0

� 0.30

-0 C

� 0.25 _C

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Absolute Minimaltemperatur: 0 ⁼ niedrig, 1 ⁼ hoch 0.26

I

....

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'6

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0

Humusgehalt: 0 = niedrig, 1 = hoch .... 0.35

I

] 0.30 0

'Ö � 0.25

C

I

� 0.20 0.15

0

des Carbonatgehalts war schwierig, da nur wenige Standorte mässige oder hohe Carbonatgehalte aufwie­

sen. Das multiple R² für die Analyse betrug nur 0.176, ein Hinweis darauf, dass etwa 83% der räumlichen Variabilität bei den Tendenzen hinsichtlich der Ver­

lichtung «unerklärt» bleibt. Einige der Koeffizienten bei der Regression sind jedoch ziemlich hoch. So er­

scheint beispielsweise Ozon mit einem Koeffizienten von 0.156, was besagt, dass, wenn alle anderen Vari­

ablen konstant gehalten werden, ein AOT40-Wert von 35.25 oder mehr den durchschnittlichen Standortindi­

kator um 0.156 erhöht. Ähnlich wird eine S-Deposi­

tion von 1225 eq ha·1 a·1 oder mehr den durchschnitt­

lichen Standortindikator um einen Wert von 0.22 er­

höhen, wenn man annimmt, dass alle anderen Vari­

ablen konstant gehalten werden. Andererseits tragen ein hoher Humusgehalt, ein mässiger Carbonatgehalt und Winter mit nur wenigen extremen Temperaturen dazu bei, die Trend-Indikatoren niedrig zu halten.

Die Zahl der ausgewählten Variablen im endgül­

tigen Modell und das multiple R² sind gering. Der grösste Teil der Variabilität der Reaktionsvariablen (der Standort-Trendindikator) bleibt unerklärt, was darauf hinweist, dass die wichtigsten Standortbedin­

gungen, welche die Verlichtung betreffen, noch nicht erkannt wurden oder, dass die Methoden zur Messung der Parameter zur Beantwortung der hier gestellten Frage ungeeignet sind.

S: 0 ⁼ niedrig, 1 ⁼ hoch 0.35

] 0.30 'Ö _C

� 0.25

C

I

"'

F 0.20

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Carbonat: 0 ⁼ kein/schwach/stark, 1 ⁼ mässig

I

....

;:. 0.20 0

� 0.10 C C

F o.oo ⁰

I

Abb. 5. Beziehung zwischen spezifischen Umweltvariablen und den Trend-Indikatoren für die Entwicklung der unerklärten Verlichtung. Die Fehlerbalken stellen ± einfache Standardabweichung dar.

80

4 Diskussion

Im Laufe der letzten zehn Jahre ist eine grosse Zahl von Studien über ;-die mögliche Rolle der Luftver­

schmutzung bei der offensichtlichen Verschlechterung des Zustands der Bäume in der Schweiz durchgeführt worden. Das NFP14⁺-Projekt, das von 1985 bis 1989 lief, deutete darauf hin, dass gasförmige Luft­

schadstoffe, wenn überhaupt, eine geringe Wirkung auf die Physiologie der Fichte in alpinen, subalpinen und Mittelland-Wäldern ausüben (HÄSLER 1991). Die Netto-Photosynthese sowie das Verhalten der Stomata wurden in erster Linie durch meteorologische Bedin­

gungen gesteuert. Keine erheblichen Auswirkungen von Luftschadstoffen konnten auf der epikutikulären Wachsschicht der Nadeln von Fichten entdeckt wer­

den (GÜNTHARDT-GOERG 1991). In Kombination mit Studien, die mit oben offenen Kammern durchge­

führt wurden, liessen die soeben erwähnten Studien erkennen, dass für Weisstannen und Fichten keine Wahrscheinlichkeit besteht, dass sie durch Ozonkon­

zentrationen in der umgebenden Luft beeinträchtigt werden. Buchen waren empfindlicher und zeigten Reaktionen auf Ozonkonzentrationen in der umge­

benden Luft.

Weitere Forschungsarbeit wurde von Flückiger und seinen Mitarbeitern geleistet. Ein besonders wich­

tiges Ergebnis bestand in der Festst�llung, dass die Düngung eines alpinen Standorts von Fichten zu einer wesentlichen Verminderung der Kronenverlichtung führte, was mit einer erheblichen Steigerung des radia­

len Zuwachses, des Triebwachstums, der Nadellänge und des Stärkegehalts der Feinwurzeln einherging (FLOCKIGER und BRAUN 1995). Die Phosphorkon­

zentrationen scheinen besonders kritisch zu sein. Die Ergebnisse weisen stark darauf hin, dass eine schlechte Versorgung mit Nährstoffen eine wichtige Rolle bei der Verlichtung spielt, die in vielen Gegen­

den der Alpen beobachtet wurde, womit Studienresul­

tate aus anderen Alpenländern bestätigt werden.

Das Fehlen einer engen Beziehung zwischen der Entwicklung der Baumkronenverlichtung und der Bodenazidität ist interessant und entspricht Ergebnis­

sen, wie sie in anderen Ländern gewonnen wurden, zum Beispiel in den Niederlanden (DE VRIES et a/.

1995b). In den Niederlanden hatte die Aluminium­

konzentration in der Bodenlösung keine Wirkung auf den Zustand der Baumkronen, und es wird interes­

sant sein, nachzuprüfen, ob sich aus den Schweizer Daten irgendein Zusammenhang erkennen lässt.

Die Analyse hat ergeben, dass in der ganzen Schweiz die Verlichtung in Gebieten mit höheren Ozonkonzentrationen schneller zugenommen hat. Ein ähnliches Muster wurde bei einer regionalen Analyse des Nadelverlusts der Kronen von Fichten im Süden der Schweiz festgestellt. Das Muster ist schwer zu er­

klären, da viele der in die Studie aufgenommenen Baumarten, einschliesslich der Fichte, nicht als diesem Gas gegenüber empfindlich angesehen werden. Aller­

dings wurde jetzt nachgewiesen, dass Ozon Blattschä-

FORUM für Wissen 1997 digungen an einer Reihe von empfindlichen Strauch­

und Baumarten in der Schweiz verursacht (SKELLY et al. 1997). Möglicherweise ist oder sind eine oder meh­

rere Umweltvariablen nicht in diese Studie einbezo­

gen worden, die einen Einfluss auf die Verlichtung von Baumkronen haben und mit Ozon in einer Wechselwirkung stehen. Dies würde die Ergebnisse erklären, die in den statistischen Analysen gefunden wurden. Eine andere Möglichkeit wäre, dass die Wir­

kungen von Ozon über Bahnen erfolgen, die bisher noch nicht in experimentellen Studien erkannt wur­

den. Dasselbe trifft weitgehend auch für Schwefelde­

positionen zu.

Von den verschiedenen Formen der gasförmigen Umweltverschmutzung scheint bisher Ozon die gröss­

te Gefahr für die Pflanzenarten in den Schweizer Wäl­

dern darzustellen. Die Fichte und die Weisstanne sind gegenüber Ozon in den zur Zeit vorkommenden Konzentrationen relativ unempfindlich, während eini­

ge breitblättrige Arten als empfindlich identifiziert wurden (GÜNTHARDT-GO ERG et al. 1993). Blatt­

schädigungen, die mit denjenigen vergleichbar sind, welche durch Ozon verursacht werden, wurden an ungefähr 60 einheimischen Kräuter-, Strauch- und Baumarten festgestellt, und experimentelle Studien haben bestätigt, dass die Schädigung an mindestens 10 dieser Arten durch Ozon verursacht wird (SKELL Y e t a/. 1997). Allerdings ist es unwahrscheinlich, dass der sich offenbar verschlechternde allgemeine Gesund­

heitszustand der Bäume, von dem die Sanasilva-Beur­

teilungen berichten, durch Ozon verursacht wird, da verschiedene der einbezogenen Hauptarten gegenüber diesem Typ der Umweltverschmutzung relativ unemp­

findlich sind.

Die Verwendung epidemiologischer Methoden zur Erklärung räumlicher und zeitlicher Unterschiede hinsichtlich des Gesundheitszustands von Baumkro­

nen, wie sie hier zur Anwendung kamen, ist proble­

matisch (INNES und WH ITTAKER 1993). Insbeson­

dere kann eine statistische Korrelation nicht als Be­

weis für einen Kausalzusammenhang genommen wer­

den. Statistische Analysen können dazu beitragen, Hypothesen zu untermauern oder zu widerlegen, und sie können auch zur Formulierung neuer Hypothesen dienen. Jede statistische Korrelation, die durch solche Analysen erkannt wird, muss durch experimentelle Forschungsarbeit überprüft werden, um die sich dar­

aus ergebende Hypothese zu bestätigen. Dies trifft be­

sonders angesichts der Schwierigkeiten bei der Aus­

sonderung der einzelnen Faktoren zu, die den Zu­

stand der Baumkronen beeinträchtigen, von denen viele selbst Wechselbeziehungen untereinander auf­

weisen.

Ein letztes Argument besteht darin, dass der zu­

grundeliegende sensitive Parameter, nämlich die Ver­

lichtung der Baumkronen, hinsichtlich seiner Beurtei­

lung vielen Ungewissheiten ausgesetzt ist (GHOSH et a/. 1995). Die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der subjektiven Beurteilungen des Baumkronenzu­

stands unterliegen einer Vielfalt von Faktoren (KÖHL

1991), von denen viele nur äusserst schwer zu quanti­

fizieren sind. Der niedrige R²-Wert, der für das multi­

ple Regressionsmodell erzielt wurde, könnte zu einem grossen Teil auf die Unterschiede bei den Beurteilun­

gen der Verlichtung von einem Jahr zum anderen und im Verlauf der einzelnen Jahre zurückzuführen sein.

5 Folgerungen

Auf europäischer Ebene stellt die Schweiz einen Grenzfall dar zwischen Regionen, in denen die kriti­

schen Belastungen mit S, N und Azidität für alle Bö­

den überschritten werden und solchen, in denen nur die empfindlichen Böden betroffen sind. Das Muster wird noch komplizierter durch die Vielfalt der Boden­

typen in der Schweiz. Diese Umstände lassen vermu­

ten, dass es viele Schwierigkeiten geben wird, Zu­

sammenhänge zwischen dem Zustand der Baumkro­

nen und kritischen Belastungen zu finden. Diese Schwierigkeiten können folgendermassen zusammen­

gefasst werden:

1. Der zugrundeliegende sensitive Parameter, die Baumkronenverlichtung, ist ein allgemeiner Indi­

kator für den Gesundheitszustand des Baumes.

Dieser funktioniert am besten in Extremfällen, wenn beispielsweise ein Baum völlig entlaubt ist, er ist aber weniger nützlich in den mittleren Berei­

chen. Ein erheblicher Anteil der Bäume in der Schweiz fallen in den Bereich einer 15-30%igen Verlichtung.

2. Die komplexe Topographie der Alpen erschwert die Modellierung von Umweltparametern. Das be­

deutet, dass für viele der Variablen, welche das Muster für die Verlichtung erklären könnten - ein­

schliesslich der Schätzungen der Schadstoffdeposi­

tionen - beträchtliche Unsicherheiten bestehen.

Insbesondere sind die Schätzungen der AOT40- Werte bestenfalls als vorläufig anzusehen, und die Grundlage für ihre Berechnung wurde noch nicht allgemein zugänglich gemacht. Dadurch wird es äusserst schwierig, ihre Zuverlässigkeit zu beurtei­

len.

3. Die lokale Variabilität ist extrem hoch, und zwar sowohl was die verursachenden Variablen als auch was die sensitiven Variablen angeht. Dies bedeutet, dass ein äusserst enger Netzwerkraster der Stand­

orte erforderlich wäre, um den potentiellen Ursa­

che/Wirkung-Mechanismus voll auswerten zu kön­

nen. Ausserdem sind die Probengrössen der Bäume auf den einzelnen Stichprobenflächen manchmal sehr klein, was zu weiteren Interpreta­

tionsschwierigkeiten führt.

4. Es liegen keine genauen Schätzungen für das Alter der Bestände auf den Stichprobenflächen vor. An­

gesichts der Wichtigkeit des Bestandesalters als

Einflussgrösse für die Verlichtung, verhindert die­

ser Umstand eine straffere Beziehung zwischen Verlichtung und erklärenden Variablen.

Die oben angegebenen Schwierigkeiten, die zwar in der Schweiz besonders ausgeprägt sind, mit denen aber auch viele andere Länder konfrontiert sind (zum Beispiel Norwegen - THOMSEN et al. 1995), haben zu einer internationalen Überarbeitung des Vorgehens geführt, mit dem man Zusammenhänge zwischen dem Gesundheitszustand des Waldes und Schadstoffbela­

stungen herzustellen versucht. Statt einer einfachen jährlichen Inventur mit zahlreichen Stichprobenflä­

chen aber wenigen Beobachtungen wurde über ganz Europa ein Netzwek von Beobachtungsflächen er­

stellt, auf denen jetzt viel detailliertere Messungen vor­

genommen werden. Dazu gehören ins Detail gehende Bestimmungen des Baumkronenzustands, wozu eine Vielfalt von Variablen verwendet wird, und Messun­

gen einer ganzen Reihe verschiedener Umweltvaria­

blen vor Ort, einschliesslich Bodenchemie, Schad­

stoffdepositionen und meteorologische Daten. Einer­

seits stellt jede dieser Stichprobenflächen eine Fall­

studie dar, andererseits sind aber in der Gesamtheit der in Europa etablierten Stichprohenflächen die wichtigsten Kombinationen der Boden- und Klima­

verhältnisse vertreten und durch die modernen Kom­

munikationsmittel ist ein vollständiger und rascher Datenaustausch gewährleistet.

In der Schweiz wurde im Verlauf der letzten zehn Jahre eine Zunahme des Anteils der Bäume der Ver­

lichtungsklasse 1 (15-25%) und der Klasse 2 (30-60%) beobachtet. Die Ursachen für diesen Trend sind noch unbekannt. Als Erklärungen kommen in Frage: natür­

liche Schwankungen, Veränderungen der Methodik, klimatische Faktoren, eine allgemeine Überalterung der Bestände, Luftschadstoffe, Veränderungen der Bodenchemie, eine Zunahme der Insektenpopulatio­

nen oder der Pilze und einige spezifische waldbauli­

che Praktiken. Die potentielle Ursache für den Trend ist zur Zeit Gegenstand intensiver Forschung, aber es steht jetzt schon eindeutig fest, dass die zur Zeit übli­

che Inventur, mit der beabsichtigt wurde, Verände­

rungen im Zustand der Baumkronen festzustellen, wahrscheinlich nicht viel mehr Informationen über die Kausalzusammenhänge zwischen Versauerung und Verlichtung liefern wird. Statt dessen hat ein Pro­

gramm intensiver Messungen an einer begrenzten Zahl von Standorten begonnen. An diesen Standorten werden Messungen der Bodenchemie, der Schadstoff­

depositionen, der Meteorologie und einer Reihe ande­

rer Umweltvariablen vorgenommen, und diese wer­

den mit den Beurteilungen des Kronenzustands einer grossen Anzahl Bäume an jedem Standort in Verbin­

dung gebracht. Über ganz Europa verteilt wurden 650 solche Standorte vorgesehen, um den Ursache/

Wirkung-Mechanismus zu bestimmen, der den Ge­

sundheitszustand der Bäume beeinträchtigt.

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6 Dank

Wir sind Herrn B. Rihm dankbar dafür, dass er uns die digitale Version seiner Datensammlung zur Um­

weltverschmutzung zur Verfügung gestellt hat. Die hier vorgelegte Arbeit hätte nicht ohne den Einsatz der Feldequipen, die an den jährlichen Inventuren be­

teiligt sind, durchgeführt werden können. Ihr Beitrag sei dankend anerkannt. J. Wey und A. Baltensweiler haben durch die Bereitstellung von Daten und Karten ausserordentlich wertvolle Beiträge geleistet.

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