Kräuchi, N. (1992). Modellierung der Entwicklung von Waldoekosystemen unter Umwelteinflüssen. In Sanasilva-Tagungsbericht. Modellieren von Umwelteinflüssen auf den Wald. Umweltbewusstsein und Wertewandel (pp. 8-15). Eidg. Forschungsanstalt WSL.

l\fodellienmg der Enmicklung von Waldoekosystemen unter Umwelteinflüssen

Norbert Kräuchi

D-W AHO, Professur für Forstwissenschaften, ETil Zürich

EINFÜHRUNG

Wir leben heute in einer sich ändernden Umwelt, deren Oekosysteme durch anthropogen bedingte Veränderungen geprägt sind, v.iie sie sich beispielsweise im Anstieg der Treibhausgase manifestieren.

Die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre stieg von einem vorindustriellen Wert von 280ppmauf 353 ppm an (Siegenthaler, 1988, Keeling, 1989). Dreidimensionale Zirkulationsmodelle (GCM) berechnen einen aus der C0₂ ^-Verdoppelung resultierenden Temperaturanstieg von 3

°

bis 4

°

Celsius bis Ende des nächsten Jahrhunderts (IPPC, 1990). 3 Grad höhere Temperaturen sind seit lOO'CXX) Jahren nicht mehr vorgekommen (Schneider, 1984), und 4 Grad höhere Temperaturen herrschten auf der Erde zuletzt vor circa 40 Millionen Jahren. Sollten die Temperaturen tatsächlich so schnell ansteigen wie vorhergesagt, so müssen sich Tiere und Pflanzen innerhalb der Lebens- spanne eines Individuums, anstatt v.iie bis anhin über mehrere Generationen hinweg, den neuen Umweltbedingungen anpassen. Mit der Modellierung besitzen wir ein Instrument, welches uns die Auswirkungen solcher Veränderungen vorherzusagen erlaubt

MODELLE • Hn.FSMITTEL FÜR DEN FöRSrER!

Wachstumsmodelle, ursprünglich basierend auf graphischen Beschreibungen und Interpretationen, werden in der Forstwirtschaft seit Anfang des 20. Jahrhunderts angewendet In den letzten Jahrzehnten sind immer mehr mathematische Wachstumsmodelle entwickelt und benutzt worden.

Mit der rasanten Entwicklung der Mikroelektronik und der Verfeinerung statistischer Methoden hat sich die Modellierung und Simulation als Teilgebiet der Waldwachstumskunde, der Ertragskunde sov.iie der Waldoekologie etabliert - zumindest im angelsächsischen Raum.

Forstliche Simulationsmodelle lassen sich in 3 Gruppen einteilen: Baummodelle, ,,Gap"-Modelle und Waldmodelle. Der Unterschied zwischen den drei Gruppen liegt im Ansatz begründet, mit welchem versucht wird, das System Wald zu beschreiben. Waldmodelle beispielsweise, zu denen auchdieErtragstaf eln gehören, betrachtenden W aldalszentrale Grundeinheitdes Simulationsmodells.

Auf einer übergeordneten Ebene können die Modelle in statische und dynamische Modelle unterteilt werden (Pretzsch, 1988). Statische Modelle beschreiben den Zusammenhang zwischen Modellein- gangs- und-ausgangsgrössen mitHilf e mathematisch-statistischer Beziehungen, die nichts über die eigentliche Systemstrukturaussagen. Dynamische Modelle hingegen beschreiben ein System durch Analyse und mathematische Formulierung der zugrundeliegenden Regelmechanismen. Die rein statischen Modelle, welche von gleichbleibenden Umweltbedingungen ausgehen, werden in naher Zukunft an Bedeutung verlieren, weil sie zu wenig flexibel sind (vgl. Ertragstafel - neuartige Waldschäden).

Die Forstwirtschaft wird daher vermehrt mit dynamischen Modellen arbeiten müssen, welche die komplexe Struktur oekologischer Systeme mit ihren Rückkoppelungseffekten besser beschreiben können. Wir dürfen es uns nicht leisten, auf der Stufe der Ertragstafeln stehen zu bleiben. Wir müssen die Möglichkeiten, welche sich uns mit dem neuen Instrument der Simulation eröffnen, ergreifen.

rt·

^{0 200 400 600 0 IIOO 1 1000 1200}

₁₁

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Stammzahl / ba Stammzahl/ ba

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Stammzahl/ ba Stammzahl/ ba

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Nadelbaume

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0 200 400 600 IIOO 1000 1200

Stammzabl / ba

Abbildung 1: Modellprinzip bei Gap-Modellen: Waldoclcosysteme lassen sich durch die gemittelte Wachsnuns- dynamik unterschiedlicher Sukzessionsstadien beschreiben: la)-1 d) Stammzahlvcrteilungvexschiedener~ 1 e) gemiuelte Stammzahlverteilung (n=IOO Gaps).

SUKZESSIONSMODEI.L

FORSUM

Das Simulationsmodell FORSUM gehört zur Gruppe der Gap-Modelle. Es beruht auf Ansätzen von Botkin (1972), Shugart ( 1984) und Kienast (1987) und wurde in Bezug auf den Wassemaushalt, die menschlichen Eingriffe und sowie die Biomasseberechnungen weiterentwickelt Verjüngung, Wachstum und Absterben einzelner Bäume (31 Baumarten) wini auf vielen kleinen Waldflächen simuliert. Dieser Ansatz wird durch zahlreiche Pflanzensukzessionsstudien untermauert, die besagen, dass ein W aldoekosystemdurch eine statistische Population von Flächen unterschiedlicher Sukzessionsstadien beschrieben werden kann (Bray, 1956). Die Bestandesentwicklung wini als Markov-Prozess mit einerTransfor-

mationsmatrix betrachtet, welche stochastische und deterministische Komponenten enthält Die Waldsuk- zession winidurch innere undäussere Variablen des Bestandes, ~ehungs- weiseder Baurnartgesteuert(Solomon,

1986).

Abbildung 2: Simulationskonzept eines Waldsukzessionsmodells vom Typ JABOWA /FORET. Die Bestandesent- wicklung wird auf einer Vielzahl von Gaps (l/12 ha), unter Berücksichtigung der auf- geführten standorts- und artspezifischen

anlhropoeenlc lnßuences

dlmate

,pedes ,pedffc &rowth charactaistla '

/

^mortallty

lecd avallablllty

t

Das Wachstum der einz.elnen Bäume wird simuliert, indem man die maximale potentielle W achstumsratezu einem 2.eitpunk't tentsprechendden minilpierenden W achstumsfaktorenreduziert.

Das Absterben der Bäume wird mit einer Mortalitätsfunktion bestimmt, welche nur 1 % aller Bäume erlaubt, das physiologische Maximalalter zu erreichen. Daneben kann der Benutz.er über den minimalen Durchmesserzuwachs Bäume absterben lassen, welche über eine längere Periode hinweg diesen Wert nie überschreiten. Für die Parametrisierung der potentiellen und optimalen Verbreitung der einzelnen Baumart wurde die Oekogramme von Ellenberg (1986) ins Modell implementiert. Die Ansamung einer Baumart ist dann optimal, wenn ihr potentielles oder physiologisches Optimum mit den Standortsbedingungen auf dem Fläche übereinstimmen. Die Berechnung des pflanzenverfügbaren Wassers geschieht unter Berücksichtigung der Bodeneigen- schaften, des Wasserentzuges durch die Wurzeln und der Niederschläge für ein eindimensionales, nicht homogenes Bodenprofil.

Berechnung der klimatischen Verhältnisse

Die Ermittlung der Niederschlags- und Temperaturverhältnisse eines Standorts basiert auf den langjährigenDatenreihen nahegelegener Klimastationen. Aufgrund der Monatsmittelwerte und der Standardabweichungen können mittels linearer Interpolation die entsprechenden Werte stochastisch bestimmt werden. Das Niederschlagsmuster einer Region wird dabei in drei Schritten bestimmt Zunächst wird der simulierte Monatsniederschlag gleichfönnig über den Monat verteilt In einem zweiten Schritt wird die Anzahl Re gen tage für diesen Monat berechnet, und anschliessend wird der bis zum Regenereignis aufsummierte Niederschlag über dem Gap ausgeschüttet Mit Hilfe einer allometrischenFunktion wirddanachderinterzeptierteAnteil des Regens berechnet Die Interzeption, der Anteil des Regens, welcher direkt von der Blatt-IN adeloberfläche wieder verdunstet, beträgt je nach Bestandeszusammensetzung und Niederschlagsintensität zwischen O und 80%. Mit zuneh- mendem Laubholzanteil nimmt der Interzeptionsanteil ab, und mit abnehmender Niederschlags- intensität zu.

Berechnung der Wasserverfügbarkeit

Die Menge des pflanzenverfiigbaren Wassers hängt vom Speichervennögens des Bodens und dessen Porengrössenverteilung ab. Gap-Modelle wie FORECE (Kienast, 1987) bestimmen das pflanzenverfügbare Wasser als Differenz zwischen Bodenwassergehalt bei Feldkapazität und demjenigen beim Welkepunkt. Das ModellFORSUM berechnet hingegen die Wasserbewegungen für ein eindimensionales, nicht homogenes Bodenprofil, unter Berücksichtigung von maximal 10 verschiedenen Horizonten (Abb. 3 ). Die Parametrisierung der Böden geschieht mit Hilfe eines Analogieschlussverfahrens. Dabei werden für einen spezifischen Standort die Bodenhorizonte mit denjenigen der Lokalformen (RichanL 1981 )verglichen, unddieentsprechenden bodenphysikalischen Parameter übernommen. Die bodenphysikalischen Modelleingangsgrössen zur Beschreibung der Horizonte sind die gesättigte Wasserleitfähigkeit, sowie die DeSOiptionskwven. Die Berechnung des pflanzenverfügbaren Wassers geschieht täglich unter Berücksichtigung des Wasserentzuges durch die Wurzeln, der Tiefensickerung und des Niederschlages. Der Wasserentzug durch die Wurzeln ist eine Funktion der aktuellen Saugspannung und der maximalen Entzugsrate (Van Genuchten, 1986).DieDurchwurzelungstiefedesBodenshatsichindenbisherigenSimulationsläufen als sehr sensitiver Parameter erwiesen. Bei der Ansprache der Böden im Gelände muss deshalb die Wurzeltiefe so exakt wie möglich bestimmt werden, da bereits kleine Über-bzw. Unterschätzungen dieses Parameters zu unterschiedlichen Resultaten führen können.

ET2 ET1 ET3 p

Horizont 1

Horizont 2

Horizont 3

Abbildung 3: Darstellung des Wasserhaushaltmodells in FORSUM. Die Berechnung der Flüsse erfolgt in Tages- intervallen. 1'(0): ungesättigte hydrauliscre Leitflihigkeit; 0:W~ehalt; 'P: S ~ u n g Er: Evapotranspiraticn;

d: Tiefensickerung; P: Niederschlag.

Waldbauliebe Behandlung

Ein Unterprogramm erlaubt es, die Auswirkungen der waldbaulichen Eingriffe auf die Entwicklungsdynamik der Wälder zu simulieren. Bei der Entwicklung dieses Moduls mussten die Eigenheiten der Schweizer Forstwirtschaft mit dem Gap - Prinzip verbunden werden. Eines der Grundprinzipien waldbaulicher Behandlungen liegt bekanntlich in der positiven Auslese begrün- det hn Modell werden deshalb nach bestimmten Kriterien - in Abhängigkeit der waldbaulichen Planung - Qualitätspunkte vergeben. Die Wahrscheinlichkeit, eine stochastisch durchgeführte Durchforstung zu überleben, lässt sich ausdcrQualitätdesBaumes, sowiedcr Durchf orstungsintensität herleiten. Folgende waldbauliche Eingriffe können nach diesem Schema durchgeführt werden:

Plenterung, schweizerischer Femelschlag, Kahlschlag und Niederwaldbewirtschaftung. Wald- bauliche Eingriffe, welche zu Stammverletzungen führen, bedingen eine Qualitätseinbusse des verbleibenden Bestandes. Das Modul 'hwnan management' ist in Entwicklung und wurde noch nicht verifiziert, bzw. validiert

KLIMAVERÄNDERUNG UND

W

ALDENTWICKLUNG

Für verschiedene Regionen der subalpinen Zone im Kanton Graubünden wurden Simulationsläufe gerechnet Ausgehend von einer C0₂ ^- Verdoppelung von 310 µl/1 auf 620 µl/1 bis zum Jahre 2050 wurde mit folgendem Klimaszenario gerechnet: Linearer Temperaturanstieg zwischen 2CXX.l und 2050 um+ 3° Celsius (März-November) bzw. +3.5 ° Celsius (Dezember bis Februar). Alle Simulationsläufe wurden für 100 Gaps gerechnet

Beispiel 1: Bestandesentwicklung in der subalpinen Zone

Scuol, 1495 m.ü.M (Pcxlsol;

ro

cm Wurz.eltiefe); Jahresmjtteltemperatur: 3.95 °C; Niederschläge:

793 mm/Jahr. Niederschlagsszenarien:± 30 % des heutigen Niederschlages nach 2050. Abbildung 4 zeigt uns die natürliche Biomasseentwicklung in Abhängigkeit der Zeit für die Kontrollsimulation ( ohne Klimaänderung respektive ohne anthropogene Einflüsse). Aufgrund der herrschenden klimatischen Verhältnisse können sich in einer ersten Phase Picea abies, ^Larix decidua und Pinus cembra im interspezifischen Wettbewerb durchsetzen. Der Fichtenanteil wird jedoch mit zuneh- mender Simulationsdauer grösser, Picea abies kann sich als Hauptbaumart etablieren.

300

250

200

";' .c ~

CU ~ ¹⁵⁰

5 0

~ 100

50

0

1900 2000 2100 2200

Jahr

2300 2400

til Sorbus aucuparia

■ Acer pseudoplatanus

~ Pinus cembra GI Picea abies

II Larix decidua

Abbildung 4: Simulierte Biomasseentwicklung für einen subalpinen Standen in der Region Scuol. Szenario:

.,Business as

usuar·.

InAbbildung5sehenwirdieDarstellungderBiomasseentwicklungfürdenselbenStandortbeieiner C0₂ ^- Verdoppelung bis zum Jahre 2050, und einer gleichzeitigen Niederschlagserhöhung wn 10 Prozent Die schnelle Temperaturerhöhung bewirkt einen signifikantenEinbruchderGesamtbiomasse des Bestandes in relativ kurzer Zeit Dieser Biomasseeinbruch ist auf das Verschwinden der Arve zurückzuführen, welche als Folge des wänneren Klimas nur noch über eine ungenügende Wettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen Bawnarten verfügt In der Folge etablieren sich auf dem subalpinen Standort wärmeliebendere Baumarten wie Fagus silvatica, Acer pseudoplatanus, Abies alba und alsPionierbawnart Sorbus aucuparia. Die Gesamtbiomasse erreicht in der Folge wieder den vorgängigen Wert & ist zu beachten, dass bei Simulationsläufen für die subalpinen Standorte Scuol, Bever und Untervaz - selbst bei 20 % weniger Niederschlag - die Biomasseproduktion der Standorte sich nach einer gewissen Zeit wieder auf dem ursprünglichen Niveau einpendelte (vgl Beispiel 2).

300 250 -;- 200

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C02: 310 uJ/1 C02: 620 µ1/1 (Niederschläge: 110%)

(N.: 100 %)

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1

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0 1900

1

2000 2100 2200

Jahr

2300 2400

r.:m Sorbus aucuparia

□ Fagus sylvatica

• A.cer pseudoplatanus E3 Pmus spec.

lii;;I Pinus cembra

1111 Picea abies a Larix decidua - Abiesalba

Abbildung 5: Simulierte Biomasseentwicklung für einen subalpinen Standort in der Region Scool. Szenario: C0₂-

Verdoppelung bis zum Jahr 2050 mit darausfolgendem Temperaturanstieg von+ 3° Celsius (März-November) bzw.

+3.5° Celsius (Dezember- Februar) und 10 % höheren Niederschlägen.

Beispiel 2: Biomasseentwicklung in Abhängigkeit der Niederschlagmienge

In Abbildung 6 sehen wir einen Vergleich verschiedener Klimaszenarien, gerechnet mit den Parametern des Modells FORSUM, jedoch ohne die erwähnte Bodensubroutine (Kräuchi, im Druck). Die Resultate zeigen, dass sich die Gesamtbiomasse bei einer C0₂ -Verdoppelung und gleichbleibenden Niederschlagsmengen nicht ändert. Ebenso zeigen erhöhte Jahresniederschläge keine signifikante Wirkung auf die Biomasseproduktion dieses Standortes. Andererseits zeigen bereits Niederschlagreduktionen von 10 % einen signifikanten Einfluss auf die Gesamtbiomasse- produktion.

18

17~..---,---.---.--...----.---.--...

130'lo 120'lo llO'lo 1 ~ ~

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Scenario: "business u us1al"

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^{Sa:nario: V} crdoppelung des C02 -Gehah.s bis 2050

Abbildung 6: Einfluss einer Klimaänderung auf den Bestandesparameter Biomasse. Simulationsszenarien für einen subalpinen Fichtenwald (Region Untervaz).

SPRINI'ER GESUClff!

Wie wir gesehen haben, zeigen uns die Modellrechnungen ein Bild unserer Zukunft, welches sich von der heutigen Situation in verschiedener Hinsicht unterscheidet Es gilt als sicher, dass sich die Erde seit Beginn der industriellen Revolution um 0.6 bis 0.8

°

Celsius erwärmt hat Und die Klimatologen vennuten, dass sich unser Klima bis Mitte des nächsten Jahrhunderts in drastischer Weise verändern wird. Die auftretenden Temperaturänderungen werden 15-40 mal schneller sein als bisherige natürliche Klimaschwank.7.lilgen. Die Wanderungsgeschwindigkeiten nordamerika- nischer Baumarten in der Vergangenheit lagen bei 15 - 40 km/Jh. (Roberts, 1989). Die maximale Ivfigrarioosgeschwindigkeit aller Baumarten - erhoben anhand von Pollenanalysen - betrug 200 km/.Jh.

(Ritchie, 1986). Um mit der erwarteten Klimänderung Schritt zu halten, müssten demnach unsere Baumarten 4- 6 km/Jahr bzw. 40-60 km/Jahrzehnt zurücklegen. Aufgrund dieser Erkenntnisse sind tatsächlich Sprinter gesucht

Wir können davon ausgehen, dass die Waldoekosysteme auf die erhöhten C0₂ - Konzentrationen (C3,C4-Pflanzen) und auf die höheren Temperaturen reagieren werden. Die Konkurrenzverhältnisse werden sich wahrscheinlich ändern, und es wird Verlierer und Gewinner geben. Zu den Verlierern gehört mit Sicherheit der gesamte boreale Nadelwald. Bei einer Temperaturerhöhung von 3 Grad Celsius ist mit einer einer Reduktion der borealen Nadelwaldfläche um 37 % zu rechnen (Emanuel, 1985). Es werden auch bei uns Biotopveränderungen stattfinden und neue Pflanzenarten einwandern.

Inwieweit es sich um jene Baumarten handelt, die wir in unseren Wirtschaftsplänen berücksichtigt haben, bleibt offen.

FOI.GERUNGEN

In unserer Zeit muss man davon ausgehen, dass sämtliche Oekosysteme anthropogenen Einflüssen ausgessetzt sind. Inwiefern sich solche direkten oder indirekten Eingriffe in Systeme auswirken, deren komplexe Mechanismen wir nur ansatzweise oder überhaupt nicht verstehen, lässt sich nur vennuten. Wie bereits angedeutet, können uns Simulationsmodelle helfen, mögliche Konsequenzen unseres Handelns aufzuzeigen. Als Forstleute sind wir gewohnt, in langen Zeiträumen zu denken und langfristig zu planen. Wir dürfen uns jedoch nicht mehr damit begnügen, für zwei Generation zu planen. Im Gegenteil, wir müssen unsere Handlungen dauernd hinterfragen und in den Kontext der globalen anthropogenen Einflüsse auf den Wald stellen. Simulationsmodelle helfen uns, mögliche Inkompatibilitäten unserer Handlungsweisen aufzuzeigen. Die Forstwirtschaft darf sich diese Chance nicht entgehen lassen.

Lll'ERATURVERZEICHNIS

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