169 J. Müller · Landbauforsch · Appl Agric Forestry Res · 4 2012 (62)169-178 Jürgen Müller* Zusammenfassung Zur Erfassung der standortkundlichen Differenzierung wur- den auf den Parzellen des Herkunftsversuchs Schädtbek bo- denphysikalische, -chemische und –hydrologische Aufnah- men, Beprobungen und Analysen durchgeführt. Aus den Ergebnissen wurden die Bodenwasserspeicherkapazität und die Nährstoffversorgung des Bodens und der Pflanze abge- leitet. Die Messungen zu den Photosyntheseaktivitäten und Transpirationsraten wurden durch bodenhydrologische Messungen begleitet. Die Variation der nutzbaren Feldkapa- zität bis 1 m Bodentiefe als Kennwert für die Bodenwasser- speicherkapazität lässt in Trockenperioden innerhalb der Ve- getationsperiode Auswirkungen auf den Bestandeswasser- haushalt erwarten. Problematisch für die Prozesse von Nährstoff- und Wasseraufnahme ist der unterschiedlich stark ausgeprägte Stauwassereinfluss mit möglichen Auswirkun- gen auf das Baumwachstum. Die Nährstoffversorgung der untersuchten Parzellen ist gut bis sehr gut und stellt keinen wachstumsmindernden Faktor dar. Schlüsselwörter: Klimatische Wasserbilanz, nutzbare Feldka- pazität, pF-Kurve, Nährstoffversorgung * Johann Heinrich von Thünen-Institut, Institut für Waldökosysteme Alfred-Möller-Str. 1, 16225 Eberswalde Kontakt: [email protected]Untersuchung bodenphysikalischer, -chemischer und -hydrologischer Differenzierungen von aus- gewählten Parzellen des Buchenprovenienzver- suches „Schädtbek“ als Voraussetzung für die Bewertung des Wachstumsverhaltens Abstract Soil physiological, -chemical and -hydro- logical sampling was carried out for site specific characterisation on the indivi- dual tracts of the provenance trial Schädtbek Samples were analysed and the water holding capacity as well as nutrient availability in the soil and plant available nu- trients was estimated. Photosynthetic activity and transpira- tion measurements were accompanied by soil hydraulic measurements. Using the variation in usable field capacity up to 1m depth the characteristic value for the available wa- ter capacity during dry periods is provided; allowing an esti- mation of stand hydraulics during the vegetation period. The variable amount of stagnating waters is problematic for the uptake of nutrients and water and can have an impact on tree growth. The nutrient availability in the different tracts is excellent or well and does not limit tree growth. Keywords: climatic water balance, usable field capacity, pF- curve, nutrient supply
ZurErfassungderstandortkundlichenDifferenzierungwur-denaufdenParzellendesHerkunftsversuchsSchädtbekbo-denphysikalische, -chemische und –hydrologische Aufnah-men, Beprobungen und Analysen durchgeführt. Aus denErgebnissenwurdendieBodenwasserspeicherkapazitätunddieNährstoffversorgungdesBodensundderPflanzeabge-leitet.DieMessungenzudenPhotosyntheseaktivitätenundTranspirationsraten wurden durch bodenhydrologischeMessungenbegleitet.DieVariationdernutzbarenFeldkapa-zitätbis1mBodentiefealsKennwertfürdieBodenwasser-speicherkapazitätlässtinTrockenperiodeninnerhalbderVe-getationsperiode Auswirkungen auf den Bestandeswasser-haushalt erwarten. Problematisch für die Prozesse vonNährstoff-undWasseraufnahmeistderunterschiedlichstarkausgeprägte Stauwassereinfluss mit möglichen Auswirkun-genaufdasBaumwachstum.
Die Nährstoffversorgung der untersuchten Parzellen istgut bis sehr gut und stellt keinen wachstumsminderndenFaktordar.
Untersuchung bodenphysikalischer, -chemischer und -hydrologischer Differenzierungen von aus-gewählten Parzellen des Buchenprovenienzver-suches „Schädtbek“ als Voraussetzung für die Bewertung des Wachstumsverhaltens
Abstract
Soil physiological, -chemical and -hydro- logical sampling was carried out for site specific characterisation on the indivi-dual tracts of the provenance trial Schädtbek
Samples were analysed and the water holding capacity aswellasnutrientavailabilityinthesoilandplantavailablenu-trientswasestimated.Photosyntheticactivityandtranspira-tion measurements were accompanied by soil hydraulicmeasurements. Using the variation in usable field capacityupto1mdepththecharacteristicvaluefortheavailablewa-tercapacityduringdryperiodsisprovided;allowinganesti-mationofstandhydraulicsduringthevegetationperiod.Thevariableamountofstagnatingwatersisproblematicfortheuptake of nutrients and water and can have an impact ontreegrowth.Thenutrientavailabilityinthedifferenttractsisexcellentorwellanddoesnotlimittreegrowth.
Keywords: climatic water balance, usable field capacity, pF-curve, nutrient supply
Als vegetationsökologische Differenzierungen werdenentsprechenddenBeiträgenindiesemHeftdieUnterschie-de in der phänologischen Entwicklung, in der genetischenVariation,imWachstumsverlaufundindenphysiologischenReaktionen des Baumes auf Trockenheit verstanden (Krie-bitzsch&Veste,2012;LiesebachM,2012b;LiesebachH,2012;Schüleretal.,2012;Schmidt etal.,2012).
Voraussetzung für die Bewertung der herkunftsspezifi-schenDifferenzierungensindvergleichbareBoden-undWit-terungsbedingungen(Müller, 2005).Dazuwurdenstandort-kundliche Untersuchungen durchgeführt. Sie dienen derBewertungbodenphysikalischer,-chemischerund–hydrolo-gischerDifferenzierungenderausgewähltenHerkünfte,wo-beijedeHerkunftdreiaufderVersuchsflächeunregelmäßigverteilte Wiederholungen besitzt. Darüber hinaus wird fürdie Jahre 2006 und 2007 der wachstumsrelevante Witte-rungsverlaufeingeschätzt.
Die Versuchsfläche Schädtbek
Die ca. 3 ha große Versuchsfläche Schädtbek liegt in derNähevonKiel inSchleswig-Holstein(10°18’O,54°18’N)in40 mü. NN.Es isteinebener,zuvorackerbaulichgenutzterStandort,derimforstlichenWuchsgebietSchleswig-HolsteinOst,WuchsbezirkMittleresHügellandliegt(Wolff etal., 2003; Gauer & Aldinger, 2005).WeitereBeschreibungenzumKlimaderVersuchsflächesindbeiLiesebachM (2012a) indiesemHeftzuentnehmen.
FürdieFlächenimUmfeldvonSchädtbekliegteineforstli-cheStandortkartierungvor(Abbildung.1),dienachdernie-dersächsischenKartieranleitungdurchgeführtwurde(Nieder-sächsisches Forstplanungsamt, 2009). Der Bereich derVersuchsflächegehörtzudenStandorttypen41.4+.4.3sPund41.4.3.7sP.DasbedeutetimEinzelnen:
BezüglichderWasserverhältnisseisteseinfrischerStandort,der im Unterboden schwach pseudovergleyt ist. Im östlichenBereich ist der Standort schwächer wechselfeucht mit gerin-gembismäßigemWechselzwischenVernässungundabneh-menderFeuchtemitStaunässeimUnterboden.HierüberwiegtdiefeuchtebisfrischePhase.DerUnterbodenistebenfallspseu-dovergleyt.DerStandortistgutmitNährstoffenversorgt.Beim Bodensubstrat überwiegen die lehmigen Sande undsandigenLehme(Geschiebelehm).Hierbeiwechselnsichan-lehmigebisschwachlehmigeSandüberlagerungenmitver-lehmten, geschiebeführenden Sanden über einer Lehmun-terlage ab. Auf fast der gesamten Fläche ist der Stau-wassereinflussimOberbodenerkennbar.
DieLagederuntersuchtenHerkünftemitdenentsprechen-den Wiederholungen auf der Versuchsfläche ist bei Liese-bachM(2012a)indiesemHeftdargestellt.
Bodenuntersuchungen
FeldbeprobungDieEntnahmederBodenprobenerfolgtemiteinermotorge-triebenen Rammkernsonde in den Wiederholungen dersechsHerkünfte,wobeiHerkunftAnguiano/ES(Nr.5)inderIII.Wiederholungnichtbeprobtwurde,daaufdieserWieder-holungfastkeineBäumestanden.AufjederVersuchsparzelle(10mx10m)wurdeaufdenDiagonalenimregelmäßigenAbstandBohrpunktefestgelegt(Abbildung.2).
DieBohrkernentnahmeerfolgtebiszueinerTiefevon1m.Die Bodenproben wurden in den Tiefenbereichen 0 bis10 cm,10bis25cm,25bis50cmund50bis100cmentnom-men(Abbildung3).
DieBohrkernewurdenfürdieEntnahmevonProbenzurBe-stimmung sowohl der bodenchemischen als auch der bo-denphysikalischen Parameter genutzt. Die Proben sind tie-fenstufenbezogeneMischprobenausneunBohrungenbzw.Stechzylinderprobenmit6-facherWiederholungproTiefen-stufeundFläche.
Bodenphysikalische und –chemische Unter-suchungenDiebodenphysikalischenUntersuchungensinddieGrundla-ge für die Ableitung bodenhydrologischer Parameter wieFeldkapazität, nutzbare Feldkapazität und Saugspannungs-Sättigungsbeziehung (pF-Kurve). Die pF-Kurve wurde unterNutzungder„ku-pFApparatur“ermittelt.Dieku-pF-Appara-turdientderBestimmungderhydraulischenLeitfähigkeit(ku)und der pF-Kurve von Bodenproben im ungesättigten Be-reich(UGTMüncheberg,2002).DienutzbareFeldkapazitäter-gibtsichausderDifferenzvonFeldkapazität(FeuchtegehaltbeipF 1,8)unddemWelkepunkt(FeuchtegehaltbeipF4,2).
DazuwurdenausdenBohrkernenStechzylinderprobengewonnenundimLaborvollständigaufgesättigtsowiean-schließend abgedichtet. Die freie Oberfläche wird der Ver-dunstung ausgesetzt und der Gradient der entstehendenWasserbewegung messtechnisch erfasst. Der Gradient derWasserspannung wird im Stechzylinder durch zwei im Ab-stand von 3 cm eingebauteTensiometer ermittelt. Der ab-nehmendeWassergehaltwirddurchWägungerfasst.FürdiepF-Kurve wird der aktuelle Wassergehalt der Probe jeweilsdemMittelwertausbeidenTensiometerwertenzugeordnet.FürdieinderAbbildung3genanntenTiefenstufenwurdendie Korngrößenverteilung, die Trockenraumdichte und derHumusgehaltanalysiert.
Ermittlung der Bodenwassermengen mit Hilfe von bodenhydrologischen MessungenIm Frühjahr (April), Sommer (Juli/August) und Herbst 2007(Oktober)wurdenaufausgewähltenHerkünftenineinzelnenTiefenstufen die aktuellen Bodenwasservorräte durch bo-denhydrologische Messungen ermittelt. Die Messungenwurden auf folgenden Flächen durchgeführt: Herkunft 5Wiederholung 1; Herkunft 44 Wiederholung 1 und 2; Her-kunft110Wiederholung1und2.SieerfolgtentemporäranEinzelbäumendurchdiekombinierteErfassungvonBoden-saugspannung und Bodenfeuchte (Müller, 2002). Diesebaumbezogenen Messungen begleiteten die von der Ar-beitsgruppe Kriebitzsch/Veste an den gleichen Bäumendurchgeführten Photosynthesemessungen. Die Methode
Mess-
tiefe
cm
10 - 15
25 - 30
45 - 50
10 cm 30 cm 50 cm
der Messung macht die Abbildung 4 deutlich. GemessenwurdeinallevierHimmelsrichtungeninTransektenkreisför-migumdenStammindenAbständen10,30und50cmundin den Bodentiefen 10 bis 15 cm, 25 bis 30 cm und 45 bis50 cm(Abbildung5).
Ergebnisse
Charakterisierung des Witterungsverlaufs in den Jahren 2006 und 2007In den Jahren 2006 und 2007 wurden intensive Untersu-chungenzurPhotosyntheseundzurTranspirationdereinzel-nen Herkünfte durchgeführt (s. Kriebitzsch & Veste, 2012).Der Witterungsverlauf dieser Jahre wird deshalb genaueranalysiert. Die Witterungswerte stammen von der eigenseingerichtetenWetterstation in ca. 1,5 km Entfernung undwurdenbeiDatenlückenund-unplausibilitätendurchWerteder DWD-Station Kiel ergänzt. In der Abbildung 6 sind diemonatlichen Niederschlagssummen und die Monatsmittel-temperaturdargestellt.BegleitetwirddiesdurchpunktuelleMessungen der Bodenwassermengen auf einzelnen Parzel-lenzurBewertungderaktuellenBodenwasserverfügbarkeit.
DerWinter2005/2006warimVergleichzumlangjährigenMittelzukaltundzutrocken.DieniedrigenLufttemperatu-renhieltenbisMitteMärzan.EndeMärzsetztefrühlingshafteWitterungein.DieNiederschlägederMonateMärzundAprilfüllten den Bodenwasserspeicher bis zur Feldkapazität auf.DerMaiwarmäßigwarmundindererstenHälftezutrocken.DieBodenwasservorrätebis1mTiefesankenauf70%nFkundfülltensichdurchdienachfolgendenNiederschlägewie-derauf100%nFKauf.DieMonateJuniundJuliwarenwarmund trocken, die Monatsniederschläge erreichten nur dieHälftedeslangjährigenMittels.DieBodenwassermengenla-gen unter 50 % nFk. Der August war kühl und überdurch-schnittlich nass. Die nFk stieg wieder auf 100 % an. DerHerbst2006warmildundlag4°CüberdemlangjährigemMittel.DieNiederschlägeinHöhevon50mmlagenimnor-malenBereich.InsgesamtwarensowohldasKalenderjahrals
auchdasVegetationsjahrim VergleichzumlangjährigenMit-telzuwarm.DasKalenderjahrwarüberdurchschnittlichtro-cken, dasVegetationsjahr lag durch den nassen August imBereichdeslangjährigenMittels.
AusderDifferenzdesNiederschlagesundderpotentiellenVerdunstungwirddietäglicheKlimatischeWasserbilanz(KWB)als Indikator für die meteorologischeTrockenheit berechnet(Müller,2007).DieAbbildung7zeigtimJuni/JulidasAbsinkenderKWBaufminus170mm,inFolgesankdienFKdesOberbo-densunter50%.IndiesemZeitraumerfolgtenauchdieMes-sungenzurPhotosyntheseaktivitätundzudenTranspirations-ratenanEinzelbäumenunterschiedlicherHerkunft.
Der Winter 2006/2007 war im Vergleich zum langjährigenMittel deutlich zu warm. Die Niederschläge waren über-durchschnittlich, so dass der Bodenwasserspeicher EndeMärzzu100%gefülltwar.DersehrtrockeneundinsgesamtzuwarmeAprilließdienFkimOberbodenauf80%absinken.
DieBlattentfaltungderBuchesetzteEndeAprilein.Demtro-ckenen April folgte ein nasser Mai, der den Bodenwasser-speicherwiederauf100%ansteigenließ.ImJuni/JuliwarendieNiederschlägesehrhoch.DieBodenfeuchtewertelagenimSättigungsbereich.DerAugustwiestrockeneAbschnitteaufundwarimVergleichzumlangjährigenMitteletwaszutrocken.DerSommerwardagegen imVergleichzumlang-jährigen Mittel deutlich zu nass und etwas zu warm. DieHerbstniederschläge und -temperaturen lagen leicht unterdem langjährigen Mittel. Ende September setzte teilweisedieBlattverfärbungein.DerOktoberwardabeiüberdurch-schnittlichtrockenundzukühl.DerDezemberwaretwaszuwarmundzunass.
Das Jahr 2007 gehört insgesamt zu den wärmsten undJahrensowohlimKalender-alsauchimVegetationsjahr.Al-lein Anfang Mai und Mitte Juni lag die KWB kurzfristig beiminus90mm(Abbildung.7).
Bodenphysikalische Differenzierungen DasdenPflanzenzurVerfügungstehendeFeuchteangebotgehörtzudenentscheidendenwachstumsrelevantenMerk-malen. Die von der Standortserkundung ausgewiesenenWasserhaushaltsstufen kennzeichnen die Feuchteunter-schiedenurgrobundsindfürunsereBetrachtungnichtaus-reichend.
Der Wasserhaushalt der Bestände und die hydrologi-schen Prozesse werden sehr wesentlich vom Boden beein-flusst. Außer dem Niederschlag und der Kronendachinter-zeption hängen alle anderen Komponenten von derBodenstruktur ab. Das Bodenwasser und dieWasserversor-gungderPflanzensinddurchdieSaugspannung-Sättigungs-Beziehung miteinander verbunden. Die die Bodenwasser-speicherung kennzeichnenden bodenphysikalischen Kenn-werte Feldkapazität (FK), permanenter Welkepunkt (PWP)
und die nutzbare Feldkapazität (nFK = FK-PWP) lassen sichausdenWasserspannungs-/WassergehaltsbeziehungendesBodens (pF-Charakteristik) ableiten. Die Wasserretentions-kurven (pF-Charakteristik) charakterisieren die hydrologi-schenWechselwirkungen zwischenVegetation und Boden.Interessant für unsere Betrachtung sind die Bereiche derWasserretensionskurven, die dieWasserverfügbarkeit (nFK)beeinflussen.
Aus den tiefenstufenbezogenen Bodenproben auf denVersuchsparzellenwurdendieFK,derPWPundsomitdienFKmit Hilfe von Pedotransferfunktionen (Hangen & Scherzer, 2004) aus folgenden bodenstrukturellen Parametern abge-leitet:• Bodenart(AnteilevonSand,TonundSchluff),• Humusgehalt,• Trockenraumdichte.
DieBestimmungdieserBodenstrukturparameterermöglich-te bei gleichzeitiger Ermittlung derWassergehalts-/Wasser-spannungskurvenimLabordieErmittlungderbodenphysi-kalischen Kennwerte Feldkapazität und permanenterWelkepunktsowiedieBerechnungdernutzbarenFeldkapa-zität.
DieAbbildung8zeigtdieDifferenzierungderKorngrö-ßenfraktionen von Sand,Ton und Schluff auf den Flächen.Die Auswirkung dieser Differenzierung auf den Bodenwas-serhaushalt wird durch die Ableitung und Berechnung dernutzbarenFeldkapazitätaussagekräftiger.
InderAbbildung9sinddieermitteltenpF-Kurvenfürdieaufder Untersuchungsfläche vorkommende Bodenartendiffe-renzierungvonmittelbisstarklehmigemSandbishinzummittel bis stark sandigen Lehm dargestellt. Unter Einbezie-hungderorganischenSubstanzundderTrockenraumdichteergeben sich die in der Tabelle 2 dargestellten nutzbarenFeldkapazitäten.
Die ermittelte Trockenrohdichte liegt im Bodenbereich bis25 cmmit1,51bis1,60g/cm3immittlerenBereichundistso-mitfüralleParzellenähnlichhoch(Abbildung.10).ImTiefen-bereich zwischen 25 bis 50 cm wird durchgängig einePflugsohlenverdichtung sichtbar. Die Werte liegen hierbeizwischen1,66und1,76g/cm3.InderTiefe50bis100cmsinddieTrockenrohdichtenmitWertenüber1,8g/cm3mehrheit-lichsehrhochundbegünstigendieStauwasserwirkung.
DurchMesswertenichtbelegbar,abersowohldurchdiestandörtlicheBegutachtungderParzellenalsauchdurchdieKartierungderWasserverhältnisseimRahmenderBohrkern-entnahme wurde ein sich differenzierender Staunässeein-flussnachweisbarundsichtbar.Besondersstark istderEin-fluss im westlichen Bereich des Herkunftsversuches (3.Wiederholung)ausgeprägt.Hier führenreliefbedingteMul-denbesondersinfeuchtenFrühjahrsmonatendurchoberflä-chennahe Stauhorizonte teilweise zur Oberflächenvernäs-sung.DassichdifferenzierendeBestandesbildistmaßgeblichaufdieunterschiedlichenBodenwasserverhältnisseundda-mitBodenluftverhältnissezurückzuführen.
Differenzierungen der BlattspiegelwerteAlsKennwertfürdenErnährungszustandderBäumewerdendie analysierten Blattspiegelwerte als integrierende Größeherangezogen.FürdieBewertungwerdendieElementeN,P,Ca,K,MgundNabetrachtet.NachHeinsdorf 1999undStroh-bach(mündl.Mitt.)wirdderErnährungszustandinfünfStu-feneingeteilt:
DieHerkünfteAnguiano(5),Oderhaus(44)undNeuberg-Mürzsteg(109)habenteilweisedeutlicherhöhteN-Blattspie-gelwerte. Schadwirkungen in derWiederholung 2 der Her-kunft44sindmöglich.
DieCa-K-,Mg-undNa-Versorgungistoptimalbis„Luxus“und weist auf die ehemalige landwirtschaftliche Düngunghin.
Bodenhydrologische Messungen im Jahr 2007AusderAbbildung12wirddeutlich,dassdieBodenfeuchtenindengemessenenBodentiefenamBeispielderWiederho-lung3derHerkunft110zudenMesszeitpunktenimBereichzwischenWassersättigungund75%nFKlagen.DieseParzel-le hat bis 1 m Bodentiefe mit die geringste nFK. Zum Zeit-punktdererstenMessungAnfangAprilwarderBodenraumaufGrundderhohenWinterfeuchteunddernochnichtent-wickeltenVegetationimBereichderSättigung.
ImJuli/AugustlagendieBodenfeuchtenwegenderho-hen Juliniederschläge noch bei 75 % nFK. Somit waren zudieserZeitkeinebaumphysiologischenStresswirkungenzuerwarten.
DieBodenartderuntersuchtenParzellenvariiertvonmittelbisstarklehmigemSandbishinzummittelbisstarksandi-genLehm.DieTrockenrohdichtendesOberbodensbis25cmliegen im normalen Bereich. Unterhalb dieser Tiefe ist, ty-pisch für ehemals ackerbaulich genutzte Standorte, einePflugsohlenverdichtungsichtbar.DienutzbareFeldkapazitätbis 1 m Bodentiefe als Kennwert für die Bodenwasserspei-cherkapazitäthatmitWertenvon158bis194mminTrocken-periodeninnerhalbderVegetationsperiodeeinensichdiffe-renzierend auswirkenden Einfluss auf den Bodenwasser-haushalt und somit auf den Gesamtwasserhaushalt derBestände. Problematischer als die Differenzierungen in derBodenwasserspeicherkapazität sind die wechselfeuchtenBodenwasserverhältnisse,dieinstarkemMaßedieProzessevonNährstoff-undWasseraufnahmebeeinflussen.Dertem-porär unterschiedlich stark ausgeprägte StauwassereinflussbeeinflusstdenBodenwasserhaushaltund-lufthaushaltundsomitdieWasseraufnahmefähigkeitausdemBodenmitAus-wirkungen auf das Baumwachstum. Die Nährstoffversor-gung der untersuchten Parzellen ist gut bis sehr gut undstellt keinen wachstumsmindernden Faktor dar. Die Blatt-spiegelwerte als Maß für Nährstoffversorgung der BäumezeugenvondergutenbissehrgutenNährstoffausstattung.TeilweiseistaucheineÜbernährungsichtbar.
