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Dynamik der Kohlenstoffvorräte in den Wäldern Thüringens

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Autor (-en):
C. Wirth, E.-D. Schulze, G. Schwalbe, S. Tomczyk, G.-E. Weber, E. Weller
TLWJF in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena
Kontakt:
Einstellung am:
02.03.2005
Dokumenttyp:
Zusammenfassung einer Veröffentlichung der TLWJF und des MPI-BGC
Zusammenfassung:
Auf der Grundlage verschiedener Forst- und bodenkundlicher Daten werden die Kohlenstoffvorräte für die Waldkompartimente Dendromasse, Bodenvegetation, Totholz und Boden (Mineralboden und organische Auflage) für die Wälder Thüringens ermittelt und dargestellt. In der Originalveröffentlichung wird zusätzlich auf Kohlenstoffflüsse eingegangen.

Zusammenfassung

Die Artikel 3.3 und 3.4 des Kyoto-Protokolls zur UN-Klimarahmenkonvention (UNFCCC) sollen es Industrienationen ermöglichen, ihre Verpflichtungen zur Reduktion der Treibhausgasemissionen zu einem Teil durch die Schaffung von CO2-Senken durch bestimmte Maßnahmen der Landnutzung abzugelten. Von den beiden Artikeln sind sämtliche Tätigkeiten des Waldbaus betroffen.
Artikel 3.3 besagt, dass C-Senken aber auch C-Quellen angerechnet werden, die durch die Änderung der Bodennutzungsart durch "Aufforstung", "Wiederaufforstung" und "Entwaldung" seit 1990 entstanden sind. Dieser bislang kontrovers diskutierte Artikel ist für Thüringen ohne Bedeutung, da Aufforstungen und Entwaldungen in Thüringen ein sehr untergeordnete Rolle spielen. Die Netto-Flächenbilanz beläuft sich im Mittel der 90er Jahre auf nur + 0,03 % pro Jahr bei ca. 540.000 ha Waldfläche.

Der vorliegende Bericht befasst sich daher ausschließlich mit Artikel 3.4. Dieser eröffnet die Möglichkeit, dass "zusätzliche" waldbauliche Maßnahmen, die sich in einem C-Vorratsaufbau manifestieren, angerechnet werden können. Nach dem Abkommen von Bonn und Marrakesch ist hierzu Voraussetzung, dass es sich um einen absichtlich herbeigeführten Vorratsaufbau handelt. CO2-Senken, die durch indirekte Einflüsse, wie z. B. Klimaänderungen, erhöhte atmosphärische CO2-Konzentration, N-Depositionen oder Altersklasseneffekte induziert werden, sind von der Anrechnung ausgeschlossen. Artikel 3.4 verlangt ausdrücklich, dass die C-Vorratsänderungen in transparenter, verifizierbarer Weise zu messen und mit Angabe von statistischen Unsicherheiten zu berichten sind. Für die Forstwirtschaft ist von überragender Bedeutung, dass CVorratsänderungen im Produktsektor voraussichtlich nicht berücksichtigt werden und dass auch Substitutionseffekte, wie sie aus der energetischen und stofflichen Verwertung von Holz entstehen, nicht angerechnet werden. Letzteres wird als Komponente der Emissionsreduktion gewertet. Der erste Anrechnungszeitraum erstreckt sich von 2008 bis 2012. In dem noch zu verhandelnden Folgeabkommen "Kyoto 2" könnte sich ein Teil dieser Voraussetzungen zur Anrechnung von "Management" ändern.
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Vor diesem Hintergrund ergaben sich für das vorliegende vom BMBF geförderte Projekt (BMBF 01LK9901 "Modelluntersuchungen zur Umsetzung des Kyoto-Protokolls am Beispiel Thüringens") folgende fünf zentrale Forschungsfragen:
  1. Wie hoch waren die C-Vorräte auf der Thüringer Waldfläche zum Zeitpunkt 1990 in den Pools Dendromasse, Totholz, organische Auflage und Mineralboden? Wie hoch sind die damit verbundenen Unsicherheiten?
  2. Inwieweit ist es möglich, anhand der vorliegenden Daten C-Flüsse bzw. C-Vorratsänderungen zu detektieren? Mit welcher Genauigkeit lassen sich solche Änderungen angeben?
  3. Lassen sich die Beiträge der direkten und indirekten anthropogenen Einwirkungen zur aktuellen C-Senke quantifizieren und voneinander trennen?
  4. Welche waldbaulichen Optionen stehen zur Verfügung, um die C- Vorratsveränderung im Sinne des Kyoto-Protokolls zu lenken?
  5. Welche Prognosen können wir aus heutiger Sicht für die erste Anrechnungsperiode und nachfolgende Anrechnungsperioden machen?


Die Arbeit war generell von folgenden drei Grundsätzen geleitet:
  1. Verwendung und Nutzbarmachung von Originaldaten wo immer möglich,
  2. Herleitung der statistischen Unsicherheiten der C-Vorrats- und C-Flussberechnungen aus den Originaldaten,
  3. bestandesgetreue Regionalisierung der Ergebnisse, basierend auf dem GIS der TLWJF.
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C-Vorräte in der Dendromasse

Bei der Quantifizierung der C-Vorräte in der Dendromasse wurden vollkommen neue Wege beschritten. Erstmalig wurde ein landesweites GIS-basiertes Forsteinrichtungswerk mit Angaben zu über 300000 Beständen als Inventurgrundlage verwendet, wodurch im Prinzip C-Bilanzen auf Projektebene ermöglicht werden. Dieses Einrichtungswerk wurde zum Stichtag 01.01.1993 aus Neuinventuren und ertragstafelbasierten Fortschreibungen des Datenspeichers Wald erstellt und kann somit in etwa als repräsentativ für die Verhältnisse des Basisjahres 1990 angesehen werden. Es umfasst über 90 % der heutigen Waldfläche Thüringens. Eine Neueinrichtung findet in Zukunft jedoch nur noch für den Staatswald statt.
Die Umrechung der inventarisierten Derbholzvolumina in C-Vorräte der gesamten unter- und oberirdischen Dendromasse erfolgt über die Multiplikation mit der Raumdichte, dem Biomasse-Expansionsfaktor (BEF) und der C-Konzentration der Dendromasse. Das Produkt dieser drei Faktoren wird als KE-Faktor (Konversion⁄Expansion) bezeichnet. In einem zweistufigen Verfahren wurden zunächst für die beiden Baumarten Buche und Fichte neue Biomasse-Expansionsfaktoren BEF entwickelt (BEF = Gesamt-Masse des Baumbestandes⁄Masse des oberirdischen Derbholzes). Hierfür wurde im Rahmen einer Meta-Analyse eine Datenbank der Biomasse von Einzelbäumen aufgebaut (Fichte: 664 Bäume, Buche: 275 Bäume). Darauf basierend wurden für die einzelnen Kompartimente Nadeln, Äste, Totäste, Stamm und Wurzel neue Biomassefunktionen entwickelt, die die Form gemischter linearer Modelle hatten und jeweils aus einem Satz von 43 Kandidatenmodellen ausgewählt worden waren. Diese Funktionen wurden auf voll inventarisierte Buchen- und Fichtenreinbestände angewandt (Fichte: 309 Bestände, Buche: 82 Bestände) um bestandesspezifische Expansionsfaktoren zu errechnen. In einem zweiten Satz von Funktionen wurde die Abhängigkeit des BEF von Bestandesalter und Bonität dargestellt. Die Werte für die Raumdichte wurden der Literatur entnommen. Im Falle der Fichte wurden bonitätsspezifische Raumdichten verwendet. Eine Literaturstudie ergab keine systematischen Unterschiede in der C-Konzentration zwischen den Hauptbaumarten und es wurde daher generell eine C-Konzentration von 50 % verwendet. Für alle anderen Baumarten (Kiefer, Eiche, Edellaubholz) wurden die KE-Faktoren von Burschel et al. (1993) verwendet. Die Ermittlung neuer Expansionsfaktoren der Kiefer erfolgt im Rahmen der laufenden Projektfortsetzung.
Fichtenbestände schlechterer Bonitäten wiesen höhere BEF und Raumdichten auf, wodurch die geringe Volumenproduktion im Vergleich mit Beständen guter Standorte zu etwa 40 % kompensiert wurde. Bei gleichem Alter waren die C- Vorräte in der Dendromasse in Buchenwäldern deutlich höher (maximales Altersklassenmittel: 170 t C ha-1) als in Fichtenwäldern (max. 130 t C ha-1). Dies lag vor allem an der höheren Raumdichte des Buchenholzes. Dieser Trend galt generell für den Vergleich von Laub- und Nadelhölzern mit ähnlicher Volumenproduktion. Neben der höheren Raumdichte bewirkte auf der Landschaftsebene auch die längere Umtriebszeit der Laubhölzer, dass die mittleren C-Hektarvorrat für Thüringen in Laubwäldern generell höher waren als in Nadelwäldern (Buche: 131, Eiche: 90, Fichte: 75, Kiefer: 61 t C ha-1). Längere Umtriebszeiten gehen mit einem höheren Anteil vorratsstarker Altersklassen einher. Im Falle der Buche und der Fichte wird der Kontrast noch dadurch verstärkt, dass die Buche derzeit einen hohen Überhang vorratsstarker Altersklassen aufweist, während die Fichte in den oberen Lagen durch Sturmschäden und Schneebruch einen Überhang jüngerer Wälder aufweist (Durchschnitts alter ca. 40 Jahre). Es zeigte sich, dass der bislang differenzierteste Satz von KE-Faktoren, derjenige von Burschel et al. (1993) die Vorräte der Fichte um 15 % und der Buche um 12 % unterschätzt.
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C-Vorräte in der Bodenvegetation

133 Vegetationsaufnahmen wurden mit den Funktionen von Bolte (1999) und mit charakteristischen Spross- Wurzelverhältnissen in C- Vorräte umgerechnet. Darauf basierend wurden Regionalisierungsfunktionen entwickelt, die Bestockungs- und Standorteigenschaften als Vorhersageparameter verwenden. Den wichtigsten Einfluss auf die Bodenvegetation hatte- die Hauptbaumart. Die höchsten oberirdischen Vorräte fanden sich unter den Lichtbaumarten Kiefer und Eiche (1,69 bzw. 1,46 t C ha-1). Innerhalb der Fichtenwälder stiegen Bodenvegetationsvorräte mit der Meereshöhe an, während bei der Kiefer das Bestandesalter einen positiven Effekt aufwies. Der durchschnittliche ober- und unterirdische C- Vorrat der Bodenvegetation in Thüringen beträgt 1,7 t C ha-1.

C-Vorräte im Totholz

Es liegen keine flächenrepräsentativen Totholzinventuren für Thüringen vor. In eller Literaturstudie, die eine Vielzahl bislang unveröffentlichter lokaler Arbeiten berücksichtigt, wurde deutlich, dass Wirtschaftswälder im Vergleich mit Nicht-Wirtschaftswäldern sehr geringe C-Vorräte im oberirdischen Totholz aufweisen (2,1 ± 1,4 gegenüber 5,9 ± 3,4 t C ha-1). Naturwälder und extensiv genutzte Wälder in der temperaten und borealen Zone außerhalb Deutschlands besitzen im Durchschnitt deutlich höhere Totholzvorräte (17,8 ± 16,9 t C ha-1).
Die ober- und unterirdischen C-Vorräte im Totholz wurden als Gleichgewichtsvorräte berechnet, die sich aus Eintrag und Abbaudynamik ergeben. Der Eintrag von Totholz wurde aus den Erntestatistiken abgeleitet und spezifische Zerfallskonstanten des exponentiellen Abbaus von Totholz von Nadel- und Laubholz ergaben sich aus einer umfangreichen Literaturauswertung. Der Eintrag von Ernteresten aus Vor- und Endnutzung schwankte je nach Baumart zwischen 0,53 t C ha-1 a-1 (Kiefer) und 0,93 t C ha-1 a-1 (Buche). Der relative Fehler dieser Abschätzung beträgt etwa 50 %. Die Gesamteinträge belaufen sich auf 0,32 Mio. t C pro Jahr. Mittlere Abbauraten für Nadel- und Laubholz sind 0,053 ± 0,069 a-1 (n = 92) bzw. 1,06 ± 0,082 al (n = 32), wobei die Medianwerte jeweils um etwa 40 % niedriger liegen. Die errechneten Gleichgewichtsvorräte an ober- und unterirdischem Totholz betragen 8,9 ± 2,6 t C ha-1 bzw. 4,1 ± 1,2 Mio. t C auf der gesamten Fläche. Der gemessene Hektarvorrat ist verglichen mit den Literaturwertungen auch nach Berücksichtigung des unterirdischen Totholzes (~ 6,3 t C ha-1) um 30 % höher. Dies könnte darauf hinweisen, dass der Eintrag durch die zusätzliche Entnahme von Ernteresten als Totholznutzung in der Realität geringer ist.
Der Vergleich mit Holzprodukten ergab, dass, bezogen auf den Median der Daten, Nadeltotholz mit 24 Jahren eine höhere mittlere Verweildauer (t50) aufweist als Möbelholz und Rundholzprodukte (18 bzw. 8 Jahre), jedoch eine geringere Verweildauer hat als Bauholz und in Deponien gelagertes Holz (36 bzw. 53 Jahre). Laubtotholz hat nur eine mittlere Verweildauer von 10 Jahren. Die bisher von Burschel et al. (1993) verwendete mittlere Verweildauer von Totholz von 1,15 Jahren (entsprechend einer Abbaurate von 0,60 a-1) ist jedoch stark unterschätzt.
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C-Vorräte im Mineralboden und in der organische Auflage

Die Ermittlung der C-Vorräte in den Waldböden Thüringens gliederte sich in zwei Schritte. Zuerst wurde eine Datenbank von insgesamt 250 Bodenprofilen basierend auf vier verschiedenen Waldbodeninventuren erstellt, von denen 132 Profile der Ökologischen Waldbodenzustandskontrolle (ÖWK) und 95 der Bodenzustandserhebung im Wald (BZE) entstammen. Da während der Harmonisierung der verschiedenen Inventuren starke Diskrepanzen im Hinblick auf die Lagerungsdichte und den Skelettgehalt auftraten, wurden 30 der 95 BZE-Profile bezüglich dieser beiden Parameter horizontweise nachbeprobt. Diese beiden Größen sind wichtig, weil sie direkt in die Berechnung der C- Vorräte eingehen (= Lagerungsdichte x [1-Skelettgehalt] x C-Konzentration x Bezugsvolumen). Anhand des charakteristischen Verhältnisses von Lagerungsdichte zu C-Konzentration konnte gezeigt werden, dass Werte der ÖWK mit den Ergebnissen der Nachbeprobung übereinstimmten, während die BZE die Lagerungsdichte des Feinbodens im Mittel um 35 % überschätzte. Gleichzeitig wurde der Skelettgehalt in der BZE um 40 % überschätzt. Da die Überschätzung der Lagerungsdichte vor allem in Horizonten mit hohen C-Konzentrationen auftrat, kompensierten sich die beiden Fehler nicht und es verblieb als "Netto"-Fehler eine Überschätzung der Vorräte um 18 t C ha-1. Sämtliche Fehler wurden im Rahmen der Harmonisierung über Korrekturfunktion ausgeglichen.
In einem zweiten Schritt wurden Regionalisierungsfunktionen entwickelt, um die Punktinformation der 250 Profile auf die gesamte Waldfläche Thüringens hochzurechnen. Als Prädiktoren dienten hierbei die Parameter der Datenbanken der Standortkunde und der Forsteinrichtung. Wichtige Prädiktoren für die Vorräte im Mineralboden waren die Substratgruppe, die Höhenstufe und die Neigung. Prädiktoren für die C-Vorräte in der organischen Auflage waren die Substratgruppe, die Bestockung und die Trophiestufe. Die innerhalb vergleichbarer Substratgruppen angewandten Regressionsmodelle erklärten maximal 44 % der Varianz. Es ist für zukünftige Arbeiten zu erwarten, dass durch eine Verschneidung der Standortdatenbank mit einem digitalen Höhenmodell, das genaue Höhenlage, Hangrichtung und Hangneigung liefert, die Modellvorhersagen deutlich verbessert werden können.
Der Gesamtvorrat im Mineralboden bis 60 cm in Thüringen beträgt 32,8 ± 5,7 Mio. t C. Dies entspricht mittleren Hektarvorräten von 69,9 ± 10,3 t C ha-1. Die mittleren Hektarwerte für Thüringen sind unter Laubwald auf grund der durchschnittlich besseren Standortverhältnisse leicht höher (75 t C ha-1) als im Nadelwald (68 t C ha-1). Die Substratgruppe mit den höchsten C-Vorräten waren die Carbonatböden mit über 104 t C ha-1. Nicht einmal halb so hohe C-Vorräte fanden sich in der Substratgruppe Sand⁄Sandstein (35 t C ha-1). In der organischen Auflage sind in Thüringen 12,7 ± 3,8 Mio. t C gespeichert. Dies entspricht 27,7 ± 8,1 t C ha-1. Unter Nadelwald finden sich im Landesmittel dreifach höhere Auflagevorräte als unter Laubwald (34,0 gegenüber 11,3 t C ha-1). Neben der schlechteren Abbaubarkeit von Nadelstreu wird dieser Unterschied auch durch die Tatsache beeinflusst, dass Nadelwälder auf schlechteren Standorten stocken, auf denen der Abbau entweder temperatur- oder feuchtigkeitslimitiert ist.
Zusätzlich zu den Regionalisierungsfunktionen wurde auch der Einfluss weiterer in der Bodendatenbank vorhandener Prädiktoren analysiert. Diese bildeten drei Faktorengruppen: (1) bodenphysikalische und boden typologische Eigenschaften, (2) klimatische Einflüsse und (3) nutzungsbezogene Angaben. Diese Analyse diente in erster Linie dem Prozessverständnis und wird hier nicht weiter ausgeführt.

Originalbericht:

Wirth, C.; Schulze, E.-D.; Schwalbe, G.; Tomczyk, S.; Weber, G.-E.; Weller, E. (2004): Dynamik der Kohlenstoffvorräte in den Wäldern Thüringens. Thür. Landesanstalt für Wald, Jagd und Fischerei in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Gotha, Jena.

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