Biomonitoring mit Waldquellen in Frankenwald und Fichtelgebirge

LWF L53

Waldquellen in Nordost-Bayern

Hintergrund

Die Vegetation von Waldquellfluren weist eine enge Beziehung zu chemischen Wassereigenschaften auf. Wie bisherige interdisziplinäre Arbeiten zeigen, haben sich Quellen als gutes Indikationssystem zur Charakterisierung von Waldökosystemen - und ihrer Belastung durch atmosphärische Depositionen - erwiesen. Nun sollen die erworbenen Kenntnisse im Bereich des Biomonitoring und der Bioindikation in Waldeinzugsgebieten genutzt werden um zeitliche Entwicklungen zu analysieren.

Zusätzlich sollen räumliche Muster bezüglich der Veränderung von Belastungssituationen erkannt werden. Bioindikatoren sollen überprüft und vor allem jene Arten identifiziert werden, welche auf Veränderungen der Wasserchemie sensibel reagieren.

Mit dem hier praktizierten Ansatz erfolgt eine gesamtökosystemare Betrachtung, die die Vegetation und den Boden sowie die im Wald erfolgenden Prozesse mit einschließt. Depositionen wirken sich in Abhängigkeit von Standort und Nutzung in unterschiedlicher Weise aus. Quellen stellen sozusagen eine Art integrales Signal des Waldökosystemzustandes dar.

Besondere Bedeutung erhält das Projekt durch das Zusammenfallen der Erstuntersuchungen mit der deutschen Wiedervereinigung und der sich daran anschließenden starken Reduktion versauerungswirksamer Schadstoffdepositionen (vor allem bei Schwefelverbindungen) in den nordostbayerischen Mittelgebirgen.

Ziele

Die Ziele der Untersuchungen sind:

1. Monitoring und Analyse zeitlicher Entwicklungen der Gewässerversauerung.
2. Räumliche Analyse auf verschiedenen Maßstabsebenen (Identifikation von Belastungsgebieten).
3. Indikation wasserchemischer Bedingungen mit Hilfe der Vegetation (Bioindikation).
4. Überprüfung der Reaktion (Qualität und Geschwindigkeit) einzelner Arten auf zeitliche Veränderungen des Standorts (Synchronisation).
5. Entwicklung eines praxisorientierten Indikationssystems zur Abschätzung der Belastung von Einzugsgebieten (Forstlicher Anwendungsbezug).

Die genannten Ziele sind jedoch nicht isoliert voneinander zu betrachten. Zwischen ihnen bestehen enge Beziehungen.

Hypothesen

Als Hypothesen werden formuliert:

• Die von 1989/1990 bis 1996/1997 zu beobachtenden Trends der Versauerung setzen sich fort.
• Veränderte Rahmenbedingungen des Klimas modifizieren die jahreszeitliche Variabilität von Quellökosystemen.
• Landschaftliche Muster der räumlichen Variabilität haben eine größere Bedeutung als die kleinräumige Variabilität innerhalb eines Einzugsgebietes.
• Lebensgemeinschaften der Waldquellen reagieren durch Verschiebungen in der Artenzusammensetzung auf Veränderungen im Wasserchemismus.
• In früheren Untersuchungen eng an spezifische hydrochemische Bedingungen gebundene Arten reagieren auf Veränderungen des Wasserchemismus.
• Forstlich unterschiedlich genutzte Waldeinzugsgebiete zeigen unterschiedliche Tendenzen ihrer ökochemischen Entwicklung.

Methoden

In zwei waldgeprägten Mittelgebirgslandschaften Nordostbayerns (Frankenwald und Fichtelgebirge) werden vegetationskundliche und wasserchemische Untersuchungen an Waldquellen durchgeführt. Mit diesem Vorhaben wird ein auf Waldeinzugsgebiete bezogenes Monitoring fortgeführt, welches in den Jahren 1989/1990 initiiert und 1996/1997 fortgeführt wurde. Mit der Beprobungsphase 2003/2004 werden regelhafte Beprobungsabstände gewahrt.

Im Rahmen einer räumlichen und zeitlichen Stratifizierung wird ein genestetes Sampling Design entworfen.

Es wird erwartet, dass die hierarchische Schachtelung von Aufnahmeflächen den räumlichen und zeitlichen Maßstab erkennen lässt, auf welchem Vegetationsveränderungen auf Grund der Versauerung emergent werden.

Zunächst zur zeitlichen Auflösung der Probennahme: In beiden Untersuchungsgebieten ist der 1989/1990 bearbeitete Datensatz mit 52 Waldquellen im Frankenwald und 61 Waldquellen im Fichtelgebirge die Grundlage. Für diese exakt lokalisierten und markierten Quellen liegen Jahresgänge der Wassereigenschaften sowie Vegetationserfassungen vor. Sie sollen eine einmalige Wiederholungsuntersuchung der Vegetation erfahren.

Ein Teil dieser Quellen (30 im Fichtelgebirge und 28 im Frankenwald) wurde in der Untersuchungsperiode 1996/1997 erneut untersucht. Diese 58 Quellen besitzen oberste Priorität für einen künftigen Vergleich. Für sie werden 3 Beprobungsphasen (mit mehreren über das Jahr verteilten Probennahmen) für einen Zeitraum von 14 Jahren vorliegen.

In den insgesamt vorliegenden 113 Dauerflächen soll ein Jahresgang des Wasserchemismus untersucht werden, indem monatlich Proben gezogen werden.

Insgesamt werden nur Quellen mit reinen Waldeinzugsgebieten untersucht. Offensichtliche Störeinflüsse (z.B. durch Wegebau) werden ausgeschlossen.

In je einem größeren Einzugsgebiet in Frankenwald und Fichtelgebirge erfolgt an mehreren Quellen (ca. 30 pro Einzugsgebiet) neben der monatlichen Beprobung innerhalb kurzer Zeitspannen ereignisbezogen (Schneeschmelze, Starkregen, Trockenperiode) eine tägliche Probennahme. Die für die Untersuchungen ausgewählten Waldeinzugsgebiete Trogenbach (Frankenwald) und Flötz-Bach (Fichtelgebirge) liegen in unmittelbarer Nähe von Waldklimastationen. Dies bietet den Vorteil, die Daten der Quellwässer mit jenen der Messstationen zu vergleichen. Allerdings sind beide Bereiche nur bedingt gebietstypisch.

Schließlich werden einzelne Tagesgänge mit Data-Loggern erfasst. Bei solchen Intensivmessquellen handelt es sich um Standorte, die bereits früher mit enger zeitlicher Auflösung untersucht worden waren.

Eine zeitlich und räumlich hoch auflösende Beprobung ist zur Ermittlung der für die Reaktion der Vegetation kausalen Parameter und – in umgekehrter Richtung – für die Beurteilung der Eignung des Bioindikationssystems unentbehrlich.

Die wasserchemische Probennahme erfolgt an bereits 1989/1990 festgelegten und untersuchten Dauerflächen über zwölf Beprobungskampagnen im Jahresverlauf. Diese werden mit den Kampagnen von 1989/90 synchronisiert.

In situ werden die Parameter pH-Wert, Wassertemperatur, elektrische Leitfähigkeit, Schüttungsmenge, Säurekapazität (Alkalinität) und Basenkapazität (Acidität) gemessen. Außerdem werden für die Laboranalysen Wasserproben entnommen.

Folgende Stoffe werden analysiert:

• Anionen (SO42-, NO3-, PO43-, Cl-)
• Kationen (Mg2+, Ca2+, K+, Na+)
• Spurenmetalle (Al, Mn, Cd, Zn, Fe)
• gelöster organischer Kohlenstoff (DOC)
• Ammonium (NH4+)
• gelöste Stickstoffverbindungen (tN)

Die räumliche Stratifizierung der Untersuchung greift auf landschaftlicher Ebene alle bisher definierten Dauerflächen der Voruntersuchungen auf (n=113). Damit wird ein dichtes Netz von untersuchten Quellen erzielt, welches Aussagen auf landschaftlicher Basis erlaubt. Besonders früher stark belastete Gebiete (z.B. der Rennsteig zwischen Tettau und Lauenhain) sollen genau betrachtet werden.

In jeweils einem bewaldeten Gewässer-Einzugsgebiet im Frankenwald und Fichtelgebirge werden alle Waldquellen erfasst und räumlich explizit untersucht. Dort werden alle Quellaustritte vegetationskundlich und wasserchemisch analysiert um die kleinräumige Variabilität zu ermitteln.

Einzelne Quellen werden dort für eine ereignisbezogene Beprobung ausgewählt (Schneeschmelze, Starkregenereignisse, Trockenperioden).

Nur wenige Quellen werden für eine detaillierte Kartierung der Vegetation auf dm-Maßstab ausgewählt um quellinterne Vegetationsmuster (z.B. Konzentration von Scapania undulata auf Abflussrinnen) erkennen zu können und bei der Datenanalyse einfließen zu lassen.

Der Lichthaushalt soll über orthogonale Digitalfotos der Baumschicht bei diffuser Strahlung ermittelt werden (mehrmals während eines Jahres). Eine Vergleichsuntersuchung mit den bisherigen mikroklimatischen Arbeiten wird angestrebt.

Die Datenauswertung wird bezüglich der Vegetation mit einer konventionellen pflanzensoziologischen Tabellenarbeit beginnen. Wir erwarten, dass sich hier erste Verschiebungen der Artenzusammensetzung zeigen. Es ist möglich, dass durch den Verlust einzelner Charakterarten, eine abrupte Veränderung der Gesellschaftszugehörigkeit erfolgt. Das Chrysosplenietum oppositifolii und das Caricetum fuscae polytrichetosum erwiesen sich jedoch in der Vergangenheit als gute Indikationssysteme der Versauerung.

In einem nächsten Arbeitsschritt sind statistische Auswertungen - zunächst des vegetationskundlichen Datensatzes - vorgesehen. Dazu werden Clusteranalysen, Hauptkomponentenanalysen und Korrespondenzanalysen durchgeführt. Im Rahmen einer ANOVA (nach Kolmogorov-Smirnoff-Test) wird getestet, welche Umweltvariablen einen Zusammenhang mit dem Auftreten einzelner Arten haben. Darüber hinaus wird die Varianzanalyse eingesetzt werden, um den Zusammenhang zwischen Artenvielfalt und Wasserchemismus zu untersuchen.

In einem Geografischen Informationssystem werden Artverteilungsmuster in den Untersuchungsgebieten (Frankenwald und Fichtelgebirge) dargestellt. Diese sollen zu Mustern der wasserchemischen Eigenschaften räumlich in Bezug gebracht werden. Geostatistische Verfahren (Interpolationen, Kriging) bieten eine Ergänzung zum Monitoring. Auf der Grundlage eines digitalen Höhenmodells werden die ökochemischen Verhältnisse der Untersuchungsgebiete (Landschaften) modelliert.

Die erhobenen wasserchemischen Daten werden ausgewertet, um die zeitliche Entwicklung der ökochemischen

Bedingungen zu charakterisieren. Es interessiert dabei, inwiefern sich einzelne Stoffe in ihrer zeitlichen Entwicklung (über die Jahre, innerhalb eines Jahres) unterscheiden und welche Trends bestehen.

Ein gemeinsamer Datensatz mit vegetationskundlichen und standörtlichen Daten wird mit Hilfe kanonischer multivariater Methoden untersucht um die Beziehungen zwischen einzelnen Arten und bestimmten Wasserparametern zu klären. Auswertungen werden sowohl für den neu gewonnenen Datensatz, als auch für bisher vorliegende Daten erfolgen. Ferner wollen wir klären, ob Arten, die 1989/90 kennzeichnend für bestimmte ökologische Gegebenheiten waren, sich auch heute noch ähnlich verhalten. Falls nicht, so ist für diese Arten (z.B. aufgrund eines hohen erreichbaren Alters) nicht von einem Gleichgewichtszustand sondern eher von einer zeitlichen Verzögerung der Reaktion auszugehen.

Förderung

Eine Förderung des Projektes wurde vom Kuratorium der Bayerischen Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft (LWF) aus Mitteln des Bayerischen Staatsministeriums für Landwirtschaft und Forsten (BayStMLF) für einen Zeitraum von 3 Jahren (01.02.2003 bis 31.01.2006) bewilligt.

Presse

• Bayerisches Fernsehen
• 3Sat

Publikationsliste dieses Projekts

• Mitarbeiter: Carl Beierkuhnlein
• Mitarbeiter: Volker Audorff