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Projektdauer: 2008 - 2012

Natürliche Dynamik von subalpinen Lawinenschutzwäldern

Zusammenfassung

Gebirgswälder schützen die Bergbevölkerung und ihre Siedlungen und Verkehrswege vor Lawinen und anderen Naturgefahren. Vielerorts werden diese Wälder gepflegt, um ihre Schutzfunktion zu fördern. Da der Alpenraum immer besser erschlossen ist und der Wald im Gebirge stark zunimmt, müssen die vorhandenen Mittel für die Schutzwaldpflege immer effizienter eingesetzt werden. Dafür braucht es entsprechende Entscheidungsgrundlagen. Um dazu einen wissenschaftlichen Beitrag zu leisten, haben wir die natürliche Dynamik und Schutzwirksamkeit von dichten, seit mindestens 70 Jahren unbewirtschafteten Wäldern im subalpinen Gebirge (ca. 1500 bis 2200 m ü. M) untersucht. Diese befinden sich in Folge ihrer Dichte in einer Phase der starken Konkurrenz um Ressourcen, wodurch schwächere Bäume absterben (Selbstdifferenzierungsphase). Anhand von Zeitreihenanalysen (Schweizerisches Landesforstinventar) und Feldaufnahmen in verschiedenen Regionen erforschten wir die Entwicklung dieser fichtendominierten Wälder. In einem separaten Projektmodul analysierten wir zudem die Veränderungen von offenen Waldstrukturen mit ungenügender Lawinenschutzwirksamkeit.

Unsere Resultate zeigen, dass die Phase der Selbstdifferenzierung in subalpinen Wäldern sehr lange dauert und dieser Zeitraum – abhängig von unterschiedlichen Standortfaktoren – stark variieren kann. Während der letzten 20 Jahre wurden die ohnehin schon dichten Wälder noch dichter und der Totholzanteil hat massiv zugenommen. Bis jetzt zeigte sich in den untersuchten Beständen jedoch kein negativer Effekt auf die Schutzwirksamkeit. Waldgrenznahe, oft etwas offenere Wälder sind ebenfalls dichter und schutzwirksamer geworden, allerdings laufen diese Prozesse dort sehr langsam ab, und häufig nicht an Standorten, wo es am dringendsten wäre, nämlich in steilen Beständen, welche häufig durch gravitative Prozesse wie Lawinen oder Steinschlag gestört werden. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass natürlichen Prozessen in subalpinen Wäldern in vielen Fällen mehr Zeit und Raum gegeben werden kann als bisher angenommen, ohne dass sich die Schutzwirksamkeit vorerst verschlechtert. Andererseits wächst mit der Zunahme solcher dichten Wälder im Alpenraum auch die Gefahr von grossflächigen Störungen (va. Windwurf, Borkenkäfer), welche für die Schutzwirksamkeit fatal sein können. Damit wird es in Zukunft noch wichtiger sein, die Bestände dort mit geeigneten Pflegemassnahmen zu verjüngen, wo die Gefährdung durch solche Störungen am grössten ist.

Mönchalptal, Klosters    
Abb. 1: Dichter einschichtiger Fichtenbestand (Mönchalptal, Klosters).    

Wichtigste Forschungsfragen

  • Wie rasch und wie grossflächig verlaufen natürliche Störungen in dichten und homogenen Gebirgswäldern?
  • Wie wirken sich unterschiedliche Standortfaktoren und aktives bzw. passives Management auf die natürliche Entwicklung solcher Bestände aus?
  • Wie beeinflussen die räumliche Verteilung und Konkurrenzbeziehungen zum jeweils nächsten Baum die Entwicklung und entsprechend die Mortalität der Bäume?
  • Wie haben sich offene, waldgrenzennahe Waldbestände mit ungenügender Schutzwirksamkeit während der letzten 25 Jahre verändert?

Untersuchungsgebiete und Methodik

Wir haben die Entwicklung subalpiner Waldstrukturen mittels vier verschiedener Datenzeitreihen analysiert:

  • Aus dem Datensatz des Schweizerischen Landesforstinventars (LFI) haben wir 395 dichte Waldbestände untersucht, welche zwischen 1500 und 2200 m ü. M. liegen und entweder während den letzten 20 Jahren noch genutzt oder sonst seit mindestens 50 Jahren überhaupt nicht mehr bewirtschaftet wurden. Diese Wälder weisen einen Fichtenanteil von mindestens 80 % auf, sind etwa 100 bis 150 jährig und von einer hohen Stammzahl bzw. Dichte geprägt (> 250 Bäume pro Hektar, Kronendeckungsgrad 90-100%). Drei vollständige LFI-Aufnahmen (1983-85, 1993-95 und 2004-06) dieser Probeflächen konnten analysiert und bzgl. a) Basalfläche pro Hektar, b) Stammzahl pro Hektar und c) Totholz ausgewertet werden.
  • Auf Basis dieser LFI-Aufnahmen und in Ergänzung dazu führten wir in 20 seit Jahrzehnten unbewirtschafteten Waldflächen strukturelle und dendroökologische (Jahrringanalysen) Felderhebungen durch, um noch mehr über Dynamik, Absterbeprozesse und Konkurrenzbeziehungen in subalpinen Wäldern zu erfahren.
  • Parallel dazu haben wir in einem subalpinen Waldreservat in Bulgarien (Parangalitsa) vergleichbare Daten aufgenommen.
  • Um die Entwicklung von offenen Wäldern mit limitierter Lawinenschutzwirksamkeit zu untersuchen, haben wir zudem Wiederholungsaufnahmen aus dem SLF-Waldlawinenprojekt (1985-1990) durchgeführt und analysiert.
Offener, waldgrenzennaher Waldbestand   Fichtenwald im Parangelica Reservat (Bulgarien)
Abb. 2: Offener, waldgrenzennaher Waldbestand mit beschränkter Wirkung gegenüber Lawinen.   Abb. 3: Fichtenwald mit kleiner Windwurffläche im Parangalitca-Reservat (Bulgarien).

Resultate

Keine entscheidenden Einbussen in der Schutzwirksamkeit von unbewirtschafteten Wäldern

Die Analyse der Inventurdaten ergab in den meisten Flächen eine deutliche Zunahme der Basalfläche pro Hektar in den letzten 20 Jahren, während die Stammzahl pro ha eher stagniert und sich regional unterschiedlich entwickelt hat. Dies entspricht der zu erwartenden Entwicklung von Wäldern, welche die Kulmination des Wachstums noch nicht erreicht haben. Die ebenso beobachtete deutliche Zunahme von Totholzes liegt hauptsächlich am konkurrenzbedingten Anstieg der Mortalität. Dass auch in bewirtschafteten Wäldern beträchtlich mehr Totholz liegt, ist eine Folge der Forderungen des Naturschutzes und der Erkenntnisse, dass der Verjüngungserfolg häufig vom Vorkommen des Totholz abhängig ist. Grundsätzlich unterscheidet sich die Entwicklung walddynamischer Parameter je nach Topographie des Standortes (z.B. Exposition, Steilheit und vertikale Distanz zur jeweilig potenziellen Baumgrenze). Der Einfluss von forstlichen Eingriffen auf die Schutzwirksamkeit wurde ebenfalls untersucht. Dabei wurde deutlich, dass die ergriffenen forstlichen Massnahmen in den meisten Fällen zielführend waren und dass bewirtschaftete Wälder die Kriterien der Schutzwirksamkeit gegen Naturgefahren nachhaltig erfüllen. Allerdings zeigten sich auch in unbewirtschafteten Wäldern keine entscheidenden Einbussen in der Schutzwirksamkeit. Dabei gibt es regional unterschiedliche Entwicklungen, die es zu berücksichtigen gilt.

Bäume an Südhängen wachsen schneller

Felduntersuchungen in dichten, homogenen Beständen der Schweiz und Bulgarien haben gezeigt, dass Selbstdifferenzierungsprozesse mit stark erhöhter Mortalität, fehlender Verjüngung und temporären Einbussen bezüglich der Schutzwirksamkeit sehr lange dauern können (130 - 150 Jahre in Bulgarien, in der Schweiz oft noch länger), falls diese Bestände nicht vorher durch natürliche Störungen oder forstliche Eingriffe geöffnet werden. Erst nach ca. 150-200 Jahren kann in solchen Wäldern wieder mit einer natürlichen Überführung in heterogenere Bestände gerechnet werden. Topographische Unterschiede (Exposition, Steilheit im Gelände und vertikaler Abstand zur potenziellen Baumgrenze) konnten durch die Analyse der Feldaufnahmen bestätigt werden, wobei diese bezüglich Exposition besonders deutlich wurden. Da biologische Prozesse, insbesondere in vergleichsweise kühlen, subalpinen Höhenlagen mit zunehmender Temperatur schneller ablaufen, wachsen die Bäume an südlich exponierten Hängen generell rascher und entwickeln sich 20-40 Jahre schneller als an nördlich exponierten Hängen. Eine weitere wichtige Erkenntnis dieser Untersuchungen ist, dass Bäume, die in jungen, dichten Beständen von Anfang an unterdrückt sind, diesen Nachteil meistens nicht mehr ausgleichen und entsprechend früher absterben als Bäume, die von Beginn weg über ihre Nachbarn dominieren. Bei weniger intensiven Konkurrenzverhältnissen, d.h. bei geringerer Bestandesdichte und entsprechend häufig in höheren Lagen nahe der Baumgrenze ist das anders; dort sind Bäume mit vergleichsweise geringeren Zuwachsraten meistens älter, respektive leben länger als Bäume, die schneller wachsen.

Südwest-Hang Dischma    
Abb. 4: Im unteren Bereich ist die Fichte die Hauptbaumart, die zur Waldgrenze hin zunächst von der Lärche und danach von der Arve abgelöst wird. Gut zu erkennen sind hier die aufgelösten Strukturen an der momentanen Waldgrenze.   
Absterbeprozesse von Konkurrenzverhältnissen abhängig

Ergebnisse räumlich-zeitlicher Analysen in den Feldflächen zeigen, dass Absterbeprozesse nicht zufällig sind, sondern dass sie von den jeweiligen Konkurrenzverhältnissen abhängen. In der Mehrzahl der Bestände sind lediglich diejenigen Bäume mit den (meisten und) nächstgelegenen Nachbarn von konkurrenzbedingter Mortalität betroffen, wobei sich der Radius der Konkurrenz in Abhängigkeit der verfügbaren Ressourcen mit steigendem Wachstum der einzelnen Bäume ausweitet. Entsprechend werden „self-thinning“ – Prozesse in den kommenden Jahrzehnten an Intensität gewinnen. Auch bei dieser Analyse wurden expositionsbedingte Unterschiede deutlich, wobei südlich exponierte Wälder durch ihr rascheres Wachstum bereits fortgeschrittener sind in ihrer jeweiligen Entwicklung als nördlich exponierte.

Mehr Totholz

Beim Vergleich der untersuchten schweizerischen Wälder mit den bulgarischen Gebirgsfichtenwäldern zeigen sich deutliche Unterschiede in der Geschwindigkeit der Prozesse. So wachsen die Bäume in Bulgarien im allgemeinen rascher und die „self-thinning“ -Phase tritt früher ein, wohl aufgrund etwas höherer Durchschnittstemperaturen und mehr Niederschlag. Folglich gibt es in den bulgarischen Flächen wesentlich grössere Mengen an Totholz, die in allen untersuchten Beständen mehr als 50 % vom Gesamten Holzvorrat betragen, während in den Schweizerischen Beständen die 50 % nicht überschritten wurden. Dennoch hat der Totholzanteil in nicht bewirtschafteten schweizerischen Wäldern stark zugenommen (bis zu 50 m3/ha), liegt aber im Durchschnitt immer noch bis zu 10 mal unter demjenigen unserer bulgarischen Vergleichsflächen und anderer Urwälder (bis zu 500 m3/ha).

Waldgrenzennahe Wälder sind dichter geworden

Im seit mindestens 150 Jahren vom Menschen nicht beeinflussten Naturwaldreservat Parangalitsa sind Windwürfe in mancher Hinsicht ein sehr wichtiger Bestandteil der natürlichen Entwicklungsdynamik. Im Gegensatz zu stärker vom Menschen geprägten Ökosystemen, zeigte sich vor allem, dass kleinere und mittlere Windwurfereignissen für die Bestandeserneuerungen immer wieder entscheidend waren.

In hochsubalpinen Wäldern, welche aufgrund von Kältelimitierungen natürlicherweise meist relativ offen sind, erfolgen Entwicklungen in dichtere Waldstrukturen weniger rasch. Die Untersuchungen in ehemaligen Waldlawinenanrissflächen haben jedoch gezeigt, dass offene, waldgrenzennahe Wälder im allgemeinen dichter geworden sind und mehr jüngere Bäume aufweisen, was im allgemeinen zu einer Verbesserung der Schutzwirksamkeit geführt hat. Jedoch gibt es je nach Standort grosse Unterschiede und häufig hat sich die Schutzwirksamkeit nicht dort verbessert, wo es am dringendsten wäre, nämlich in Wäldern mit Vegetationskonkurrenz für junge Bäumchen und wenig Moderholz oder in steilen Wäldern, welche häufig durch gravitative Prozesse wie Lawinen oder Steinschlag gestört werden (Ulrich 2008, Bebi und Ulrich 2008).

Totholz    
Abb. 5: Extremer "stem exclusion" Bestand im unbewirtschaftetetn Parangalitca Waldreservat (Bulgarien). Der Totholzanteil is relativ hoch (etwa 50 %) und entspricht ca. 500 m3/ha.    

Folgerungen und Ausblick

Wachstums- und Zersetzungsprozesse sind in subalpinen Gebieten aufgrund der kurzen Vegetationsperiode und niedrigen Durchschnittstemperaturen zeitlich stark verzögert. Unsere Untersuchungen zeigen, dass es beispielsweise 50-100 Jahre dauern kann, bis ein Baum nach dem Absterben vollständig zersetzt ist. Natürliche Störungen, wie etwa Schneebruch oder Windwurf, in subalpinen Wäldern verlaufen gemäss unseren Untersuchungen meistens kleinflächig. Durch das Umfallen einzelner Bäume entstehen kleine Lücken, die sich im Laufe der Zeit vergrössern können, aber sich nur sehr selten zu grossflächigen Störungen ausbreiten. Wo genügend Licht dazu kommt, werden die abgestorbenen Bäume über sehr lange Zeiträume durch neu aufkommenden Jungwuchs ersetzt. Die Prozesse und die Dynamik in den bulgarischen subalpinen Fichtenwäldern sind vergleichbar mit den unbewirtschafteten Waldflächen in den Schweizer Alpen, wenn auch die Bäume aufgrund leicht höherer Durchschnittstemperaturen etwas schneller wachsen.

Klimaänderung beeinflusst Baumwachstum

Selbstdifferenzierungsprozesse in Wäldern der subalpinen Stufe beanspruchen in den Schweizer Alpen mindestens 100 Jahre Dauer. Allerdings hat die aktuelle Erwärmung, welche in den Schweizer Alpen ausgeprägter verläuft als in anderen Gebieten, das Baumwachstum bereits beeinflusst. Bei einer fortschreitenden Erwärmung werden sich die Prozesse weiter beschleunigen, jedoch immer in Abhängigkeit topographischer Faktoren. Es ist zu erwarten, dass sich nordexponierte Wälder mittelfristig zu ähnlichen Beständen entwickeln wie sie heute charakteristisch sind für südlich exponierte Wälder. 

Nationalpark, Val dal Botsch    
Abb. 6: Sehr dicht stehender Kiefernwald mit mehr als 50% Totholzanteil und gut aufkommender Verjüngung. Nationalpark, Val dal Botsch.    
Gezielte Aufforstungsmassnahmen auch in Zukunft wichtig

Diese dynamischen Prozesse zeigen eine hohe räumliche und zeitliche Variabilität und sind sehr stark von Konkurrenz und von Selbstdifferenzierungsprozessen geprägt. Die Kleinräumigkeit und die grossen standörtlichen Unterschiede sind charakteristisch für die Schweizer Alpen. Entsprechend ist es wichtig für Förster und Entscheidungsträger, die mit ihren Wäldern und den örtlichen Gegebenheiten am besten vertraut sind, diese Prozesse zu kennen und sie in der Prioritätensetzung bei der Bewirtschaftung zu berücksichtigen. In offenen subalpinen Wäldern mit ungenügender Lawinenschutzwirkung verdichtet sich der Wald, allerdings nicht immer von sich aus dort, wo es am wichtigsten wäre. Gezielte Aufforstungsmassnahmen in Kombination mit temporären Verbauungen in Lawinenanrissgebieten werden damit auch in Zukunft eine wichtige Rolle zur Risikoverminderung im Alpenraum spielen.

Aebiwald, Sertig Davos
Abb. 7: Aufgelöster Lärchenwald nahe der aktuellen Waldgrenze mit sehr viel Fichtenverjüngung. Aebiwald, Sertig Davos.

Fichtenwald
Abb. 8: Subalpiner Wald im Avers (Graubünden) mit einer hohen Stammdichte und vielen stehenden toten Bäumen.
 
Nationalpark, Val dal Botsch
Abb. 9: Sehr dichtstehender Steinschlagschutzwald, fichtendominiert, geprägt von vielen Baumschäden. "Alter Schin" Albula, nahe Thusis.
Mehr Raum und Zeit für natürliche Prozesse

Die Bestandesentwicklungen in Bulgarien wie auch in der Schweiz deuten darauf hin, dass natürlichen Prozessen in subalpinen Wäldern in vielen Fällen mehr Raum und Zeit gegeben werden kann, ohne dass sich daraus unmittelbare Nachteile für den Wald oder für bestimmte Waldfunktionen ergeben. Andererseits wächst mit der massiven Zunahme solcher dichten Wälder im Alpenraum auch die Gefährdung durch grossflächige Störungen (va. Windwurf, Borkenkäfer). Damit wird es in Zukunft noch wichtiger sein, die Bestände dort nachhaltig zu verjüngen, wo die Gefährdung durch solche Störungen in Zukunft am grössten und wo es besonders wichtig ist, dass nach einer Störung rasch wieder ein guter Schutzwald entsteht. Deshalb darf daraus nicht geschlossen werden, dass weniger Aufwand für die Schutzwaldpflege nötig ist. Dieser kann aber über einen längeren Zeitraum optimiert und noch stärker dort eingesetzt werden (1) wo der Wald besonders stark zur Gefahrenverminderung gegenüber Naturgefahren beiträgt und es unterhalb viel zu schützen gibt.(2) Wo es besonders wichtig ist, dass im Fall von zukünftigen Störungen (z.B. Windwurf, Borkenkäfer) rascher wieder ein guter Schutzwald nachwächst und (3) Wo sich dank der Schutzwaldpflege gute Synergien mit der Erfüllung von anderen Waldleistungen ergeben.

Weitere Forschung notwendig

In Zukunft bedarf es weiterer Forschung um die natürliche Dynamik von Gebirgswäldern noch längerfristiger zu verstehen. Beispielsweise sollten die Prozesse nach der Selbsdifferenzierungsphase („self-thinning“), und die aktuellen Auswirkungen des Klimawandels auf unsere Gebirgswälder noch besser verstanden werden. Damit soll ein Beitrag geleistet werden um die grossen Herausforderungen bei der zukünftigen Prioritätensetzung in der Schutzwaldbewirtschaftung zu begegnen und die Schutzwirksamkeit der Wälder nachhaltig zu erhalten. 

Finanzierung

Das Projekt wurde finanziert von der Velux-Stiftung.

Projektteam

Frank Krumm

Momchil Panayotov

Peter Bebi

Melanie Ulrich (Diplomandin)

Clothilde Gollut (Masterstudentin)

Dominik Kulakowski, Heinrich Spiecker (Externe Projektpartner)

Bisherige Publikationen

Bebi, P. 2008. Immer mehr Lawinenschutzwald? Newsletter Naturgefahren 2/2008: 5-6.

Bebi, P. und Ulrich, M. 2008. Immer mehr wirksamer Lawinenschutzwald. Newsletter Wald, WSL 24: 1-2. PDF

Bebi, P. et M. Ulrich. 2008. La forêt de protection contre les avalanches gagne-t-elle sans cesse en surface et en efficacité? La Forêt 12/08: 22-23. PDF

Ulrich, M., 2008: Strukturerfassung und Dynamik von waldgrenzennahen Wäldern mit verminderter Lawinenschutzwirksamkeit in der Landschaft Davos. Diplomarbeit ZHAW Wädenswil.

Gollut, C. 2008. Einfluss von Witterungs- und Schneeverhältnissen auf die Entstehung von Waldlawinen im Schweizer Alpenraum. Masterarbeit ETH Zürich und SLF Davos.

Krumm, F., Panayotov, M. Spiecker H. and P. Bebi. 2008. Natural Dynamics subalpine avalanche protection forests in the Swiss Alps. Trace 2008 – Conference Proceedings.

Bebi, P. Kulakowski, D., Rixen C. 2009. Snow avalanche disturbances in forest ecosystems – state of research and implications for management. Forest Ecology and Management 257: 1883-1892. PDF

Panayotov M., Kulakowski D., Laranjeiro Dos Santos L., Bebi P. 2011. Wind disturbances shape old Norway spruce dominated forest in Bulgaria. Forest Ecology and Management 262: 470-481.

Krumm F., Kulakowski D, Spiecker H, Duc P, Bebi P (2011) Stand development of Norway spruce dominated subalpine forests of the Swiss Alps. Forest ecology and management 262 (4):620-628

Krumm F., Kulakowski D., Risch A.C., Spiecker, H. and P. Bebi. Stem exclusion and mortality in passively managed subalpine forests of the Swiss Alps. European Journal of Forest Research. In review.

Krumm, F., Panayotov, M. and Bebi, P.: Tree mortality in dense subalpine forests of the Swiss Alps. Conference proceeding for the TRACE conference in Orelans (France), May 2011. In review.

Krumm, F. 2011. Natürliche Dynamik in subalpinen Wäldern in Schweizer Alpen. Newsletter Naturgefahren 1/2011: 6.



Stichworte Lawinen, Schutzwald, Walddynamik, Naturgefahren, Gebirgswald

 

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