IpsRisk: Das Frühwarnsystem für ein effizienteres Borkenkäfer-Management

Obwohl die Fichte in den letzten Jahren vielerorts großflächig ausgefallen ist, bleibt sie auch in den nächsten Jahrzehnten insbesondere in den deutschen Mittelgebirgen die wirtschaftlich bedeutendste Baumart. Um den Erhalt dieser heimischen Baumart in einem ökologisch angemessenen Umfang zu gewährleisten, ist eine zielgerichtete, dynamische Fokussierung des Borkenkäfer-Managements auf besonders gefährdete Waldareale besonders entscheidend. Nur so können initiale Befallsherde frühzeitig erkannt und drohende Massenvermehrungen effizient verhindert werden. Im Rahmen des IpsPro-Verbundvorhabens wird genau für diesen Zweck das Borkenkäfer-Frühwarnsystem IpsRisk entwickelt.

Das Borkenkäfer-Frühwarnsystem IpsRisk, mit dessen Hilfe die Abschätzung des Risikos für Buchdruckerbefall verbessert werden soll, wird von Forschenden der FVA Baden-Württemberg (Abteilungen: Waldschutz sowie Boden und Umwelt), des Staatsbetriebs Sachsenforst und der Universität Hamburg im Rahmen des IpsPro-Verbundvorhabens entwickelt. Ziel ist es, die aktuelle Gefährdungssituation durch den Buchdrucker in Fichtenbeständen mit möglichst hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung einschätzen zu können. Das resultierende Befallsrisiko wird in IpsRisk tagesaktuell und standortsgenau in Form einer Warnkarte Interessierten frei zugänglich, online zur Verfügung gestellt. Mithilfe von IpsRisk können somit die Befallskontrollen und letztlich das Borkenkäfer-Management über alle Waldbesitzarten hinweg wesentlich effizienter gestaltet werden. Das IpsPro-Verbundvorhaben wird durch die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, einen Förderträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft, gefördert (Laufzeit: 1.11.2017 - 31.10.2021).

Die Fichte ist in den deutschen Mittelgebirgen in vielen Bereichen sowohl hinsichtlich ihres Anteils an der Waldfläche als auch ihres Anteils am Holzvorrat die nach wie vor dominierende Baumart. Trotz der aktuellen, vielerorts massiven Schädigungen und der anhaltenden klimatischen Veränderungen wird die Fichte für weitere Jahrzehnte die Baumart mit der größten wirtschaftlichen Bedeutung in Deutschland bleiben. Die potenziellen biotischen Hauptschadfaktoren der Fichte, rindenbrütende Borkenkäfer und hier in erster Linie der Buchdrucker (Ips typographus L.), werden von steigenden Temperaturen und in Häufigkeit und Intensität zunehmenden Trockenperioden sowie Stürmen und Nassschneeereignissen profitieren. Gleichzeitig werden diese klimawandelbedingten Entwicklungen die Disposition (= Anfälligkeit) des Wirtsbaums Fichte gegenüber Buchdruckerbefall spürbar erhöhen. Die vergangenen Jahre haben in Mitteleuropa eindrücklich gezeigt, dass der Buchdrucker unter diesen begünstigenden Bedingungen infolge von Massenvermehrungen auch vollkommen gesunde Fichten befallen und so Fichtenwälder großflächig zum Absterben bringen kann.

Die Umsetzung der integrierten Borkenkäferbekämpfung, mithilfe derer in den vergangenen rund 60 Jahren unkontrollierte Massenvermehrungen von Borkenkäfern auf vielen Flächen erfolgreich eingedämmt oder gar verhindert wurden, wird zunehmend erschwert: Die Flächenausstattung mit Fachpersonal nimmt tendenziell ab, wodurch vor allem die initialen, meist kleinen Befallsherde, die für die weitere Befallsentwicklung von entscheidender Bedeutung sind, seltener erkannt werden. Zudem werden die derzeit noch bestehenden Möglichkeiten des Einsatzes von Pflanzenschutzmitteln auch zukünftig voraussichtlich nicht erweitert. Nicht zuletzt verpflichten sich viele Waldbesitzende im Rahmen von Zertifizierungen immer häufiger zu Restriktionen oder zu einem weitgehenden Verzicht im Umgang mit Pflanzenschutzmitteln. Vor dem Hintergrund von Forstreformen, sich verändernden Zuordnungen und Verantwortlichkeiten, steigenden Reviergrößen und abnehmender Betreuungskonstanz gilt es, das Monitoring und Management gefährdeter Fichtenwälder effizienter zu gestalten. Frischer Stehendbefall kann nach wie vor nur mittels regelmäßiger Kontrollgänge in den potenziell gefährdeten Beständen durch erfahrene Fachkräfte frühzeitig erkannt werden.

Die mit IpsRisk realisierte räumlich und zeitlich differenzierte Gefährdungsprognose ermöglicht einen sehr zielgerichteten Einsatz der verfügbaren Ressourcen der Forstbetriebe bzw. deren begründete Ausweitung für das Monitoring und die zeitnahe Sanierung von Befallsherden. Damit können in einem frühen Stadium die weitere Befallsentwicklung gesteuert und die in Folge einer Massenvermehrung zu erwartenden Schäden minimiert werden.

DAS BORKENKÄFERFRÜHWARNSYSTEM IPSRISK

IpsRisk schätzt das Befallsrisiko durch den Buchdrucker aufgrund verschiedener Teilrisiken ein, welche sich aus Standorts-, Klima- und Wasserhaushaltsverhältnissen, Eigenschaften der Fichtenbestände, der Buchdruckerschwärmaktivität und Populationsgröße sowie dem Brutraumangebot ableiten (Abbildung 1).

In das Frühwarnsystem fließen neben statischen und ereignisbasierten Grunddaten auch auf dem ICON-Modell des DWD basierende aktuelle Wetterdaten inklusive 5-tägiger Wettervorhersagen ein (Abbildung 1). Darauf aufbauend wird in IpsRisk tagesaktuell und standortsgenau das aus den Teilrisiken resultierende Gesamtrisiko berechnet und in Form einer Warnkarte dargestellt. Die berücksichtigten Teilrisiken unterscheiden sich in ihrer zeitlichen Dynamik und werden deshalb in unterschiedlichen Zeitschritten für die Ableitung des Gesamtrisikos aktualisiert (Abbildung 2).

Die (semi)statische Standorts- und Bestandes-Prädisposition basiert auf dem empirischen, wissensbasierten Prädispositions-Abschätzungs-System (PAS) nach Netherer & Nopp-Mayr (2005). Sie stellt das statische Grundrisiko dar und dient vorrangig der generellen Einschätzung der Bestände gegenüber Buchdruckerbefall. Der PAS-Ansatz wurde im Rahmen des IpsPro-Verbundvorhabens erstmalig für ganz Deutschland unter Verwendung der Daten der dritten Bundeswaldinventur angewendet und plausibilisiert. Eine ausführliche Dokumentation befindet sich derzeitig noch in der Bearbeitung.

Zu Beginn der Borkenkäfersaison im Frühling wird die Populationsgröße anhand erfasster Befallsmeldungen des Vorjahres abgeschätzt. Diese Vorschädigung eines Bestandes durch Vorjahresbefall ist eine der Kerngrößen für die Populationsdynamik des Buchdruckers. Mit der Populationsgröße wächst entsprechend das Risiko für Stehendbefall auf der Fläche. Je nach Mortalität der Käfer im Winter, nach Grad und Zeitpunkt der Aufarbeitung von Schäden und letztlich des Ausmaßes des Schadens schwankt die Ausgangspopulation im Frühjahr teils beträchtlich.

Für die tägliche Modellierung der Schwärmaktivität kommt das Borkenkäfer-Phänologiemodell PHENIPS in Kombination mit aus langjährigen Fallenfangdaten generierten Verteilungsfunktionen zum Einsatz (Baier et al. 2007). Anhand von Witterungsdaten werden der Entwicklungsstand sowie Schwärmzeitpunkt und -intensität der Buchdrucker modelliert. Dadurch können Schwankungen im Schwärmverhalten der Käfer zwischen verschiedenen Standorten und über den Jahresverlauf abgeschätzt werden.

Die Wasserversorgung der Fichtenwälder wird in IpsRisk mithilfe des Wasserhaushaltsmodells RoGeR tagesaktuell abgebildet (Steinbrich et al. 2016). Aus der durch RoGeR modellierten Bodenfeuchte im Wurzelraum wird direkt der Trockenstress-Indikator „relatives pflanzenverfügbares Wasser im Wurzelraum“ (rpw) abgeleitet, der oft auch als Anteil an der nutzbaren Feldkapazität bezeichnet wird. Das langjährige über die Vegetationsperiode gemittelte rpw ist auch ein wichtiges Kriterium für die Herleitung der Baumarteneignungs- und Vulnerabilitätskarten der FVA. Der Trockenstress-Indikator wird anschließend in das Teilrisiko Trockenstress-Disposition durch Transformation in eine Skala von 0 (keine Disposition) bis 1 (maximale Disposition) überführt. Neben der mittels rpw abgebildeten aktuellen Wasserverfügbarkeit beeinflusst auch die zurückliegende Trockenstresshistorie die Anfälligkeit von Fichten für Borkenkäferbefall. Daher wird die modellierte Trockenstress-Disposition zusätzlich mit dem standardisierten Niederschlags-Evapotranspirations-Index (spei) gekoppelt und der Verlauf der Dispositions-Kurve entsprechend angepasst (Vicente-Serrano et al. 2010).

Aktuelle Befallsherde werden in der Forstpraxis in zahlreichen Bundesländern zunehmend durch digitale Lösungen, sogenannte Befalls-Apps, direkt im Wald erfasst. Die Daten werden in die Berechnung des Gesamtrisikos mit einbezogen werden. Gleichzeitig ermöglichen diese Daten aus den Befalls-Apps eine umfassende Systemprüfung und -optimierung, um IpsRisk anhand der erfassten Befälle überregional zu kalibrieren, plausibilisieren und validieren (Abbildung 1). Der große Vorteil dieser Daten ist die hohe zeitliche und räumliche Auflösung. Die mit Zeitstempel versehenen Punktdaten der Befalls-Apps ermöglichen im Gegensatz zum klassischen jährlichen Meldesystem ein dynamisches Anpassen des lokalen Risikos bereits für die kommende Borkenkäfergeneration im selben Jahr.

IpsRisk wurde auf Basis intensiver Untersuchungen in den in Abbildung 2 dargestellten Untersuchungsgebieten in Baden-Württemberg, Rheinland-Pfalz, Sachsen und Thüringen entwickelt. Das Borkenkäfer-Frühwarnsystem kann jedoch durch eine bereits deutschlandweit erfolgte Parametrisierung der dynamischen Teilrisiken Schwärmaktivität und Trockenstress-Disposition grundsätzlich auch in weiteren Bundesländern angewendet werden. In der aktuellen Version wurde IpsRisk in 250 m x 250 m räumlicher Auflösung für ganz Deutschland parametrisiert und wird voraussichtlich ab dem II./III. Quartal 2021 online verfügbar sein.

Für eine vollumfängliche Ausschöpfung des Potenzials von IpsRisk für weitere Bundesländer sollten die weiteren Teilrisiken (Populationsgröße und aktueller Befall) zunächst parametrisiert werden (Abbildung 1). Die derzeitige Güte der Risikoabschätzung kann bei entsprechender Datenlage weiter erhöht werden, wenn beispielsweise die Wasserhaushaltsmodellierung mit detaillierteren Bodeninformationen durchgeführt wird oder die Schwärmaktivitätskurven regional angepasst werden. Des Weiteren kann die räumliche Auflösung deutlich erhöht werden. So wurde beispielsweise IpsRisk bereits mit 25 m x 25 m räumlicher Auflösung für den Nationalpark Schwarzwald parametrisiert.

AFZ – Der Wald 18/2020 Schwerpunktheft zum IpsPro-Verbundvorhaben

Puhlmann, H.; Hallas, T. (2020): IpsPro: Risikoprognosen für ein effizienteres Borkenkäfer-Management. AFZ-DerWald, 18/2020, 12-14.

Sonnemann, S.; Otto, L.-F.; Seltmann, T.; Wenzel, A. (2020): Wesentliche Steuerungsfaktoren der Befallsdynamik des Buchdruckers. AFZ-DerWald, 18/2020, 15-18.

Peter, F.J.; Harms, L.; Kautz, M. (2020): Modellierung von Borkenkäferphänologie und Befallsdruck. AFZ-DerWald, 18/2020, 19-21.

Hallas, T.; Puhlmann, H. (2020): Modellierung der Trockenstress-Disposition für Borkenkäferbefall. AFZ-DerWald, 18/2020, 22-25.

Zimmermann, S.; Hoffmann, K. (2020): Fernerkundungsbasierte Lokalisierung von Borkenkäferbefall. AFZ-DerWald, 18/2020, 26-28.

Wehberg, J.; Kilian, M.; Conrad, O.; Böhner, J. (2020): Die digitale Jagd auf den Borkenkäfer. AFZ-DerWald, 18/2020, 29-31.


Zimmermann, S.; Hoffmann, K.(2020): Evaluating the Capabilities of Sentinel-2 Data for Large-Scale Detection of Bark Beetle Infestation in the Central German Uplands. Journal of Applied Remote Sensing, 14(2), 024515. DOI: https://doi.org/10.1117/1.JRS.14.024515

Hallas, T.; Puhlmann, H.; Wehberg, J.; Conrad, O. (2020): Development of an operational early warning system to enhance bark beetle risk management – Application of soil water balance models to assess the drought-stress induced disposition of spruce forests to bark beetle infestations. EGU General Assembly, Wien, Mai 2020. (Online-Präsentation) DOI: https://doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-18323

 

 

Baier, P.; Pennerstorfer, J.; Schopf, A. (2007): PHENIPS—A comprehensive phenology model of Ips typographus (L.) (Col., Scolytinae) as a tool for hazard rating of bark beetle infestation. Forest Ecology and Management 249, 171-186.

Netherer, S.; Nopp-Mayr, U. (2005): Predisposition assessment systems (PAS) as supportive tools in forest management—rating of site and stand-related hazards of bark beetle infestation in the High Tatra Mountains as an example for system application and verification. Forest Ecology and Management 207 (1-2), 99-107.

Steinbrich, A.; Leistert, H.; Weiler, M. (2016): Model-based quantification of runoff generation processes at high spatial and temporal resolution. Environmental Earth Sciences 75:1423, 1-16.

Vicente-Serrano, S.M.; Beguería, S.; López-Moreno, J.I. (2010): A Multiscalar Drought Index Sensitive to Global Warming: The Standardized Precipitation Evapotranspiration Index. Journal of Climate 23, 1696-1718.

Warenkorb

Titel Anzahl Preis
Gesamtpreis: