Messflächen
Sämtliche Probennahmen werden auf jeweils 2 bis 4 m² großen Kleinflächen durchgeführt. Die Lage dieser Kleinflächen wurde unter Berücksichtigung der verschiedenen Bestandessituationen und Baumarten sowie der räumlich variierenden Dichte des Kronendaches festgelegt.
Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Struktureinheiten, die im Einzugsgebiet vorkommen. Die Bestandesstruktur wurde auf zwei verschiedenen Skalenebene berücksichtigt: Auf der Ebene der Metastrukturen (Strukturen erster Ordnung) wird zwischen geschlossenen Altbeständen (97 %) auf der einen Seite und größeren Bestandeslücken (mehrere Baumstandflächen) sowie Verjüngungsarealen (3 %) auf der anderen unterschieden.
Innerhalb der geschlossenen Bestandesflächen wurden für die Hauptbaumarten die Mesostrukturen (Strukturen zweiter Ordnung) in Abhängigkeit von der Kronendichte in Kronenzentren, Kronenränder und Kronenlücken (wenige Quadratmeter) ausgewiesen. Kronenzentren sind die dominante Mesostruktur, welche etwa zwei Drittel der Bestandesfläche ausmachen.
Prozentuale Flächenanteile der verschiedenen Struktureinheiten im Einzugsgebiet Conventwald
Die Mesostrukturen wurden über photooptische Kronendichtemessungen vom Boden aus bestimmt. Dabei ist zu erwähnen, dass die räumliche Variabilität der Bestandesniederschläge und Bodenlösungen in dieser Fallstudie nicht in Abhängigkeit von der Entfernung zum Stamm betrachtet wird, sondern in Abhängigkeit von der Kronendichte. Eine stammbezogene Auswertung setzt kreisförmige Kronen voraus, die im Untersuchungsgebiet kaum zu finden ist.
Kronenlücken wurden definiert als Kronendachöffnungen, die kleiner als eine projizierte Kronenfläche sind. Sie werden unterschieden von Bestandeslücken, deren Kronendachöffnungen größer sind als diese Fläche. Im Unterschied zu Bestandeslücken, welche infolge von Zerfalls- und Wachstumsprozessen eine hohe biogeochemische Dynamik aufweisen, sind Kronenlücken Teil der geschlossenen Bestände mit vergleichsweise konstanten Ökosystemeigenschaften. Die Bedeutung der Bestandeslücken für ein Waldökosystem (z.B. die photosynthetisch wirksame Strahlung und die Wasser- und Stoffkreisläufe) variieren in Abhängigkeit von der Größe der Kronenlücke, ihrer Form und ihres Alters. Aus diesem Grund wurden und werden im Conventwald verschiedene Bestandeslücken beobachtet – eine im Jahr 1989 natürlich entstandene, 0,2 ha große Bestandeslücke und drei zwischen 1991 und 1999 zu Untersuchungszwecken angelegte Lücken, an denen unmittelbare Auswirkungen auf die Stoffflüsse in der Bodenzone beobachtet werden.
In jeder bestimmten Struktureinheit wurden ein oder mehrere Kleinflächen mit Niederschlagssammlern, Tensiometern und Saugkerzen installiert.
Einteilung der Bestandesstruktur
Klimaturm
Der Messturm ist Teil der Waldklimastationen der FVA. Auf dem Turm in unmittelbarer Nähe zum Einzugsgebiet wird das Freilandklima sowie der Stoffeintrag mit dem Niederschlag erfasst. Ursprünglich 18 m hoch – und damit ca. 2 m über dem damaligen Bestand, wurde die Messhöhe im Jahr 2000 um 8 m nach oben verschoben, um auch im aufwachsenden Bestand die Messung einer Freilandsituation zu gewährleisten. Er wurde 2020/2021 erneut aufgestockt – die Gesamthöhe beträgt nun 36 m. Die klimatischen Größen (Niederschlagshöhe, Lufttemperatur, Luftfeuchte, Globalstrahlung und Windgeschwindigkeit) werden in 5 min-Intervallen gemessen. Der Stoffeintrag mit dem Niederschlag wird in ständig geöffneten Niederschlagssammlern (100 cm² Auffangfläche) gesammelt und in zweiwöchentlichen Sammelproben analysiert.
Die Stoffeinträge mit dem Niederschlag und die Niederschlagsmenge werden nicht nur am Klimamessturm erfasst, sondern auch in den verschiedenen Bestandessituationen im Untersuchungsgebiet.
Messwehr
Am Auslass des Einzugsgebietes wird der Gebietsabfluss gemessen. Wenn das Einzugsgebiet mit räumlich heterogenen Mischbeständen ausgestattet ist, lässt sich das Systemverhalten im Gebietsaustrag durch eine Abschätzung der flächengewichteten Beiträge der an der Abflussbildung beteiligten Einzelsituationen (Baumartenflächen, Altersstadien, Lücken etc.) verstehen.
Der Wasserstand wird kontinuierlich in 15 min-Intervallen gemessen. Die Beziehung zwischen Wasserstand und Abfluss wird regelmäßig über 14-tägige Parallelmessungen aktualisiert. Die Zusammensetzung des Bachwassers wird zweiwöchentlich untersucht.
Analysen von Niederschlag, Bodenwasser und Bachwasser
Der Bestandesniederschlag wird auf allen Flächen in ständig geöffneten Niederschlagssammlern (100 cm² Auffangfläche) gesammelt und bezüglich Menge und stofflicher Zusammensetzung analysiert. Im Buchenmischbestand wird der Bestandesniederschlag zusätzlich über zwei Niederschlagsrinnen erfasst. Der Buchenstammablauf wird mit Hilfe von Manschetten aus Polyurethanschaum aufgefangen und mit einer Niederschlagskippwaage gemessen. Zur Erfassung des Bestandesklimas werden Lufttemperatur und relative Luftfeuchte zusätzlich an einer Stelle im Mischbestand in 20 cm und 3 m über dem Boden gemessen. Die Bodentemperatur wird – als erklärende Variable für Nitrifikations- und Mineralisierungsprozesse – an mehreren Stellen in verschiedenen Bodentiefen gemessen.
Bodensickerwasser wird mit Hilfe von Saugkerzen unterhalb der Humusauflage sowie im Mineralboden in 15, 30, 60, 120 cm Tiefe und (teilweise) in der Übergangszone zum Hangschutt (180 cm Tiefe) gewonnen. Die Bodenlösung wird durch Vakuumpumpen bei 500 bis 600 hPa viermal täglich über eine Zeitspanne von 10 min mit keramischen Tensiometerzellen extrahiert. Die Bodenwasserspannung wird in den Tiefen der Bodenwasserbeprobung mittels kontinuierlich registrierenden Tensiometern gemessen.
Derzeit steht die Umrüstung aller instrumentierten Bestandesvarianten von Tensiometermesstechnik auf sogenannte pF-Meter/Tensiomarks (Firma: ecoTech, Bonn) an. Auf den EU-Level II-Intensivmonitoring-Flächen sind diese schon seit 2008 (Buchenfläche) bzw. 2010 (Fichtenfläche) installiert. Das Verfahren der pF-Meter basiert auf der Erfassung der volumetrischen Wärmekapazität. Ein Gleichgewichtskörper wird mit dem zu messenden Boden in Kontakt gebracht und passt sich kontinuierlich dem hydraulischen Potential an. Damit kann durch die exakte Bestimmung der Wärmekapazität im Gleichgewichtskörper die Bodenwasserspannung direkt gemessen werden. pF-Meter erweitern den messbare Wertebereich weit in den trockenen Bereich im Vergleich zu herkömmlichen Tensiometern, die in der Regel nur bis ca. 800 bis 1000 hPa verlässliche Werte liefern. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Beobachtung der Bodenwasserverfügbarkeit auch in extremen Trockenphasen, womit Auswertungen zur Auswirkung von Trockenheit auf Ökosystemflüsse und Bestandesvitalität deutlich verbessert werden können.
Die Elementkonzentrationen in den verschiedenen Wasserproben werden mittels Ionenchromatographie (Anionen), induktiv gekoppelter Plasmaspektrographie (Kationen) und Photometrie (Ammonium, Phosphor und DOC) bestimmt. Die pH-Werte werden mit einer Glaselektrode ermittelt. Hydrogencarbonat wird periodisch über Titration gemessen und ansonsten über eine Regression aus dem pH-Wert berechnet. Die Ladungsdichte organischer Anionen wird als Restglied in der Ladungsbilanz bestimmt. KAK wird mittels Perkolation mit einer 1M NH4Cl Austauschlösung gemessen. Alle Analysemethoden entsprechen dem Methodenhandbuch für Bodenanalysen bei der Bodenzustandserfassung im Wald (GAFA, 2005; aktueller Stand GAFA, 2014). Die Ionenflussdichten wurden berechnet, indem die Ionenkonzentrationen im Bodenwasser mit den für die entsprechenden Messtiefen modellierten Tageswerten der Sickerwasserraten multipliziert wurden.
Niederschlag sowie Bach- und Bodenwasser werden zweiwöchentlich beprobt und analysiert. Meteorologische Größen, Bodenwasserspannungen und Bodenwassergehalte werden in 15 min-Intervallen gemessen.
Der Wasserfluss in der ungesättigten Bodenzone wird für alle Messplots mithilfe einer Wasserhaushaltsmodellierung ermittelt (vgl. die Projekte DynWHH und WHH-KW).
Level-II-Flächen
Die Monitoringprogramme der forstlichen Umweltüberwachung wurden Anfang der 1980er Jahre aufgrund der damaligen Waldschadensdiskussion initiiert und beinhalteten zunächst lediglich die Erfassung des Waldzustands. Bereits in den frühen 1990er Jahren zeigte sich, dass die beobachteten Waldschäden nicht nur als Folgen der direkten und indirekten Wirkungen von Säuredepositionen mit dem Regen zu erklären sind. Damals wurde klar, dass neben dem Säureeintrag vor allem die zunehmende Stickstoffsättigung der Waldökosysteme die zukünftige Entwicklung zentraler Ökosystemfunktionen bestimmen. Sie wirken sich im Zusammenspiel mit standortsbezogenen Stressfaktoren sowie biologischen und chemischen Systemeigenschaften maßgeblich darauf aus, wie die Wälder der kommenden Jahrzehnte aussehen werden. Das ursprüngliche Waldzustandsmonitoring wurde deshalb schon früh um die Komponenten „Waldernährung“ und „chemischer Bodenzustand“ erweitert. Mitte der 1990er Jahre wurden die Intensivmessflächen des Stoffflussmessnetzes angelegt, um dynamische Veränderungen und komplexe Kausalverkettungen unterschiedlicher Umwelteinflüsse in beispielhaft ausgewählten Fallstudien zu untersuchen. Alle Monitoringflächen in Baden-Württemberg sind nach den Standards des ICP-Forest angelegt.
Die Untersuchungsfläche „Conventwald“ ist einer von sechs Standorten des ICP-Forest-Intensivmonitorings in Baden-Württemberg, welche eine Untermenge der 19 Depositionsmessnetzstandorte und der Kronenzustandsdauerbeobachtungsflächen darstellen. Die Messorte repräsentieren unterschiedliche Stoffflusstypen, welche sich durch Hauptbodenart und Depositionsmerkmale, wie die stoffliche Zusammensetzung und die Belastungsintensität, definieren. Die Untersuchungsflächen bestehen aus einer Freilandfläche sowie je einer Intensivmessfläche in einem Fichtenbestand und in einem Buchenbestand. Die Intensivmessflächen in den Fichten- bzw. Buchenbeständen sind jeweils 0,25 ha groß. Auf ihnen werden der Bestandesniederschlag in drei verschiedenen Überschirmungssituationen, der Stammabfluss (an Buchen), Bodenwasserinformationen (Bodenwassergehalte, Bodenwasserspannungen in drei Tiefenstufen) sowie Boden- und Lufttemperaturen zeitlich hoch aufgelöst (15- bis 30 min-Intervalle) gemessen. Die chemische Zusammensetzung des Bestandesniederschlags, des Stammabflusses, des Bodenwassers und der Bodenluft (unter der organischen Auflage und in 3-5 Mineralbodentiefen) werden an Sammelproben in 14-tägigen Intervallen analysiert. Der Eintrag mit der Laub-/Nadelstreu wird über 16 Streusammler pro Fläche bestimmt. Die Hydratur und das Dickenwachstum der Bäume auf den Versuchsflächen werden an mehreren Bäumen je Fläche mit registrierenden Dendrometern und an allen anderen Bäumen einmal jährlich mit Umfangsmaßbändern erfasst. An einem Bodenprofil wird alle 10 Jahre der bodenchemische und -physikalische Zustand beurteilt. Zusätzlich zu den genannten intensiveren Messungen wird auf den Flächen regelmäßig die phänologische Entwicklung von Einzelbäumen und des Gesamtbestandes beobachtet. Weiterhin wird jährlich der Kronenzustand beurteilt und der Blattflächenindex sowie der Ernährungszustand der Bäume (Nadel-/Blattspiegelwerte) bestimmt. Die Zeitreihe der Nadel-/Blattspiegelwerte essentieller Nährelemente erlaubt einen Einblick in die Entwicklung der Waldernährung und macht eine Prognose möglich, ab wann und unter welchen Faktorenkombinationen (Deposition, Witterung und Bodeneigenschaften) mit Engpässen in der Waldernährung zu rechnen ist, die eine Gegensteuerung, z.B. durch Bodenschutzkalkungen, nötig machen.
Messeinrichtungen auf den Intensivmessflächen: 1 = Umfangsmaßband, 2 = Dendrometer, 3 = Thermometer, 4 = Niederschlagswippen, 5 = FDR-Sonden (Bodenfeuchte) 6 = pF-Meter (Bodenwasserspannung und -temperatur), 7 = Streusammler, 8 = Bodenluftsammler, 9 = Niederschlagssammler (Totalisator), 10 = Bodenwassersaugkerzen, 11 = Stammabflussanlage. Bild: Anna Völlmecke.