Master Thesis

Title: "Growth characteristics of Norway spruce (Picea abies [L.] Karst.) and biomass nutrient stocks in a semi-natural mixed mountain forest compared to declining spruce stands on dolomitic sites in the Bavarian Limestone Alps".

ABSTRACT:

In this study the growth characteristics and nutrient stocks from four mature, healthy mixed mountain forest stands (MMF) were compared to four adjacent, young declining spruce monocultures that were planted after clear felling. The MMF and spruce stands are of the same soil type (rendzic and eutric leptosols) and lie on steep, south- southwest facing slopes in the calcareous Bavarian Alps in the Forstamt Kreuth (Langenau) and Forstamt Schliersee (Kloo-Aschau-Tal). Growth in the declining spruce stands has reached stagnation and has consistently grown less than 0.5 mm per year for the past several decades. In comparison, the MMF stands have shown consistent growth of approximately 1 mm per year for the past 100 years. The declining spruce stands are between 46 and 103 years old and are characterized by high levels of transparency, chlorosis, mortality, slow growth and a dense coverage of grass. In comparison, the MMF stands are much older (on average between 122 and 236 years old), have considerably lower levels of transparency and hardly any occurrence of chlorosis. Additionally, the humus layer on the previous clear cut sites is virtually non existent and consists of Mull humus forms while the MMF sites have thick organic layers. These thick organic layers can act as a water and nutrient storage facilitator within the forest which is of value on the thin nutrient poor soils of the calcareous Alps. The declining spruce stands were successfully established after the clear cuts, however, within thirty to forty years after planting the growth of the spruce fell into stagnation and with the exception of a few trees, display no signs of recovery. A needle nutrient analysis revealed deficient levels of nitrogen and phosphorous in both the MMF and the declining spruce stands which conforms to other studies conducted in the Alps. The nutrient deficiencies in the declining spruce stands are compounded by the fact that the needles are much smaller and lighter than the needles of the MMF and lead to concentration effects, which is a sign of extreme nutrient deficiency. Additionally, two plots in the declining spruce stands showed significant deficiencies for the micronutrient manganese, which a lack thereof can cause an increase in transparency, chlorosis and decreases in growth. The hydrological model BROOK90 was parameterized with soil information from the same study sites and was used to calculate the ratio of transpiration and potential transpiration (T/Tp) since 1938 and thus, revealed years in which drought stress had occurred (e.g. years with a low T/Tp). BROOK90 calculated that in both the MMF stands and the declining spruce stands high levels of drought stress occurred in the years 1947, 1959, and 1976. This was confirmed by the analyzation of radial growth for all stands and a decrease in growth as a result of the dry years was apparent for every stand in the study. The amount of drought stress received by the two forest types was not significantly different, thus indicating the soil water storage capacity between the MMF and the declining spruce stands in this study are roughly the same. Therefore, it can be deduced that the growth of spruce on formerly clear felled sites of this study is limited by chronic nutrient deficiencies and not solely as result of drought stress (both by frost in the early spring and lack of precipitation) or from inferior genetics or forest pathogens. The nutritive deficiencies have likely arisen due to the degradation of the thick organic layers into thin Mull humus forms over time. After the clear cut the spruces of the declining stands were able to be successfully established on thick nutrient rich humus layers that had developed under the previous MMF. As a result, good growth was seen in the declining stands for three to four decades after stand establishment. Shortly after crown closure the critical phase of the stand was reached and nutrient demand exceeded supply, causing nutritive stress and a decrease in tree vitality. It is the conclusion of this study that the effects of nutrient competition coupled with humus degradation over time resulted in extreme levels of mortality, high transparency rates, high levels of chlorosis and caused the stagnation of growth in the declining spruce stands.

ZUSAMMENFASSUNG:

In dieser Studie werden die Wachstumseigenschaften und Nährelementvorräte von vier erwachsenen, gesunden Bergmischwald(BMW)-Beständen mit vier jungen, stark beschädigten Fichtenreinbeständen auf ehemaligen Kahlschlagsflächen in den Bayerischen Kalkalpen verglichen. Der Bergmischwald und die Fichtenreinbestände wachsen auf Rendzic leptosols (Mull- und Moder- Rendzinen) und Eutric Leptosols (rein organische Auflage über Dolomitfels) und liegen auf süd-exponierten Abhängen mit hoher Neigung in dem ehemaligen Forstamt Kreuth (Langenau) sowie im Bereich des Forstamts Schliersee (Kloo-Aschau-Tal). Der Wuchs der Fichtenbestände ist sehr schwach und beträgt nur bis zu 0,5 mm im Jahr, während das durchschnittliche Wachstum des BMW-Bestandes jährlich rund 1 mm in den letzten 100 Jahren beträgt. Die Fichtenbestände sind im Durchschnitt zwischen 46 und 103 Jahre alt und zeigen höhere Verlichtung, Chlorosis, Mortalität, langsames Wachstum und eine dichte Grasschicht. Die BMW-Flächen demgegenüber sind viel älter (im Durchschnitt zwischen 122 und 236 Jahre alt) und weisen wesentlich weniger Verlichtung, Chlorosis und Mortalität auf. Zusätzlich ist die Humus Auflage des Fichtenbestandes degradiert und sehr dünn, während der BMW eine dichte Humusauflage besitzt, die über eine sowohl höhere Wasserspeicherkapazität als auch Nährelementverfügbarkeit verfügt. Eine dichte Humusauflage in diesem Gebiet ist insbesondere sehr wichtig, weil der Mineralboden hier sehr dünn und nährstoffarm ist. Nach den Kahlschlägen wurden die Fichtenbestände erfolgreich begründet, jedoch 30 bis 40 Jahre nach der Pflanzung nahm das Wachstum dramatisch ab und außer für ein paar Bäume gibt es keine Hoffnung auf Erholung des Bestandes. Nadelproben zeigen Stickstoff- und Phosphormangel in den BMW- und Fichtenbeständen, was, belegt durch vergleichbare Forschungsergebnisse, nicht außergewöhnlich für dieses Gebiet ist. Die Fichten der degradierten Standorte weisen signifikant kleinere Nadeln als die Nadeln in dem BMW auf. Aufgrund des Konzentrationseffektes zeigen die Nadeln in den Fichtenbeständen daher keinen deutlich niedrigeren Nährstoffgehalt. Auf zwei Versuchsflächen der Fichtenreinbestände wurde ein signifikanter Mangel des Mikroelements Mangan festgestellt, welches zur Zunahme der Verlichtung, Chlorosis und Wachstumsminderung führt. Mit dem Hydrologischen Modell BROOK90 wurden mit Wetterdaten ab 1938 die Verhältnisse Transpiration/Potentielle Transpiration berechnet. Das Modell wurde mit Bodendaten aus den Versuchflächen parametrisiert. Errechnete durchschnittlich trockenere Jahre für die BMW- und Fichtenbestände waren 1947, 1959 und 1976; ein negativer Einfluss auf das Wachstum für jede Versuchsfläche in diesen Jahren wurde durch die Versuchsergebnisse bestätigt. Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen Trockenstress in den BMW- und Fichtenbeständen. Daraus wird ersichtlich, dass die Wasserspeicherkapazität der zwei Waldarten in dieser Studie vergleichbar war. Hieraus ergibt sich als ein Ergebnis dieser Studie, dass die Wuchsdepression der Fichtenbestände auf ehemaligen Kahlschlagsstandorten nicht hauptsächlich aufgrund von Trockenstreß (auch bei Frosttrocknis und wenig Niederschlag), schlechter genetischer Vorraussetzungen oder Pathogenen auftraten, sondern dass das Wachstum aufgrund chronischen Nährstoffmangels wegen Humus Degradierung limitiert ist. Nach dem Kahlschlag konnten sich die gepflanzten Fichten erfolgreich etablieren, weil sie anfangs ein sehr gutes Wachstumssubstrat (eine dichte Humus Auflage) aus dem ehemaligen BMW vorgefunden haben. Deswegen wurde ein starkes jugendliches Wachstum für die Fichtenbestände gemessen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die "Kritische Phase" in welcher die Nährstoffverfügbarkeit stark reduziert war und zu Wuchsdepression sowie höherer Mortalität, Verlichtung, und Chlorosis in den Fichtenreinbeständen führte, erst in späteren Jahren eintrat. Deswegen wird empfohlen auf südexponierten, Hauptdolomitstandorten keine Kahlschläge durchzuführen, um weitere Bodenschäden und Humusschwund zu vermeiden. Statt dem Kahlschlagverfahren sollte die Forstpraxis ein nachhaltiges Ernteverfahren wie z.B. einen leichten Schirmschlag wählen oder auf die Plenterwaldnutzung umstellen, um die Zukunft und Gesundheit des Schutzwalds in den Bayerischen Kalkalpen zu gewährleisten.

“Conservation is a state of harmony between men and land. Harmony with land is like harmony with a friend; you cannot cherish his right hand and chop off his left. That is to say, you cannot love game and hate predators; you cannot conserve the waters and waste the ranges; you cannot build the forest and mine the farm. The land is one organism. Its parts, like our own parts, compete with each other and co-operate with each other. You can regulate them —cautiously— but not abolish them.” - By: Aldo Leopold in “A Sand County Almanac”.