Grundlagen der Waldwachstumsforschung

Bäume können viele tausend Jahre alt und 120–130 m hoch werden. Sie können fast hundertmal so alt und groß werden wie der Mensch. Wälder sind offene Systeme und beispielsweise dem Klima ausgesetzt. Und weil die Bäume festgewachsen und so langlebig sind, können sie bei Klimaänderungen nicht wie Kulturen von Mais, Tabak oder Wein kurzerhand durch besser angepasste Sorten ersetzt werden. Vielmehr sind sie beispielsweise dem CO₂-Anstieg oder Trockenstress bei Klimaänderungen oder den Schwefel- oder Stickstoffeinträgen durch Luftverunreinigungen sehr langfristig ausgesetzt. Eine ganz besondere Eigenschaft von Bäumen und Wäldern besteht darin, dass sie zugleich Produkt und Produktionsmittel sind. Eine Trennung von Produkt und Produktionsmittel ist z. B. bei Buch und Druckmaschine, Honig und Biene, Apfel und Apfelbaum möglich. Holz wächst aber an Holz, sodass das Produkt nicht geerntet werden kann, ohne zugleich das Produktionsmittel anzugreifen. Wäldern werden Kohlenstoffsenkung, Holzproduktion, Trinkwasserspende, Luftreinigung, Erholung, Biodiversität und viele andere Wirkungen und Leistungen abverlangt. Wälder sind aufgrund ihrer zahlreichen Komponenten, die auf verschiedene Weise miteinander interagieren können, komplexer als die meisten anderen biologischen Systeme und bisher nicht annähernd verstanden.

Die lange Lebenszeit, große Höhe und alle weiteren genannten Systemeigenschaften prägen die wissenschaftliche Untersuchung und die praktische Bewirtschaftung von Wäldern grundlegend. Sie bestimmen Forstwissenschaft und Forstwirtschaft von der Messung, über die Modellierung bis hin zum Schutz oder zur waldbaulichen Regelung. Dieses Buch beginnt deshalb mit einer eher theoretischen Einführung in die grundlegenden und ziemlich einzigartigen Systemeigenschaften von Wäldern. Die eingeführten Systemeigenschaften und deren praktische Konsequenzen werden sich dann durch alle folgenden Kapitel ziehen.

Das Studium der Forstwissenschaft vermittelt Waldwissen. Im Mittelpunkt stehen insbesondere die vielfältigen Strukturen und Prozesse, die Eigenschaften des Waldes und seiner Funktionen und Leistungen für den Menschen und alle anderen Lebewesen. Das Studium bildet aber auch zur Anwaltschaft, zur Bewirtschaftung, zur Interessenvermittlung für die Sache des Waldes aus. Nach der Einführung in die Systemeigenschaften und deren Konsequenzen für das Verstehen, Erforschen und Bewirtschaften von Wäldern wird im letzten Abschnitt des Kapitels auf die skalenübergreifende Forschung zur Auflösung des Gegensatzes zwischen Reduktionismus und Holismus hingewiesen.

Der Wissensfortschritt und das Verstehen erfordern eine immer tiefere Analyse und einen reduktionistischen Ansatz. Damit gemeint ist, dass Strukturen und Prozesse auf höherer Auflösungsebene, z. B. Gen- oder Zellebene untersucht werden, unter Konstanthaltung der Randbedingungen wie Klima oder Bewirtschaftung. Die Bewirtschaftung erfordert dagegen eine holistische Sicht, also das Verstehen von übergeordneten Strukturen, Prozessen und die Verfügbarkeit von grobskaligen Charakteristika und Variablen.

Über interdisziplinäre und skalenübergreifende Untersuchungen kann es gelingen, Evidenz auf höchster Auflösungsebene zu finden, ohne die Relevanz von Erkenntnissen für den Wald als Ganzes aus den Augen zu verlieren. Es wird ausgeführt, wie die Forschung bei aller notwendigen wissenschaftlichen Tiefe die Relevanz ihrer Ergebnisse für die Lebenswelt und den Wissenstransfer im Blick behalten kann.

Dieses Kapitel über die Gestalt und Formentfaltung steht bewusst am Anfang des empirischen Teils des vorliegenden Buchs. Die Größe und die Gestalt des Einzelbaums sind nämlich essenziell für seine Konkurrenzfähigkeit und Fitness. Und die Entwicklung von Baumpopulationen, die in den nachfolgenden Kapiteln besprochen wird, resultiert letztlich aus der Fitness der einzelnen Bäume und damit aus ihrer individuellen Konkurrenzfähigkeit. Wichtige Komponenten der individuellen Konkurrenzfähigkeit sind Größe, Form und die damit verbundene Raumbesetzung und Raumausnutzung.

Das wirkliche Erscheinungsbild (Phänotyp) eines Baums ergibt sich, indem die genetisch vorgegebene Strukturentfaltung (Genotyp) durch Umwelteinflüsse wie Standortbedingungen und Konkurrenzsituation im Bestand mehr oder weniger deutlich überprägt wird. Bäume können ihre Organe (Krone, Wurzel, Stamm) so ausbauen, dass die Zuwachslimitierung durch Licht, CO₂, Wasser oder Nährstoffe vermindert wird. Es besteht also ein enger Zusammenhang zwischen der Struktur von Baumorganen und ihren Funktionen. Die idealtypische Form wird durch diese strukturelle Plastizität überprägt, sodass die Allometrie (Formproportion) nicht engen Gesetzmäßigkeiten folgt, sondern in einem breiteren Korridor variiert.

Die Form hängt ab von der Identität (z. B. Fichte, Tanne, Buche) und der funktionellen Eigenschaft der Art (Licht- und Schattenbaumart, Flach- oder Tiefwurzler), von den Umweltweltbedingungen und der intra- (Reinbestand) und interspezifischen (Mischbestand) Konkurrenz. Diese Abhängigkeiten werden nacheinander für die Krone, die Wurzel und den Stamm von Bäumen besprochen. Die zehn Boxen in diesem Kapitel vermitteln Ansätze und Maßzahlen für die Erfassung der Kronen, der Wurzel und des Stamms von Bäumen.

In einem eigenen Abschnitt werden Kennwerte, Expansionsfaktoren und Gleichungen für die Abschätzung des Holzvolumens, der Biomasse und ihrer Aufteilung nach Organen gegeben. Sie sind für die Holzqualität, den Kohlenstoff- und Energiegehalt oder auch für die Abschätzung der Elementvorräte und -exporte von Nutzen.

Die Entwicklung von Größe und Form von Bäumen bestimmt den artspezifischen Bedarf an Wuchsraum und damit auch die Bestandsentwicklung. Am Ende des Kapitels wird gezeigt, wie sich die artspezifische Größen- und Formentwicklung von Einzelbäumen bis zur Populationsdynamik (Selbstdurchforstung, Produktivität, Mischung) von Rein- und Mischbeständen durchpausen.

Hier wird in die Bedeutung des Stammwachstums für die Ökologie des Baums, das Biomonitoring und für die Forstwirtschaft eingeführt. Das Größenwachstum des Stamms nimmt unter normalen Wuchsbedingungen über dem Alter einen S-förmigen und der Zuwachs einen unimodalen Verlauf. Die Quantifizierung erfolgt durch die eingeführten Begriffe laufender jährlicher Zuwachs, mittlerer periodischer Zuwachs, durchschnittlicher Gesamtzuwachs dGZ und Gesamtwuchsleistung GWL. Das Baumwachstum wird über Kennwerte der Größenentwicklung des Individuums, also ohne Flächenbezug, quantifiziert. Die Produktivität des Baums dagegen bezieht sich auf die Größen-, Volumen- oder Massenentwicklung pro Fläche (z. B. pro Kronenschirmfläche oder Standfläche des Baums). Weil Bäume mit zunehmender Größenentwicklung auch mehr Standfläche beanspruchen, geht die Produktivität (Zuwachs mit Flächenbezug) wesentlich früher zurück als der Zuwachs pro Individuum (Zuwachs ohne Flächenbezug).

Die Gesetze von Liebig, Liebscher und Mitscherlich beschreiben die Abhängigkeit der Zuwachs- und Wachstumsverläufe von den Umweltbedingungen. Neben den Umweltbedingungen (Ressourcenversorgung und Umweltfaktoren) modifiziert auch die nachbarschaftliche Konstellation eines Baums (u. a. Standraumangebot und Einengung) seinen Wachstumsgang. Deshalb wird weiter in die Ursachen und Prozesse von Nachbarschaftsbeziehungen in Rein- und Mischbeständen eingeführt. Nachbarschaft hat meistens zugleich positive (Förderung) und negative Effekte (Konkurrenz) auf die Größenentwicklung. Letztlich resultiert der Zuwachs aus dem Nettoeffekt dieser beiden Nachbarschaftswirkungen.

Die nachbarschaftliche Konstellation innerhalb des Bestands kann entweder direkt über die Ressourcenversorgung und Umweltfaktoren oder indirekt über Konkurrenzindizes beschrieben werden. Bei förderlichen Nachbarschaftsverhältnissen kann die Größenentwicklung deutlich beschleunigt werden, z. B. bei zeitlich oder räumlich komplementärer Ressourcennutzung. Bei Überschirmung oder seitlicher Einengung kann die Größenentwicklung aber auch um Jahrzehnte oder Jahrhunderte verzögert werden, z. B. bei Lichtmangel im Unterstand in Plenterwäldern oder urwaldartigen Beständen. Denn Bäume wachsen nicht primär in Abhängigkeit von ihrem Alter oder der Zeit, sondern in Abhängigkeit von den Umweltbedingungen und ihrer aktuellen Größe. Viele Wuchsmodelle schätzen den Baumzuwachs deshalb in Abhängigkeit von der aktuellen Größe des Baums, seinen Standortbedingungen und Nachbarschaftsverhältnissen.

Die Zusammenhänge zwischen Baumwachstum, Umweltbedingungen und Nachbarschaft resultieren in einigen für die Forstwirtschaft essenziellen ökologischen Konzepten. Aus der Abhängigkeit des Wachstums von den Standortbedingungen ergibt sich die artspezifische Fundamentalnische. Durch Nachbarschaft mit anderen Arten kann die Fundamentalnische zur Realnische modifiziert werden. Die Wuchsbedingungen, unter denen sich eine Baumart unter natürlichen Bedingungen, bei interspezifischer Konkurrenz bestmöglich entwickeln kann (ökologisches Optimum), können sich von den Wuchsbedingungen, unter denen sie bestmögliche Entwicklung im Reinbestand zeigt (Produktionsoptimum), grundlegend unterscheiden.

Je weiter sich die Forstwirtschaft von agrarähnlichen Monokulturen entfernt, desto relevanter werden die Differenzierung zwischen Produktionsoptimum und ökologischem Optimum und die Einblicke in die interspezifischen Interaktionen für die Begründung und Regelung von Waldbeständen.

Die Struktur ist die offensichtlichste Eigenschaft von Waldbeständen, sie ist aber auch besonders schwer zu erfassen und zu quantifizieren. Die Struktur kann durch die Messung von Baumhöhen, Stammdurchmesser, Kronenradien oder Stammfußpunkten mit Baumhöhenmesser, Kluppe, Kronenspiegel und Theodolith erfolgen. Sie wird durch von Flugzeugen getragene oder terrestrische Laserscanner (ALidar bzw. TLidar) vereinfacht. Diese Verfahren liefern Messwerte für die Beschreibung und Quantifizierung der Bestandsstruktur, die im Mittelpunkt dieses Kapitels steht.

Die Struktur ist so relevant, weil einerseits jeder waldbauliche Eingriff primär die Bestandsstruktur modifiziert und die Struktur andererseits einen wichtigen Einfluss auf alle ökologischen, ökonomischen und sozioökonomischen Funktionen und Leistungen des Waldes hat.

Ein erster wichtiger Schritt zur Charakterisierung der Bestandsstruktur ist die Umsetzung von analogen oder digitalen Messwerten in Stammverteilungspläne, Kronenkarten, Aufrisszeichnungen, Voxelmuster oder Horizontal- und Vertikalschnitte zur Veranschaulichung der Bestandsstruktur.

Um Strukturveränderungen zu prüfen, Zusammenhänge zwischen waldbaulicher Behandlung und Zuwachs oder Struktur und ökosystemaren Leistungen zu analysieren, bedarf es aber der Quantifizierung der Waldstruktur über Maßzahlen (Tab. 4.1). Mit diesen wird über die klassische verbale Charakterisierung (z. B. dicht vs. locker, geklumpt vs. regelmäßig) hinausgegangen (Bravo-Oviedo et al. 2018, S. 27–71).

Das horizontale Verteilungsmuster (geklumpt, zufällig, gleichmäßig verteilt) lässt sich über Zählquadratmethoden, Verfahren des nächsten Nachbarn sowie K- und L-Funktionen quantifizieren. Auf diese Weise werden geklumpte, zufällige oder regelmäßige Strukturen auf Bestandsebene insgesamt (Indizes von Clark und Evans 1954; Pielou 1959; Clapham 1936) oder in verschiedenen Nachbarschaftszonen (K-Funktion, L-Funktion) identifiziert und quantifiziert.

Die Bestandsdichte (vollbestockt, mäßig, lückig bestockt) kann über den ertragstafelbezogenen oder natürlichen Bestockungsgrad, das Überschirmungsprozent (del Río et al. 2016; Pretzsch 2014), die Grundflächenhaltung, den Bestandsdichteindex von Reineke (1933) oder den Kronenkonkurrenzfaktor quantifiziert werden.

Für die Quantifizierung der Größendifferenzierung (homogene Baumgrößen und einschichtig vs. heterogene Baumgrößen und mehrschichtig) eignen sich der Variationskoeffizient der Durchmesser- oder Höhenverteilung und der Koeffizient der Durchmesserdifferenzierung nach Füldner (1995) und von Gadow (1993).

Die Artendiversität (Rein- vs. Mischbestand) lässt sich über Indizes nach Hattemer (1994), Shannon (1948) oder über die standardisierte Diversität und Eveness quantifizieren. Der Artenprofilindex nach Pretzsch (1995, 1997) kombiniert die Diversität mit der vertikalen Schichtung der Baumarten im Bestand.

Zur Quantifizierung der Durchmischung (Einzelmischung, Gruppenmischung) haben sich u. a. der Durchmischungsindex von Füldner (1996) und der Segregationsindex von Pielou (1977) bewährt.

Die große Relevanz der Bestandsstruktur wird deutlich durch ihren Effekt auf die Entwicklung der Baumartenmischung und Produktivität, die Baumstruktur und Holzqualität sowie auf die Habitatstruktur und Biodiversität.

In diesem Kapitel wird gezeigt, wie die Entwicklung der Größenverteilung von Bäumen aus der Anfangsverteilung, dem größenspezifischen Zuwachs und der Mortalität resultiert. Es werden Maßzahlen für die Quantifizierung der drei Komponenten der Verteilungsdynamik eingeführt, also für die Verteilung, ihre Veränderung durch Zuwachs und ihre Veränderung durch Ausfälle (Entnahmen, Mortalität). Anhand der eingeführten Maßzahlen wird gezeigt, wie Alter, Baumart, Bestandsbegründung, Durchforstung und Mischung die Verteilungsdynamik determinieren. Die Charakterisierung der Größenverteilung in Waldbeständen (Lage, Form und Dichte der Verteilung) gründet häufig auf dem Stammdurchmesser, weil dieser einfach zu messen ist. Da der Durchmesser aber eng mit der Baumhöhe, der Kronenschirmfläche oder dem Kronenvolumen zusammenhängt, spiegelt die Durchmesserverteilung und ihre Dynamik auch die Raumbesetzung, Ressourcenaufnahme und das Zuwachspotenzial von Beständen wider. Am Ende des Kapitels erfolgt der Übergang von der Baum- zur Bestandsebene. Es wird gezeigt, wie sich die Größenverteilung von Bäumen auf die Produktivität des Bestands auswirkt.

Dieses Kapitel führt anhand theoretischer Grundlagen und praktischer Beispiele in die Bestandsdynamik von gleichaltrigen Reinbeständen, ein- und zweischichtigen Mischbeständen sowie Bergmisch- und Plenterwäldern ein. Auf der Bestandsebene werden die Entwicklung von Rein- und Mischbeständen und deren Abhängigkeit von externen Einflüssen anhand der dendrometrischen Bestandsmittel- und Summenwerte pro Hektar, z. B. Mitteldurchmesser, stehender Vorrat, laufender jährlicher Zuwachs, Gesamtwuchsleistung behandelt.

Das Kapitel beginnt mit den Konzepten der maximalen Blattfläche, der Selbstdurchforstung und des konstanten Endvorrats und leitet daraus den charakteristischen Entwicklungsgang der dendrometrischen Mittel- und Summenwerte unbehandelter Reinbestände ab. Die Altersentwicklung lässt sich über die Abnahme der Baumzahl, die unimodalen Zuwachs- und S-förmigen Wachstumsverläufe der mittleren Baumgrößen (z. B. Bestandshöhe, Durchmesser) bzw. der Summenwerte (z. B. Grundfläche und Volumen) charakterisieren. Anschließend wird gezeigt, wie diese Entwicklungsverläufe u. a. von der Baumart, der Behandlung und den Standortbedingungen abhängen. Der Effekt der Standortbedingungen ist wichtig, weil der Entwicklungsverlauf der maximal möglichen Baumzahl, des Zuwachses und auch des Vorrats einer Baumart pro Hektar letztlich von den Standortbedingungen abhängen.

Weiter werden in diesem Kapitel einschichtige Mischbestände behandelt. Sie lassen sich nicht einfach als gewichtetes Mittel artgleicher Reinbestände charakterisieren. Sie können vielmehr das gewichtete Mittel gleichaltriger Reinbestände in Produktivität und Bestandsdichte um 20–50 % überschreiten. Die Stärke dieser Mischungseffekte hängt v. a. von der Baumartenmischung (Artenkomplementarität), den Standortbedingungen (wachstumslimitierenden Faktoren) und der waldbaulichen Behandlung (Dichte, Mischungsanteil, Mischungsstruktur) ab.

Ein wichtiges Charakteristikum mehrschichtiger Mischbestände ist, dass die Bäume in höheren Bestandsschichten v. a. durch Lichtkonkurrenz Bäume in unteren Schichten in der Entwicklung bremsen. Andersherum können unterständige Bäume die Entwicklung höherer Bäume durch Konkurrenz um Wasser und Nährstoffe im Zuwachs hemmen. Ober- und Unterstand können gemeinsam mehr Zuwachs bilden, sie stehen aber auch in diesen Beständen in Konkurrenz miteinander.

Schließlich werden Plenterwälder als Musterbeispiel für ungleichaltrige, mehrschichtige, gemischte Bestände behandelt. Aufgrund ihrer exponentiell abnehmenden Baumzahl-Durchmesser-Verteilung und dadurch komplexen Struktur gleichen sie der Plenterphase im Urwald. Sie sind allerdings höchst künstliche Systeme, deren charakteristische Struktur nur durch kontinuierliche Eingriffe erhalten werden kann.

Von gleichaltrigen, einschichtigen Reinbeständen über gleichaltrige Mischbestände, zweischichtige Bestände bis zu ungleichaltrigen, mehrschichtigen Plenterwäldern nimmt die Strukturvielfalt kontinuierlich zu und die Aussagekraft von dendrometrischen Mittel- und Summenwerten für den Bestand insgesamt ab. Komplexere Bestände sollten summarisch, aber auch gesondert nach Arten, Populationen, Kohorten oder Schichten beschrieben werden.

In diesem Kapitel werden die wichtigsten Verfahren der waldbaulichen Bestandsbehandlung auf quantitativer Grundlage eingeführt. Es werden beispielsweise die Z-Baum-Durchforstung in Reinbeständen, die Mischungsregulierung in Beständen aus zwei Arten und die Überführung von gleichaltrigen Reinbeständen in strukturreiche Mischbestände besprochen.

Die eingeführten quantitativen Verfahren der waldbaulichen Bestandsbehandlung spielen eine wichtige Rolle in der Forstwissenschaft und Forstwirtschaft. Wissenschaftliche Versuche werden über Jahrzehnte hinweg konsequent nach ihnen behandelt. Waldwachstumssimulatoren verwenden waldbauliche Behandlungsprogramme, umgesetzt in biometrische Algorithmen, beim Durchrechnen unterschiedlicher waldbaulicher Handlungsoptionen, bei sog. Szenarioanalysen. Trainings- und Anschauungsflächen für die forstliche Praxis werden nach definierten waldbaulichen Verfahren behandelt. Auf diese Weise kann ihr Wuchsverhalten mit einer Behandlung in Verbindung gebracht werden und das Ergebnis kann auf anderen Flächen übertragen werden. Die geläufigste Erscheinungsform von quantitativen Verfahren der waldbaulichen Bestandsbehandlung sind Pflegerichtlinien, also Leitfäden für die routinemäßige Behandlung von Waldbeständen in der Praxis.

Die Entwicklung von waldbaulichen Behandlungsprogrammen oder Pflegerichtlinien für einen speziellen Forstbetrieb stützt sich i. d. R. auf langfristige Versuchsflächen und Waldwachstumssimulatoren. Waldwachstumssimulatoren sind computergestützte Bestandsmodelle, mit denen die Reaktion des Walds bei verschiedenartiger Behandlung im Zeitraffer durchgespielt werden kann. Es würde viel zu lange dauern, die Ergebnisse neu aufkommender waldbaulicher Behandlungen erst durch Versuche abzuschätzen. Deshalb kommen hierfür Waldwachstumssimulatoren zur Anwendung, die die langfristigen Ergebnisse und Konsequenzen verschiedener Handlungsoptionen rechnerisch ausprobieren, um dann die für die jeweiligen Rahmenbedingungen und Ziele bestgeeigneten auszuwählen und in die Praxis zu transferieren. Pflegerichtlinien stellen dann – systematisch und transparent abgeleitet – waldbauliche Handlungsanweisungen dar. Gegenüber den in Experimenten oder Modellalgorithmen eher komplexer formulierten Vorschriften sollten waldbauliche Handlungsanweisungen leicht verständlich, möglichst in Form von allgemeinen Regeln oder Nomogrammen formuliert und über entsprechend behandelte Trainingsflächen visualisiert werden. Langfristige Versuchsflächen dienen zum einen der Parametrisierung von Wuchsmodellen, zum anderen zur Visualisierung des Zusammenhangs zwischen der Behandlung und dem Wuchsverhalten von Waldbeständen.

Die Produktivität von Waldbeständen ist eine Schlüsselinformation u. a. für die finanzielle Bewertung des Walds, die Baumartenwahl, die Festlegung des nachhaltigen Hiebsatzes, die Abschätzung des Holzaufkommens und Kohlenstoffbindung, die Bedarfsplanung von forstwirtschaftlichen Personalstellen und Maschinen und auch für die Walderschließung. Deshalb ist die Schätzung der Produktivität von Waldökosystemen und Beständen von Beginn an ein zentrales Thema der Forstwissenschaft. Die Produktivität von Wäldern ist aufgrund der Größe von Bäumen und langen Lebenszeit von Beständen schwieriger zu bestimmen als die von Agrarkulturen, denn Bäume oder Bestände können nicht so einfach geerntet und dann gewogen werden, wie Gras und Kartoffeln von Wiesen oder Äckern. Bei Wäldern interessiert die Produktivität über die gesamte Umtriebs- oder Lebenszeit. Gegenüber kurzlebigen, krautigen Pflanzen zielt die Produktivitätsbestimmung bei Waldbeständen also auf die Summe oder das langfristige Mittel der Produktivität über 100- oder gar 200-jährige Wachstumsperioden.

In diesem Kapitel werden zunächst die wichtigsten Kennwerte der Produktivität, wie u. a. die Brutto- und Nettoprimärproduktion, der Brutto- und Nettozuwachs an Biomasse sowie der Bestandsvolumenzuwachs und die Gesamtwuchsleistung an Stammholzvolumen eingeführt. Dann werden die wichtigsten Konzepte der Leistungsschätzung behandelt.

Das sind erstens dendrometrische Verfahren, die den Vorrat, die Höhe oder Dichte eines Bestands zur Bonitierung der Standortgüte und Produktivität verwenden.

Zweitens ermöglichen Produktivitätsindizes, die einen Standort meteorologisch oder biogeoökologisch charakterisieren und eng mit der Stoffproduktion korrelieren, die Abschätzung der Produktivität.

Drittens kann die Produktivität durch dynamische Wuchsmodelle abgeschätzt werden, die die Stoffproduktion in Abhängigkeit von den regionalen oder lokalen Umweltbedingungen prognostizieren. Sie gründen auf statistischen oder ökophysiologischen Beziehungen zwischen den standörtlichen Bedingungen und der Stoffproduktion.

Durch Einrichtung von permanenten Probeflächen, die bei jeder Wiederholungsaufnahme aktualisierte Produktivitätsinformationen liefern, werden die Informations- und Entscheidungsgrundlagen für die Waldbewirtschaftung zunehmend verbessert. Dieses Kapitel behandelt deshalb viertens den Übergang von deduktiven (auf Modellen gestützten) zu induktiven (auf Messungen an Einzelbeständen gründenden) Ansätzen der Produktivitätsschätzung.

Darüber hinaus vermittelt das Kapitel auch eine Übersicht über die Produktivität von Ökosystemen und Waldbeständen für verschiedene Klimazonen, Baumarten und Waldaufbauformen; also Faustzahlen für die Produktivität von Wäldern.

Seit der Konstruktion der ersten Erfahrungstabellen und Ertragstafeln für Reinbestände haben sich das Ziel und der Zweck von Wuchsmodellen für Waldbestände grundlegend gewandelt. Dieses Kapitel behandelt die Entwicklungsreihe von den Reinbestandstafeln nach Schwappach und Wiedemann über Bestandssimulatoren, Verteilungsmodelle, Kleinflächenmodelle, Einzelbaummodellen bis zu ökophysiologischen Prozessmodellen und Hybridmodellen für Rein- und Mischbestände. Diese Entwicklungsreihe spiegelt ein fortschreitendes Wissen über die Baum- und Bestandsdynamik wider. Sie repräsentiert aber auch die Erweiterung des forstlichen Nachhaltigkeitsverständnisses von der flächenbezogenen Holzproduktion hin zur Abbildung eines breiten Spektrums von Prozessen, Funktionen und damit erbrachten ökosystemaren Wirkungen und Leistungen.

Am Beispiel des Simulators SILVA wird ein Simulationslauf vom Einlesen der Start- und Steuerungswerte bis zur Ausgabe dendrometrischer, ökonomischer und ökologischer Ausgabegrößen vorgestellt. Es wird die Entwicklung eines Fichten-Buchen-Mischbestands simuliert und mit standortgleichen Reinbeständen aus Fichte bzw. Buche verglichen. Vor dem routinemäßigen Einsatz in Ausbildung, Wissenschaft und forstlicher Praxis und parallel dazu sollte die Validierung des biometrischen Modells durch den Vergleich mit Versuchsflächen und Inventurdaten, mit biologischen Gesetzmäßigkeiten und Erfahrungswissen stehen. Die Treffgenauigkeit wird dabei durch die Verzerrung und Präzision von Prognosen validiert.

Am Beispiel der Betriebsplanung und Forsteinrichtung wird gezeigt, wie Simulatoren zur rekursiven Planung und Entwicklung nachhaltiger Waldentwicklung über den 10-jährigen Planungszeitraum hinaus beitragen können. Bestandssimulatoren können außerdem wirkungsvoll zur Entwicklung von Pflegerichtlinien beitragen; insbesondere dann, wenn es für die angestrebten Sollzustände und waldbaulichen Vorgehensweisen noch keine Muster- oder Anschauungsbeispiele gibt. Beispielsweise können mit Simulationsmodellen die Konsequenzen von neuartigen Durchforstungsvarianten oder Überführungsmethoden von Altersklassenwald in Dauerwald nachgebildet werden. Bei ausreichender Standort- und Klimasensitivität erlauben Simulatoren Szenariorechnungen zu Auswirkungen von Klimaänderungen auf das Waldwachstum und es können auch Anpassungsmaßnahmen an Klimaänderungen ausprobiert werden. Gezeigt werden die Auswirkungen der Klimaänderungen auf das Wachstum der Fichte in Bayern und die Begründung von Fichten-Buchen-Mischbeständen als gegensteuernde Maßnahme.

Modelle machen das zuvor aus Versuchen oder Inventuren abgeleitete und dann in Parameter biometrischer Gleichungssysteme übersetzte Detailwissen für die Anwendung in Ausbildung, Wissenschaft und forstlicher Praxis verfügbar. Auf diese Weise wird in hoch verdichteter Form Wissen zurückgeführt und nutzbar gemacht, das zuvor im Detail und mit großem Aufwand gesammelt wurde. Simulationsläufe und Szenarien können zum Lernen, Verstehen, und zur Entscheidungsstützung beitragen.

In diesem Kapitel werden Methoden zur Diagnose von Wachstums- und Zuwachsstörungen und Ergebnisse auf Baum- und Bestandsebene vorgestellt. Es werden dafür Daten von Inventuren, langfristigen Versuchsflächen, temporären Probeflächen, Bohrkernen und Stammanalysen verwendet. Die mutmaßlich gestörten Entwicklungsverläufe von Einzelbäumen oder Beständen werden mit einem normalen Entwicklungsgang verglichen, der unter ungestörten Verhältnissen zu erwarten wäre und als Referenz dient. Der Vergleich zwischen zu beurteilendem Entwicklungsgang und Referenz erlaubt die Datierung und Quantifizierung der Wachstumsreaktion und kann die Identifikation der Störungsursachen unterstützen. Je nach Art der vermuteten Störung, dem räumlichen und zeitlichen Ausmaß der Störung und den verfügbaren Informationsgrundlagen über u. a. Zuwachsgang, Klimazeitreihen, Grundwasserganglinien oder Immissionsmessungen bieten sich unterschiedliche Diagnoseverfahren an. Die Anwendung reicht von der Überprüfung forstwirtschaftlicher Modelle und Planungsgrundlagen über die ökologische Dauerbeobachtung bis zu gerichtlichen Beweissicherungsverfahren. Unterschiede zwischen den Verfahren bestehen v. a. darin, wie etwaige Anfangsunterschiede zwischen gestörten und normalen Entwicklungsverläufen, die u. a. durch Dimensions-, Alters- und Bonitätsunterschiede gegeben sein können, eliminiert werden. Ein weiterer Unterschied besteht darin, wie sie den Effekt des nachzuweisenden Störfaktors von allgemein wirkenden Faktoren wie Klima, Witterung oder Konkurrenzsituation im Wald trennen. Die Wahl dieser oder jener Methode hat beträchtliche Auswirkungen auf die erzielte Genauigkeit und die Kosten.

Die Gewinnung und die praktische Nutzung von Wissen vollziehen sich in der Waldwachstumsforschung, wie in den Naturwissenschaften im Allgemeinen, in den in Abb. 12.1 bezeichneten Schritten, die nebeneinander und nacheinander ablaufen oder ineinandergreifen können. Obwohl der Weg von der Versuchsplanung über die Messung bis zum Modell und der Ableitung von Gesetzen mehr von naturwissenschaftlicher Intuition als von der skizzierten logischen Abfolge geprägt ist, ist ein Basiswissen über den Erkenntnisprozess, wie es im Folgenden vermittelt wird, für den Naturwissenschaftler unverzichtbar. Denn es hilft, eigene Untersuchungen zielgerichteter und widerspruchsfreier abzuwickeln, und liefert außerdem das Rüstzeug für einen kritischen Umgang mit Forschungsansätzen und -ergebnissen anderer Wissenschaftler. In diesem Kapitel werden die folgenden acht Schritte der Schaffung von Wissen und des Transfers von Wissen in die Praxis behandelt: 1. Beobachtung, Messung, Sammlung von Daten; 2. Beschreibung und Fragen; 3. Formulierung von Hypothesen über Einzelaspekte des Waldwachstums; 4. Hypothesenprüfung; 5. Verdichtung von Einzelaspekten zu einer Modellvorstellung vom Ganzen; 6. Hypothesenprüfung durch Simulation; 7. Modellanwendung für Wissenschaft, Praxis und Ausbildung; 8. Weiterentwicklung von Theorien, Gesetzmäßigkeiten, Regeln.