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Trajectory analysis of long-term changes in the nutritional status of a Scots pine stand

  • Jörg Prietzel
  • Christian Kölling
Article

Abstract

For the Scots pine (Pinus sylvestris L.) stand Pustert (Bavaria, Germany), the temporal change in its nutritional status as assessed by foliar analysis is analyzed using different techniques of statistical data evaluation and graphical representation. The procedures include new methods such as the development of adequate trajectories and their combination with an improved “Timmer and Stones graphical diagnostic system” as well as with a Principal Component Analysis (PCA). This mothod of data evaluation and presentation has several advantages: (i) It allows to visualize the dynamics of a multi-dimensional data set in two-dimensional graphs. Additionally, (ii) it provides a tool to easily identify various types of temporal changes in tree nutrition as e.g. nutrient insufficiency, luxury consumption, and dilution. Finally (iii), it enables the reader to distinguish quickly between non-systematic inter-annual variation, episodic cyclic changes, and systematic trends in the nutritional status of a forest stand.

For the studied site, three major changes in the nutritional status of the Scots pine stand during the past 30 years could be identified: (i) a concomitant improvement of its N and P nutrition between 1964 and 1980 was observed, primarily reflecting the recovery of the ecosystem from past intensive litter-raking and other exploitative forest utilization. We also recognized (ii) a trend towards an unbalanced nutrient supply induced by excessive gains of the ecosystem in N compared to other major nutrients particularly after 1980, which is probably due to elevated atmospheric N deposition. In particular, we noticed (iii) a continuous dilution of the Ca concentrations in the foliage. Obviously, Ca uptake could not keep pace with the increased biomass accumulation.

Key words

foliar analysis forest nutrition graphical diagnostic systems Scots pine time-series trajectories 

Trajektorienanalyse von Langzeitveränderungen des Ernährungszustandes eines Kiefernbestands

Zusammenfassung

Diese Arbeit untersucht die Langzeitveränderungen des aus Nadelspiegelwerten abgeleiteten Ernährungszustands eines 115jährigen Kiefernbestands in der Oberpfalz (Bayern) auf einem von Natur aus armen, durch langjährige Streunutzung zusätzlich stark devastierten Standort. Hierbei handelt es sich um die Kontrollflächen des Meliorationsversuchs DV 235 „Pustert“, ca. 50 km N von Regensburg (Podsol-Pseudogley aus pleistozänem Schlufflehm über tonigen tertiär verwitterten Oberkreidesedimenten). Der Untersuchungszeitraum umfaßt die Jahre 1964 bis 1995. Unter erstmaliger Anwendung neuentwickelter statistischer Auswertungs- und graphischer Darstellungsverfahren werden wesentliche Prozesse der zeitlichen Dynamik der Nährelementversorgung des Bestands herausgearbeitet. Unsere Untersuchungen fußen auf einer von 1964 bis 1995 erhobenen Zeitreihe der Spiegelwerte wichtiger Nährelemente (N, P, K, Ca, Mg) sowie der 100-Nadel-Paar-Gewichte (Trockensubstanz) halbjähriger Nadeln flächenrepräsentativer Bäume. Diese Daten werden in Form von Trajektorien (Verbindungslinien aufeinanderfolgender Zustände in einem mindestens zweidimensionalen Merkmalsraum) in verschiedenartigen Koordinatensystemen graphisch veranschaulicht. Die Achsen der Koordinatensysteme bilden je nach Auswertungsmodus entweder ein modifiziertes Diagnosesystem nach Timmer und Stone oder aber sie stellen die erste und zweite Hauptkomponente des zugrundeliegenden Datensatzes dar. Dieser erstmalig vorgestellte Ansatz der Darstellung von Zeitreihen aus Nadelspiegelwerten weist im Vergleich zu bisher verwendeten Verfahren folgende Vorteile auf: 1. Er erlaubt es, die Dynamik von mehrdimensionalen Datensätzen in zweidimensionalen Abbildungen klar zu veranschaulichen. 2. Mittels dieser Darstellungweise können verschiedenartige Typen der zeitlichen Veränderung im Ernährungszustand von Wäldern, wie z. B. die Behebung eines wachstumslimitierenden Nährelementmangels, Luxuskonsum bzw. Speicherung, Verdünnungseffekte u. a., auf einfache Weise identifiziert werden. 3. Schließlich ermöglicht sie es dem Betrachter, rasch festzustellen, ob eine beobachtete Veränderung (a) lediglich Bestandteil der normalen Variation innerhalb einzelner Probeahmejahre ist, ob sie (b) eine episodisch auftretende, i. d. R. zyklische Abweichung von der normalen interannuellen Variation darstellt, oder ob sie (c) einem systematischen Trend folgt.

Für den Untersuchungsstandort Pustert konnten drei wesentliche Veränderungen im Ernährungszustand der aufstockenden Kiefern isoliert und verschiedenartigen Einflußfaktoren zugeordnet werden.

(1) In der ersten Hälfte des Untersuchungszeitraums, d. h. von 1964 bis ca. 1980, verbesserte sich die Versorgung der aufstockenden Kiefern mit N und P in etwa gleichem Ausmaß; außerdem stiegen die durchschnittlichen Nadelgewichte und die Wuchsleistung des Bestandes drastisch an. Diese Veränderung spiegelt die allmähliche Erholung des Ökosystems von der jahrhundertelang intensiv betriebenen Streunutzung wider, die erst wenige Jahre vor Beginn der Untersuchung endete. Die Streunutzung war mit einem starken Export von Humus einschließlich des darin gebundenen Nährelementkapitals (v. a. N und P) aus dem Ökosystem verbunden. Nach ihrer Beendigung wuchsen der Humuspool im Ökosystem sowie die Vorräte dieser Elemente in Abhängigkeit von ihrer spezifischen Eintrags-Austragsbilanz allmählich wieder an. Auch die ökologischen Bedingungen für Bodenlebewesen verbesserten sich; infolgedessen stieg deren Aktivität (z. B. Humusmineralisation).

(2) Aufgrund erhöhter atmogener N-Einträge stieg die N-Ausstattung des Ökosystems und die N-Versorgung des aufstockenden Bestandes im Vergleich zu anderen Hauptnährelementen (p, K, Mg, Ca) erheblich schneller. Dies hatte v. a. in der zweiten Hälfte des Untersuchungszeitraums (ca. ab 1980) eine sich andeutende Unausgewogenheit in der Ernährung der Kiefern mit N einerseits und mit P, K, Mg und Ca anderseits zur Folge.

(3) Für Ca war in der Untersuchungsperiode ein kontinuierlich ablaufender Verdünnungseffekt zu konstatieren. Offenbar konnte die Ca-Aufnahme der Bäume nicht mit der nach Behebung des wachstumslimitierenden N-Mangels erhöhten Biomassensynthese Schritt halten.

Unsere Studie verdeutlicht die Möglichkeiten und Grenzen der ökologischen Dauerbeobachtung von Waldbeständen mittels Nadel- bzw. Blattanalysen. Sie unterstreicht überdies die hervorragende Eignung von Langzeit-Datenreihen des Ernährungszustands von Waldbeständen als zuverlässige Indikatoren von Veränderungen im Bioelementhaushalt der betreffenden Ökosysteme. Hier sind gegenwärtig v. a. die Kontrollparzellen von vor längerer Zeit angelegten Düngungs- und Meliorationsversuchen als Studienobjekte attraktiv; in Zukunft werden jedoch auch in jüngster Zeit eingerichtete Dauerbeobachtungsflächen z. B. des Level-II-Netzwerks verstärkte Bedeutung gewinnen.

Schlüsselwörter

Graphische Diagnosesysteme Nadelanalyse Trajektorien Waldernährungszustand Waldkiefer Zeitreihe 

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Copyright information

© Blackwell Wissenschafts-Verlag 1998

Authors and Affiliations

  • Jörg Prietzel
    • 1
  • Christian Kölling
    • 2
  1. 1.Lehrstuhl für Bodenkunde und Standortslehre der Ludwig-Maximilians-Universität MünchenFreising
  2. 2.Bayerische Landesanstalt für Wald und ForstwirtschaftFreising

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