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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-68484
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/6848/


Albrecht, Axel

Sturmschadensanalysen langfristiger waldwachstumskundlicher Versuchsflächendaten in Baden-Württemberg

Forest storm damage analyses in Southwestern Germany using long-term experimental growth and yield plot data

Dokument1.pdf (3.546 KB) (md5sum: 60dbb7ba62693cd58797d6f29828c6cd)

Kurzfassung in Deutsch

Aufgrund der großen Bedeutung von Sturmschäden für die Waldbewirtschaftung wurde eine bislang noch nicht zur Analyse von Sturmschäden ausgewertete Datengrundlage, die langfristigen waldwachstumskundlichen Versuchsflächen in Baden-Württemberg, analysiert. Die zwei Hauptziele der vorliegenden Dissertation lauteten:
Evaluierung und Erweiterung des bestehenden BWI-Modells für Sturmschäden durch Sturm Lothar in Baden-Württemberg (Schmidt 2006, Schmidt et al. 2009) anhand waldwachstumskundlicher Versuchsflächendaten
Erstellen eines Erklärungs- und Prognosemodells für Sturmschäden anhand langfristiger Sturmschadensdaten waldwachstumskundlicher Versuchsflächen in Baden-Württemberg mit besonderer Berücksichtigung der Schadabhängigkeit von der waldbaulichen Behandlung.
Der Datensatz der langfristigen waldwachstumskundlichen Versuchsflächen beinhaltet ca. 900.000 Baumbeobachtungen zwischen ca. 1890 und 2007 mit Schwerpunkt auf der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts. In diesem Datensatz sind ca. 20.000 sturmgeschädigte Bäume enthalten, die vorwiegend auf die Stürme Wiebke (1990) und Lothar (1999) entfallen. Eine Differenzierung von Windwurf und Bruch ist nicht dokumentiert. Fichte (47%) und Douglasie (21%) stellen zusammen mit ca. zwei Dritteln den größten Baumartenanteil im gesamten Datensatz dar. Kiefer und Lärche sind zusammen mit ca. 12 %, Buche und Tanne mit je ca. 8 % vertreten. Geringe Anteile entfallen auf die Eiche (ca. 2%). Die Besonderheit des Datensatzes liegt in der gleichzeitigen Verfügbarkeit einzelbaumweiser und bestandesweiser dendrometrischer Größen sowie Informationen über die waldbaulichen Eingriffe. Bei der Auswertung kamen CART-Methoden (classification and regression trees, Entscheidungsbäume) und statistische Modellierung zum Einsatz.
Das Vorgehen bei der statistischen Modellierung kann folgendermaßen charakterisiert werden: Im Rahmen der Erweiterung des vorhandenen BWI-Modells für Schäden durch Sturm Lothar (Ziel 1) wurde getestet, ob Prädiktoren der Versuchsflächendaten, die bei der Entwicklung des BWI-Modells nicht zur Verfügung standen, weitere Beiträge zur Erklärung von Sturmschäden liefern. Im Rahmen der Erstellung des Erklärungs- und Prognosemodells anhand langfristiger Versuchsflächendaten (Ziel 2) wurde ein vierstufiges Modellierungskonzept eingesetzt, um das Auftreten von Sturmschäden allgemein, das Auftreten von flächigen Sturmschäden sowie das Auftreten von Einzelbaum- und kleinflächigen Schäden zu untersuchen.
Die wesentlichen Ergebnisse bezüglich der Evaluierung des BWI-Modells anhand von Versuchsflächendaten für Sturm Lothar (Ziel 1) lieferten die Erkenntnis, dass die im Modell enthaltenen Effekte auch die Trends in den Versuchsflächendaten korrekt wiedergeben. Insgesamt überschätzte das BWI-Modell das Sturmrisiko auf den Versuchsflächen jedoch mäßig. Im Zuge der Modellerweiterung wurde festgestellt, dass insbesondere die eingriffsbasierten Variablen deutliche Modellverbesserungen erlauben.
Im Zuge der Erstellung des Erklärungs- und Prognosemodells für Sturmschäden anhand langfristiger Versuchsflächendaten (Ziel 2) zeigten sich folgende Ergebnisse:
- Die Baumarten- und Baumhöheneffekte haben auch für die Erklärung von Sturmschäden mehrerer Sturmereignisse den größten Einfluss.
- Der erhebliche Einfluss (ca. 20%) der waldbaulichen Eingriffe ließ sich vorwiegend durch die relative Entnahmestärke während der fünf bzw. zehn Jahre vor dem Sturmereignis quantifizieren.
- Die Wirkung des Durchforstungsquotienten im Modell weist insbesondere bei größeren Bestandeshöhen (Vorratspflege) auf labilisierende Einflüsse von Eingriffen ins Herrschende hin.
- Die einzelbaum- und bestandesweisen h/d-Werte lieferten widersprüchliche Ergebnisse. H/d-Werte werden generell als ungeeignet für die Beschreibung von Sturmschäden bzw. Windwurfschäden eingestuft. Eine Trennung von Bruch- und Wurfschäden war im Datenmaterial nicht dokumentiert und daher in der Analyse nicht abbildbar.
- Die Sturmgefährdung der Douglasie erscheint auf der Grundlage der Versuchsflächendaten mindestens ebenso hoch wie die der Fichte. Die deutlich höheren Schadensanteile bei Douglasie im Vergleich mit denen der Fichte sind mutmaßlich auf standörtliche Verhältnisse zurückzuführen, so dass die Annahme generell höherer Sturmschadensdisposition für Douglasie verfrüht wäre.
- Einzelbaumdaten besitzen offensichtlich geringen Erklärungswert für das Sturmrisiko, sofern bestandesweise präzise Kenngrößen vorliegen.
Es folgt die Diskussion des Datenmaterials, der verwendeten Methoden und der Übertragbarkeit der Ergebnisse. Aus den Ergebnissen werden Schlussfolgerungen für die waldbauliche Behandlung aus Sicht der Sturmrisikominimierung sowie für die Sturmschadensforschung abgeleitet.


Kurzfassung in Englisch

Due to the severe impact of storm damage on forest management, this dissertation focuses on the analysis of storm damage based on data from long-term experimental growth and yield plots in Southwestern Germany. The two main objectives of this study are:
- Evaluation and extension of an existing storm damage model (Schmidt) using experimental plot data. The existing storm damage model had originally been developed based on systematic sample data of the National Forest Inventory (NFI) describing storm damage of the 1999 winter storm ‘Lothar’.
- Modeling storm damage based on the long-term experimental plot data containing several storm events, with special focus on the impact of silvicultural interventions on the severity of storm damage.
The data set of the long-term experimental growth and yield plots contain 900,000 observations between 1890 and 2007, primarily after 1950. It contains approximately 20,000 trees damaged predominantly by two storms in 1990 and 1999. Windthrow and snap are not documented separately. Norway spruce (47%) and Douglas fir (21%) constitute two thirds of the data, Scots pine and larch species (European and Japanese larch) together amount to 12 %, and European beech and Silver fir each represent 8 %. Oak species (Sessile and Pedonculate oak) only represent a small proportion of the data (2 %). Special features of the data source are the availability of dendrometric single tree and stand data as well as precise documentation of the silvicultural interventions. For the analyses we applied data mining methods and statistical empirical modeling.
The modeling approaches of the two main objectives can be characterized as follows:
For the extension of the existing NFI-model for single storm damage data (1999 storm) additional potential predictor variables in the experimental plot data were tested, which had not been available with the original NFI data. Model improvement by those predictors was quantified.
A four-stage modeling concept was applied to model storm risk of the long-term experimental plot data, analyzing the general occurrence of storm damage and the occurrence of total, partial and tree-level storm damage.
Results
Evaluating the existing NFI-model for single storm event data showed good general correspondence between the modeled effects and the observed phenomena responsible for storm damage in the experimental plot data (only 1999 damage data). In total, though, the NFI model overestimated storm risk for the experimental plots moderately. Including two additional predictor variables that were only available in the experimental plot data improved model predictions to a medium extent.
Developing the modeling system for the long-term damage data yielded the following results:
- The effects of tree species and tree height have the largest impact on storm damage data, even if considering multiple damage events.
- The significant influence of silvicultural interventions (approximately 20%) can be quantified by the relative intensity of thinnings during the five, and sometimes up to ten years preceding the storm event.
- The effect of the thinning quotient (mean diameter of removed trees/mean diameter of all trees prior to thinning) suggests that interventions removing trees from the dominant classes significantly destabilize stands, especially during the late stand developmental phases when the stands have reached considerable stand heights.
- The single tree and stand-specific h/d ratios had inconsistent effects. While the h/d ratio may be unsuitable for characterizing the dynamic phenomena involved in turnover, it is assumed that it indicates rather well the more static incident of stem snap. However, these two different forms of storm damage were not recorded separately in the data and could consequently not be differentiated.
- The storm risk of Douglas fir appears to be at least as high as the risk of Norway spruce, based on experimental plot data. While the storm damage in Douglas fir stands even exceeded the damage encountered in Norway spruce stands, it should not be concluded that Douglas fir as a tree species is generally more prone to storm damage then Norway spruce. The reason is that the Douglas fir stands in the experimental plot data on average grow on sites that are in general considered more difficult for developing a deep root architecture and thus tend to develop less firm anchorage than on the Norway spruce sites.
- Single tree data apparently carry little information explaining storm risk, if precise stand level data are available.

A discussion of the reliability of the data sources and the suitability of the applied methods follows the presentation of the results. Conclusions for the silvicultural treatment – from the viewpoint of minimizing storm risk – and for storm damage research are deduced from these results.


SWD-Schlagwörter: Sturmschaden , Risikomanagement , Modellierung , Forstwirtschaft , Waldbau , Forstertrag
Freie Schlagwörter (deutsch): statistische Modellierung , classification and regression trees , waldbauliche Behandlung , Windwurf , Windbruch
Freie Schlagwörter (englisch): storm damage , windthrow , Germany , empirical modeling , data mining
Institut: Institut für Forstökonomie
Fakultät: Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften
DDC-Sachgruppe: Land- und Forstwirtschaft, Veterinärmedizin
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Hanewinkel, Marc (Prof. Dr.)
Quelle: Albrecht, Axel: Sturmschadensanalysen langfristiger waldwachstumskundlicher Versuchsflächendaten in Baden-Württemberg, Schriftenreihe Freiburger forstliche Forschung Band Nr. 42, 174 S., ISBN 978-3-933548-43-6
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 25.06.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 15.09.2009
Bemerkung: Printversion verfügbar bei fva-bw( at )forst.bwl.de (kostenpflichtig)
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