Integrität von Wald- und Forstökosystemen unter dem Einfluss von Klimawandel und ­atmosphärischen Stickstoffeinträgen – Teile I–III

Bisher erfolgt die Erfassung des Zustands terrestrischer Ökosysteme überwiegend für ausgewählte Strukturen (z.B. Kompartimente wie Baumkronen, Boden), Funktionen (z.B. Sickerwasser­filterung, Habitatfunktion) oder Belastungen (z.B. atmosphäri­sche Stoffein­trä­ge oder Klimaänderungen). Ein umfassenderer Ansatz wurde in einem Forschungsvorhaben entwickelt (Jenssen et al. 2013). Das Verfahren soll eine integrative Analyse und Einstufung der Integrität von Wald- und Forstökosystemen unter Einfluss von Klimawandel und atmosphärischen Stickstoffeinträgen für Umwelt- und Naturschutzzwecke ermöglichen. Es wird in dieser dreiteiligen Beitragsserie dargestellt.

Die Anwendung von Erkenntnissen der Wissenschaften setzt voraus, dass deren Begriffe operational definiert und damit quantitativ fassbar sind. So wie theoretische Konzepte von Gesundheit bzw. Krankheit ohne konkrete Methoden zu ihrer Erfassung und Behandlung in einem konkreten medizinischen Bedarfsfall nicht weiterhelfen, so wenig nützen auch die besten Konzepte von Ökosystemintegrität im Umwelt- und Naturschutz nichts ohne ihre Operationalisierung (Messbarmachung). Diese quantitative Fassbarkeit setzt in der Regel voraus, die Vielfalt der Ökosysteme zu klassifizieren und den Zustand von Repräsentanten jeweils interessierender Ökosystemtypen anhand messbarer Merkmale ihrer Funktionen und Strukturen – also durch Indikatoren – zu quantifizieren und anhand geeigneter Referenzsysteme einzustufen (Schröder & Hoffmann 2008).

Der in dieser Artikelserie vorgestellte Ansatz zur Erfassung und Einstufung ökologischer Integrität basiert auf einer Typisierung von Wald- und Forstökosystemen. Diese Ökosystemtypisierung ist ebenso wie die Quantifizierung des aktuellen Zustands sowie eines ökosystemspezifischen Referenzzustands anhand ausgewählter Ökosystemfunktionen und zugeordneter Indikatoren Gegenstand von Teil I der Beitragsserie. In ihm wird unter dem Titel Typisierung von Wald- und Forstökosystemen als Grundlage für die Einstufung ihrer Integrität auch die Abschätzung der Ökosystemintegrität durch den Vergleich der aktuellen Zustände des jeweiligen Ökosystemtyps mit dessen Referenzzustand dargestellt.

Die Referenzzustände werden in Teil II der Artikelserie (Projektion zukünftiger Ökosystemzustände unter dem Einfluss von Klimawandel und atmosphärischen Stoffeinträgen) auch für die Schätzung möglicher zukünftiger Ausprägungen der Indikatoren unter dem Einfluss des Klimawandels und atmosphärischer Stoffeinträge verwendet. Die zukünftigen Zustände werden dafür mit dem Simulationsmodell Very Simple Dynamic (VSD) Soil Acidification Model (Posch und Reinds 2009) berechnet. Monitoring- und Modellierungsergebnisse können so durchgängig für eine integrative Analyse und Einstufung von Zustand und Entwicklung der Wald- und Forstökosysteme im Vergleich mit einem Referenzzustand verwendet werden.

In Teil III Prädiktive Kartierung und naturschutzfachliche Analyse klimawandelbedingter Veränderungen von Wald- und Forstökosystemen in Deutschland wird eine Methode zur bundesweiten Kartierung klimabedingter Veränderungen von Ökosystemtypen in Deutschland bis zum Jahr 2070 vorgestellt. Der Modellierungsansatz beruht auf Classification and Regression Trees und stützt sich auf flächendeckend verfügbare Geoinformationen zu Klima, Boden und vegetationskundlichen Merkmalen.

Introduction

Climate change and atmospheric deposition can modify ecosystem structures and functions in such a way that ecosystem integrity is affected. Characteristics of ecosystem integrity are the ability for self-organising, functionality and the concordance of abiotic and biotic properties with the respective regional natural potential (identity) (Jenssen et al. 2013; Kay 1991; Müller 2004).

So far, assessments of terrestrial ecosystems have mainly focused on selected structures (e.g. compartiments such as tree crowns, soil), functions (e.g. filtering of seepage water, habitat function) or ecological impacts (e.g. deposition, climate change). Based on a research project (Jenssen et al. 2013), parts I-III of the series deal with a methodology intended to enable a more comprehensive analysis of the integrity and the chronological development of forest ecosystems in the framework of environmental and nature protection.

The application of scientific knowledge presumes that scientific concepts and terms are operationalized, i.e. underpinned with a methodology which enables measuring the part of reality the concept (term) is referring to. As health concepts without operationalization remain without any therapeutic benefit, so does the concept of ecosystem integrity in environmental and nature protection. Any application of ecosystem integrity for practical purposes needs the classification of ecosystems covering a wide range of functional and structural features. Additionally, ecological functions and structures which are regarded constitutive for ecosystem integrity in most cases cannot be monitored in total but only partly. Thus, functional and structural ecological indicators are to be defined and measured and related to reference systems for grading observed or projected ecosystem integrity.

To this end, a classification of forest ecosystems in Germany was implemented and ecological indicators were quantified by data collected within environmental monitoring programmes. Part I Typification of forest ecosystems as basis for estimating their integrity explains this ecosystem classification. It describes how it may be used as framework for the quantification of the eco­system-specific current and reference status relying on selected ecosystem functions and associated indicators. Exemplarily, the integrity of 33 ecosystem types was estimated by comparing their current ecological status with respective reference conditions.

Part II deals with Projecting potential future conditions of forest ecosystems exposed to climate change and atmospheric nitrogen deposition. It models the future status of selected indicators under the impact of climate change and deposition to estimate ecosystem integrity in the future. To this end, the Very Simple Dynamic (VSD) Soil Acidification Model (Posch and Reinds 2009) was used.

Thereby, monitoring and modelling data were used for an integrative evaluation of the integrity of seven representative ecosystems by comparing their current and future ecosystem status with their respective reference status. The scenarios of potential future ecosystem developments cover the years up to 2070.

Part III deals with Predictive Mapping and evaluation induced by climate change potential impacts in forest ecosystems in Germany with regard to nature protection. The methodology relies on Classification and Regression Trees applied to nation-wide geo-­information on climate soils and vegetation.

Literatur

Jenssen, M., Hofmann, G., Nickel, S., Pesch, R., Riediger, J., Schröder, W. (2013): Bewertungskonzept für die Gefährdung der Ökosystemintegrität durch die Wirkungen des Klimawandels in Kombination mit Stoff­einträgen unter Beachtung von Ökosystemfunktionen und -dienstleistungen. Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Forschungsvorhaben 3710 83 214, UBA-FB 001834. UBA-Texte 87/2013. Dessau, Textband + 9 Anhänge, 1-381.

Kay, J.J. (1991): A nonequilibrium thermodynamic framework for discussing ecosystem integrity. Environ. Manage. 14 (4), 483-495.

Literatur

Müller, F. (2004): Ecosystem indicators for the integrated management of landscape health and integrity. In: Joergensen, S.E., Constanza, R., Fu-Liu, X., eds., Ecological indicators for assessment of ecosystem health, Boca Raton, 277-303.

Posch, M., Reinds, G.J. (2009): A very simple dynamic soil acidification model for scenario analyses and target load calculations. Environ. Model. & Softw. 24, 329-340.

Schröder, W., Hoffmann, F. (2008): Wissenschaftstheoretische Grundlagen der Beobachtung von GVO-Umweltwirkungen. Umweltwiss. Schadst.-Forsch. 20, 2-8.