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Research Collection
Doctoral Thesis
Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Nadeldichte,Zuwachsleistung und Nährstoffversorgung bei der Fichte unterbesonderer Berücksichtigung des Ionentransportes im Splintsaft
Author(s): Joos, Katrin Andrea
Publication Date: 1997
Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-001763243
Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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ETH Library
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DISS. ETH Nr. 12117
UNTERSUCHUNG DER ZUSAMMENHÄNGE ZWISCHEN NADEL¬
DICHTE, ZUWACHSLEISTUNG UND NÄHRSTOFFVERSORGUNG
BEI DER FICHTE UNTER BESONDERER BERÜCKSICHTIGUNG
DES IONENTRANSPORTES IM SPLINTSAFT
ABHANDLUNG
zur Erlangung des Titels
DOKTORIN DER NATURWISSENSCHAFTEN
vorgelegt von
KATRIN ANDREA JOOS
Dipl. Biol., Universität Basel
geboren am 5. März 1959
von Niederurnen GL
Angenommen auf Antrag von
Prof. Dr. L. J. Kucera
Prof. Dr. S. Fink
1997
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Hill
ETHICS ETH-BIB
00100003171777
183
-e.'
; Projektrahmen und Ziel
Das vorliegende Forschungsprojekt fand im Rahmen der 'Flankie¬
renden Massnahmen 92-95' zu den Waldzustandserhebungen statt und wurde
vom BUWAL finanziert. Ausgeführt wurde die Arbeit an der ETH Zürich, EMPA
St. Gallen und WSL Birmensdorf, teilweise erfolgte sie in Zusammenarbeit mit
der Albert-Ludwigs-Universität in Freiburg i.Br. im Projekt 'ARINUS'. Fremdda¬
ten wurden vom IAP Schönenbuch zur Verfügung gestellt.
„„ „,,.Die Studie hatte zum Inhalt, die Tauglichkeit von Splintsaft und
Splintholz als Spiegel der individuellen Nährstoffversorgung zu evaluieren und
den Elementgehalt (K, Ca, Mg, Mn, P, S) in Beziehung zu andern in der Beur¬
teilung des Baumzustandes gebräuchlichen Parametern zu setzen. Hierzu
wurden der Nadelverlust, die Nadelelementgehalte, der Radialzuwachs und die
elektrische Leitfähigkeit von Kambium und Splintholz herangezogen.
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Material und Methoden " '
Die Untersuchungen wurden an Fichten ausgeführt, die aus ver¬
schiedenen Düngeversuchsflächen der achtziger Jahre stammten:
Methodische Aspekte der Elementanalyse von Splintholz und Splint¬
saft wurden an insgesamt 28 gefällten, knapp adulten Bäumen aus dem
Schwarzwald geprüft (Schluchsee und Villingen). Die Elementanalysen fanden
mittels ICP-AES an Splintsaft statt, der mit der Verdrängungsmethode gewon¬
nen wurde, sowie an Splintholz- und Kambiumproben aus Stammscheiben. Der
Holzaufschluss verlief unter Druck in Salz- und Salpetersäure.
Ökologische Aspekte standen bei 94 adulten bis seneszenten Bäu¬
men unter drei verschiedenen Nährstoffregimen aus den Bündner Alpen im
Vordergrund (Alvaneu), wo die Untersuchungen möglichst zerstörungsarm
ausgeführt wurden. Das Kronenbild wurde gemäss Sanasilva-Richtlinien ta¬
xiert. Die Zuwachsanalysen erfolgten an je einer Bohrprobe pro Baum unter
Berücksichtigung von Alterstrend, Gleichläufigkeit und weiteren dendrochrono-
logischen Analyseverfahren. Die elektrische Leitfähigkeit wurde mit dem Vita¬
mat" zweifach als Radialprofil in situ gemessen. Die Nährstoffanalysen von
Splintholz bedienten sich zweier kurzer Bohrproben pro Baum.
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Resultate und Schlussfolgerungen
Im Vergleich zu den Spiegelwerten von Splintsaft liegen jene von
Splintholz um ein 5-50faches höher; gegenüber den Elementgehalten in
Splintholz sind sie im Kambialbereich 5-25mal und in den Nadeln um
10-30mal höher. Zwischen den verschiedenen Geweben korrelieren die Ele¬
mentgehalte unterschiedlich miteinander. Von der Ruhe- zur Mobilisationspha¬se (Mai bzw. Juni) nimmt der Nährstoffgehalt im Splintsaft zu, in Splintholz und
Kambium hingegen ab. Im Splintholz unterliegen die Spiegelwerte vor allem im
Bereich der zuletzt gebildeten Jahrringe einem radialen Gradienten, der ele¬
mentspezifisch unterschiedlich stark steigt (Ca, Mn) oder fällt (K, P, S, Mg). Die
Konzentrationsgefälle werden nur quantitativ von Standort und Jahreszeit be-
einflusst.
Im Vergleich zu den ungedüngten Fichten erhöhen sich bei den mi¬
neralisch-organisch gedüngten Bäumen die Splintholzspiegelwerte von P, K,
Mg. Die Nährstoffzufuhr wirkt sich sowohl auf die Nadeldichte, als auch auf den
Radialzuwachs und die elektrische Leitfähigkeit des Kambialbereichs signifi¬kant positiv aus. Diese Parameter sind untereinander denn auch zweifelsfrei
korreliert. Zwischen den mit Rindenkompost behandelten Fichten und den
Kontrollbäumen ist in keinem der vier Parameter ein Unterschied evident.
Die Ergebnisse lassen darauf schliessen, dass sich der allgemeineBaumzustand in allen vier Parametern abzeichnet. In den multiplen Beziehun¬
gen dürfte den Splintholzspiegeiwerten die Position der unabhängigsten aller
untersuchten Variablen zukommen, während die andern Parameter komplexen
Abhängigkeitsverhältnissen unterworfen sind.
Die Befunde bestätigen die praxisrelevante Bedeutung von
Splintholzanalysen, zumal sich in der vorliegenden Arbeit düngebedingte Un¬
terschiede im Nährstoffgehalt des Splintholzes deutlicher abzeichnen als in
den Nadeln. Unabdingbar ist die Standardisierung von Probennahme und Pro¬
benmaterial sowie die Schaffung breit abgestützter Referenzdaten hinsichtlich
mangelhafter bzw. überreicher Nährstoffversorgung. Die Erarbeitung von
Grenzwerten, wie sie für Nadel-/Blattanalysen vorliegen, setzt nicht nur die
artspezifische, sondern auch eine saisonale Differenzierung voraus, um künfti¬
ge Waldernährungsstudien und Erfolgskontrollen von Düngemassnahmen nicht
auf eine bestimmte Jahreszeit fixieren zu müssen.
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ISUMMÄRY
Scope and subject of the study
The presented investigation took place within the framework of the
'Flanking measures 92-95' of the forest State inventory and was subsidized by
the Federal Departement of Forest and Landscape. The study was jointly car-
ried out by at the Swiss Federal Institute of Technology in Zürich, the Swiss
Federal Laboratories for Materials Testing and Research in St. Gallen and the
Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research in Birmens¬
dorf. Part of the study was worked up in co-operation with the Albert-Ludwigs-
University in Freiburg i.Br. enbedded in the research project 'ARINUS'. Some of
the data were obtained from the Institute of Plant Biology in Schönenbuch.
The subject of the study was to prove the representativeness of the
element content of sapwood and sap to the nutritional State of the tree, and to
find correlations between other parameters common in tree State inventories
like needle loss, element content of the needles, radial increment and electrical
conductance of the cambium and the sapwood.
Materials and methods
The study was made with Spruce trees which have been growing in
several test areas for forest fertilization:
For the methodological aspects conceming the nutrient element
analysis of sapwood and sap a total of 28 adult Spruce trees were felled at two
locations in the Black Forest (Schluchsee and Villingen, Germany). The sap
was extracted from the wood by means of displacement. Sapwood and cambi¬
um tissue were digested under pressure with hydrochlorid and nitric acids and
analysed by ICP-AES.
Ecological aspects were studied in fertilization test areas in the Gri-
son Alps (Alvaneu, Switzerland), where 94 adult to senescent Spruce trees
were investigated by methods as little destructive as possible. The State of the
crown was evaluated along the guidelines of Sanasilva. One core taken by an
increment borer served for the tree-ring analysis, other two Short cores of the
outer sapwood were taken for the element analysis. The tree-ring analysis
comprised the determination of tree age, tree-ring width, ageing trend, sensitivi-
ty, sign test (Gleichläufigkeit) and interval trend. The electrical conductance
was measured with the Vitamat® in two radial profiles per tree.
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Results and conclusions
Compared to the element concentration in the sap, the element
content of the sapwood was 5-50 times higher. In the cambial zone the ele¬
ment content was 5 - 25 times higher, and in the needles it was 10-30 times
higher than in the sapwood. The correlations of the element contents among
the tissues varied depending on the element. Between May and June, just be¬
töre and after budbreak, the mineral concentration in the sap increased, while it
decreased in the sapwood and the cambium. Mainly in the youngest tree-rings,there was a radial gradient in the element concentration which increased to-
wards the heartwood for Ca and Mn and decreased in K, P, S, and Mg.
In comparison to the control group, the element content in the sap¬
wood of Spruce trees treated with mineral-organic fertilizer was higher for P, K,
and Mg only. The fertilization had a significant, positiv effect on needle loss,
radial growth, and electrical conductance of the cambial zone. No differences
were found between the control group and Spruce trees treated with bark
mulch.
The results attest the representativeness of all four parameters with
regard to the tree State. Among the interrelations the element content of the
sapwood seems to be most independent, while the other variables show com-
plex correlations.
The findings prove the relevance of element analysis of sapwood, as
in sapwood the differences in the element content due to fertilization found to
be stronger than in needles. Standardization of sampling and material as well
as the establishment of reference data are essential. The determination of the
limits of low and high sapwood element contents are needed, as they already
exist for needles and leaves. For the purpose of Controlling forest nutritional
conditions and fertilization effects, variations in element concentrations with
regard to tree species and season of the year have to be taken into considera-
tion.
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Contexte et objectifs du projet
Le present projet de recherche s'inscrit dans le cadre des mesures
d'accompagnement 92-95 relatives aux analyses d'etat des forets et a ete
finance par l'OFEFP. Les travaux ont ete effectues ä l'EPFZ, au Laboratoire
federal des essais de materiaux de Saint-Gall, ä l'lnstitut federal de recherches
sur la foret, la neige et le paysage de Birmensdorf et partiellement en collabo-
ration avec l'Universite Albert Ludwig ä Fribourg-en-Brisgau dans le cadre du
projet 'ARINUS'. Des donnees externes ont ete mises ä disposition par l'lnstitut
de biologie vegetale de Schönenbuch.
Le projet se proposait d'evaluer la representativite" des conditions
nutritionnelles de la seve et du bois d'aubier comme parametre d'analyse de
l'etat des arbres et de mettre la teneur en elements nutritifs (K, Ca, Mg, Mn, P,
S) en rapport avec d'autres parametres habituellement utilises pour
l'appreciation de l'etat des arbres. Les quatre parametres de comparaison re-
tenus ont ete la perte d'aiguilles, la teneur en elements nutritifs des aiguilles, la
croissance radiale et la conductibilite electrique du cambium et du bois
d'aubier.
Materiel et methodes
Les examens ont ete effectues sur des epiceas provenant de diffe-
rentes surfaces d'essai traitees aux substances fertilisantes dans les annees
quatre-vingts.
Les aspects methodologiques de l'analyse des elements nutritifs de
la seve et du bois d'aubier ont ete festes sur un total de 28 arbres adultes
abattus en Foret-Noire (Schluchsee et Villingen, Allemagne). Ces analyses ont
ete effectuees au moyen d'un spectrometre ICP-AES sur la seve d'aubier ex-
traite avec la methode de deplacement ainsi que sur des Schantillons de bois
d'aubier et de cambium mis en digestion sous pression avec de l'acide chlor-
hydrique et de l'acide nitrique.
L'etude des aspects ecologiques portait sur 94 arbres adultes et
senescents situes dans les Alpes grisonnes (Alvaneu, Suisse) et soumis ä trois
regimes nutritionnels differents. Pour les analyses et prelevements, on a choisi
des methodes susceptibles de limiter les eventuels dommages et/ou destruc-
tions ä un strict minimum. L'aspect de la couronne a ete evalue conformement
aux directives de Sanasilva. Les examens de croissance ont ete effectues sur
188
des prglevements de carottes de sondage (une par arbre) compte tenu de di¬
vers procädäs d'analyses dendrochronologiques. La conductibilite" glectrique a
6t6 mesuree deux fois in situ comme profil radial ä l'aide du Vitamat. Pour les
analyses des eläments nutritifs du bois d'aubier, deux courtes carottes de son¬
dage ont ete preleväes sur chaque arbre.
Resultats et conclusions
La teneur en elements nutritifs du bois d'aubier est 5 ä 50 fois pluselevee que celle enregistree dans la seve d'aubier. Comparee au bois d'aubier,
la teneur en elements nutritifs est 5 ä 25 fois plus elevee dans la zone cam-
biale et 10 ä 30 fois plus eleve'e dans les aiguilles. Entre les divers tissus, les
teneurs en substances nutritives varient dans leur correlation. De la phase de
repos ä la phase de mobilisation (mai, voire juin), la teneur en Clements nutritifs
dans la seve d'aubier augmente alors qu'elle diminue dans le bois d'aubier et
le cambium. Dans le bois d'aubier, la teneur en substances nutritives se
präsente sous forme d'un gradient radial, notamment au niveau des cernes les
plus räcents. Suivant les Clements, le gradient radial augmente (Ca, Mn) ou
diminue (K, P, S, Mg). L'influence de l'emplacement et des Saisons sur les
6carts de concentration n'est que de nature quantitative.
Compargs aux äpicäas des Sites non fertilisäs, les arbres ayant fait
l'objet d'une fumure organo-minärale enregistrent une augmentation de la te¬
neur en P, K, Mg. L'apport d'äläments nutritifs a une influence positive signifi-cative tant sur la densite des aiguilles que sur la croissance radiale et la con¬
ductibilite' älectrique dans la zone cambiale. Ces parametres sont donc claire-
ment en corrälation. Entre les äpiceas traitäs au compost d'6corces et les
arbres tämoins, aucune difference n'a pu etre constatee pour aucun des quatre
parametres.
Les resultats permettent de deduire que l'etat general des arbres se
reflete dans les quatre parametres. Dans les rapports multiples, les teneurs en
elements nutritifs du bois d'aubier representent la variable la plus indepen-
dante de toutes Celles examinees, alors que les autres parametres sont sujets
ä des rapports d'interdäpendance complexes.
Les resultats confirment l'importance pratique des analyses de bois
d'aubier, d'autant plus que dans le cadre du präsent travail, les differences
dues ä la fumure dans la teneur en substances nutritives apparaissent plus
clairement dans le bois d'aubier que dans les aiguilles. II s'avere indispensablede Standardiser le prelevement d'gchantillons et le mateViel ainsi que la Consti¬
tution de donnöes de r6f6rence repräsentatives de l'apport excessif et/ou
däficitaire d'eMements nutritifs. La däfinition de valeurs seuil, telles que Celles
disponibles pour l'anaiyse des aiguilles et des feuilles, präsuppose une diffe-