VDI 3959 Blatt 1-2008 Vegetation as an indicator of nitrogen input - Assessment of nitrogen availability by Ellenberg indicator values of forest ground vegetation.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREVegetation als Indikator fr Stickstoffeintrge Bewertung der Stickstoffverfgbarkeit durch Ellenberg-Zeigerwerte der Waldbodenvegetation Vegetation as indicator of nitrogen input Assessment of nitrogen availability by Ellenberg indicator values of forest ground vegetation VDI

2、 3959Blatt 1 / Part 1Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishKommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdLArbeitsgruppe Biodiversitt als Indikator fr Luftschadstoffe und Klimagase VDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 1a: Maximale Immissions-Werte VDI-RICHTLINIENZu bezi

3、ehen durch / Available at Beuth VerlagGmbH,10772BerlinAlleRechtevorbehalten/AllrightsreservedVereinDeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2008Vervielfltigung auch fr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedICS 13.040.20 Dezember 2008December 2008Frhere Au

4、sgabe: 09.07Entwurf,deutschFormer edition: 09/07 Draft, in German only Der Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundes-anzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen.Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The draft of this guideline has been subject to publi

5、c scrutinyafter announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation. Inhalt SeiteVorbemerkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . .

6、. . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . 32 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1 Wald . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 kologische Gradienten . . . . . . . . . . 42.3 Ellenberg-Zeigerwerte. . . . . . . . . . . 43 Grundlage des Verfahrens . . .

7、. . . . . . . 53.1 Anwendung des Verfahrens auf Wald-kosysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2 Aussagekraft des Verfahrens . . . . . . . 64 Durchfhrung des Verfahrens . . . . . . . . 74.1 Planung der Stichprobe . . . . . . . . . . 74.2 Lokalisierung und Markierung . . . . . . 94.4 Auswertung .

8、. . . . . . . . . . . . . . . 114.5 Bestimmung des Eutrophierungsstatus der Aufnahmen . . . . . . . . . . . . . . 115 Qualittssicherung . . . . . . . . . . . . . . 156 Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . 16Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Contents PagePreliminary note

9、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Scope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1 Forest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Ecological gradients . . . . . . . . . . . . 42.3 E

10、llenberg indicator values . . . . . . . . . 43 Fundamentals of the procedure . . . . . . . . 53.1 Application of the procedure to forest ecosystems . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2 Informative value of the procedure . . . . 64 Execution of the procedure . . . . . . . . . . 74.1 Sampling frame

11、. . . . . . . . . . . . . . 74.2 Location and marking . . . . . . . . . . . 94.4 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . 114.5 Determination of the eutrophication status of the relevs . . . . . . . . . . . 115 Quality assurance . . . . . . . . . . . . . . 156 Documentation . . . . . . . . . . . .

12、 . . . . 16Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2008 2 VDI 3959 Blatt 1 / Part 1VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-ach

13、tung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig,sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrungdes Urheberrechts und unte

14、r Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in denVDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.EinleitungDie Stickstoffverfgbarkeit (im Folgenden wirdStickstoff als N“ abgekrzt) ist einer der

15、wichtigstenStandortfaktoren, der die Funktionen und die Arten-zusammensetzung der Vegetation mageblich steu-ert. Von Natur aus begrenzte sie im temperiertenKlima die Produktivitt der meisten terrestrischenkosysteme. Aufgrund von Emissionen aus Land-wirtschaft und Verbrennung bertreffen die aus derLu

16、ft eingetragenen N-Verbindungen seit Lngeremdie aus dem natrlichen Kreislauf bereitgestelltenMengen. So werden in Deutschland im Mittel20 kg N ha1a1bis 40 kg N ha1a1eingetragen,durchschnittlich zu etwa gleichen Teilen in Form oxi-dierter (NO3, NO2) und reduzierter (NH4+, NH3)Verbindungen, wobei der

17、Trend in Richtung hhererAnteile reduzierter N-Spezies geht. Das N-beran-gebot erhht die Produktivitt bislang N-limitierterSysteme. Diesem in Land- und Forstwirtschaft nichtunwillkommenen Effekt steht ein umfangreichesBndel von Gefahren fr Mensch und Umwelt ge-genber 1; 2. Neben direkten Gewebeschden

18、, dienur direkt in Emittentennhe unter akuter Belastungzu erwarten sind, sind Bodenversauerung, erhhterNO3-Austrag ins Grundwasser und erhhte Spuren-gasemmissionen (N2O) groflchige Folgen. N-ber-versorgung macht Waldbume fr Herbivoren undParasiten attraktiver und kann Mangel an anderenNhrstoffen (P,

19、 K, Mg) induzieren.Ein anhaltendes N-berangebot fhrt zum umfassen-den Umbau der Lebensgemeinschaften zu Lasten deran N-Mangel angepassten Tier- und Pflanzenartenhin zu konkurrenzkrftigen, nitrophilen Arten. DieseEutrophierung ist eine Hauptgefhrdung der biologi-schen Vielfalt in Industrielndern: Meh

20、r als 70 % derin Deutschland bedrohten Gefpflanzen-Arten derRoten Liste sind N-Mangelzeiger 3. N-limitiertePreliminary noteThe content of this guideline has been developed instrict accordance with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including thos

21、e of reprinting,reproduction (photocopying, micro copying), storagein data processing systems and translation, either ofthe full text or of extracts.The use of this guideline without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditionsspecified in the VDI notices (www.vdi-rich

22、tlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this guideline.IntroductionNitrogen availability (nitrogen is abbreviated as “N”in the following text) is one of the principal habitatfactors determining the functions and the speciescomposition of vegetation. By nature i

23、t limits the pro-ductivity of most terrestrial ecosystems in the tem-perate climate zones. Owing to emissions from agri-culture and combustion the amounts of N compoundsoriginating from the air have long exceeded the quan-tities supplied by the natural cycle. Thus, in Germanythe average deposition o

24、f nitrogen is 20 kg N ha1a1to 40 kg N ha1a1, roughly half in the form of oxi-dised (NO3, NO2) and half in the form of reducedcompounds (NH4+, NH3), with the current trendpointing in the direction of higher proportions of re-duced N species. An excessive supply of N raises theproductivity of hitherto

25、 N-limited systems. This ef-fect, while not entirely undesirable in agriculture andforestry, is counterbalanced by an extensive array ofhazards for humankind and the environment 1; 2.Apart from direct tissue damage, which is only to beexpected on acute exposure in the immediate vicinityof the emitte

26、r, the widespread consequences are soilacidification, increased NO3release into groundwa-ter, and increased trace gas emissions (N2O). Excessof nitrogen makes forest trees more attractive for her-bivores and parasites, and can induce deficiency ofother nutrients (P, K, Mg). A persistent N excess lea

27、ds to radical restructuring ofbiological communities at the expense of animal andplants species which have adapted to an N deficit andin favour of highly competitive nitrophilic species.Such eutrophication is a major threat to biodiversityin industrialised countries: More than 70 % of the en-dangere

28、d vascular plant species on the red list ofthreatened species in Germany are N-deficiency indi-B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2008 VDI 3959 Blatt 1 / Part 1 3 Waldkosysteme wie Sand-Kiefernwlder gehr

29、enzu den am strksten gefhrdeten Pflanzengesellschaf-ten Mitteleuropas 4 und beherbergen neben gefhr-deten Farn- und Bltenpflanzen zahlreiche stenkeTier- und Pilztaxa 5. Das Verschwinden von Ex-tremstandorten und die Angleichung der Habitate aufeinem Niveau hoher N-Versorgung vermindert diebeta-Diver

30、sitt und frdert die biotische Homogeni-sierung auf Landschaftsebene 6.Whrend Eintrge, Verfgbarkeit und Austrge vonStickstoff mit hohem Aufwand nur in punktuellenFallstudien bestimmbar sind, bietet sich die Zusam-mensetzung der Pflanzendecke als Ausdruck derN-Eutrophierung an. Zahlreiche Freilandunte

31、rsu-chungen und Expositionsexperimente belegen diepositive Korrelation zwischen der Hhe der N-Depo-sition und den N-Gehalten in pflanzlichen Geweben.Die artspezifischen N-Gehalte in Blttern kommen inden fr alle Farn- und Bltenpflanzen Mitteleuropasvon Ellenberg 7 definierten N-Zeigerwerten zumAusdru

32、ck. Schlielich ist durch eine Reihe von Feld-studien belegt, dass die natrliche Vegetation aufStickstoffdeposition mit Vernderungen im Zeiger-wertspektrum reagiert 8; 9; 10. 1 AnwendungsbereichDie Auswertung der N-Zeigerwerte von Pflanzenar-ten ist als Nachweis von Eutrophierung in Waldko-systemen b

33、esonders geeignet, weil in Wldern aufgrund der groen aerodynamischen Rauigkeitbesonders viel N aus der Luft eingetragen wird, die N-Verfgbarkeit auer bei Kompensations-kalkungen nicht gezielt durch Dngung gesteu-ert wird, die Bodenvegetation nicht gezielt durch Saat,Pflanzung, Mahd, Beweidung oder P

34、flanzen-schutzmittel gesteuert wird und strende Eingriffe durch Ernte und Befahrung inrelativ geringer Frequenz erfolgen.Die Methode eignet sich zum Nachweis von rumli-chen Gradienten und zeitlichen nderungen imN-Angebot, z.B. im Rahmen von Umweltbeobach-tungsprogrammen wie Bundeswaldinventur, Boden

35、-zustandserhebung oder der kologischen Flchen-stichprobe.cators 3. N-limited woodland ecosystems such aspine forests on sand number among the most endan-gered plant communities of central Europe 4 andare not only home to endangered vascular plants butalso to numerous stenoecerous animal and fungalta

36、xa 5. The disappearance of extreme sites and thetrend towards uniformity of habitats at a high N sup-ply level reduces the beta-diversity and promotes bi-otic homogenisation on the landscape level 6. Whereas inputs, availability, and losses of nitrogencan only be determined pointwise with great effo

37、rt incase studies, the composition of the ground vegeta-tion reflects the level of N eutrophication. Numerousfield studies and exposure experiments confirm thepositive correlation between the level of N depositionand the N contents in plant tissues. The species-spe-cific N contents in leaves are exp

38、ressed in the N-indi-cator values defined for all vascular plants of CentralEurope by Ellenberg 7. Finally, a number of fieldstudies have demonstrated that the natural vegetationreacts to nitrogen deposition with shifts in the indica-tor value spectrum 8; 9; 10. 1ScopeThe evaluation of N-indicator v

39、alues of plant speciesis particularly suitable for detection of eutrophicationin forest ecosystems, because in forests particularly large amounts of N are depositedfrom the air owing to the pronounced aerody-namic roughness, N availability is not purposely controlled by ferti-lisation apart from com

40、pensatory liming, the ground vegetation is not purposely controlledby sowing, planting, mowing, grazing, or use ofplant protection agents, and disturbances due to harvesting and passage of ve-hicles are comparatively rare.The method is suitable for the detection of spatialgradients and temporal chan

41、ges in N supply, e.g.within the framework of environmental observationprogrammes such as the German federal forest inven-tory, soil survey, or ecological area sampling. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dssel

42、dorf 2008 4 VDI 3959 Blatt 1 / Part 12 Grundlagen2.1 WaldEs wird der Definition der FAO nach 11 gefolgt.Demnach umfasst der Begriff Wald Naturwlder undForstplantagen. Er bezieht sich auf Landflchen miteiner Baumkronenberschirmung von mehr als 10 %und einer Mindestflche von 0,5 ha. Wlder sinddurch da

43、s Vorhandensein von Bumen und das Feh-len anderer vorherrschender Landnutzungen defi-niert. Die Bume sollten eine Mindesthhe von 5 merreichen. Jungbestnde, die noch nicht von denenes aber spter anzunehmen ist eine Kronenber-schirmung von 10 % und eine Baumhhe von 5 m er-reicht haben, fallen ebenso u

44、nter den Begriff Waldwie vorbergehend unbestockte Flchen.Der Begriff schliet Waldbestnde verschiedenerNutzung und Funktion ein (Holzproduktion, Natur-schutz, Windschutz, Erosionsschutz). Er schlietaber speziell Bestnde zur landwirtschaftlichen Nut-zung, z.B. Obstbaumplantagen, sowie Parks undGartena

45、nlagen aus.2.2 kologische Gradientenkologische Gradienten sind Geflle wesentlicherUmweltfaktoren, die das Wachstum von Pflanzen so-wie die Struktur und Taxazusammensetzung vonPflanzenbestnden bestimmen. Im Unterschied zueinzelnen bodenkundlichen oder klimatologischenMessgren bndeln Gradienten komple

46、xe Ursa-chengeflechte zu Faktoren gleicher Wirkung. EinBeispiel ist das Angebot an pflanzenverfgbarem N,das von zahlreichen Zustands- und Prozessvariablenabhngt und messtechnisch nur punktuell und/oderkurzfristig erfassbar ist.2.3 Ellenberg-ZeigerwerteEllenberg-Zeigerwerte von Pflanzentaxa geben der

47、enVorkommenoptimum im Freiland entlang von kolo-gischen Gradienten in der Regel als ordinale Zahlzwischen 1 und 9 an. Die Nhrstoff- bzw. Stickstoff-zahl N liegt fr das gesamte Artenspektrum der Farn-und Bltenpflanzen und Flechten 7 und fr Teileder Moosflora Mitteleuropas vor. Sie bezeichnet daskolog

48、ische Optimum bezglich des geschtztenpflanzenverfgbaren Angebots an Makronhrstoffen,insbesondere Mineralstickstoff (NO3und/oder NH4+,siehe Tabelle 1).Pflanzentaxa, die kein eindeutiges Optimum bezg-lich der N-Versorgung besitzen, werden durch dasSymbol X“ (indifferent), Taxa mit ungeklrtem Ver-halte

49、n mit ?“ gekennzeichnet; beide Gruppen blei-ben von Zeigerwertberechnungen ausgeschlossen.Fr Mitteleuropa steht eine umfassende Zeigerwert-2 Fundamentals2.1 ForestThe FAO definition of forests as given in 11 is ap-plied here. Accordingly, the term forest covers natu-ral forests and forest plantations. It refers to land witha tree canopy cover o