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3.  Methoden

3.1. Vegetation

3.1.1. Auswahl der Untersuchungsflächen

3.1.1.1. Vorplanungen

Vor der Auswahl der Untersuchungsflächen erfolgten umfangreiche Recherchen zu

Die endgültige Selektion von Untersuchungsflächen richtete sich in erster Linie nach dem Untersuchungsziel und praktischen und theoretischen, z.B. statistischen, Erfordernissen. Für die Einrichtung fester Dauerbeobachtungsflächen bzw. Dauertransekte entschied zu großen Anteilen die räumliche Nähe zu sog. „Teststandorten“ anderer Fachdisziplinen des Verbundprojektes (s.u.). Hierdurch ergaben sich vielfältige Optionen des Datenaustausches und der Korrelation von vegetationskundlichen und abiotischen, v.a. bodenkundlichen, Messwerten.

3.1.1.2. Versuchsflächenauswahl

Dauerbeobachtungsflächen (DBF) und Transekte

Fest eingemessene und wiederholt aufgenommene Dauerbeobachtungsflächen wurden sowohl für standorts- wie auch für nutzungsbezogene Untersuchungen eingerichtet. Eine Vorauswahl möglicher Orte innerhalb des Untersuchungsgebiets wurde nach eingehender Geländebegehung getroffen. Hierfür wurde das Untersuchungsgebiet in drei standörtliche Hauptzonen – Deichvorland, Qualmwasserzone und Deichhinterland – eingeteilt.

Tab. 3 : Lage der Dauerbeobachtungsflächen und Untersuchungsprogramm.

„Testfläche“

Dauerbeobachtungsflächen

Lage

Untersuchungen

Bearbeitungszeitraum

s. Kapitel

02 „Lütkenwisch“

Nutzungsexperimente N1, N2 und N3

DV

A, B, D

1997-1999

4.3

Transekte T 5, T 6 und T 7

DV

B, C

1998-1999

4.1, 4.4

weitere Untersuchungsflächen außerhalb der Testflächen

„Mattei“

Transekt T 1

DH/QW

B, C

1998

4.4

„Halbe Drift“

Transekt T 2

DH

B, C

1998

4.4

Lage

Untersuchungen

DV

Deichvorland

A

allogene Sukzession (Nutzung)

 

DH

Deichhinterlan

B

spezifische Standortbedingungen von Grünlandgesellschaften

 

DH/QW

Deichhinterland/Qualmwasserzone

C

vertikale Zonierung der Grünlandvegetation

 
 

D

spezifische Erträge von Grünlandgesellschaften

 


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Die endgültige Festlegung der Untersuchungsflächen, orientierte sich weitgehend an sog. „Testflächen“ (s.u.), die in gemeinsamen Geländebegehungen aller Projektteilnehmer im Frühjahr 1997 eingerichtet wurden (s. Abb. 7). Tabelle 3 fasst die Dauerbeobachtungsflächen der vorliegenden Untersuchungen zusammen.

Insgesamt wurden innerhalb des Verbundprojekts fünf solcher „Testflächen“ eingerichtet. Ausschlaggebend für deren Auswahl war, dass sie die verschiedenen Fragestellungen des Untersuchungsgebiet, den standörtlichen Gegensatz zwischen Deichvorland und Deichhinterland sowie Grünland und Auenwald bzw. Auenwaldreste, repräsentierten und dass sie gut erreichbar waren. Allen Testflächen ist eine dort installierte bodenkundliche Intensivmeßstation gemeinsam. Die unmittelbare Nähe der Untersuchungsflächen (v.a. Dauerbeobachtungsflächen) aller Teildisziplinen erlauben es, die erhobenen abiotischen und biotischen Daten miteinander zu korrelieren bzw. unmittelbare Wirkungszusammenhänge zu identifizieren.

Nutzungsexperimente

In Hinblick auf die geplante Deichrückverlegung wurden die Nutzungsversuche auf das bereits überflutungsgeprägte Deichvorland beschränkt. Die konkrete Festlegung der Probeflächen erfolgte im Winter 1996/1997. Da zu diesem Zeitpunkt eine Ansprache über Vegetationsreste nur sehr schwer möglich war und keine detaillierten Kartierungsergebnisse vorlagen, wurde als Auswahlkriterium vornehmlich die Geländehöhe herangezogen. Weiterhin wurde darauf geachtet, dass für die einzelnen Versuchsglieder das Gelände eben und gleich hoch lag, um standörtliche Gradienten auszuschließen. Soweit sichtbar, wurde die Homogenität der Vegetation als Entscheidungskriterium mit einbezogen.

Transekte

Transekte wurden für die Untersuchung standörtlicher Gradienten im Grünland eingerichtet. Sie wurden so ausgewählt, dass zwischen Anfangs- und Endpunkt einerseits einen möglichst großer Höhen(Gradienten)unterschied, andererseits ein möglichst geringes Gefälle und keine „Sprünge“ (Geländekanten) lagen. Die Vegetation spielte für die Auswahl keine Rolle. Insofern kann die Auswahl der Flächen als zufällig und ihre Analyse in multivariaten Analyseverfahren als zulässig gelten.

Kartierung

Ziel der Kartierung war es, die im Untersuchungsgebiet vorhandenen Grünlandgesellschaften zu beschreiben und zu klassifizieren. Für die Flächenauswahl im Gelände galten die üblichen Kriterien für pflanzensoziologische Aufnahmen, vornehmlich die Homogenität des Pflanzenbestands und die Ungestörtheit des Standorts.

Weitere Vegetationsaufnahmen

Um die Rolle der landwirtschaftlichen Nutzung und der Bodenarten auf die Entwicklung der Vegetation im Deichvorland zu prüfen, wurden weitere Vegetationsaufnahmen im Übergangsbereich vom Grünland zu Röhrichtbeständen und Hochstaudenfluren entlang des Elbufers angefertigt. Alleiniges Kriterium war die Homogenität der Bestände (auch Übergangsstadien).


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Abb. 7 : Räumliche Verteilung der Grünland-Untersuchungsflächen und „Testflächen“ im Untersuchungsgebiet (aus: Neuschulz, Puprs & Hape 1999, verändert).

3.1.2. Einrichtung der Dauerbeobachtungsflächen

Der Einsatz von Dauerbeobachtungsflächen erlaubt es, Veränderungen in der Vegetationszusammensetzung direkt mit den auf die Bestände wirkenden Nutzungsformen bzw. Standortsveränderungen zu korrelieren (Borggräfe 1995). Im vorliegenden Projekt werden Dauerflächen dazu verwendet, verschiedene Bewirtschaftungsvarianten auf deren Wirkung auf die Grünlandvegetation des Deichvorlandes zu untersuchen, um daraus Bewirtschaftungsempfehlungen für die Landnutzung im projektierten Rückdeichungsgebiet und Deichhinterland abzuleiten.

Zudem sollen weitere Dauerbeobachtungsflächen darüber Aufschluss geben, in welcher Weise die auenspezifischen Standortschwankungen (Überflutung, Überstauung, Stoffeinträge) Witterungseinflüsse die Artenzusammensetzung des Graslandes im Jahresverlauf und über den gesamten Untersuchungezeitraum hinweg beeinflussen (s. Kap. 3.1.4 – Transekte).

Dauerbeobachtungsflächen in den Nutzungsexperimenten

Obwohl in der Vegetationskunde bereits seit geraumer Zeit Langzeituntersuchungen durchgeführt werden und auch Vorschläge für eine Vereinheitlichung gemacht wurden (vgl. Pfadenhauer et al. 1986, Schmidt 1974), gibt es bisher keine standardisierte Methodik für die Einrichtung von Dauerbeobachtungsflächen. Generell lassen sich bezüglich der Flächengröße und Anlage drei verschiedene Ansätze unterscheiden: 1. die Orientierung am Minimumareal typischer Ausprägungen von Pflanzengesellschaften (z.B. Schiefer 1981), 2. einzelne oder mehrere kleinflächige Dauerquadrate, die zwar nicht unbedingt das Kriterium des Minimumareals erfüllen, aber eine genaue Schätzung der Deckungsgrade bzw. Abundanzen erlauben (z.B. Dierschke 1985 und Hellberg 1995) oder 3. die Anlage von Dauerflächen in Transektform, mit der sich neben der zeitlichen auch die räumliche Variabilität von Vegetationsveränderungen erfassen läßt (z.B. Pfadenhauer et al. 1986 und Zelesny 1994).

In jüngerer Zeit und insbesondere bei der Beobachtung von Feuchtgrünlandvegetation haben sich Methoden durchgesetzt, bei der die beiden ersten Ansätze in gleicher Weise berücksichtigt werden (z. B. Rosenthal 1992, Kapfer 1988, Schwartze 1992, Borggräfe 1995).


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Die Anlage der Dauerbeobachtungsflächen in der vorliegenden Arbeit folgt im wesentlichen dem zweiten o. g. Ansatz. Es wurden folgende Prämissen zu Grunde gelegt:

Die Dauerbeobachtungsflächen (DBF) wurden vorwiegend im Jahr 1997, weitere nach Auswertung der Vegetationskartierung erst 1998 angelegt. Die Flächen in den Nutzungssimulationen im Lütkenwischer Werder (N 1 - N 3) sind jeweils aus 6 x 12 m groß (s. Abb. 8). Sie bestehen aus zwei Hälften, von denen eine die 2 x 2 m großen Aufnahmeflächen für die Vegetation trägt (vgl. Kap. 3.1.3), während der innere, 4 x 4 m große Bereich der andere Hälfte destruktiven Untersuchungen (Phytomasseernte - vgl. Kap. 4.8) vorbehalten ist. Die Vegetationsaufnahmeflächen sind durch jeweils zwei bzw. einen Meter breite Pufferzonen gegenüber störenden Einflüssen bei der Bearbeitung direkt angrenzender Dauerquadrate geschützt; hier wurden auch Proben zur Bestimmung bodenchemischer und -physikalischer Parameter entnommen.

Abb. 8: Schematische Darstellung der Dauerbeobachtungsflächen (DBF) in den Nutzungsexperimenten.

Wie Tabelle 4 und Abb. 9 zeigen, wurden in vier verschiedenen Höhenstufen je sechs (drei*1) Dauerbeobachtungsflächen pro Versuchsglied eingerichtet. Im Interesse der Übersichtlichkeit und zügigen Bearbeitbarkeit wurden je drei der Dauerbeobachtungsflächen zu einer Einheit zusammengefasst. Um graduelle standörtliche Gradienten auszugleichen, alterniert die Orientierung der Vegetationsquadrate.


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Tab. 4: Versuchsflächen in den Nutzungsexperimenten.

Pflanzengesellschaft

Geländehöhe

Bewirtschaftung

Versuchsglied

Anzahl der DBF

Leucanthemo-Rumicetum thyrsiflori, wechselfrische bis halbtrockene Ausprägung

hoch

Mähweide

N 1.1 & 1.4

6

zweischürige Mahd

N 1.2 & 1.3

6

Leucanthemo-Rumicetum thyrsiflori, wechselfrische bis wechselfeuchte Ausprägung

mittel bis hoch

Mähweide

N 2.1

3

zweischürige Mahd

N 2.2

3

Elytrigia repens-Alopecurus pratensis-Gesellschaft, wechselfeucht

mittel bis tief

Mähweide

N 2.4

3

zweischürige Mahd

N 2.3

3

Phalaridetum arundinaceae, wechselfeucht bis wechselnass

tief

Mähweide

N 3.3 & 3.4

6

zweischürige Mahd

N 3.1 & 3.2

6

In Bezug auf den ersten Nutzungstermin geschah die Bewirtschaftung der Versuchsglieder angepasst an die Routine des landwirtschaftlichen Betriebes und die geltenden Naturschutzauflagen. Während des Untersuchungszeitraums lag die erste Mahd jeweils um den 15. Juni (Wiesenbrüter-richtlinie I; vgl. Kap. 4.3.1). Der zweite Bewirtschaftungstermin, d. h. der Beginn der Nachbeweidung der Kontrollflächen bzw. der zweite Schnitt auf den Versuchsgliedern mit zweischüriger Mahd, lag in der Regel um den 20. August, also etwa 10 Wochen später.

Der erste Schnitt geschah durch Scheibenmähwerke mit einer Schnitthöhe von etwa 2-4 cm über dem Boden. Das Mähgut wurde in der Regel als Anwelksilage verarbeitet, d. h. gewendet, geschwadet und nach 24-48 Stunden mit Hilfe eines Häckslers geborgen und zerkleinert. Nur vereinzelt wurde das Mähgut geheut. Die reinen Mahdflächen wurden anschließend mit mobilen Elektrozäunen eingefriedet, um sie gegen Beweidung zu schützen.

Der zweite Schnitt wurde mit einem Einachs-Balkenmäher mit einer Schnitthöhe von ca. 4-6 cm durchgeführt. Die Flächen wurden aus arbeitstechnischen Gründen anschließend sofort per Hand abgeräumt.

Alle Versuchsglieder wurden unmittelbar vor jeder Nutzung, d. h. jeweils (Anfang) Mitte Juni und Mitte August bearbeitet. Die Datenaufnahme umfasste

Markierung und Wiederauffindung der Dauerflächen

Alle Dauerbeobachtungsflächen wurden an den Eckpunkten und alle Transekte am jeweiligen Anfangs- und Endpunkt mit Holzpflöcken markiert, welche eine rasche Wiederauffindung für die Bearbeitung erlaubten. Um die Wiederauffindbarkeit der Probeflächen auch im Falle des Verlusts der Pflöcke durch Mahd oder Viehtritt sicherzustellen, wurden an den Pflöcken in einer Tiefe von 10 cm zusätzlich Eisenstücke und Dauermagneten vergraben. Die Eisenstücke konnten mit einem handelsüblichen Metalldetektor wiederaufgefunden werden. Allerdings standen den weitaus geringeren Anschaffungskosten gegenüber Magnetdetektoren eine geringe Reichweite (ca. 0,1-02 m Anzeigeradius gegenüber ca. 3 m) gegenüber, die den Suchaufwand mitunter stark vergrößerten.

Alle Flächen wurden von festen Geländepunkten (bes. Weidepfählen) aus mit Kompass und Maßband eingemessen und kartografisch erfasst.


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Abb. 9: Lage der Versuchsflächen im Lütkenwischer Werder. – Die Versuchsglieder repräsentieren das gesamte Spektrum der flächenbezogen bedeutsamen Grünlandgesellschaften des Deichvorlandes. Die Nähe zur Testfläche Lütkenwisch erlaubt es, die vorherrschenden Standortbedingungen für die Gesellschaften zu beschreiben. Je drei Dauerbeobachtungsflächen (DBF; vgl. Abb. 9) sind zu einer Bearbeitungseinheit zusammengezogen. Ein mobiler Elektrozaum mit festen Eckpfählen erlaubt es, die Versuchsglieder mit zweischüriger Mahdnutzung während der Beweidungsperioden zu schützen. Die Nachbeweidung der Kontrollglieder (Mähweidenutzung) ist in die Routine des Bewirtschafters integriert.

3.1.3. Vegetationsaufnahmen

3.1.3.1. Benennung der Arten

Die vorgefundenen Pflanzensippen sind nach Rothmaler (Schubert et al. [Hrsg.] 1994 u. 1995) benannt; sie entstammen in der Hauptsache den angefertigten Vegetationsaufnahmen und sind, durch zusätzlich notierte Arten (Kartierung) ergänzt, im Anhang tabellarisch (s. Tab. A-2) zusammengefasst.

3.1.3.2. Pflanzensoziologische Aufnahmen

Für die Erstellung der Vegetationskarte und die damit einhergehende Charakterisierung der Vegeta­tion des Untersuchungsgebiets wurden pflanzensoziologische Aufnahmen in der Skala von Wilmanns (1989) angefertigt. Deren zugehörige Skalierung zeigt Tabelle 5 . Die Abundanzklasse „r“ wurde nach projektinterner Absprache nicht vergeben, da sie zum einen nicht wesentlich zum Erkenntnisgewinn in Bezug auf die behandelten Fragestellungen beiträgt (vgl. Pfadenhauer et al. [Seite 21↓]1986), zum anderen weil sie keine Entsprechung in der LONDO-Skalierung hat. Die Transponierung der Aufnahmedaten würde dadurch erschwert.

Die für die Dauerbeobachtungsflächen verwendete Skala (nach Londo 1975, 1984) ist in 10%-Schritte eingeteilt, um auch geringere Artmächtigkeitsverschiebungen nachweisen zu können. Die Skala wurde zusätzlich modifiziert, um sie für tabellarische Vergleiche problemlos in die Braun-Blanquet-Skala überführen zu können. (Dierschke [1994] schlägt vor, die Bedeckungsanteilsklasse 5 [45-55%] der Londo-Skala in 5- [45-50%] und 5+ [50-55%] aufzuteilen. Hiervon wurde jedoch nicht Gebrauch gemacht, da die Zusatzzeichen „-“und „+“ in herkömmlichen computergestützten Tabellenkalkulationsprogrammen zu Rechenfehlern führen können.)

Tab. 5: Verwendete Artmächtigkeitsskalen (grau unterlegt). – Für die Erfassung der Pflanzengesellschaften des Untersuchungsgebiets wurden die Artmächtigkeiten und Abundanzen nach Wilmanns (1989) geschätzt, bei der Bearbeitung der Dauerbeobachtungsflächen und Transekte in einer modifizierten Skala nach Londo (1975, 1984).

Bedeckungsanteil-
Klasse Londo
[%]

mittl.
Bedeck.
[%]

Londo*,
mod.

Wilmanns

Braun-
Blanquet

Anmerkungen zu Wilmanns und
Braun-Blanquet (in Klammern )

0-1

0,5

.1

( r )

r

1 Exemplar, spärlich

0-1

0,5

.1

+

+

1-5 Exemplare, Bedeckung < 1%

1-3

2

.2

1

1

>5 - 50 Exemplare, Bedeckung < 5%

3-5

4

.3

1
2m

1

2m

>5- 50 Exemplare, Bedeckung < 5%
>50 Exemplare, aber Bedeckung < 5%

5-15

10

1

2a

2a

5-15% (5-12,5 %) Bedeckung

15-25

20

2

2b

2b

15-25% (12,5-25%)

25-35

30

3

3

3

 

35-45

40

4

3

3

25-50% Bedeckung

45-50

47,5

5

3

3

 

50-55

52,5

6

4

4

 

55-65

60

7

4

4

50-75% Bedeckung.

65-75

70

8

4

4

 

75-85

80

9

5

5

 

85-95

90

10

5

5

75-100% Bedeckung

95-100

97,5

11

5

5

 

* bei Londo keine Vergabe von Abundanzwerten, nur Bedeckungsgrade!

Die Größe der Aufnahmeflächen betrug bei der Kartierung für Grünland und Röhrichte jeweils
16 m², in den Transekt- und Dauerflächenuntersuchungen wurden 2 x 2 m große Flächen untersucht (vgl. Kap. 3.1.2).

3.1.3.3. Schätzmethode für die Vegetationsbedeckung

Neben den vegetationskundlichen Aufnahmen wurden im Rahmen des Forschungsprojektes eben-falls Ertragsanteilsschätzungen mit Hilfe einer Punktmethode (point intercept-Methode – sog. Zehn-Punkte-Rahmen) durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Methode sind ausführlich in Heinken et al. (2001b) dargestellt.

Um vergleichen zu können, wie genau die Punktmethode die Dominanzverhältnisse bzw. die Anteile der Hauptbestandsbildner der untersuchten Grünlandbestände zu erfassen vermag, ist es nötig, die Schätzmethodik für die pflanzensoziologischen Aufnahmen auf den Dauerbeobachtungsflächen mit dem methodischen Vorgehen beim Einsatz des Zehn-Punkte-Rahmens abzugleichen. Deshalb wurden die Pflanzenbestände in den Aufnahmen so aufgenommen, dass die Gesamtsumme der einzelnen Schichten bzw. der Bedeckungsgrade der Arten zusammen mit den von Vegetation unbedeckten Flächenanteilen genau 100 % ausmacht. Die Schätzung der einzelnen Schichten erfolgte dabei, analog zum Prinzip „erster Treffer zählt“ (s.o.), von oben nach unten, d. h. tiefere Bestandsschichten konnten grundsätzlich nur die Fläche bedecken, die von den jeweils höheren Bestandsschichten nicht in Anspruch genommen wurden.


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Jede Aufnahme beinhaltet neben der Schätzung der Artmächtigkeit der Arten auch die Beschreibung des Bestandsaufbaus (maximale Höhe und Bedeckung der einzelnen Schichten, Flächenanteile von Streue, offenem Boden und offener Wasserfläche).

Frequenzbestimmung mit dem Zehn-Punkte-Rahmen

Da die Schätzung von Bedeckungsgraden trotz der Festlegung eindeutiger Schätzkriterien nicht frei von Fehlern ist, wurde durch Raunkiaer (1913) die Methode der Frequenzbestimmung eingeführt. Die Frequenz ist ein Maß für die Häufigkeit und Verteilung der Individuen einer Art auf einer Fläche. Um sie zu bestimmen, werden in einem homogenen Pflanzenbestand zufällig oder systematisch kleine Aufnahmeflächen, in Grünland meist Kleinquadrate von 0,1-0,5 m² Größe, verteilt und für jede Teilfläche eine Artenliste aufgenommen. Wird nur die Anwesenheit einer Art in einem Quadrat notiert (presence-absence), so ist die Frequenz der betreffenden Art gleich der Anzahl der Quadrate, in denen sie vorkommt, gemessen an der Gesamtanzahl der Quadrate. Ebenso kann jedoch auch die Bedeckung der Arten innerhalb der Teilflächen geschätzt werden (vgl. Fischer 1985). Da die Anzahl hochfrequenter Arten mit steigender Flächengröße zunimmt, sind nur Frequenzbestimmungen mit gleicher Flächengröße (und Flächenanzahl) miteinander vergleichbar (Dierschke 1994).

Bei der Verwendung sogenannter Punkt-Methoden (point quadrat, point frequency oder point intercept) sind die Teilflächen soweit verkleinert, dass nur noch einzelne Punkte aufgenommen werden. Eine Art kann unter der unendlich kleinen Trefferfläche der Nadelspitze also nur noch an- oder abwesend sein (Sutherland 1996). Ursprünglich werden diese Methoden für die Bonitur von Grünland eingesetzt (Du Rietz 1930, Dierschke 1994). Hierbei werden Nadeln in gleichmäßigen Abständen in einen Bestand abgesenkt und für jede Nadel alle Pflanzen notiert, die sie berühren oder von ihr durchbohrt werden.

Vor allem dann, wenn auch seltene Arten erfasst werden sollen, ist die Punktmethode sehr arbeitsaufwendig. Jedoch macht es die jeweilige Fragestellung möglich, den Aufwand zu reduzieren: Für die Beurteilung der Futterqualität sind im Wesentlichen die hochwüchsigen und bestandsbildenden Arten interessant. Seltene und niedrigwüchsige Arten tragen hingegen in weitaus geringerem Maß zur erntbaren Phytomasse bei; insofern kann in Kauf genommen werden, wenn die unteren Bestandsschichten systematisch in ihrer Bedeckung unterschätzt werden.

Analog zu Sutherland (1996) und Lösch (1996) wurde in der vorliegenden Arbeit ein sog. Zehn-Punkte-Rahmen (point frame) eingesetzt: auf einer 1x1 m großen Aufnahmefläche innerhalb des für destruktive Untersuchungen vorgesehenen Teils der Aufnahmefläche wird der Zehn-Punkte-Rahmen fünfmal (bei 10-30-50-70-90 cm) gesetzt. Die Nadeln werden in jeder Reihe nacheinander über den Pflanzenbestand angehoben und wieder abgesenkt. Die Pflanzen(art), die zuerst von der Nadelspitze berührt wird, wird als Treffer notiert (Prinzip „erster Treffer zählt“), so dass insgesamt 50 Treffer pro Aufnahmefläche gezählt werden. Auch Streue, unbedeckter Boden und offene Wasserfläche werden als Treffer gewertet.

3.1.3.4. Syntaxonomische Gliederung der Vegetation

Die im Untersuchungsgebiet erstellten pflanzensoziologischen Aufnahmen wurden tabellarisch geordnet und synsystematisch bearbeitet. Die syntaxonomische Einordnung und Benennung richtet sich nach Pott (1992). Dort, wo synsystematischen Einheiten Assoziationskennarten fehlten und auch keine lokale Kennarten identifiziert werden konnten, wurden diese nach der/den dominierenden Art(en) benannt und mit dem Suffix „-Gesellschaft“ versehen; dies erfolgte zum Beispiel bei artenarmen Beständen mit Gemeiner Quecke und Wiesen-Fuchsschwanz, die folglich mit Elytrigia repens-Alopecurus pratensis-Gesellschaft bezeichnet wurden. Manche der Pflanzengesellschaften konnten weiter in Subassoziationen bzw. Untereinheiten und Varianten untergliedert werden.

Zum Vergleich wurden Grünlandgesellschaften z.T. Vegetationsformen des Graslandes nach Hundt & Succow (1984) gegenübergestellt, da diese bereits die fortgeschrittene Artenverarmung bzw. das mit der Intensivierung der landwirtschaftlichen Nutzung einhergehende Entstehen neuartiger Vegetationsbestände berücksichtigen.


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Die Erstellung der Übersichtstabellen erfolgte nach Dierschke (1984). Die Stetigkeit der Pflanzensippen ist wie folgt zusammengefasst:

V = >80-100 %; IV = >60-80 %; III = >40-60 %; II = >20-40 %; I = >10-20 %;

+ = >5-10% und r = >0-5 %.

3.1.3.5. Phänologische Entwicklung

In Dauerflächenuntersuchungen, die dem Nachweis von äußeren Einflüssen auf Pflanzenbestände dienen, ist erst nach relativ langen Zeiträumen mit schlüssigen Ergebnissen zu rechnen. Im Allgemeinen gelten in der Grünlandforschung Zeiträume von drei Jahren seit einer Nutzungsumstellung als notwendig, um sichere Trends bezüglich der Sukzessionsrichtung erkennen zu können. Vielfach jedoch gehen in der Sukzession deutlicheren Artmächtigkeitsverschiebungen und Änderungen in der floristischen Zusammensetzung Veränderungen in der jahreszeitlichen Entwicklung von Pflanzenarten und -beständen voraus (vgl. Krüsi 1981). Um trotz des begrenzten Untersuchungszeitraums Trendprognosen für die Entwicklung der untersuchten Grünlandbestände unter veränderten Bewirtschaftungsbedingungen stellen zu können, liegt es deshalb nahe, zusätzlich zu den pflanzensoziologischen Aufnahmen phänologische Methoden anzuwenden.

Für die Aufnahme der phänologischen Phasen der Pflanzen auf den Untersuchungsflächen wurde die Skala von Krüsi (1981; vgl. Tab. 6) angewandt. Im Gegensatz zu anderen Skalen, die den mittleren phänologischen Zustand von Beständen erfassen (vgl. z.B. Dierschke 1985) bewertet sie nur die Anteile bestimmter phänologischer Zustände der generativen Wachstumsphase innerhalb von Populationen.

Die phänologische Aufnahme findet auf der dafür vorgesehenen Vegetationsaufnahmefäche innerhalb der DBF statt. Nachdem alle in der generativen Phase befindlichen Arten aufgenommen worden sind, werden mit der nachfolgenden Skala die Anteile der Individuen an der jeweiligen phänologischen Phase bestimmt. Bei vielblütigen und über einen langen Zeitraum blühenden Pflanzen, z. B. Leontodon autumnalis oder Rumex thyrsiflorus, wurde der Anteil der Infloreszenzen an den phänologischen Phasen geschätzt. Abweichend von Krüsi (ebd.) wurden auch solche Individuen in die gesamte Anzahl der bewerteten Individuen/Blütentrieben miteinbezogen, die kurz vor dem Austrieb der Blütenknospen standen, also gerade in die generative Phase eintraten.

Tab. 6: Schätzskala zur Bestimmung des phänologischen Zustands von Pflanzenpopulationen nach Krüsi (1981).

Phänologische Phase (generativ)

 

Anteil einer phänologischen Phase an der Gesamtheit fertiler Individuen

Blütenknospen

1

 

0-5 %

+

Blüte

2

 

5-20 %

1

abblühend

3

 

20-40 %

2

fruchtend

4

 

40-60 %

3

Ausstreuen der Früchte

5

 

60-80 %

4

   

80-100 %

5


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Anders als bei der üblichen Vorgehensweise, den phänologischen Wandel von Beständen in regelmäßigen Abständen über die gesamte Vegetationsperiode zu begleiten (vgl. Dierschke 1994, Rosenthal 1992), wurden die Bestände der Aufnahmeflächen in den Versuchsjahren 1997-1999 nur jeweils vor den Bewirtschaftungszeitpunkten bzw. -zeiträumen aufgenommen. Da es nur darum ging, die Frage zu beantworten, ob die zweischürige Mahd im Gegensatz zur Kontrolle (Mähweide) zu phänologischen Veränderungen führt, wurde die Methodik, wie in Abb. 10 beschrieben, reduziert. Es wurde davon ausgegangen, dass die Schätzung an jeweils demselben Zeitpunkt in der Lage ist, solche Unterschiede zu erfassen.

Abb. 10: Phänologischer Entwicklungszustand und Datenaufnahme in den Nutzungsexperimenten. – Abweichend von der sonst üblichen Methode, den phänologischen Zustand von Beständen im Abstand von 7-14 Tagen über die gesamte Vegetationsperiode zu erfassen, wurden phänologische Aufnahmen nur vor dem jeweiligen Bewirtschaftungstermin bzw. dem Beginn eines Bewirtschaftungszeitraumes angefertigt. Dabei wurde davon ausgegangen, dass die Aufnahme beider Versuchsglieder an demselben Zeitpunkt deren mögliche Differenz in der phänologischen Entwicklung (gestrichelte und durchgezogene Kurve) hinreichend zu dokumentieren vermag.

3.1.4. Transektuntersuchungen

Mit der Methode der Transektkartierung lassen sich fließende Übergänge zwischen Pflanzenbeständen, die durch sich allmählich verändernde Standortbedingungen verursacht werden, zeitlich und räumlich am besten herausarbeiten (Zelesny 1994, Pfadenhauer et al. 1986). Weder die übliche Methodik der Vegetationskunde mit ihren Grundforderungen nach Homogenität und Mindestarealen, noch speziell die Pflanzensoziologie mit ihren hierarchischen Ordnungsprinzipien sind in der Lage, solche „weichen“ Übergänge hinreichend nachzuzeichnen (Kanold & Kohler 1986).

In der vorliegenden Arbeit wurden Transekte dazu verwendet, floristische und strukturelle Veränderungen (vgl. Dierschke 1994 und Glavac 1996) der Grünlandvegetation entlang von Geländegradienten (Geländehöhe, Bodenarten, Bodenwasserhaushalt, Überflutung/Überstauung) zu charakterisieren. Hierzu wurden 1998 insgesamt acht Transekte in den drei standörtlichen Hauptzonen des Untersuchungsgebiets angelegt und an Anfangs- und Endpunkten markiert (vgl. Kap. 3.1.1 und 3.1.2). Von diesen wurden fünf für die standörtlichen Analysen ausgewählt. Die vordeichs eingerichteten Transekte wurden in den Jahren 1998 und 1999 jeweils vor dem ersten Schnitt (Mitte Juni) aufgesucht, um eventuelle Vegetationsveränderungen nach dem langanhaltenden, 10-jährlichen Hochwasser im Winter und Frühjahr 1998/99 nachweisen zu können.


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Abbildung 11 zeigt schematisch die Anlage der Transekte.

Abb. 11: Schematische Darstellung der Anlage von Transekten. – Die vegetationskundlichen Aufnahmen erfolgen fortlaufend auf 2 x 2 m großen Teilflächen durch Weiterverschiebung eines klappbaren Holzrahmens entlang eines aufgespannten Maßbandes. Destruktive Untersuchungen werden auf der gegenüberliegenden Seite der Transektlinie durchgeführt. Die Anfangs- und Endpunkte der Transekte sind mit Holzpflöcken markiert; eingegrabene Eisenstücke und Dauermagneten erlauben die langfristige Wiederauffindung der Untersuchungsflächen.

Alle Transekte beginnen in einem homogenen Pflanzenbestand an einem möglichst hochgelegenen Punkt im Gelände und enden in der Regel oder -rinnen. Es wurde darauf geachtet, dass die Neigung des Geländes zwischen Anfangs- und Endpunkt keine Sprünge aufweist, die standörtlichen Veränderungen also kontinuierlich sind.

Das Relief der Transekte wurde mit Hilfe einer Schlauchwaage aufgenommen (vgl. Kap. 3.2.1). Diese Messungen wurden für die vordeichs gelegenen Transekte ebenfalls 1998 und 1999 durchgeführt, um mögliche hochwasserbedingte Veränderungen im Relief nachvollziehen zu können.

3.1.5. Ertragsmessungen

Neben vegetationskundlichen Aufnahmen wurden in den Nutzungsexperimenten auch ertragskundliche Stichproben entnommen. Es sollte geprüft werden, ob eine zweischürige Mahd gegenüber der üblichen Mähweidenutzung neben möglichen Veränderungen in der Artenzusammensetzung und der phänologischen Entwicklung auch Unterschiede in der Futterqualität verursacht. Da mit dem Wachstum der Grünlandvegetation erhebliche Veränderungen von Futterqualitätsparametern (v.a. Rohfasergehalt) einhergehen, kann erwartet werden, dass ein phänologischer Entwicklungsvorsprung einer der Bewirtschaftungsvarianten zu signifikanten Unterschieden in der erntbaren Phytomasse und der Trockensubstanz führen kann. Hieraus können Bewirtschaftsempfehlungen, beispielsweise zu den Bewirtschaftungszeitpunkten, abgeleitet werden.

Methodik

Die Phytomasseernte bildet den Abschluß jeder Feldaufnahme, sie findet generell vor jedem Bewirtschaftungszeitpunkt (Schnitt) bzw. vor Beginn eines Bewirtschaftungszeitraums (Beweidung) statt: Pro Dauerbeobachtungsfläche wird auf dem für destruktive Untersuchungen vorgesehenen Abschnitt (vgl. Kap. 3.1.2) mit Hilfe einer handelsüblichen Akkuschere (Fa. Gardena; Schnittbreite

10 cm; Schnitthöhe 2-4 cm) eine 1m² große Stichprobe abgeerntet.

Nach der Wägung der Einzelproben wird aus jeweils gleich großen Anteilen der Einzelproben eines Versuchsgliedes (3 oder 6 Proben) eine Mischprobe gebildet, an der alle weiteren Untersuchungen durchgeführt werden. Die Mischprobe wird in einen Trockenbeutel (hitzebeständiger, perforierter Kunststoff) überführt und abermals gewogen.


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Die Trocknung der Futterproben am Ort dient deren Konservierung für die später stattfindende Futterwertanalyse und zur Ermittlung der 60 °C-Trockenmasse (TM60 [g]); sie dauert 24 h. Nach dem Transport in das Futtermittellabor werden die Proben abermals bei 60 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Dem Mahlen der Proben folgt an Hand von Teilproben die Bestimmung der 105°C-Trockenmasse (TM105 [%]). Aus den Werten für die Trockenmassen bei 60 °C und bei
105 °C können nunmehr die absolute Trockenmasse der Mischproben sowie der Einzelproben (Umrechnung in [dt TM/ha]) berechnet werden (vgl. Gaußmann 2001a).

erfolgt nur eine Stichprobenahme unmittelbar vor der Nutzung.

wird durch das Vieh immer nur ein Teil der Phytomasse entnommen, die Weidereste bleiben zumeist als Streue zurück. Im Fall von hochwüchsigen und stark verholzten Pflanzenbeständen, die durch von den Weidetieren nur ungern gefressen und größtenteils niedergetreten werden, kann der im Beweidungsgang entnommene Anteil der Phytomasse unter zehn Prozent am gesamten Futterangebot (= oberirdische Pflanzenteile) ausmachen. Im Falle von Beweidungen wurden deshalb vor und nach dem Weidegang eine Futter-Stichproben geerntet. Die Differenz aus der Trockenmasse vor und nach der Beweidung entspricht der durch das Vieh entnommenen Futtermenge. Da die Beweidungsperioden in der Regel nicht länger als 7-14 Tage andauerten, wurde der Fehler, der durch nachwachsendes Futter entsteht, vernachlässigt.


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3.2.  Standort

3.2.1. Topografische Höhen

Aufgrund des prägenden Einflusses von Flut- und Qualmwasser in den Flussauen können schon geringe Reliefunterschiede dichte Abfolgen verschiedener Pfanzenbestände bedingen. Die genaue Kenntnis der Topografie ist deshalb eine notwendige Voraussetzung, um Zusammenhänge zwischen Geländehöhen und Vegetationstypen zu erschließen und darüberhinaus Prognosen zur Entwicklung der Vegetation nach einer Deichrückverlegung treffen zu können.

Datenquellen

Das innerhalb des Verbundprojektes verwendete digitale Geländemodell (DGM) basiert auf einer Luftbildbefliegung des Untersuchungsgebiets (Aerofotogrammetrie; Kirchner & Wolf 1996). In der Nachbearbeitung durch das Landesvermessungsamt Brandenburg wurden die Daten aerotrianguliert, d. h. mit einer speziellen Software (SCOP) und an Hand bekannter topografischer Höhenwerte (z-Werte) im Gelände wurden Höhenwerte stereografisch auf die betrachtete Fläche extrapoliert (Hape & Purps 1999a,b). Das durch das GIS-Programmpaket ArcInfo/ArcView (Ver. 3.1) gestützte DGM bildet ebenfalls die Grundlage für die von der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) angestellten Modellierungen zur Hydraulik im gegenwärtigen Elbverlauf sowie nach der Deichrückverlegung (BAW 1997, Bleyel 1999a).

Die Abfragung von Daten und deren Visualisierungen (Profilschnitte, Höhenverteilungen etc.) bzw. die Verknüpfung von Untersuchungsergebnissen aus den Untersuchungen zu Vegetation und Standort mit dem DGM erfolgten in enger Zusammenarbeit mit der Koordinationsstelle des Verbundprojekts, wo die Anwendungen und die zentrale Datenhaltung installiert sind (vgl. folgendes Kapitel).

Höhenmessungen im Gelände

Um genauere mikrotopografische Untersuchungen durchführen zu können, wurden von bekannten topografischen Messpunkten aus Höhenmessungen ausgeführt. Neben trigonometrischen Festpunkten standen 20 weitere, während des Projektzeitraums vermessene Geländepunkte in oder nahe von Testflächen bzw. Grundwasserpegeln zur Verfügung.

Die mikrotopografischen Messungen wurden mit einer Schlauchwaage (s. Abb. 12) ausgeführt. Diese besteht aus einem 30-50 m langen transparenten, im Baufachhandel erhältlichen Schlauch (Innendurchmesser 0,8 cm), der mit eingefärbtem Wasser gefüllt ist. An jeder Seite ist der Schauch an einem Ständer befestigt, der jeweils aus einem Metallstandfuß mit Erddorn und einer Vierkantleiste (200 x 2 x 2 cm) mit Messskala (Bandmaß) besteht.

Abb. 12: Messung von Reliefunterschieden im Gelände mit Hilfe einer Schlauchwaage. – a) Nach dem Prinzip kommunizierender Röhren stellt sich auf beiden Seiten der Waage der gleiche Wasserspiegel ein; an den Ständern angebrachte Messskalen erlauben es, den Höhenunterschied direkt abzulesen. b) Die Vermessung der Übergangshöhen zwischen verschiedenen Grünlandbeständen im Deichvorland erfolgte in Messketten; etwa alle 10 m wurde ein Höhenwert abgelesen.


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Schlauchwaagenmessungen wurden für die Vermessung der Transekte und Dauerflächen sowie zur Bestimmung von Übergangshöhen von Pflanzengesellschaften des Grünlands eingesetzt. Kontrollmessungen ergaben nach Messketten von 30-40 Werten und einer Ablesegenauigkeit von 0,5 cm (bei Rückkehr zum Ausgangspunkt) Abweichungen von maximal 5 cm, bei Messketten von 100-150 Werten von 10-20 cm. Deshalb wurden in der Regel nicht mehr als 40 Messungen pro Messkette durchgeführt.

3.2.2. Überflutungsparameter

Zusammenhang von Geländehöhe und Überflutung im Vordeichland

Die Größe des Einflusses bzw. die Dauer von Überflutungen ist von der topografischen Höhe eines Punktes im Gelände und dessen Beziehung zu Wasserspiegelveränderungen des Flusses (Gefälle) abhängig. Relativ hochgelegene Punkte werden deshalb weniger häufig und andauernd von Hochwässern erreicht als tiefergelegene. Der Querschnittsprofil des Flusses modifiziert diese Beziehung in entscheidender Weise: hat die durchfließende Wassermenge, der sog. Abfluss [in m³/s], ein breites Flussbett zur Verfügung, so kann das Wasser sich auf breiterem Raum verteilen. Der Wasserspiegel steigt in diesem Fall bei zunehmendem Abfluss langsam an. Ist das Flussbett schmal, steigt der Wasserspiegel bei sich erhöhender Abflussmenge vergleichsweise viel stärker an. Dieselbe Abflussmenge kann also abhängig vom Querprofil des Flusses zu ganz verschiedenen Wasserspiegellagen im Vordeichgelände führen. Allein auf der Messung der Geländehöhe geknüpfte Beziehungen zwischen Vegetation und Überflutung können demnach nur Geltung für sehr eng begrenzte Flussabschnitte mit homogenem Querschnitt besitzen (vgl. Henrichfreise 1996). Umgekehrt können nur aufgrund der Kenntnis der genauen Topografie entlang eines betrachteten Flussabschnitts die Beziehungen zwischen Geländehöhe, Durchflussmengen und Wasserspiegellagen ermittelt werden. Dies gilt besonders dann, wenn der Fluss bei Hochwässern aus dem relativ gleichförmigen, durch Buhnen eigeengten Flußbett ins unterschiedlich breite Deichvorland tritt.

Abb. 13: Vergleich der Wasserspiegellagen im Flussschlauch vor und nach der Deichrückverlegung (aus: Bleyel 1999b, verändert)

Die Abbildung 13 zeigt das auf einem morphologischen Modell beruhende tatsächliche Gefälle der Elbe zwischen Strom-km 475 und 485. Gegenüber einem in anfänglichen Analysen angenommenen linearen Gefälle (vgl. Gröngröft 1999) zeigt sich der Wasserspiegel bei den beiden betrachteten Hochwasserdurchflüssen im rezenten Zustand deutlich erhöht. Besonders deutlich zu sehen ist dies an der Engstelle bei km 477,5, dem sog. „Bösen Ort“, vor der sich der Wasserspie[Seite 29↓]gel bei einem Abfluss von 2300 m³/s um über 10 cm anstaut (s. Pfeil). Durch die Deichrückverlegung erhält die Elbe regional weitaus mehr Überflutungsraum als bisher. Die resultierende Wasserspiegelabsenkung kann nach Berechnungen der BAW in Teilen des Rückdeichungsgebiets bei der großen Rückdeichungsvariante zeitweise bis zu 46 cm betragen (Bleyel 1999a).

Statistische Daten

Allein die bei verschiedenen Durchflüssen zu verzeichnenden derzeitigen und zukünftigen Wasserspiegellagen erlauben keine Voraussagen zur Entwicklung der Grünlandvegetation. Wichtige ökologische Einflussgrößen sind v. a. die Häufigkeit, der Zeitraum und die Andauer der Überstauung.

Für die Analyse des Einflusses der Überflutung auf die Vegetation standen im Verbundprojekt langfristige statistische Auswertungen der Elbwasserstände zwischen 1964 und 1998 des Institus für Wasserwirtschaft und Kulturtechnik der Universität Karlsruhe zur Verfügung (vgl. Büchele & Nestmann 1998 und Helms & Ihringer 1998). Vor 1964 wurde das Abflussverhalten der Elbe durch die Errichtung zahlreicher Staustufen in der Tschechoslowakei nach und nach verändert. Die Maßnahmen hatten zum Ziel, den Oberlauf der Elbe durch gezielten Wasserzulauf auch in extremen Trockenperioden schiffbar zu halten. So sind extreme Niedrigwässer (Abfluss < 150 m³/s) deshalb seitdem nicht mehr aufgetreten.

Die statistischen Auswertungen wurden zusammen mit den o. g. morphologischen Daten der BAW durch das Teilprojekt Hydrologie in Schlüsselkurven, Ganglinien und Dauerlinien umgesetzt (Montenegro et al. 1999d).

Schlüsselkurven (s. Abb. 15) zeigen für einen bestimmten Punkt entlang der betrachteten Fließstrecke, abhängig von der Morphologie des Fließquerschnitts, den Zusammenhang zwischen Abflussmenge und Wasserspiegel an, d. h. an ihnen lässt sich ablesen, welche Wasserspiegelhöhe welcher Abflussmenge entspricht. Auf diese Weise werden den gemessenen vegetations- bzw. flächenbezogenen Daten Abflussmengen zugeordnet. Schlüsselkurven liegen für den rezenten Zustand in Abständen von 100 m vor.

Ganglinien (s. Abb. 16) beschreiben den tatsächlichen Verlauf der Abflussmengen während eines jeweils betrachteten Zeitraums. Sie sind zum einen für die Identifizierung von Extremereignissen (Hochwasser- oder Niedrigwasserperioden) zum anderen für die Beschreibung der langjährigen Abflusscharakteristik eines Flusses von Bedeutung. Ganglinien können sich sowohl auf Wasserspiegellagen an einen bestimmten Punkt entlang der Fließstrecke beziehen als auch auf Abflussmengen, die dann für den gesamten Flussabschnitt gültig sind, sofern keine Nebenflüsse dorthin einmünden und die Wassermenge erhöhen. Letzterer Fall trifft auf vorliegende Untersuchungen zu.

Dauerlinien (s. Abb. 16) reihen die Abflusswerte nach ihrer Größe auf. Sie stellen dar, an wievielen Tagen innerhalb eines betrachteten Zeitraums, z. B. einem Jahr oder der Vegetationsperiode (15.04.-15.10.), eine bestimmte Abflussrate erreicht wird. Der zeitliche Zusammenhang im Abflussverhalten geht dabei verloren. Durch die Betrachtung verschieden langer Messzeiträume (gemittelte Werte) oder durch die Berücksichtigung zusammenhängender Überflutungsphasen einer bestimmter Mindestdauer lassen sich weitere Betrachtungen zum Einfluss der Überflutung auf die Vegetation anstellen.

Um Beziehungen zwischen der Grünlandvegetation und dem Abflussverhalten der Elbe herstellen zu können, wurden jedem Messpunkt entlang des Deichvorlandes anhand seiner Höhenlage und mit Hilfe der zugehörigen Schlüsselkurve ein Abflusswert zugeordnet. Aus den Dauerlinien wurde anschliessend ermittelt, an wievielen Tagen im Jahr, in der Vegetationsperiode etc. dieser Abfluss bezogen auf verschiedene Zeiträume erreicht wird. Abschließend wurden die Werte weiteren statistischen Analysen unterzogen (vgl. Kap. 3.3).


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Abb. 14: Rezente Schlüsselkurven am Elbe-km 477,5 („Böser Ort“) und 484,4 (Fähranleger Lenzen). – Der für steigende Abflussmengen zunächst steile Kurvenverlauf bis auf 700-800 m³/s, der beiden Orten gemeinsam ist, repräsentiert den Wasserspiegelanstieg im Flussschlauch. Sobald der Fluss über die Ufer, d. h. in das Deichvorland, tritt und auf breiterem Raum fließt, flacht sich der Anstieg ab.

Abb. 15: Ganglinie und Dauerlinie des Abflusses im untersuchten Elbabschnitt für das Jahr 1998. – Ganglinie: Nach einem schwachen Hochwasser im März und langandauernden niedrigen Wasserständen zwischen Mai und September trat im Spätherbst ein 10-jährliches Hochwasser mit einem maximalen Abfluss von 2356 m³/s auf. Dauerlinie: Die Reihung aller Wasserstände des Jahres 1998 zeigt, dass über den größten Teil des Jahres niedrige Wasserstände vorherrschten; 75 % der Abflüsse überstiegen die Marke von 650 m³/s nicht (zum Vergleich: der langjährige mittlere Abfluss [Mittelwasser MQ] beträgt 695 m³/s).


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3.2.3.  Bodenkundliche Parameter

Die bodenkundlichen Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Bodenkunde der Universität Hamburg durchgeführt.

Profilbohrungen

Alle Profilbohrungen geschahen nach dem gleichen Modus: Um die Oberbodenmerkmale anzusprechen wurde zunächst mittels eines Spatens ein Quader von 30 cm Kantenlänge entnommen. Anschließend wurde das Profil mit einem Edelmann-Bohrer (Durchmesser 6 cm) bis zum Gr-Horizont, jedoch höchstens bis in eine Tiefe von 2,2 m erschlossen.

Es wurden folgende Bodenmerkmale per Feldansprache (vgl. AG Boden 1994 und Gröngröft & Schwartz 1999) erfasst: Bodenart, Bodentyp, Substrat, Gefüge, Durchwurzelung, Gehalt an organischer Substanz, Bodenfarbe, hydromorphe Merkmale (getrennt nach Eisen und Mangan), Lagerungsdichte und Bodenfeuchte.

Insgesamt wurden 29 Profile erbohrt, davon 10 im Deichvorland (vgl. Kap. 4.2).

Oberbodenproben

Um die Wuchsbedingungen für die Grünland- und Röhrichtvegetation zu charakterisieren, wurden im Deichvorland 140 Oberbodenproben genommen (Mischproben aus je drei Spatenstichen [0-30 cm]). Davon entfallen 22 auf verschiedenen Dauerbeobachtungsflächen – diese Proben wurden anschließend bodenchmisch und -physikalisch analysiert – und 108 auf Kartierungspunkte für multivariate Auswertungen (vgl. Kap. 4.2.4). Bei letzteren Proben wurde lediglich die Korngrößenzusammensetzung, der Gehalt an organischer Substanz und der Wassergehalt (Methodik nach AG Boden 1994) angesprochen.

Analyseverfahren

Die bodenphysikalischen und -chemischen Parameter der Oberbodenproben wurden im Institut für Bodenkunde der Universität Hamburg nach Standardverfahren analysiert (zu Analyseverfahren und verwendeten Geräten s. Schwartz 2001). Es wurden folgende Parameter untersucht:


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3.3. EDV

3.3.1. Multivariate Analysen

Um die Beziehungen zwischen Vegetationsaufnahmen bzw. Arten und abiotischen Standortparametern (oder zeitlichen Gradienten) herauszuarbeiten, wurden verschiedene multivariate Analyseverfahren verwendet. Die Verfahren sind in der Lage, unabhängig vom Bearbeiter und in reproduzierbarer Weise Datensätzen innewohnende Beziehungsmuster zu identifizieren und eine relative Rangordnung bezüglich der Bedeutung der Standortparameter aufzustellen, mit denen sich die Datensätze (varianzanalytisch) trennen lassen. Sie „ordnen“ also Arten bzw. Vegetationsaufnahmen (Pflanzengemeinschaften) entlang von abstrakten oder konkreten Faktorengradienten. In sog. „Ordinationsdiagrammen“ lassen sich die Beziehungsstrukturen nach vorangegangener Reduktion der Analysedaten grafisch darstellen.

Für die ursprünglichen Verfahren und deren Weiterentwicklungen werden verschiedene Bezeichnungen wie „Komponentenanalysen“ oder „Korrespondenzanalysen“ verwendet. Da den folgend beschriebenen Analysen die gleiche Methodik zu Grunde liegt, sollen diese hier Glavac (1996) folgend summarisch als „Ordinationen“ bezeichnet werden.

Ordinationen liefern selbst keine quantitativen Ergebnisse und keine Kausalzusammenhänge, welche jedoch in weitergehenden Verfahren der beschreibenden und schließenden Statistik gewonnen werdenkönnen (Rink 1999). Insofern sind sie– wie auch die klassische „Tabellenarbeit“ – nur ein Hilfsmittel zum Verständnis von Zusammenhängen innerhalb komplexer Datenstrukturen.

Grundprinzipien multivariater Analysemethoden

Allen Ordinationen geht die Erstellung einer Ähnlichkeitsmatrix voraus, in der die (Un-) Ähnlichkeiten oder Distanzen aller Aufnahmen eines Datensatzes in Bezug auf ihren Besatz mit Pflanzenarten untereinander dargestellt sind. Stellt man diese Matrix mathematisch-räumlich dar, so besitzt sie gerade soviele Dimensionen, wie Arten vorhanden sind; d. h. n Arten spannen als Achsen einen n-dimensionalen Raum auf. (Umgekehrt lassen sich auch Arten in einem durch n Aufnahmen – als Achsen – aufgepannten „Hyperraum“ darstellen.)

Im n-dimensionalen Artenraum sind die Vegetationsaufnahmen nicht gleichmäßig verteilt. Ähnliche Aufnahmen, also solche mir einem ähnlichen Pflanzenbesatz, bilden vielmehr Punkteschwärme, die sich zu Gruppen zusammenfassen lassen. Das Ziel der Ordination besteht darin, (Arten-) Achsen zu identifizieren, mit denen diese Punktewolken korrespondieren (korrelieren) .

Um die Anzahl von Achsen auf ein dar- und vorstellbares Maß zu reduzieren, wird anschließend eine sog. Eigenvektoranalyse durchgeführt. Verfahrensspezifisch geht dabei ein Teil der ursprünglichen Information verloren. Es werden

Die neu berechneten Achsen, Hauptachsen genannt, ersetzen die ursprünglichen Achsen; sie stellen Linearkombinationen der ursprünglichen Pflanzenarten dar und spannen den Bezugsraum auf, in dem die Aufnahmen jetzt dargestellt werden. Die Hauptachsen werden nach ihrem Erklärungsanteil an der Gesamtvarianz des Datensatzes hierarchisch geordnet. D. h., die erste Hauptachse kann den relativ größten Anteil der Gesamtvarianz erklären; sie besitzt den höchsten Eigenwert. Die zweite Achse liefert den relativ zweitgrößten Anteil an der Varianz; sie hat den zweitgrößten Eigenwert und steht im Ordinationsdiagramm rechtwinklig auf der ersten Achse, so dass die ersten beiden Hauptachsen die Ordinationspunkte (Aufnahmen) maximal aufspannen (vgl. Abb. 16). Die tatsächlichen Ähnlichkeitsbeziehungen zwischen den als Punkten dargestellten Objekten (Aufnah[Seite 33↓]men) werden in den Ordinationsdiagrammen möglichst genau widergegeben. D. h. je weiter zwei Punkte voneinander entfernt sind, desto unähnlicher sind die zugehörigen Aufnahmen. In Ordinationsdiagrammen sind also die bestehende Datenstruktur in vereinfachender Weise zusammengefasst wiedergegeben. Hierbei wird versucht, den auftretenden Datenverlust zu minimieren und die gegebenen Ähnlichkeitsbeziehungen möglichst genau abzubilden.

Zusätzlich zu den Aufnahmen („site scores“) können in den Diagrammen auch die Pflanzenarten („species scores“), dargestellt werden (vgl. Smilauer 1992). Diese Option sogenannter „biplots“ entsteht daraus, dass die Hauptachsen als Linearkombinationen der Arten von diesen in Abhängigkeit von ihrer Bedeutung (Art und Ausmaß der Varianz, die sie im Datensatz hervorrufen) gleichermaßen „geladen“ werden (Hakes 1996). Dargestellt werden die Arten in Form von Vektoren vom Koordinatenursprung aus. Die Vektoren zeigen in Richtung der maximalen Variation der betreffenden Art im Datensatz, ihre Länge entspricht der Größe der Variation. So zeigt ein langer Artvektor, der in die Richtung eines Punkteschwarmes weist, darauf hin, dass diese Art für die betreffenden Aufnahmen bedeutsam ist bzw. sie von anderen Aufnahmen dadurch unterscheidet.

In Abbildung 16 ist schematisch die Vorgehensweise für indirekte multivariate Ordinationen veranschaulicht.

Direkte und indirekte Korrespondenzanalysen

Im Gegensatz zu den soeben beschriebenen Verfahren der indirekten Ordination, bei der der Betrachter ökologische Zusammenhänge allein auf Grund der Anordnung der Aufnahmen und Artvektoren herstellen muss, werden bei der direkten Ordination die zu den Vegetationsaufnahmen gehörigen Standortdaten als Variablen mit in die Analyse einbezogen. Sie erscheinen analog zu den Arten als Vektoren. Anhand der Richtung, der Länge und der Lage der Standortvektoren zu den Hauptachsen der Ordination lassen sich Tendenzen in Hinsicht auf die Pflanzenbestände ablesen und die Bedeutung der einzelnen Umweltfaktoren abschätzen.

In der vorliegenden Arbeit wurden indirekte Hauptkomponentenanalysen (Principal component analysis) bei der Auswertung der Nutzungssimulationen (Kap. 4.3) verwendet. Die einzige Variable ist in diesem Fall die Zeit unter verschiedenen Nutzungsbedingungen; die zeitliche Varianz wird dabei im Ordinationsdiagramm in der Regel durch die erste Achse aufgezeigt. Nagel & Beier-kuhnlein (1999) weisen darauf hin, dass die PCA lineare Beziehungen bezüglich der Reaktion von Pflanzenarten auf Umweltparameter voraussetzt, diese jedoch meist nicht gegeben seien. Aller-dings könne dieser Fehler vernachlässigt werden, wenn der untersuchte Umweltbereich eng begrenzt ist. Diese Situation war in den Nutzungsversuchen in besonderer Weise gegeben, da immer nur Vegetationsaufnahmen des gleichen Vegetationstyps unter verschiedenen Nutzungsregimes miteinander verglichen wurden.

Kanonische Korrespondenzanalysen (Canonical Correspondence Analysis) wurden als direkte Ordinationsverfahren zur Analyse der Beziehungen zwischen gemessenen Standortparametern und Pflanzenbeständen entlang von Gradienten verwendet (s. Kap. 4.4). Direkte und indirekte Analysen wurden mit den Computerprogrammen MULVA-5 (Wildi & Krüsi 1993, Wildi & Orlóci 1996) und CANOCO (Ver. 2.1 ter Braak 1988) / CANODRAW (Ver. 3.0, Smilauer 1992) durchgeführt.

Einbezogene Daten

Die Auswahl der Parameter, die in die Ordinationen mit einbezogen wurden, erfolgte auf der Basis der standörtlichen Untersuchungsergebnisse (s. hierzu Kap. 4.2.2 und 4.2.3).

Bei den Schätzwerten, die in der modifizierten Aufnahmeskala nach Londo (1975 u. 1984; s.o.) aufgenommen wurden, handelt es sich um ordinalskalierte Daten. Für die Verwendung in multivariaten Analysen wurden die Bedeckungsklassen von .1, .2, .3, ... bis 11 in Ränge von 1-14 überführt. Um den Einfluss stark dominierender Arten im Bestand auf das Analyseergebnis abzuschwächen, fand z.T. eine Quadratwurzeltransformation der Daten statt (s. Kap. 4.3.2, Phalaridetum arundinaceae).


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Abb. 16: Schematisierter Ablauf einer indirekten multivariaten Ordination (nach Hakes 1996, verändert). – Die Aufnahmen oder „site scores“ (01 - 20) ordnen sich nach vorheriger Datenreduktion im zweidimensionalen Diagramm so an, dass sie umso näher zusammenliegen, je ähnlicher ihr Artenbesatz ist. Im gewählten Beispiel weisen die Artvektoren darauf hin, dass Agrostis capillaris (Agr-cap) in den oberen Aufnahmen hohe Bedeutung besitzt, während in den unteren Aufnahmen Artemisia vulgaris (Art-vul), Festuca pratensis (Fes-pra) und Urtica dioica (Urt-dio) einen bedeutsameren Einfluss an der Varianz haben. Interpretation: Innerhalb des Datensatzes besteht ein standörtlicher Gradient in Bezug auf das Nährstoffangebot (Stickstoff), der entlang der zweiten Hauptachse (y-Achse) verläuft. Entlang der 1. Hauptachse (x-Achse) trennen sich frische (rechts) von trockeneren (links) Standorten.

Die Überflutungsdauern wurden mittels des Elbe-km, der NN-Höhe sowie Schlüsselkurven und langfristigen Abflussstatistiken berechnet (s.o.). In die Analysen wurden anstatt der jahresbezogenen Werte wegen ihrer ökologisch höheren Relevanz die Überflutungsdauern pro Vegetationsperiode (15.04.-15.10.) mit einbezogen.


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Die Daten zur Bewirtschaftung sind nominalskaliert. Die drei realisierten Bewirtschaftungsformen „keine Nutzung“, „Mähweide“ und „reine Weide“ wurden als separate Merkmale jeweils mit dem Wert 0 oder 1 für die Zugehörigkeit der entsprechenden Vegetationaufnahme versehen.

Inwieweit ein Standort direkt von den Wasserstandsbewegungen der Elbe betroffen wird, d.h. in welchem Maße Hochwässer unbehindert zu- und wieder abfließen können, beschreibt das Merkmal „Isolation vom Wasserstandsregime“. An Hand der spezifischen Lage der Aufnahmestandorte im Deichvorland wurden drei Ränge vergeben:

Analog zur Isolation wurden auch für die Strömungsexposition der Standorte Ränge vergeben:

Für die Beschreibung der Korngrößenzusammensetzung im Oberboden wurden der Ton-, Sand- und Schluffgehalt der Oberbodenproben herangezogen. Deren prozentualer Anteil entspricht dem Mittelwert ihrer Spannbreite im „Körnungsdreieck“ zur Klassifikation der Feinbodenanteile (vgl. Arbeitskreis Bodensystematik 1998).

3.3.2. Geografisches Informationssystem (GIS)

Geografische Informationssysteme (GIS) werden heute in zahlreichen Anwendungsbereichen als Werkzeuge zur Integration von räumlichen (geometrischen) und thematischen Merkmalen von Naturräumen eingesetzt (z. B. Peters & Hecker 1996, Schaller & Dangermond 1991, Scholle 1997, Stern 1993, Wernicke & Weber 1996). Sie eignen sich dazu, flächenbezogene Daten zusammenzustellen, effizient zu verwalten und auszuwerten. Durch die komplexe Kombination von Daten auf unterschiedlichen Aggregationsebenen ist es möglich, die Funktionalität von Landschaften oder Ökosystemen interdisziplinär zu bewerten (Blaschke 1996).

Einsatz des Geografischen Informationssystems

Innerhalb der vorliegenden Arbeit wurde das bei der Projektkoordination installierte GIS*2 insbesondere dazu verwendet,

Einen Überblick über die durchgeführten Datenverknüpfungen gibt Abbildung 17. (Weitergehende Flächenanalysen, beispielsweise zum rezenten und prognostischen Ertragspotential des Grünlandes, der Eignung landwirtschaftlicher Teilschläge für verschiedene Bewirtschaftungsformen und mögliche Landnutzungsverteilungen finden sich bei Gaußmann [2001a] und Gaußmann & Heinken [2001].)

Abb. 17: Datenverknüpfungen im Geografischen Informationssystem.


Fußnoten und Endnoten

1 * Erst, nachdem der Versuch bereits angelaufen war, wurde deutlich, dass die mittelhoch gelegenen Bestände zwei verschiedenen Pflanzengesellschaften angehörten. Diese wurden daraufhin voneinander getrennt bearbeitet und ausgewertet.

2 *2 verwendet wurde das Programmpaket ArcInfo/ArcView Ver.



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11.01.2005