Rekonstruktion geomorphologischer Prozessabläufe unter Verwendung dendrogeomorphologischer Methoden und der holzanatomischen Analyse von Jahrringen in Buchenwurzeln

Abstract

Die Bestimmung und Verifizierung der holzanatomischen Veränderungen nach einer Freilegung von Buchenwurzeln (Fagus sylvatica L.) ist der Hauptaspekt dieser Arbeit. Darüber hinaus erfolgte die Anwendung der ermittelten Freilegungsreaktion bei Fagus sylvatica L. zur Datierung der initialen Phase von Spaltenöffnungen an der Wellenkalk-Schichtstufe im Thüringer Becken, Deutschland. Für die erstmalige Verifizierung der Freilegungsreaktion bei Laubhölzern, wurden 21 Wurzeln von 10 Rotbuchen (Fagus sylvatica L.) und für einen Abgleich der holzanatomischen Veränderungen zusätzlich 13 Wurzeln von 5 Waldkiefern (Pinus sylvestris ), auf zwei Testfeldern künstlich freigelegt. Die Freilegung erfolgte zu unterschiedlichen Zeitpunkten, auf dem Testfeld 1 während der Vegetationsperiode im Juli 2003 und auf dem Testfeld 2 zu Beginn der Vegetationsperiode 2004 (März 2004). Insgesamt wurden 142 Wurzelscheiben im Dezember 2004 (Testfeld 1) und im November 2005 (Testfeld 2) für die holzanatomischen Analysen entnommen. Anhand der herbeigeführten Freilegung der Wurzeln auf den Testfeldern 1 und 2 konnten Strukturveränderungen aufgezeigt werden, die ausschließlich in freigelegten Laubholzwurzeln von Fagus sylvatica L. auftreten. Das ermittelte anatomische Merkmal für eine Freilegung ist die anhaltende Reduzierung der Gefäßgrößen um mehr als 35% im Vergleich zu den Vorjahren. Für die Rekonstruktion von Spaltenöffnungen an 19 Standorten, wurden 180 Wurzelscheiben von 50 Wurzeln (33 Bäume) entnommen und analysiert. In die Referenzchronologien der einzelnen Standorte gingen 74 Bäume ein. Der holzanatomischen Untersuchung und der Jahrringauswertung ging eine geomorphologische Detailkartierung voraus. Mithilfe der Veränderungen in der Jahrringstruktur, eingeschlossen die Reduzierung der Gefäßgrößen, war es möglich, die Art der Freilegung festzustellen. Neben der schnellen Freilegung, bei der die Gefäßgrößenreduktion um mehr als 35% sofort einsetzte, und der kontinuierlichen Freilegung mit einer sich langsam entwickelnden Veränderung der Jahrringstruktur (allmähliche Reduzierung der Gefäßgröße), konnte eine weitere phasenweise ablaufende Freilegungsart beschrieben werden. In die Auswertung flossen Analysen der strukturellen Variationen im Xylem der Wurzeln (Verthyllung, Reduzierung der Gefäßgröße, überwallte Wunden, Reaktionsholzbildung) und des Stammes (Wachstumseinbrüche, Exzentrizitäten, Zugholz) ein. Die analysierten Bohrkerne der Bäume gaben durch das Auftreten von Exzentrizitäten, die zum Teil mit Reaktionsholzbildung verbunden waren, Hinweise auf Bewegungen des Untergrundes. Jedoch konnte nur anhand der Veränderungen in der Anatomie des Wurzelholzes der genaue Zeitpunkt der Freilegung festgestellt werden. Letztlich war die andauernde Reduzierung der Gefäßgröße um mehr als 35% das ausschlaggebende Merkmal. Die Ergebnisse zeigen, dass die Analyse holzanatomischer Veränderungen in freigelegten Laubholzwurzeln der Rotbuche (Fagus sylvativca L.), eine Rekonstruktion und Datierung gravitativer Prozesse ermöglicht. In Kombination mit der Analyse von Jahrringbreitenvariationen im Stamm, erlaubt dies eine jahrgenaue Datierung. Die abschließende Gegenüberstellung von rekonstruierten Phasen der geomorphologisch wirksamen Kinematik und ermittelten extremen Niederschlagsereignissen, ergab einen deutlichen Zusammenhang. Bewegungsphasen und ermittelte Öffnungszeitpunkte der initialen Spaltenbildungen treten häufig in Folge von Starkniederschlags-ereignissen auf.

The theses presented focuses on the determination and verification of wood anatomical changes in annual growth rings of beech (Fagus sylvatica L.) roots due to exposure. Further, the new findings are applied to date and reconstruct the initial phase of massive block displacements (opening of tension cracks) along the Wellenkalk cuesta scarp (Wellenkalk-Schichtstufe) in the southern Thuringia Basin, Germany. For the first time determination of specific anatomical features related to exposure in roots of hardwoods, 21 roots of 10 Fagus sylvatica L. trees and -as a control- 13 roots of 5 Pinus sylvestris L. trees were artificially exposed in two test areas: Area 1 within the vegetation period 2003 and area 2 before the beginning of the vegetation period 2004. 142 samples were taken in December 2004 (area 1) and November 2005 (area 2) for further wood anatomical analysis. Microscopic analysis confirmed that all roots did show distinct wood anatomical changes related to exposure and these changes occurred simultaneously in beech and pine roots. Amongst other changes described in detail in the results chapter, the persistent size reduction of vessels of more than 35% in roots of beech was determined as the specific anatomical feature indicating the first time of exposure. Moreover, sudden exposure resulting in an immediate vessel size reduction can be differentiated from continuously exposed roots, where vessel sizes decrease continuously over longer time periods. For the application of these results, 180 discs of 50 roots (33 trees) were sampled and detailed geomorphic mappings were conducted at 19 sites showing tension cracks along the cuesta scarp. In addition, cores were taken from the stems of these trees for complementary dendrogeomorphological analysis and 74 trees were cored to establish three local reference chronologys as a control. As a result, (i) the initial phases of block displacements at the different sites were determined by dating the year of tension crack opening and (ii) antecedent movements prior to the openings were reconstructed by analyzing growth reactions in the stems of the adjacent trees. Finally, comparing the reconstructed phases of the geomorphic processes with precipitation data available for the region, showed a definite relation between the opening of tension cracks and extreme precipitation events.