Vegetationsökologische Untersuchungen zum Management und zur Restitution von Feuchtgrünland Vom Fachbereich Biologie der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des akademischen Grades eines Doctor rerum naturalium genehmigte Dissertation von Dipl.-Biol. Marcus Fritsch aus Weilburg an der Lahn Referentin: Prof. Dr. Angelika Schwabe-Kratochwil Koreferent: Prof. Dr. Nico Blüthgen Tag der Einreichung: 20.02.2012 Tag der mündlichen Prüfung: 20.04.2012 Darmstadt 2012 D 17 Veröffentlichungen aus der vorliegenden Dissertation FRITSCH, M., DROBNIK, J., STORM, C. & SCHWABE, A. (2011): Etablierung von Zielarten des Cirsio-Molinietum nach Bodenabtrag im Bereich von entwässerten Altneckar- Schlingen (Hessen). – Tuexenia 31:127-151. FRITSCH, M. (2011): Restitution im Hessischen Ried: Inokulation mit Mahdgut bzw. Rechgut des Knollendistel-Pfeifengrasrasens (Cirsio tuberosi-Molinietum arundinaceae). – In: SÜSS, K., STORM, C. & SCHWABE, A. (2011): Ried und Sand: Biotopverbund und Restitution durch extensive Landbewirtschaftung. – Münster (Landwirtschaftsverlag). – Naturschutz und Biologische Vielfalt, 110: 235-260. FRITSCH, M., & STORM, C. (2011): Entwicklung der Ried-Flächen im E+E-Vorhaben „Ried und Sand“: Vegetation und ausgewählte Tiergruppen. – In: SÜSS, K., STORM, C. & SCHWABE, A. (2011): Ried und Sand: Biotopverbund und Restitution durch extensive Landbewirtschaftung. – Münster (Landwirtschaftsverlag). – Naturschutz und Biologische Vielfalt, 110: 87-136. In Bearbeitung FRITSCH, M., KURSCH-METZ, T., STORM, C. & SCHWABE, A. Restoration success in former fen sites after topsoil removal and inoculation of Cirsio-Molinietum. EICHBERG, C., SÜSS, K., FRITSCH, M., BAUER, A., STORM, C. & SCHWABE, A. Patterns of phytodiversity and forage quality in a dry to moist grassland grazing system: how to combine nature conservation and livestock nutrition? Kongress-Abstract FRITSCH, M., DROBNIK, J., STORM, C. & SCHWABE, A. (2010): Restoration of species-rich wetland by topsoil removal and seed transfer. 7th European Conference on Ecological Restoration of the Society for Ecological Restoration (SER). Ecological restoration and sustainable development. Establishing links across frontiers. Avignon (France): 172-173. Inhalt 1. .... Allgemeine Einführung 1 2. .... Untersuchungsgebiet 7 2.1. Einleitung 7 2.2. Naturräumliche Lage 7 2.3. Klima und Witterung 8 2.4. Geologie und Böden 8 2.5. Hydrologie 9 2.6. Lage und Beschreibung der einzelnen Untersuchungsflächen 11 3. .... Analyse der Entwicklung bzw. des Status quo der Ried-Flächen: vegetationsökologische und standörtliche Untersuchungen 16 3.1. Einleitung 16 3.2. Material und Methoden 17 3.2.1. Untersuchungsflächen und Maßnahmen 17 3.2.2. Bodenwassergehalte 19 3.2.3. Vegetationsaufnahmen 19 3.2.4. Datenanalyse 19 3.3. Ergebnisse 20 3.3.1. Bodenwassergehalte 20 3.3.2. Überblick Vegetation 24 3.3.3. Entwicklung der Einzelflächen 28 3.4. Diskussion 43 4. .... Aspekte der Tierernährung auf Grünlandflächen im Hessischen Ried als Teil eines Ried-Sand-Beweidungssystems 46 4.1. Einführung 46 4.2. Material und Methoden 49 4.2.1. Untersuchungsgebiete 49 4.2.2. Untersuchungsdesign 49 4.2.3. Vegetationsaufnahmen 50 4.2.4. Phytomasseproduktion und Inhaltsstoffe 51 4.2.5. Datenanalyse 51 4.3. Ergebnisse 52 4.3.1. Vegetationsparameter 52 4.4. Diskussion 59 5. .... Etablierung von Zielarten des Cirsio tuberosi-Molinietum nach Bodenabtrag im Bereich von entwässerten Altneckar-Schlingen 65 5.1. Einführung 65 5.2. Untersuchungsgebiet 67 5.3. Methoden 67 5.3.1. Untersuchungsdesign 68 i 5.3.2. Bodenuntersuchungen 68 5.3.3. Applikation und Dokumentation der Pflanzen/Vegetation 70 5.3.4. Abundanzaufnahmen und Vitalitätsmessungen 70 5.3.5. Vegetationsaufnahmen 71 5.3.6. Etablierung von Zielarten nach endozoochorer Ausbreitung 71 5.3.7. Untersuchung der Diasporenbank 71 5.3.8. Datenanalyse 72 5.4. Ergebnisse 72 5.4.1. Bodenverhältnisse 72 5.4.2. Direkte Applikation von Zielarten bei 10 cm Abschiebetiefe (Fläche a) 73 5.4.3. Direkte Applikation von Zielarten im Bodentiefe-Gradienten (Fläche b) 73 5.4.4. Vegetationsentwicklung (Fläche b) 82 5.4.5. Diasporenbank (Fläche b) 84 5.4.6. Etablierung von Zielarten nach endozoochorer Ausbreitung (Fläche a) 85 5.5. Diskussion 85 6. .... Restitution im Hessischen Ried: Inokulation mit Mahdgut bzw. Rechgut des Knollenkratzdistel-Pfeifengrasrasens (Cirsio tuberosi-Molinietum arundinaceae) 88 6.1. Einführung 88 6.2. Material und Methoden 90 6.2.1. Untersuchungsgebiete 90 6.2.2. Untersuchungsdesign 90 6.2.3. Bodenuntersuchungen 90 6.2.4. Inokulation 92 6.2.5. Diasporengehalt 92 6.2.6. Vegetationsaufnahmen 93 6.2.7. Datenanalyse 93 6.3. Ergebnisse 94 6.3.1. Bodenverhältnisse 94 6.3.2. Vegetation des Leitbildes (Mönchbruch) und der Fläche „Blechlose“ 96 6.3.3. Vegetationsentwicklung der Untersuchungsflächen 96 6.3.4. Ordination der Untersuchungsflächen und Vergleichsflächen 107 6.4. Diskussion 107 7. .... Abschlussdiskussion 111 8. .... Zusammenfassung 116 9. .... Summary 119 10. .. Literatur 122 Danksagung 137 Lebenslauf 138 ii 1. Allgemeine Einführung Das landwirtschaftlich genutzte Grünland entwickelte sich unter der Bewirtschaftung des Menschen über viele Jahrhunderte bzw. einige Jahrtausende (DIERSCHKE & BRIEMLE 2008, PÄRTEL et al. 2005) und unterlag während dieser Zeit vielen Veränderungen. Wurden früher neben Heugewinnung und Weidenutzung auch hierfür weniger geeignete Flächen (z. B. solche mit wechselfeuchtem bis nassem Wasserregime) als Streuwiesen genutzt (ABT 1991) und waren Grünlandbestände größtenteils aufgrund mäßiger oder fehlender Düngung nährstofflimitiert, so erfuhr die Grünlandbewirtschaftung besonders im letzten Jahrhundert durch den Einsatz von Mineraldüngern und Meliorationen große Veränderungen (HALADA et al. 2011, PRACH 2008). Verstärkter Ackerbau nach dem zweiten Weltkrieg und eine Intensivierung der restlichen Grünlandflächen durch hohen Düngereinsatz sowie gründliche Meliorationen (DIERSCHKE & BRIEMLE 2008) mit immer produktiveren Pflanzengesellschaften führten zu einem Schwund des Extensivgrünlands, welches die traditionelle Kulturlandschaft widerspiegelt. Dieses Extensivgrünland beherbergt eine Vielzahl an Pflanzengesellschaften, welche je nach ökologischen Standortfaktoren wie Höhenstufe, Wasserhaushalt etc. vorzufinden sind. Der verminderten Produktivität steht meist eine hohe Artenvielfalt gegenüber, die nach GRACE (1999) auf Faktoren wie z. B. Störung und räumliche Heterogenität zurückzuführen ist. Es stellt ein besonderes Anliegen dar, die bestehenden Bestände extensiven Grünlands zu schützen sowie möglichst neue zu schaffen und Fragmentierungen entgegenzuwirken. Neben diesen floristischen sind auch noch weitere Aspekte zu berücksichtigen, so kann z. B. durch extensive Beweidung die faunistische Diversität von z. B. Heuschrecken und Schmetterlingen erhöht werden (WALLIS DE VRIES et al. 2007) sowie eine ästhetisch hochwertige Landschaft mit Erholungswert für den Menschen geschaffen werden (WARDA & ROGALSKI 2004). Bei der Restitution ist neben den geeigneten Standortfaktoren auch ein angepasstes Management zu berücksichtigen. Innerhalb der verschiedenen Grünlandtypen sind besonders viele Pflanzengesellschaften des Feuchtgrünlands (Molinietalia) als schwindend und gefährdet einzustufen, da auf ihren Standorten mit ungünstigem hydrologischen Regime (wechselfeucht bis nass) besonders in der zweiten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts ein Landschaftswandel durch Meliorationsmaßnahmen sowie Nährstoffanreicherungen eintrat (TREWEEK et al. 1997, ROSENTHAL et al. 1998, PRACH 2008). Diversität versus Produktivität und Nährstoffverfügbarkeit Für die Diversität von Pflanzengesellschaften wurde in Studien von GRIME (1973, 1979) sowie AL MUFTI et al. (1977) die Funktion einer „hump-shaped“- Beziehung zu deren Produktivität angenommen. Nachfolgend untersuchten zahlreiche Studien diesen Zusammenhang, welche unterschiedliche Produktivität-Diversitäts-Beziehungen z. B. auch positiv/negativ lineare Beziehungen belegten (WAIDE et al. 1999, MITTELBACH et al. 2001, ZHANG et al. 2011). Für eine Beantwortung der Frage, welcher Zusammenhang im konkreten System vorherrscht, ist auch die untersuchte Flächengröße von Bedeutung sowie eine Kombination verschiedener Faktoren wie z. B. Gesellschaftstyp, Habitatgröße und Management-Geschichte (CHALCRAFT et al. 2009). Experimentelle Untersuchungen mit künstlichen bzw. manipulierten Grünlandgesellschaften belegten eine Steigerung der Produktivität durch Artenreichtum bzw. einen positiven Allgemeine Einführung 1 Zusammenhang von Diversität und Produktivität (Hector et al. 1999, Marquard et al. 2009), was durch Effekte positiver Arteninteraktion sowie Artenkomplementarität (HOOPER et al. 2005, SPEHN et al. 2005) erreicht wird. Dagegen führte eine Steigerung der Produktivität zu einer Abnahme der Diversität in einer Studie von Tilman (1993). Die Frage nach einer vorherrschenden Produktivität-Diversitäts-Beziehung kann wohl nicht generell beantwortet werden und in verschiedenen Systemen können auch verschiedene Diversitäts-Produktivitäts-Beziehungen auftreten. Wichtige Aspekte für den Artenreichtum scheinen der vorhandene Artenpool und die Arteninteraktion zu sein, allerdings in Abhängigkeit von der jeweiligen Produktivität bzw. Störungsintensität. Auf moderat produktiven Standorten kann der potenzielle Artenpool für den Artenreichtum entscheidend sein, während offenbar bei Anstieg der Bodenfertilität und Reduktion der Störungsintensität die Intensität der Arteninteraktionen (z. B. Konkurrenz) den Artenreichtum bedingt (DICKSON & FOSTER 2008).