Abb. 1: Aussehen und Informationsgehalt einer typischen Dendrometerkurve.
Auf der Monatsebene (Abb. a) können, anhand der kontinuierlichen Datenaufzeichnung, Unterschiede in der Wachstumsdynamik innerhalb als auch zwischen den Jahren erfasst werden. Dies beinhaltet z.B. Anfang und Ende der Wachstumssperiode, Jahreszuwachs sowie die jeweiligen Wachstumsgeschwindigkeiten (Steigung der Kurve).
Auf der Tagesebene (Abb. b) lassen sich anhand der Stärke der täglichen Durchmesserschwankungen (Quellen und Schwinden) Zeiträume mit hohen Transpirationsverlusten unter gleichzeitig starker Inanspruchnahme des Wasserspeichers im Stamm, identifizieren. Während Regenereignissen ist der Transpirationsverbrauch verschwindend gering. Die Rückkehr des Durchmessers auf die Wachstumskurve (schwarz gestrichelte Kurve) sowie äußerst gedämpfte Tagesschwankungen zeigen eine erfolgte Wiederbefüllung des Stammwasserspeichers an (Für weiterführende Literatur, bitte klicken: 1, 2, 3, 4, 5). Kurze vorübergehende Durchmesserrückgänge im Winter zeigen Frostereignisse an (Abb. a).

Abb. 2: Die Transpiration auf Gesamtbaumebene kann mithilfe von Saftflussdaten und Durchmesserschwankungen nachvollzogen werden.
a) Messungen mit dem SF-L Saftflusssensor von ECOMATIK: – dendrometergestützte Ermittlung von ΔTCmax –
Der Saftfluss im Stamm wird mittels SF-L Sensoren erfasst (roter Graph). Besonderheit des SF-L Sensors: mittels zusätzlicher Referenzmesspunkte werden Fehler aufgrund von Temperaturgradienten im Splintholz automatisch korrigiert. Über Dendrometer wird der Befüllungszustand des Stammwasserspeichers erfasst (blauer Graph).
ΔTCmax ist der absolute maximale Temperaturunterschied zwischen dem beheizten Teil und dem Referenzteil des Sensors, wenn kein Saftfluss vorhanden ist.
Im Gegensatz zu dem von Granier vertretenen Ansatz, tritt dieser Zustand nicht jede Nacht ein. Zur korrekten Bestimmung von ΔTCmax müssen zwei Voraussetzungen erfüllt sein:
1. Der Baum ist wassergesättigt und die Wasseraufnahme kommt zum Erliegen. Dieser Zustand tritt im Verlauf feuchter Witterungsbedingungen auf und ist anhand der Abwesenheit von Quellungs- und Schwindevorgängen zu identifizieren. Die Dendrometerkurve zeigt einen plateauförmigen Verlauf
2. Die Luftfeuchtigkeit im Bereich von 100%, die Transpiration ist unterbunden.
b) Zusammenhang zwischen Gesamtgewicht einer abgeschnittenen 40 Jahre alten Fichte (y-Achse) und ihrem Stammdurchmesser (x-Achse) im Verlauf der Lufttrocknung.
Mittels eines DR Dendrometers wurde die Durchmesserentwicklung auf Brusthöhe (1,3m) einer 40 Jahre alten Fichte (Picea abies) über drei Jahre hinweg kontinuierlich erfasst. Gleichzeitig wurden weitere relevante Parameter (Klima, Bodenfeuchte, Saftfluss) im 30-Minuten Intervall aufgezeichnet. Am Ende des Messzeitraumes wurde der Stamm des Baumes, unter Verbleib der Dendrometerinstallation, gekappt. Das durch die langsame Lufttrockunung des Baumes verursachte abfallenden des Frischgewichts konnte so mit dem Schwinden des Stammdurchmessers direkt in Beziehung gesetzt werden. Dieser Zusammenhang beschreibt die voranschreitende Erschöpfung des Stammwasserspeichers (Puffer) und der damit verbundenen Reduktion des Stammdurchmessers. Die Beziehung ist dabei nicht linear. Im gesättigten Zustand entspricht ein Schwinden des Durchmessers um 250 μm einem Verlust von 12 Litern Wasser, während die folgenden 250 μm (von -250 bis -500 μm) jedoch nur einem Wasserverlust von 2 Litern entsprechen.
c) Saftfluss und Verbrauch von Wasser aus dem Stammspeicher (Puffer) als sich ergänzende Komponenten der Gesamtbaumtranspiration
Die aktuelle Gesamttranspiration des Baumes (schwarzer Graph) wurde basierend auf Saftflussdaten (blauer Graph) und Durchmesserschwankungen unter Berücksichtigung der ermittelten Beziehung zwischen Durchmesser und Stammwasserspeicher berechnet (d.h. Puffer, rot schraffierte Flächen). Die berechnete aktuelle Transpiration ist hier für fünf aufeinander folgende Tage dargestellt. In diesem Zeitraum wird die Pufferfunktion des Stammes deutlich. Der Baumkörper fungiert als Wasserreservoir. Er befüllt sich nachtsüber, während er tagsüber bei hohem Transpirationsbedarf zusätzlich Wasser zur Verfügung stellt. Abhängig von der Tageszeit stellt diese Pufferung bis zu 50% der benötigten Transpirationsmenge. Durchschnittlich beträgt der Anteil der Pufferung 6% der Gesamttranspiration.
d) Kontinuierliche Daten zur stomatären Leitfähigkeit auf Gesamtbaumebene
Stomatäre Leitfähigkeit auf Gesamtbaumebene (d.h. Kronenleitfähigkeit), modelliert auf Basis von Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit im Kronenraum, Gesamtnadelfläche sowie aktueller Gesamtbaumtranspiration. Die höchsten Leitfähigkeiten ergaben sich an Tagen mit feuchten Wetterbedingungen (vgl. 15. Juli).

Abb. 3: Korrelation zwischen den Abweichungen des Radialzuwachses (Gdev) und der Luftfeuchtigkeit (Wdev) von ihrem jeweiligen Langzeit-Tagesmittel (DOY) im Verlauf der Vegetationsperiode (May 1 – Sept. 30).
Hier stellen wir eine Methode zur Untersuchung von Klima-Wachtumsbeziehungen auf Basis von Dendrometerdaten vor. Dieser Ansatz ermöglicht die Erfassung des Einflusses von Klimabedingungen auf das Baumwachstum mit einer zeitlichen Auflösung auf Tagesbasis. Grundannahme ist dabei, dass, innerhalb einer begrenzten Zeitspanne ( Link zu weiterführender Literatur: 1)

Abb 4: Tägliche Durchmesserschwankung als kontinuierlich erfassbarer Index zur Bewertung der pflanzlichen Wasserversorgung.
Tägliche Durchmesserschwankungen, d.h. das Quellen und Schrumpfen des Stamms, werden hauptsächlich durch Veränderungen des Zellinnendrucks (Turgor) lebender parenchymatischer, Zellen im Rindengewebe verursacht. Bei unzureichender Wasserversorgung im Boden (z.B. während Trockenperioden) verursachen der hohe Transpirationsbedarf und die damit einhergehende Nutzung des Stammwasserspeichers starke Schwankungen im Stammwasserpotential (blauer Graph, pflanzenphysiologischer Parameter der direkt den pflanzlichen Wasserstatus angibt), welcher sich in der Amplitude der täglichen Durchmesserschwankung (roter Graph) abzeichnet. Die tageszeitlichen Schwankungen im Durchmesser können daher als nicht-invasive Methode zur Registrierung der pflanzlichen Wasserversorgung dienen (-> Link weiterführende Literatur: 1, 2, 3, 4, 5, 6). Diese Möglichkeit zur Erfassung des pflanzlichen Wasserstatus ist von besonderem Interesse, da alternative Methoden zur Abbildung des Wasserpotentials im Allgemeinen invasiv (Teile der Pflanze müssen abgeschnitten, oder der Stamm verletzt werden), arbeitsintensiv (einzelne Punktmessungen, d.h. nicht kontinuierlich, z.B. mit Scholander Druckbombe) und sehr fehleranfällig (Stammpsychrometer) sind.

Abb. 5: Wachstumsdynamik und tägliche Durchmesserschwankunen in Stamm und Wurzel einer 80-jährigen Fichte (Picea abies).
Ermittelt wurden die Messdaten an einer ausgewachsenen Fichte, auf der auf der Forschungsfläche „Kranzberger Forst“ der TU München. Der Stamm (Durchmesser 44cm) wurde auf Brusthöhe (1,3m) mit einem Umfangsdendrometer (DC1), eine Wurzel (5mm Durchmesser, in ca. 5cm Mineralbodentiefe) mit einem Wurzeldendrometer (DRO) ausgestattet. Danach wurde die kleine Installationsgrube des Wurzeldendrometers wieder mit dem Aushub verfüllt. Der Messzeitraum startete Ende März 2013 und endete im Januar 2014. Während des gesamten Zeitraums von mehr als neun Monaten verblieb das Wasserdichte Wurzelendrometer im Erdboden vergraben. Abgesehen von ausschließlich loggerbedingten Datenausfällen, arbeiteten beide Dendrometer ohne weitere Probleme.
a): Wachstumsdynamik von Stamm (blauer Graph, rechte Skala) und Wurzel (roter Graph, linke Skala). Vor Juli 2013 ergab sich für Wurzel und Stamm ein ähnliches Wachstumsmuster. Zu Anfang der Messungen zeichnete sich zunächst eine Reduktion der Durchmesser ab. Dieses Phänomen kann im Zusammenhang mit Umstellungen in der Osmoregulation der Zellen gesehen werden, wodurch die Pflanze im Verlauf des Jahres der Gefrierpunkt der Zellen steuert. (Gross et al., 1980). Der Durchmesserzuwachs startete Mitte April. In den folgenden Wochen bis Ende Juni verzeichnete die Wurzel einen Zuwachs von 200 μm, der Stamm von 2000 μm. Im Gegensatz zum Stamm der während der gesamten Vegetationsperiode signifikanten Zuwachs zeigte, konnte ab Juli 2013 im Fall der Wurzel ein drastisches Schrumpfen von schlussendlich 50 μm beobachtet werden. Danach zeigte der Wurzeldurchmesser bis zum Ende des Messzeitraums lediglich minimalen Veränderungen. Trockenheit wirkt sich vor allem auf Wurzeln in den oberen Bodenschichten negativ aus. Auf der Basis unserer Messergebnisse schlussfolgern wir deshalb das Absterben der Wurzel während der Juli/August 2013 aufgetretenen Sommertrockenheit.
b): Während feuchter Perioden zeigten Stamm und Wurzel ähnliche tageszeitliche Durchmesserschwankungen. In Abhängigkeit vom Transpirationsbedarf der Krone und dem damit verbundenen Wasserverlust der Rindenparenchymzellen schrumpfte der Stamm in der Krone im Verlauf des Tages. Nachts wurde der Wasserverlust wieder durch die Wasseraufnahme aus dem Boden kompensiert und der Durchmesser von Stamm und Wurzel nahmen wieder zu. Die Maximalwerte der Durchmesserschwankungen wurde unter diesen Bedingungen zwischen 4 und 6 Uhr beobachtet.
c): Während trockener Perioden (z.B. 24. Bis 27. April) konnte eine zeitliche Verschiebung zwischen den Durchmesserschwankungen des Stammes und der Wurzel beobachtet werden. Der Stamm erreichte sein tägliches Maximum kurz vor Sonnenaufgang, während das tägliche Maximum im Wurzelduchmesser viel früher auftrat. Der Baum profitierte vom gesamten Wurzelsystem und daher aufgrund seines Zugangs zu Wasservorkommen in tiefer gelegenen Bodenbereichen in der Lage seinen Stammwasserspeicher während der ganzen Nacht zu befüllen. Der Wasserstatus individueller oberflächennaher Wurzeln hingegen scheint jedoch stark von der lokalen Wasserverfügbarkeit abzuhängen und ist daher stark von Trockenereignissen beeinträchtigt. Den trockenen Bedingungen in den oberen Bodenschichten ausgesetzt, war die geringe Menge an verfügbarem Bodenwasser bereits gegen Mitternacht erschöpft, die Wurzel hört auf zu Quellen.

Abb. 6: Durchmesserveränderung von wachsendem Mais (links) und austrocknendem Weizen (rechts), gemessen mittels Durchmesser Dendrometer (DD-S)
Linke Graphik: Wachstum zweier Maispflanzen unter permanent guter Wasserversorgung (blauer Graph) und zeitweisem Wassermangel (roter Graph, Wassermangel 10. bis 14. Juli). Gegenüber der gut wasserversorgten Pflanze führt selbst der nur kurze Wassermangel zu einem bleibendem Defizit in der Pflanzengröße. Rechte Graphik: Während einer Trockenphase gemessen, weist das Wechselspiel zwischen Schwinden am Nachmittag und Quellen in der Nacht und in den Morgenstunden auf eine tägliche Erschöpfung und einer darauffolgenden Wiederbefüllung des internen Wasserspeichers der Weizenpflanze hin. Nichtsdestotrotz zeigt der insgesamt beobachtete Rückgang des Durchmessers eine negative Wasserbilanz an. Ohne Bewässerung wird die Pflanze vertrocknen.

Abb. 7: Durchmesserentwicklung eines wachsenden Apfels bei guter Wasserversorgung, gemessen mittels Fruit Dendrometer (DF)
Analog zu dem Quellen und Schrumpfen auf Stammebene, ist ein ähnliches Muster in der Durchmesserentwicklung von Fruchtkörpern zu Beobachten. Mangelnde Wasserversorgung kann das Fruchtwachstum limitieren und somit zu Produktionseinbußen führen.

Abb. 8: Veränderungen der Stammdimensionen in axialer Richtung, erfasst mittels drei vertikaler Dendrometer (DV)
Die verschiedenen Graphen zeigen vertikale Veränderungen (d.h. der Länge) des instrumentierten Stammabschnitts, für drei unterschiedliche Himmelsrichtungen (S: schwarz; NO: rot; NW: grün). Der blaue Graph zeigt den Gesamtmittelwert der drei Sensoren. Auf Kurzzeitebene (Sekunden bis Minuten) zeigen die Änderungen der Signale der Einzelsensoren Richtung und Intensität einer momentanen horizontalen Belastung (z.B. Wind) an, die zu einer Beugung des Stammes führt. Auf mittelfristiger Zeitskala (Tage bis Monate) können die Sensorsignale als Indikator für längerfristige Ungleichgewichte in der Krone (z.B. Schneelast, ungleich verteilte Fruktifikation) dienen. Auf der Langzeitebene (Monate bis Jahre) werden dauerhafte Veränderungen in der Statik des Baumes (z.B. ungleichmäßiges Wachstum nach Durchforstung, ungleichmäßiger Verlust von Kronenteilen) erfasst. Mittels DV-Sensoren können somit auf allen drei Zeitskalen spezifische Daten bezüglich der Baumstatik ermittelt werden und als Informationsbasis für entsprechende Risikobewertungen und Studien herangezogen werden. Schwankungen im Gesamtmittelwert (blauer Graph) stehen im Zusammenhang mit einem vertikalen Quellen und Schwinden des Stammes und somit dem Wasserstatus des Baumes.