Faculté des sciences

Spatio-temporal variations of rockfall activity into forests results from tree-ring and tree analysis

Stoffel, Markus ; Monbaron, Michel (Dir.) ; Kienholz, Hans (Codir.) ; Strunk, Horst (Codir.) ; Raetzo, Hugo (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2005 ; Nr. 1480.

Steinschlag stellt einen der am häufigsten in Gebirgsregionen auftretenden geomorphologischen Prozesse dar und wurde daher in der Vergangenheit ausgiebig studiert. Trotzdem bleiben detaillierte Kenntnisse zur Steinschlagfrequenz (wie häufig), zu Steinschlagvolumen (wie gross), zu räumlichen Mustern (wo) oder zur Jahreszeitlichkeit (wann) der Steinschlagaktivität die Ausnahme und Angaben... Mehr

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    Zusammenfassung
    Steinschlag stellt einen der am häufigsten in Gebirgsregionen auftretenden geomorphologischen Prozesse dar und wurde daher in der Vergangenheit ausgiebig studiert. Trotzdem bleiben detaillierte Kenntnisse zur Steinschlagfrequenz (wie häufig), zu Steinschlagvolumen (wie gross), zu räumlichen Mustern (wo) oder zur Jahreszeitlichkeit (wann) der Steinschlagaktivität die Ausnahme und Angaben zumeist nur sehr fragmentarisch. Ebenso wurden Jahrringanalysen bislang nur in wenigen Ausnahmen herangezogen, um die vergangene Steinschlagaktivität zu untersuchen. Es ist daher das Ziel dieser Arbeit, (i) saisonale Unterschiede in der Steinschlagaktivität festzulegen und (ii) räumlichzeitliche Variationen in der Steinschlagaktivität mit dendrochronologischen Untersuchungen zu durchleuchten. Daneben wurden die vertikale Verteilung und die Sichtbarkeit von Steinschlagverletzungen auf der Stammoberfläche betrachtet, bevor Stärken und Schwächen der Dendrochronologie im Bereich der Steinschlagforschung mit zahlreichen Datensätzen existierender Studien evaluiert wurden. In einer ersten Untersuchung wurden 270 Stammscheiben von 18 juvenilen Lärchen (Larix decidua) aufbereitet, um saisonale Unterschiede in der Steinschlagaktivität auf einem bewaldeten Hang im Täschgufer (Täsch, Schweizer Alpen) zu studieren. Basierend auf einem Ansatz, der bislang nur in der Waldbrandforschung zur Anwendung kam, wurde die Position von Kallusgewebe und traumatischer Harzkanalreihen innerhalb des Jahrrings bestimmt und daraus die Jahreszeitlichkeit der Ereignisse abgeleitet. Die Ergebnisse zeigen deutliche saisonale Unterschiede bezüglich der Steinschlagaktivität, wobei Verletzungen während der Vegetationsperiode (Anfang Juni bis Mitte Oktober) eindeutig die Ausnahme bilden (12%). Im Gegensatz dazu können 88% der Verletzungen der winterlichen Wachstumspause zugeordnet werden, welche lokal von Mitte Oktober bis Ende Mai andauert. Direkte Beobachtungen am Hang bestätigen diese Resultate und deuten überdies darauf hin, dass die Aktivität im April und Mai am ausgeprägtesten sein dürfte. Während dieser Periode nimmt die globale Sonneneinstrahlung am westexponierten Hang des Täschgufer kontinuierlich zu und vermag so die Eislinsen aufzutauen, die durch das Gefrieren von Schmelzwasser in den Spalten und Rissen der Anrisszonen gebildet werden konnten. Im Gegensatz dazu scheint die Steinschlagaktivität im Täschgufer weder durch Sommergewitter noch durch anhaltende Niederschläge im Herbst beeinflusst zu werden. In einer zweiten Untersuchung wurden im Täschgufer an 135 stark verletzten Lärchen 564 Bohrkerne gezogen, um langfristige Veränderungen in räumlichzeitlichen Steinschlagmustern festzustellen. Die Untersuchungen umfassten vier Jahrhunderte (1600-2002) und ermöglichten die jahrgenaue Rekonstruktion von 741 Wachstumsstörungen in der Form von Verletzungen, traumatischen Harzkanalreihen, Reaktionsholz oder abrupten Wachstumsänderungen. Räumliche Analysen zeigten klar auf, dass Steinschlag während der letzten 400 Jahre immer wieder auftrat, wobei die Bäume in der südlichen Hälfte des Hanges regelmässiger von Steinschlag beeinflusst wurden, teils sogar mehr als einmal pro Jahrzehnt. Im Gegensatz dazu wurden die Bäume in der nördlichen Hälfte des Untersuchungsgebiets weniger häufig durch Steinschlag gestört, was die Wiederkehrdauer zwischen zwei Steinschlagereignissen lokal auf mehr als 150 Jahre anwachsen liess. Des weiteren fällt auf, dass sich Steinschlag in der Vergangenheit vorab mittels kleinvolumiger aber hochfrequenter Ereignisse manifestierte. Die Ausnahme bildet das Jahr 1720, als durch ein grossvolumiges Ereignis der Waldrand im südlichen Bereich des Hanges umgeschlagen und der Waldbestand weitestgehend eliminiert wurde. Der aufwachsende Wald hat sich im Anschluss an das Ereignis jedoch wieder erholt und konnte dadurch seine Schutzfunktion je länger je besser wieder wahrnehmen, was sich unter anderem auch in einer Reduktion der rekonstruierten Steinschlagrate im Südsektor zwischen 1740 und 1990 um den Faktor 13 auswirkt. Danach wurden im Altdorfer Bannwald (Altdorf, Schweizer Voralpen) drei ausgewachsene Bäume (Abies alba, Fagus sylvatica, Picea abies) gefällt und die vertikale Verteilung sowie die Sichtbarkeit von Steinschlagschäden am Baum untersucht. Für die Analyse vergangener Schäden wurden zwischen dem Stammanlauf und der Krone alle paar Zentimeter Stammscheiben gesägt, insgesamt 307. Aus den Resultaten der Untersuchung geht hervor, dass die Höhenverteilung der Schäden in Zusammenhang stehen dürfte mit der Grösse der Steine und Blöcke, der Hangneigung und dem Waldbestand. Infolgedessen lassen sich Schäden sowohl in Bodennähe wie auch auf über neun Metern Höhe erkennen. Schliesslich wurden – basierend auf den Resultaten aus dem Altdorfer Bannwald – Schwachpunkte, Möglichkeiten und Grenzen der Rekonstruktion von Steinschlagereignissen mit Jahrringanalysen unter die Lupe genommen. Die Untersuchung ging davon aus, dass Steinschlagschäden sehr viel zufälliger auf verschiedene Bäume verteilt sind und in sehr viel stärker variierenden Höhen auftreten als etwa Wunden, die durch das Auftreten von Fliessprozessen wie Überschwemmung, Nassschneelawine oder Murgang entstehen können. Nebst der vertikalen Verteilung der Schäden wurde anhand bestehender Daten aus den Schweizer Voralpen und Alpen unter anderem auch der Anteil der von aussen sichtbaren Schäden mit der Gesamtzahl der im Jahrringbild rekonstruierbaren Wunden verglichen. In ähnlicher Weise wurde danach versucht, den Prozentsatz der Verletzungen festzulegen, der erfasst werden kann, falls anstelle des ganzen Baumes nur eine einzelne Stammscheibe untersucht wird. Die Resultate der Untersuchungen deuten darauf hin, dass der Prozentsatz ‘unsichtbarer’ Schäden im wesentlichen von artspezifischen Borkeneigenschaften, jährlichen Zuwachsraten, dem Baumalter und dem Baumdurchmesser sowie von der Grösse des Steinschlags abhängen. Dies hat zur Folge, dass in einzelnen Baumarten nur 15% der Schäden von aussen nicht mehr sichtbar sind, während in anderen 90% nur mehr durch Jahrringanalysen festgestellt werden können. Das Studium einzelner Scheiben auf einer durch das äussere Erscheinungsbild des Stammes vorgegebenen ‘Testhöhe’ zeigt zudem auf, dass mit nur einer Scheibe pro Baum im besten Fall 13 bis 35% aller Wunden erfasst werden können. Eine wesentliche Verbesserung der Resultate kann jedoch erreicht werden, wenn weitere Indikatoren für die Präsenz von vergangener Steinschlagaktivität herangezogen werden, wie etwa Reaktionsholz, abrupte Wachstumseinbrüche oder – falls vorhanden – traumatische Harzkanalreihen. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die vorliegende Arbeit Einblicke zu Möglichkeiten und Grenzen der Jahrring-Steinschlag-Forschung schuf und umfassende Daten zur Jahreszeitlickeit, Frequenz und Magnitude der Steinschlagaktivität sowie der Sichtbarkeit und vertikalen Verteilung von Steinschlagschäden auf der Stammoberfläche lieferte. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden konnten seither auf einem anderen Standort erfolgreich angewandt. Trotzdem sind weitere Untersuchungen zur Jahrring-Steinschlag-Forschung im Allgemeinen und zur vergangenen Aktivität im Täschgufer im Speziellen unerlässlich, da die gewählten Analysemethoden weiter ausgebaut und nicht zuletzt auch der Einfluss von Erdbeben oder Klimafluktuationen auf die Steinschlagaktivität im Detail untersucht werden sollten.
    Summary
    Rockfall represents one of the most common geomorphological processes in mountain regions and has extensively been studied in the past. Nonetheless, detailed data on frequencies (how often), volumes (how large), spatial distributions (where) or the seasonality (when) of rockfall activity remain scarce and most of the time fragmentary. Similarly, tree-ring analysis has only exceptionally been used to investigate past rockfall activity. It was therefore the aim of this study to (i) assess intra-annual differences in rockfall activity and (ii) to investigate spatial and decadal fluctuations of rockfall activity on forested slopes with dendrochronological analysis. Furthermore, the vertical distribution of scars was investigated and the visibility of scars determined, before other strengths and weaknesses of dendrochronology in rockfall research were evaluated with extensive datasets from existing studies. Firstly, 270 stem discs from 18 juvenile Larix decidua trees were prepared to study 25 years of intraseasonal differences in rockfall activity on a forested slope at Täschgufer (Täsch, Swiss Alps). Based on approaches used to date past forest fires, the position of callous tissue and resin ducts has been assessed within the tree ring as to determine the intra-seasonal timing of events. Results show distinct differences in rockfall activity, indicating that rockfall is scarce during the vegetation period (12%), which locally lasts from early June through mid October. In contrast, 88% of the impacts occur during the winter dormancy of trees between mid October and the end of May. Direct observations on the slope confirm the results, indicating that rockfall activity would be highest around April and May, when global insulation on the westfacing slope gradually rises and ice lenses formed from meltwater slowly disappear in the joints and fissures of the rockfall source areas. In contrast, rockfall seems to be neither influenced by thunderstorms in summer nor abundant rainfall in autumn. Secondly, 564 increment cores from 135 severely injured Larix decidua trees have been sampled at Täschgufer to investigate long-term spatial and temporal variations of rockfall activity. The analysis covers four centuries (1600–2002) and allowed reconstruction of 741 growth disturbances such as scars, traumatic rows of resin ducts, reaction wood and abrupt growth changes. Spatial analysis clearly shows that evidence from past rockfall events can commonly be found in trees located in the southern part of the slope, where they recurred more than once per decade. In contrast, trees in the northern part were less frequently disturbed by rockfall and locally define recurrence intervals of more than 150 years. Throughout the last four centuries, rockfall has caused growth disturbances to the trees sampled on the slope, most frequently in the form of low magnitude-high frequency events. In addition, analysis allowed identification of one high magnitude-low frequency event in 1720, which displaced the forest fringe of the northern sector a considerable distance downslope and eliminated an entire forest stand. Data further show that the forest recolonizing the southern sector after the 1720 event gradually improved its protective function, reducing the rate of reconstructed rockfall activity by a factor of 13 between the 1740s and the 1990s. Thirdly, three adult trees (Abies alba, Fagus sylvatica, Picea abies) have been felled in the Altdorfer Bannwald (Altdorf, Swiss Prealps) as to investigate the height distribution and visibility of impacts (scars) on trees. Past impacts on trees were analyzed with 307 cross-sections taken every few centimeters between the stem’s base and its crown. Results demonstrate that impact heights of rockfall fragments on trees largely vary depending on the diameter of rockfall fragments, the slope gradient as well as the forest cover. As a consequence, scars were identified at heights ranging from almost 0 to more than 900 cm above ground. Lastly and based on the results obtained from the three adult trees gathered at Altdorfer Bannwald, methodological difficulties, possibilities and limits of tree-ring analysis in rockfall research have been investigated. The study has been based on the idea that – in contrast to other hazardous processes such as debris flows, floods or wet snow avalanches – scars caused by rockfall activity are more randomly distributed on trees and may occur at largely varying heights. As a consequence, data gathered from nine different datasets in the Swiss Alps and Prealps have been analyzed in order to determine inter alia the percentage of scars remaining visible on the stem surface. Similarly, the number of scars reconstructed on entire trees has been compared to the events identified on only one cross-section or a series of increment cores taken at the height with a maximum number of wounds (i.e. test height) visible on the stem. Data indicate that the amount of overgrown scars would much depend on the bark properties of the species, yearly increment rates, the age of the tree, tree diameter as well as the size of rockfall fragments, resulting in an amount of ‘blurred evidence’ ranging from 15 to 90%. Analysis of single cross-sections at a given ‘test height’ indicates that, at best, 13 to 35% of the scars occurring on the entire tree can be detected. Data further suggest that the amount of events reconstructed at this ‘test height’ can be considerably improved as soon as other growth disturbances such as reaction wood, abrupt growth reductions or – if existing – traumatic rows of resin ducts are considered as well. In conclusion, new insights about possibilities and limitations of tree ring-rockfall research have been gained in this thesis and comprehensive data obtained on the seasonality, frequency or magnitude of rockfall activity as well as the vertical distribution and visibility of scars on stem surfaces. Replicate studies have since proved the general applicability of the approaches developed. Nonetheless, further research is needed in general and at Täschgufer in particular, as there is potential for improvements and further research, namely on earthquake-rockfall or climate-rockfall interactions.