Waldökologie, Landschaftsforschung und Naturschutz, Heft 12 (2011)
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Auf der Basis des forsthydrologischen Modells BROOK 90 wurde ein Modellsystem zur Berechnung und Beurteilung des Standortswasserhaushaltes in Abhängigkeit von Klima, Relief, Boden und Bestockung entwickelt. Implementierte Indikatoren zur Ausschöpfung des Bodenwasservorrates, der Einschränkung der Transpiration und des Auftretens von Staunässe erlauben eine Visualisierung der Modellergebnisse in Form neuartiger Standortskarten. Basierend auf der Kenntnis der Unterschreitungshäufigkeiten von Schwellenwerten dieser Indikatoren wurde ein fünfstufiger Bewertungsrahmen für den Wasserhaushalt aufgestellt. Das Modell wurde im Tharandter Wald für ein Gebiet mit variierenden Böden und unterschiedlicher Bestockung (Buche, Eiche, Fichte und Kiefer) getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Vorgehensweise eine differenzierte Informationsgrundlage für die forstliche Planung liefert. Beispielsweise können Entscheidungen zu Baumartenwahl und Bestandesstruktur abgeleitet werden. Forschungsbedarf besteht vor allem in der Verknüpfung der im Modell implementierten Indikatoren des Wasserhaushaltes mit Wachstumsparametern und physiologisch definierten Schwellenwerten.
Um bei der flächenhaften Modellierung des Wasserhaushaltes aus dem Relief resultierende Variabilitäten der meteorologischen Eingangsgrößen zu berücksichtigen, ist eine hohe räumliche Auflösung erforderlich. Das führt zu hohen Rechenzeiten. Die Kombination physikalisch und physiologisch begründeter Modellierung mit Fuzzy-Inference-Systemen (FIS) zeigt einen Weg aus diesem Dilemma. Rasterpunktspezifische Korrekturfaktoren widerspiegeln das Verhältnis zwischen den meteorologischen Bedingungen am Standort zu den Messwerten an der Klimastation. Diese Korrekturfaktoren werden direkt zur Parametrisierung der Bedingungen der Fuzzy-regeln verwendet. Als Parameter der Folgerung werden direkt Modellergebnisse des forsthydrologischen Modells BROOK 90 eingesetzt. Damit erfolgt eine objektive modellgestützte Parametrisierung des FIS. Ein Training wird nicht ausgeführt. Die Validierung der Methode zeigt nur geringe Abweichungen zwischen den Modellergebnissen und den FIS-Outputs.
Die forstliche Standortklassifikation ist bundesweit uneinheitlich und bezüglich der Bewertung des Gesamtwasserhaushalts meist subjektiv. Um eine Vereinheitlichung zu erreichen, wird eine modellbasierte, objektive Klassifikation angestrebt, die neben der reliefbasierten meteorologischen Variabilität auch Bodenform und Bestockung einbezieht. In diesem Artikel werden die Ergebnisse vergleichender BROOK 90-Simulationen, die den Effekt unterschiedlicher Böden, Baumarten und Ausrichtungen im Gelände untersuchen, dargestellt und diskutiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Betrachtung von Wasserverfügbarkeit. Es wurden Parametrisierungen für vier verschiedene Bodenformen mit den Bestockungen Buche, Eiche, Fichte und Kiefer verwendet. Die reliefbedingten meteorologischen Standortcharakteristiken richten sich nach den lokalen Gegebenheiten des Testgebiets Tharandter Wald. Für das Konzept der Darstellung von Unterschieden hinsichtlich des Standortswasserhaushaltes wurden hierfür im Modell implementierte Stressindikatoren verwendet.
Es zeigt sich, daß in Trockenjahren die Laubbäume höhere Stressindikatoren erreichen. Gleichfalls treten bei Böden mit geringerer Wasserretention erwartungsgemäß mehr Stress-tage auf. Bestockung und Bodeneigenschaften haben einen Einfluß auf Wasserknappheit in der Größenordnung wie die zur forstlichen Standortklassifikation verwendeten morphologischen Geländeeigenschaften.
Konzept für ein quantitatives Verfahren zur Kennzeichnung des Lufthaushaltes von Waldböden in Bayern
(2011)
Da neben der Beschreibung des Wasserhaushaltes auch die Kenntnis über Luftmangel für die standortgerechte Baumartenwahl wichtig ist, wird ein Konzept für die bayernweite Beschreibung des Lufthaushaltes vorgestellt. Es ist eine Weiterentwicklung eines empirischen Regressionsmodells, das die Staunässe mittels Geländeparametern, Klima und Bodendaten abschätzt. Dazu wurden mit dem Wasserhaushaltsprogramm LWF-Brook 90 zahlreiche Kombinationen von Standortsfaktoren simuliert und eine Schätzgröße für Luftmangel ausgegeben. Diese Größe beschreibt die Einschränkung des Lufthaushaltes über einen längeren Zeitraum. In einem weiteren Schritt wird dieser deterministische Luftmangelparameter über ein neues Regressionsmodell abgeleitet und mit zusätzlichen topographischen Informationen über Zu- und Abflüsse in einem GIS kombiniert. Ziel ist es, für ganz Bayern den Lufthaushalt von Waldböden zu beschreiben.
Für das umfangreiche Datenmaterial der forstlichen Standortserkundung in Brandenburg wurde ein EDV-gestütztes Verfahren zur Ableitung kontinuierlicher Grundwasserflurabstände aus den Legendeneinheiten der forstlichen Standortskarte (Stamm-Standortsform und Stamm-Standortsformengruppen) und digitalen Geländemodellen (DGM) entwickelt. Grundlage dafür war die Kombination von Grenzwerten dieser Legendeneinheiten mit der aus dem DGM berechneten relativen Geländehöhe für die diskreten Flächen der Standortsformen. Durch dieses Vorgehen wurde die Geländemorphologie in das Verfahren zur Ableitung der Grundwasserflurabstände integriert. Dadurch ergibt sich eine, insbesondere gegenüber der Verwendung von auf der Übernahme von Mittelwerten basierenden Ansätzen, verbesserte Abbildung der Grundwasserflurabstände. Hauptsächlich in Abhängigkeit von der Genauigkeit der verwendeten Geländemodelle können somit räumlich beliebig aufgelöste kontinuierliche Grundwasserflurabstände berechnet werden. Das Verfahren wurde anhand der bestehenden Standortskarten auf über zwei Dritteln der Waldfläche Brandenburgs zur Generierung von Grundwasserflurabstandsinformationen angewandt und soll im Rahmen eines übergeordneten Projektes zu regionalen und standortsbedingten Unterschieden der Auswirkungen des Klimawandels eingesetzt werden.
Regionalisierung bodenphysikalischer Eingangsgrößen für bodenhydraulische Pedotransferfunktionen
(2011)
In vielen bodenkundlichen Studien werden qualitative oder (semi-) quantitative physikalische Bodeneigenschaften aufgenommen, wie die Bodentextur oder der Grobbodengehalt. Im vorliegenden Beitrag beschreiben wir das Verfahren einer Regionalisierung bodenphysikalischer Eigenschaften der zweiten Bodenzustandserhebung in Wäldern (BZE II) für Baden-Württemberg. Um die Datenbasis einer prozessorientierten hydrologischen Modellierung auf Landschaftsebene zu verbessern, ist die Anwendung von Regionalisierungsmethoden auf bodenphysikalische Zielgrößen auf der Basis punktbezogener Monitoringdaten unentbehrlich. Als statistische Methoden wurde das gewöhnliche Kleinste-Quadrate-Verfahren in Kombination mit geostatistischen Analysetechniken eingesetzt. Angewandt auf bodenphysikalische Zielgrößen zeigt ein stratifizierender Methodenansatz in Kombination landesweiter und regionaler räumlicher Modelle eine wesentliche Verbesserung der Prognosegüte. Damit erreichen die Regressionsmodelle für Bodeneigenschaften verhältnismäßig hohe Bestimmtheitsmaße von 0,59–0,70 (Grobbodengehalt), 0,52–0,65 (Trockenraumdichte), 0,70 (Entwicklungstiefe) und 0,66–0,80 (Textureigenschaften). Allein bei der Feinwurzeldichte liegt der Anteil der erklärten Messvarianz deutlich unter 50 % (R2 0,28–0,40), vermutlich bedingt durch die kleinräumige Variation waldbaulicher Einflussgrößen wie z. B. Baumartenzusammensetzung oder Bestandesdichte.
Die hydraulischen Bodeneigenschaften, also deren Fähigkeit Wasser zu speichern und zu leiten, bestimmen maßgeblich die Verfügbarkeit des Bodenwassers für Pflanzen und das Risiko von Wassermangel in Wäldern. Bislang existieren kaum systematische Untersuchungen zu den hydraulischen Eigenschaften von Waldböden. Wir führten Multi-Step-Outflow-Versuche durch, um die Wasserretentionskurve und die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit an insgesamt 1504 ungestörten Proben von Waldböden Baden-Württembergs zu ermitteln. Unter Verwendung zusätzlicher Messungen (Fraktionen des Fein- und Grobbodens, Trockenrohdichte, Gehalt an organischem Material) wurden Pedotransferfunktionen zur Schätzung der Parameter des Mualem/van Genuchten-Modells entwickelt. Die Schätzungen der neuen Pedotransferfunktionen wurden mit verschiedenen Pedotransferfunktionen aus der Literatur verglichen. Ein Vorteil der neuen Pedotransferfunktionen ist, dass sie unverzerrte Schätzungen der hydraulischen Eigenschaften der Waldböden von Baden-Württemberg liefern; ihre Vorhersagegüte ist vergleichbar mit veröffentlichten Pedotransferfunktionen.
In vier unterschiedlich strukturierten Waldregionen Baden-Württembergs wurde das Messkonzept der „zufällig wandernden Messplots“ angewendet, um mehr Informationen über die räumliche und zeitliche Variabilität der Bodenfeuchte und ihrer Einflussgrößen zu erhalten. Ziel ist es: (i) räumliche Daten für die Validierung eines physikalisch basierten Wasserhaushaltsmodells zu erhalten, (ii) Einflussparameter zu quantifizieren und (iii) ein Transfermodell zu entwickeln, welches die Bodenfeuchte einerseits als zeitunabhängige Funktion der räumlichen auftretenden Standortsparameter (z. B. Reliefeigenschaften, Bodentextur, Waldstruktur) und andererseits als zeitabhängige Funktion der räumlich invarianten Globalvariablen (z. B. Klima- und Abflussparameter) beschreibt. Die räumliche Variabilität der Bodenfeuchte (Mineralbodentiefe 0–20 cm) wurde gleichzeitig an 31 Sondenstandorten über eine Periode von 14 Tagen gemessen und anschließend auf den nächsten zufällig gewählten Messplot versetzt. Die Globalvariablen werden kontinuierlich an ein bis zwei Standorten pro Untersuchungsgebiet gemessen. Des Weiteren wurden an allen Sondenmesspunkten Standortseigenschaften aufgenommen. Mit der Anwendung multivariater Statistikmethoden, wie der Clusteranalyse sowie den Klassifikations- und Regressionsbäumen, ist es nun möglich, Standortsfaktoren zur Erklärung der räumliche Variabilität der Bodenfeuchte zu identifizieren. Anhand eines Landschaftsausschnittes werden erste Ergebnisse dieser Analysemethoden vorgestellt und diskutiert.
Die Waldregion Eberswalde als Teil des nordostdeutschen Tieflands ist durch geringe Niederschläge, Sommertrockenheit und verbreitet leichte Sandböden geprägt. Die jährlichen Niederschläge betragen 500 bis 600 mm. Schwerpunkt der forsthydrologischen Forschung ist die Klärung des Einflusses unterschiedlich strukturierter Wälder auf den Landschaftswasserhaushalt und auf die Teilglieder der Wasserhaushaltsgleichung. Im Lockergesteinsbereich sind Lysimeter eine geeignete Methode zur Erforschung des Wasserhaushaltes von Pflanzen. 1972 wurden in Britz bei Eberswalde neun Großlysimeter mit einer Tiefe von 5 m und einer Oberfläche von 100 m2 unter vergleichbaren Standortbedingungen angelegt. 1974 wurden diese Lysimeter mit den Baumarten Kiefer (Pinus sylvestris L.), Buche (Fagus sylvatica L.), Lärche (Larix decidua L.) und Douglasie (Pseudotsuga menziesii [Mirb.] Franco) bepflanzt. Das Versuchsziel war die Klärung des Baumarten- und Alterseinflusses der Bestockungen auf Grundwasserneubildung und Verdunstung. Die Lysimeterforschung hat in dieser Region eine über hundertjährige Tradition.
Die Großlysimeteruntersuchungen zeigten, dass für die Tiefenversickerung unter Wald die Baumart von herausragender Bedeutung ist. In Kiefernbeständen wurde mit Hilfe speziell entwickelter wägbarer Lysimeter der Wasserverbrauch typischer Bodenvegetationsdecken ermittelt. Erst durch die Berücksichtigung der Besonderheiten des strukturellen Aufbaus des Waldes wird eine treffende Beurteilung der hydrologischen Wirkungen möglich.
Die Transpiration eines Fichten– und Buchenbestandes unter Bodentrockenheit im Tharandter Wald
(2011)
Für die Bewertung des Standortwasserhaushaltes sind die Anforderungen der Bestockung unter sich ändernden Umweltbedingungen mit zu berücksichtigen. Von den unterschiedlichen Wasserhaushaltskomponenten gibt die Bestandestranspiration die physiologische Reaktion der Bäume wider und steht somit auch dem Kohlenstoffhaushalt am nächsten. Eine regulierende und somit kritische Größe stellt die Bestandesleitfähigkeit dar, die zwischen Wasser- und Kohlenstoffhaushalt vermittelt. Als Indikator für diese Regulation wird das Verhältnis von Kohlenstoffaufnahme zu Wasserabgabe, die sog. Wassernutzungseffizienz, herangezogen. An einem Fichten- und Buchenstandort wurde mittels Xylemsaftflussmessungen die Bestandestranspiration (Ec) und -leitfähigkeit (gc) bestimmt. Von Mai bis Oktober 2006 lag Ec am Fichtenstandort (161 mm Saison-1) deutlich unter Ec von Buche mit 182 mm Saison-1 während die Gesamtjahresbilanz ähnlich war. Dies stand in Beziehung mit einer Phase sommerlicher Bodentrockenheit, die sich am Fichtenstandort deutlicher als am Buchenstandort auswirkte. Im Gegensatz zu Buche war während der Bodentrockenheit die Bestandesleitfähigkeit von Fichte, unabhängig von atmosphärischen Bedingungen, auf minimale Werte reduziert und die Wassernutzungseffizienz erhöht. Aus den Befunden kann gefolgert werden, dass Standortverhältnisse und Baumarten zu messbaren Unterschieden im Standortswasserhaushalt führen, die auch in Wasserhaushaltsmodellen darstellbar sein sollten. Die vorliegenden Messdaten sind grundlegend, um transpirationsbezogene Indikatoren von Wasserhaushaltsmodellen zu bewerten.
Diese Arbeit benutzt mikrometeorologische, pflanzenökologische und bodenhydrologische Messungen als Mittel zum Prozessverständnis. Der langfristige Flussmessstandort Ankerstation Tharandter Wald (von 120 jährigen Fichten dominiert) zeigt die große Dynamik der Landoberflächen-Atmosphären-Wechselwirkungen wie auch ihre Klimaeffekte auf die Verteilung der turbulenten Wärmeströme, die Kohlenstoffsequestrierung und die Evapotranspiration (ET). Klimawerte, Phänologie und Flüsse unterstützen die Einteilung des Jahres in eine ‚aktive Phase’ (April–September) und eine ‚Ruhephase’ (Oktober– März): Kohlenstoffsequestrierung, zur Verfügung stehende Energie (Strahlungsbilanz) und fühlbarer Wärmestrom sind in der Ruhephase praktisch vernachlässigbar. Nur ET zeigt einen signifikanten Beitrag zur Jahresbilanz (25 % der aktiven Phase) aus der Interzeption (Evaporation von benetzten Nadeln), die vom fühlbaren Wärmestrom aus der Atmosphäre angetrieben wird. Die zwischenjährliche Variation der Flüsse ist im Allgemeinen klein (z. B. 500–650 gC m-2 yr -1) C-Aufnahme), selbst mit dem starken Dürrejahr 2003 (400 gC m-2) oder dem Effekt der Durchforstung 2002. Verglichen mit der Buche erreicht die Fichte – zumindest in der aktiven Periode – ähnliche Werte von ET aber niedrigere bei der C-Aufnahme. Die Kronentraufe beträgt bei der Fichte nur ca. 55 % des Niederschlages, bei der Buche summieren sich ca. 40 % Kronentraufe und knapp 25 % Stammabfluss zu etwa 65 % Bestandesniederschlag. Dieser Unterschied erklärt möglicherweise die im Allgemeinen höhere Bodenfeuchte am Buchenstandort. Als Resultat aus dieser Arbeit werden Modelle mit ausreichender Komplexität empfohlen, welche Bestandesstruktur und Phänophasen berücksichtigen. Das ist eine Voraussetzung für eine bessere Berücksichtigung von Wäldern mit ihren Landoberflächen-
Atmosphären-Wechselwirkungen, z. B. in Klimamodellen.
Die Erfassung und Bewertung des Wasserhaushalts ist von zentraler Bedeutung für die standortsgerechte und nachhaltige Bewirtschaftung sowie Multifunktionalität von Wäldern. Im vorliegenden Artikel wird die Bedeutung einer differenzierten Wasserhaushaltsansprache in der Praxis der forstlichen Standortskartierung Deutschlands dargestellt sowie historisch gewachsene Unterschiede und Gemeinsamkeiten in den Verfahren der einzelnen Bundesländer erörtert. Im Zusammenhang mit den künftigen Anforderungen, die sich aus einer veränderten Bewirtschaftung aber gerade auch aus dem bereits erkennbaren Klimawandel ergeben, werden zudem Grenzen der gegenwärtig praktizierten Wasserhaushaltsansprache diskutiert. Daraus ergeben sich perspektivisch vielfältige Herausforderungen. Diese liegen vorrangig in der modellgestützten stärkeren Quantifizierung des Wasserhaushaltes, der Integration dynamischer Klima-, Boden und Bestandseigenschaften sowie in der Übertragung vom Punkt auf die Fläche und die Einzugsgebietsebene.
Der heute vielerorts angestrebte naturnahe Waldbau setzt in hohem Maße auf biologische Automation (vgl. Gauer 2009). Grundlegend für eine solche Forstwirtschaft ist unter anderem die räumlich-differenzierte Erfassung und Bewertung wasserhaushaltsbezogener Standortsmerkmale. Denn erst die Kenntnis der Dynamik des pflanzenverfügbaren Bodenwasserangebotes oder auch eines möglichen Überschusses in Form von Stauwasser erlaubt eine standortsgerechte Baumartenwahl als Voraussetzung für eine nachhaltige Waldbewirtschaftung.