Die Einsatzmöglichkeiten von Lysimeteruntersuchungen für die Klimafolgeforschung

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1 Die Einsatzmöglichkeiten von Lysimeteruntersuchungen für die Klimafolgeforschung Prof. Dr. Ralph Meißner UFZ Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH, Lysimeterstation Falkenberg und Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

2 Schwerpunkte Wasserhaushalt und Wasserversorgung Sickerwasserbildung unter land- und forstwirtschaftlich genutzten Flächen Klimaänderungen und Einfluss auf Sickerwasserbildung Nutzung innovativer Lysimetertechniken zur Messung von klimatischen Änderungen Schlussfolgerungen sowie Forschungs- und Handlungsbedarf

3 Wasserhaushalt Ta Transpiration E I Interzeptionsverdunstung Ta Transpiration P korr Niederschlag Ea Evaporation B Beregnung KR = GWZ kapillare GW- Zehrung Bodenfeuchteentzug durch die Wurzeln (Formierung der Transpiration) Grundwasserspiegel VS Versickerung GWS Grundwasserspeisung GW- Neubildung = GW- Speisung (GWS) - kapíllare GW- Zehrung (KR) Wesentliche Wasserhaushaltselemente und -komponenten von Landflächen (nach Luckner et al., 2002)

4 Wasserversorgung Wassergewinnung für die öffentliche Wasserversorgung nach Wasserarten in den Bundesländern (HAD, 2000)

5 Sickerwasserbildung Landwirtschaft Kennziffern über die Sickerwasserbildung, die Sickerwasserbeschaffenheit sowie den Relativertrag bei unterschiedlichen landwirtschaftlichen Nutzungssystemen mit differenzierten Bewirtschaftungsintensitäten (Ergebnisse aus langjährigen Lysimeterversuchen)

6 Sickerwasserbildung Landwirtschaft Relative Wirkung differenzierter Stilllegungszeiträume und des Verzichtes auf chemisch-synthetische Agrochemikalien auf die Sickerwasserbildung und das N-Austragsverhalten im Vergleich zu intensiv ackerbaulich genutzten Lysimetern (Angaben in %, bezogen auf die jeweils als 100% gesetzte Variante aus dem Integrierten Landbau, 8-jährige Lys.-versuche) Sickerwasserbildung N-Auswaschung Trocken masseertrag N- Aufnahme durch die Pflanzen 1-jährige Stilllegung Wiedereingliederung 1. Jahr nach Wiedereingliederung 2. Jahr nach Wiedereingliederung jährige Stilllegung 1. Jahr nach Wiedereingliederung jährige Stilllegung Wiedereingliederung 1. Jahr nach Wiedereingliederung 2. Jahr nach Wiedereingliederung Dauerbrache 8jährige Bracheperiode * Verzicht auf chemischsynthetische Agrochemikalien (Ökolandbau) 8-jähriger Anbau * *)Für die Vergleichslysimeter aus dem Integrierten Landbau betragen die mittleren Werte für einen 8-jährigen Versuchszeitraum: Sickerwasserbildung: 101 mm; N-Austrag 27,6 kg/ha und N-Aufnahme durch die Pflanze 217,9 kg/ha

7 Sickerwasserbildung Forstwirtschaft Freilandniederschlag (P) = 653 mm E T = 642 mm = 98 % von P Gesamtverdunstung (E T ) (E T = E I +E a +T a ) E T = 484 mm = 74 % von P Kiefer E I = 261 mm = 40 % von P E a = 59 mm = 9 % von P T a = 322 mm = 49 % von P R U = 11 mm = 2 % von P Interzeptionsverdunstung (E I ) Verdunstung am Waldboden (E a ) Transpiration (T a ) Sickerwassermenge (R U ) GRUNDWASSER R U =P-E T ( W=0) E I = 115 mm = 18 % von P E a = 40 mm = 6 % von P T a = 329 mm = 50 % von P R U = 169 mm = 26 % von P Buche Wasserhaushalt eines Kiefern- und eines Buchenjungbestandes auf Sandboden bei Eberswalde (mittlere Jahresbilanz nach Müller et al., 2000, verändert)

8 Sickerwasserbildung Forstwirtschaft Colbitz - GL Sickerwassermenge (mm) Niederschlag -Erdbodennivea (mm) 700 3jähriger Bestand 11jähriger Bestand 18jähriger Bestand 25jähriger Bestand 22% Bestandsreduktion 45% Bestandsreduktion Sickerwasser Nied. Großlys. Nied. wägb. Anl. Vergleich der Niederschlagsmenge auf einer Freifläche sowie unter einem aufwachsenden Kiefernbestand und daraus resultierende Sickerwasserbildung in Abhängigkeit vom Bestandsalter (Anlage Colbitz-Letzlinger Heide)

9 Klimaänderungen Hochwasserschutz - Veränderung der Höhe, Dauer und Häufigkeit von Hochwasser Wasserversorgung - Änderung der Grundwasserneubildung mit Auswirkungen auf die Verfügbarkeit und Beschaffenheit der Wasservorräte Gewässerschutz - Änderung der jährlichen Abfluss- und Wassertemperaturverhältnisse Auswirkungen auf den Stoffhaushalt der Flüsse und Seen Gewässerentwicklung - Änderung der Dynamik der Fließgewässer und Seen Bewirtschaftung der Gewässer - Änderung der Betriebsweise, vor allem von Wasserspeichern und Wasserkraftanlagen sowie sonstige Gewässernutzungen Potentielle Wirkungen von Klimaveränderung auf die Wasserwirtschaft (nach Bartels et al, 2004)

10 Klimaänderungen Modellszenarien über die zukünftige Entwicklung der Lufttemperatur

11 Klimaänderungen KLiWEP - Abschätzung der für Sachsen prognostizierten Klimaveränderungen auf den Wasser- und Stoffhaushalt im Einzugsgebiet der Parthe (Sachsen) KLIWA - Klimaveränderung und Konsequenzen für die Wasserwirtschaft (Baden-Württemberg, Bayern und Deutscher Wetterdienst) STARDEX Statistical and regional dynamical downscaling of extremes for European regions Geplante bzw. laufende FE-Programme zum Schwerpunkt Änderung des Wasserhaushaltes durch Climate Change

12 Sickerwassermessung und Lysimetertechniken Verfahren zur Ermittlung der Sickerwasserrate (LAWA, 2003) Verfahren/Hilfsmittel Geräteaufwand Erforderliche Eingangsparameter Mess- bzw. Berechnungsgröße Auflösung räum- zeitlich lich Literatur Direkte Messmethoden Lysimeter wägbar nicht wägbar Lys.-Behälter u. -waage: Klima station Klimastation Lys.-Behälter Niederschlag, Verdunstung, Landnutzung Sickerwassermenge Niederschlag, Verdunstung, Landnutzung Sickerwassermenge Messpunkt MMess -punkt sehr hoch sehr hoch DVWK (1980) DVWK (1980) Indirekte Messmethoden Tensiometer Time Domain Reflectometry (TDR) Radiometrie Messfläche Tracermethoden; Chlorid, Borat, Tritium Tensiometer, tiefenabgestuft pf-kurve des Bodens Bodenporosität; Niederschlag; Grundwasserstand Saugspannung, bzw. Bodenfeuchte Wassergehalt (als Eingangsparameter für hydrodynamische Modelle, vgl. Kap ) MMessfläche Messrohr; Neutronensonde monatliche Bodenfeuchten-profile, Eichkurve bezogen auf Bodenporosität Langzeitmessreihen über Abflüsse und Konzentrationen Depositionssammler, Abflussmessung; Tracer, Laboranalyse Wasserhaushalt- Stoffhaushalt des Tracers TDR-Sonden Eichbeziehung Messfläche Einzugsgebiet hoch sehr hoch gering sehr gering RENGER et al. (1970, 1974, 1980) MALICKI et al. (1992) ULRICH et al. (1979) HEITZ (1998)

13 Sickerwassermessung und Lysimetertechniken Hatch Thermometer Tensiometer Depth (cm below GL) Data logger Soil Monolith (2 m 3 ) TDR-Probe Tensiometer Tipping Bucket Scale Seepage Water Container Unit (Polyethylen - PE HD) Prinzipskizze eines wägbaren Gravitationslysimeters

14 Sickerwassermessung und Lysimetertechniken Lysimetergefäß Oberfläche 1,0 m²... 2,0 m² Länge 1,0 m 3,0 m Material: Rostfreier Stahl (PE-HD Optional: Innenauskleidung: PE-HD; Epoxydharz Gewicht Monolith: kg Technologischer Verfahrensschritt: Ausschneiden des Bodenmonolithen Ungestörte Entnahme eines Bodenmonolithen Entnahmevorrichtung

15 Sickerwassermessung und Lysimetertechniken Technologischer Verfahrensschritt: Abschneiden des Bodenmonolithen Gewinnung des Bodenmonolithen - Abschneidvorrichtung

16 Sickerwassermessung und Lysimetertechniken Wahlweise 1-, 2- oder 4-fach Lysimeter-Containerstationen Dimensionen: Höhe: Länge: Breite: Material: 1,5 m 4,0 m 2,5 m 3,5 m 2,5 m 3,5 m PE-HD Gewicht der Container- Station: 500 kg 1500 kg Technologischer Verfahrensschritt: Ausheben der Grube zum Einbau der Lysimeter-Containerstation Vorbereitungen zum Einbau der PE-HD Lysimeter-Containerstation

17 Sickerwassermessung und Lysimetertechniken 2-fach Lysimeter- Containerstation Oberfläche: Tiefe: Material: 2,0 m x 2,5 m 1,5 m 3,5 m PE-HD Gewicht der Container-Station: ca.1000 kg Technologischer Verfahrensschritt: Installation der Lysimetergefäße Einbau der Lysimeter in die Containerstation

18 Lysimetermessergebnisse Weight in kg Weight Date : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :00 Precipitation Precipitation in mm : : :00 Beispiel für die Wägegenauigkeit eines mit Mais bepflanzten Gravitationslysimeters

19 Lysimetermessergebnisse 4089,5 25 Gewicht in kg Gewicht in kg , ,5 4089, , ,5 4086, ,5 4084, , , ,5 11:00 13:00 Gewicht in kg T in GradC 15:00 11:00 17:00 19:00 13:00 21:00 23:00 15:00 Gewicht in kg T in GradC 01:00 Uhrzeit 03:00 17:00 05:00 07:00 19:00 09:00 11:00 21: T in o C 23:00 01:00 Uhrzeit Gewicht in kg 4086, , , , ,5 11:00 03:00 Gewicht in kg T in GradC 05:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 07:00 23:00 01:00 Uhrzeit 09:00 11:00 03:00 05:00 07:00 09: : T in o C T in o C Gewichtsänderung eines mit Mais bepflanzten Gravitationslysimeters in Abhängigkeit vom Temperaturverlauf, dargestellt durch einen Tag-Nacht- Verlauf vom :00 Uhr bis zum :00 Uhr TAUBILDUNG

20 Messung der Nebelbildung durch Gewichtsänderung eines mit Wintergetreide bestellten Gravitationslysimeters in Abhängigkeit vom Temperaturverlauf, dargestellt durch einen Tag-Nacht-Verlauf vom :00 Uhr bis zum :00 Uhr NEBELBILDUNG Lysimetermessergebnisse 4171, ,5 12 Gewicht in kg , , , Gewicht in kg Temperatur in GradC T in o C 4166,5 11:00:00 13:00:00 15:00:00 17:00:00 19:00:00 21:00:00 23:00:00 01:00:00 03:00:00 05:00:00 07:00:00 09:00:00 11:00:00-2 Uhrzeit

21 Lysimetermessergebnisse 4201,9 2 Gewicht in kg 4201,8 4201,7 4201,6 4201,5 4201,4 4201,3 4201,2 4201, Gewicht in kg T in GradC T in o C 4200,9-6 11:00:00 13:00:00 15:00:00 17:00:00 19:00:00 21:00:00 23:00:00 01:00:00 03:00:00 05:00:00 07:00:00 09:00:00 11:00:00 Uhrzeit Messung der Reifbildung durch Gewichtsänderung eines als Schwarzbrache genutzten Gravitationslysimeters in Abhängigkeit vom Temperaturverlauf, dargestellt durch einen Tag-Nacht-Verlauf vom :00 Uhr bis zum :00 Uhr REIFBILDUNG

22 Sickerwassermessung und Lysimetertechniken Socket for Ponding Depth (cm below GL) Probes (Tensiometer, TDR, Thermometer, Suction Cups) Surface Area = 1 m 2 Soil Monolith (2 m 3 ) Data Communication Hatch Datalogger Container Unit Filter Layer Load Cell Pedestal Tipping Bucket with Collecting Tank Groundwater Level Balancing Tank with Water Level Sensor Storage Tank with Pump Valves Groundwater Probe Measuring of Groundwater Level at the Floodplain Site Prinzipskizze eines wägbaren Grundwasserlysimeters

23 Langzeitmessergebnisse Jahr: Y=567,66-0,9163x, r=0,033 So.Halbjahr: Y=314,77+0,0879x, r=0,004 Wi.Halbjahr: Y=254,64-1,1516x, r=0,077 Trend des Niederschlagsaufkommens pro Jahr, Winterhalbjahr und Sommerhalbjahr (1983 bis 2003 TLL-Lysimeterstation Großobringen; 1992 bis 2003 UFZ-Lysimeterstation Falkenberg))

24 Langzeitmessergebnisse Y=8, ,0613x r = 0,503 Trend der Lufttemperaturmittel von 1983 bis 2003 (Gesamtjahre, Sommer- und Winterhalbjahre TLL-Lysimeterstation Buttelstedt; Gesamtjahre UFZ- Lysimeterstation Falkenberg)

25 Untersuchung von Bodensäulen Technologie zur Zerlegung eines Bodenmonolithen zum Nachweis von Klimaveränderungen

26 Sickerwassermessung und Lysimetertechniken Achim Cloppenburg Sehlde Uelzen Reinhausen Jühnde Kassel Falkenberg 8 7 Wielenbach 20 Buttelstedt Rötha Lage der Lysimeterstationen in Deutschland (nach Kretzschmar, 1999) 5 3 Eberswalde Legende 1. Anlage Kiel seit Anlage Groß Lüsewitz seit Anlage Dedelow seit Anlage LUFA Oldenburg seit Anlage Eberswalde seit Anlage Falkenberg seit Anlage TU Berlin-Dahlem seit Anlage Paulinenaue seit Anlage Hannover-Herrenhausen seit Anlage Colbitzer-Letzlinger Heide seit Anlage Colbitz seit Anlage Braunschweig-Völkenrode seit Anlage St.Arnold seit Anlage Bielefeld-Sennestadt seit Anlage Udem seit Anlage Göttingen-Drakenberg seit Anlage Halle/S. seit Anlage Leipzig-Möckern seit Anlage Niedernendig/Eifel seit Anlage Brandis seit Anlage Kassel seit Anlage Mönchen-Gladbach-Rheindahlen seit Anlage Schmallenberg seit Anlage Großobringen seit Anlage Monheim seit Anlage Sindorf seit Anlage Jülich seit 1983 und Anlage Rauischholzhausen seit Anlage Koblenz-Niederwerth seit Anlage Geisenheim seit Anlage Veitshöchheim seit Anlage Rinkenberger Hof seit Anlage Limburgerhof seit Anlage Heidelberg seit Anlage Büchig seit Anlage Karlsruhe seit Anlage Offenburg seit Anlage Ulm seit Anlage Freising seit Anlage Riedlingen seit Anlage Ravensburg seit Anlage Waldshut seit...

27 Ausblick Schlussfolgerungen sowie Forschungs- und Handlungsbedarf Aufrechterhaltung der Grundwasserneubildungsfunktion von land- und forstwirtschaftlich genutzten Flächen Weiterführung von Langzeituntersuchungen mit Lysimetern zur Erkennung von Trends hinsichtlich einer veränderten Sickerwasserbildung nach Menge und Qualität Prüfung der Eignung von langjährig in Lysimeterstationen erhobenen Daten zur Validierung und Kalibrierung von Modellen zur Abschätzung von Klimaänderungen Testung der neu entwickelten Lysimeter bezüglich ihrer Eignung als Experimentalbasis zur Untersuchung von Phänomenen des Klimawandels (z.b. Extremhochwässer, Bodenerwärmung )