Lysimeter in der Global Change Forschung - TERENO-SOILCan -

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1 Lysimeter in der Global Change Forschung - TERENO-SOILCan - T. Pütz & H. Vereecken Institut für Bio- und Geowissenschaften Forschungszentrum Jülich GmbH

2 Herzlichen Glückwunsch 20 Jahre Lysimeterstation Wagna Meilenstein in der Lysimetertechnologie höchste Qualität der Datengüte größte Nähe zur landwirtschaftlichen Praxis wertvolle Datensätze durch 20-jährige Laufzeit Weiter so!!!! Page 2

3 Motivation Die Auswirkungen des globalen Wandels können regional sehr unterschiedlich sein Der globale Wandel beeinflusst alle Kompartimente der terrestrischen Umwelt (Wasser, Boden, Vegetation, Atmosphäre) mit komplexen Rückkopplungen Bestehende Messnetzwerke sind typischerweise auf spezifische Kompartimente und Fragestellungen ausgerichtet Langzeitdaten zur Entwicklung und Validierung von Umweltmodellen liegen kaum vor Capacity building im Bereich der terrestrischen Umweltforschung notwendig Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. Page 3

4 Temperatur [ C] Klimawandel in Deutschland 15 Klimamodelle prognostizierten signifikante Veränderungen bis Ende dieses Jahrhunderts voraus: Temperaturanstieg ( C) Rückgang Niederschlagsmenge (bis zu 30 %) Umweltbundesamt: Künftige Klimaänderungen in Deutschland Regionale Projektionen für das 21. Jahrhundert Hintergrundpapier April 2006, aktualisiert im September 2006 Veränderung Temperatur in 2100 [ C] Veränderung Niederschlag in 2100 [mm] Page 4

5 Artenwandel (Flora) in Deutschland bis Artenverlust in Prozent n=845 Arten Klimaszenarien nach IPCC (SRES B1, A2, A1FI) Pompe, Badeck, Hanspach, Klotz, Thuiller & Kühn, 2008, Biology Letters 4, Page 5

6 Folgen des globalen Wandels in Deutschland Regionen mit besonders hoher und komplexer Empfindlichkeit Dürren Hitzebelastungen Hochwässer Winterstürme Pflanzenkrankheiten Sturmfluten Artenverlust Hangrutschungen Aus: Rüdiger Glaser (2008) Klimageschichte Mitteleuropas 1200 Jahre Wetter, Klima, Katastrophen Page 6

7 Das TERENO Netzwerk Nordostdeutsches Tiefland Observatorium Koordination: GFZ Harz / Mitteldeutsches Tiefland Observatorium Koordination: UFZ Eifel / Niederrheinische Bucht Observatorium Koordination: FZJ Bayrische Alpen / Voralpen Observatorium Koordination: HMGU und KIT Budget: 12 Mio. Start: 2008 Page 7

8 Eifel/Niederrheinische Bucht Observatorium Page 8

9 Instruments of the Wüstebach Test Site Eddy-Flux Türme Runoff Gauging Stations Lysimeterstation Grundwasserpegel Maßnahmenfläche Bodenfeuchte- sensor netzwerk Bodenrespirationskammern

10 Abflussgütestation Meteorologischer Sensor (Niederschlag, Temperatur, Luftfeuchte, Windrichtung, Windgeschwindigkeit) Datenlogger mit Fernübertragung Multiparametersonde (Wassertemperatur, elektrische Leitfähigkeit, ph, Nitrat) Automatisches Beprobungssystem (tägliche Mischproben und ereignisbezogene Probenahme) Venturi-Messwehr (Wasserstandshöhe, Abflussmenge) Page 10

11 Herausforderungen von SOILCan Beobachtung von Langzeiteffekten des Klimawandels auf terrestrische Systeme: Terrestrische Hydrologie (Wasserbilanz, Evapotranspiration, Niederschlagsvariabilität, Wasserrückhaltekapazität) Veränderungen gekoppelter C-/N-Kreisläufe und C-/N-Speicherung (zeitliche Dynamik) Vegetation/Biodiversität Umfassende Datensätze zur: Modellentwicklung, Modellkalibrierung, Fernerkundung Landnutzungsänderungen Überbrückung des Skalensprunges (zwischen einzelner Messung und Feld) Lysimeter bilden ein optimales Netzwerk zwischen den hoch instrumentierten Versuchsstandorten

12 TERENO SOILCan Großskaliges Klima-Feedback-Experiment Lysimeter Netzwerk des Bayrischen Alpen/Voralpen Observatoriums: 860m Fendt Δ Temp ~ 3.7 C Rottenbuch Graswang Δ NS ~ 880 mm Page 12

13 TERENO-SOILCan Lysimeter Netzwerk Natürliche Klimagradienten

14 SOILCan Lysimeter Technik Lysimeterspezifikation: Oberfläche: 1 m 2 Tiefe: 1,5 m Auflösung der Lysimeterwaagen: 0,01 mm oder 10 g

15 Sensoren je Lysimeter 3 SIS Matrixpotentialsensoren (10, 30, 50 cm) 3 Saugkerzen (10, 30, 50 cm) 3 Tensiometers (30, 50, 140 cm) 3 TDR-Sonden (10, 30, 50cm) 1 MPS-1 Matrixpotentialsensor (10 cm) 1 HFP1 Wärmeflußsensoren (10 cm) 6 Temperatursensoren (10, 30, 50, 140 cm) 1 CO 2 Gassensor (10 cm) 2 Waagen (Lysimeter, Perkolat) Saugkerzenrechen zur Steuerung der unteren Randbedingung

16 Untere Randbedingung der SOILCan Lysimeter Water Sampling von Unold, 2010

17 Zusätzliche Messinstrumente an den Lysimeterstationen Wetterstationen Eddy covariance Station Depositionssammler Bodenrespirationkammer Strahlungssensor (über den Lysimeter) Distrometer Kamera

18 Hochaufgelöste Perkolaterfassung Perkolatbehälter stehen auf Waagen Zusätzliche Installation einer Perkolatbeprobung

19 Lysimeter Transportrouten Projektfakten, Stand , G. v. Unold, UMS ARBEITSZEITEN UMS Produktion: 3984 h UMS Installation: 6122 h UMS-Projektplng: 744 h Bagger extern: 2140 h UMS-Minibagger: 822 h Sonstig. (geschätzt): 6000 h Summe: h TRANSPORT Die Lysimeter wurden km transportiert, das entspricht Tonnenkilometer Boden Material wie Beton, Edelstahl, Messtechnik: Tonnenkilometer UMS-PKW Sprinter, T4-Transporter, AllradVito, Passat, 2 Leihwagen PKW-Kilometer 4 Punkte in Flensburg, eine Heckscheibe, 4 Spiegel, 3 Rückleuchten, 3 Stützräder, keine Pannen CO 2 Emission Bagger + Transport: kg ARBEITSUNFÄLLE Produktion: keine Transport: keine Installation: keine

20 Impressionen des Aufbaus - Selhausen

21 SOILCan Lysimeter Transport Erschütterungssensor

22 Bodencharakterisierung für jeden SoilCan Standort Bad Lauchstädt Dedelow Standards der Charakterisierung: Bodenkundliche Kartieranleitung Beschreibung bezogen auf die Horizonte Bodendichte pf/wg-beziehungen gesättigte hydraulische Leitfähigkeit Korngrößenanalyse Aanalyse chemischer Parameter Bildnachweis: U. Wollschläger, H. Rupp, H.-J. Vogel & S. Zacharias, UFZ Bildnachweis: M. Sommer, G. Verch, W. Hierold, ZALF

23 Landwirtschaftliches Management der Lysimeter 1. Ansatz: Fruchtfolge der Herkunftsorte (Ackerbau und Grünlandwirtschaft) 2. Ansatz: Standardfruchtfolge zur Untersuchung des Klimawandels (Raps Winterweizen Erbsen Wintergerste) Minimalbodenbearbeitung Stroheinarbeitung, Landwirtschaftliches Management der Grünlandlysimeter in Bezug auf die Herkunftsstandort (intensiv/extensiv) Bildnachweis: M. Sommer, G. Verch, W. Hierold, ZALF

24 Mais Ernte Lysimeter Station Dedelow Total-FM FM DM Lysimeter kg/lysimeter dt/ha DM % dt/ha MV (dt/ha) SD (dt/ha) Parabraunerde Lysimeter 1, 3 & 5 des Feldes um das Hexagon Parabraunerde Lysimeter 2, 4 & 6 des Carbo- ZALF-D-Versuchsfeldes

25 Lysimetergewichte der Station Wüstebach

26 Rainfall in Seeberg Cloose to Demmin Lysimeter Weight of Demmin Station

27 Perkolatmengen der Lysimeter Wüstebach

28 [mm] 12 Vergleich der Evapotranspiration: gemessen mit Lysimeter und EC-Stationen PCP ET L1 ET L2 ET L3 ET L4 ET L5 ET L Day (July 2011)

29 TDR-Messungen

30 Nitrate-Konzentrationen in den Bodenlösungen und im Perkolat Lysimeter aus Wüstebach in Wüstebach und Selhausen

31 DOC-Konzentrationen in den Bodenlösungen und im Perkolat Lysimeter aus Wüstebach in Wüstebach und Selhausen

32 SoilCan Aussicht Vegetationsaufnahmen TDR-Messungen: sehr tonreiche Böden verursachen ein größeres Rauschen bei den Wassergehaltsmessungen (Hauptproblem der TDR-Analyse) regelmäßige Messungen von Kontrollsequenzen via Datenlogger in Arbeit: Steuerung der unteren Randbedingung der Lysimeter Übertragung von anderen Forschungsstandorten in Arbeit: Pumpenintervalle der Perkolatpumpen Analyse der Bodenlösungen und Perkolate in Übereinstimmung einheitlicher Protokolle Tracerexperiment mit allen Lysimetern zur Kontrolle ihrer Funktionalität und des Wasserhaushalts Sehr wichtig: regelmäßige Datenkontrolle und Plausibilitätsprüfung!!!

33 Versuchsfeld Selhausen (l) & Bodenrespirationskammer (r)

34 ICOS ICOS-D ist genehmigt Finanzierung der Pilotphase: 6 Mio. ( ) vti, DWD und HGF sind zentrale Partner 3 TERENO Observatorien sind eingebunden

35 EU FP7 Projekt EXPEER EXPEER repräsentiert Forschungsinfrastrukturen in Europae Experimentelle und beobachtende Ökcosystemforschung Insgesamt sind 37 Partner beteiligt 3 TERENO Standorte sind beteiligt Das Transnational Access (TNA) Programm finanziert den Zugang zu den beteiligten Standorten und Plattformen EXPEER Netzwerk der Experiment- und Beobachtungsstandorte

36 TERENO-MED Derzeitige Finanzierung: 6.8 Mio für 8-10 terrestrische Observatorien INAT INGREF Repräsentative Standorte + assoziierte Standorte

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kamera Net Radiometer Page 37