Wasserverbrauch und das Wachstum Die forsthydrologische Forschung mit Lysimetern: Möglichkeiten und Grenzen ihres Einsatzes

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1 Wasserverbrauch und das Wachstum Die forsthydrologische Forschung mit Lysimetern: Möglichkeiten und Grenzen ihres Einsatzes Institut für Waldökosysteme Name des Wissenschaftlers 10. Mai 2017 Vortragsgliederung 1. Anforderung an die Lysimeteranwendung 2. Lysimeter in der forsthydrologischen Forschung 3. Ergebnisse der Lysimeterversuche 4. Übertragung der Ergebnisse auf die Bestandes und Landschaftsebene 5. Schlussfolgerungen Seite 2 Jürgen Müller 1

2 Schwerpunkte der forsthydrologischen Forschung im Zeitraum 1925 bis zur Gegenwart Initiator des Lysimeterbaus war 1925 der damalige Direktor des physikalisch meteorologichen Institutes der Forstlichen Hochschule Eberswalde Julius Bartels in Zusammenarbeit mit W. Friedrich von der Landesanstalt für Gewässerkunde. Sie wurde im Gegensatz zu anderen Stationen vorwiegend nach wasserwirtschaftlichen Gesichtspunkten betrieben. Anfängliches Ziel war: Verdunstung und Grundwasserneubildung unterschiedlicher Baumarten und Waldbodenvegetation, später Rolle des Waldes im Landschaftswasserhaushalt und Untersuchungen zum Wasserverbrauch und Wachstum der Wälder bei weniger werdenden Wasserressourcen Seite Jürgen Müller 17. Gumpensteiner Lysimetertagung Anforderungen an die Lysimeteranwendung (1925) Kriterium Lysimetertiefe Lysimeteroberfläche Bedingungen Die Lysimetertiefe muss so sein, dass sich die Wurzeln nach unten frei entwickeln können. Die Wasserhaushaltsbilanzen können nur mit einer der Vegetation entsprechenden großen Oberfläche erzielt werden. Bodenverhältnisse Lysimeterumgebung Übertragbarkeit der Lysimeterergebnisse Seite 4 Jürgen Müller Der Idealfall ist, im Lysimeter einen ungestörten Bodenmonolith untersuchen zu können. Die Lysimeter sollten bodengleich eingebaut werden und in der Umgebung gleichartig umwachsen sein. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse hängt maßgeblich von der Aufgabenstellung der Untersuchungen ab. In der Grundlagenforschung sind Lysimeter für die Untersuchung von Ursachen Wirkungsbeziehungen hervorragend geeignet. Für die Übertragung der Ergebnisse auf Ökosysteme und die Landschaftsebene sind weiterführende Untersuchungen zwingend erforderlich. 2

3 Die Lysimeterstation auf dem Drachenkopf in Eberswalde Erste Lysimeterstation der Welt für forsthydrologischeuntersuchungen (Fotos: Historischer Fundus der Fachhochschule Eberswalde) Seite Jürgen Müller 17. Gumpensteiner Lysimetertagung Ergebnisse Verdunstung und Sickerung 2 bis 7 jähriger Kiefern im Vergleich zum Gras Der jährliche Wasserverbrauch von Kiefer und Gras 1933 bis 1938 Die kumulierte Sickerung von Kiefer und Gras 1933 bis 1938 Seite 6 Jürgen Müller 3

4 Ergebnisse Kumulierte Sickerung 3 bis 6 jähriger möglicher Zukunfts Baumarten 2013 bis 2016 Sickerung kumuliert [mm] Niederschlag Berg Ahorn Sand Birke Roteiche Hainbuche Januar Februar März Seite 7 Jürgen Müller April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Niederschlag kumuliert [mm] Tiefe und Oberfläche: Das Baumwachstum begrenzt die Anwendung Umgebung: Bepflanzung problematisch Übertragbarkeit: Bepflanzung problematisch, Hypothese: Der Bau einer Vielzahl von Stationen mit unterschiedlicher Vegetation macht eine Übertragbarkeit der Ergebnisse möglich Die Unterflurlysimeter im Revier Liepe 1965 Bau von zwei Unterflurlysimetern in einem 60 jährigen Kiefernbestand Wegen sich differenzierender Bodenverhältnisse ( Lehmlinsen ) fand keine Tiefensickerung statt. Beendigung der Versuche. Seite 8 Jürgen Müller 4

5 Die Britzer Großlysimeter 1972 Tiefe und Oberfläche: Baumwachstum begrenzt die Anwendung, ca. 50 Jahre möglich Umgebung: Größe der bepflanzten Umgebung mit 0,25ha ausreichend Übertragbarkeit: In Kombination mit Untersuchungen in Waldbeständen möglich Bau von 9 Großlysimetern mit einer Oberfläche von 100m 2 und einer Tiefe von 5m mit vier Baumarten Seite Jürgen Müller 17. Gumpensteiner Lysimetertagung Ergebnisse Baumartenspezifische Differenzierung der Sickerung in Abhängigkeit vom Bestandesalter Douglasie Kiefer Buche Lärche Eiche kumulierte Sickerung [mm] Alter [Jahre] Seite 10 Jürgen Müller 5

6 Bau von wägbaren Lysimetern für unterschiedliche Einsatzfelder Quantifizierung der Konkurrenzwirkung der Bodenvegetationsdecken in Kiefernforsten und des Buchen- Unterstandes im Mischbestand Mit einer Drahtschmielendecke in einem Kiefernbestand Seite Jürgen Müller 17. Gumpensteiner Lysimetertagung Mit kleinen Buchen in einem Kiefern Buchen Mischbestand Ergebnisse Verdunstung unterschiedlicher Bodenvegetationsdecken in Kiefernforsten Seite 12 Jürgen Müller 6

7 Freilandlabor zur Untersuchung der Trockenheitswirkung auf junge Waldbäume (DRYLAB) Lysimeter mit 2m 2 Oberfläche und einer Tiefe von 1,5m mit einem fahrbaren Dach Seite Jürgen Müller 17. Gumpensteiner Lysimetertagung Ergebnisse Auswirkung unterschiedlicher Trockenheit auf Evapotranspiration kleiner Waldbäume Nied Trockenszenario Nied Normalszenario ET Trockenszenario ET Normalszenario Kum. Evapotranspiration [mm/g Blatt Trm] Kum Niederschlag [mm] 0 Mai Jun Jul Aug Sep Okt 0 Seite 14 Jürgen Müller 7

8 Messung des Wasser und Energieflusses in Waldbeständen als Voraussetzung für die Übertragbarkeit der Lysimeterergebnisse Seite 15 Jürgen Müller Installation von bodenhydrologischem Messflächen, Saftflussmessungen und Messung des Dickenwachstums in Waldbeständen Seite 16 Jürgen Müller 8

9 Ergebnisse Baumartenspezifische Differenzierung der Verdunstungskomponenten in Abhängigkeit vom Bestandesalter Douglasie Kiefer Buche Lärche Eiche Kiefer kumulierte Sickerung [mm] Alter [Jahre] Buche Seite 17 Jürgen Müller Ergebnisse Übertragung der Ergebnisse auf die Bestandesebene Modellierung der jährlichen Tiefensickerung [mm] im Revier Kahlenberg (Jahresniederschlag 620 mm) Potentiell natürliche Buchenwälder Kiefernforsten (Ersatzgesellschaften) Umwandlung zu Nadel Laubholz Mischbeständen Seite 18 Jürgen Müller 9

10 Ergebnisse Übertragung der Ergebnisse auf die Bestandesebene Modellierung der Tiefensickerung für Vegetationsszenarien im Revier Kahlenberg (642 ha; 620 mm Jahresniederschlag) Szenarium m³/a Sickerung mm/a % vom Freilandniederschlag Buchenwälder Kiefernforsten Waldumbau Reinbestände: 47% Mischbestände: 53% Seite 19 Jürgen Müller Ergebnisse Übertragung der Ergebnisse auf die Landschaftebene MODELLIERUNG DER HYDROLOGISCHEN WIRKUNGEN DES BAUMARTENWECHSELS in der Landschaft, Waldumbau in der Schorfheide (Quelle: Goral und Müller 2010) Seite 20 Jürgen Müller 10

11 Schlussfolgerungen und eigene Erfahrungen Zur Klärung des Einflusses des Bewuchses auf den Wasserhaushalt im Lockergesteinsbereich sind Lysimeter eine geeignete Methode. Unter der Voraussetzung einer richtigen Konstruktion und ausreichenden Größe der Lysimeter gilt das auch für Waldökosysteme. Der großevorteil der Lysimetertechnik besteht in der Möglichkeit der Bilanzierung von Energie und Stoffflüssen in hoher zeitlicher Auflösung unter genau zu differenzierenden Bedingungen. Dies macht die Lysimeter für die verschiedensten Einsatzfelder in Wissenschaft und Praxis immer interessanter. Werden die genannten Anforderungen an die Konstruktion und die Bewirtschaftung der Lysimeter berücksichtigt, gewinnt man mit den Lysimetern brauchbare und wertvolle Wasserhaushaltsdaten, die Grundlage für Ermittlung der Gebietsverdunstung unterschiedlich bewachsener und strukturierter Landschaftsteile sind. Für die Erstellung kurz bis mittelfristiger Wasserhaushaltsbilanzen stützt sich die wasserwirtschaftliche Rahmenplanung auf die Lysimeterergebnisse, und weitere Methoden der Bilanzierung werden an Lysimeterdaten kalibriert. Werden die genannten Anforderungen nicht berücksichtigt, bestätigen sich die Bedenken der Kritiker der Lysimetrie, die gemessenen Verdunstungswerte sind zu hoch und die Sickerwasserwerte zu gering. Für quantitative Auswertungen sind die Ergebnisse unbrauchbar. Die von den Lysimeterkritikern genannten Bedenken bei der Nutzung von gestörten Lysimetern sind unbedingt zu beachten. Die gilt mehr für schwere Böden. Bei Sandböden verringert sich der Fehler. Zu den Randeffekten: Bei lehmigen Böden kommt es in sommerlichen Trockenphasen zu Schrumpfungsrissen zwischen der Lysimeterwand und dem Bodenmonolithen, in denen das Wasser zum Lysimeterboden fließt. Dieser Effekt ist besonders problematisch, wenn die Lysimetertiefe zu gering und die Oberfläche zu klein ist. Deshalb sind bei solchen Böden eine Tiefe von mehreren Metern und ausreichende Oberfläche notwendig. Bei Sandböden habe ich die Schrumpfungsrisse nicht beobachtet. Seite 21 Jürgen Müller Schlussfolgerungen der Anwendung von Lysimetern in der forsthydrologischen Forschung Die hydrologischen Wirkungen der Wälder haben über den regionalen Wasserhaushalt, die Wasserversorgung und verteilung einen wesentlichen Einfluss auf den Landschaftswasserhaushalt. Erst durch die Berücksichtigung der Besonderheiten des strukturellen Aufbaus des Waldes wird eine treffende Beurteilung der hydrologischen Wirkungen möglich. Mit Hilfe der Großlysimeter konnte der Einfluss der Baumart auf Tiefensickerung und Verdunstung aufwachsender Bestände quantifiziert werden. Es zeigte sich, dass die Kronendachstrukturen maßgeblich die Höhe der Tiefensickerung und die Verteilung des Niederschlages im Bestand beeinflussen. Die Forstwirtschaft hat über Baumartenwahl und Bewirtschaftung die Möglichkeit, die Wasserbringefunktion des Bestandes gezielt zu beeinflussen. Die Ergebnisse sind u.a. für die Bewertung der Ökosystemdienstleistungen von Wäldern bedeutsam, weil sie eine Prognose der sich herausbildenden hydrologischen Situation erlauben. Vor dem Hintergrund der Klimaerwärmung sind vor allem die kleineren ungestörten wägbaren Lysimeter zur Untersuchung des Ursachen Wirkungeffektes des Wasserverbrauches kleiner Waldbäume unterschiedlicher Herkunft bei knapper werdenden Wasserressourcen und des Einflusses auf das Waldwachstum unverzichtbar. Seite 22 Jürgen Müller 11

12 Herzlichen Dank für die jahrzehntelange interessante und konstruktive Zusammenarbeit. Ich wünsche allen Lysimeterfeunden und anwendern viel Erfolg bei der Arbeit und die dafür notwendige Gesundheit. Mögen die erzielten Ergebnisse so langlebig und stabil wie die Bäume in der Schorfheide sein! Alte Bäume in der Schorfheide Seite 23 Jürgen Müller 12