Bodenwasser und Trockenstress in Wäldern

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1 Bodenwasser und Trockenstress in Wäldern Heike Puhlmann1, Paul Schmidt-Walter2 1 Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg, Abt. Boden und Umwelt 2 Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt, Abt. Umweltkontrolle 1

2 Gliederung 2 Einführung: Standortsfaktor Wasserhaushalt Klimawandel: erwartbare Auswirkungen auf den Wasserhaushalt Wasserhaushaltsmodelle: Verallgemeinerung von Beobachtungen Modellanwendungen: Trends im Wasserhaushalt an den Inventurpunkten von BZE und BWI Fazit

3 Standortsfaktor Wasserhaushalt Sickerwasser, Grundwasserneubildung Baumarteneignung Wachstum & Holzqualität 3 Nährstoffverfügbarkeit Wasserhaushaltsstufen Mittlerer Standortswasserhaushalt und Extremereignisse Schutzgebiete Prädisposition für biotische (z.b. Borkenkäfer) und abiotische (z.b. Sturmwurf) Schäden

4 Wasserhaushalt im Stress: steigende Temperaturen 4 Abb.: Temperaturtrend für die Waldfläche BaWü(250m-Raster) 12.5 Temperatur [ C] Im Beobachtungszeitraum Anstieg der Temperaturen im Mittel von 7.5 C auf 9 C Bis 2100 relativ unveränderter Anstieg bei mittlerem (kaum mehr realisierbarem) Szenario RCP4.5

5 Wasserhaushalt im Stress: längere Vegetationsperioden 5 Abb.: Zeitpunkt (Kalendertag) des Blattaustriebs bei Buche in BaWü(250m-Raster) Längere Vegetationsperiode Erhöhte Transpiration Früherer Beginn + späteres Ende der Wasseraufnahme Kürzere Wiederaufsättigungsphase (Vegetationsruhe)

6 Trends im Wasserhaushalt messen? 6 Abb.: Bodenfeuchtemessungen Level II-Plot Conventwald (Fichte Kronenzentrum) Wasserhaushaltsgrößen punktuell messbar. Im Vergleich zu Klimadaten nur kurze und wenige Zeitreihen vorhanden. Aussagen für ganze Waldflächen? Projektionen in die Zukunft? Szenariorechnungen (z.b. Baumartenwahl)? 30 cm Bodentiefe 60 cm Bodentiefe Nur über Wasserhaushaltsmodelle möglich.

7 Verwendung von Wasserhaushaltsmodellen 7 Beschreibung des Wasserhaushalts über Wechselwirkungen zwischen Standort/Boden, Waldbestand und Klima Im Forstbereich weit verbreitetes Modell: LWF-Brook90 (Hammel & Kennel 2001) Modellierung von Tageswerten aller Wasserhaushaltskomponenten: Verdunstung/Transpiration Bodenwassergehalte, -spannungen, -flüsse in verschiedenen Bodentiefen Tiefensickerung/Grundwasserneubildung Evapotranspiration : oberirdisch gasförmig Abb.: Fließschema LWF-Brook90 Interzeption Regen Bodenevaporation : oberirdisch flüssig : unterirdisch flüssig Transpiration Interzeptionsevaporation Transpiration Bodenwasser (Schicht 1) Vertikale Infiltration Bodenwasser (Schicht N) Grundwasser Interzeption Schnee Grundwasserabfluss Schnee Niederschlag Schnee Regen Schneeregen Schmelze Oberflächeninfiltration Infiltration Zwischenabfluss (langsam) Zwischenabfluss (schnell) Abfluss Nettoregen Oberflächenabfluss Quelle: Hallas 2018

8 Trockenheitsindikatoren 8 Wassermangelindizes basierend auf Tageswerten der Wasserhaushaltskomponenten, u.a.:!! "!!. $. ä Schwellenwertbetrachtung: Unterschreitung von Grenzwerten für absolute/relative Bodenwassergehalte, Saugspannungen Anzahl Unterschreitungen n krit Dauer T krit Aggregierung zu Jahressummen und Summen über die Vegetationszeit Fehlmenge d krit

9 Beispielanwendungen von LWF-Brook Intensivmonitoring-Plots ICPForest(Level II) Raster der Bodenzustandserhebung (8 x 8 km) Raster der Bundeswaldinventur (4 x 4 km) 250m-Punktgitter für gesamte Waldfläche BaWü Datenverfügbarkeit Bodendaten Profilanalysen/-schätzungen an BZE-Profilen Ah Sw-Al Sw-Bt Sw Sd Leitprofile der Standortskartierung an BWI-Traktecken Ut3 Ut3 Ut4 Ut3 Ls3 Klimadaten Tageswerte und (Böhneret al. 2016) Dynamische Wetterlagenmodellierung (6 x 6 km) und statistisches Downscaling(250m-Raster) Bestandesdaten Standardbestände Buche/Fichte Reale Bestände aus BZE-und BWI-Aufnahmen

10 Ergebnis: aggregierte Wasserbilanzkomponenten und Trockenheitsindikatoren für jeden Waldstandort 10 Abb.: Modellergebnisse für BWI-Trakt 18394/3 (Buchenbestockung) Vergleich feuchtes Jahr 2002 und Trockenjahr 2003 Transpirationsdefizit Aug./Sep Kaum Sickerwasser in 2003 Langanhaltende Unterschreitung kritischer Wasserverfügbarkeit (40 % nfk) in im Oktober wieder gesättigte Verhältnisse im Profil, 2003 bis Jahresende keine Aufsättigung Quelle: Schmidt-Walter et al. 2018

11 Raum-Zeit-Muster von Wassermangel an BZE-Punkten 11 Abb.: Anzahl Tage in der Vegetationsperiode, an denen kritische Wasserspannung (-1200 hpa) im Wurzelraum unterschritten wird extreme Trockenjahre: teilweise sehr starkes und lang andauerndes Unterschreiten der kritischen Bodenwasserspannung an nahezu allen BZE-Punkten mittlere Jahre: intensiver Wassermangel in grobbodenreichen Mittelgebirgslagen, in denen die niedrige nfkschnell durch Pflanzentranspiration aufgezehrt ist, und im Bereich des Regenschattens von Gebirgen (z.b. östlich des Harzes, Thüringer Becken)

12 Pflanzenverfügbares Wasser an BZE-Profilen 12 Modellzeitraum Ca. 10% der Plots sehr feucht: REW >90 % nfkin mindestens der Hälfte der Jahre Stauwassergeprägte Böden, Plots mit hohen Niederschlägen Ca. 20% der Plots sehr trocken: REW <40% nfkin mindestens der Hälfte der Jahre Plots mit geringer nfk(hohe Skelettanteile, flache Durchwurzelung), Plots mit geringen Niederschlägen in Vegetationszeit Bei den meisten BZE-Plots tritt anhaltender Wassermangel nur in extremen Trockenjahren auf. Der Granier-Grenzwert von 40% nfkwird jedoch bei ca. 70% der BZE-Plots zw und 2010 mindestens einmal unterschritten. Abb.: Kumulative Häufigkeitsverteilung der relativen pflanzenverfügbaren Bodenwasserspeicherfüllung im Wurzelraum während der Vegetationszeit nfk REW =0.4 Granier-Grenzwert

13 Häufigere Trockenjahre seit Ende der 1980er Jahre Zunahme der Vegetationszeiten mit unterdurchschnittlicher Wasserversorgung seit dem Ende der 1980er Jahre Median in den meisten Jahren seit 1989 im negativen Bereich Mehrzahl der BZE-Plots im Vergleich zu mit unterdurchschnittlicher Speicherfüllung 13 Abb.: Bodenwasserfüllung in der Vegetationszeit (relative Abweichung vom Mittel ) an BZE-Profilen Von 1989 bis 1992 ist sogar das 90%-Quantil negativ: in vier aufeinanderfolgenden Vegetationsperioden waren 90% der BZE-Plots unterdurchschnittlichwasserversorgt. Seit 1988: Mediane nur noch für fünf Jahre über dem Referenzwert der Periode , in 20 Jahren lagen sie darunter.

14 Wasserhaushaltsstufen sind dynamisch Abb.: Transpirationsdifferenz an bundesweiten BWI-Traktecken Wassermangel nimmt für alle Feuchtestufen der Standortskartierung zu Standortsfaktor Wasserhauhalt ist nicht statisch Dynamisierung der Wasserhaushaltsstufen und der ökologischen Feuchtestufen in der Standortskartierung notwendig 14 Quelle: Schmidt-Walter et al. 2017

15 Fazit 15 Klimaänderungen haben Auswirkungen auf den Wasserhaushalt Längere Vegetationsperioden --> höhere Transpiration Geringere Vorfeuchte im Frühjahr Häufigere und intensivere Austrocknung in Vegetationsperiode Wasserhaushalt ist kein konstanter Standortsfaktor Bewertung der Standortseignung (z.b. für Baumartenempfehlung) muss klimasensitiv sein Sowohl mittleren Wasserhaushalt als auch Extremereignisse bei der Standortsbewertung berücksichtigen Wasserhaushaltsmodelle können flächige Daten als Entscheidungsgrundlage für Anpassungsmaßnahmen liefern

16 16 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!