Variation der Trockenstresswahrscheinlichkeit in Deutschland

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1 Variation der Trockenstresswahrscheinlichkeit in Deutschland Heike Puhlmann, Peter Hartmann Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg Paul Schmidt-Walter Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt Gotha 16./

2 Modellierung des Bodenwasserhaushalts 2 Modell: LWF-Brook90 (Hammel & Kennel 2001) [Groh, 2011] Eindimensionale vertikale Modellierung der Wasserflüsse Tagesbasis Wasserbewegung im Boden über Richards-Gleichung, Mualem/van- Genuchten-Modell Fließschema LWF-Brook90 einfügen Berücksichtigung des zeitlichen Verlaufs von (u.a.) Blattflächenindex, Bestandesdichte, -höhe und -alter

3 Modellinput: Klima, Boden, Waldbestand Boden Tiefenstufenmessungen Textur, TRD, Skelett Lücken ergänzt über Horizontbeschreibungen Testen verschiedener PTFs zur Ableitung von Wasserretention/Leitfähigkeit 3 Klima Niederschlag, Temperatur, Luftfeuchte, Strahlung, Wind Regionalisierungsmodelle der AG Böhner/Uni Hamburg Tageswerte , 250m-Raster Waldbestand Wurzeldichte = f(tiefe, Humus, TRD, Hangneigung, nfk) PTF entwickelt an Profilzählungen (Hartmannn& von Wilpert 2014) Schätz-und Literaturwerte für LAI etc. für Bestandestypen(BZE-Kopfdaten)

4 Modelloutput: tägliche Wasserhaushaltsgrößen 4 Tageswerte aller Wasserhaushaltskomponenten: Verdunstung/Transpiration Bodenwassergehalte, -spannungen, -flüsse in verschiedenen Tiefenstufen Tiefensickerung/Grundwasserneubildung Wassermangelindizes, u.a.:!! "!!. $. ä Schwellenwertbetrachtung: Unterschreitung von Grenzwerten für absoluten/relativen Bodenwassergehalten, Saugspannungen Anzahl Unterschreitungen n krit Dauer T krit Aggregierung zu Jahressummen und Summen über die Vegetationszeit Fehlmenge d krit

5 Variabilität der modellierten Wasserverfügbarkeit (REW) 5 Bsp.: kumulative Häufigkeitsverteilung der mittleren pflanzenverfügbaren Bodenwasserspeicherfüllung im Wurzelraum während der Vegetationszeit Ca. 10% der Plots sehr feucht: REW >90 % nfkin mindestens der Hälfte der Jahre ( ) Stauwassergeprägte Böden, Plots mit hohen Niederschlägen Ca. 20% der BZE-Plots sehr trocken: REW <40% nfkin mindestens der Hälfte der Jahre Geringe Niederschläge während der Vegetationszeit Plots mit geringer nfk(hohe Skelettanteile, flache Durchwurzelung) Bei den meisten BZE-Plots tritt anhaltender Wassermangel nur in extremen Trockenjahren auf. REW =0.4 Granier-Grenzwert Der Granier-Grenzwert von 40% nfkwird jedoch bei ca. 70% der BZE-Plots zw und 2010 mindestens einmal unterschritten.

6 Raum-Zeit-Muster von Wassermangel (Bsp. psi_krit) extreme Trockenjahre: teilweise sehr starkes und lang andauerndes Unterschreiten der kritischen Bodenwasserspannung an nahezu allen BZE-Punkten ein 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) 6 Anzahl der Tage in der Vegetationsperiode, an denen kritische Wasserspannung (-1200 hpa) im Wurzelraum unterschritten wird

7 Trends von Wassermangel (Bsp. psi_krit) Anzahl BZE-Punkte % 50% 25% [0,1] (1,5] (5,10] (10,25] (25,50] (50,75] (75,100] (100,125] (125,172]

8 Auswirkungen von Wassermangel auf das Baumwachstum 8 Ziel: Einfluss von Wassermangelindizes auf jährlichen Zuwachs quantifizieren C? Transpirationsdifferenz [mm/100d] <5 (15-30] (50-70] ( ] (5-15] (30-50] (70-100] >150 Material: jährliche Klimagrößen und Wassermangelindizes aus LWF-Brook90- Modellierungen Jahrringvermessungen an Bohrkernen an BZE-Punkten von NW-FVA und FVA- BW (Buche, Eiche, Fichte, Tanne, Kiefer) Methode: Boosted Regression Trees

9 Auswirkungen von Wassermangel auf das Baumwachstum Bodenwasserspeicher/Wassermangelindizes als Kovariablen in allen BRT-Modellen enthalten geringere Bodenwasserverfügbarkeit = geringere Jahrringbreiten Bodenwasser Wassermangelindizes Temperatur Niederschlag 9 fitted function Kiefer fitted function Fichte fitted function Tanne fitted function Buche % St1030_y [mm] % 15.9% 24.1% 19.3% St010_y [mm] 22.6% 20.1% 28.4% v_psi1200 [MPa] 37.3% 24.7% 38.0% v_psi1200 [MPa] v_psi1200 [MPa] v_tratio50 [mm/mm] T diff [mm] 29.0% 10.9% 4.9% 17.0% 24.9% St010_vp [mm] v_psi1200 [MPa] d_psi1200 [d] T diff [mm] gdd5_y [d] gdd5_y [d] tmin_may tsum_vp [ C] prec_ y [mm] 23.3% prec_mayjul [mm] Einfluss von Wassermangel v.a. auf Fichte und Buche Kovariablen, die die Wasserverfügbarkeit beschreiben, sind für 48% (Eiche) bis 100% (Fichte) der durch die BRTs erklärten Varianz verantwortlich. fitted function Eiche % Sp0100_vp [mm] 30.3% 21.9% 2500 Berlin Puhlmann, Hartmann, gdd5tsum_vp Schmidt-Walter: [ C] Trockenstress vrfln_vp [mm]

10 Fazit 10 Die bodenphysikalischen Erhebungen der BZE II ermöglichten die Parametrisierung von Bodenwasserhaushaltsmodellen. Treibende Faktoren für die räumliche Variabilität des modellierten Wassermangels sind Niederschlag sowie Gründigkeit, Grobbodenanteil und nfk der Standorte. Die abgeleiteten Wassermangelindizes deuten auf zunehmenden Trockenstress ab dem Ende der 1980er Jahre hin. Modelle liefern Grundlage für weitere Auswertungen (z.b. Sickerwasserqualität, Klimaszenarien). Danke für Ihre Aufmerksamkeit!