Regionalisierung forstlicher Standortseigenschaften zur Ableitung von Bestandeszieltypen Beispiel angewandter Bodenlandschaftsforschung

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1 Regionalisierung forstlicher Standortseigenschaften zur bleitung von Bestandeszieltypen Beispiel angewandter Bodenlandschaftsforschung Winfried Riek lexander Russ Jens Hannemann

2 GLIEDERUNG 1. Einführung 2. Operationen der Regionalisierung (Beispiele) a. Translokation b. Transformation c. Up-/Down-scaling 3. nwendung: bleitung von Bestandeszieltypen 4. Folgerungen

3 Regionalisierung im Forstlichen Umweltmonitoring Fallstudien Level II-Programm Bodenzustandserhebung (Forstliche Versuchsflächen, ) punktbezogen Prozesse Ursache-Wirkungs-nalyse Modellentwicklung Szenariorechnungen Übertragung in die Waldfläche nwendung in der Waldbewirtschaftung Wuchsbezirk Revier Bestand Beispiele aktuell brisanter Fragestellungen: Bestandeszieltypen im Klimawandel stoffliche Nachhaltigkeit, Nutzungspotenziale

4 Flächenübertragung: rasterbasierter nsatz 100x100 m Grundraster mit Stützstellen (Waldfläche) 1x1 km Raster für Klimadaten mit Stützstellen (Landesfläche) Waldfläche Nichtwaldfläche

5 Verfügbare und generierte Datenbasen Inventurdaten Forstliche Umweltkontrolle Dauerbeobachtungsflächen (Level II- Programm) Bundesweite Bodenzustandserhebung im Wald (BZE) in Brandenburg (n=322) Boden- und standortsbezogene Kartenwerke digitale forstliche Standortskarte (Stand 2010) BÜK 1: (LBGR 2001) GÜK 1: (LBGR 1997) Grundwasserflurabstände stichzeitraumbezogen abgeleitet aus GW- Messstellen und Oberflächengewässern (HNNPPEL & RIEK 2011) Reliefkennwerte Digitales Geländehöhenmodell 25-3-LBGR (Köthe 2007); >30 verschiedene abgeleitete Reliefattribute (RUSS 2015) Datenspeicher Wald Ki-, Ei-, Bu-, Laubholzanteile an der Bestandesgrundfläche [%] Grundflächengewichtetes mittleres Bestandesalter [a] Modellierte Klimakennwerte langjährige 1x1km-Rasterdaten für Dekaden aus Simulationen mit dem regionalen Klimamodell WETTREG für SRES-Szenario 1B (KREIENKMP & SPEKT 2009, RIEK et al. 2013)

6 Operationen der Regionalisierung Bach & Frede (1999), Steinhardt (1999) Skalenebene S2 UP-/DOWN- SCLING M2 Merkmale (nfk, ph-wert, ) TRNSFORMTION (z.b. Pedotransferfunktionen, ) TRNSLOKTION (z.b. Kriging, ) S1 M1 O1 O2 Objekte (Waldstandorte, )

7 bleitung von Grundwasserflurabständen mittels Kriging-Interpolation (TRNSLOKTION) Zielgröße: kapillare ufstiegsrate in den Wurzelraum Stichzeiträume pril 1970 Oktober 2006 pril 2008 Oktober 2008 Hannappel & Riek 2011

8 Datenherkunft Grundwasser GW-Messstellen LU inkl. rchivdaten (n=3.207) GW-Daten LBGR (n=1.004) sonst. GW-Messdaten (n=1.233) OW-Pegel LU (n=373) OW-Stützpunkte TK10 (n=10.682) Stützstellen Hannappel & Riek 2011

9 Hannappel & Riek 2011 Kriging-Interpolation GW-Gleichenkarte Verschneidung mit DGM (Differenz zur Geländeoberfläche) GW-Flurabstände für Waldgebiete mit oberflächennahem ( ungespanntem ) Grundwasser (100x100 m Raster) Grundwassergleichen Oktober 2006

10 nteile der Flurabstandsklassen an der Gesamtwaldfläche *) Flurabstand (aufsummiert) pril 1970 Okt pril 2008 Okt < 1 m 8,3 % 3,6 % 5,8 % 4,2 % < 2 m 17,4 % 11,0 % 14,6 % 11,9 % < 3 m 25,3 % 19,7 % 22,8 % 20,5 % < 4 m 31,2 % 26,6 % 29,1 % 27,3 % < 5 m 35,8 % 31,9 % 33,8 % 32,5 % < 6 m 39,7 % 36,0 % 37,7 % 36,6 % > 6 m 60,3 % 64,0 % 62,3 % 63,4 % *) für gespannte Gebiete wurde Flurabstand > 6 m angenommen!

11 Vergleich GW-Flurabstand (DGM25-3) vs. GW-Flurabstand (DGM2) - Beispielregion: Raum nördl. Eberswalde (n=46.815) - hier GW-Flurabstand (DGM2): 0 10 m 80% < 1,4m

12 Vergleich von a) regionalisierten GW-Flurabständen mit b) GW-Flurabstandsstufen der Forstlichen Standortskarte a) Stichzeitraum pril 1970 (Hochstand); 100x100m Raster b) Flächendaten der Frühjahrsfeuchtestufen; Mindestabstand zu gespannten Gebieten: 3km; ca Polygone mit 7 verschiedenen GW-Stufen Feuchtestufe 4 0,5-1,0m (0,75m) mean = 0,99 SD = 0,79 n = 717 Feuchtestufe 5 1,0-1,8m (1,4m) mean = 1,41 SD = 0,85 n = 1362 Feuchtestufe 6 1,80-3,0m (2,6m) mean = 2,22 SD = 1,13 n = 1043 [m] [m] [m]

13 Digitale forstliche Standortskarte (Stand 2010) größter Maßstab (1:10 000) aller für die brandenburgische Waldfläche vorliegenden Bodenkarten Spezialkarten mit weitem Eingang in die forstliche Praxis (insbesondere für die Baumartenwahl) Entstehung in mehreren Jahrzehnten Kartierarbeit seit den 1950er Jahren

14 Digitale forstliche Standortskarte (Stand 2010) räumliche uflösung der zugrundeliegenden Bohrungen in bhängigkeit von der Variabilität der Standortsverhältnisse zwischen 13 und 100 Bohrpunkten je 100 ha; im Tiefland durchschnittlich ca. 1 Bohrpunkt pro 4 ha waldbauliche Entscheidungen basieren im Wesentlichen auf qualitativen Nährkraft-, Wasserhaushalts- und Klimastufen, die als stabil angesehen werden (Stammeigenschaften) Feinbodenform = wichtigste Datenquelle zur bleitung von Grobbodenanteil in verschiedenen Tiefenstufen bzw. Bodenblöcken [%] Sand-, Schluff- und Tongehalt in verschiedenen Tiefenstufen bzw. Bodenblöcken [%] Carbonattiefe / Entkalkungstiefe [cm] Geologisches lter ( lithochemische Reihe ) Grundwasserflurabstandsstufe

15 Inhalt Hauptbodenform Substratfolgetyp Horizontfolgetyp Feinbodenform Substratfolgetyp, Horizontfolgetyp und zusätzliche für das Waldwachstum bedeutsame Merkmale: z.b. - KMgCaP-Serie - Tiefe der Carbonatgrenze - Feinheit im B-Horizont - ggf. Säure-Basen- und Stickstoffstufe Beispiel Sand-Braunerde Leistener Sand-Braunerde Kurzform sb LeS ussage (vereinfacht) Sand bis > 80 cm Tiefe; -Bv-C-Profil wie Hauptbodenform und zusätzlich - KMgCaP-Serie I - carbonatfrei bis > 300 cm - anlehmiger Sand im Bv-Horizont 971 definierte Feinbodenformen (in Brandenburg vorkommend 539)

16 DOWN-SCLING Disaggregierung der Polygoninformationen: bleitung der Standortsform für 100x100m-Punkte aus der Standortskarte Info aus StoKarte Regionalisierungsverfahren Punkte Fall 1 Polygon mit eindeutiger ngabe der Standortsform Unmittelbare Verwendung der ngabe aus der Standortskarte (52%) Fall 2 Wechselkartierung im grundwasserbeeinflussten Bereich Disaggregierung durch Verschneidung mit Geländehöhen des Digitalen Geländemodells (DGM) (3%) Fall 3 Wechselkartierung im grundwasserfernen Bereich Diskriminanzanalyse (Prädiktoren: 44 aus dem DGM abgeleitete Reliefattribute) (15%) Fall 4 Keine verwendbaren ngaben (ltkartierung, Komplexstandorte, Sonderstandorte, nicht kartierte Fläche) Prognose mittels CHID-nalyse (Prädiktoren: Legendeneinheiten der Bodenübersichtskarte, Grundwasserflurabstände, Klimakennwerte sowie Reliefattribute) (30%)

17 DOWN-SCLING Disaggregierung der Polygoninformationen GW-Stufen : 30 : 30 Flurabstandsklassen nach DGM Russ & Riek 2011

18 DOWN-SCLING + TRNSFORMTION bleitung der Standortsform für 100x100m-Punkte aus der Standortskarte Info aus StoKarte Regionalisierungsverfahren Punkte Fall 1 Polygon mit eindeutiger ngabe der Standortsform Unmittelbare Verwendung der ngabe aus der Standortskarte (52%) Fall 2 Wechselkartierung im grundwasserbeeinflussten Bereich aus Disaggregierung durch Verschneidung mit Geländehöhen des Digitalen Geländemodells (DGM) (3%) Fall 3 Wechselkartierung im grundwasserfernen Bereich aus Diskriminanzanalyse (Prädiktoren: 44 aus dem DGM abgeleitete Reliefattribute) (15%) Fall 4 Keine verwendbaren ngaben (ltkartierung, Komplexstandorte, Sonderstandorte, nicht kartierte Fläche) Prognose mittels CHID-nalyse (Prädiktoren: Legendeneinheiten der Bodenübersichtskarte, Grundwasserflurabstände, Klimakennwerte sowie Reliefattribute) (30%)

19 Prädiktoren in den Endknoten der CHID-Bäume

20 Feinbodenformen (SE95) Gesamtwaldfläche (!) Brandenburgs [ha] BäS NeS GmS LwS FtS KdS BoS SoS BgS RüS ha Feinbodenformen sortiert nach Flächenanteil n= 539 (ohne Übersandungs- / Unterlagerungsvarianten)

21 Feinbodenform (SE95) Entkalkungstiefe BZE: Beprobung nur bis max. 200 cm BZE Kalk < 200 cm: 18 % StaoKarte Kalk < 300 cm: 34 %

22 Feinbodenform (SE95) Nährkraftstufe Fünftel-Nährkraftstufen 1, 2, 3, 4, 5, Z 6, 7, 8,.. M K R., 22, 23, 24, 25

23 Pedotransferfunktionen (TRNSFORMTION) Feinbodenform (SE95) Feinbodenformenkatalog (Schulze 1998, Kopp u. Jochheim 2002, ltermann et al. 2008) 971 Bodenprofiltypen mit definierter Bodenartenschichtung, Carbonatgehalt, Skelett Inventurdaten BZE-1 BZE-2 BZE-2a (n=322) Generierung von REGRESSIONSMODELLEN Humusgehalt, Bodendichte = f (Grundwasserflurabstand, Carbonatgehalt, Relief, Bodenart, Klima, Baumart, ) Eingangsgrößen für Pedotransferfunktionen zur bleitung der nfk (100x100m Raster)

24 Bsp.: Schätzung der Kohlenstoffvorräte (Russ 2015)

25 Bsp.: Schätzung Kohlenstoffvorrat (Russ 2015)

26 nfk von BZE-Punkten mit PTF geschätzt Welche PTF wird den Bedingungen in brandenburgischen Waldböden am besten gerecht? PTF nach G Boden nfk G Boden pf DIN4220 Renger Riek Schaap KG Schaap KG+TRD Schaap klass Scheinost Teepe KG nfk Teepe KG vg Teepe klass nfk Nutzbare Feldkapazität der BZE- Punkte in Brandenburg, berechnet mit unterschiedlichen Pedotransferfunktionen Teepe klass vg Vereecken Wösten KG Wösten klass [mm]

27 usgewertete Pedotransferfunktionen Pedotransferfunktion Eingangsgrößen nsatz/methodik Herkunft/Datenbasis G Boden nfk (G Bodenkunde 2005) G Boden pf (G Bodenkunde 2005) Texturklasse, TRD, Humusgehalt Texturklasse arithmetisch gemittelte Werte für Bodenart, TRD und Zuschläge i.. vom Humusgehalt arithmetisch gemittelte Werte für die jeweilige Bodenart bodenphysikalische Datensätze der Bundesländer Bay., BW., BE., BB., HE., NI., NRW, RP, SH, TH, ST, der DDR und Teepe DIN4220 (DIN 4220: ) Texturklasse, TRD, Humusgehalt modifizierter K5-nsatz, insbesondere abweichende Werte für Sande siehe G Boden nfk, Renger,? Renger (Renger et al. 2009) Texturklasse, TRD, Humusgehalt modifizierter K5-nsatz (u.a. differenziertere TRD-Stufen, Kalibrierung der Tabellenwerte für Tone, Sande und Zuschläge für den Humusgehalt) siehe G Boden nfk + zusätzliche Erfahrungs- /Messwerte Riek (Riek et al. 1992(1995)) Kornfraktionenanteile, TRD, Humusgehalt, Substrat- Horizontgruppe multiple Regressionsanalysen innerhalb von Substrat- Horizontgruppen 6000 Datensätze aus Labordatenbanken der Geologischen Landesämter BY., HE., NI., SH., NRW und RP. sowie Ostdeutschlands und Berlins, Schaap KG (Schaap et al. 2001) Schaap KG+TRD (Schaap et al. 2001) Schaap klass (Schaap et al. 2001) Kornfraktionenanteile Kornfraktionenanteile, TRD Texturklasse Training künstlicher neuronaler Netze (NN) Mittelwertberechnungen für 12 US- Texturklassen 2134 Bodenproben temperierter und subtropischer Klimate aus Nordamerika und Europa

28 usgewertete Pedotransferfunktionen Pedotransferfunktion Eingangsgrößen nsatz/methodik Herkunft/Datenbasis Scheinost (Scheinost et al. 1997) Kornfraktionenanteile, Corg, Porosität Regressionsanalysen, Berücksichtigung von Skelettgehalt und PV sowie geometrischem Mittelwert und Standartabweichung der Korngrößenverteilung 132 Bodenproben aus einem1,5 km² großen Intensivmessfeld Bayerns mit einem großen Wertebereich der Prädiktorvariablen Teepe KG nfk (Teepe et al. 2003) Teepe KG vg (Teepe et al. 2003) Teepe klass nfk (Teepe et al. 2003) Teepe klass vg (Teepe et al. 2003) Kornfraktionenanteile, TRD Kornfraktionenanteile, TRD Texturklasse, TRD Texturklasse, TRD multiple Regressionsanalysen Clusteranalysen zur usscheidung von 10 Texturklassen, Berechnung von Mittelwerten für die 10 Textur-, sowie 5 neu eingeführter TRD- Klassen 1850 pf-kurven von Waldböden Deutschlands (1500 vom Institut für Bodenkunde und Waldernährung der Univ. Göttingen aus der Literatur) Vereecken (Vereecken et al. 1989) Kornfraktionenanteile, TRD, organischer Kohlenstoff multiple Regressionsanalysen, Hauptkomponentenanalyse 182 Horizonte aus 40 Böden Belgiens mit einem breiten Bodenartenspektrum Wösten KG (Wösten et al 1999) Wösten klass (Wösten et al 1999) Kornfraktionenanteile, TRD, Humusgehalt, Oberbodenparameter Texturklasse, Oberbodenparameter multiple Regressionsanalysen Kurvenanpassung an geometrische Mittelwerte der einzelnen Druckstufen 4030 Proben aus der 5521 umfassenden HYPRES (Hydaulic PRoperties of European Soils)- Datenbank, welche überwiegend auf landwirtschaftlichen Standorten aus 14 europäischen Ländern basiert

29 Unabhängige Stichprobe Sande bis lehmige Sande des nordostdeutschen Tieflands unter Wald Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe Brandenburg (Dr. D. Kühn & Dr.. Bauriegel) 167 Datensätze Landesbetrieb Forst Brandenburg Landeskompetenzzentrum Forst Eberswalde (Prof. Dr. W. Riek) 131 Datensätze Johann Heinrich von Thünen-Institut Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei, Institut für Waldökologie und Waldinventuren (Dr. S. Schobel ) 13 Datensätze Staatsbetrieb Sachsenforst Kompetenzzentrum für Wald und Forstwirtschaft (R. Gemballa) 194 Datensätze

30 Vorhersage- vs. Messwerte der nfk G Boden nfk G Boden pf DIN4220 Renger Riek Schaap KG Schaap KG+TRD Schaap klass Scheinost Teepe KG nfk Teepe KG vg Teepe klass nfk Teepe klass vg Vereecken Wösten KG Wösten klass NFK_berechnet NFK_berechnet NFK_berechnet NFK NFK_berechnet NFK NFK NFK nfk_gemessen nfk_gemessen nfk_gemessen nfk_gemessen Unabhängige Stichprobe Sande bis lehmige Sande des nordostdeutschen Tieflands unter Wald (n=489)

31 Pflanzenverfügbares Bodenwasser Wpfl = nfkwe + vkap nfkwe [mm] Wpfl [mm]

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33 Berechnung der Wasserhaushaltskennwerte hier: ET - PET Modell TUB-BGR, Wessolek et al. 2008, 2009 ET PET [mm] Russ 2015

34 Praktische nwendungen: BZT auf standörtlicher Grundlage Standorts- und Klimadaten (100 x 100 m) aktueller BZT Klima- Szenarien statistisches KLSSI- FIKTIONS- MODELL BZT = f (Standort) flächendeckende BZT-Schätzer

35 Klassifikationsmodelle (Diskriminanzmodelle, CHID-nalyse) Zielgröße Prädiktoren Output Hauptbaumarten der BZT (Bu, Ei, Ki, Sonstige) ET PET (= Wasserdefizit) Fünftel-Nährkraftstufen Hauptkomponenten des Wärmehaushalts gewichtete Temperatursumme bis zum Zeitpunkt minimale Tagesmitteltemperatur in der Nichtvegetationszeit Spätfrostsumme (=Summe der Tagesminimumtemperaturen aller Tage mit Tagesminimumtemperatur < 0 C in den Monaten pril und Mai) Wahrscheinlichkeiten der Baumartenzuordnung auf standörtlicher Grundlage

36 Buche als Hauptbaumart des Bestandeszieltyps Zuordnungswahrscheinlichkeiten [%]: Dekade 2005: ha Dekade 2055: ha deutlich mildere Winter geringere Spätfröste moderate Zunahme von Wassermangel Dekade 2095: ha limitierende Wirkung von Wassermangel

37 Folgerungen 1) Durch die Regionalisierung wird der Transfer von Daten aus Fallstudien des forstlichen Umweltmonitorings für nwendungen in der waldbaulichen und forstplanerischen Praxis ermöglicht. 2) Im Rahmen des forstlichen Umweltmonitorings wird eine ideale Datengrundlage für die Regionalisierung generiert: a. bundesweit einheitlich standardisierte Verfahren für die überregionale Einordnung und Bewertung! b. quantitative Daten auf stets aktuellem Stand! 3) Für die Regionalisierung dieser Inventurdaten bieten etablierte Kartengrundlagen (insbesondere die forstliche Standortskarte) in Verbindung mit DGM und weiteren Messdaten (z.b. zum Grundwasserstand) eine optimale Grundlage.

38 Vielen Dank für Ihre ufmerksamkeit!

39 Publikationen aus dem Projekt: RIEK, W., RUSS,., KÜHN, D. (2015): Waldbodenbericht Brandenburg Zustand und Entwicklung der brandenburgischen Waldböden. Ergebnisse der landesweiten Bodenzustandserhebungen BZE-2 und BZE-2a. Band 1. Eberswalder Forstliche Schriftenreihe, Bd. 60. Landesbetrieb Forst Brandenburg, (Hrsg), Eberswalde. 172 S. RIEK, W., RUSS,. (2014): Regionalisierung des Bodenwasserhaushaltes für Klimaszenarien als Grundlage für die forstliche Planung. In: Wissenstransfer in die Praxis - Beiträge zum 9. Winterkolloquium. Eberswalder Forstliche Schriftenreihe, Bd. 55. Landesbetrieb Forst Brandenburg, Landeskompetenzzentrum Forst Eberswalde (Hrsg), Eberswalde RIEK, W., RUSS,. (2014): Entscheidungsmodell für die Baumartenwahl auf der Basis von Standortsdaten und Klimaszenarien. Regionalisierung für die Waldfläche Brandenburgs.. In: Wälder der Zukunft: Lebensraum, Ressourcenschutz und Rohstoffversorgung. Tagungsband zur 13. Forstwissenschaftlichen Tagung vom S.32. RIEK, W. KLLWEIT, R., RUSS,. (2013): nalyse der Hauptkomponenten des Wärmehaushalts brandenburgischer Wälder auf der Grundlage von regionalen Klimaszenarien. bgrenzung von Risikogebieten und Schlussfolgerungen für ein Klima-Monitoring. Waldökologie, Landschaftsforschung und Naturschutz. Heft URL: HNNPPEL, S., RIEK, W. (2011): Berechnung des Flurabstandes des oberflächennahen Grundwassers der Waldfläche Brandenburgs für hydrologisch typische Zeiträume. Hydrologie und Wasserwirtschaft. 55. Heft 1. S

40 RUSS,. (2015): Regionalisierung des Wasser- und Kohlenstoffhaushalts für die Waldfläche Brandenburgs. Bodenökologie und Bodengenese. Heft 44. Dissertation. TU Berlin. 164 S. RUSS,., RIEK, W., WESSOLEK, G. (2015): Entwicklung statistischer Vorhersagemodelle zur Identifizierung von Legendeneinheiten forstlicher Standortskarten Beispiel Nordostdeutsches Tiefland. Schriftenreihe Beiträge aus der Nordwestdeutschen Forstlichen Versuchsanstalt. Bd.14. S RUSS,., RIEK, W., WESSOLEK, G. (2013): Regionalisierung bodenphysikalischer Kennwerte auf Grundlage forstlicher Standortskarten. In: usgleichs- und Reaktorfunktionen von Waldböden im Stoffund Wasserkreislauf - Gemeinsames Kolloquium des DBG-rbeitskreises Waldböden, der Sektion Wald und Wasser im DVFF und der Deutschen Hydrologischen Gesellschaft in Freiburg am Oktober Freiburger Forstliche Forschung, Freiburg. Heft RUSS,., RIEK, W. (2011): Pedotransferfunktionen zur bleitung der nutzbaren Feldkapazität. Validierung für Waldböden des nordostdeutschen Tieflands. Waldökologie, Landschaftsforschung und Naturschutz. Heft RUSS,. RIEK, W. (2011): Methode zur bleitung des Grundwasserflurabstandes aus Karten der forstlichen Standortskartierung und digitalen Geländemodellen in Brandenburg. Waldökologie, Landschaftsforschung und Naturschutz. Heft RUSS,., RIEK, W. (2011): Vergleich zweier nsätze zur bleitung von Grundwasserflurabständen für die Waldfläche Brandenburgs. In: Böden verstehen Böden nutzen Böden fit machen. Deutsche Bodenkundliche Gesellschaft.

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