Die Transpiration von Waldbäumen als Grundlage der Validierung und Modellierung der Bestandestranspiration in einem Wassereinzugsgebiet des Flusses „Ammer“

Autor: Patzner, Katja Maria
Přispěvatelé: Matyssek, R. (Univ.-Prof. Dr.), Matyssek, Rainer (Prof. Dr.), Fromm, J. (Univ.-Prof. Dr.), Huwe, B. (Univ.-Prof. Dr. / Universität Bayreuth)
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2005
Předmět:
Popis: In der montanen Höhenstufe der nördlichen Randalpen („Sperrgraben“, nahe Oberammergau/Germany, 1220 m ü. NN) weisen adulte Fichten-Reinbestände (Picea abies [L.] KARST.) einen ähnlichen Wasserverbrauch auf wie gleichaltrige Buchen-Fichten-Mischbestände (Mischung mit Fagus sylvatica L.). Da Saftflussmessungen bei adulten Buchen und Fichten der Tieflage („Kranzberger Forst“, nahe Freising/Germany, Forschungsfläche des DFG-“Sonderforschungsbereichs 607”, 490 m ü. NN) keine ökophysiologischen Unterschiede zu denen der Hochlage aufwiesen, konnten aus logistischen Gründen in der Tieflage gewonnene Grundsatzaspekte der Gaswechselmessungen, als erste Näherung auf den Voralpenraum übertragen werden. Unterstützt wurde dieses Vorgehen durch die Erkenntnis, dass sowohl der Kohlenstoffgewinn als auch der Wasserverbrauch nicht von der Hochlage, sondern durch die Länge der jeweiligen Vegetationsperiode bestimmt werden. In der vorliegenden Feldstudie wurde die Transpiration von montanen Beständen (ermittelt mit Hilfe der THB-Methode nach Granier) mit dem Wasserverbrauch eines Tieflagen-Bestandes verglichen. Trotz der unterschiedlichen Standortklimata war die splintflächenbezogene Kronentranspiration ähnlich alter und großer Buchen und Fichten im Tieflagen-Bestand „Kranzberger Forst“ mit 106 bis 126 t m-2 bzw. 61 bis 69 t m-2 vergleichbar mit jener am „Sperrgraben“ mit 102 bis 103 t m-2 bzw. 58 bis 63 t m-2 (jeweils für die Vegetationsperioden vom 15. Mai bis 15. September der Jahre 2000 und 2001). Bei Bezug auf die projizierte Grundfläche lag die Transpiration für den Fichten-Reinbestand am „Sperrgraben“ bei 164 bis 172 mm und für den Mischbestand am gleichen Standort bei 192 bis 202 mm. Die Transpiration des Tieflagen-Bestandes lag bei 246 bis 277 mm. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden für beide Höhenlagen Sommer-Wasserbilanzen erstellt. Schattenkronen können bei spät-sukzessionalen Baumarten wie Buche und Fichte einen erheblichen Beitrag zur Kronentranspiration (Ec) leisten, was von Relevanz für Bestimmungsverfahren von Ec auf Basis der Temperatur sonnenexponierter Bestandesoberflächen ist. Tatsächlich steuerte in einer aus Messungen im „Kranzberger Forst“ für den „Sperrgraben“ nach Baumarten getrennt abgeleiteten Schätzung die Bestandesschattenkrone bei Buche im Mischbestand zwischen 26 und 39 % und bei Fichte im Misch- und Reinbestand zwischen 34 und 49 % zur Ec bei. Weiterhin wurden die Wasserspeicherkapazität und der Kopplungsfaktor für die stomatäre Leitfähigkeit (gfac, dimensionslose Größe) bei beiden Baumarten durch zeitgleiche Xylemfluss- und Gaswechselmessungen bestimmt. Fichten und Buchen des „Kranzberger Forstes“ ließen einen zeitlichen Versatz des Wasserflusses um ca. 2 - 3 Stunden erkennen. Am Vormittag belief sich bei Buche die Größe des Wasserspeichers auf ca. 18 % und in der zweiten Tageshälfte auf ca. 25 % des Tageswasserverbrauchs. In der Sonnenkrone der Fichte war der zeitliche Versatz deutlicher ausgeprägt als bei Buche. Der Anteil des Wasserspeichers am Tageswasserverbrauch betrug am Vormittag ca. 13 %, lag jedoch in der zweiten Tageshälfte bei ca. 58 %. Gfac wurde im „Kranzberger Forst“ für Sonnen- und Schattenlaub in guter Korrelation zwischen Netto-CO2-Aufnahmerate und Transpirationsrate ermittelt. Für Sonnenblätter der Buche betrug gfac 10,6 und für Schattenblätter 9,6. Sonnennadeln der Fichte ergaben einen gfac von 14,0, die Schattennadeln wiesen einen gfac von 19,9 auf. Aufgrund der unterschiedlichen Morphologie der Blattorgane wurden die Gaswechselparameter bei Buche auf die projizierte Blattfläche und bei Fichte auf die allseitige Blattoberfläche bezogen. Die Forschungsergebnisse dienten neben der Bilanzierung der untersuchten Gebiete der Parametrisierung und Validierung des von der AG Bernhofer (Technische Universität Dresden) verwendeten Vegetations- und Atmosphärenmodells HIRGIS für das Wassereinzugsgebiet „Sperrgraben“. Der exemplarische Vergleich mit der modellierten und aus Saftflussmessungen abgeleiteten Verdunstung lieferte eine hohe Übereinstimmung. Die maximale Abweichung der Tagesraten der skalierten Xylemflüsse von Tagesraten der mit Hilfe von HIGRIS modellierten Gesamtverdunstung betrug in der Gesamtsumme für den Mischbestand weniger als 3 % und für den Reinbestand nur 0,1 %. Fazit: Messungen des Xylemflusses in Bäumen sind für die hydrologische Charakterisierung eines Wassereinzugsgebietes von zentraler Bedeutung. Sie ermöglichen, die aus anderen Verfahren abgeleitete Transpiration von Waldbeständen als wesentliche Komponente des regionalen Wasserumsatzes zu validieren und die Modellierung der Bestandestranspiration auf eine mechanistische Basis zu stellen. Bedarf besteht insbesondere für Extrema ökologischer Gradienten, wie z. B. die hydrologisch erst ansatzweise charakterisierten Wälder der montanen Stufe. In the mountainous altitude of the northern Bavarian Alps („Sperrgraben“, near Oberammergau/Germany, 1220 m a.s.l) spruce monocultures (Picea abies [L.] KARST) do not differ from spruce/beech mixed stands (mixture with Fagus sylvatica L.) in terms of water consumption. Given the ecophysiological similarity of beech and spruce trees at high and low altitude, some functional aspects of gas exchange measurements were assessed at low elevation („Kranzberger Forst“, near Freising/Germany, experimental site of DFG-“Sonderforschungsbereich 607”, 490 m a.s.l.) and – as a first approximation – applied to modelling the transpiration of trees growing at the mountainous site. This approach was supported by the perception that both carbon gain and crown transpiration are not effected by the altitude but by the length of the growing season. In this field study we compared the transpiration (measured by the Granier THB-method) of high and low altitude stands. In spite of the different climates the crown transpiration of beech and spruce trees similar in age and size was analogous when based on the splint area. During the growing seasons 2000 and 2001 (from 15th May to 15th September) the crown transpiration of beech and spruce trees calculated on stand was 106 – 126 tm-2 and 61 – 69 tm-2, respectively, at „Kranzberger Forst“ and 102 – 103 tm-2 and 58 – 69 tm-2, respectively, at „Sperrgraben“. Based on the projected area the transpiration of the pure spruce stand at „Sperrgraben“ and of the mixed stand at the same altitude was 164 – 172 mm and 192 – 202 mm, respectively. The transpiration of the low altitude stand ranged between 246 and 277 mm. For both altitudes the hydrological water-balances during summertime were calculated. Shade foliage makes a considerable contribution to the crown transpiration (Ec) which is important for methods based on remote-sensing. These methods rely only on the temperature of the uppermost canopy layers in assessing canopy transpiration. Based on measurements of shade-foliage transpiration in spruce and beech of “Kranzberger Forst”, the contribution of this foliage type to crown transpiration was estimated for the trees of both species at “Sperrgraben”. The contribution of shade foliage to crown transpiration ranged between 26 and 39 % for beech trees and between 34 and 49 % for spruce trees in mixed or pure stand. Furthermore we determined the water storage capacity and the coupling factor (gfac: a nondimensional variable) of the stomata conductance for both species. Both quantities were calculated by measuring sap flow and gas-exchange simultaneously. Beech and spruce trees at „Kranzberger Forst“ showed a time shift of 2 – 3 hours between xylem sap flow and crown transpiration. In the morning and in the afternoon the water storage capacity of beech trees amounted to approx. 18 % and approx. 25 %, respectively, of the daily water use. For modelling an average of 21 % was calculated. The daily offset in spruce trees was more obvious. The water storage capacity was approx. 13 % of the daily water use in the morning and about 58 % in the afternoon (average for modelling: 35 %). At „Kranzberger Forst“ gfac was determined for sun and shade foliage of beech and spruce trees with a good correlation between net-CO2-assimilation and transpiration rate. Sun and shade foliage of beech trees showed a gfac of 10.6 and 9.6, respectively. For sun and shade foliage of spruce trees we calculated a gfac of 14.0 and 19.9, respectively. Because of the different morphology of the foliage all parameters of the gas-exchange were related to the projected leaf area in the case of beech trees and to the all-side leaf area in the case of spruce trees. On the one hand the results of the presented study were needed for balancing the watersheds and on the other hand for parameterization and validation of HIGRIS (a coupled vegetation-atmosphere model, AG Bernhofer, University of Dresden) for the mountainous site. The comparison of modelled transpiration data by HIGRIS and data which were calculated by sap flow measurements revealed high analogy. The maximum difference between the daily rate of water use calculated by sap flow and modelled by HIGRIS was less than 3 % for the mixed stand and only 0.1 % for the pure stand. Conlusion: Measurements of sap flow in trees provide a suitable basis for hydrological modelling of watersheds. Demand for this kind of modelling exists, in particular, in view of poorly understood extrema along ecological gradients, as represented, for example, by mountainous forests and their water regimes.
Databáze: OpenAIRE
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