Wo haben Bäume mehr Durst?

Projekt 1717: DynWHH – Dynamische Modellierung des ­Standortwasserhaushalts

Mit dem Klimawandel ändern sich auch die Verfügbarkeit und Verteilung von Wasser im Wald und Waldboden, es verändert sich der Wasserhaushalt. Veränderte Regenhäufigkeit, höhere Temperaturen und damit eine steigende Verdunstung von Wasser, lassen in Zukunft – insbesondere in den Sommermonaten – ein erhöhtes Risiko für Trockenheit erwarten. Das bedeutet Stress für die Bäume, denn Trockenheit schwächt die Wälder, das haben die vergangenen Trockenjahre eindrücklich gezeigt. Knapp die Hälfte der Waldfläche gilt derzeit als stark geschädigt – gemäß der jährlichen Waldzustandserhebung. Dieser Wert wurde selbst zu Zeiten des "Waldsterbens" im "sauren Regen" in den 1970er Jahren nicht erreicht. Die Waldbewirtschaftung muss diesen geänderten Bedingungen Rechnung tragen.

Im Projekt "Dynamische Modellierung des Standortswasserhaushalts" (DynWHH), das aus Mitteln des Notfallplans der Landesregierung (PDF, 5,3MB) finanziert wird, soll der standörtliche Wassershaushalt aller Waldflächen und seine zu erwartenden Veränderungen im Zuge des Klimawandels räumlich hoch aufgelöst simuliert und modelliert werden. Die Bewertung des zukünftigen Wasserhaushalts von Waldflächen und insbesondere des Risikos für Trockenstress von Bäumen gehen unter anderem in die Baumarteneignungs- und Klimavulnerabilitätskarten der FVA ein. Zudem sind die Wasserhaushaltsinformationen eine Datengrundlage für eine Reihe weiterer aus dem Notfallplan finanzierter Projekte.

  1. Modellierung des Bodenwasserhaushalts der Wälder Baden-Württembergs mit Hilfe des Standortswasserhaushaltsmodells LWF-Brook90
    • Automatisierung der Modellumgebung, sodass Ensemble- und Neurechnungen, zum Beispiel mit neuen Klimadaten, auf effiziente Weise möglich sind
    • Verbesserung der Boden- und Vegetationsparameter bestehender LWF-Brook90-Modelle, um mehr Realitätstreue zu erzielen
    • Räumliche Verdichtung der bisherigen Modelle von einem 250m-Raster auf ein 50m-Raster
  2. Abschätzung von Trends in der Wasserversorgung der Wälder auf der Basis verschiedener Klimaprojektionen
    • Ableitung verschiedener Indizes für Wassermangel und Wasserüberschuss
    • Datenbereitstellung für andere FVA-Projekte (Serviceschnittstelle Wasserhaushaltsmodellierung)

Der Wasserhaushalt von Wäldern beschreibt den Fluss und die Speicherung von Wasser in und zwischen den Kompartimenten des Ökosystems Wald. Das ist zum Beispiel das Regenwasser, das die Baumkronen benetzt – die Interzeption – und von dort aus als Interzeptionsverdunstung wieder verdunstet. Oder aber der Bestandesniederschlag, der durch die Vegetationsschicht als Kronentraufe oder Stammabfluss auf den Boden fällt. Von dort aus kann das Wasser den Boden infiltrieren und von den Wurzeln wieder aufgenommen werden (Wurzelwasseraufnahme). Von den Wurzeln aus nimmt das Wasser seinen Weg durch die Pflanzen, um schließlich als Transpiration wieder an die Atmosphäre abgegeben zu werden. Jedoch wird insbesondere dann, wenn es stark regnet, nicht der gesamte Bestandesniederschlag vom Boden aufgenommen, weil das Wasser nicht so schnell in den Boden eindringen kann. Es fließt dann als Oberflächenabfluss ab.

Der Boden ist in der Lage, Wasser entgegen der Schwerkraft zu halten und somit zu speichern. Das ist der Bodenwasserspeicher. Er kann auch in Trockenphasen für eine kontinuierliche Wasserversorgung des Waldes sorgen. Daher ist die Wasserspeicherkapazität eines Bodens, also die Größe des Bodenwasserspeichers, im Hinblick auf häufigere Trockenheit im Sommer eine besonders kritische Größe. Je größer der Bodenwasserspeicher, desto länger kann ein Wald eine Trockenphase ohne Wassermangel überdauern.

Wasser, das nicht vom Boden gespeichert wird, versickert als Tiefensickerung ins Grundwasser oder staut sich über undurchlässigen Bodenschichten. Eine weitere Möglichkeit ist, dass es in Poren mit einer hohen Wasserleitfähigkeit als Zwischenabfluss abfließt. Schließlich verliert der Boden auch an die Atmosphäre Wasser, indem es verdunstet. Dieser Prozess wird auch Evaporation genannt.

Für die Modellierung des Wasserhaushalts von Waldstandorten hat sich das Modell LWF-Brook90 (Hammel & Kennel 2001) etabliert. LWF-Brook90 simuliert auf Basis von physikalischen Gesetzen den vertikalen Wasserfluss und die Evapotranspiration, also Transpiration und Evaporation zusammen genommen, in täglicher Auflösung. Mit umfangreichen Boden- und Vegetationsparametern, die unter anderem die Speicherkapazitäten und Flussraten bestimmen, kann das Modell an einen konkreten Waldstandort angepasst werden.

LWF-Brook90 kann einerseits mit gemessenen (retrospektiven) Witterungsdaten angetrieben werden. Andererseits können Ergebnisse von Klimaprojektionen für verschiedene Klimaszenarien und Zeiträume als Modellinput verwendet werden. Damit lässt sich einerseits der Ist-Zustand bestimmen, andererseits aber auch erwartbare zukünftige Veränderungen im Wasserhaushalt, die auf die projizierten Klimaveränderungen zurückgehen.

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