Welcher Baum braucht wie viel Wasser?

Projekt "Standortsfaktor Wasserhaushalt im Klimawandel"

Der Wasserhaushalt ist in der Forstwissenschaft einer der entscheidenden Standortsfaktoren für Baumvitalität und -wachstum. Der Begriff umfasst neben den meteorologischen Komponenten Niederschlagsmenge und potenzieller Verdunstung auch bodenkundliche Betrachtungen wie die Durchlässigkeit und Speicherkapazität der Böden, sowie eventuelle Grund- und Staunässe. Die Wasserhaushaltsansprache beruht in der Forstwirtschaft auf statischen Karten, in denen der Wasserhaushalt vor Ort von Standortskartierern abgeschätzt wird. Durch den Klimawandel kann jedoch mit einer deutlichen Änderung der Verhältnisse gerechnet werden. Die Erfahrungen der Trockenjahre 2015, 2018 und 2019 sind bereits Anzeichen dafür, dass die bisherigen statischen Verfahren der Standortskunde an ihre Grenzen kommen, wenn es darum geht, die zunehmende Dynamik von akutem Trockenstress, sowie langfristige Änderungen des im Mittel pflanzenverfügbaren Wasserangebots wirklichkeitsnah abzubilden.

Zielsetzung

Im vom Waldklimafonds geförderten Projekt "Standortsfaktor Wasserhaushalt im Klimawandel" (WHH-KW) soll die Wasserhaushaltsansprache von Forststandorten mittels prozessorientierter deterministischer Wasserhaushaltsmodellierung quantifizierbar gemacht und dabei die statische, aber räumlich hochaufgelöste Informationsdichte der forstlichen Standortskartierung in ein dynamisches Modell integriert werden.

Das Ziel des Projekts ist eine klimasensitive Abschätzung des Standortwasserhaushalts für die wichtigsten Baumarten in Deutschland (Buche, Eiche, Fichte und Kiefer), die die  zukünftige Beurteilungen der Anbaueignung unterstützen kann. Erstmals soll zudem in Kooperation mit den Kooperationspartnern Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft (LWF), Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt (NW-FVA) und der Universität Hamburg (UHH) ein deutschlandweit einheitliches Verfahren zur hydrologischen Bewertung von Forststandorten umgesetzt werden.

Vorgehensweise

Zu den zahlreichen Herausforderungen für die bodenhydrologische Modellierung, die diese interdisziplinäre Fragestellung mit sich bringt, gehört die Zusammenführung unterschiedlicher Datenquellen wie dem Waldmonitoring und der forstlichen Standortskartierung. Zudem muss bei der Modellierung selbst die Komplexität des Zusammenspiels von Klima, Boden und Vegetation ausreichend berücksichtigt werden.

Dafür wird im Rahmen des Projektes das Wasserhaushaltsmodell LWF-Brook90 an den Daten der Intensivmessflächen der Forstlichen Versuchsanstalten (Level-II) validiert. In Modellregionen werden dann die flächige Parametrisierung und Anwendung des Modells umgesetzt und im Austausch mit Expertinnen und Experten aus der forstlichen Praxis bewertet, bevor eine landesweite Umsetzung ansteht.

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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