Untersuchungen zum Wasserhaushalt eines Fichtenwaldstandorts unter Berücksichtigung der Humusauflage

Water balance of a spruce stand with consideration of the organic layer

Die Humusauflage ist ein wichtiger Bestandteil von Waldböden, der stark durchwurzelt wird und, in Abhängigkeit von der Mächtigkeit, einen bedeutenden Beitrag zur pflanzenverfügbaren Speicherung von Wasser leisten kann. Dennoch wird die Humusauflage in Bodenwasserhaushaltsmodellen nur selten berücksichtigt. In dieser Arbeit soll der Wasserhaushalt der Humusauflage eines Fichtenbestands (Picea abies L.) im Fichtelgebirge (NO-Bayern) für eine Kontroll- und eine Manipulationsfläche, die über sechs WDie Humusauflage ist ein wichtiger Bestandteil von Waldböden, der stark durchwurzelt wird und, in Abhängigkeit von der Mächtigkeit, einen bedeutenden Beitrag zur pflanzenverfügbaren Speicherung von Wasser leisten kann. Dennoch wird die Humusauflage in Bodenwasserhaushaltsmodellen nur selten berücksichtigt. In dieser Arbeit soll der Wasserhaushalt der Humusauflage eines Fichtenbestands (Picea abies L.) im Fichtelgebirge (NO-Bayern) für eine Kontroll- und eine Manipulationsfläche, die über sechs Wochen experimentell ausgetrocknet und anschließend wiederbefeuchtet wurde, quantifiziert und modelliert werden. Für die korrekte Abbildung des Bodenwasserhaushalts im Modell wurden die bodenphysikalischen Parameter am Untersuchungsstandort umfassend charakterisiert. Die pF-Kurve wurde für die Mineralbodenhorizonte bis pF 4,2, für die Humusauflage bis pF 5,5 ermittelt. Die Spanne der volumetrischen Wassergehalte zwischen Sättigung und maximaler Austrocknung ist dabei in der Humusauflage sehr viel größer als im Mineralboden. Dies wirkt sich auf die Höhe der nutzbaren Feldkapazität aus, die für die 13 cm mächtige Humusauflage mit 41 mm, für den Mineralboden bis 40 cm Bodentiefe, unter Berücksichtigung des Skelettanteils, mit 71 mm bestimmt wurde. Die experimentelle Austrocknung des Fichtenbestands führte, im Vergleich zur Kontrollfläche, lediglich in der Humusauflage zu signifikant geringeren Wassergehalten, während im Mineralboden keine Manipulationseffekte auftraten. Zwischen Juli und August 2006 wurden für die Humusauflage der Manipulations- und der Kontrollfläche maximale Saugspannungen von pF 6 bzw. pF 5 über die pF-Kurve errechnet. Ein weiteres Ziel war die Weiterentwicklung eines Lindenholzsensors zur horizontgenauen Bestimmung von Matrixpotentialen in Humusauflagen mittels elektrischer Leitfähigkeitsmessung. Im Bereich der Messtechnik und bei der Beachtung des Temperatureinflusses konnten Fortschritte erzielt werden, eine kontinuierliche in situ-Bestimmung von Matrixpotentialen wurde aber nicht erreicht. Die volumetrischen Wassergehalte konnten im trockenen Bereich bis 20 Vol.-% erfasst werden, im feuchteren Bereich sind die Lindenholzsensoren ungeeignet. Neben der Entwicklung von Lindenholzsensoren sollten weitere Sensoren auf ihre Anwendbarkeit in Humusauflagen hin getestet und verglichen werden. ECH2O-Sonden bildeten über eine gute Freilandkalibrierung die volumetrischen Wassergehalte in der Humusauflage von 3 bis 60 Vol.-% kontinuierlich und korrekt ab, bei weitestgehender Wartungsfreiheit der Messtechnik. Auch mit einer mobilen FDR-Sonde konnte im Freiland eine gute Kalibrierung zur Bestimmung von volumetrischen Wassergehalten in der Humusauflage erzielt werden. Die Verwendung von Einstichtensiometern hingegen kann nur unter feuchten Bedingungen zur Ermittlung von Saugspannungen in Humusauflagen empfohlen werden. Mit einem Wasserhaushaltsmodell konnte der Wasserhaushalt der Mineralbodenhorizonte und der Humusauflage für die Austrocknungsperiode abgebildet werden. Nach stärkeren Niederschlagsereignissen wurden die Wassergehalte, insbesondere in der Humusauflage, jedoch teils deutlich überschätzt. Dies wird auf die Ausbildung von Hydrophobizität und dadurch bedingtem präferentiellen Fluss als Folge vorausgegangener Austrocknung zurückgeführt. Die Arbeit hat gezeigt, dass die Humusauflage in der Vegetationsperiode für den Wasserhaushalt des Fichtenbestands von großer Bedeutung ist. Durch den Vergleich unterschiedlicher Sensoren und die Simulation des Wasserhaushalts im Modell hat sich gezeigt, dass die hohe Dynamik der Wassergehalte und Saugspannungen in der Humusauflage relativ zuverlässig beschrieben werden kann.show moreshow less
The organic layer is an important part of forest soils, which comprises large amounts of roots and contributes considerably, depending on its thickness, to the plant available storage of water. However, only seldom the organic layer is accounted for in soil water budget models. In this work the water budget of the organic layer of a spruce stand (Picea abies L.) in Fichtelgebirge (NE-Bavaria) should be quantified and modelled for a control and a manipulation plot, which was experimentally dried The organic layer is an important part of forest soils, which comprises large amounts of roots and contributes considerably, depending on its thickness, to the plant available storage of water. However, only seldom the organic layer is accounted for in soil water budget models. In this work the water budget of the organic layer of a spruce stand (Picea abies L.) in Fichtelgebirge (NE-Bavaria) should be quantified and modelled for a control and a manipulation plot, which was experimentally dried over six weeks with following rewetting. In order to achieve a correct reproduction of the soil water budget in the model, the soil physical parameters at the study site were comprehensively characterised. The retention curves for the mineral soil horizons and the organic layer were determined until pF 4.2 and pF 5.5, respectively. Thereby, the range of volumetric water contents from saturation to maximum drying is very much greater in the organic layer than in the mineral soil. This affects the plant available water capacity, which was 41 mm in the 13 cm thick organic layer, and 71 mm in the mineral soil down to 40 cm, with respect to the stone content. In comparison to the control plot, the experimental drying of the spruce stand lead to significantly lower water contents only in the organic layer, whereas no manipulation effects occurred in the mineral soil. In the period from July to August 2006, maximum soil water tensions of pF 6 and pF 5 were calculated for the organic layer of the manipulation plot and the control plot, respectively, from the retention curves. Another aim was the further development of a basswood sensor in order to determine matric potentials in organic layer horizons through electrical conductivity measurements. Concerning the measuring technique and the consideration of temperature influence, progress was achieved, whereas no continuous in situ-determination of matric potentials was obtained. The volumetric water contents could be described until 20 vol.-% for dry conditions. In a wetter domain, basswood sensors are unsuitable. Besides the development of basswood sensors, other sensors should be tested and compared with regard to their application in organic layers. ECH2O-probes reproduced the volumetric water contents of the organic layer continuously and correctly from 3 to 60 vol.-%, based on a good calibration in the field at low maintenance of the measuring technique. A good field calibration could also be achieved for a mobile FDR-probe to determine volumetric water contents in the organic layer. On the other hand, the use of injection-tensiometers in the organic layer can only be recommended for the determination of water tensions under wet conditions. The use of a water budget model allowed reproducing the water budget of the mineral soil horizons and the organic layer for the drying period. Though, following heavier rain events, partly, the water contents were considerably overestimated, especially in the organic layer. This is attributed to the occurrence of hydrophobicity and the formation of preferential flow paths as a consequence of the preceding drying. This study demonstrated the great importance which inheres in the organic layer during the growing season for the water budget of the spruce stand. The comparison of different sensors and the simulation of the water budget in a model showed, that the high dynamic of water contents and tensions in the organic layer can be described relatively reliably.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Geowissenschaften
Author: Tobias Zuber
Advisor:PD Dr. Werner Borken
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:09.06.2008
Year of Completion:2007
SWD-Keyword:Bodenwasserhaushalt; Humus; Modellierung; Saugspannung; Sensor
Tag:forest floor; matric potential; organic layer; soil water; water content
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-4529
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):11.07.2008