Der Wasserhaushalt von Hochlagenaufforstungen: dargestellt am Beispiel der Aufforstung von Haggen bei St. Sigmund im Sellrain ; FDK 114.12.116.24:233:(23):(436) = Water-yield of afforestations in high altitude
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Wien
Forstliche Bundesversuchsanst., Bibliothek
2000
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Titel: Der Wasserhaushalt von Hochlagenaufforstungen
Autor: Markart, Gerhard
Jahr: 2000
Inhaltsverzeichnis
Verzeichnis der Abkürzungen und Kurzzeichen. 9
Kurzfassung. 11
Abstract. 11
1 Einleitung und Problemstellung . 12
2 Zum Wasserhaushalt von Waldstandorten. 14
2.1 Interzeption, Niederschlag im Bestand, Stammablauf. 14
2.1.1 Interzeptionswirkung der Bodenvegetation bzw. der Streudecke im Bestand. 16
2.1.2 Interzeptionsleistung von Rasen und Zwergstrauchheiden. 16
2.1.3 Bodenevaporation und Interzeption durch die Bestandesstreu. 16
2.1.4 Stammablauf. 17
2.2 Bodenwasser — Infiltration, Evapotranspiration, Abfluß, Versickerung. 17
3 Beschreibung des Arbeitsgebietes . 19
3.1 Ursachen der Waldlosigkeit im Seilrainer Obertal . 19
3.1.1 Landwirtschaftliche Nutzung. 19
3.1.2 Klimatische Faktoren . 20
3.2 Geschichtlicher Überblick . 20
3.3 Geologie - Böden . 21
3.4 Klima . 23
3.4.1 Niederschläge. 23
3.4.2 Lufttemperatur . 24
25
4 Versuchsanlage - Methodik .
4.1 Lage des Untersuchungsgebietes und Beschreibung der Versuchsflächen.
4.2 Simulierte Starkregen . 29
4.3 Natürliche Niederschläge auf der Freifläche. 32
4.4 Niederschlag im Bestand . 33
4.4.1 Interzeptionsverlust. 33
4.4.2 Kronendurchlaß . 33
4.4.3 Stammablauf. 34
4.4.4 Schnee-Wasseräquivalent im Freiland und im Bestand . 34
4.5 Boden. 35
4.5.1 Potential des Bodenwassers. 35
4.5.1.1 Meßprinzip. 35
4.5.1.2 iMeßgeräte. 35
4.5.1.3 Tensiometermessungen - Versuchsanordnung. 37
4.5.2 Bestimmung des Wasseranteiles mittels TDR. 37
4.5.2.1 Meßprinzip. 37
4.5.2.2 Meßgeräte. 38
4.5.2.3 Versuchsanlage. 38
4.5.3 Bodenprofile und Probenwerbung. 39
4.5.4 Labormethodik. 39
4.5.4.1 Korngrößenverteilung - Textur. 39
4.5.4.2 Lagerungsdichte trocken (LD - nach Ö-Norm L 1068) . 39
4.5.4.3 Feststoffdichte (FD - nach Ö-Norm L 1068). 39
4.5.4.4 Organische Substanz (OS). 39
4.5.4.5 Bestimmung des Bodenskelettanteiles . 40
4.5.4.6 Gesättigte Wasserleitfähigkeit (Kf-Wert). 40
4.5.4.7 Wasseranteil-Wasserpotential-Kennlinien (pF-Kurven) . 40
4.6 Bestimmung der Nadeloberfläche am Standort ZNF. 40
4.6.1 Allgemeines. 40
4.6.2 Versuche zur Bestimmung der Nadelfläche mit dem Leaf-Area-Meter. 41
4.6.3 Berechnung über Regressionsanalysen aus Vergleichsdaten. 42
5 Ergebnisse und Diskussion. 42
5.1 Freiland-Niederschlag. 42
5.1.1 Berechnung fehlender Meßwerte aus Daten der Station St. Sigmund der TIWAG — 43
5.1.2 Niederschlagscharakteristika der Vegetationsperioden 1989 - 1994. 46
5.1.3 Extremwerte des Niederschlages in den Vegetationsperioden 1989 bis 1994. 51
5.2 Bestandesniederschlag am Standort ZNF . 52
5.2.1 Einfluß von Intensität, Niederschlagsmenge und -dauer auf den Bestandesniederschlag 52
5.2.2 Schneeniederschlag - räumliche Verteilung. 53
5.2.3 Räumliche Verteilung des Regenniederschlages im Bestand. 54
5.2.3.1 Niederschlagsverteilung bei simulierten Starkregen im Jahr 1991. 54
5.2.3.2 Räumliche Verteilung der natürlichen Niederschläge in den Jahren 1992 bis 1994. 54
5.2.4 Komponenten des Bestandesniederschlages in den Jahren 1991 - 1994 . 55
5.2.5 Beziehungen zwischen Freiland-Niederschlag und den Niederschlagsgrößen im Bestand 61
5.2.5.1 Verhältnis des Niederschlages zur Interzeption des Bestandes . 61
5.2.5.2 Kronenspeicherkapazität. 63
5.2.5.3 Stammablauf. 65
5.2.6 Einfluß des Windes auf die Komponenten des Bestandesniederschlages . 65
5.3 Bestandesentwicklung in den Jahren 1992 bis 1994. 66
5.3.1 Nadeloberfläche und Kronenprojektion. 66
5.3.2 Höhenzuwachs nach Stärkeklassen. 67
5.3.3 Kronenansatz (vgl. Abb. 5.3.3). 68
5.3.4 Kronenlänge (vgl. Abb. 5.3.4). 68
5.4 Bodenphysikalische Charakteristika . 68
5.4.1 Korngrößenverteilung, Skelettanteil. 68
5.4.2 Organische Substanz (OS) . 69
5.4.3 Lagerungsdichte (LD). 70
5.4.4 Feststoffdichte des Feinbodens 2mm . 71
5.4.5 Wasserspannungskurven (pF-Kurven) und Porenvolumina. 71
5.4.5.1 Allgemeines. 71
5.4.5.2. Freiland-pF-Kurven aus Tensiometerwerten in Kombination mit
gravimetrischen Bestimmungen . 72
5.4.5.3 Freiland-pF-Kurven aus Tensiometerwerten und Bodenfeuchtemessungen mit
TDR-Sonden. 72
5.4.5.4 Labor-pF-Kurven (Methodik vgl. Kap. 4.5.4.7) . 74
5.4.5.5 Porenraumverteilung unter Miteinbeziehung des Grobanteiles . 76
5.5 Bodenwasserpotential . 76
5.5.1 Qualität der Tensiometerdaten. 76
5.5.2 Bodenwasserpotential in den Meßperioden 1989 bis 1994. 80
5.6 Wasserbilanz einer Aufforstung mit Zirbe (Standort ZNF)
für die Monate Juli bis September in den Jahren 1992 bis 1994 . 89
5.6.1 Umsatz im Kronenraum. 89
5.6.2 Saisonale Änderung des Bodenwasseranteiles -
Vergleich Aufforstung (ZNF) und Freifläche mit Calluna vulgaris (LYST) . 90
5.6.3 Gemeinsame Ermittlung der Verdunstung und der Änderung des
Bodenwasseranteiles nach der Wasserbilanzmethode. 95
5.6.4 Berechnung des Wasserumsatzes mit dem hydrologischen
Modell BROOK90 (FEDERER 1995). 96
5.6.4.1 Eingangsdaten - Erstellung und Quellen . 96
5.6.4.2 Benötigte Bestandeskenngrößen . 96
5.6.4.3 Bilanzen Juli-September 1992 bis 1994. 96
5.6.5 Vergleich Wasserbilanzmethode - BROOK90. 99
5.6.5.1 Niederschlagsumsatz im Kronendach . 99
5.6.5.2 Evapotranspiration und Versickerung. 99
5.7 Zusammenhang zwischen Stammzahlhaltung, Interzeptionsleistung, Bestandesstabilität
und Bewirtschaftungsaufwand. 100
6 Zusammenfassung. 103
7 Literaturverzeichnis. 106
8 Anhang. 115
Abbildungsverzeichnis
Abb. 3.1: Lage des Untersuchungsgebietes.22
Abb. 4.1.1: Die Hochlagenaufforstung Haggen mit den Versuchsflächen von SW gesehen.26
Abb. 4.1.2: Detailansicht mit den Versuchsflächen HEUM, ZNF, LYST und BASIS (Herbst 1993).27
Abb. 4.1.3: Lageskizze und Instrumentierung der Versuchsfläche ZNF.29
Abb. 4.1.4: Kronenkarte der Versuchsfläche ZNF im Jahr 1992.30
Abb. 4.2: Starkregensimulation zur Quantifizierung der Interzeptionsleistung des Bestandes am Standort ZNF.31
Abb. 4.4.2: Sammelrinnen und -behälter zur Quantifizierung des Kronendurchlasses (KD) in der Versuchsfläche ZNF.33
Abb. 4.5.1.2: JET-FILL Tensiometer der Fa. SOILMOISTURE auf der Freifläche LYST.36
Abb. 4.5.3: Entnahmeschema für Zylinderproben und Lockermaterial.39
Abb. 5.1.1.3 a-c: Zusammenhang zwischen dem Niederschlag in Haggen (Totalisator in 1 m Höhe) und der Meßstation der
TIWAG in St. Sigmund im Sellrain für die Jahre 1989 bis 1991.44
Abb. 5.1.1.3 d-f: Zusammenhang zwischen dem Niederschlag in Haggen (Totalisator in 1 m Höhe) und der Meßstation
der TIWAG in St. Sigmund im Sellrain für die Jahre 1992 bis 1994.45
Abb. 5.1.1.3 g: Zusammenhang zwischen dem Niederschlag in Haggen (Totalisator in 1 m Höhe) und der Meßstation der
TIWAG in St. Sigmund im Sellrain bei gemeinsmer Verrechnung der Meßwerte der Jahre 1992 bis 1994.46
Abb.5.1.1.4: Vergleich der in den Meßperioden 1992 bis 1994 in Haggen über Totalisatoren und einen automatischen
Regenschreiber gemessenen Niederschlagsmengen mit den Meßwerten der Station St. Sigmund der TIWAG .48
Abb. 5.1.1.5: Tagessummen der Niederschläge an der Station BASIS in den Vegetationsperioden 1989 bis 1991 gemessen
mit einem automatischen Regenschreiber - Bezugshöhe 3 m.49
Abb. 5.1.1.5: Tagessummen der Niederschläge an der Station BASIS in den Vegetationsperioden 1992 bis 1994, gemessen
mit einem automatischen Regenschreiber - Bezugshöhe 3 m.50
Abb. 5.2.2: Räumliche Verteilung der Schneehöhen (in cm) und Wasseräquivalente auf der Versuchsfläche ZNF
am 28. Februar 1992.53
Abb. 5.2.4.1 a: Zi-Beregnungsfläche (ZNF): Niederschlag, Stammablauf, Kronendurchlaß und Interzeption für 8 simulierte
Starkregen (1991).55
Abb. 5.2.4.1 b: Zi-Beregnungsfläche (ZNF): Niederschlag, Stammablauf, Kronendurchlaß und Interzeption für 8 simulierte
Starkregen (1991) und die Meßperioden 1992 bis 1994.59
Abb. 5.2.5.1: Interzeption versus Freiland-Niederschlag am Standort ZNF getrennt für die simulierten Starkregen 1991
und die Meßperioden 1992 bis 1994, sowie gemeinsam für alle Beobachtungen der Jahre 1991 bis 1994.62
Abb. 5.2.5.2.1: Niederschlag im Bestand versus Freiland-Niederschlag am Standort ZNF für die Meßperioden 1992 bis 1994.63
Abb. 5.2.5.2.2: Beziehung zwischen dem Variationskoeffizienten des Kronendurchlasses und dem Niederschlag für den
Zeitraum Juli bis September 1992-1994.64
Abb.5.2.5.2.3: Beziehung zwischen dem Variationskoeffizienten des Stammablaufes und dem Niederschlag für den Zeitraum
Juli bis September 1992-1994.65
Abb. 5.3.1.1: Verteilung der Nadeloberfläche nach Höhenklassen und ihre Änderung während des Untersuchungszeitraumes. .67
Abb. 5.3.1.2: Verteilung der Kronenprojektion nach Höhenklassen und ihre Änderung während des Untersuchungszeitraumes.67
Abb. 5.3.3: Höhe des Kronenansatzes und dessen Änderung während des Untersuchungszeitraumes.68
Abb. 5.3.4: Änderung der Kronenlänge während des Untersuchungszeitraumes.68
Abb. 5.4.1.1: Textur der Feinfraktion des Bodens der vier obersten Tiefenstufen an den Versuchsflächen.69
Abb. 5.4.1.2: Mittlere Verteilung der festen Bodenfraktion (Skelettanteil 2mm Durchmesser, Feinfraktion 2mm) und
des Gesamtporenvolumens über die verschiedenen Tiefenstufen am Standort ZNF.69
Abb. 5.4.2: Organische Substanz in den obersten Tiefenstufen der vier Versuchsflächen.70
Abb. 5.4.3: Lagerungsdichte ermittelt an Zylinderproben (200 cm3 Volumen) in Abhängigkeit von der Bodentiefe auf
den vier Versuchsflächen.71
Abb. 5.4.4: Feststoffdichte des Feinbodens 2 mm in Abhängigkeit von der Boden tiefe auf den vier Versuchsflächen.71
Abb. 5.4.5.3: Zeitlicher Verlauf der Aufsättigung der Bodenmatrbc bei simulierten Starkregen am Standort ZNF.73
Abb. 5.4.5.4.1:
Abb. 5 4 5.4.2-
Abb. 5.4.5.5:
Abb. 5.5.1.1:
Abb. 5.5.1.2:
Abb. 5.5.2 a:
Abb. 5.5.2 b:
Abb. 5.5.2 c:
Abb. 5.5.2 d:
Abb. 5.5.2 e:
Abb. 5.5.2 f:
Abb. 5.6.1:
Abb. 5.6.2 a:
Abb. 5.6.2 b:
Abb. 5.6.2 c:
Abb.5.6.4.3:
Abb. 5.7:
Experimentell an Zylinderproben (200 cm2 Volumen) für die Versuchsflächen BASIS, HEUM, LYST und
ZNF ermittelte Druckpotential-Wasseranteilsbeziehungen.75
Ausgleichsfunktionen der pF-Kurven für die Versuchsfläche ZNF.76
Verteilung der Substanz- und Porenvolumina in Abhängigkeit von der Bodentiefe am Standort ZNF.76
Saisonaler Verlauf der Wasserspannungen im Jahr 1994 am Standort ZNF an 3 nebeneinander angeordneten
Tensiometer-Profüen.77
Standardabweichungen (s) der Wasserspannungen im Boden (angegeben in hPa) in 0 bis 50 cm Tiefe am
Standort ZNF in den Beobachtungsperioden 1993 und 1994.79
Freilandniederschläge und zeitlicher Verlauf der Bodenwasserspannungen in der Meßperiode 1989
an den Versuchsflächen UH, LYST, BASU, BASO.81
Freilandniederschläge und zeitlicher Verlauf der Boden wasserspannungen in der Meßperiode 1990
an den Versuchsflächen ZNF, LYST, HEUM.82
Freilandniederschläge und zeitlicher Verlauf der Bodenwasserspannungen in der Meßperiode 1991
an den Versuchsflächen ZNF, LYST, BASU und BASO.83
Freilandniederschläge und zeitlicher Verlauf der Boden wasserspannungen in der Meßperiode 1992
an den Versuchsflächen ZNF, LYST, BASU und BASO.85
Freilandniederschläge und zeitlicher Verlauf der Bodenwasserspannungen in der Meßperiode 1993
an den Versuchsflächen ZNF, LYST, BASU und BASO.86
Freilandniederschläge und zeitlicher Verlauf der Bodenwasserspannungen in der Meßperiode 1994
an den Versuchsflächen ZNF, LYST, BASU und BASO.87
Niederschlagsumsatz im Kronenraum an der Versuchsfläche ZNF in den Monaten Juli bis September der
Jahre 1992 bis 1994.89
Niederschlagsverteilung im Bestand (oben) und Änderung des Wasseranteiles in den einzelnen
Bodenschichten (unten) in der Meßperiode 1992.92
Niederschlagsverteilung im Bestand (oben) und Änderung des Wasseranteiles in den einzelnen
Bodenschichten (unten) in der Meßperiode 1993.93
Niederschlagsverteilung im Bestand (oben) und Änderung des Wasseranteiles in den einzelnen
Bodenschichten (unten) in der Meßperiode 1994.94
Wasserumsatz am Standort ZNF im dritten Quartal der Jahre 1992 bis 1994. Vergleich der nach der
Wasserbilanzmethode und mit dem hydrologischen Modell BROOK90 ermittelten Werte.101
Stammzahl im Bereich zweier 25-jähriger Versuchsflächen mit Zirbe.102
Tabellenverzeichnis
Tab.2.1: Interzeptionsleistung verschiedener Koniferenbestände, nach Literaturangaben zusammengefaßt.15
Tab. 2.2: Angaben zum Abflußverhalten verschiedener Boden- /Vegetationseinheiten des österreichischen und
bayerischen Alpenraumes bei simulierten Starkregen.18
Tab. 3.4.1.1: Variabilität der Niederschlagssummen für das hintere Sellraintal (Angaben in mm).23
Tab. 3.4.1.2: Niederschlagshäufigkeiten in Gries und St. Sigmund im Sellrain.24
Tab. 3.4.2: Mittelwerte der Temperatur im Untersuchungsgebiet HAGGEN.24
Tab. 4.1.1: Aufbau der Bodenprofile an den vier Versuchsflächen.28
Tab. 4.6.1: Nadeloberflächen von Zi-Nadelproben ermittelt über Planimetrierung und nach der Glasperlenmethode
am Standort ZNF.41
Tab. 4.6.3: Berechnung der Nadeloberfläche für ein 9 Baum-Kollektiv.42
Tab. 5.1.1.1: Zusammenhang zwischen dem Niederschlag an der Versuchsstation Haggen im Sellrain und der Meßstelle
der TIWAG in St. Sigmund.43
Tab. 5.1.1.2: Über verschiedene Ausgleichsverfahren ermittelte Jahresniederschlagssummen der
Station Haggen (LYST) im Vergleich mit den gemessenen Werten der Station St. Sigmund der TIWAG.44
Tab. 5.1.3.1: Summen und Extremwerte der Niederschläge in den Vegetationsperioden 1989 bis 1994.51
Tab. 5.2.1: Niederschlag - Spitzenregen der Meßperioden 1993 und 1994.52
Tab. 5.2.3.2: Verteilung der Maxima und Minima des Kronendurchlasses im Bestand nach ihrer Häufigkeit.54
Tab. 5.2.4.1: Beregnungsfläche - Stammablauf, Kronendurchlaß und Interzeption bei simulierten Starkregen.56
Tab. 5.2.4.2: Korrelationsmatrizen der Interzeption und von Komponenten des Bestandesniederschlages für die simulierte
Starkregen 1991 und die Meßperioden 1992 bis 1994.56
Tab. 5.2.4.3: Zi-Beregnungsfläche ZNF Haggen - Stammablauf, Kronendurchlaß und Interzeption in den
Meßperioden 1992 bis 1994.58
Tab. 5.2.5.2: Einzelregressionen des Kronendurchlasses gegen den Freiflächen-Niederschlag des Zirbenbestandes am
Standort ZNF.65
Tab. 5.3.1: Überschirmung und Nadelfläche an der Versuchsfläche ZNF in den Jahren 1992 und 1994.66
Tab. 5.3.2: Durchschnittlicher Höhenzuwachs nach Höhenklassen auf der Versuchsfläche ZNF in den Jahren
1992 bis 1994.67
Tab. 5.4.1.1: Bodenskelettklassen nach SCHEFFER - SCHACHTSCHABEL (1992).69
Tab. 5.4.2: Klassifikation des Humusgehaltes nach KUNTZE et al. (1983) und SCHEFFER -SCHACHTSCHABEL (1992). .70
Tab. 5.4.3: Einteilung der Lagerungsdichte.71
Tab. 5.4.5.1: Einteilung der Porengrößenverteilung und-funktionen.72
Tab. 5.4.5.3: Korrelationen der Wasserspannung mit der Bodenfeuchte am Standort ZNF.73
Tab. 5.4.5.4: Druckpotential-Wasseranteilsbeziehung für die Versuchsfläche ZNF (0 - 50 cm Tiefe),
als Funktion 5-ter Ordnung berechnet.75
Tab. 5.5.1: Verteilung der Tensiometer am Standort ZNF nach Tiefenstufen.76
Tab. 5.6.1: Niederschlagsumsatz im Kronenraum an der Versuchsfläche ZNF in den Monaten
Juli bis September der Jahre 1992 bis 1994.90
Tab 5.6.3: Einfache Wasserbilanz für die Meßperioden 1992 bis 1994 (Juli - September) am Standort ZNF.95
Tab. 5.6.4.1: Eingangsgrößen für das hydrologische Modell BROOK90.96
Tab. 5.6.4.2: Die wichtigsten Eingangsparameter des hydrologischen Modells BROOK90.97
Tab. 5.6.4.3.1: Wasserumsatz am Standort ZNF im dritten Quartal der Jahre 1992bis 1994 berechnet mit dem
hydrologischen Modell BROOK90.98
Tab. 5.6.4.3.2: Monatsbilanzen des Niederschlagsumsatzes im Kronendach - Vergleich der über das Modell BROOK90
berechneten Werte mit den im Gelände erhobenen Daten.99
Tab. 5.6.4.3.3: Potentielle Verdunstung am Standort LYST, ermittelt mit dem Piche-Evaporimeter in mm.10°
Tab. 8.1a: Die wichtigsten biometrischen Kennwerte des Bestandes auf der Beregnungsfläche (Standort ZNF) -
Ergebnisse der Vollaufnahme 1992.116
Tab. 8.1 b: Die wichtigsten biometrischen Kennwerte des Bestandes auf der Beregnungsfläche (Standort ZNF) -
Ergebnisse der Vollaufnahme 1994.118
Tab. 8.2: Höhenentwicklung des Zirbenbestandes am Standort ZNF von 1992 bis Frühjahr 1995.12°
Tab. 8.3.a: Kronendurchlaß am Standort ZNF, 8 simulierte Starkregen- ereignisse 1991.122
Tab. 8.3 b: Kronendurchlaß am Standort ZNF, Beobachtungsperiode 1992.123
Tab. 8.3 c: Kronendurchlaß am Standort ZNF, Beobachtungsperiode 1993.123
Tab. 8.3 d: Kronendurchlaß am Standort ZNF, Beobachtungsperiode 1994.124
Tab. 8.4: Niederschlagsereignisse, deren zeitliche Dauer und Intensitäten am Standort ZNF
im Beobachtungszeitraum 1994.125 |
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