Der Wasserhaushalt von Kiefernforsten auf Kippböden der Niederlausitz:
Gespeichert in:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
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| Veröffentlicht: |
Cottbus
Brandenburgische Techn. Univ. Cottbus
2001
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| Schriftenreihe: | Cottbuser Schriften zu Bodenschutz und Rekultivierung
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| adam_text | Titel: Der Wasserhaushalt von Kiefernforsten auf Kippböden der Niederlausitz
Autor: Scherzer, Jörg
Jahr: 2001
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung l
2. Untersuchungsgebiet 4
2.1 Geographische Lage 4
2.2 Klima 4
2.3 Geologie 5
2.4 Böden 5
2.5 Auswahl der Versuchsflächen 5
3. Methoden 9
3.1 Erfassung der Daten 9
3.1.1 Klimaparameter 9
3.1.2 Bodensaugspannung 9
3.1.3 Bodenwassergehalt 10
3.1.3.1 Vorversuche zur Kalibrierung der Sonden 11
3.1.3.2 TDR- Sonden 12
3.1.3.3 FDR-Sonden 12
3.1.4 Bodentemperatur 12
3.1.5 Baumtranspiration 13
3.1.6 Stromversorgung, Aufzeichnung und Aufbereitung der Daten 14
3.2 Modellierung des Wasserhaushalts 15
3.2.1 Grundlagen 15
3.2.1.1 Der Wassertransport im Boden 15
3.2.1.2 Ermittlung von Wasserhaushaltsbilanzen 16
3.2.1.3 Kalibrierung und Validierung 17
3.2.1.4 Beurteilung der Güte der Simulationsergebnisse 19
3.2.2 Modellbeschreibung und Parametrisierung 20
3.2.2.1 Modellauswahl 20
3.2.2.2 Interzeption 21
3.2.2.3 Oberflächenabfluss 22
3.2.2.4 Transpiration. Wurzelwasseraufnahme 23
3.2.2.5 Evaporation 24
3.2.2.6 Bodenwassermodell 25
3.2.2.6.1 pF-Kurven 25
3.2.2.6.2 Hydraulisehe Leitfähigkeiten 27
3.2.2.7 Bodenwärmehaushalt 28
3.2.2.8 Anfangs- und Randbedingungen, treibende Variablen 29
3.2.2.9 Räumliche und zeitliche Diskretisierung 29
3.2.3 Untersuchung der Heterogenität von Materialfunktionen und Vegetation 31
4. Ergebnisse der Messungen und Diskussion 32
4.1 Niederschläge 32
4.1.1 Freilandniederschläge 32
Inhaltsverzeichnis
4.1.2 Bestandesniederschläge und Interzeptionsverluste 34
4.2 Bodensaugspannungen 35
4.2.1 Bodensaugspannungen der Chronosequenzflächen 35
4.2.2 Bodensaugspannungen der Düngungsvarianten 40
4.3 Bodenwassergehalte 42
4.3.1 Kalibrierung der TDR- und FDR-Sonden 42
4.3.2 Bodenwassergehalte an den Untersuchungsstandorten 47
4.4 Bodentemperaturen 47
4.5 Transpiration der Kiefernbestände 49
5. Ergebnisse der Simulationen und Diskussion 54
5.1 Bestimmung der Modellparameter und deren Heterogenität 54
5.1.1 pF-Kurven 54
5.1.2 Hydraulische Leitfä higkeitsfunktion 56
5.1.3 Vegetationsparameter 61
5.2 Simulierte Saugspannungen 62
5.3 Simulierte Wassergehalte 63
5.4 Simulierter Oberflächenabfluss 70
5.5 Simulierte Bodentemperaturen 72
5.6 Simulierte Wurzelwasseraufnahme und Transpiration 74
5.7 Simulierte Evaporation 77
5.8 Validierung von Modellparametern 78
5.9 Wasserhaushaltsbilanzen 79
5.9.1 Chronosequenz aufkohle- und pyritfreiem Substrat 79
5.9.2 Chronosequenz aufkohle- und pyrithaltigem Substrat 81
5.9.3 Düngungsvarianten am kohlefreien Aufforstungsstandort 85
5.9.3.1 Sensitivität der Bilanzparameter gegenüber der Heterogenität
von Materialfunktionen und Vegetation 87
5.9.4 Düngungsvarianten am kohlehaltigen Aufforstungsstandort 89
6. Schlussfolgerungen 93
7. Zusammenfassung 97
8. Summary 99
9. Literatur 101
10. Dank 115
11. Anhang 116
11.1 Bodenwassergehalte (Messwerte) 116
11.2 Bodensaugspannungen (Messwerte und Simulationsergebnisse) 118
11.3 Bodentemperaturen (Messwerte und Simulationsergebnisse) 127
11.4 Modellparameter 133
Verzeichnis der Abbildungen III
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. ]: Das Niederlausitzer Braunkohlerevier mit den Untersuchungsstandorten 4
Abb. 2: Installation der Tensiometer und FDR-Sonden auf den Versuchsflächen am Beispiel
einer Tiefenstufe. Ingesamt waren Sensoren in 3 Tiefenstufen installiert. An den
Standorten Bärenbrück, Meuro und Domsdorf wurden statt der FDR- Sonden
TDR-Sonden eingesetzt 10
Abb. 3: Kumulativer Freilandniederschlag [mm] am Beispiel der Standorte Plessa,
Seeblick und Bärenbrück 33
Abb. 4: Intensitäten des Freilandniederschlags [mnvd] am Beispiel des Standorts Weißagker Berg 33
Abb. 5: Mittlere Saugspannungen in 15 bzw. 20 cm Tiefe der Chronosequenzstandorte:
oben kohle- und pyrithaltiges Substrat, unten kohlefreies Substrat 35
Abb. 6: Mittlere Saugspannungen in 60 cm Tiefe der Chronosequenzstandorte:
oben kohle- und pyrithaltiges Substrat, unten kohlefreies Substrat 37
Abb. 7: Mittlere Saugspannungen in 100 bzw. 130 cm Tiefe der Chronosequenzstandorte:
oben kohle- und pyrithaltiges Substrat, unten kohlefreies Substrat 38
Abb. 8: Saugspannungen der jeweils 5 parallel eingebauten Tensiometer in 100 130 cm
Tiefe an den Standorten der kohle- und pyritfreien Chronosequenz 39
Abb. 9: Mittlere Saugspannungen der Düngungsvarianten am Standort Seeblick in den
drei Untersuchungstiefen 41
Abb. 10: Saugspannung in 60 cm Tiefe der Varianten Mineraldünger und Klärschlamm
am Standort Seeblick. Dargestellt sind jeweils die Werte eines besonders
feucht bzw. trocken verlaufenden Tensiometers 42
Abb. 11: Mittlere Saugspannungen der Düngungsvarianten am Standort Weißagker Berg:
oben 60 cm Tiefe, unten 130 cm Tiefe 43
Abb. 12: Vergleich vonTDR- bzw. FDR-Sondensignalen mit gravimetrisch bestimmten
Wassergehalten bei unterschiedlichen Kalibrierverfahren
(EC = Elektrische Leitfähigkeit) 44
Abb. 13: Bodenwassergehalte in 15 bzw. 20 cm Tiefe der Chronosequenzstandorte
im Jahr 1996: oben kohle- und pyrithaltiges Substrat, unten kohlefreies Substrat 46
Abb. 14: Bodentemperaturen in 1 cm (Tagesmittelwerte und Tagesmaxima) und 100 130 cm
(Tagesmittelwerte) Tiefe an den Standorten Seeblick, Weißagker Berg und Plessa 47
IV Verzeichnis der Abbildungen
Abb. 15: Bodentemperaturen (Tagesmittel) in 100 cm Tiefe an den Standorten Schipkau,
Meuro und Bärenbrück 49
Abb. 16: Transpiration der Kiefernbestände [mm/d] während der Vegetationsperiode 1997
in Schipkau, Plessa und Domsdorf 50
Abb. 17: Jahresverlauf der Transpiration [mm] am Beispiel des Jahres 1997 51
Abb. 18: Retentionskurven nach Brooks und Corey (1964) für alle Untersuchungs-
standorte (0 - 20 cm Tiefe), zur Korrelation mit den Stützpunkten siehe Tabelle 11 56
Abb. 19: Messpunkte der Retentionskurven und Parametrisierung nach Brooks and Corey
(1964) zur Untersuchung der räumlichen Heterogenität von Materialfunktionen
an den Standorten Weißagker Berg und Seeblick (0 - 20 cm Tiefe) 56
Abb. 20: Inverse Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeitsfunktion in Weißagker Berg:
simulierte und gemessene Tensionen im Dez. 1996 bei optimaler Anpassung,
d.h. minimalem RMS 57
Abb. 21: Sensitivitätsanalyse: Einfluss der Variation hydraulischer Leitfähigkeiten in
unterschiedlichen Tiefen auf die Güte der Simulation (RMS), Weißagker Berg ,
Variante Klärschlamm 59
Abb. 22: Inverse Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeitsfunktion in Seeblick:
simulierte und gemessene Tensionen im Dez. 1996 bei optimaler Anpassung,
d.h. minimalem RMS 60
Abb. 23: Simulierter Jahresgang des Blattflächenindexes für die Versuchsvarianten
am Beispiel des Standorts Seeblick 62
Abb. 24: Simulierte und gemessene Saugspannungen in den 3 Untersuchungstiefen
am Standort Seeblick (Variante Mineraldünger) 64
Abb. 25: Simulierte und gemessene Saugspannungen in den 3 Untersuchungstiefen
am Standort Schipkau 65
Abb. 26: Simulierte und gemessene Saugspannungen in den 3 Untersuchungstiefen
am Standort Meuro 66
Abb. 27: Simulierte und gemessene Saugspannungen in den 3 Untersuchungstiefen
am Standort Plessa 67
Abb. 28: Simulierte und gemessene Bodenwassergehalte in 20 und 100 cm Tiefe
am Standort Schipkau. Dargestellt sind die Tagesmittel der beiden parallel
eingebauten FDR- Sonden 69
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. 29: Simulierte und gemessene Bodenwassergehalte in 100 cm Tiefe am Standort
Plessa. Dargestellt sind die Tagesmittel der beiden parallel eingebauten
FDR- Sonden 70
Abb. 30: Simulierte und gemessene Saugspannungen (mit und ohne Berücksichtigung
von Oberflächenabfluss) in 130 cm Tiefe am Standort Weißagker Berg
(Variante Mineraldünger) 71
Abb. 31: Simulierter Oberflächenabfluss [mm/d] in Weißagker Berg (Variante Mineraldünger) 71
Abb. 32: Simulierte und gemessene Bodentemperaturen in 4 Untersuchungstiefen
am Standort Seeblick (dargestellt ist die Variante Mineraldünger) 73
Abb. 33: Gemessener kumulativer Xylemfluss der Kiefern und simulierte
Bestandestranspiration [mm/d] 75
Abb. 34: Korrelation der simulierten Transpiration [mm/d] mit den Ergebnissen der
Xylemflussmessung während der Vegetationsperiode 1997 (Meuro: 1996,
1997 keine Messungen) 76
Abb. 35: Kumulierte Tiefensickerungen [mm] in 230 cm Tiefe an den Standorten auf
kohle- und pyritfreien Sanden 81
Abb. 36: Kumulierte Tiefensickerungen [mm] in 230 cm Tiefe an den Standorten auf
kohle- und pyrithaltigen Sanden 84
Abb. 37: Kumulierte Tiefensickerungen [mm] in 230 cm Tiefe am Standort Seeeblick.
Versuchsvarianten 86
Abb. 38: Kumulierte Tiefensickerungen [mm] in 230 cm Tiefe der Klärschlammvariante
am Standort Seeblick bei unterschiedlichen Materialfunktionen und
sommerlicher Austrocknung 89
Abb. 39: Kumulierte Tiefensickenmgen [mm] in 230 cm Tiefe am Standort
Weißagker Berg. Versuchsvarianten 92
Abb. 40: Bodenwassergehalte der Chronosequenzstandorte in 60 cm Tiefe: oben kohle-
und pyrithaltiges Substrat, unten kohlefreies Substrat 116
Abb. 41: Bodenwassergehalte der Chronosequenzstandorte in 100 bzw. 130 cm Tiefe:
oben kohle- und pyrithaltiges Substrat, unten kohlefreies Substrat 117
Abb. 42: Simulierte und gemessene Saugspannungen in den 3 Untersuchungstiefen
am Standort Seeblick. Variante Klärschlamm 118
_VI______________________________Verzeichnis der Abbildungen
Abb. 43: Simulierte und gemessene Saugspannungen in den 3 Untersuchungstiefen
am Standort Seeblick, Variante Kompost 119
Abb. 44: Simulierte und gemessene Saugspannungen in den 3 Untersuchungstiefen
am Standort Seeblick, Variante ohne Düngung 120
Abb. 45: Simulierte und gemessene Saugspannungen in den 3 Untersuchungstiefen
am Standort Weißagker Berg, Variante Mineraldünger 121
Abb. 46: Simulierte und gemessene Saugspannungen in den 3 Untersuchungstiefen
am Standort Weißagker Berg, Variante Klärschlamm 122
Abb. 47: Simulierte und gemessene Saugspannungen in den 3 Untersuchungstiefen
am Standort Weißagker Berg, Variante Kompost 123
Abb. 48: Simulierte und gemessene Saugspannungen in den 3 Untersuchungstiefen
am Standort Weißagker Berg, Variante ohne Düngung 124
Abb. 49: Simulierte und gemessene Saugspannungen in den 3 Untersuchungstiefen
am Standort Bärenbrück 125
Abb. 50: Simulierte und gemessene Saugspannungen in den 3 Untersuchungstiefen
am Standort Domsdorf 126
Abb. 51: Simulierte und gemessene Bodentemperaturen in den 4 Untersuchungstiefen
am Standort Schipkau 127
Abb. 52: Simulierte und gemessene Bodentemperaturen in den 4 Untersuchungstiefen
am Standort Plessa 128
Abb. 53: Simulierte und gemessene Bodentemperaturen in den 4 Untersuchungstiefen
am Standort Weißagker Berg (dargestellt ist die Variante Mineraldünger) 129
Abb. 54: Simulierte und gemessene Bodentemperaturen in den 4 Untersuchungstiefen
am Standort Bärenbrück 130
Abb. 55: Simulierte und gemessene Bodentemperaturen in den 4 Untersuchungstiefen
am Standort Meuro 131
Abb. 56: Simulierte und gemessene Bodentemperaturen in den 4 Untersuchungstiefen
am Standort Domsdorf 3i
Verzeichnis der Tabellen VII
Verzeichnis der Tabellen
Tab. 1: Beschreibung der Versuchsstandorte (RW: Rechtswert, HW: Hochwert) 6
Tab. 2: Oberirdische Biomassen [kg/ha] (Vetterlein, BTU Cottbus, persönl. Mitteilung)
und hieraus abgeleitete Blattflächenindices (LAI, [nr/m2]) an den Standorten
Seeblick und Weißagker Berg 22
Tab. 3: Relative Wurzeldichten [dimensionslos] nach Schneider (BTU Cottbus, persönl.
Mitteilung), umgerechnet auf die Kompartimentgrenzen des Wasserhaushaltsmodells 24
Tab. 4: Räumliche Kompartimentierung der Bodenprofile 30
Tab. 5: Freiland- und Bestandesniederschläge 32
Tab. 6: Gemessener Interzeptionsverlust in mm und in Prozent des Freilandniederschlags 34
Tab. 7: Blattflächenindices [m2/m2] nach Ende (ZALF Müncheberg, persönl. Mitteilung) 35
Tab. 8: Mittlere Fehler der Einzelmessungen [m-Vm3] von FDR- und und TDR-Sonden
bei unterschiedlichen Kalibrierungen 45
Tab. 9: Kumulierte gemessene Transpiration der Kiefernbestände [mm] jeweils vom
15.4. bis 31.10. eines Jahres 50
Tab. 10: Literaturübersicht: Transpiration [mm/a] von Kiefernbeständen in Deutschland
und von Eichenbeständen auf Kippen in der Niederlausitz 52
Tab. 11: Parametrisierung der Retentionskurven (0-20 cm Tiefe) nach Brooks und
Corey (1964). /.: Porengrößenindex, R:: Korrelation zwischen Stützpunkten und
Funktion, FK: Wassergehalt bei pF 1,8, nFK: FK - Wassergehalt bei pF 4.2 55
Tab. 12: Gesättigte hydraulische Leitfähigkeiten [m d], ermittelt durch inverse Optimierung 60
Tab. 13: Kumulierte simulierte und gemessene Transpiration [mm] jeweils vom
15.4. bis 31.10. eines Jahres 74
Tab. 14: Simulierte Wurzekvasseraufhahme [mm] im Jahr 1996 in unterschiedlichen Bodentiefen 77
Tab. 15: Bilanzgrößen des Wasserhaushalts für die Chronosequenzstandorte aufkohle- und
pyritfreiem Substrat im Zeitraum April 1996 - März 1999. Die Tiefensickerung
bezieht sich auf 230 cm. die Speicheränderung auf 0 - 230 cm Bodentiefe 80
VIII Verzeichnis der Tabellen
Tab. 16: Literaturübersicht - Tiefensickerungen in Kiefernbeständen in Nordostdeutschland,
geordnet nach dem Bestandesalter. Die dargestellten Ergebnisse sind jeweils
Mittelwerte über den Untersuchungszeitraum 82
Tab. 17: Literaturübersicht - Tiefensickerungen an Kippenstandorten in der Niederlausitz.
Die dargestellten Ergebnisse sind jeweils Mittelwerte über den Untersuchungs-
zeitraum 83
Tab. 18: Bilanzgrößen des Wasserhaushalts für die Chronosequenzstandorte aufkohle- und
pyrithaltigem Substrat im Zeitraum April 1996 - März 1999. Die Tiefensickerung
bezieht sich auf 230 cm, die Speicheränderung auf 0 - 230 cm Bodentiefe 85
Tab. 19: Bilanzgrößen des Wasserhaushalts für die Versuchsvarianten am Standort Seeblick
(kohle- und pyritfreies Substrat) im Zeitraum April 1996 - März 1999. Die Tiefen-
sickerung bezieht sich auf 230 cm, die Speicheränderung auf 0 - 230 cm Bodentiefe 87
Tab. 20: Bilanzgrößen des Wasserhaushalts für die Klärschlammvariante am Standort
Seeblick unter Verwendung unterschiedlicher Modellparameter 88
Tab. 21: Variationsbreiten der Bilanzparameter innerhalb der Klärschlammvariante am
Standort Seeblick. Die Angabe in Prozent bezieht sich auf die Variation des jeweiligen
Bilanzparameters in Bezug auf den Mittelwert aus den drei Parametersätzen 89
Tab. 22: Bilanzgrößen des Wasserhaushalts für die Versuchsvarianten am Standort
Weißagker Berg (kohle- und pyritfreies Substrat) im Zeitraum April 1996 -
März 1999. Die Tiefensickerung bezieht sich auf 230 cm, die Speicheränderung
auf 0 - 230 cm Bodentiefe 91
Tab. 23: Modellparameter für die kohle-und pyritfreien Standorte 133
Tab. 24: Modellparameter für die kohle-und pyrithaltigen Standorte 134
Tab. 25: Modellparameter für die Düngungsvarianten am Standort Seeblick (kohle- und pyritfrei) 135
Tab. 26: Modellparameter für die Düngungsvarianten am Standort Weißagker Berg
(kohle- und pyrithaltig) 136
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