Martina Zacios und Lothar Zimmermann
Hydrologische Aspekte von Pappel-Kurzumtriebsplantagen am Beispiel Kaufering- Messmethoden und Wasserhaushaltsmodellierung - LWF Wissen 79
Um Wasserflüsse in der KUP berechnen zu können, ist die Parametrisierung eines Wasserhaushaltsmodells notwendig. In der Literatur sind die zur Verfügung stehenden Datengrundlagen, sowohl deutschlandweit als auch international, sehr dünn.
Daher sind intensive Geländeerhebungen nötig, um zu belastbaren Modellergebnissen zu gelangen. Zu diesem Zweck wurde zwischen 2009 und 2015 ein hydrologisches Monitoring- System auf den Versuchsflächen eingerichtet.
Bodenfeuchte und Stoffkonzentrationen im Sickerwasser
Zoombild vorhanden
Abb.1: Messschacht (Foto: L. Zimmermann)
Besonderes Augenmerk liegt dabei auf etwaigen Auswirkungen der ersten Teilernte, die im Januar 2013, also nach der fünften Vegetationsperiode, auf einem Drittel der Fläche durchgeführt wurde. Über den Wasserverbrauch wiederaustreibender Wurzelstöcke liegen deutschlandweit ebenso wenige Daten vor wie über die stofflichen Auswirkungen der ersten Erntemaßnahme.
Kurzumtriebsplantagen, die auf ehemaligen landwirtschaftlich intensiv genutzten Flächen angelegt wurden, bedeuten eine Extensivierung der Bewirtschaftung. Im Gegensatz zur landwirtschaftlichen Produktion ist, abgesehen von der Bestandsbegründung und den damit einhergehenden Vorarbeiten, keine weitere Bodenbearbeitung, Düngung oder Ausbringung von Pflanzenschutzmittel notwendig.
Besonders in Trinkwasserschutzgebieten ist dies ein interessanter Punkt, da aufgrund der zu erwartenden geringeren Sickerwassermenge und der fehlenden Stickstoffdüngung eine bessere Sickerwasserqualität zu erwarten ist (Lamersdorf und Schmidt-Walter 2011; Petzold et al. 2010; DBU 2010).
Zoombild vorhanden
Abb. 2: Saugkerzenplot (T1) mit vier Saugkerzen
(Foto: M. Zacios)
Die ausführliche Beschreibung des Messdesigns erfolgte in Niederberger et al. (2010) sowie in Zacios und Niederberger (2011), im Folgenden soll es nur kurz umrissen werden: Der Bodenwassergehalt wird mit FDR-Sonden (10HS, Firma Decagon) in den Tiefenstufen 15, 50, 115 cm und unter der KUP zusätzlich in 160 und 220 cm mit drei bis fünf Wiederholungen gemessen. Die Sonden ermitteln kapazitativ den volumetrischen Wassergehalt des Bodens.
Mittels Keramik-Saugkerzen (SK20, Firma UMS München sowie bauähnlichen Saugkerzen aus eigener Herstellung) werden in den Messschächten Sickerwässer aus den Tiefen 85 cm, 185 cm sowie unter der KUP zusätzlich aus 235 cm gewonnen.
Der zur Gewinnung der Sickerwasserproben nötige Unterdruck von 400 – 500 mbar wird je Tiefenstufe automatisch alle sechs Stunden über Pumpen (SP560 EC-LC, Firma Schwarzer Precision) angelegt. Abbildung 1 rechts zeigt die Innenansicht des fertig instrumentierten Schachts. Zu erkennen sind die gläsernen Auffangflaschen für die Bodenwasserproben. In den schwarzen Hüllrohren verlaufen die Kabel der Wassergehaltssonden. Unten im Bild sind die automatischen Pumpen zum Anlegen des Unterdrucks zu erkennen.
Im April 2011, nach der Mais-Aussaat, wurden zur Erfassung der räumlichen Verteilung der Stoffkonzentrationen auf der Ackerfläche vier Messplots mit je vier Saugkerzen in 85 cm Tiefe installiert (Abbildung 2). Die Plots orientierten sich an dem Muster der Nmin-Gehalte der Nmin-Inventur im Dezember 2010. An diesen Saugkerzen wird seitdem in regelmäßigen Abständen mit einer Handpumpe, seit 2012 dann automatisch alle sechs Stunden ein entsprechender Unterdruck angelegt. Die erhaltenen Proben werden, wie die Niederschlagsproben, im vierzehntäglichen Turnus entnommen.
Zusätzlich zu dem seit 2009 betriebenen Messschacht unter dem nun bereits geernteten Teil dieser KUP wurde im Juli 2013 ein neuer Messgraben unter dem noch nicht geernteten Teil derselben KUP in Betrieb genommen. Entsprechend dem bestehenden Messdesign wurden auch hier in je vier Bodentiefen sowohl FDR-Sensoren zur Erfassung der Bodenfeuchte als auch Saugkerzen zur Gewinnung von Sickerwasserproben installiert.
So können seither in Kaufering die Bodenfeuchtedynamik sowie die Stoffkonzentrationen im Sickerwasser unter zwei verschiedenen Bewirtschaftungsstadien parallel beobachtet werden. Zum einen als Fortsetzung der bestehenden Zeitreihe unter ein- (2013) bzw. zweijährigen (2014) Trieben nach der ersten Ernte und zum anderen also unter sechs- (2013) bzw. siebenjährigen (2014) Pappeln noch im ersten Umtrieb auf der gleichen Fläche. Hieraus können für die Praxis wertvolle Empfehlungen bezüglich der Umtriebszeiten abgeleitet werden.
Aus den mit dem Wasserhaushaltsmodell LWFBROOK90 berechneten Sickerwasserraten und den auf den Versuchsflächen gemessenen Stoffkonzentrationen im Sickerwasser konnten die Stofffrachten, also die Stoffeinträge in den Grundwasserkörper über das Sickerwasser, bestimmt werden. Hierfür wurden die modellierten Sickerwasserraten zwischen zwei Probennahmeterminen mit der Stoffkonzentration der gewonnenen Sickerwasserproben pro Tiefenstufe verrechnet.
Niederschlag, Interzeption und Stammabfluss
Der Niederschlag im Freiland sowie unterhalb der Baumkronen wird sowohl quantitativ als auch qualitativ erfasst. Diese Erhebungen dienen zunächst dazu, die durch Interzeptionsverluste auf der Pappelfläche entstandene Differenz der Niederschlagsmengen zu bestimmen und somit die modellierten Interzeptionsverluste validieren zu können.
Der Freilandniederschlag wird mithilfe von drei Bulksammlern (LWF-Sammler, Abbildung 5 links) auf einer der Pappelfläche direkt benachbarten Freifläche aufgefangen. Die Bulksammler haben einen Durchmesser von 203 mm bzw. eine Auffangflächen von 0,032 m2.
Als Interzeption wird derjenige Anteil des Niederschlags bezeichnet, der von der Vegetation zurückgehalten wird und von dort direkt wieder in die Atmosphäre verdunstet, somit dem Boden nicht zugeführt wird. Umso größer die Blattfläche, desto höher auch der Anteil des abgefangenen Niederschlags.
Zusätzlich zur Interzeptionsverdunstung als Summe aus dem von der Pflanzenoberfläche verdunsteten, interzipierten Niederschlag (Regen + Schnee) kommt noch im Winter das von der Schneeoberfläche verdunstete Wasser hinzu. Letzteres macht nur einen sehr geringen Betrag aus durch die aufgrund der Höhenlage relativ kurze Dauer der Schneedecke sowie der generell während des Winters niedrigen Verdunstung.
Da sich die Interzeption kaum direkt erfassen lässt, wird sie auf der KUP indirekt über den Bestandsniederschlag, bestehend aus Kronentraufe und Stammabfluss, erhoben. Die Kronentraufe wird über Niederschlagsrinnen gesammelt. Diese wurden nach der DVWK-Richtlinie gebaut (DVWK 1986). Sie haben eine Gesamtlänge von 10 m und eine Öffnungsbreite von 14 cm und damit eine Auffangfläche von 1,4 m2. Die Niederschlagsmenge wird ereignisbezogen 100-ml-weise über eine Kippwaage registriert. 2,5 ml pro Kippung werden in eine Sammelflasche geleitet.
Die gewonnenen Proben sowohl auf Freiland als auch im Bestand werden in der Regel alle zwei Wochen entleert und anschließend im Labor der LWF analysiert. So können die Stoffeinträge über den Niederschlag als 14-Tages-Summen erfasst werden.
Seit dem Frühjahr 2013 wird neben dem Freilandniederschlag sowie der Kronentraufe an drei Bäumen zusätzlich der Stammabfluss erfasst. Wie bei Buchen begünstigen die trichterförmige Baumkrone sowie die glatte Rinde den Ablauf des interzipierten Niederschlags am Stamm entlang zum Boden. Mit zunehmendem Stammdurchmesser der Bäume hat der Stammabfluss im Laufe der Jahre quantitativ an Bedeutung gewonnen. Die drei Niederschlagskomponenten Freilandniederschlag, Kronentraufe und Stammablauf werden zur Validierung der Modellberechnungen der Interzeption verwendet.
Abb.3: Depositionssammler Freiland
Abb.4:Niederschlagsrinnen
Abb.5:Stammabflussrinne
Blattfläche
Sie profitieren in zweierlei Hinsicht von diesem Mechanismus. Zunächst gewährleistet der durch die anhaltende Verdunstung verursachte Transpirationssog in der Pflanze eine ständige Nachlieferung von frischem, nährstoffreichem Wasser aus dem Boden. Darüber hinaus schützt die Verdunstung die Pflanze bei starker Sonneneinstrahlung vor Überhitzung.
Die Menge an transportiertem Wasser in einer Pflanze wird maßgeblich durch ihre Blattfläche bestimmt. Die Blattfläche eines Bestands wird über den LAI (Leaf Area Index), also dem Blattflächenindex, dargestellt. Der LAI wird in m2 projizierte Blattfläche pro m2 Bodengrundfläche angegeben und kann Werte zwischen 0 und über 10 annehmen.
Der LAI für Grünland (Bewuchs KUP-Fläche 2007) konnte aus einer Literaturstudie (Breuer et al. 2003) übernommen werden. Für die Jahre 2009, 2010 und 2011 sowie 2013 und 2014 ist der LAI der Pappeln aus den in den Streusammlern gewonnenen Laubproben bestimmt worden. Diese Berechnungen des LAI beruhen auf dem Verhältnis Blattfläche zu Blattmasse.
Durchwurzelung
Ziel der Untersuchungen war es, die Wurzelverteilung bzw. Durchwurzelungsintensität unter KUP sowie deren Unterschiede auf flachgründigen, skelettreichen Standorten bzw. tiefgründigen Standorten zu ermitteln. Sie liefern Informationen zur Tiefenerschließung des Wurzelsystems und erlauben damit eine Einschätzung, bis zu welcher Tiefe dem Boden Wasser entzogen wird.
Außerdem können Hinweise auf mögliche Durchwurzelungsbarrieren abgeleitet werden. Angaben zu (maximalen) Durchwurzelungstiefen stellen eine wichtige Grundlage zur Festlegung der Bezugstiefe der für die Ertragsmodellierung verwendeten Wasserhaushaltskenngröße nutzbare Feldkapazität (nFK) dar.
Im März 2011 wurden unter der Kauferinger Kurzumtriebsplantage erstmalig Wurzelspitzenzählungen durchgeführt. Wie auf dem Foto in Abbildung 6 zu erkennen, wurde dafür ein Bodenprofil freigelegt, an welchem anschließend ein 1 m2 großer Rahmen angebracht wurde. Gezählt wurden quadratdezimeterweise alle Wurzelspitzen mit einem Durchmesser kleiner 2 mm und so insgesamt die Feinwurzeln an zwei Profilwänden aufgenommen. Die maximale Durchwurzelungstiefe der Ackerfrüchte konnte, wie der LAI, aus der Literaturstudie von Breuer et al. (2003) übernommen werden.
Im Herbst 2013 wurden diese Aufnahmen wiederholt, unter Einbeziehen weiterer Kurzumtriebsplantagen auf unterschiedlichen Standorten bzw. Bewirtschaftungsvarianten. Auf dem intensiv untersuchten Löss-Standort sowie auf dem neuen flachgründigen und mageren Schotter-Standort wurden insgesamt 15 m2 Wurzelprofil aufgenommen. Für die folgenden fünf Nutzungsvarianten liegen Durchwurzelungsintensitäten vor:
Auf dem Schotter-Standort
- KUP auf Grünland Bestand (Kürzel S_GL_B für Schotter_Grünland_Bestand) nach fünfter Vegetationsperiode, erster Umtrieb
Auf dem Löss-Standort
- KUP auf Grünland Bestand L_GL_B, entspricht KUP konv., nach sechster Vegetationsperiode, erster Umtrieb
- KUP auf Grünland geerntet L_GL_E, entspricht KUP konv., nach erster Vegetationsperiode, zweiter Umtrieb, also ein Jahr nach der ersten Ernte
- KUP auf Acker Bestand L_A_B, entspricht KUP biol., nach sechster Vegetationsperiode, erster Umtrieb
- KUP auf Acker geerntet L_A_E, entspricht KUP biol., nach erster Vegetationsperiode, zweiter Umtrieb, also ein Jahr nach der ersten Ernte
Abb.6: Bestimmung der Durchwurzelungsintensität
Abb.7: Bestimmung der Durchwurzelungsintensität
Transpiration
Bei der Pappel ist die Transpiration wie bei vielen anderen vegetationsbedeckten Flächen die dominierende Verdunstungskomponente und hat daher besondere Bedeutung für den Wasserhaushalt. Die Modellierung der Transpiration des Pappelbestands konnte jedoch bisher nicht ohne große Unsicherheiten in den Ergebnissen abgeschlossen werden.
Aus diesen Gründen sollte in der zweiten Projektphase zur Validierung die Transpiration durch die Messung des Xylem-Saftflusses im Stamm gemessen werden. Zum Einsatz kamen zwei unterschiedliche Messsysteme, Xylemflusssensoren nach GRANIER (TDP) sowie Sensoren nach der HRM-Methode (Burgess et al. 2001). Seit Mai 2013 konnten die während der Sommermonate gemessenen Saftflüsse zur Verifizierung der modellierten Transpirationsraten herangezogen werden.
Installiert wurden für den Zeitraum vom 19. Mai bis 31. Juli 2013 am Löss-Standort zunächst an zwei Bäumen mit einem Durchmesser von 10 cm jeweils vier Graniersonden (SFS2 Typ M, Firma UP GmbH) sowie vier bzw. zwei HRM-Sonden (SFM1, Firma ICT Int. PTY Limited, Australien), um die Anatomie der Pappeln (z. B. die Variabilität des Durchflusses im Stammquerschnitt) besser kennenzulernen.
Ab 1. August 2013 bis zum Ende der Vegetationsperiode waren neun Sensoren an neun Bäumen mit repräsentativen Stammdurchmessern angebracht. Seit Beginn der Vegetationsperiode 2013 (Mitte Mai) wurden auf der Schotterfläche ebenfalls neun TDP-Sensoren nach GRANIER an neun repräsentativen Bäumen mit Logger und Energieversorgung installiert.
Das Versuchsdesign während der Vegetationsperiode 2014 hat sich an demjenigen der Vegetationsperiode 2013 orientiert. Von Ende Mai bis September 2014 waren auf der Löss- sowie auf der Schotterfläche, wie in Abbildung 8 zu sehen, jeweils neun TDP-Sensoren in neun Bäumen angebracht. Die für die Messungen herangezogenen Bäume wurden anhand der Häufigkeitsverteilung der im Winter 2013/2014 erhobenen BHD ausgewählt. Diese Bäume sollen die Bandbreite der auf den jeweiligen KUP vorhandenen BHDs möglichst gut abdecken.
Die sensibleren HRM-Sensoren verfügen unter anderem über zwei Messpunkte pro Messnadel und liefern so auch Informationen über die radiale Verteilung des Saftflusses im Stamm. Eine gute Kenntnis der Baumanatomie ist äußerst wertvoll, wenn die gemessenen Saftflussraten auf den gesamten Stamm umgerechnet werden. Die sechs vorhandenen HRM-Sensoren wurden paarweise aus verschiedenen Richtungen in einen Stamm mit bestimmtem Durchmesser eingebaut. Die Sensoren wurden im Laufe des Sommers mehrmals umgesetzt, um die räumliche Verteilung des Saftflusses innerhalb möglichst vieler Stämme unterschiedlicher Durchmesser zu erfassen.
Mithilfe der beschriebenen Sensoren werden die Saftflussdichten in cm3 pro cm2 pro Stunde am Messpunkt bestimmt. Um nun die Transpirationsleistung des gesamten Baumes berechnen zu können, ist es hilfreich, die Fläche des wasserleitenden Querschnitts der Bäume zu kennen. Zu diesem Zweck wurden zum einen bei der Erntemaßnahme im Winter 2012/2013 Stammscheiben gefällter Bäume vermessen sowie Kernbohrungen der bemessenen Bäume mithilfe eines Zuwachsbohrers durchgeführt.
Abb.8: TDP-Sensoren
Abb.9: TDP- und HRM-Sensoren
Abb.10: TDP-Sensoren
Abb.11: TDP-Sensoren
Wasserhaushaltsmodell LWF-BROOK90
Abb.12: Flussdiagramm von BROOK90 (Grafik: Siemens 1998)
Diese beiden Parameter lassen sich nur mit erheblichem technischen Aufwand bestimmen. Für Fragestellungen zur Grundwasserneubildung sowie zu Stoffeinträgen ins Grundwasser werden deshalb oft Wasserhaushaltsmodelle zu ihrer Beantwortung herangezogen.
Das Wasserhaushaltsmodell BROOK90 (Federer 1995) ist ein deterministisches, prozessorientiertes Modell zur Beschreibung aller Komponenten der Wasserbilanz in täglicher Auflösung. Es rechnet mit einem mittleren Parametersatz, so dass es in erster Linie standortbezogen eingesetzt wird. Eingeschränkt ist es auch für kleinere homogene Einzugsgebiete (bis einige km2) anwendbar (Kennel 1998; Zimmermann et al. 2000).
Im Modell BROOK90 wird zur Berechnung der Verdunstung der Widerstandsanalogieansatz nach Shuttleworth und Wallace (1985) verwendet, der eine Weiterentwicklung der Berechnung der Verdunstung nach Penman-Monteith darstellt, um in einem einschichtigen Bestand neben Transpiration und Interzeption auch die Bodenevaporation berechnen zu können.
Die detaillierte, physikalisch begründete Abbildung des Wasserhaushalts im Modell bedingt eine Vielzahl von Parametern.
Zur Berechnung des Wasserhaushalts sind tägliche Messwerte für den Niederschlag, die Luftfeuchte, die Windgeschwindigkeit, die Globalstrahlung sowie das Tagesminimum und -maximum der Lufttemperatur erforderlich. Der Interzeptionsverlust wird mithilfe eines einfachen Speicheransatzes, getrennt für Schneefall oder Regen, ermittelt. Die Speicherkapazität des Kronenraums ist dabei vom Blatt- und Stammflächenindex des Bestands sowie der mittleren, monatsspezifischen Dauer eines Niederschlagsereignisses abhängig.
Bei der Berechnung der Interzeptionsverdunstung wird der Bestandswiderstand auf null gesetzt und der aerodynamische Widerstand in Abhängigkeit von der Bestandshöhe verwendet. Eine potenzielle Transpiration wird über den Ansatz von Shuttleworth and Wallace (1985) in Abhängigkeit von der maximalen Blattleitfähigkeit berechnet, reduziert in Abhängigkeit von Luftfeuchte, Temperatur und Strahlungstransmission.
Der aerodynamische Widerstand hängt von einem saisonal veränderlichen Blattflächenindex sowie der Bestandshöhe ab. Die Bodenevaporation wird durch den Bodenwassergehalt in der obersten Bodenschicht gesteuert.
Die Schneeschmelze aus der Schneedecke basiert auf dem Tagesgradverfahren und berücksichtigt die Temperatur und den Flüssigwassergehalt der Schneedecke. Der Tagesgradfaktor wird in Abhängigkeit vom Blatt- und Stammflächenindex verändert. Die Evaporation von der Schneedecke hängt von den aerodynamischen Widerständen und dem Wasserdampfgradienten ab und wird mit einem empirischen Faktor reduziert.
Der Bodenwasserfluss kann zweigeteilt als Matrix- und Makroporenfluss berechnet werden. Zunächst kann über Parameter des Makroporenflusses gesteuert werden, wie sich das infiltrierte Wasser über das Bodentiefenprofil verteilt und wie hoch der Anteil ist, der direkt als schneller Zwischenabfluss in den Makroporen dem Vorfluter zufließt. Der Anteil des Oberflächenabflusses ergibt sich aus dem Anteil der Sättigungsflächen im Einzugsgebiet.
Je nach Sättigung und Hangneigung werden auch in den einzelnen Bodenschichten Lateralflüsse modelliert, die zum »Interflow« beitragen. Der Matrixfluss wird über die Darcy-Richards-Gleichung simuliert. Durch die Transpiration wird jeder Bodenschicht je nach ihrer Durchwurzelungsintensität sowie ihrem Matrixpotenzial Wasser entzogen. Die aktuelle Transpiration ergibt sich dann aus dem Minimum von potenzieller Transpiration und der Bodenwassernachlieferung, die bestimmt wird durch den Widerstand des Wasserflusses, von der Wurzelverteilung und dem Wasserpotenzial der Bodenschichten.
Die Parametrisierung der Bodenwassercharakteristik Ψ = f (Θ) sowie der hydraulischen Leitfähigkeit k = f (Θ) erfolgt über eine modifizierte Funktion nach Mualem-Van Genuchten. Eine Grundwasserkomponente am Gesamtabfluss kann als konstanter Anteil des Grundwassers je Tag festgelegt werden, zusätzlich kann Undichtigkeit eines Einzugsgebiets berücksichtigt werden.
An der bayerischen Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft (LWF) wurde zum Originalprogramm eine eigene Simulationsumgebung mit Anbindung an eine Access-Datenbank entwickelt (Hammel und Kennel 2001). Modifikationen wurden bei der Parametrisierung der bodenhydraulischen Funktionen, der Zeitschrittsteuerung und dem Wurzelwachstum durchgeführt. Da nicht alle Eingabeparameter als vor Ort gemessene Größen vorliegen, wurden für einige Parameter Schätzverfahren implementiert. Die bodenhydraulischen Funktionen werden aus Pedotransferfunktionen abgeleitet.
Mithilfe des Modells LWF-BROOK90 wurden die Komponenten des Wasserhaushalts der beiden Flächennutzungen Acker und Kurzumtriebsplantage berechnet. In dieses Modell fließen die gesammelten Informationen ein, sowohl Informationen über Witterungsverhältnisse sowie über die Bodenverhältnisse (Korngrößenzusammensetzung, Lagerungsdichte etc.) als auch Angaben über die Pflanzenentwicklung (z. B. Blattfläche und Durchwurzelungsintensität). Zur Validierung des Modells wurden die gemessenen Bodenwassergehalte sowie der gemessene Bestandsniederschlag unter KUP herangezogen.
Ergebnisse
Im Folgenden werden die Ergebnisse der Geländeerhebungen sowie der Wasserhaushaltsmodellierung vorgestellt. Zunächst werden die Aufnahmen der Durchwurzelung besprochen, bevor auf die Bodenfeuchtedynamik unter den verschiedenen Nutzungsvarianten verglichen wird.
Anschließend wird auf die Kalibrierung sowie Validierung des Wasserhaushaltsmodells eingegangen sowie die berechneten Wasserhaushaltskomponenten mit besonderem Schwerpunkt auf der Grundwasserneubildung von Acker und KUP gezeigt.
Zuletzt werden die erfassten Stoffkonzentrationen im Sickerwasser und die daraus berechneten Stoffausträge vorgestellt.
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Autoren
- Martina Zacios
- Dr. Lothar Zimmermann