Martina Zacios und Lothar Zimmermann
Hydrologische Aspekte von Pappel-Kurzumtriebsplantagen am Beispiel Kaufering - Messmethoden und Wasserhaushaltsmodellierung - Ergebnisse - LWF Wissen 79

Die Untersuchungen zur Durchwurzelungsintensität unter KUP wurden auf den zuvor beschriebenen fünf Nutzungsvarianten L_GL_B; L_GL_E; L_A_B; L_A_E sowie S_GL_B durchgeführt. Links oben in Abbildung 10 sind die Durchwurzelungsintensitäten der drei fünf bzw. sechs Jahre alten KUP-Bestände einander gegenübergestellt. Die Varianten L_GL_B sowie S_GL_B unterscheiden sich in den oberen 30 cm kaum voneinander, die Variante L_A_B sticht hier etwas hervor. Auf dieser Fläche wurde im Anlagejahr und auch später kein Herbizid aufgebracht.

Die höhere Durchwurzelungsintensität könnte zum einen auf die nach wie vor noch verbreitet vorkommende Begleitvegetation zurückzuführen sein. Zum anderen wäre es möglich, dass die Pappeln auf dieser Fläche durch die größere Konkurrenz mit der Begleitvegetation in den ersten Jahren mehr Feinwurzeln ausbilden mussten um sich ausreichend mit Wasser und Nährstoffen zu versorgen.

Anzumerken ist des Weiteren, dass auf der Schotterfläche lediglich bis 70 cm Bodentiefe Wurzeln zu finden waren. Auf den Lössflächen konnten vereinzelt Wurzeln auch bis 100 cm erfasst werden. Einzelne Senkwurzeln haben, wie beim Einbau des neuen Messgrabens beobachtet, den Boden auch noch bis in größere Tiefen erschlossen.

Anders verhält es sich bei den geernteten KUP-Varianten (rechts oben in Abbildung 1). Die KUP auf Grünland ist deutlich windexponierter als die zwischen zwei weiteren KUP-Beständen liegende geerntete KUP auf Acker. Im Frühjahr nach der Ernte konnten so auf KUP_GL_E deutlich mehr Samen aus den benachbarten Flächen angeweht werden als auf KUP_A_E.

Die flächendeckende Grasvegetation unter den einjährigen Trieben spiegelt sich deutlich in der Durchwurzelungsintensität bis 30/40 cm wider. Diese Tatsache muss auch bei der Modellierung des Wasserhaushalts berücksichtigt werden. Vergleicht man die beiden unteren Diagramme in Abbildung 1, wird der Unterschied ebenfalls deutlich.

In Abbildung 2 zeigt sich trotz der Unterschiede zwischen den einzelnen Varianten jedoch ein deutlicher Trend. Unter allen Flächen wurden rund 70 % der Wurzeln in 0 –20 cm gefunden, 82 – 88 % der Wurzeln wurden in den oberen 30 cm gezählt.

Abb.1: Durchwurzelungsintensitäten pro Dezimeter Bodentiefe (1–10) [Wurzelspitzen/dm²] der Standorte in Kaufering; beprobt wurden folgende Varianten: Schotter-Standort mit Vornutzung Grünland (S_GL_B), Löss-Standort mit Vornutzung Grünland (L_GL_B), Löss-Standort mit Vornutzung Acker (L_A_B), alle Beprobungen im Bestand. Dargestellt ist der mittlere Feinwurzelanteil aus allen am Standort beprobten Profilen. (Grafik: LWF)

Im Jahresverlauf zeigen die unter der Kurzumtriebsplantage gemessenen volumetrischen Bodenwassergehalte der fünf Messtiefen deutliche Unterschiede zueinander (Abbildung 3). Naturgemäß reagieren die Bodenfeuchten in 15 cm besonders sensibel auf die Witterungsverhältnisse. Diese direkten Reaktionen nehmen mit zunehmender Bodentiefe erwartungsgemäß ab.

Die sukzessive Erschließung des Bodens mit Wurzeln sowie der steigende Wasserbedarf der rasant wachsenden Pappeln spiegeln sich in den Messungen wider. Im Herbst 2009 ist der Wasserentzug während der Vegetationsperiode bis 115 cm Tiefe zu erkennen. 2010 gehen die Bodenfeuchten bereits bis in 160 cm, analog zu den darüber liegenden Tiefen, etwas zurück. Ab 2011 ist auch in dieser Tiefe eine deutliche und lang anhaltende Senkung der Bodenwassergehalte erreicht worden, welche sich analog sogar bis in 220 cm Tiefe nachvollziehen lässt.

Von einer Wasseraufnahme durch die Pflanze ist in diesen Tiefen allerdings bei gegebenen Standortbedingungen nicht auszugehen, wahrscheinlicher ist der Wasserentzug durch kapillaren Aufstieg. Klar zu erkennen ist auch die zeitlich verzögerte Wiederbefeuchtung des Bodens mit zunehmender Tiefe. Im Jahr nach der ersten Ernte (2013) liegen die minimalen Bodenfeuchten aus allen Tiefen in etwa auf dem Niveau vom dritten Jahr nach Anlage der KUP 2010.

Mit zunehmendem Alter des zweiten Umtriebs wird auch der Bodenwasserspeicher wieder bis in größeren Bodentiefen genutzt.

Pappeln und auch Weiden haben einen verhältnismäßig hohen Wasserbedarf, welcher die Grundwasserspende unter KUP verglichen mit einjährigen Ackerkulturen reduziert. Für diesen erhöhten Wasserbedarf sind im Wesentlichen folgende vier Bedingungen verantwortlich:

Besonders deutlich wird der Unterschied im Wasserverbrauch zwischen Ackerkulturen und Pappelplantagen an den Bodenfeuchten in 115 cm Tiefe (Abbildung 5). Während in dieser Tiefe unter Acker, wenn überhaupt, lediglich geringe Bodenfeuchterückgänge in den Hochsommermonaten zu verzeichnen waren, zeigt die Bodenfeuchte unter Pappeln hier noch einen sehr deutlich ausgeprägten Jahresgang. Die Bodenaustrocknung im Jahr nach der ersten Ernte kann in dieser Tiefe mit jener 2010, also im dritten Jahr nach Anlage der KUP verglichen werden.

Die Zeitspanne, in der eine Senkung des Bodenwasservorrats zu verzeichnen war, ist jedoch witterungsbedingt deutlich kürzer als 2010, so dass in diesem Jahr mit größeren Sickerwassermengen zu rechnen ist.

Abb.8: (oben) Saftflussraten [cm³/Stunde] der Bäume L4 mit BHD 14 cm sowie L5 9,5 cm jeweils im Westen und Osten des Stammes; (unten) Sättigungsdefizit (Pa)

Bevor die für Acker und KUP berechneten Wasserbilanzen sowie die Grundwasserneubildungsraten dargestellt werden können, wird an dieser Stelle zunächst die Kalibrierung sowie Validierung des Wasserhaushaltsmodells und somit kurz auf die Modellgüte eingegangen.

Die beschriebenen gemessenen Bodenfeuchten wurden zur Kalibrierung des Bodenwasserhaushaltsmodells LWF-BROOK90 verwendet. In den folgenden Abbildungen ist der berechnete Bodenwassergehalt über das gesamte Bodenprofil in mm dem aus den Messungen ermittelten gegenüber gestellt (für KUP in Abbildung 9, für Acker in Abbildung 10). Zusätzlich sind die Korrelationskoeffizienten der jeweiligen Zeitreihen zueinander dargestellt (siehe Abbildungen 11-13).

Mit einem zufriedenstellenden Endstand konnte die Berechnung der Bodenfeuchtedynamik der KUP-Fläche abgeschlossen werden (R2 = 0,85). Ausgenommen einiger weniger Wiederbefeuchtungsphasen sowie den maximalen Austrocknungen des Bodens konnte die Bodenwasserdynamik mit dem Modell sehr gut nachvollzogen werden.

Etwas weniger gut aber immer noch zufriedenstellend gelang die Modellkalibrierung auch auf der Ackerfläche (R2 = 0,73). Die Parametrisierung für den Acker war nicht ganz trivial, da LWF-BROOK90 schwerpunktmäßig zur Berechnung von Waldbeständen konzipiert wurde und deshalb entsprechende Anpassungen z. B. in der Dynamik des Wurzelwachstums angestellt werden musste. Mithilfe der 2012 zusätzlich installierten Bodenfeuchtesensoren in 5 und 30 cm konnte jedoch eine deutliche Verbesserung der Modellgüte erreicht werden.