Impact of soil and stand properties on soil water conditions

As an objective water balance classification is lacking for forest sites, efforts were made to develop a model-based site classification system taking into account the effects of relief, soil and stand type on soil water conditions. As a first step, this paper displays the results of a BROOK 90 application evaluating the influence of these three factors on soil water balance with a strong emphasis on drought conditions. Model runs have been carried out for four different soil types, four stand types and a meteorological input covering the range of typical forest sites in the Tharandt Forest as a testing area. Concepts of drought stress quantification help to point out the effects of stress on the sites. In drought years, deciduous trees and soils with limited water retention properties show the effects of drought stress more strongly. The effects of both soil and stand properties were of the same magnitude as the influence of the conventionally considered relief-based meteorological variation at the site.Die forstliche Standortklassifikation ist bundesweit uneinheitlich und bezüglich der Bewertung des Gesamtwasserhaushalts meist subjektiv. Um eine Vereinheitlichung zu erreichen, wird eine modellbasierte, objektive Klassifikation angestrebt, die neben der reliefbasierten meteorologischen Variabilität auch Bodenform und Bestockung einbezieht. In diesem Artikel werden die Ergebnisse vergleichender BROOK 90-Simulationen, die den Effekt unterschiedlicher Böden, Baumarten und Ausrichtungen im Gelände untersuchen, dargestellt und diskutiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Betrachtung von Wasserverfügbarkeit. Es wurden Parametrisierungen für vier verschiedene Bodenformen mit den Bestockungen Buche, Eiche, Fichte und Kiefer verwendet. Die reliefbedingten meteorologischen Standortcharakteristiken richten sich nach den lokalen Gegebenheiten des Testgebiets Tharandter Wald. Für das Konzept der Darstellung von Unterschieden hinsichtlich des Standortswasserhaushaltes wurden hierfür im Modell implementierte Stressindikatoren verwendet. Es zeigt sich, daß in Trockenjahren die Laubbäume höhere Stressindikatoren erreichen. Gleichfalls treten bei Böden mit geringerer Wasserretention erwartungsgemäß mehr Stress-tage auf. Bestockung und Bodeneigenschaften haben einen Einfluß auf Wasserknappheit in der Größenordnung wie die zur forstlichen Standortklassifikation verwendeten morphologischen Geländeeigenschaften

Spatially differentiated modeling and evaluation of soil water conditions in forest sites of low mountain ranges

The forest hydrological model BROOK 90 was integrated into a GIS framework to calculate and evaluate soil water conditions in forest sites based on climate, topography, soil, and tree species. Model results are visualized in a novel forest site map using indicators for soil drought, soil water excess, and transpiration constraints. Based on knowledge of the number of days in which thresholds of these indicators were exceeded, an evaluation framework for soil water conditions was developed. The model was tested at the Tharandt Forest for an area with varying soil conditions and different tree species. Results can be used to derive and test new forest management strategies. For instance, recommendations for achieving optimum growth based on tree species or stand structure choices can be derived. Further research should focus on relating soil water indices with growth indices.Auf der Basis des forsthydrologischen Modells BROOK 90 wurde ein Modellsystem zur Berechnung und Beurteilung des Standortswasserhaushaltes in Abhängigkeit von Klima, Relief, Boden und Bestockung entwickelt. Implementierte Indikatoren zur Ausschöpfung des Bodenwasservorrates, der Einschränkung der Transpiration und des Auftretens von Staunässe erlauben eine Visualisierung der Modellergebnisse in Form neuartiger Standortskarten. Basierend auf der Kenntnis der Unterschreitungshäufigkeiten von Schwellenwerten dieser Indikatoren wurde ein fünfstufiger Bewertungsrahmen für den Wasserhaushalt aufgestellt. Das Modell wurde im Tharandter Wald für ein Gebiet mit variierenden Böden und unterschiedlicher Bestockung (Buche, Eiche, Fichte und Kiefer) getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Vorgehensweise eine differenzierte Informationsgrundlage für die forstliche Planung liefert. Beispielsweise können Entscheidungen zu Baumartenwahl und Bestandesstruktur abgeleitet werden. Forschungsbedarf besteht vor allem in der Verknüpfung der im Modell implementierten Indikatoren des Wasserhaushaltes mit Wachstumsparametern und physiologisch definierten Schwellenwerten

Micrometeorological, plant-ecological, and soil-hydrological measurements in stands of spruce and beech in the Tharandt forest

This paper addresses micrometeorological, plant-ecological, and soil-hydrological measurements in stands of spruce and beech as a means to understand the processes. The long-term flux site Anchor Station Tharandt (dominated by 120-year-old spruce) shows the high dynamics of land surface- atmosphere interactions as well as the climatologically relevant effects on turbulent energy flux partitioning, carbon sequestration, and evapotranspiration (ET). Climate, phenology, and fluxes support the idea of dividing the year into an ‘active phase’ (April–September) and a ‘dormant phase’ (October–March); carbon sequestration, available energy (net radiation), and sensible heat flux are almost negligible in the dormant season. Only ET shows a significant contribution to the annual budget (25 % of the active phase) from interception (evaporation from wetted needles) driven by sensible heat flux from the atmosphere. The interannual variation of the fluxes is generally small (e. g., 500 to 650 gC m-2 yr-1 of C uptake) even for the severe drought year of 2003 (400 gC m-2) or with thinning in 2002. Compared to the beech site, the spruce site – at least in the active season – experienced similar rates of ET but smaller rates of C uptake. Canopy drip was 55 % of precipitation at the spruce site. Canopy drip (40 %) and stem flow (25 %) added up to 65 % of canopy precipitation at the beech site. This difference likely explains the generally higher soil moisture at the beech site. As a consequence of this study, models with sufficient complexity are recommended to represent the structural differences of different forest types including their phenophases. For a better representation of forests, e. g., in climate models, land surface–atmosphere interactions must be included.Diese Arbeit benutzt mikrometeorologische, pflanzenökologische und bodenhydrologische Messungen als Mittel zum Prozessverständnis. Der langfristige Flussmessstandort Ankerstation Tharandter Wald (von 120 jährigen Fichten dominiert) zeigt die große Dynamik der Landoberflächen-Atmosphären-Wechselwirkungen wie auch ihre Klimaeffekte auf die Verteilung der turbulenten Wärmeströme, die Kohlenstoffsequestrierung und die Evapotranspiration (ET). Klimawerte, Phänologie und Flüsse unterstützen die Einteilung des Jahres in eine ‚aktive Phase’ (April–September) und eine ‚Ruhephase’ (Oktober– März): Kohlenstoffsequestrierung, zur Verfügung stehende Energie (Strahlungsbilanz) und fühlbarer Wärmestrom sind in der Ruhephase praktisch vernachlässigbar. Nur ET zeigt einen signifikanten Beitrag zur Jahresbilanz (25 % der aktiven Phase) aus der Interzeption (Evaporation von benetzten Nadeln), die vom fühlbaren Wärmestrom aus der Atmosphäre angetrieben wird. Die zwischenjährliche Variation der Flüsse ist im Allgemeinen klein (z. B. 500–650 gC m-2 yr -1) C-Aufnahme), selbst mit dem starken Dürrejahr 2003 (400 gC m-2) oder dem Effekt der Durchforstung 2002. Verglichen mit der Buche erreicht die Fichte – zumindest in der aktiven Periode – ähnliche Werte von ET aber niedrigere bei der C-Aufnahme. Die Kronentraufe beträgt bei der Fichte nur ca. 55 % des Niederschlages, bei der Buche summieren sich ca. 40 % Kronentraufe und knapp 25 % Stammabfluss zu etwa 65 % Bestandesniederschlag. Dieser Unterschied erklärt möglicherweise die im Allgemeinen höhere Bodenfeuchte am Buchenstandort. Als Resultat aus dieser Arbeit werden Modelle mit ausreichender Komplexität empfohlen, welche Bestandesstruktur und Phänophasen berücksichtigen. Das ist eine Voraussetzung für eine bessere Berücksichtigung von Wäldern mit ihren Landoberflächen- Atmosphären-Wechselwirkungen, z. B. in Klimamodellen