Regionalization of soil physical input variables for soil hydraulic pedotransfer functions

Many studies in soil science provide qualitative or (semi-) quantitative assessments of soil physical properties such as soil texture or percentage of soil skeleton (the >2 mm fraction). In this paper, we describe the process of upscaling soil physical properties measured during the second Forest Soil Monitoring Census (BZE II). In order to enhance the data basis for process-oriented hydrology models at the landscape level, the use of upscaling techniques based on point-related monitoring data is essential. The statistical methods used in this work included ordinary least square regression (OLS) and geostatistics. One aim of this study was to evaluate how the different spatial scales used for stratifying statistical approaches affect the quality of spatial estimates. When applied to soil physical properties, our evaluations showed that, by using a stratified modeling approach, the accuracy of the estimates could be improved compared to global modeling approaches. Thus the regression models displayed comparatively high coefficients of determination ranging from 0,59 to 0,7 (for soil skeleton), 0,52 to 0,65 (bulk density), 0,7 (depth of soil development) and 0,66 to 0,8 (soil texture). Only in the case of the response variable fine root density were the coefficients of determination markedly below 0,5 (0,2–0,4). One of the reasons for this could be the small-scale variation in silvicultural site conditions such as tree species distribution or stand density.In vielen bodenkundlichen Studien werden qualitative oder (semi-) quantitative physikalische Bodeneigenschaften aufgenommen, wie die Bodentextur oder der Grobbodengehalt. Im vorliegenden Beitrag beschreiben wir das Verfahren einer Regionalisierung bodenphysikalischer Eigenschaften der zweiten Bodenzustandserhebung in Wäldern (BZE II) für Baden-Württemberg. Um die Datenbasis einer prozessorientierten hydrologischen Modellierung auf Landschaftsebene zu verbessern, ist die Anwendung von Regionalisierungsmethoden auf bodenphysikalische Zielgrößen auf der Basis punktbezogener Monitoringdaten unentbehrlich. Als statistische Methoden wurde das gewöhnliche Kleinste-Quadrate-Verfahren in Kombination mit geostatistischen Analysetechniken eingesetzt. Angewandt auf bodenphysikalische Zielgrößen zeigt ein stratifizierender Methodenansatz in Kombination landesweiter und regionaler räumlicher Modelle eine wesentliche Verbesserung der Prognosegüte. Damit erreichen die Regressionsmodelle für Bodeneigenschaften verhältnismäßig hohe Bestimmtheitsmaße von 0,59–0,70 (Grobbodengehalt), 0,52–0,65 (Trockenraumdichte), 0,70 (Entwicklungstiefe) und 0,66–0,80 (Textureigenschaften). Allein bei der Feinwurzeldichte liegt der Anteil der erklärten Messvarianz deutlich unter 50 % (R2 0,28–0,40), vermutlich bedingt durch die kleinräumige Variation waldbaulicher Einflussgrößen wie z. B. Baumartenzusammensetzung oder Bestandesdichte

Spatio-temporal patterns of matter fluxes in soils: linkage between soil solution and soil solid phase

Raum-Zeitmuster von Kationenkonzentrationen in der Bodenlösung wurden durch Verknüpfung von Zeitreihendaten der Bodenlösungschemie und regionalisierten Kationensättigungen der Bodenfestphase berechnet. Hierfür wurden statistische Verfahren (Regression, Zeitreihenanalyse) und prozessorientierte Methoden (Gapon-Funktionen) eingesetzt. Die auf der Skala eines Kleineinzugsgebietes getesteten Methoden ergaben stabile Funktionen der Selektivitätskoeffizienten und sollten sich auch für Auswertungen im Rahmen des ICP Forest (Level I/II) sinnvoll einsetzen lassen. Die verwendeten QI-Beziehungen beschränken deren Anwendung allerdings auf den Mineralboden, und dort auch nur auf Bereiche mehr oder weniger stark saurer Bodenreaktion. Dabei sollte die zeitliche Auflösung der Modelle bei maximal einem Jahr liegen.Time and space dependent maps of cation concentrations of the soil solution have been derived from seasonally adjusted time series data of the soil solution chemistry and regionalized exchangeable cation percentages. For this analysis we used both, statistical methods (ordinary least square regression and validation techniques) and process-oriented methods (Gapon equations). The methods tested at watershed scale showed steady functions of selectivity coefficients and should also be suitable for ICP Forest evaluations (Level I/II). But they are restricted more or less to acidic soils and should not be used in soil layers rich in humus, since adsorption to C-compounds differs from adsorption to clay minerals. The time increments of the models should be not shorter than yearly in order to suppress annual periodicity

Testing and development of pedotransfer functions for water retention and hydraulic conductivity of forest soils

The hydraulic properties of soils, i. e., their capability to store and to conduct water, largely regulate the availability of soil water for plants and the risk of water shortage in forests. To date, only a few systematic surveys on the hydraulic properties of forest soils have been done. We conducted multi-step outflow experiments to derive data on soil water retention and unsaturated hydraulic conductivity for 1504 undisturbed samples from forest soils in Baden-Württemberg. Using complementary measurements (fractions of fine and coarse soil, bulk density, organic carbon content), pedotransfer functions were developed for the prediction of the Mualem/van Genuchten model parameters. The predictions of the new pedotransfer functions were compared with various pedotransfer functions from the literature. An advantage of the new pedotransfer functions is that they provide an unbiased estimate of the hydraulic properties of the forest soils in Baden-Württemberg, and their predictive ability is comparable to those of published pedotransfer functions.Die hydraulischen Bodeneigenschaften, also deren Fähigkeit Wasser zu speichern und zu leiten, bestimmen maßgeblich die Verfügbarkeit des Bodenwassers für Pflanzen und das Risiko von Wassermangel in Wäldern. Bislang existieren kaum systematische Untersuchungen zu den hydraulischen Eigenschaften von Waldböden. Wir führten Multi-Step-Outflow-Versuche durch, um die Wasserretentionskurve und die ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit an insgesamt 1504 ungestörten Proben von Waldböden Baden-Württembergs zu ermitteln. Unter Verwendung zusätzlicher Messungen (Fraktionen des Fein- und Grobbodens, Trockenrohdichte, Gehalt an organischem Material) wurden Pedotransferfunktionen zur Schätzung der Parameter des Mualem/van Genuchten-Modells entwickelt. Die Schätzungen der neuen Pedotransferfunktionen wurden mit verschiedenen Pedotransferfunktionen aus der Literatur verglichen. Ein Vorteil der neuen Pedotransferfunktionen ist, dass sie unverzerrte Schätzungen der hydraulischen Eigenschaften der Waldböden von Baden-Württemberg liefern; ihre Vorhersagegüte ist vergleichbar mit veröffentlichten Pedotransferfunktionen

Detection and first analyses of spatial patterns of soil moisture at forest sites

The measuring concept of randomised moving plots (RMP) is applied in four forest areas in Baden-Württemberg (southern Germany) to quantify the temporal and spatial variability of soil moisture and the parameters that influence it. Our investigations aim at (i) collecting data for the evaluation of a physically based, distributed water transport model, (ii) identifying influencing parameters and (iii) developing a transfer model which describes soil moisture as a function of time-constant but spatially variable site parameters on the one hand (e. g., terrain attributes, soil texture, forest stand structure) and time-dependent but spatially invariant global variables (e. g., air temperature, catchment runoff) on the other. The spatio-temporal variability of soil moisture (0–20 cm mineral soil depth) was measured simultaneously at 31 positions over a period of 14 days. Measuring positions were changed randomly every 14 days. The global variables were continuously measured at one or two positions within each investigation area. The site parameters were measured or described for each of the measuring positions. Using multivariate statistics methods, such as cluster analysis or classification and regression trees, the site parameters which influence the soil moisture dynamics were identified. This paper presents first results and discusses one landscape section in more detail.In vier unterschiedlich strukturierten Waldregionen Baden-Württembergs wurde das Messkonzept der „zufällig wandernden Messplots“ angewendet, um mehr Informationen über die räumliche und zeitliche Variabilität der Bodenfeuchte und ihrer Einflussgrößen zu erhalten. Ziel ist es: (i) räumliche Daten für die Validierung eines physikalisch basierten Wasserhaushaltsmodells zu erhalten, (ii) Einflussparameter zu quantifizieren und (iii) ein Transfermodell zu entwickeln, welches die Bodenfeuchte einerseits als zeitunabhängige Funktion der räumlichen auftretenden Standortsparameter (z. B. Reliefeigenschaften, Bodentextur, Waldstruktur) und andererseits als zeitabhängige Funktion der räumlich invarianten Globalvariablen (z. B. Klima- und Abflussparameter) beschreibt. Die räumliche Variabilität der Bodenfeuchte (Mineralbodentiefe 0–20 cm) wurde gleichzeitig an 31 Sondenstandorten über eine Periode von 14 Tagen gemessen und anschließend auf den nächsten zufällig gewählten Messplot versetzt. Die Globalvariablen werden kontinuierlich an ein bis zwei Standorten pro Untersuchungsgebiet gemessen. Des Weiteren wurden an allen Sondenmesspunkten Standortseigenschaften aufgenommen. Mit der Anwendung multivariater Statistikmethoden, wie der Clusteranalyse sowie den Klassifikations- und Regressionsbäumen, ist es nun möglich, Standortsfaktoren zur Erklärung der räumliche Variabilität der Bodenfeuchte zu identifizieren. Anhand eines Landschaftsausschnittes werden erste Ergebnisse dieser Analysemethoden vorgestellt und diskutiert

Feinwurzelverteilungen in Waldböden Baden-Württembergs

Spiegeln Feinwurzelverteilun¬gen in Waldböden den Einfluss der Rhi-zosphäre auf bauminerte Durchwurze-lungsstrategien wieder? Im Rahmen der zweiten Bodenzustandserhebung BZE2 wurden in Baden-Württemberg neben bodenphysikalischen und –chemischen Parametern Feinwurzelzählungen an den Profilwänden der untersuchten Böden durchgeführt. Ziel ist die Identifikation von (1) Parametern, die die Feinwurzel-verteilungen modellhaft beschreiben und (2) spezifischer Standortseigenschaften, die die Feinwurzelverteilungsmuster be-einflussen

A Spatial Model for the Needle Losses of Pine-Trees in the Forests of Baden-Württemberg: An Application of Bayesian Structured Additive Regression

Summary The data that are analysed are from a monitoring survey which was carried out in 1994 in the forests of Baden-Württemberg, a federal state in the south-western region of Germany. The survey is part of a large monitoring scheme that has been carried out since the 1980s at different spatial and temporal resolutions to observe the increase in forest damage. One indicator for tree vitality is tree defoliation, which is mainly caused by intrinsic factors, age and stand conditions, but also by biotic (e.g. insects) and abiotic stresses (e.g. industrial emissions). In the survey, needle loss of pine-trees and many potential covariates are recorded at about 580 grid points of a 4 km × 4 km grid. The aim is to identify a set of predictors for needle loss and to investigate the relationships between the needle loss and the predictors. The response variable needle loss is recorded as a percentage in 5% steps estimated by eye using binoculars and categorized into healthy trees (10% or less), intermediate trees (10–25%) and damaged trees (25% or more). We use a Bayesian cumulative threshold model with non-linear functions of continuous variables and a random effect for spatial heterogeneity. For both the non-linear functions and the spatial random effect we use Bayesian versions of P-splines as priors. Our method is novel in that it deals with several non-standard data requirements: the ordinal response variable (the categorized version of needle loss), non-linear effects of covariates, spatial heterogeneity and prediction with missing covariates. The model is a special case of models with a geoadditive or more generally structured additive predictor. Inference can be based on Markov chain Monte Carlo techniques or mixed model technology

Unsicherheiten bei der Berechnung von Nährstoffbilanzen an Umweltmessnetzen

Obwohl die Nährstoffbilanz ein wichtiges Instrument bei der Entwicklung von Bewirtschaftungsstrategien ist, bestehen nach wie vor erhebliche Unsicherheiten, die ihren Einsatz in Forstplanung und Beratung der Waldbesitzer erschwert. Unbedingt erforderlich ist daher, neben der „absoluten“ Bilanz auch ihre Unsicherheit abzubilden. In der vorgestellten Untersuchung erfolgte dies mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen für zwei Umweltmessnetze mit unterschiedlicher Datenverfügbarkeit (BZE-Punkte, BWI-Traktecken). Der vorgestellte statistische Ansatz erscheint ausreichend genau und umfassend für die Beurteilung der Fehler von Nährstoffbilanzen zu sein. Aufgrund seiner Einfachheit lässt er sich leicht auf andere Testregionen oder Umweltmessnetze (z.B. Level II) übertragen

Klimaanpassung durch Stärkung des Wasser- und Bodenrückhalts in Außenbereichen (KliStaR)

Klimaanpassung und MitigationKlimamodellrechnungen prognostizieren für Süddeutschland eine zukünftige Zunahme von Starkniederschlagsereignissen. Die Veränderung des Klimas wird daher zu einer Zunahme von Hochwasserereignissen führen sowie Auswirkungen auf wichtige Bodenfunktionen haben. Hauptsächlich ergeben sich Probleme durch direkte Gebäude- und Infrastrukturschäden und durch Sediment- und Stoffeinträge in Oberflächengewässer durch Bodenerosion. Außerdem können durch Bodenverlust und Trockenphasen kurz- und langfristige Ertragseinbußen z.B. in der Landwirtschaft zur Folge haben. Ziele von Maßnahmen sollten sein, das Wasser direkt in den Böden der Landschaft infiltrieren zu lassen, um schädliche Wirkungen von Abfluss und Erosion zu minimieren und das Wasser für das Pflanzenwachstum in trockeneren Sommermonaten zu erhalten und somit den landwirtschaftlichen Bewässerungsaufwand mit wertvollem Grundwasser gering zu halten. Maßnahmen zur angepassten Bewirtschaftung und Erhöhung der Infiltration wurden in Pilotgebieten bereits getestet, schwierig gestaltet sich jedoch häufig die Umsetzung. Die Hindernisse liegen zumeist darin begründet, dass die eigentlichen Akteure erst zu spät in den Prozess eingebunden werden und die von außen kommenden Vorschläge ablehnen. Das Hauptziel von KliStaR ist, Umsetzungsdefizite bei der Klimaanpassung in kommunalen Außenbereichen, wie land- und forstwirtschaftlichen Flächen, zu erfassen und zu minimieren. KliStaR ist ein Modellprojekt im Glems Einzugsgebiet in Baden-Württemberg und ist Teil des Landesprogramms „Klimawandel und modellhafte Anpassung in Baden-Württemberg“ (KLIMOPASS). Land- und Forstwirte sowie kommunale Vertreter werden von Anfang an am Planungsprozess beteiligt. Hierdurch ist sichergestellt, dass eine Identifikation mit den Maßnahmen gegeben ist. Den Akteuren von acht kooperierenden Kommunen werden Informationen (Oberflächenabfluss- und Bodenerosionskarten in Gegenwart und Zukunft) bereitgestellt, die im Rahmen der Klimaanpassung erforderlich sind. Außerdem werden Anpassungsmaßnahmen und Umsetzungshemmnisse bei Veranstaltungen und bei Ortsterminen mit den Landnutzern und Kommunalvertretern erarbeitet. Darüber hinaus sollen ausgewählte Maßnahmen bereits geplant bzw. realisiert werden. KliStaR kann durch den kommunalen Modell- und Anwendungscharakter Impulse für die landesweite Umsetzung von Anpassungsmaßnahmen für Kommunen in Baden-Württemberg geben

The Potential of Liming to Improve Drought Tolerance of Norway Spruce [Picea abies (L.) Karst.]

In response to a wide-spread decline in forest vitality associated with acid rain in the 1980s, liming of soils has been implemented in many federal states in Germany to buffer further acid deposition and improve availability of nutrients such as calcium and magnesium. As a consequence, it may also increase vitality and depth of fine-root systems and hence improve the drought tolerance of species such as Norway spruce [Picea abies (L.) Karst.], which occurs mostly on acidic forest soils. However, the influence of repeated liming on drought tolerance of trees has never been studied. Here we compared the resistance, recovery and resilience of radial growth in P. abies in relation to drought in limed and control stands and assessed how the dosage and interval between lime application and drought year influences the radial growth response of P. abies. We analyzed radial growth in 198 P. abies trees of six experimental sites in south–west Germany. An analysis of the radial increment over the last 30 years allowed the analysis of drought events shortly after the first liming (short-term effect) as well as posterior drought events (mid- to long-term effects). Generalized linear models were developed to assess the influence of drought intensity, site and period since first liming on the drought tolerance of Norway spruce. Regardless of drought intensity, there was no general increase in drought resistance of Norway spruce in response to liming. However, drought resistance of radial growth improved on a loamy site that was additionally treated with wood ash 30 years after the first lime application. Furthermore, recovery and resilience of radial growth after severe drought events were generally better in spruce trees of limed treatments. This indicates a shorter stress period in spruce trees growing on limed soil, which may reduce their susceptibility to secondary, drought-related pests and pathogens