A method to estimate groundwater depth from forest site mapping data and digital elevation models

In this paper a new approach for estimating continuous groundwater depths using forest site mapping data of the federal state of Brandenburg and digital elevation models is presented. The underlying idea of this approach is to combine the upper and lower limits of the mapping units (groundwater depth classes of special site types and site type groupings) and the relative elevations inside each individual site type area calculated from the digital elevation model. By this means, consideration of the landscape morphology allows groundwater depths to be estimated continuously for grids with various resolutions. Depending mainly on the spatial and vertical resolution of the applied digital elevation model, the results are improved significantly compared to simply regionalizing site-type-specific mean values. The presented method was used to generate continuous groundwater depths based on the existing forest site maps of the federal state of Brandenburg for more than two-thirds of the forest area. The data obtained will be used in a larger research project, carried out at the Forestry Competence Centre, Eberswalde, to analyze regional and site-specific impacts of climate change.Für das umfangreiche Datenmaterial der forstlichen Standortserkundung in Brandenburg wurde ein EDV-gestütztes Verfahren zur Ableitung kontinuierlicher Grundwasserflurabstände aus den Legendeneinheiten der forstlichen Standortskarte (Stamm-Standortsform und Stamm-Standortsformengruppen) und digitalen Geländemodellen (DGM) entwickelt. Grundlage dafür war die Kombination von Grenzwerten dieser Legendeneinheiten mit der aus dem DGM berechneten relativen Geländehöhe für die diskreten Flächen der Standortsformen. Durch dieses Vorgehen wurde die Geländemorphologie in das Verfahren zur Ableitung der Grundwasserflurabstände integriert. Dadurch ergibt sich eine, insbesondere gegenüber der Verwendung von auf der Übernahme von Mittelwerten basierenden Ansätzen, verbesserte Abbildung der Grundwasserflurabstände. Hauptsächlich in Abhängigkeit von der Genauigkeit der verwendeten Geländemodelle können somit räumlich beliebig aufgelöste kontinuierliche Grundwasserflurabstände berechnet werden. Das Verfahren wurde anhand der bestehenden Standortskarten auf über zwei Dritteln der Waldfläche Brandenburgs zur Generierung von Grundwasserflurabstandsinformationen angewandt und soll im Rahmen eines übergeordneten Projektes zu regionalen und standortsbedingten Unterschieden der Auswirkungen des Klimawandels eingesetzt werden

Soil heterogeinity as an indicator of naturalness? : 1. Evaluation of naturalness on different compartments and levels of diversity, especially in regard to soil (Review article)

Die Literaturstudie befasst sich mit Bewertungsmöglichkeiten der Natürlichkeit von Ökosystemen anhand biotischer und abiotischer Merkmale verschiedener Kompartimente. Schwerpunktmäßig wird die Indikatoreignung des Bodens berücksichtigt. Es wird festgestellt, dass durch die meisten Untersuchungsansätze nur der aktuelle Zustand der Ökosystemkompartimente oder ihre Beziehungen untereinander und damit der Hemorobiegrad des Systems (des Bestandes) abgeschätzt werden können. Demgegenüber ist die Analyse von Bodeneigenschaften geeignet, die Natürlichkeit auch in historischer Perspektive, also die Naturnähe i. e. S., festzustellen. Vor dem Hintergrund des mehrstufigen biologischen Diversitätskonzeptes von Whittaker (1972) wird der Frage nachgegangen, ob sich im Hinblick auf die einzelnen Kompartimente (1) das Auftreten spezifischer Merkmale (Merkmalspräsenz), (2) die Intensität, Menge, Abundanz (Merkmalsausprägung), (3) die Variabilität des Merkmals (alpha-Ebene) und (4) die räumliche Heterogenität bzw. Verteilung des Merkmals (beta-Ebene) zur Bewertung von Natürlichkeit eignen. Die genetische Variabilität der bestandesbildenden Baumart kann ein Merkmal für Naturnähe und Autochthonie sein, wenn die jeweilige Populationsbiologie berücksichtigt wird. In der Literatur werden tierische und pilzliche Urwaldzeigerarten beschrieben, während sich einzelne Gefäßpflanzen sowie die Artenanzahl (alpha- von Pflanzen, Pilzen und Tieren nicht zur Indikation eignen. Eine geklumpte Verteilung biologischer Arten (beta-Diversität) innerhalb des Ökosystems stellt ein gutes Natürlichkeitskriterium dar. Bei den Kompartimenten Bestandesstruktur und Boden können sehr viele Merkmale verschiedener Hierarchieebenen herangezogen werden, um Natürlichkeit abzuschätzen. Da Bodendiversität und -heterogenität i. d. R. verschiedene Ursachen haben, werden diese in ihrem Bezug zu Naturnähe bzw. Hemerobie erläutert. Keywords: naturalness, genetics, flora, fauna, fungies, stand structure, soil properties, α-diversity, β-diversity, variability, heterogeneity, autocorrelation, archive functionThis paper gives a review of studies in which biotic and abiotic ecosystem properties are used to assess naturalness and the degree of hemeroby, respectively. In this context especially the suitability of soil properties as an indicator of naturalness is examined. Most of the existing approaches focus on the actual conditions of ecosystem compartments and their correlations (naturalness s. l.; hemeroby). On the other hand the analysis of soil properties is suitable for estimating naturalness especially in historical perspective (naturalness s. str.). In connection with the multi-level biodiversity concept of Whittaker (1972) the question was posed, whether (i) the occurrence of specific properties (presence of properties), (ii) the intensity, amount, abundance (intensity of properties), (iii) the variability of parameters (alpha-diversity) and (iv) the small-scale heterogeneity and the dispersion of properties respectively (beta-diversity) are suitable criteria to assess the ecosystem naturalness in view of various compartments. The genetic variability of principle tree species can be used as an indicator of naturalness and autochthony of forest stands, provided that population biology is considered. There exist some zoological and fungual indicator species of virgin forests. The number of biological species (alpha-diversity) is not suitable to indicate naturalness; however an aggregated dispersion (= overdispersion) of plants, animals and fungies (beta-diversity) within the ecosystem is a criterion of low hemeroby. In view of the compartments stand structure and soil various parameters of different hierarchical levels can be used to determine naturalness. The various causes of soil diversity and heterogeneity and their relation to naturalness and hemeroby are explained. Keywords: naturalness, genetics, flora, fauna, fungies, stand structure, soil properties, α-diversity, β-diversity, variability, heterogeneity, autocorrelation, archive functio

Pedotransfer functions for estimation of plant available water capacity – validation for forest soils of the north-eastern lowlands

The available water capacity (AWC) of especially coarse-textured forest soils of the federal state of Brandenburg – estimated by various pedotransfer functions (PTF) – induce huge systematic differences. Thus further validations of the PTF seem to be necessary. The PTF were evaluated, using a dataset of overall 489 forest soil horizons of the north-eastern lowlands. The dataset includes measured AWC-values and further soil parameters required for the PTF. The comparison of measured and estimated AWC-values indicates that PTF, which were developed using large, geographically widespread datasets and which consider especially soils similar to those of the validation sample respectively, tend to smaller systematic prediction errors. The PTF, which consider a higher number of predicting variables generally induce higher coefficients of determination. The lowest overall error (square root of the mean square prediction error) was determined for the PTF Renger et al. (2009). The highest values describing the strength and accuracy of the linear relationship between measurements and predictions (coefficient of determination and slope) were found out for the approach of Riek et al. (1992, 1995).Die vergleichende Gegenüberstellung der mittels unterschiedlicher Pedotransferfunktionen (PTF) berechneten nutzbaren Wasserspeicherkapazitäten von vorwiegend sandigen brandenburgischen Standorten der bundesweiten Bodenzustandserhebung im Wald (BZE) weist auf gravierende systematische Unterschiede hin. Es erscheint daher notwendig, die PTF weitergehend zu validieren. Die Validierung der PTF erfolgte mit einer insgesamt 489 Waldbodenhorizonte des Nordostdeutschen Tieflands umfassenden Datenbank, für welche sowohl Messwerte der nFK als auch die notwendigen Eingangsdaten der PTF vorlagen. Die Gegenüberstellung von Mess- und Schätzwerten zeigte, dass diejenigen PTF, welche anhand umfangreicher, regional weit gefächerter Datengrundlagen entwickelt wurden, tendenziell geringere systematische Fehler aufwiesen. Für PTF, bei deren Entwicklung Böden berücksichtigt wurden, die mit den typisch brandenburgischen Verhältnissen vergleichbar sind, zeigte sich eine ähnliche Tendenz. Ansätze mit größerem Einsatz an Prädiktorvariablen wiesen in der Regel größere Bestimmtheitsmaße auf. Der geringste Quadratwurzelfehler ergab sich bei Verwendung der PTF nach Renger et al. (2009). Die höchste Güte und Richtigkeit des Zusammenhangs zwischen Mess- und Vorhersagewerten (Anstieg der Ausgleichsgeraden und Bestimmtheitsmaß) zeigte der Ansatz nach Riek et al. (1992, 1995)

Soil heterogeinity as an indicator of naturalness? 2. Biological, structural and pedological diversity in natural and regularly managed beech, oak and pine stands in Brandenburg (Germany) and Northwest Poland

Es werden Forschungsergebnisse zur Variabilität und kleinräumigen Heterogenität von Bestandes- und Bodeneigenschaften aus Natur- und Wirtschaftswäldern der Rot-Buche (Fagus sylvatica L.), Trauben-Eiche (Quercus petraea [Matt.] Liebl.) und Wald-Kiefer (Pinus sylvestris L.) (Reinbestände) vorgestellt. Es sollte die Hypothese geprüft werden, dass Naturnähe mit einer höheren alpha- und beta-Diversität von Parametern des Bodens sowie weiterer Ökosystemkompartimente verbunden ist. Verschiedene Bodenparameter wurden an insgesamt 9.282 Mineralbodenproben aus 7 Tiefenstufen (0 – 5, 5 – 10, …, 25 – 30, 30 – 40 cm) ermittelt und geostatistisch ausgewertet. Begleitend dazu wurde die Diversität bestandesstruktureller, floristischer und bodenfaunistischer Eigenschaften (Lumbriciden) untersucht. Es wurden verschiedene Bestandesstrukturindices, die Durchwurzelungsstruktur und die (Bio-) Diversität der Waldbodenvegetation, sowie der Regenwurmfauna ermittelt. Kennwerte des Baumbestandes und der Bodenvegetation erwiesen sich in den Naturwäldern diverser als in den entsprechenden Wirtschaftswäldern gleicher Bestockung. In den Naturwäldern waren generell höhere Variabilitäten der Bodenkennwerte pH-Wert, effektive Kationenaustauschkapazität und Basensättigung nachzuweisen. Beim Humus-, C- und N-Gehalt trifft das auf die Buche und Eiche, jedoch nicht auf die Kiefer zu. Die Variabilität und Autokorrelationslängen der Auflage- und Horizontmächtigkeiten zwischen Natur- und Wirtschaftswäldern ergaben ein uneinheitliches Bild. Es wird versucht, die Autokorrelationslängen verschiedener Bodenkennwerte als Ausdruck des kleinräumigen Bodenmusters mit ökosystem- (= baumarten-)spezifischen und hemerobieabhängigen ober- und unterirdischen Bestandeskennwerten in Zusammenhang zu bringen. Der Einfluss der mittleren Baumabstände auf die pH-Werte und die Basensättigung, sowie die Bedeutung der Wurzelstruktur und des räumlich differenzierten Streuaufkommens für die Humus-, C- und N-Akkumulation werden diskutiert. Diese ersten Ergebnisse zur naturnäheabhängigen Bodenvariabilität und kleinräumigen Bodenheterogenität sollten in Zukunft durch die geostatistische Untersuchung weiterer Bestandestypen und ein optimiertes Probenahmedesign validiert werden. Schlüsselwörter: Bestandesstruktur, Bodenvegetation, Wurzelstruktur, Regenwürmer, Bodeneigenschaften, α-, β-Diversität, Variabilität, Heterogenität, Autokorrelation, Naturwald, Wirtschaftswald, Fagus sylvatica, Quercus petraea, Pinus sylvestrisIn the second part of this paper research findings are presented which describe variability and spatial heterogeneity of stand and soil properties in six pure beech (Fagus sylvatica L.), oak (Quercus petraea [Matt.] Liebl.) and pine (Pinus sylvestris L.) stands (three natural and regularly managed forests, respectively). The hypothesis was tested that naturalness is connected with higher alpha- and beta-diversity concerning parameters of soil and other ecosystem compartments. A total of 9282 soil samples were analyzed and various soil parameters in 7 soil layers (0 – 5, 5 – 10, …, 25 – 30, 30 – 40 cm) were investigated using statistical and geostatisticalmethods. Furthermore the diversity of ground vegetation as well as stand structural and soil faunistical (Lumbricidae) properties was examined. Various indices to characterize stand structure, the rooting structure and the variability of the forest ground vegetation and earthworms, respectively, were calculated. Stand parameters and ground vegetation indicated more (bio-)diversity in the natural forests than in the regularly managed forests with corresponding tree species. In the natural forests generally higher variabilities and ranges of the soil parameters pH-value, effective cation exchange capacity (CECeff) and base saturation occurred. The same could be found out for humus, C- and N-content in the examined beech and oak stands, but not in the pine stands. The variability and autocorrelation of pedogenous properties (development of organic layer and soil horizons) give some inconsistent differences between natural and regularly managed forests. It was tried to find relations between the autocorrelation lengths of various soil properties as an expression of smallscale spatial soil pattern and ecological stand characteristics depending on hemeroby. The influences of the mean tree distance on pH-values and base saturation as well as the role of the rooting structure and local differing litter fall for the accumulation of humus, C and N are discussed. This paper is a first approach to describe soil variability and heterogeneity (small-scale soil pattern) as an indicator for naturalness. It is recommended to validate the presented results by further geostatistical analyses of spatial soil data of different stand types and by optimized sampling design. Keywords: stand structure, ground vegetation, root distribution, earthworms, soil properties, α-diversity, β-diversity, variability, heterogeneity, autocorrelation, natural forest, regularly managed forest, Fagus sylvatica, Quercus petraea, Pinus sylvestri

Principal components of the heat balance of forest ecosystems in the state Brandenburg : Regionalization of risk areas and areas suitable for climate monitoring on the basis of regional climate scenarios

Die im Zuge des globalen Klimawandels erwarteten Veränderungen des Wärmehaushaltes werden mit großer Wahrscheinlichkeit erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung und Stabilität der brandenburgischen Waldökosysteme haben. Im vorliegenden Beitrag erfolgen zum einen die statistische Herleitung und räumliche Abgrenzung von Risikogebieten und zum anderen die Ausweisung von Flächen, die für ein Klima-Monitoring auf der ökologischen Wirkungsebene geeignet sind. Grundgedanke der methodischen Herangehensweise ist die raum-zeitliche Verknüpfung von Klimaindikatoren auf multivariat- statistischer Basis. Für die Risikobewertung wurde ein Algorithmus entwickelt, bei dem die nach dem Klimaszenario A1B zu erwartenden zeitlichen Veränderungen bis zur Mitte bzw. bis zum Ende dieses Jahrhunderts in Relation zur aktuellen räumlichen Streubreite der ökologischen Kenngrößen des Wärmehaushaltes gesetzt und dadurch in ihrem Ausmaß und ihrer Bedeutung als Störungspotenzial bewertet werden. Die errechneten Störungspotenziale werden als Rasterkarten mit einer Auflösung von 1 x 1 km Rasterweite präsentiert. Waldökosysteme sind in ihrem Ursache-Wirkungs-Verhalten komplex. Bei gleichen Einflussbedingungen sind verschiedene Systemzustände denkbar, die Vorhersagen schwer möglich machen. Deshalb erscheint es am erfolgversprechendsten, den Folgen des Klimawandels empirisch durch Beobachtung der artspezifischen Reaktionsnormen und populationsdynamischen Anpassungspotenziale der Waldökosysteme aufgrund des laufenden Witterungsgeschehens in ausgewählten Regionen zu begegnen. Aus den Beobachtungen können dann großräumige und insbesondere für die erarbeiteten Risikogebiete gültige Vorhersagen abgeleitet werden (prognostizierendes Klima-Monitoring). Für dieses Klima-Monitoring geeignete Gebiete wurden analog zum dargelegten Vorgehen bei der Risikogebietsableitung unter Verwendung der Differenz zwischen aktueller Ausprägung der ökologischen Wärmehaushaltskennwerte und deren durchschnittlicher zukünftiger Ausprägung (Dekade 2090 – 2100) auf der Waldfläche Brandenburgs ermittelt. Die Gebiete mit maximaler Ähnlichkeit zu den zukünftigen Verhältnissen werden als Rasterkarte vorgestellt. Die hier präsentierten Ergebnisse zum Wärmehaushalt sollen in bevorstehenden Auswertungsschritten mit räumlich hoch aufgelösten Risikoindikatoren zu potenziellem Wassermangel und Trockenstress (100 x 100 m Raster) verknüpft werden.In the course of global climate change expected modifications in heat balance will likely have a huge impact on the development and stability of Brandenburgian forest ecosystems. In this paper risk areas are statistically identified and regionalized. Furthermore, areas which are suitable for an ecological based climate impact monitoring are determined. The basic idea of the methodological approach is the spatiotemporal analyses of climate indicators using multivariatestatistical procedures. For risk assessment, an algorithm was developed, in which expected temporal changes until the year 2050 or 2095 (climate scenario: A1B) are set in relation to the actual spatial range of ecological heat balance indicators. In this way expected changes can be evaluated concerning their disturbance potential. The estimated disturbance potentials are presented on raster maps with a resolution of 1 x 1 km. Forest ecosystems are complex in their cause-effect behavior. Under the same influence conditions various system states are possible, making prognoses difficult. Therefore, the most promising way seems to be the empirical investigation of species-specific norms of reaction and population dynamic potentials of adaption on the basis of the actual climate in special regions. From the empirical results, largescale predictions can be derived especially for the identified risk areas (predicting climate monitoring). Regions suitable for climate monitoring were indentified using a similar approach as used in deriving risk areas. For this, the differences between the actual values of ecological heat balance indicators and the respective average of the total forest area of Brandenburg in the future (decade 2090 – 2100) were calculated. The regions with maximum similarity to the future conditions are presented on a raster map. In further evaluation steps, the presented results will be combined with high resolution risk indicators for potential water deficiency and drought stress (100 x 100 m grid)

Untersuchungen zum Zusammenhang klein- und großskaliger Oberfl ächenstrukturen

Ausgangspunkt für den Ansatz bildet die Annahme, dass oberflächenwirksame und -abhängige Landschaftseigenschaften natürliche Fraktale bilden. Dies trifft besonders auf das Oberflächenrelief der Landschaft, aber auch auf die durch das Wasser (Grund- und Bodenwasser) gebildete Oberfläche zu. Eingegangen wird dabei primär auf das Oberflächenrelief. Auf der Basis der fraktalen Dimension und einfacher statistischer Verteilungsparameter wird der Versuch unternommen einen angenommenen proportionalen Zusammenhang von Mikrorelief (Bodenart) und Makrorelief (Landschaftsrelief) zu untersuchen

Stickstoffzustand nordostdeutscher Waldböden im Vergleich von BZE-1 und BZE-2

Im Beitrag werden zwei auf der Grundlage von BZE-Daten Brandenburgs multivariat-statistisch abgeleitete Indikatoren für den Stickstoffstatus vorgestellt. Diese Indikato-ren lassen sich für grundwasserferne Standorte mit Kiefernbestockung zur Ab-schätzung des Gefährdungspotenzials durch Stickstoffeinträge verwenden. Krite-rien hierfür sind: Nitratauswaschung, N-Überernährung und die Einschränkung von Biodiversität. Die abgeleiteten Indikatoren sind metrisch skaliert und nehmen in Abhängigkeit von den Ausprägungen der bestimmenden Eingangsgrößen Werte zwischen 0 und 1 an. Hohe Werte ver-weisen auf ein erhöhtes Gefährdungs-potenzial. Die Indikatoren werden auf den Datensatz der BZE von Mecklenburg-Vorpommern an-gewandt und für den Vergleich zwischen BZE-1 und BZE-2 in Brandenburg und Mecklenburg-Vorpommern eingesetzt. Ins-gesamt zeigt sich, dass zwischen BZE-1 und BZE-2 eine Verbesserung des N-Zu-standes erfolgt ist. Dieses betrifft ins-besondere die Erhebungspunkte in Bran-denburg, wo von einer extrem ausge-prägten N-Belastungssituation zur Zeit der BZE-1 auszugehen ist

Veränderungen der Zustandsnährkraftstufe (SEA95) von brandenburgischen Waldböden

Die in der forstlichen Standortserkundung im nordostdeutschen Tiefland gängigen sog. Zustands- und Stammnährkraftstufen werden für die brandenburgischen Inventurpunkte der Bodenzustandserhebung im Wald (BZE) abgeleitet. Der Vergleich von Erst- und Zweitinventur (1992-93 bzw. 2007/2009) zeigt eine deutliche Zunahme von "harmonischen Relationen" zwischen Säure-Basen- und Stickstoffzustand, was v. a. auf den Wegfall der ehemals hohen Staubeinträge aus der Braunkohleverbrennung zurückgeführt wird. Im selben Zeitraum hat sich die Häufigkeit von Oberbodendegradation (=Abweichung zwischen Zustands- und Stammnährkraftstufe) erhöht. Hierin spiegelt sich v. a. der Einfluss der großflächigen Kiefernbestockung auf den Standort wider

Die Wirkung von Selbstdifferenzierungsprozessen in Naturwäldern auf Bodenheterogenität und Pflanzenartenverteilung

Selbstdifferenzierungsprozesse in Naturwäldern wirken sich auf die Bestandesstruktur, den Boden und (indirekt) auf die Bodenvegetation aus. Die Heterogenisierung in Naturwäldern erfolgt auf der a- und b-Diversitätsebene entsprechender Kompartimente. Bei Steigerung von Strukturreichtum und Bodendiversität erhöht sich die a-Biodiversität (Artenvielfalt) im Kiefern- und Eichenwald, im Buchenwald ist das Ergebnis unklar. Auch die b-Biodiversität steigt (hohe floristische Unähnlichkeit, geringe Gleichverteilung). Aufgrund stärkerer Kontraste und dauerhafterer Muster wird die Artenverteilung in Naturwäldern stärker von den differenzierten Bestandesstruktur- und Bodeneigenschaften bestimmt als in Wirtschaftswäldern. Empirische Weiserwerte von Gefäßpflanzen und Moosen können die Bestände gut differenzieren, nicht aber Bestandesareale innerhalb der Bestände

Vergleich zweier Ansätze zur Ableitung von Grundwasserflurabständen für die Waldfläche Brandenburgs

Aus forstlichen Standortskarten für die brandenburgischen Forste wurden unter Zuhilfenahme eines digitalen Geländemodels Grundwasserflurabstände disaggregiert (FA-Standortskarte). Diese werden Grundwasserflurabständen, welche mittels geostatistischer Interpolation der Daten von Grundwassermessstellen und Messstellen an Oberflächengewässern abgeleitet wurden, gegenübergestellt (FA-Pegel). Für die Waldfläche mit ungespannten Grundwasserverhältnissen zeigt sich insgesamt eine gute Übereinstimmung zwischen beiden Ansätzen. Größere Unterschiede bestehen vorwiegend in der Nähe zu Bereichen mit gespanntem Grundwasser. In diesen Bereichen werden von beiden Verfahren zunehmend unterschiedliche Grundwasserkörper angesprochen. Auf Ebene des Maßstabsniveaus der forstlichen Standortskarte treten im Vergleich zu FA-Pegel für FA-Standortskarte mehr kleinräumige Schwankungen in Erscheinung. In Bereichen höherer Flurabstände (Grundwasserflurabstandsstufe 7) können die Flurabstände nach FA-Standortskarte im Vergleich zu FA-Pegel jedoch nicht mehr differenziert werden. FA-Pegel erscheinen vor allem für auf Grundwasseroberflächen basierenden Anwendungen (z.B. Grundwasserströmungsrichtungen) und ungespannte Bereiche vorteilhaft. FA-Standortskarte erlauben indes eine bessere Berücksichtigung kleinräumiger standörtlicher Besonderheiten. Besonders interessant erscheint das Verfahren für die gespannten Bereiche, in denen keine oberflächennahen FA-Pegel vorliegen, sowie für die jeweiligen Übergangsbereiche