TY  - THES
A1  - Gutsch, Martin
T1  - Model-based analysis of climate change impacts on the productivity of oak-pine forests in Brandenburg
T1  - Modell-basierte Analyse der Auswirkungen des Klimawandels auf die Produktivität von Eichen-Kiefern-Mischbeständen in Brandenburg
N2  - The relationship between climate and forest productivity is an intensively studied subject in forest science. This Thesis is embedded within the general framework of future forest growth under climate change and its implications for the ongoing forest conversion. My objective is to investigate the future forest productivity at different spatial scales (from a single specific forest stand to aggregated information across Germany) with focus on oak-pine forests in the federal state of Brandenburg. The overarching question is: how are the oak-pine forests affected by climate change described by a variety of climate scenarios. I answer this question by using a model based analysis of tree growth processes and responses to different climate scenarios with emphasis on drought events. In addition, a method is developed which considers climate change uncertainty of forest management planning.
As a first 'screening' of climate change impacts on forest productivity, I calculated the change in net primary production on the base of a large set of climate scenarios for different tree species and the total area of Germany. Temperature increases up to 3 K lead to positive effects on the net primary production of all selected tree species. But, in water-limited regions this positive net primary production trend is dependent on the length of drought periods which results in a larger uncertainty regarding future forest productivity. One of the regions with the highest uncertainty of net primary production development is the federal state of Brandenburg.
To enhance the understanding and ability of model based analysis of tree growth sensitivity to drought stress two water uptake approaches in pure pine and mixed oak-pine stands are contrasted. The first water uptake approach consists of an empirical function for root water uptake. The second approach is more mechanistic and calculates the differences of soil water potential along a soil-plant-atmosphere continuum. I assumed the total root resistance to vary at low, medium and high total root resistance levels. For validation purposes three data sets on different tree growth relevant time scales are used. Results show that, except the mechanistic water uptake approach with high total root resistance, all transpiration outputs exceeded observed values. On the other hand high transpiration led to a better match of observed soil water content. The strongest correlation between simulated and observed annual tree ring width occurred with the mechanistic water uptake approach and high total root resistance. The findings highlight the importance of severe drought as a main reason for small diameter increment, best supported by the mechanistic water uptake approach with high root resistance. However, if all aspects of the data sets are considered no approach can be judged superior to the other. I conclude that the uncertainty of future productivity of water-limited forest ecosystems under changing environmental conditions is linked to simulated root water uptake.
Finally my study aimed at the impacts of climate change combined with management scenarios on an oak-pine forest to evaluate growth, biomass and the amount of harvested timber. The pine and the oak trees are 104 and 9 years old respectively. Three different management scenarios with different thinning intensities and different climate scenarios are used to simulate the performance of management strategies which explicitly account for the risks associated with achieving three predefined objectives (maximum carbon storage, maximum harvested timber, intermediate). I found out that in most cases there is no general management strategy which fits best to different objectives. The analysis of variance in the growth related model outputs showed an increase of climate uncertainty with increasing climate warming. Interestingly, the increase of climate-induced uncertainty is much higher from 2 to 3 K than from 0 to 2 K.
N2  - Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung der Produktivität von Eichen-Kiefern Mischbeständen mit besonderem Fokus auf das Bundesland Brandenburg. Es werden drei Hauptfragen bearbeitet: a) wie verhält sich die Produktivität der beiden Baumarten im Vergleich zu den beiden anderen Hauptbaumarten Fichte und Buche im gesamtdeutschen Vergleich unter verschiedenen Klimaszenarien, b) wie wichtig ist der Prozess der Wasseraufnahme über die Wurzeln bei der Modellierung der Produktivität unter Bedingungen von Trockenjahren, c) wie lassen sich Unsicherheiten durch Bewirtschaftung und Klimaszenarien in der Modellierung der Eichen-Kiefern Mischbestände und bei nachfolgenden Entscheidungsprozessen berücksichtigen?
Der methodische Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Modellierung. Im ersten Teil der Arbeit werden mit Hilfe von verschiedenen unabhängigen Umweltvariablen des Klimas und des Bodens Wirkungsbeziehungen zur Produktivität ermittelt, die Aussagen zur Veränderung der Produktivität in Abhängigkeit dieser Umweltvariablen erlauben. Damit können verschiedene Regionen in Deutschland auf ihre Sensitivität der Produktivität gegenüber verschiedenen Klimaszenarien hin untersucht werden. Im zweiten Teil werden innerhalb eines prozess-basierten Waldwachstumsmodell 4C zwei unterschiedliche Ansätze der Wasseraufnahme über die Wurzeln analysiert. Dabei werden Messdaten zur Transpiration, zu Bodenwassergehalten und zu Durchmesserzuwächsen auf Basis von Jahrringchronologien zur Überprüfung herangezogen. Der erste Ansatz ist eine empirisch abgeleitete Gleichung, die die Wasseraufnahme in Abhängigkeit des Wassergehalts beschreibt. Der zweite Ansatz berücksichtigt die unterschiedlichen Druckpotenziale sowie einzelne Widerstände entlang des Wasserflusses vom Boden über die Pflanze in die Atmosphäre. Im dritten Teil der Arbeit wird das Waldwachstumsmodell angewendet und eine Auswahlmethodik vorgestellt, die Entscheidungen bei Unsicherheit erlaubt. Dabei werden die vorhandenen Unsicherheiten, hervorgerufen durch Bewirtschaftung und Klima, in den Prozess der Entscheidungsfindung quantitativ mit einbezogen. Drei verschiedene Bewirtschaftungsstrategien, die unterschiedliche Durchforstungsstärken beinhalten, werden simuliert und ihr Erreichen von drei vorher festgelegten Ziele (maximale Kohlenstoffspeicherung im Bestand, maximale Holzernte, moderates Ziel hinsichtlich Kohlenstoffspeicherung und Holzernte) untersucht.
Bezogen auf die erste Frage ergibt die Arbeit zwei wesentliche Ergebnisse. Eine Temperaturerhöhung bis zu drei Kelvin bis 2060 führt zu positiven Ergebnissen in der Produktivität von Eichen-, Kiefern-, Buchen- und Fichtenbeständen. Allerdings ist in niederschlagsarmen Regionen, wie im nordostdeutschen Tiefland, dieser positive Trend stark abhängig von der Länge der Trockenperioden innerhalb der Vegetationszeit. Demzufolge ist die Produktivitätsveränderung der vier Baumarten im Land Brandenburg mit der höchsten Unsicherheit im Vergleich zu den anderen Bundesländern verbunden.
Zur zweiten Frage gibt die Arbeit zwei wesentliche Ergebnisse. Im Vergleich mit den Messdaten auf unterschiedlicher zeitlicher und physiologischer Ebene kann kein Ansatz ermittelt werden, der jeweils das bessere Ergebnis erzielt. Im Vergleich von Transpiration, Bodenwassergehalt und Trockenjahren ergeben sich zwar etwas bessere Ergebnisse für den prozess-basierten gegenüber dem empirischen Ansatz, doch sind diese sehr stark abhängig vom angenommenen Wurzelwiderstand. Dieser ist schwer zu bestimmen und verhindert bisher eine breite Anwendung des Ansatzes innerhalb der Waldwachstumsmodelle. Hier ist weiterer Forschungsbedarf vorhanden um bei der Modellierung der Auswirkungen von Trockenjahren auf die Produktivität die Modellunsicherheit zu verringern.
Für die letzte Frage ergeben sich ebenso interessante Ergebnisse. Keine Durchforstungsstrategie kann alle drei Zielstellungen erfüllen. Die Methodik erlaubt aber ein großes Maß an Objektivität beim Vergleich der unterschiedlichen Bewirtschaftungsstrategien unter der Unsicherheit der Klimaszenarien. Die Varianz, bezogen auf Ergebnisse zur Bestandesbiomasse, Holzernte und zum jährlichen Holzzuwachs, steigt mit steigender Klimaerwärmung. Dabei ist der Anstieg in der Varianz größer bei einem Temperaturanstieg von zwei Kelvin auf drei Kelvin als von null Kelvin auf zwei Kelvin. Das heißt, Auswirkungen einer Klimaerwärmung verlaufen hier nicht linear.
KW  - climate change
KW  - forest management
KW  - forest growth modelling
KW  - scenario analysis
KW  - water uptake
KW  - Klimawandel
KW  - Klimaauswirkung
KW  - Forstwirtschaft
KW  - Waldbewirtschaftung
KW  - Waldwachstumsmodellierung
KW  - Unsicherheit
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-97241
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mohr, Christian Heinrich
T1  - Hydrological and erosion responses to man-made and natural disturbances : insights from forested catchments in South-central Chile
T1  - Hydrologische und Erosions-Reaktionen auf anthropogene und natürliche Störungen : Einblicke aus bewaldeten Einzugsgebieten im südlichen Zentralchile
N2  - Logging and large earthquakes are disturbances that may significantly affect hydrological and erosional processes and process rates, although in decisively different ways. Despite numerous studies that have documented the impacts of both deforestation and earthquakes on water and sediment fluxes, a number of details regarding the timing and type of de- and reforestation; seismic impacts on subsurface water fluxes; or the overall geomorphic work involved have remained unresolved. The main objective of this thesis is to address these shortcomings and to better understand and compare the hydrological and erosional process responses to such natural and man-made disturbances. To this end, south-central Chile provides an excellent natural laboratory owing to its high seismicity and the ongoing conversion of land into highly productive plantation forests. In this dissertation I combine paired catchment experiments, data analysis techniques, and physics-based modelling to investigate: 1) the effect of plantation forests on water resources, 2) the source and sink behavior of timber harvest areas in terms of overland flow generation and sediment fluxes, 3) geomorphic work and its efficiency as a function of seasonal logging, 4) possible hydrologic responses of the saturated zone to the 2010 Maule earthquake and 5) responses of the vadose zone to this earthquake. Re 1) In order to quantify the hydrologic impact of plantation forests, it is fundamental to first establish their water balances. I show that tree species is not significant in this regard, i.e. Pinus radiata and Eucalyptus globulus do not trigger any decisive different hydrologic response. Instead, water consumption is more sensitive to soil-water supply for the local hydro-climatic conditions. Re 2) Contradictory opinions exist about whether timber harvest areas (THA) generate or capture overland flow and sediment. Although THAs contribute significantly to hydrology and sediment transport because of their spatial extent, little is known about the hydrological and erosional processes occurring on them. I show that THAs may act as both sources and sinks for overland flow, which in turn intensifies surface erosion. Above a rainfall intensity of ~20 mm/h, which corresponds to <10% of all rainfall, THAs may generate runoff whereas below that threshold they remain sinks. The overall contribution of Hortonian runoff is thus secondary considering the local rainfall regime. The bulk of both runoff and sediment is generated by Dunne, saturation excess, overland flow. I also show that logging may increase infiltrability on THAs which may cause an initial decrease in streamflow followed by an increase after the groundwater storage has been refilled. Re 3) I present changes in frequency-magnitude distributions following seasonal logging by applying Quantile Regression Forests at hitherto unprecedented detail. It is clearly the season that controls the hydro-geomorphic work efficiency of clear cutting. Logging, particularly dry seasonal logging, caused a shift of work efficiency towards less flashy and mere but more frequent moderate rainfall-runoff events. The sediment transport is dominated by Dunne overland flow which is consistent with physics-based modelling using WASA-SED. Re 4) It is well accepted that earthquakes may affect hydrological processes in the saturated zone. Assuming such flow conditions, consolidation of saturated saprolitic material is one possible response. Consolidation raises the hydraulic gradients which may explain the observed increase in discharge following earthquakes. By doing so, squeezed water saturates the soil which in turn increases the water accessible for plant transpiration. Post-seismic enhanced transpiration is reflected in the intensification of diurnal cycling. Re 5) Assuming unsaturated conditions, I present the first evidence that the vadose zone may also respond to seismic waves by releasing pore water which in turn feeds groundwater reservoirs. By doing so, water tables along the valley bottoms are elevated thus providing additional water resources to the riparian vegetation. By inverse modelling, the transient increase in transpiration is found to be 30-60%. Based on the data available, both hypotheses, are not testable. Finally, when comparing the hydrological and erosional effects of the Maule earthquake with the impact of planting exotic plantation forests, the overall observed earthquake effects are comparably small, and limited to short time scales.
N2  - Landmanagement und tektonische Prozesse haben einen erheblichen Einfluss auf das Abflussverhalten und den Wasser-, sowie den Sedimenthaushalt von Gebirgsregionen. Sowohl forstwirtschaftliche Bewirtschaftung, als auch starke Erdbeben sind Impulse, die hydrologische und Erosionsprozesse, sowie deren Prozessraten beeinflussen. Obwohl zahlreiche Arbeiten bereits den Einfluss von forstlicher Bewirtschaftung (Abholzungen, Aufforstungen) als auch von Erdbeben auf Wasser und Sedimentflüsse dokumentiert haben, bleiben wichtige Fragen offen. Wie entscheidend ist der Zeitpunkts der Abholzung und des nachfolgenden Wiederaufforstens? Wie wirken seismische Störungen auf unterirdische Wasserflüsse? Wie ändert sich die geomorphologische Arbeit nach Kahlschlägen? Zur Erforschung dieser Fragen bietet sich das südliche Zentralchile aufgrund seiner hohen lokalen seismischen Aktivität und der kontinuierlichen Umwidmung von Flächen in hochproduktive Plantagenwälder hervorragend an. Letztere verursachen sich häufig verändernde Umweltbedingungen durch kurze forstwirtschaftliche Rotationszyklen. Diese Dissertation betrachtet Einzugsgebiete mit vergleichbarer naturräumlicher Ausstattung. Dabei werden experimentelle Datenerhebung, ein Monitoring-Programm und Datenanalysetechniken mit prozessbasierter Modellierung kombiniert. Ziel der vorliegenden Arbeit ist: 1) die Untersuchung des Einflusses von Plantagenwäldern auf den lokalen Wasserhaushalt. Hier zeigt sich, dass die Baumart (Pinus radiata vs. Eucalyptus globulus) keinen entscheidenden Einfluss auf die lokale Wasserbilanz hat. Vielmehr ist der Bodenwasserspeicher unter dem gegebenen lokalen Hydroklima der entscheidende Faktor für den Wasserverbrauch. 2) die Untersuchung des Verhaltens von Kahlschlagflächen im Hinblick auf Quellen oder Senkenwirkung für Oberflächenabfluss und Sedimenttransport. Hier zeigt sich, dass diese Flächen sowohl als Quelle als auch als Senke für Oberflächenabfluss und Sedimenttransport wirken können – abhängig von der Regenintensität. Übersteigt diese ~20 mm/h, was <10 % der lokalen Niederschlagsereignisse entspricht, generieren Kahlschlagflächen Horton-Oberflächenabfluss (Infiltrationsüberschuss) und Sedimenttransport. Unterhalb dieses Schwellenwerts wirken sie als Senke. In Anbetracht der lokalen Niederschlagintensitäten ist der Gesamtbeitrag des Horton-Oberflächenabflusses daher sekundär. Der Großteil des Abflusses entsteht durch Dunne-Oberflächenabfluss (Sättigungsüberschuss). Zudem zeigt die vorliegende Arbeit, dass Abholzen die Infiltrabilität erhöhen kann. Dies führte dazu, dass zunächst der Gebietsabfluss abfällt bevor er erst nach Auffüllen des Grundwasserspeichers signifikant ansteigt. 3) Die Untersuchung des Einflusses von Kahlschlägen auf die hydro-geomorphologische Arbeit und ihre Effizienz. Durch das Anwenden von Quantile Regression Forests (QRF) wird auf kurzer Prozessskala gezeigt, dass Abholzung zu unterschiedlicher Jahreszeit zu signifikanten Veränderungen im Sedimenttransport führt. Vor allem Kahlschläge die während der Trockenzeit durchgeführt werden, verursachten einen Bedeutungsverlust von seltenen, stärkeren Abflussereignissen zu Gunsten der häufigeren, jedoch weniger starken Ereignissen. Hierbei dominierte der Dunne-Oberflächenabfluss. Dies stimmt mit den Ergebnissen eines prozessbasierten hydrologischen Modells (WASA-SED) überein. Es ist somit eindeutig die Jahreszeit, die die Leistung der hydro-geomorphologischer Arbeit nach Kahlschlägen prägte. 4) die Untersuchung von Grundwasserreaktionen auf das M8.8 Maule Erdbeben. Unter Grundwasserbedingungen kann der gesättigte Saprolith mit Verdichtung auf die Erdbebenerschütterungen reagieren. Dieser Prozess erhöht den hydraulischen Gradienten, der eine plausible Erklärung für den beobachteten Anstieg am Gebietsausfluss nach dem Erdbeben liefert. Die Verdichtung mobilisiert Grundwasser, das zudem von der ungesättigten Bodenmatrix aufgenommen werden kann. Hierdurch erhöht sich das Wasservolumen im Wurzelraum und begünstigt die Pflanzaktivität. Eine solche Aktivitätserhöhung spiegelt sich in verstärkten Tagesgängen wider. 5) die Untersuchung von hydrologischen Reaktionen auf das Erdbeben in der ungesättigten Zone. Hier zeigt sich, dass auch Bodenwasser aus der ungesättigten Bodenzone durch Erdbebenerschütterungen freigesetzt werden kann und den darunter liegenden Grundwasserspeicher zufließt. Hierdurch steigt der Grundwasserspiegel in den Talböden und erhöht dort die Pflanzenwasserverfügbarkeit. Durch inverse Modellierung wurde ein erdbebenbedingter Anstieg der Pflanzenaktivität von 30-60% quantifiziert. Beide Hypothesen sind jedoch auf Basis der verfügbaren Daten nicht eindeutig verifizierbar. Vergleicht man den Effekt des Erdbebens auf den Wasserhaushalt mit dem Effekt der exotischen Plantagenwälder zeigt sich, dass die Gesamtwirkung des Erdbebens auf den Wasserhaushalt vergleichsweise klein war und sich zudem auf kurze Zeiträume beschränkte.
KW  - Hydrologie
KW  - Erosion
KW  - Chile
KW  - Waldbewirtschaftung
KW  - Erdbeben
KW  - hydrology
KW  - erosion
KW  - Chile
KW  - forest management
KW  - earthquake
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70146
ER  -