dc.contributor.advisor | Hölscher, Dirk Prof. Dr. | de |
dc.contributor.author | Krämer, Inga | de |
dc.date.accessioned | 2010-09-06T12:11:23Z | de |
dc.date.accessioned | 2013-01-18T11:00:40Z | de |
dc.date.available | 2013-01-30T23:50:10Z | de |
dc.date.issued | 2010-09-06 | de |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B692-C | de |
dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2353 | |
dc.description.abstract | Der Einfluss von Biodiversität wurde bisher vor
allem im Grünland erforscht und erst in den letzten
Jahren sind auch Wälder in den Fokus der
Biodiversitätsforschung gerückt. In der vorliegenden
Dissertation wurde der Einfluss von Baumartendiversität
auf Bestandteile des Wasserkreislaufes im Wald, wie
Bodenwasserdynamik, Niederschlagsverteilung und die eng
gekoppelte Deposition von Ionen mit dem Niederschlag,
untersucht. Zusätzlich wurden die Daten und Ergebnisse
genutzt, um den Wasserkreislauf zu modellieren. Für die
Unter-suchungen wurden zwölf Waldflächen entlang eines
Baumartendiversitätsgradienten im Nationalpark Hainich,
Deutschlands größtem zusammenhängenden Laubwaldgebiet,
ausgewählt. Dieser Gradient reichte von reinen
Buchenflächen (Fagus sylvatica) bis hin zu Flächen mit
elf Baumarten wie Winter- und Sommerlinde (Tilia
spec.), Esche (Fraxinus excelsior), Hainbuche (Carpinus
betulus) und Bergahorn (Acer pseudoplatanus). Der erste
Teil der vorliegenden Dissertation behandelt die
Niederschlagsaufteilung in Bestandesniederschlag,
Stammablauf und Interzeption entlang des untersuchten
Baumartendiversitätsgradienten. Die Baumartendiversität
war die häufigste erklärende Variable für die
Unterschiede im Bestandesniederschlag zwischen den
untersuchten Flächen. Die Ergebnisse zeigen, dass
mehrere Bestandeseigenschaften die
Niederschlagsverteilung beeinflussten. So lag zum
Beispiel im niederschlagsreichen Sommer 2007 der
Bestandes-niederschlag der Untersuchungsflächen
zwischen 66 und 77% des Gesamtniederschlags und
korrelierte positiv mit dem Diversitätsgradienten. Der
Stammablauf betrug nur 2% bis 6% des
Gesamtniederschlags und nahm mit abnehmendem
Buchenanteil auf den Flächen ab. Die Interzeption war
nicht mit dem Diversitätsgradienten korreliert. Diese
Beziehungen waren im Sommer 2005 und Herbst 2006
ähnlich, während in den anderen Untersuchungszeiträumen
nur geringe oder keine Korrelationen mit dem
Diversitätsgradienten vorhanden waren. Multiple lineare
Regressionen unterstützten die Vermutung, dass mehrere
Bestandes-eigenschaften im Zusammenspiel wichtig waren,
wie z.B. der Shannon-Diversitätsindex und der
Brusthöhendurchmesser der Bäume. Beeinflussende
Bestandeseigenschaften variierten zwischen den
Jahreszeiten und Jahren aufgrund von unterschiedlichen
Niederschlags-bedingungen. Unterschiede in der
kleinräumigen Heterogenität des Bestandesniederschlages
auf den einzelnen Flächen konnten mit keiner der
gemessenen Bestandeseigenschaften erklärt werden. Der
zweite Teil dieser Dissertation behandelt die
Bodenwasserdynamik entlang des
Baum-artendiversitätsgradienten. Generelle
jahreszeitliche Muster der Bodenwasserdynamik waren auf
allen Untersuchungsflächen ähnlich. Während einer
starken Austrocknungsperiode im Sommer 2006 war der
Oberbodenwassergehalt eng mit der Baumartendiversität
der zwölf Untersuchungsflächen korreliert. Zu Beginn
dieser Austrocknungsperiode wurde das Bodenwasser auf
den baumartenreichen Flächen schneller entzogen als auf
den buchendominierten Flächen. Im weiteren Verlauf
dieser Austrocknungsphase, als die
mikrometeorologischen Bedingungen eine höhere
Verdunstung bzw. Transpiration ermöglicht hätten, waren
jedoch nur noch die buchendominierten Flächen in der
Lage, ihre Wasser-aufnahme weiter zu erhöhen. Auf den
Flächen mit hoher Baumartendiversität waren die
Bodenwasserreserven schon sehr gering und der
Bodenwasserentzug ging zurück. Mögliche Erklärungen für
die hohen Wasseraufnahmeraten in den Mischbeständen zu
Beginn der Austrocknungsphase sind u.a. artspezifische
Eigenschaften wie hohe maximale Wasser-aufnahmeraten
einiger Arten, erhöhte Ausnutzung von
Bodenwasserressourcen in Misch-beständen
(Komplementaritätseffekt) und zusätzliche
Wasseraufnahme durch die Kraut-schicht, deren Biomasse
entlang des Diversitätsgradienten anstieg. Unterschiede
in der kleinräumigen Bodenwasserheterogenität auf den
Flächen ließen sich nicht über den
Baumartendiversitätsgradienten erklären. Der dritte
Teil dieser Dissertation behandelt die Deposition von
Ionen mit dem Niederschlag und verwandte Prozesse
(Interzeptionsdeposition und Ionenaustauschprozesse im
Kronen-raum) entlang des
Baumartendiversitätsgradienten. Neben der Deposition im
Freiland wurde die Deposition im Bestand
(Bestandesniederschlag und Stammabfluss) der Ionen Na+,
Cl-, K+, Ca2+, Mg2+, PO43-, SO42-, H+, Mn2+, Al3+,
Fe2+, NH4+, NO3- und Norg in neun Untersuchungsflächen
gemessen. Interzeptionsdeposition und
Kronenraumaustauschraten wurden mit einem
Kronenbilanzmodell berechnet. Die
Interzeptionsdeposition aller Ionen außer SO42- nahm
mit zunehmender Baumartendiversität der Flächen ab,
wohingegen die Kronenraumauswaschungsraten von K+,
Ca2+, Mg2+, Fe2+, Cl- und PO43- mit ansteigender
Baumartendiversität zunahmen. Insgesamt stieg mit
zunehmender Baumartendiversität die Bestandesdeposition
von K+, Ca2+, Mg2+ und Cl- an, die von Mn2+ und H+ nahm
hingegen ab. Dies ist sehr wahrscheinlich dem
Ionenstatus der Blätter und der Baumphysiologie sowie
den Bodeneigenschaften zuzuschreiben. Der
Nährstoffeintrag in den Boden war also in den
Mehrartflächen größer als in den buchendominierten
Flächen, wohingegen der Säureeintrag in den
buchendominierten Flächen am größten war. Im vierten
Teil der Dissertation wurden die Ergebnisse und Daten
aus den ersten beiden Untersuchungen genutzt, um die
Wasserflüsse für eine Buchenfläche und zwei
Mischwald-flächen mit Hilfe der Modellbibliothek
Expert-N zu simulieren. Expert-N kombiniert Modelle für
physiologische und hydrologische Prozesse des
Pflanzen-Boden-Systems. Die berechneten Wasserflüsse
umfassten Niederschlagsinterzeption, Evaporation,
Bodenwasserfluss, Drainage und Wurzelwasseraufnahme.
Messdaten von den Untersuchungsflächen und den
beteiligten Baumarten boten eine gute Grundlage für die
Parametrisierung und Kalibrierung des Modells. Die
Unterschiede in Niederschlagsinterzeption und
Wurzelwasseraufnahme zwischen den Untersuchungsflächen
wurden realistisch beschrieben. Das verwendete Modell
war daher in der Lage, die Wasserdynamik der Einart-
und Mehrartflächen zu simulieren. Die berechneten
Wasserflüsse variierten mit der
Baumartenzusammensetzung. Die Ergebnisse dieser
Dissertation zeigen, dass Baumartendiversität den
Wasserkreislauf beeinflussen kann. Die
Niederschlagsverteilung, Bodenwasseraufnahme und
Bestandes-deposition von Ionen unterschieden sich
entlang des untersuchten
Baumartendiversitäts-gradienten in bestimmten
Zeitabschnitten. Sowohl Selektionseffekte als auch
Komplemen-taritätseffekte spielten vermutlich eine
Rolle. Die Ergebnisse leisten einen Beitrag zu den
Kenntnissen über mitteleuropäische Laubwälder und ihr
Management auch in Bezug auf die Waldvitalität unter
veränderten klimatischen Bedingungen und die
Anforderungen der Gesellschaft, die Wasserressourcen zu
sichern. | de |
dc.format.mimetype | application/pdf | de |
dc.language.iso | eng | de |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/ | de |
dc.title | Rainfall partitioning and soil water dynamics along a tree species diversity gradient in a deciduous old-growth forest in Central Germany | de |
dc.type | doctoralThesis | de |
dc.title.translated | Niederschlagsverteilung und Bodenwasserdynamik entlang eines Baumartendiversitätsgradienten in einem naturnahen Laubwald in Mitteldeutschland | de |
dc.contributor.referee | Hölscher, Dirk Prof. Dr. | de |
dc.date.examination | 2009-11-30 | de |
dc.subject.dnb | 500 Naturwissenschaften allgemein | de |
dc.description.abstracteng | Species diversity effects have been extensively
investigated in grassland ecosystems, however, little
is known about the influence of tree species diversity
on the forest water cycle. In this dissertation several
hydrological processes including soil water dynamics,
rainfall partitioning and the related ion deposition
with rainfall have been investigated along a tree
species diversity gradient. In addition, the results
were used to model the water cycle. The studies were
conducted in twelve study plots in old-growth deciduous
forest stands in the Hainich National Park, Germany.
Monospecific plots were formed by Fagus sylvatica
(beech) and mixed forest plots consisted of a variable
admixture of up to eleven broad-leaved deciduous tree
species such as Tilia spec., Fraxinus excelsior,
Carpinus betulus, and Acer pseudoplatanus. The first
part of this thesis presents the partitioning of
rainfall into throughfall, stemflow, and interception
along the tree species diversity gradient. The results
demonstrated that several stand characteristics
influenced rainfall partitioning. The major variable
explaining throughfall for different seasons was tree
species diversity expressed as Shannon index. For
example, in the high-rainfall summer of 2007, median
throughfall per study plot was between 66% and 77% of
gross precipitation and correlated positively with the
Shannon index of the study plots. Stemflow contributed
only 2% to 6% of gross precipitation and was negatively
correlated with the Shannon index. Interception showed
no correlation with this beech to mixed forest
gradient. These relationships were similar in summer
2005 and autumn 2006, yet no (or only weak)
correlations between throughfall and tree diversity
were observed during the other study periods. Multiple
linear regressions supported the assumption that
combinations of several stand characteristics were
important for differences in throughfall among the
study plots, such as the Shannon index and the mean
diameter at breast height. Influential stand
characteristics varied between seasons and years due to
different rainfall conditions. Differences in
small-scale heterogeneity of throughfall within the
study plots did not change consistently with any stand
characteristic along the tree species diversity
gradient. The second part of this thesis focuses on
soil water dynamics along the tree species diversity
gradient. Overall, seasonal patterns of soil water
dynamics were similar in all study plots. During a
desiccation period in summer 2006, the top soil water
content was strongly correlated with tree species
diversity of the twelve study plots. At the beginning
of this desiccation period, soil water was extracted at
higher rates in the species rich plots than in the
beech-dominated plots. However, later during the
desiccation period when atmospheric evaporative demand
was higher, only the beech-dominated stands were able
to further increase soil water extraction. On plots of
high tree species diversity, soil water reserves were
already low and soil water extraction reduced. Possible
explanations for high water extraction rates in mixed
species plots at the beginning of the desiccation
period include species specific characteristics such as
high maximum water use rate of some species, enhanced
exploitation of soil water resources in mixed stands
(complementarity effect), and additional water use of
the herb layer, which increased along the tree species
diversity gradient. Differences in small-scale
heterogeneity of volumetric soil water content within
the study plots did not change consistently with any
stand characteristic along the tree species diversity
gradient. The third part of this thesis presents ion
deposition with rainfall and related processes, i.e.
interception deposition and canopy exchange, along the
tree species diversity gradient. Precipitation
deposition and stand deposition (throughfall plus
stemflow) of the ions Na+, Cl-, K+, Ca2+, Mg2+, PO43-,
SO42-, H+, Mn2+, Al3+, Fe2+, NH4+, NO3- and Norg were
measured in nine of the twelve study plots along the
tree species diversity gradient. Interception
deposition and canopy exchange rates were calculated
with a canopy budget model. The interception deposition
of all ions except for SO42- decreased with increasing
tree species diversity, whereas the canopy leaching
rates of K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Cl- and PO43- increased
with increasing tree species diversity. Stand
deposition of K+, Ca2+, Mg2+ and Cl- increased and
stand deposition of Mn2+ and H+ decreased along the
gradient. Possible reasons are differences in ion
status of the leaves, tree physiology, and soil
characteristics. In conclusion, the nutrient input to
the soil was higher in mixed species plots than in
monospecific beech plots, whereas the acid input was
highest in monospecific beech plots. In the forth part
of this thesis, the observations of the first two
studies were combined and used in the modelling
framework Expert-N to simulate the water fluxes for a
monospecific beech study plot and for two mixed study
plots. Expert-N combines models for physiological and
hydrological processes of the plant-soil system. Water
fluxes were simulated by considering rainfall
interception, evaporation, soil water flow, drainage,
and root water uptake. Observations in the study plots
provided reliable data for the parameterisation and the
calibration of the model. Differences in rainfall
interception and root water uptake among the study
plots were realistically described. The applied
stand-level model was thus able to simulate the water
dynamics of the monospecific and mixed forest stands.
The calculated water fluxes were sensitive to the
species composition of the forest. The results of this
dissertation demonstrate that rainfall partitioning,
soil water extraction, and stand deposition of ions
differed along the investigated tree species diversity
gradient during certain periods. Both selection effects
and complementarity effects played a role. These
results provide information for the management of
deciduous forests in Central Europe to meet public
demands related to water resources as well as to ensure
forest vitality under changing climatic conditions. | de |
dc.contributor.coReferee | Schmidt, Wolfgang Prof. Dr. | de |
dc.subject.topic | Mathematics and Computer Science | de |
dc.subject.ger | Buche | de |
dc.subject.ger | Biodiversität | de |
dc.subject.ger | Fagus sylvatica | de |
dc.subject.ger | Waldstruktur | de |
dc.subject.ger | Interzeption | de |
dc.subject.ger | Ionenflüsse | de |
dc.subject.ger | Mischwald | de |
dc.subject.ger | Nährstoffeintrag | de |
dc.subject.ger | Bodenwassergehalt | de |
dc.subject.ger | Shannon Index | de |
dc.subject.ger | Stammabfluss | de |
dc.subject.ger | Temperater Wald | de |
dc.subject.ger | Bestandesniederschlag | de |
dc.subject.ger | Wasserbilanz | de |
dc.subject.eng | beech | de |
dc.subject.eng | biodiversity | de |
dc.subject.eng | Fagus sylvatica | de |
dc.subject.eng | forest structure | de |
dc.subject.eng | interception | de |
dc.subject.eng | ion fluxes | de |
dc.subject.eng | mixed species forest | de |
dc.subject.eng | nutrient input | de |
dc.subject.eng | soil water content | de |
dc.subject.eng | Shannon index | de |
dc.subject.eng | stemflow | de |
dc.subject.eng | temperate forest | de |
dc.subject.eng | throughfall | de |
dc.subject.eng | water balance | de |
dc.subject.bk | 42.90 Ökologie | de |
dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2598-1 | de |
dc.identifier.purl | webdoc-2598 | de |
dc.affiliation.institute | Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie | de |
dc.subject.gokfull | W Biologie | de |
dc.identifier.ppn | 64238956X | de |