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Teilprojekt 1
Modellierung der ober- und unterirdischen Bestandesbiomasse
Technische Universität München, Lehrstuhl für Waldwachstumskunde
Thomas Rötzer, Hans Pretzsch
[thomas.roetzer(a)lrz-tu-muenchen.de]
Zielsetzung
Ziel dieses Teilprojekts ist, aufbauend auf den Kenndaten von virtuellen Forstbetrieben die in der Baumbiomasse gespeicherten Kohlenstoffvorräte zu quantifizieren. Auf dieser Basis sollen Bewirtschaftungs- und Klimaszenarien für die Modellbetriebe gerechnet werden, aus denen die Kohlenstoffdynamik eines Betriebes hervorgeht, die sich aus dem Zusammenwirken von biologischen Wachstumsprozessen und Holzerntemaßnahmen ergibt. Da die Szenarien nicht nur Informationen zum Kohlenstoff bereitstellen, sondern auch zu übrigen forstwirtschaftlich relevanten Kennwerten, wie z.B. Holzsortimentsaufkommen, können Managementoptionen und die daran gekoppelten Reaktionen des Waldes als Kohlenstoffspeicher in idealer Weise verbunden werden.
Methodik
Zur Durchführung dieser Szenarien werden ein ökophysiologisches und ein managementorientiertes Waldwachstumsmodell miteinander gekoppelt. Als zentrale Werkzeuge werden die einzelbaumbasierten Waldwachs-tumsmodelle SILVA (Pretzsch et al. 2002, Pretzsch 2001, 2002) und BALANCE (Grote und Pretzsch 2002, Grote 2003, Rötzer 2003, Rötzer et al. 2004, 2005) verwendet.
Als typisches managementorientiertes Waldwachstumsmodell liefert SILVA Szenarien für forstplanerisch relevante Zeiträume, das sind mehrere Jahrzehnte bis hin zu einer Umtriebszeit. Die Zeitrhythmik von Simulationsschritten bei SILVA beträgt fünf Jahre. Entscheidend für die Anwendung von SILVA ist, dass mit SILVA eine breite Palette von Durchforstungs- oder Endnutzungseingriffen realitätsnah nachgebildet werden kann und SILVA über ein quasikausales Standort-Leistungsmodul (Kahn 1994) verfügt, das die Simulation von Standort- und auch Klimaszenarien erlaubt (Pretzsch und Dursky 2002, Pretzsch und Utschig 2000).
Das Wachstumsmodell BALANCE ist ein ökophysiologisches Wuchsmodell auf Einzelbaumebene. Im Gegensatz zu SILVA werden hier Stoff- und Energieflüsse mechanistisch nachgebildet, die Erklärung der Photosyntheseraten und der Verteilung der Assimilate spielt eine zentrale Rolle im Konzept des Modells. Dies führt zu einer hohen zeitlichen Auflösung von Simulationsrechnungen mit BALANCE, die im Extremfall einen Tag betragen kann. Räumlich ist BALANCE auf die Ebene von Einzelbeständen beschränkt.
Die Berechnung der ober- und unterirdischen Biomasse von Waldbeständen erfolgt durch eine Kombination der Modelle BALANCE und SILVA. Während mit BALANCE Reaktionsmuster aufgrund sich ergebender Umweltveränderungen abgeschätzt und in Prognosealgorithmen übertragen werden, wird SILVA dazu verwendet, die gesamte Kohlenstoffbindung von virtuellen Betrieben unter Einbindung eventuell neuer Prognosealgorithmen zu simulieren (Abbildung 1).
Abb.1: Ablaufschema zur Berechnung der Kohlenstoffbindung in der ober- und unterirdischen Biomasse von virtuellen Betrieben
In einem zusätzlichen Schritt werden die tote Biomasse bzw. die Streu berechnet, die als wichtige Eingangsdaten für die Modellierung der Bodenkohlenstoffdynamik benötigt werden. (Abbildung 2).
Abb. 2: Schema der Berechnung des Kohlenstoffs in der Baumbiomasse und im Boden über die Kopplung der Modelle SILVA und mCentury
Weitere Studien zur Abhängigkeit der Kohlenstoffdynamik in der Baumbiomasse und im Boden sollen anhand von Teilprojektanalysen mit den Modellen BALANCE und mCentury erfolgen. Anhand dieser Ergebnisse können so eventuell weitere Abhängigkeiten und Reaktionsmuster zwischen Boden und Baumbiomasse in die Modellkopplung SILVA / mCentury aufgenommen werden (Abbildung 3).
Abb. 3 : Schema der Kopplung der Modelle BALANCE, mCentury und SILVA zur Ableitung von Abhängigkeiten zwischen Boden und Baumbiomasse
Validierungen des Modells BALANCE werden die zum einen intensiv, d.h. auf unterschiedlichen Modellebenen (Photosynthese von Blättern und Zweigen, Lichtgradient einzelner Bäume, Biomasseverteilung und Wasserhaushalt einzelner Bäume), an einem Standort durchgeführt (SFB 607 Standort Kranzberg). Zum anderen werden deutschlandweite Validierungen an zahlreichen Level 2 Standorten vorgenommen, die sich auf das Wachstum des gesamten Bestandes beziehen.
Ergebnisse
Neben Validierungen müssen auch Sensitivitätsanalysen erfolgen. Ein Beispiel einer solchen Analyse ist in Abbildung 4 dargestellt. Es zeigt die Veränderung eines Reaktionsmusters aufgrund von Umweltveränderungen. Ausgangspunkt der Berechnungen war ein 42 Jahre alter Kiefernbestand (dg = 22,6 cm; hg = 21,4 m; n= 664/ha) auf einem schwach sandigem Lehmboden. Die Simulation des ober- und unterirdischen Biomassezuwachses erfolgte zum einem unter Ist-Bedingungen (2001-2010), zum anderen unter veränderten Klimabedingungen (2091-2100), d.h. unter Annahme einer Erhöhung der Jahresmitteltemperatur von 9,2°C auf 11,9°C sowie einer Abnahme der Jahresniederschlagssumme von 546 mm auf 451 mm. Die Simulation lief in beiden Fällen über zehn Jahre und basiert auf dem Klimaszenarium A2 (IPCC 2001).
Klar ersichtlich ist, dass unter höheren Temperaturen und gleichzeitig geringeren Niederschlägen der Biomassezuwachs zurückgeht. Es wird aber auch deutlich, dass ein größerer Anteil des Zuwachses in das Wurzelwachstum gesteckt wird. Als Grund hierfür kann der Wassermangel im Boden (weniger Niederschläge) sowie der erhöhte Verdunstungsanspruch (erhöhte Temperaturen und höhere Strahlung) angesehen werden. Obwohl die maximale Photosynthesekapazität ansteigt, sinkt die Nettoassimilation deutlich ab. Die gesamte Respiration des Bestandes dagegen nimmt zu. Das Reaktionsmuster des Bestandes, d.h. das Wachstum der ober- und unterirdischen Biomasse verändert sich demnach aufgrund einer Veränderung der Umweltbedingungen.
Abb. 4: Zunahme der oberirdischen Biomasse in t/ha (links) und Verhältnis der Wurzelbiomasse zur oberirdischen Biomasse in % (rechts) eines Kiefernbestandes nach 10 Jahren auf Basis des Ist-Zustandes (2001-2010) und eines veränderten Klimas (2091-2100)
Solche Studien mittels eines physiologischen Modells bilden die Grundlage, um Muster des Wachstums aufgrund von veränderten Umweltbedingungen zu erkennen, die dann bei ausreichender Signifikanz in das managementorientierte Modell SILVA eingebaut werden. SIILVA vermag so die Kohlenstoffdynamik von virtuellen Forstbetrieben auch unter geänderten Umweltbedingungen abzubilden.
Literatur
Grote R. 2003 Estimation of crown radii and crown projection area from stem size and tree position. Ann.For.Sci. 60:393-402
Kahn M. 1994 Modellierung der Höhenentwicklung ausgewählter Baumarten in Abhängigkeit vom Standort. Forstl. Forschungsberichte München 141/ 1994, 201 S.
IPCC 2001 Climate Change 2001 The Scientific Basis. Contribution of the Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge and New York 2001.
Pretzsch H. 2001 Modellierung des Waldwachstums. Parey Buchverlag Berlin, 341 S.
Pretzsch H. 2002 Application and Evaluation of the growth simulator SILVA 2.2 for forest stands, forest estates and large regions. Forstw. Cbl. 121: 28-51
Pretzsch H. Utschig H. 2000 Wachstumstrends der Fichte in Bayern. Mitteilung aus der Bayerischen Staatsforstverwaltung, H. 49. 170 S.
Pretzsch H. Biber P. Dursky J. 2002 The single tree-based stand simulator SILVA: construction, application and evaluation. Forest. Ecol. and Manage. 162: 3–21
Pretzsch H. Dursky J. 2002 Growth reaction of Norway spruce (Picea abies (L.) Karst) and European beech (Fagus silvatica L.) to possible climatic changes in Germany. Forstw. Cbl. 121: 145-154
Rötzer T. 2003 Modellierung der Baumkronenentwicklung mittels eines ökophysiologischen Prozessmodells. Bundesministerium für Verbraucher-schutz, Ernährung und Landwirtschaft ref. 533. Bonn: 73-42
Rötzer T. Grote R. Pretzsch H. 2004 The timing of bud burst and its effect on tree growth. Int. J. of Biometeorology 48: 109-118
Rötzer T. Grote R. Pretzsch H. 2005 Effects of environmental changes on the vital-ity of forest stands. European Journal of Forest Research 124: 349–362
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