Wasser- und Stoffhaushalt kleiner bewaldeter Einzugsgebiete unter besonderer Berücksichtigung periglazialer Deckschichten (Nationalpark Eifel)

Projekt:

Umgestaltung eines Wassereinzugsgebietes im Nationalpark Eifel von einem Fichtenwald-Reinbestand zu einem standortgerechten Laubmischwald:

  • Dynamik des Kohlenstoff- und Wasserhaushaltes
  • Heterogenität relevanter Standortfaktoren für die Waldentwicklung

Arbeitstitel:

Untersuchungen zum Wasser und Stoffhaushalt kleiner bewaldeter Einzugsgebiete unter besonderer Berücksichtigung periglazialer Deckschichten (Nationalpark Eifel)

Derzeitiger Status

Aktive Durchführung

Hintergrund

Dieses Projekt begleitet die Umgestaltung eines Fichtenwald-Reinbestandes im Nationalpark Eifel (s. Abb. rechts) vom derzeitigen Ist-Zustand über eine Baumentnahme hin zu einem standortgerechten Laubmischwald. Der Stoffhaushalt (Kohlenstoff, Lösungsfracht, Schwebfracht, Bachgeschiebe und Wasser) sowie die ihn beeinflussenden Faktoren (Klima, Boden, Vegetation, Landnutzung) werden genauer untersucht. Erstmalig werden für dieses Gebiet im Rahmen dieses Projektes CO2-Kreisläufe quantifiziert und Maßnahmen zur Kohlenstoffreduktion beschrieben (durch das Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre – Institut 4: Agrosphäre (ICG-4)). Zudem sollen zu erwartende Veränderungen auf Stoff- und Wasserkreisläufe erfasst werden. Bestehende Datenlücken für die Mittelgebirge werden damit geschlossen (durch den Lehrstuhl für Physische Geographie und Geoökologie (PGG)).

Fragestellungen

Aufgabe des Projektes wird sein, präzise Informationen zum Stoff- (u.a. Kohlendioxid, Nitrat, Phosphat, Ammonium) und Wasserkreislauf zu erhalten sowie die Bedeutung standortrelevanter Parameter (Klima, Boden, Vegetation, Landnutzung) bei der Entstehung eines standorttypischen Laubmischwaldes zu erfassen. Während der Umwandlung eines Fichtenreinbestandes zu einem Laubwald - mit Vergleichsuntersuchungen im Freiland (Wiese) - sollen verschiedene Stadien der Umwandlung untersucht werden. Die Ergebnisse werden neue und vor allem quantifizierbare Erkenntnisse zum CO2-Haushalt sowie zum Wasser- und Stoffkreislauf im Ökosystem Wald liefern; Grundbausteine für eine nachhaltige Landnutzung und der Reduzierung atmosphärischen CO2. Von der Arbeitsgruppe PGG und dem ICG-4 bearbeitete Fragestellungen:

  • Wie wirken sich Landnutzungsänderungen auf Stoff- und Wasserhaushalt aus?
  • Welche Auswirkungen hat der Klimawandel auf Wasser, Boden und Vegetation?
  • Wie wirken sich Rückkopplungsprozesse auf terrestrische Systeme aus?
  • Wie wirken sich großräumige Eingriffe aus?

Ziele

Ziele des Lehrstuhls für Physische Geographie und Geoökologie sind insbesondere, in Kooperation mit dem ICG-4 Veränderungen des Kohlenstoff- und Wasserhaushaltes sowie der Nährstoffkreisläufe in Erwartung des absehbaren Klimawandels und der Maßnahmen zur CO2-Reduktion zu erfassen. Gesicherte Erkenntnisse in Bezug auf den Wasserhaushalt und die ihn beeinflussenden Größen in Mittelgebirgsräumen liegen bisher kaum vor. Hier schließt das Projekt eine Datenlücke. Die Rolle der Vegetation sowie der Böden (insbesondere die bodenbildenden periglazialen Deckschichten) sind hier von Bedeutung, da Prozesse der Stoffakkumulation, -umwandlung und –transport von diesen Parametern stark abhängig sind. Deckschichten haben mit ihren Mächtigkeiten und Ausprägungen einen starken Einfluss auf Sickerwasser, Grundwasserneubildung, Retention und Oberflächenabfluss. Zudem ist für die Kooperation mit dem ICG-4 die Betrachtung des Bodenwasserhaushaltes unerlässlich, um den CO2-Vorrat im Boden zu analysieren. Die Retentionskapazitäten der Böden werden präzisere Daten für das niederschlagsabhängige Verhalten derselben liefern. Somit sollen Werkzeuge und Handlungsempfehlungen geschaffen werden, mit deren Hilfe die Auswirkungen anthropogener Eingriffe im Vorfeld besser abgeschätzt werden können.

Methoden

Boden:

Zur Beschreibung des Bodenwasserhaushalts ist eine eingehende Charakterisierung der Bodeneigenschaften notwendig. Bohrstockkartierungen, Analysen von Bodenproben sowie Messungen mit Georadar vermitteln einen ersten Eindruck über Zusammensetzung, Verbreitung und Mächtigkeit des Untergrundes. Nähere Informationen zur Temperatur und dem Bodenwasserhaushalt werden mit einer Bodenmessstation (2 Messfelder in einem Hang im Bestand, siehe Abb.) erworben. Bodenlösung, Wassergehalt und Saugspannung verdeutlichen Wasser- und Stoffbewegungen in den einzelnen Tiefen und entlang des Hanges. Ergänzend werden Sedimentfallen in den Hängen eingebracht, um Erosionsraten ermitteln zu können. Geomorphologische Kartierungen geben einen weiteren Überblick über die Beschaffenheit der Oberfläche und ermöglichen eine Übersicht über Störungen, z.B. durch Gräben, Stellungen oder Sprengtrichter, die einen gravierenden Einfluss auf Bodenwasserbewegungen haben.

Wasser:

Für die Beschreibung des Stoffhaushalts ist die Erfassung des Eintrags (gewährleistet durch das ICG-4) und des Austrags (PGG) wichtig. Zur Ermittlung des Austrags über das Bachwasser dienen drei Probenamestellen (für Geröll, Schwebfracht, Lösungsfracht), die in Verbindung zu Abflussmessungen (unter Fichtenwald, Moor/Erlenbruchwald und Freiland) gesetzt werden. Weitere gewässerökologische Parameter werden mittels einer Multiparametersonde, Temperatursensoren und Erosionsnägel entlang des Baches erfasst, um unterschiedliche Standorteigenschaften zu erfassen. Vergleichsproben mit benachbarten Bächen ergänzen das Bild. Untermauert werden die Betrachtungen zum Wasser- und Stoffhaushalt durch eine GIS-gestützte Analyse, die eigene Kartierungen, historische Landnutzungsformen sowie ein Laserscannerhöhenmodell (vom Landesbetrieb Wald und Holz NRW – Nationalparkforstamt Eifel zur Verfügung gestellt) beinhalten.

Messvorrichtungen / erhobene Daten (PGG)

Boden:

  • Bodenhydrologische Messstation (1 Messstation mit 2 Messfeldern (Ober- und Unterhang) im Fichtenbestand):
    • Matrixpotenziale in jeweils 30, 80 und 100 cm Tiefe
    • Wassergehalt in jeweils 30 cm Tiefe
    • Bodenlösung (Nitrat, Phosphat, Ammonium, Chlorid, Eisen) in jeweils 30 und 60 cm
  • Bodentemperatur in 4 – 26 cm Tiefe (Transsekt mit insgesamt 6 HotDogs im Bestand)
  • Bohrstockkartierungen / Bodenproben (u.a. Bodentyp, Bodenart, C/N/S-Untersuchungen, RFA, pH)
  • Georadar (Mächtigkeit der Deckschichten)
  • Sedimentfallen im Hang
  • Geomorphologische Kartierungen
  • Ringinfiltrometer (Wassersättigung und Sickergeschwindigkeit)
  • Bodendichtemessungen (Penetrograph)

Wasser:

  • Abflussmessungen (Nadelwald [hier mit Thomson-Wehr], Moor/Erlenbruchwald und Freiland: hier zusätzlich mit Temperatur)
  • Wasserproben (Nitrat, Phosphat, Ammonium, Chlorid, Eisen und Schwebfracht) und Vergleichsmessungen an einem benachbarten Bach
  • Geschiebefallen
  • Leitfähigkeit, Temperatur, Sauerstoffgehalt, pH (Multiparametersonde)
  • Erosionsnägel
  • Tracer

[ zur Übersicht ]