Wie geht es unserem Wald? Diese Frage beschäftigt uns immer wieder, besonders intensiv während der heißen und trockenen Sommer in den letzten Jahren. Für die Frage nach der Vitalität unserer Wälder ist vor allem die Wasserversorgung entscheidend. Ist es zu trocken, sind Wälder anfälliger für Schädlinge wie den Borkenkäfer oder sie sterben bei langanhaltender Trockenheit einfach ab. Auch für forstliche Entscheidungen wie die Bewässerung von Forstkulturen oder für den Einsatz von Forstmaschinen spielt die Bodenfeuchte eine entscheidende Rolle. Um diesem allgemeinen sowie praktischen Interesse gerecht zu werden, wurde der "WaldDürreMonitor Bayern" entwickelt. Dieses innovative Werkzeug dient dazu, flächendeckend auf der Ebene von einzelnen Beständen Einblicke in die aktuelle Wasserverfügbarkeit zu geben. Der Online-Dienst kann abgerufen werden unter: www.waldduerremonitor.de.
Abb. 1: Logo des WaldDürreMonitors.
Ein bewährtes Modell als Basis
Der Bodenwassergehalt lässt sich nicht auf jedem Quadratmeter Waldboden in Bayern tagesaktuell messen. Um dennoch flächendeckende Informationen zur Bodentrockenheit zu erhalten, muss der Bodenwassergehalt mit Modellen berechnet oder simuliert werden. Das Wasserhaushaltsmodell LWF-Brook90 hat sich dafür vielfach in der forstlichen Forschung bewährt und wird mit Messungen der Bodenfeuchte an den bayerischen Waldklimastationen der LWF kontinuierlich geeicht. Das Modell berücksichtigt alle relevanten Wasserflüsse im Wald wie Standorteigenschaften, Vegetation und tagesaktuelle Wetterdaten.
Alle diese Informationen möglichst standortsgenau in das Modell einfließen zu lassen und dann für die gesamte Waldfläche Bayerns tagesaktuell den Wasserhaushalt zu berechnen, war eine große Herausforderung. Wie wir dies gelöst haben, beschreiben wir im Folgenden.
Kleinräumige Standortinformation für Bayerns Waldfläche
Abb 2: Die Polygone für den WaldDürreMonitor werden mit Hilfe der Übersichtsbodenkarte 1:25.000, einem digitalen Geländemodell, der Grundwasserflurabstandskarte sowie Bestandesinformationen aus der Fernerkundung abgeleitet. Pro Polygon werden bodenphysikalische Grunddaten, Baumkenngrößen und Wetterdaten als Eingangsparameter für das Wasserhaushaltsmodell LWF-Brook90 verwendet. Daraus werden Indikatoren für den täglichen Wasservorrat im Boden, den Füllstand des Bodenwasserspeichers (% nFK), die Saugspannung im Boden sowie der Transpirationsindex berechnet.
Eine zentrale Komponente der Wasserhaushaltsmodellierung ist der Boden, dessen physikalische Eigenschaften – darunter Korngrößenzusammensetzung, Lagerungsdichte sowie Skelett- (also Stein-) und Humusgehalt – maßgeblich das Wasserhaltevermögen beeinflussen. Für unseren WaldDürreMonitor haben wir daher die genauesten Informationen verwendet, die derzeit flächendeckend und digital für Bayern zur Verfügung stehen. Diese Daten basieren auf der Übersichtsbodenkarte (1:25.000) und wurden dem Bayerischen Standortinformationssystem (BaSIS) entnommen. Die mit den Flächeninformationen verknüpften Bodenprofildaten basieren auf einer Datenbank, die Bodenaufnahmen vom Landesamt für Umwelt (LfU) sowie der LWF umfasst. Hinzu kommen Informationen zu Hangneigung, Hangausrichtung und Grundwassereinfluss, die aus der Grundwasserflurabstandskarte abgeleitet wurden.
Der Wasserhaushalt eines Waldes wird außerdem maßgeblich von der dominierenden Baumart und der Bestandesstruktur (Schichtung, Dichte, etc.) bestimmt. Um die Baumart am Standort präzise im Modell zu berücksichtigen, haben wir Fernerkundungsdaten genutzt. Dabei kamen Flächeninformationen mit 10 m Auflösung zur Baumart, Bestandeshöhe und Blattflächenindex zum Einsatz.
In der derzeitigen Konfiguration wird die gesamte Waldfläche Bayerns in etwas mehr als eine Million Einzelflächen unterteilt und für jedes dieser Polygone wird täglich ein eigener Modelllauf gerechnet (Abbildung 2). Im Gegensatz zu vergleichbaren Produkten anderer Institutionen, die die Fläche in starre Raster (Pixel) unterteilen, folgen unsere Modelleinheiten dem Gelände, so dass die Kartendarstellungen des WaldDürreMonitors näher an den geografischen Realitäten liegen.
Das Verfahren zur Herleitung von Standortseinheiten wurde im Vorläuferprojekt "Standortsfaktor Wasserhaushalt im Klimawandel" entwickelt, mit dem Ziel eine bayernweite objektivierte Einschätzung des durchschnittlichen, langjährigen Standortwasserhaushalts zu liefern. Zudem wurden wichtige allgemeingültige Ansätze zur Parametrisierung des Modells LWF-Brook90 und der verwendeten Baumarten entwickelt, die jetzt auch beim WaldDürreMonitor angewendet wurden.
Tägliche Wetterdaten
Neben den zuvor beschriebenen statischen Standortinformationen sind kontinuierlich erfasste meteorologische Eingangsgrößen erforderlich (Niederschlag, Lufttemperaturen, Wasserdampfdruck, Strahlung, Windgeschwindigkeit).
Der Deutsche Wetterdienst (DWD) stellt die Daten seiner Wettervorhersagemodelle ICON-D2 (Gitterweite: 2 km) und ICON-EU (Gitterweite: 5 km) kostenfrei zur Verfügung. Zudem gibt es einen täglich aktualisierten Niederschlagsdatensatz. Um tagesaktuell die Bodenfeuchte zu modellieren, werden die ICON-D2-Wetterdaten verwendet. Diese werden auf die oben beschriebenen Polygone übertragen, woraufhin über eine Million Wasserhaushaltsmodellierungen durchgeführt und die Ergebnisse automatisch für den Kartendienst ausgewertet werden. Durch die Einbindung von weiteren Wettervorhersagen wie des IFS (Integrated Forecasting System) des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) kann die Bodenfeuchte mit diesem Modell künftig auch für neun Tage vorhergesagt werden.
Kenngrößen für raschen Einblick in die Wasserversorgung
Um den aktuellen Bodenwasserhaushalt zu beschreiben und dabei die Bedürfnisse unterschiedlicher Nutzergruppen anzusprechen, wurden nachfolgende Kennwerte für den WaldDürreMonitor ausgewählt:
- Zeitraum ausreichender Wasserversorgung:
Gibt an, für wie viele Tage das Wasser im Waldboden bei einer täglichen Verdunstung von 3 l/m2 (mittlere tägliche Verdunstung eines Waldes im Sommer) ausreicht, wenn in diesem Zeitraum kein weiterer Niederschlag fällt. Dabei wird der Bodenwassergehalt im gesamten durchwurzelten Bereich berücksichtigt. - Füllstand des Wasserspeichers:
Zeigt an, zu wie viel Prozent der pflanzenverfügbare Bodenwasserspeicher (nutzbare Feldkapazität, siehe Infobox) aktuell gefüllt ist. Diese Kenngröße wird für zwei unterschiedliche Bodentiefen (40 und 100 cm) angegeben. Der Wert für den Oberboden (bis 40 cm) ist besonders wichtig zur Beurteilung der Wasserversorgung von anwachsenden Jungbäumen (Naturverjüngung, Pflanzung, Saat).
Abb. 3: Einteilung der Kenngröße “Saugspannung des Bodens” und Einwertung (in Anlehnung an Schroeder, 1992)
- Saugspannung des Bodens:
Beschreibt, wie stark das Wasser im Boden gebunden ist (Haltekraft). Je trockener der Boden, umso stärker wird das Wasser von ihm festgehalten. Puhlmann et al., (2010) geben eine Saugspannung von 1.300 hPa (pF 3.1) als Grenze für den Trockenstressbereich von Bäumen an. Trocknet der Boden weiter aus, wird das Wasser noch stärker fixiert und die Pflanze welkt irreversibel. Die Saugspannung ist ein Maß für die Wasserversorgung der Vegetation und wird für dieselben Tiefen angegeben wie der Füllstand (40 und 100 cm). Abbildung 3 zeigt die Einteilung der Saugspannung im WaldDürreMonitor und deren Einwertung nach Schroeder (1992).
- Transpirationsindex:
Gibt das Verhältnis von aktueller zu einer theoretisch möglichen potenziellen Transpiration an. Die potenzielle Transpiration ist durch den Verdunstungsanspruch der Atmosphäre bestimmt. Bei optimaler Wasserversorgung ist die Transpiration nicht eingeschränkt und der Transpirationsindex liegt bei “1”. Bei Austrocknen des Bodens sinkt der Wert ab. Die Bäume schränken dann die Transpiration durch Schließen der Spaltöffnungen in den Blattorganen ein und somit nimmt die tatsächliche Transpiration der Bäume ab und der Index wird zunehmend kleiner als “1”.
Die abrufbaren Kenngrößen erlauben einen schnellen Überblick über den Wasservorrat, aber auch eine weiterreichende Beurteilung der aktuellen Trockenstresssituation im Wald. Mit dem WaldDürreMonitor steht nun ein starkes Werkzeug zur Verfügung, das einen flächendeckenden Einblick in die aktuelle Wasserverfügbarkeit auf Bestandsebene ermöglicht.
Begriffe der Bodenphysik
- Feldkapazität (FK): Die maximale Wassermenge, die ein Boden gegen die Schwerkraft speichern kann, nachdem überschüssiges Wasser versickert ist.
- Totwasser: Wasser, das so stark an Bodenpartikeln gebunden ist, dass es für Pflanzen nicht verfügbar ist.
- Permanenter Welkepunkt: Sobald nur noch Totwasser im Boden verbleibt, ist der permanente Welkepunkt erreicht. Ab diesem Punkt können Pflanzen kein weiteres Wasser aufnehmen und beginnen dauerhaft zu welken.
- Nutzbare Feldkapazität (nFK): Der Bereich zwischen Feldkapazität und permanentem Welkepunkt. Nur dieser Wasseranteil steht Pflanzen zur Verfügung.
- Saugspannung: Beschreibt die Kräfte, durch die Wasser mittels Kapillarkräften und Adhäsion an Bodenpartikeln gebunden wird. Synonym verwendet man auch den Begriff Matrixpotenzial. Der sogenannte pF-Wert wird als logarithmisches Maß für die Saugspannung herangezogen: Bei der Feldkapazität liegt er bei 1,8 und am Welkepunkt bei 4,2.
Kontinuierliche Optimierung
Abb. 4: Einblick in den WaldDürreMonitor: Dargestellt ist der Füllstand des pflanzenverfügbaren Wasserspeichers im Oberboden (bis 40 cm). Bei kleinem Maßstab werden die Kenngrößen als Hexagone angezeigt. Nach dem Zoomen auf ein kleineres Gebiet werden die einzelnen Polygone sichtbar. Illustration (Laptop): Tobias Heinemann, PantherMedia
Abb. 5: Mit speziellen Sensoren wird der volumetrische Wassergehalt und die Saugspannung in verschiedenen Tiefen, hier an der Waldklimastation Freising, bestimmt. Foto: Michael Rager (LWF)
Auch wenn der WaldDürreMonitor Bayern jetzt schon in seiner ersten Ausbaustufe eine wesentlich höhere räumliche Auflösung und zeitliche Aktualität aufweist als andere Produkte auf dem Markt, wird er kontinuierlich weiterentwickelt:
In einem ersten Schritt ist geplant, die Vorhersage der Bodenfeuchteindikatoren für die nächsten fünf Tage einzubauen.
Parallel werden wir retrospektiv den Wasserhaushalt in den bayerischen Wäldern berechnen. Damit werden für Forschung und Forstpraxis Bodenfeuchtedaten der letzten Jahre bzw. Jahrzehnte zur Verfügung stehen.
Zugleich arbeiten wir daran, die Bodenfeuchte über den gesamten Tiefenverlauf der Bodenprofile darstellen zu können. Auf dem Weg dahin muss jedoch zunächst eine Lösung gefunden werden, um die dabei anfallenden großen Datenmengen effizient speichern zu können.
In einem parallellaufenden Projekt wird daran gearbeitet, die Informationen der Forstlichen Standortskarten bayernweit aufzubereiten und diese zu digitalisieren. Sobald diese digitalisierten Daten bayernweit vorliegen, können noch wesentlich passgenauere Polygone erstellt werden. Damit kann die Wirklichkeit noch deutlich detailschärfer wiedergegeben werden als dies mit unserem WaldDürreMonitor bereits heute möglich ist. Die Ergebnisse aus den Wasserhaushaltsmodellierungen könnten zudem als Grundlage für andere Fragestellungen herangezogen werden. Aktuell wird daran gearbeitet, die Modellergebnisse für die Entwicklung eines Indexes zur Bewässerung von Forstkulturen einzusetzen. Außerdem werden auch Möglichkeiten zur Bereitstellung von praxisnahen Hinweisen zur aktuellen Befahrbarkeit von Waldböden geprüft.
Zusammenfassung
Die Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft (LWF) bietet mit dem WaldDürreMonitor Bayern ein auf den Waldbesitzer zugeschnittenes Online-Tool an, das die Wasserversorgung der bayerischen Wälder tagesaktuell visualisiert. Die Karten, die aus über einer Million einzelner Polygone erstellt werden, zeichnen sich durch eine deutlich höhere räumliche Auflösung als vergleichbare Produkte anderer Institutionen aus. Außerdem fließen standörtliche Informationen über den Baumbestand mit in die Modellierungen ein. Die Bodenfeuchtekarten werden künftig einen bedeutenden Beitrag zur Diskussion über die Wasserversorgung der Wälder leisten.
Da sowohl die Einteilung der Einheiten als auch die gesamte Prozesskette in eigener Verantwortung der LWF liegen, besteht die Möglichkeit, das System kontinuierlich zu validieren und zu optimieren. In den kommenden Jahren werden zahlreiche neue Datenquellen verfügbar sein, die für die Weiterentwicklung der Modellierung genutzt werden können.
Das Projekt "Bodenfeuchtemonitor Wald (KlifW17)" wird vom Bayerischen Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft, Forsten und Tourismus (StMELF) finanziert (Laufzeit: 01.07.2022–31.12.2025).
