Analyzing feedbacks in a forest soil-vegetation-atmosphere system

Abstract

In this study, the soil-vegetation-atmosphere system of a 38 ha forested headwater catchment in the Eifel region (western Germany) was analyzed with the aim to improve the understanding of the impacts of climate forcings and soil water supply on tree/forest water use and growth. The focus species was Norway spruce (<em>Picea abies</em> [L.] H. Karst.), a species, which is known to be particularly vulnerable to heat and drought. Tree water use was assessed on the basis of sap flow measurements. The choice of the data processing approach for sap flow measurements has considerable impacts on the resulting estimates of absolute tree water use. Therefore, a comparative study of different data processing approaches was conducted to quantify the uncertainty in sap flow estimates, which is related to the data processing procedure. In a second step, the sap flow series of two plots with contrasting soil moisture regimes were used to derive a new water stress factor and to parameterize the Feddes water stress model for Norway spruce. The onset of drought stress was observed at a root-zone pressure head of -4100 cm water column (-402 kPa). With that, the trees showed a higher drought resistance than previously assumed. Maximum drought stress was determined for a root zone pressure head of -15,000 cm water column (-1471 kPa), while aeration stress was not observed. The newly parameterized water stress function was implemented in the soil hydrological model HYDRUS-1D with the aim to improve site specific water balance simulations. This aim was achieved for a plot with temporarily limited soil water supply. Considering soil moisture patterns and species specific critical limits of soil water supply in the model setup can thus improve the simulation of transpiration fluxes on the catchment scale. Based on this finding, long-term water balance simulations were carried out for 48 plots within the catchment. These and other microsite conditions were set into context with inter-annual growth variations in terms of tree ring data. The data showed that soil water supply strongly affects the climate-growth responsiveness of Norway spruce across different levels of data aggregation. On the regional scale, inter-annual growth variations were better explained by soil water supply than by monthly precipitation sums. Also the formation of growth clusters within the catchment mainly followed spatial patterns of soil water supply. While the driest cluster showed the strongest climate-growth reaction, the climate-growth response of the wettest cluster was almost completely insignificant. Across all investigated microsites within the test-site, the climate-growth response of Norway spruce was directly (simulated soil suction of the root-zone) and indirectly (planting density) related to local soil water supply. Small-scale information on soil water supply can thus help to improve the interpretability of tree ring data and to investigate species-specific growth limitations.

In dieser Arbeit wurden verschiedene Rückkopplungen im Boden-Pflanze-Atmosphärensystem eines 38 ha großen bewaldeten Einzugsgebietes in der Eifel (Westdeutschland) analysiert. Ziel war, das Verständnis der Auswirkungen von Klimavariablen und Bodenwasserverfügbarkeit auf Wasserverbrauch und Wachstum von Bäumen bzw. Wäldern zu verbessern. Im Fokus der Studie stand die Gemeine Fichte (<em>Picea abies</em> [L.] H. Karst.). Diese Art reagiert besonders empfindlich auf Trockenheit und Hitze. Der Wasserverbrauch der Bäume wurde anhand von Saftflussmessungen untersucht. Zur Verarbeitung von Saftflussdaten stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Je nach Methode fallen die Berechnungen des Wasserverbrauches allerdings sehr unterschiedlich aus. Daher wurde in einem ersten Schritt eine vergleichende Analyse verschiedener Datenbearbeitungsverfahren durchgeführt. Ziel war dabei, die Unsicherheit von Saftflussmessungen in Bezug auf die gewählte Datenverarbeitungsmethode zu quantifizieren. Anschließend wurden die Saftflussdaten verwendet, um einen alternativen Wasserstressfaktor zu entwickeln. Dieser wurde genutzt, um das Wasserstressmodell nach Feddes für die Gemeine Fichte zu parameterisieren. Die Analysen ergaben, dass Trockenstress bei Fichten ab einer mitt-leren Saugspannung von -4100 cm Wassersäule (-402 kPa) einsetzt. Damit ist die Baumart resistenter gegen Trockenheit als bislang angenommen. Der permanente Welkepunkt liegt bei einer mittleren Saugspannung von -15,000 cm Wassersäule (-1471 kPa). Belüftungsstress durch Staunässe konnte für Fichten im Rahmen dieser Studie nicht nachgewiesen werden. Die neu parameterisierte Wasserstressfunktion wurde in das bodenhydrologische Modell HYDRUS-1D implementiert um zu testen, ob die artspezifische Parametrisierung standortbasierte Wasserhaushaltsmodellierungen verbessern kann. Tatsächlich konnten für einen Standort mit zeitweise limitierter Bodenwasserverfügbarkeit realistischere Modellergebnisse erzielt werden. Die Berücksichtigung von Bodenfeuchtevariabilitäten und artspezifischen Grenzwerten für Bodenwasserstress kann somit auch zur Verbesserung der Simulation von Transpirationsflüssen auf Einzugsgebietsebene beitragen. In einem weiteren Schritt wurden Langzeitsimulationen der Bodenwasserverfügbarkeit an 48 Standorten innerhalb des Untersuchungsgebietes durchgeführt. Die Ergebnisse und weitere kleinräumige Standortvariabilitäten wurden anhand von Jahrringdaten mit Jahr-zu-Jahr Variabilitäten im Baumwachstum in Bezug gesetzt. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Bodenwasserverfügbarkeit skalenübergreifende Auswirkungen auf das Klima-Wachstumssignal von Fichten hat. So korreliert das regionale Klima-Wachstumssignal auf Einzugsgebietsebene besser mit der simulierten Bodenwasserverfügbarkeit also mit monatlichen Niederschlägen. Auch die Bildung von Wachstumsclustern innerhalb des Untersuchungsgebietes orientiert sich vorwiegend an räumlichen Bodenfeuchtemustern. Dabei zeigte das Wachstumscluster mit den trockensten Bedingungen die stärkste Klima-Wachstumsbeziehung, während das Cluster mit den feuchtesten Bedingungen mit einer Ausnahme keine signifikante Klima-Wachstumsbeziehungen aufwies. Die Analyse der Klima-Wachstumssignale aller 48 Einzelstandorte ergab, dass diese in ihrer Ausprägung sowohl direkt über die simulierte Bodenwasserverfügbarkeit, als auch indirekt über die Pflanzdichte an den Bodenwasserhaushalt gekoppelt sind. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass kleinräumig aufgelöste Daten über die Bodenwasserverfügbarkeit am Untersuchungsstandort die Interpretierbarkeit von Jahrringdaten verbessern und dazu beitragen können, artenspezifische Wachstumsgrenzen zu identifizieren.