KLIBW-GW - Auswirkungen einer klimaangepassten Baumartenwahl auf die Grundwasserneubildung

Land / Region: Deutschland

Projektanfang: 01.12.2021

Projektende: 30.11.2024

Projektstand: 25.09.2024

Hintergrund:
In Deutschland erfolgt seit vielen Jahren ein großflächiger Umbau des Waldes mit dem Ziel, unter Berücksichtigung des Klimawandels möglichst stabile, arten- und strukturreiche Wälder zu schaffen. Diese Entwicklung ist durch die erheblichen Waldschäden nach den extremen Trockenjahren 2018 und 2019 noch beschleunigt worden. Das Projektziel ist, die Auswirkungen von Waldumbaumaßnahmen mit bisher wenig untersuchten Baumarten auf die Grundwasserneubildung zu erforschen und auf eine breitere Datengrundlage zu stellen. Als wesentliche Steuergrößen sollen die Wurzelwasseraufnahme (abgebildet durch Durchwurzelungstiefe bzw. Wurzelverteilung) und die Interzeption (abgebildet durch Blattflächenindex) intensiver betrachtet werden. Insbesondere in Regionen, in denen sowohl klimabedingter Waldumbau als auch intensive Grundwassernutzung stattfinden oder die grundwasserabhängigen Landökosysteme sensitiv auf Änderungen des Grundwasserspiegels reagieren, ist es aus Vorsorgegründen unabdingbar, die Folgen des Waldumbaus abschätzen zu können. Angepasster Waldumbau mit Laubbäumen (z. B. Roteiche) kann zur Erhöhung der Grundwasserneubildung beitragen. Demgegenüber kann eine deutliche Erhöhung des Douglasien-Anteils zu geringeren Sickerwasserspenden führen. Diese quantitativ zu prognostizieren ist ein wesentliches Ziel des Projektes KLIBW-GW. Damit werden Grundlagen zum Ausgleich der Interessen von Forst- und Wasserwirtschaft bereitgestellt.

Buchenbestand im Solling Quelle: BGR

Es stehen folgende Fragen im Fokus:

• Untersuchung der Interzeption und Transpiration von Fichten- und Buchenbeständen im Mittelgebirge sowie Kiefern-, Douglasien- und Eichenbeständen im Tiefland.
• Baumartenwahl in Abhängigkeit vom Bodenwasserspeicher: Welche Wurzeln der verschiedenen Baumarten tragen wesentlich zur Versorgung bei und welche Rolle spielt die Wasserspeicherfähigkeit der Bodenhorizonte bei typischen Durchwurzelungstiefen?
• Gibt es baumartenspezifische Durchwurzelungstiefen bzw. Wurzelhorizonte, die besonders "wasseraktiv" sind?
• Wenn es "wasseraktive" Wurzelhorizonte gibt, wie verhält sich die Wassernutzungsstrategie und deren Dynamik bei verschiedenen Baumarten?
• Welche Rolle spielt der dampfförmige Wassertransport in der ungesättigten Bodenzone im Hinblick auf die Resilienz gegen Trockenstress?
• Mit welchen Messmethoden kann die Grundwasserneubildung unter Bäumen lokal quantifiziert werden. Welche Steuergrößen (z. B. Baumart, Durchwurzelungstiefe) sind zur Abschätzung der Grundwasserspende sensitiv und bedürfen einer angemessenen Berücksichtigung in den Modellansätzen? Wie groß sind die zu erwartenden Vertrauensbereiche?
• Welche Methodenkombination ist zur Erfassung notwendig, wie groß sind die Unsicherheiten?

Methoden:
Die Untersuchungen werden überwiegend auf Flächen des forstlichen Umweltmonitorings der Länder Niedersachsen und Sachsen-Anhalt durchgeführt. Im Detail wird ein Buchenbestand im Mittelgebirge mit Kiefern- und Douglasien sowie Stiel- und Traubeneichen im norddeutschen Flachland verglichen.

Die forsthydrologischen Untersuchungen werden durch den Projektpartner Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt (NW-FVA) durchgeführt. Dazu gehören insbesondere

• Messungen des Bestandsniederschlags und des Interzeptionsverlustes
• Saftflussmessungen
• Baumumfangsmessungen
• Messungen und Modellierungen des Blattflächenindex
• Wurzeluntersuchungen

Vereinfachte Struktur des Datenmanagements und der synoptischen Auswertung und Modellierung im Projekt KLIBW-GW Quelle: BGR

Die BGR setzt den Fokus auf:

• Quantifizierung der lokalen Wassergehalte und Sickerwasserbewegung mittels (i) Markierungsversuchen mit Deuterium und ii) kontinuierlichem Monitoring bodenhydraulischer Parameter
• Monitoring der Speicheränderung im Grundwasserleiter
• Numerische Simulation des Bodenwasserhaushalts
• Geophysikalisches Monitoring
• Fernerkundliches Monitoring

Partner: Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt (NW-FVA)

Förderung: Die Finanzierung erfolgt aus Mitteln des Waldklimafonds (BMEL, BMU).

Literatur:

Präsentationen

• BOSCH, K., KÖNIGER, P., STADLER, S., HEMMENS, E., FLECK, S., AHRENDS, B., MEESENBURG, H. & NEUKUM, C. (2024): Impacts of tree species on groundwater recharge - An improved understanding of processes and challenges via D2O-labelling. - Tagung der Fachsektion Hydrogeologie im DGGV (FH-DGGV), Aachen.
• BOSCH, K., HEMMENS, E., KÖNIGER, P., STADLER, S., FLECK, S., AHRENDS, B., MEESENBURG, H. & NEUKUM, C. (2024): Tiefenversickerung unter Douglasie und Kiefer im Norddeutschen Tiefland - Ergebnisse eines Tracerversuchs mit Deuteriumoxid. - 14. Tagung der AG „Waldböden“ der DBG, der AG „Humusformen“ der DBG Sektion „Wald und Wasser“ im DVFFA und der Deutschen Hydrologischen Gesellschaft, Göttingen.
• NOELL, U., HEMMENS, E., AHRENDS, B., STADLER, S., FLECK, S. & KLIBW-GW working group (2023): Reconstructing spatial variability of forest soil water characteristic by using a combination of electrical resistivity tomography and local soil water content measurements. - Generalversammlung der European Geosciences Union (EGU), 23–28 April 2023, Wien. DOI: 10.5194/egusphere-egu23-8316.

Poster

• BOSCH, K., KÖNIGER, P., HEMMENS, E., STADLER, S., FLECK, S., AHRENDS, B., MEESENBURG, H. & NEUKUM, C. (2024): Assessing groundwater recharge in a Douglas fir forest through deuterium oxide labelling across multiple experimental plots. - World groundwater congress IAH, Davos.
• BOSCH, K., KÖNIGER, P., STADLER, S., NOELL, U., HEMMENS, E., MARSHALL, J., MEESENBURG, H., AHRENDS, B., FLECK, S. & NEUKUM, C. (2023): Impacts of tree species on groundwater recharge - An improved understanding of processes and challenges via D2O-labelling and seasonal soil water isotope signals. - General assembly of the international union of geodesy and geophysics IUGG, Berlin.
• HEMMENS, E., AHRENDS, B., BOSCH, K., FLECK, S., MEESENBURG, H., NOELL, U., STADLER, S. & KLIBW-GW team (2023): Application of 3D Electric Resistivity Tomography for the monitoring of soil water dynamics – An experiment with Scots pine in the North German lowlands. - 83. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft (DGG), Bremen.
• HEMMENS, E., AHRENDS, B., BOSCH, K., FLECK, S., MEESENBURG, H., NOELL, U., STADLER, S., NEUKUM, C. & KLIBW-GW team (2024): Räumliche und zeitliche Dynamik der Bodenfeuchte im Wurzelraum – Anwendbarkeit der elektrischen Widerstandstomographie (ERT) auf einem grundwasserfernen Standort unter Kiefer (Pinus sylvestris). - Tagung „Wasser- und Stoffhaushalt von Wäldern unter Stress“, Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt, Göttingen.
• HEMMENS, E., BOSCH, K., AHRENDS, B., FLECK, S., MEESENBURG, H., MEYER, A., KÖNIGER, P., NOELL, U., SCHODLOCK, M., STADLER, S., STANGE, F. & NEUKUM, C. (2022): Auswirkung einer klimaangepassten Baumartenwahl auf die Grundwasserneubildungsmenge. - Waldklimafonds-Kongress 2022, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., Göttingen.
• HEMMENS, E., NOELL, U., BOSCH, K., STADLER, S., AHRENDS, B., FLECK, S., MEESENBURG, H. & NEUKUM, C. (2024): Monitoring spatial and temporal soil moisture dynamics with 3D Electrical Resistivity Tomography in a sandy soil under a pine forest. - 84. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft (DGG), Jena.