Mikroklima in Buchenbeständen–Teil I: Photosynthetisch aktive Strahlung

Forstw. Cbl. 121 (2002), 301⫺321  2002, Blackwell Verlag, Berlin ISSN 0015-8003

Mikroklima in Buchenbeständen ⴚ Teil I: Photosynthetisch aktive Strahlung Microclimate within Beech Stands ⴚ Part I: Photosynthetically Active Radiation Von H. MAYER, TH. HOLST und D. SCHINDLER

Zusammenfassung Forstmeteorologische Untersuchungen werden im südwestlichen Teil der Schwäbischen Alb (Südwestdeutschland) durchgeführt, um die Einflüsse von Exposition und Überschirmung auf das Mikroklima in verschiedenen Rotbuchenbeständen (Fagus sylvatica L.) zu analysieren. Die Untersuchungen sind Bestandteil interdisziplinärer Arbeiten über die Auswirkungen von Klima und Bewirtschaftung auf Strukturen und Prozesse in buchendominierten Laubwäldern. Grundlage der Untersuchungen bilden Bodenstationen zur kontinuierlichen Erfassung forstmeteorologischer Variablen. Sie wurden in einem engen Tal am NO- und dem gegenüberliegenden SW-Hang auf jeweils einer unbehandelten Kontrollfläche und einer starken Schirmhiebfläche eingerichtet. Mit Sensoren an zwei Messtürmen auf den beiden unbehandelten Kontrollflächen werden zusätzlich die klimatischen Bedingungen über den Buchenbeständen und in ihren Kronenräumen erfasst. Durch die Anlage der Versuchsflächen ist es möglich, nicht nur die expositionsbedingten Einflüsse, sondern über die Variabilität des Pflanzenflächenindexes PAI auch die Auswirkungen von waldbaulicher Behandlung und Phänophasen auf das Mikroklima in den verschiedenen Buchenbeständen zu untersuchen. Dieser Artikel konzentriert sich auf die an den Bodenstationen und als Referenz über den Beständen gemessene photosynthetisch aktive Strahlung PAR. Sie wird mit horizontal orientierten Sensoren erfasst. Über den Beständen lassen sich Unterschiede zur hangparallelen PAR mit Modellrechnungen für die Globalstrahlung G abschätzen, weil PAR/G über den Beständen nahezu konstant ist (1,937 µmol J⫺1). Als Ergebnisse werden für PAR und die PAR-Interzeption im Kronenschirm im Jahr 2001 diskutiert: mittlere Tagesgänge für je einen Monat in der laubfreien und belaubten Phase, Tages- und Monatsmittelwerte über das gesamte Jahr sowie Mittelwerte für die laubfreie und belaubte Phase. Sie zeigen den Einfluss der Exposition beider Hänge in der laubfreien Phase auf PAR an den Bodenstationen und die PAR-Interzeption auf. Er trat in der belaubten Phase deutlich gegenüber dem Einfluss des voll entwikkelten Kronenschirms zurück. Resultate aus Regressionsanalysen für den gesamten Untersuchungszeitraum deuten mit ansteigendem PAI eine lineare Abnahme von PAR/G unter dem Kronenschirm sowie eine logarithmische Zunahme der PAR-Interzeption im Kronenschirm und eine exponentielle Abnahme der PAR-Transmission durch den Kronenschirm der Buchenbestände an. Auch beim Extinktionskoeffizienten k von PAR besteht die Tendenz einer logarithmischen Abnahme mit ansteigendem PAI. Schlüsselwörter: Fagus sylvatica L., PAR, Exposition, Bewirtschaftung, PAI, PAR/G, PAR-Interzeption, PAR-Transmission, PAR-Extinktion

Summary Meteorological investigations were carried out in forests in the southwestern part of the Swabian Alb (SW Germany) to analyze the influences of exposition and silvicultural treatment on the microclimate within various stands of beech (Fagus sylvatica L.). The measurements were taken as part of an interdisciplinary project on the effects of climate and forest management on structures and processes within beech dominated deciduous forests. Near-surface stations for continuous recording of meteorological variables in forests provide the basis of the investigations. Two each were installed on two opposite slopes (NE and SW) of a narrow valley: one within a control plot (no silvicultural thinning) and one within a silviculturally treated plot (strong shelterwood felling). Meteorological towers on each control plot provided data for the analysis of climatic conditions above the beech stands and within their canopies. The experimental design is well-suited for investigation of not only the influence of exposition, but also the effects of forest management and phenophases on the microclimate within differently handled beech stands. The plant area index PAI is used to characterize the canopy. The present article deals with the photosynthetically active radiation PAR at the near-surface stations and above the stands as a reference. PAR is measured horizontally. Above the stands, differences to

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PAR received parallel to the slopes can be estimated by use of model calculations for the incoming solar radiation G due to the fact that PAR/G is almost constant (1.937 µmol J⫺1) above the stands. For PAR and the PAR-interception within the canopy in the year 2001, the following results are discussed: mean diurnal courses in one month within the leafless period (February) and the vegetation period (August), daily mean values over the whole year and monthly mean values. For the leafless period the results show the influence of the exposition of both slopes on PAR at the near-surface stations and the PAR-interception. In the vegetation period, however, the influence of the fully developed canopy was more significant than exposition. With increasing PAI, results from regression analysis for the entire investigation period indicate a linear decrease of PAR/G below the canopy as well as an exponential increase of PAR-interception within the canopy and a logarithmic decrease of the PARtransmission through the canopy. The extinction coefficient k for PAR shows a tendency towards logarithmic decrease with increasing PAI. Keywords: Fagus sylvatica L., PAR, exposition, forest management, PAI, PAR/G, PAR-interception, PAR-transmission, PAR-extinction

1 Einleitung Das Klima eines Waldstandortes wird durch die langfristige Entwicklung seines Strahlungs-, Wärme-, Wasser- und Stoffhaushaltes geprägt. Im inhomogenen Gelände hängen die Kenngrößen der dabei zugrundeliegenden Bilanzgleichungen ⫺ außer von großräumigen Einflüssen ⫺ von Exposition und Höhenlage ab, was insgesamt zum Standortklima führt. Forstliche Bewirtschaftungsmaßnahmen modifizieren das Standortklima durch Eingriffe in die Bestandesstruktur (u.a. MORECROFT et al. 1998). Neben diesen Einflussfaktoren werden die spezifischen Standortklimate durch globale und regionale Klimaänderungen sowie durch regional wirksame, zeitlich limitierte Witterungsereignisse geprägt (u.a. MAYER et al. 1988, FABIAN und MENZEL 1998). Mit diesem atmosphärischen Umfeld müssen sich Waldbäume am lokalen Standort auseinandersetzen (u.a. FELBERMEIER 1994). Die Buche ist auf einer Vielzahl natürlicher Waldstandorte in Mitteleuropa die bestandsbildende Baumart der natürlichen Waldgesellschaft (ELLENBERG 1996). In der Vergangenheit wurde sie durch nutzungsbedingte Aktivitäten der Menschen in ihrer Verbreitung stark zurückgedrängt. Von den Forstverwaltungen wird allerdings in den letzten Jahren eine verstärkte Hinwendung zu Baumarten der natürlichen Waldgesellschaft und damit zur Buche gefordert (u.a. HANEWINKEL 2001, KENK and GUEHNE 2001). Der Strahlungshaushalt hat neben dem Wärme-, Wasser- und Stoffhaushalt eine zentrale Bedeutung für Strukturen und Prozesse in Wäldern. Zum Strahlungshaushalt von Buchenbeständen unter europäischen Klimabedingungen gibt es einige Untersuchungen im Freiland, u.a. aus dem Solling (KIESE 1972) und dem Göttinger Wald (u.a. EHRHARDT und VAN EIMERN 1983, VAN EIMERN 1984). Sie sind jedoch meistens rein klimatischer Art, d. h. ihr Schwerpunkt liegt in der spezifischen Kennzeichnung der Landnutzung „Buchenwald“ im Gegensatz zu anderen Landnutzungsarten und nicht in der Analyse expositionsund überschirmungsbedingter Einflüsse auf den Strahlungshaushalt in Buchenbeständen. Generell besteht ein Mangel an systematischen Studien zur forstmeteorologischen Relevanz von Klima und Witterung für Wachstum, Verbreitung und Konkurrenzverhalten von buchendominierten Laubwäldern. Sie sollen nicht nur den sich ändernden regionalen Klimabedingungen Rechnung tragen, sondern auch die Auswirkungen verschiedener forstlicher Bewirtschaftungsarten sowie expositionsbedingter Effekte auf die Komponenten von Strahlungs-, Wärme-, Wasser- und Stoffhaushalt von Buchen berücksichtigen. Aus diesem Grund wurden im Jahr 1999 umfangreiche interdisziplinäre Arbeiten in Buchenbeständen auf der Schwäbischen Alb in Südwestdeutschland begonnen, in denen die Einflüsse von Klima und Bewirtschaftung auf buchendominierte Laubwälder quantifiziert werden sollen (RENNENBERG 2001). Ein Teilprojekt ist die Untersuchung der mikroklimatischen Bedingungen in Buchenbeständen in Abhängigkeit von Exposition und Überschirmung. Daraus ist dieser Artikel entstanden. Seine Zielsetzung bildet die Analyse der räumlich-zeitlichen Variabilität der photosynthetisch aktiven Strahlung PAR in Buchenbestän-

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den auf zwei gegenüberliegenden Hängen, die sich hinsichtlich ihrer Exposition und Struktur unterscheiden. Die zeitliche Variabilität wird über mittlere monatliche Tagesgänge für einen Monat in der laubfreien Phase (Februar 2001) und einen Monat in der belaubten Phase (August 2001) sowie Tages- und Monatsmittelwerte im Jahr 2001 untersucht. Die räumliche Variabilität ergibt sich aus der Berücksichtigung von zeitlich parallelen PARDaten aus verschieden strukturierten Buchenbeständen in unterschiedlicher Exposition. In die Datenanalyse werden die aus PAR abgeleiteten Variablen Interzeption, Transmission und Extinktion miteinbezogen. Die Entscheidung, mit PAR eine Artikelserie zum Mikroklima in Buchenbeständen zu beginnen, ist durch die fundamentalen photosynthetischen, thermischen und photomorphogenetischen Auswirkungen von PAR (u.a. ROSS 1975, HALE 2001, BEAUDET and MESSIER 2002) begründet.

2 Standort Die Untersuchungsflächen befinden sich in 70 bis 80 Jahre alten, einschichtigen, geschlossenen Buchenbeständen (Fagus sylvatica L.) nahe der Gemeinde Möhringen (ca. 100 km östlich von Freiburg). Im Krähenbachtal (ca. 690 m ü. NN, 8 ° 40’ E, 48 ° 00’ N) wurden Kernflächen (GEßLER et al. 2001, RENNENBERG 2001) auf dem NO-exponierten Mittelhang des Möhringer Berges (bis zu 200 m über dem Talboden) und dem gegenüberliegenden SW-exponierten Mittelhang des Mühlberges (bis zu 180 m über dem Talboden) ausgewiesen. Die mittlere Bestandeshöhe H betrug auf dem NO-Hang 28 m und auf dem SWHang 26 m. Auf beiden Kernflächen wurden folgende ca. 0.5 ha große, nebeneinander liegende Versuchsflächen eingerichtet, die aus einem 30 m ⫻ 30 m großen Kernbereich und einem gleichbehandelten Randstreifen von 20 m Breite bestehen: Kontrollflächen (unbehandelt), schwache Schirmhiebflächen und starke Schirmhiebflächen.

3 Messmethodik PAR wird als Photonenflussdichte kontinuierlich an forstmeteorologischen Messstellen auf beiden Hängen erhoben. Dabei handelt es sich um baugleiche mikroklimatische Bodenstationen auf zwei Kontrollflächen (NO1.0 und SW2.0) und zwei starken Schirmhiebflächen (NO2.2 und SW1.2) sowie um jeweils einen meteorologischen Messturm auf beiden Kontrollflächen. Zur Charakterisierung der Versuchsflächen enthält die Tabelle 1 einige Gelände- und Bestandeskenngrößen. Für die Bestimmung des Pflanzenflächenindexes PAI wurden zwei LAI-2000 Plant Canopy Analyzer (Fa. LI-COR) eingesetzt. Tabelle 1. Kennzeichen der Versuchsflächen mit mikroklimatischen Bodenstationen, PAI: Pflanzenflächenindex. Table 1. Features of the experimental areas with microclimatic near-surface stations, PAI: plant area index.

Höhe über NN Hangrichtung Hangneigung Bäume/ha Grundfläche PAI (laubfrei) PAI (belaubt)

NO1.0

Versuchsflächen NO2.2 SW2.0

SW1.2

820 m NO 25 ° 526 27 m2/ha 1,1 5,2

820 m NO 25 ° 123 11 m2/ha 0,6 1,7

750 m SW 25 ° 199 10 m2/ha 0,4 2,1

760 m SW 25 ° 576 21 m2/ha 0,7 5,1

Die Messungen von PAR erfolgen breitbandig im Wellenlängenbereich zwischen 400 und 700 nm über LI-190SA Quantum Sensoren der Firma LI-COR. Die Messhöhe von

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PAR beträgt an den Bodenstationen z = 1,5 m über Grund und an den Messtürmen z/H = 1,30. In beiden Messniveaus werden auch die kurz- und langwelligen Strahlungsflüsse aus dem oberen und unteren Halbraum über Strahlungsbilanzmesser vom Typ CNR 1 der Fa. Kipp & Zonen erfasst. Alle Strahlungsmesswertgeber werden je Messpunkt im Abstand von 30 s über einen Micrologger (Typ CR23X, Fa. Campbell) abgescannt und zu 30 Minuten-Mittelwerten aggregiert. Weitere Details zu den mikroklimatischen Bodenstationen und Messtürmen, z. B. hinsichtlich aller Messgrößen und Messwertgeber, sind bei HOLST et al. (2000, 2001) ausführlich beschrieben.

4 Ergebnisse 4.1 PAR/G Verhältnis Obwohl aus biologischen Gründen erhebliches Interesse an PAR-Daten besteht (siehe u.a. HALE 2001, BEAUDET und MESSIER 2002), gibt es kaum kontinuierliche Messungen von PAR auf Waldstandorten. Über Beständen bietet sich alternativ an, PAR aus der Globalstrahlung G abzuleiten, da (1) Werte für G etwas leichter verfügbar sind und (2) Ergebnisse aus bisherigen Untersuchungen auf ein fast konstantes Verhältnis PAR/G hinweisen. Die Mittelwerte von PAR/G streuen um 2 µmol J⫺1, wobei nur geringfügige Abhängigkeiten von Standort, Jahreszeit, Lufttrübung und meteorologischen Verhältnissen bestehen (u.a. LANGHOLZ und HÄCKEL 1985, ROSS und SULEV 2000, GONZA´ LEZ und CALBO´ 2002). Tabelle 2. Mittelwerte des Quotienten aus photosynthetisch aktiver Strahlung PAR und Globalstrahlung G an den Bodenstationen NO1.0 und NO2.2. Table 2. Mean values of the ratio of photosynthetically active radiation PAR to incoming solar radiation G at the near-surface stations NO1.0 and NO2.2. PAR/G (µmol Jⴚ1) Jan. ⫺ Apr. 2002 (laubfrei) Mai 2002 Jun. ⫺ Aug. 2002 (belaubt)

NO1.0

NO2.2

1,752 1,031 0,412

1,792 1,612 1,560

Auf der Grundlage von Daten für PAR und G, die an beiden Untersuchungshängen in Möhringen in z/H = 1,30, d. h. über den Beständen, erhoben wurden, ergab sich über das Jahr 2001 ein fast konstanter Mittelwert von PAR/G = 1,937 µmol J⫺1. Unter dem Kronenschirm waren die bestandesspezifischen Verhältnisse PAR/G kleiner und zeigten eine Abhängigkeit von den phänologischen Phasen der Buchenbestände. Der Grund dafür ist die spektral unterschiedliche Abschwächung von PAR und G durch die Baumkronen, weil PAR nicht den gesamten Wellenlängenbereich von G umfasst. Am Beispiel des NOHanges deutet sich für das Jahr 2002 (Tabelle 2) eine lineare Beziehung zwischen PAR/G und PAI an, die auf der Grundlage des allerdings geringen Wertekollektivs wie folgt lautet (Bestimmtheitsmaß R2 = 0,980): PAR/G = ⫺0,281 PAI + 1,937

(1)

So war in der Vegetationsperiode 2002 der Mittelwert von PAR/G auf der Kontrollfläche NO1.0 mit 0,412 deutlich kleiner als auf der starken Schirmhiebfläche NO2.2, die wegen des niedrigeren PAI einen erheblich größeren Mittelwert von PAR/G mit 1,560 aufwies. 4.2 Einfluss der Positionierung der PAR Messwertgeber Infolge horizontal positionierter PAR-Messwertgeber treten Abweichungen von der realen Bestrahlung der Hangflächen auf (u.a. TIAN et al. 2001). Sie wurden zunächst für die

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Globalstrahlung G bei wolkenlosen Bedingungen modellmäßig nach VDI (1994) berechnet. Da zuvor gezeigt wurde, dass PAR als linearer Anteil an G angegeben werden kann, lassen sich die expositionsbedingten Einflüsse auf G, die im wesentlichen durch die gerichtete direkte Sonnenstrahlung verursacht werden, auch auf PAR übertragen. Die Modellrechnungen berücksichtigten neben Hangneigung und Hangrichtung (Tabelle 1) auch die lokalspezifische Horizontüberhöhung an den horizontal positionierten Messwertgebern. Unabhängig von der exakten räumlichen Lage lässt sich die Intensität der Horizontüberhöhungen durch den Sky View Factor SVF angeben, der nach GRIMMOND et al. (2001) ein Maß für den Grad der Abschattung des Himmels an den Standorten der Bodenstationen darstellt, die ohne Berücksichtigung der Baumkronen nur durch das Geländerelief hervorgerufen wird. Die Bestimmung von SVF erfolgte über die Auswertung von Fish-eye Aufnahmen mit dem Modell RayMan (MATZARAKIS et al. 2000). Für das Niveau über den Beständen (z/H = 1,30) ist SVF am SW-Hang (88 %) standortsbedingt etwas größer als am NO-Hang (85 %). Da die Bodenstationen auf dem NO-exponierten Mittelhang etwas höher als auf dem SW-exponierten Mittelhang installiert sind, ist SVF für die beiden Bodenstationen auf dem NO-Hang geringfügig höher (NO-Hang: 81 %, SW-Hang: 77 %). Aus den Simulationsberechnungen ergeben sich folgende Ergebnisse: (1) Im mittleren monatlichen Tagesgang von hangparallelem G treten die Maxima auf dem NO-Hang vor und auf dem SW-Hang nach dem Sonnenhöchststand ein. Die Differenz zwischen den Eintrittszeiten dieser Maxima und dem Sonnenhöchststand hängt von Sonnenhöhe, Exposition und Horizontüberhöhung ab. Sie beträgt im Juni beim NO-Hang ca. 0,5 Stunden und beim SW-Hang ca. 1,5 Stunden. Im Dezember verlängert sie sich beim NO-Hang auf 2 Stunden, während sie sich beim SW-Hang nicht nennenswert verändert. (2) Die mittleren monatlichen Tagesgänge der Quotienten aus hangparalleler zu horizontaler Globalstrahlung liegen beim NO-Hang am Vormittag über und am Nachmittag unter 1, während sich die Verhältnisse am SW-Hang umgekehrt verhalten. (3) Auf dem NO-Hang ist im Monatsmittel die hangparallele Globalstrahlung immer kleiner als die horizontale Globalstrahlung; am SW-Hang bestehen entgegengesetzte Verhältnisse (Tabelle 3). AstroTabelle 3. Monats- und Jahresmittelwerte der Globalstrahlung G bei wolkenlosen Bedingungen: Verhältnisse von GNO,p bzw. GSW,p auf hangparallele Sensorflächen zu GNO,e bzw. GSW,e auf horizontale Sensorflächen mit hangspezifischer Horizontüberhöhung sowie GNO,p zu GSW,p. Table 3. Mean monthly and annual values of incoming solar radiation G at cloudless conditions: ratios of GNO,p and GSW,p values, measured parallel to the slopes, to GNO,e and GSW,e measured horizontally with slope specific horizon conditions as well as GNO,p to GSW,p. Zeitraum

GNO,p/GNO,e

GSW,p/GSW,e

GNO,p/GSW,p

Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember

0,58 0,67 0,72 0,77 0,80 0,81 0,80 0,78 0,75 0,71 0,66 0,60

1,47 1,32 1,19 1,11 1,05 1,02 1,03 1,06 1,14 1,24 1,38 1,55

0,26 0,46 0,60 0,71 0,76 0,78 0,76 0,71 0,64 0,54 0,43 0,29

Nov. ⫺ Apr. Juni ⫺ Sept.

0,67 0,79

1,34 1,06

0,46 0,72

Jahr

0,72

1,21

0,58

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nomisch bedingt sind diese Unterschiede an beiden Hängen im Juni am geringsten und im Dezember (SW-Hang) bzw. Januar (NO-Hang) am größten. 4.3 Mittlere monatliche Tagesgänge in der laubfreien und belaubten Phase 4.3.1 PAR Aus den mittleren Tagesgängen von PAR in den verschiedenen Buchenbeständen im Februar 2001 (Abb. 1a und b), d. h. in der laubfreien Phase, lässt sich der Einfluss der

Abb. 1a. Stundenmittelwerte der photosynthetisch aktiven Strahlung PAR in und über verschiedenen Buchenbeständen (in 1,5 m Höhe über Grund und in z/H = 1,30) auf dem NO-Hang im Februar 2001. Fig. 1a. Hourly mean values of the photosynthetically active radiation PAR within and above different beech stands (1.5 m above the ground and in z/H = 1.30) on the NE-slope in February 2001.

Abb. 1b. Stundenmittelwerte der photosynthetisch aktiven Strahlung PAR in und über verschiedenen Buchenbeständen (in 1,5 m Höhe über Grund und in z/H = 1,30) auf dem SW-Hang im Februar 2001. Fig. 1b. Hourly mean values of the photosynthetically active radiation PAR within and above different beech stands (1.5 m above the ground and in z/H = 1.30) on the SW-slope in February 2001.

Exposition erkennen, der bei den horizontal positionierten Messwertgebern primär von den unterschiedlichen, reliefbedingten Horizontüberhöhungen an den jeweiligen Messpunkten verursacht wurde. So traten in Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus den Modellrechnungen die Tagesmaxima von PAR auf beiden Kernflächen am NO-Hang

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deutlich früher als auf den vergleichbaren Flächen am SW-Hang ein. Die höchsten Stundenmittelwerte von PAR ergaben sich für die starke Schirmhiebfläche am SW-Hang (SW1.2), die in der laubfreien Phase den geringsten PAI der untersuchten Kernflächen hat. In der belaubten Phase unterschieden sich die Werte für PAI zwischen den Kontrollflächen und den starken Schirmhiebflächen wesentlich stärker als in der laubfreien Phase (Tabelle 1). Dadurch wurden in der Vegetationsperiode die expositionsbedingten Effekte auf PAR deutlich von den Einflüssen der waldbaulichen Behandlung übertroffen. Bei den Resultaten für August 2001 (Abb. 2a und b) weisen die Kontrollflächen NO1.0 und SW2.0 infolge des hohen PAI so niedrige Werte auf (Stundenmittelwerte von PAR unter 75 µmol m⫺2 s⫺1), dass sich fast kein Tagesgang erkennen lässt. Der etwas unruhige Verlauf von PAR auf beiden starken Schirmhiebflächen resultierte aus der geringen Bestandesdichte (Tabelle 1). Das mittlere Tagesmaximum von PAR erreichte auf der Fläche

Abb. 2a. Stundenmittelwerte der photosynthetisch aktiven Strahlung PAR in und über verschiedenen Buchenbeständen (in 1,5 m Höhe über Grund und in z/H = 1,30) auf dem NO-Hang im August 2001. Fig. 2a. Hourly mean values of the photosynthetically active radiation PAR within and above different beech stands (1,5 m above the ground and in z/H = 1,30) on the NE-slope in August 2001.

Abb. 2b. Stundenmittelwerte der photosynthetisch aktiven Strahlung PAR in und über verschiedenen Buchenbeständen (in 1,5 m Höhe über Grund und in z/H = 1,30) auf dem SW-Hang im August 2001. Fig. 2b. Hourly mean values of the photosynthetically active radiation PAR within and above different beech stands (1.5 m above the ground and in z/H = 1.30) on the SW-slope in August 2001.

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NO2.2 einen etwas höheren Wert als auf der Fläche SW1.2, was auf den auf NO2.2 niedrigeren PAI-Wert zurückzuführen ist. 4.3.2 PAR-Interzeption im Kronenraum Die im Kronenraum absorbierte PAR (aPAR) ist die Energie, die für die Photosynthese zur Verfügung steht (NOUVELLON et al. 2000). Eine Abschätzung für aPAR stellt die Interzeption von PAR im Kronenraum dar, die von PAI, Struktur (Verteilungen von Blättern und Blattwinkel) und optischen Eigenschaften des Kronenschirms sowie Sonnenhöhe und Anteil von diffusem am gesamten PAR abhängt. Bei aPAR kommen optische Eigenschaften des Bodens als weitere Einflussfaktoren hinzu. Die Interzeption von PAR im Kronenraum (iPAR in %) wird hier nach ASNER et al. (1998) wie folgt bestimmt:

冢

iPAR = 100 1 ⫺

PARz PAR0

冣

(2)

mit PARz bzw. PAR0: PAR in der Höhe z = 1,5 m über dem Waldboden bzw. über den Buchenbeständen (hier: z/H = 1,30). Die für die Bodenvegetation bedeutsame Transmission von PAR durch den Kronenraum (tPAR in %) ergibt sich aus tPAR = 100 ⫺ iPAR

(3)

Die Resultate für Februar 2001 (Abb. 3a und b) weisen für beide Kontrollflächen in der laubfreien Phase höhere iPAR-Werte als für die vergleichbaren starken Schirmhiebflächen auf, was durch die niedrigeren PAI-Werte der starken Schirmhiebflächen bedingt ist. Die zwischen dem NO- und dem SW-Hang differierende Form der mittleren Tagesgänge von iPAR wurde primär durch expositionsbedingte Unterschiede zwischen den mittleren Tagesgängen von PAR unter dem Kronenschirm verursacht. Charakteristisch für die mitt-

Abb. 3a. Stundenmittelwerte der PAR-Interzeption (iPAR) im Kronenschirm verschiedener Buchenbestände auf dem NO-Hang im Februar 2001. Fig. 3a. Hourly mean values of PAR-interception (iPAR) within the canopies of different beech stands on the NE-slope in February 2001.

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Abb. 3b. Stundenmittelwerte der PAR-Interzeption (iPAR) im Kronenschirm verschiedener Buchenbestände auf dem SW-Hang im Februar 2001. Fig. 3b. Hourly mean values of PAR-interception (iPAR) within the canopies of different beech stands on the SW-slope in February 2001.

Abb. 4a. Stundenmittelwerte der PAR-Interzeption (iPAR) im Kronenschirm verschiedener Buchenbestände auf dem NO-Hang im August 2001. Fig. 4a. Hourly mean values of PAR-interception (iPAR) within the canopies of different beech stands on the NE-slope in August 2001.

leren Tagesgänge der PAR-Interzeption im August 2001 (Abb. 4a und b) sind die fast gleichmäßig hohen iPAR-Werte auf beiden Kontrollflächen, die durch den hohen PAI verursacht wurden. Die deutlich niedrigeren PAI-Werte der starken Schirmhiebflächen in der belaubten Phase führten zu einer geringeren PAR-Interzeption als auf den Kontrollflächen. Speziell bei den starken Schirmhiebflächen unterschied sich die Form der mittleren Tagesgänge von iPAR aufgrund von expositionsbedingten Einflüssen auf die mittleren Tagesgänge von PAR unter dem Kronenschirm. Ausschlaggebend dafür waren primär die

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Abb. 4b. Stundenmittelwerte der PAR-Interzeption (iPAR) im Kronenschirm verschiedener Buchenbestände auf dem SW-Hang im August 2001. Fig. 4b. Hourly mean values of PAR-interception (iPAR) within the canopies of different beech stands on the SW-slope in August 2001.

bereits erwähnten unterschiedlichen Horizontüberhöhungen an den jeweiligen Messpunkten. 4.3.3 Extinktionskoeffizient Über Strahlungstransfermodelle, in denen eine mathematische Kennzeichnung der Struktur des Kronenraums mit der quantitativen Veränderung von PAR beim Durchgang durch den Kronenraum kombiniert ist, lässt sich die vertikale Abnahme von PAR zum Waldboden hin beschreiben. Diese Modelle weisen einen unterschiedlichen Grad an Komplexität auf, der sich auch in den Modellannahmen, Eingangsgrößen und Modellergebnissen widerspiegelt (siehe u.a. ZHANG und XU 2002). Der größte Unterschied besteht dabei in der Parametrisierung der Struktur des Kronenraums. Da von den Untersuchungsbeständen in Möhringen noch nicht alle bestandesspezifischen Eingangsgrößen für die Anwendung adäquater Strahlungstransfermodelle zur Verfügung stehen, wurde zunächst als Maß für die gesamte Abschwächung von PAR durch den Kronenraum der integrale Extinktionskoeffizient k aus dem Gesetz von Beer-Lambert (u.a. KULL et al. 1999, AUBIN et al. 2000, PALVA et al. 2001) herangezogen. Im Wellenlängenbereich von PAR berechnet sich k wie folgt: ln k=⫺

冢 PAR 冣 PARz

0

PAI

(4)

wobei PARz und PAR0 die photosynthetisch aktive Strahlung in der Höhe z = 1,5 m über dem Waldboden bzw. über den Buchenbeständen (hier: z/H = 1,30) sind. Da die Beziehung (4) homogene Waldbestände voraussetzt, ließ sich k in dieser Untersuchung nur für die beiden Kontrollflächen berechnen. Die Ergebnisse in der Abb. 5 zeigen bei beiden Kontrollflächen in der belaubten Phase (August 2001) niedrigere k-Werte als in der laubfreien Phase (Februar 2001). In der belaubten Phase 2001 waren die mittleren Tagesgänge von k deutlich schwächer ausgeprägt als in der laubfreien Phase 2001. Verantwortlich dafür ist hauptsächlich der dichtere Kronenschirm in der belaubten Phase, der sich in hohen PAI-Werten äußert. In der laubfreien

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Abb. 5. Stundenmittelwerte des Extinktionskoeffizienten k für die photosynthetisch aktive Strahlung (in 1,5 m Höhe über Grund) auf den Kontrollflächen NO1.0 und SW2.0 im Februar und August 2001. Fig. 5. Hourly mean values of the extinction coefficient k for photosynthetically active radiation (1.5 m above the ground) on the control plots NO1.0 and SW2.0 in February and August 2001.

Phase zeigten die mittleren Tagesgänge von k auf beiden Hängen näherungsweise die gleiche Form wie die mittleren Tagesgänge von iPAR, was durch die kombinierte Wirkung von niedrigen PAI-Werten und stärkerem Expositionseinfluss verursacht wurde. 4.4 Mittlere Jahresgänge auf der Grundlage von Tagesmittelwerten 4.4.1 PAR Aus den bisherigen Abbildungen für die Monate Februar und August 2001 konnten Muster der Einflüsse der belaubten und laubfreien Phase auf PAR unter dem Kronenschirm sowie der PAR-Interzeption im Kronenschirm abgeleitet werden. Für die weitere Untersuchung der Auswirkung des phänologischen Jahresablaufs in der Entwicklung der Baumkronen auf PAR und die PAR-Interzeption werden Tagesmittelwerte herangezogen. Unter Bezug auf PAR über den Beständen zeigte sich am NO-Hang (Abb. 6a) Anfang Mai 2001

Abb. 6a. Tagesmittelwerte der photosynthetisch aktiven Strahlung PAR in und über verschiedenen Buchenbeständen (in 1,5 m Höhe über Grund und in z/H = 1,30) auf dem NO-Hang im Jahr 2001. Fig. 6a. Daily mean values of the photosynthetically active radiation PAR within and above different beech stands (1.5 m above the ground and in z/H = 1.30) on the NE-slope in the year 2001.

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eine rapide Abnahme von PAR auf der Kontrollfläche NO1.0, die durch die einsetzende Blattentfaltung der Buchen verursacht wurde. Bei der starken Schirmhiebfläche NO2.2 bewirkten die im Vergleich zu NO1.0 langsamere Blattentfaltung und der geringere PAIWert einen Stillstand des jahreszeitlich bedingten Anstiegs von PAR. Darauf folgte eine Periode mit fast gleichbleibenden PAR-Werten, bis sich die im Juli einsetzende astronomisch verursachte Abnahme von PAR bemerkbar machte. Der im Oktober 2001 beginnende Blattfall ließ PAR auf beiden Versuchsflächen kurzfristig leicht ansteigen.

Abb. 6b. Tagesmittelwerte der photosynthetisch aktiven Strahlung PAR in und über verschiedenen Buchenbeständen (in 1,5 m Höhe über Grund und in z/H = 1,30) auf dem SW-Hang im Jahr 2001. Fig. 6b. Daily mean values of photosynthetically active radiation PAR within and above different beech stands (1.5 m above the ground and in z/H = 1.30) on the SW-slope in the year 2001.

Die Jahresgänge von PAR am SW-Hang (Abb. 6b) verliefen ähnlich zum NO-Hang. Die Modifizierungen waren durch Unterschiede in den PAI-Werten und der Exposition verursacht. So erreichten die PAR-Werte zu Beginn des Jahres 2001 auf der Kontrollfläche SW2.0 und der starken Schirmhiebfläche SW1.2 expositionsbedingt höhere Werte als auf den vergleichbaren Flächen des NO-Hangs. Nach Einsetzen der Blattentfaltung waren die PAR-Werte auf der Fläche SW2.0 etwas größer als auf der Fläche NO1.0. Bei der starken Schirmhiebfläche SW1.2 dominierte der Einfluss des im Vergleich zu NO2.2 höheren PAI-Wertes über die Expositionswirkung, so dass im Sommer 2001 die PAR-Werte auf der Fläche SW1.2 deutlich unter denjenigen auf der Fläche NO2.2 lagen. Mit Einsetzen des Blattfalls im Oktober 2001 veränderte sich PAR auf den Versuchsflächen am SWHang entsprechend den vergleichbaren Flächen auf dem NO-Hang. 4.4.2 PAR-Interzeption im Kronenraum Wegen der PAI-Verhältnisse weisen die Jahresgänge der PAR-Interzeption in der Vegetationsperiode 2001 für NO1.0 die größten iPAR-Werte auf, gefolgt von SW2.0, SW1.2 und NO2.2 (Abb. 7a und b). Dementsprechend war auf der starken Schirmhiebfläche NO2.2 die PAR-Transmission durch den Kronenschirm größer als auf SW1.2, so dass für die Entwicklung des Unterwuchses auf NO2.2 mehr Strahlungsenergie zur Verfügung stand. Diese Schlussfolgerung wird durch eigene Untersuchungen zur PAI-Veränderung zwischen den Jahren 2000 und 2002 sowie vegetationskundliche Beobachtungen (nach PAUL und REIF (2002) Zunahme des Unterwuchses auf den starken Schirmhiebflächen im Jahr nach dem Hieb auf NO2.2 um 25 % und auf SW1.2 nur um 8 %) bestätigt. In der laub-

Mikroklima in Buchenbeständen ⫺ Teil I: Photosynthetisch aktive Strahlung

313

Abb. 7a. Tagesmittelwerte der PAR-Interzeption (iPAR) im Kronenschirm verschiedener Buchenbestände auf dem NO-Hang im August 2001. Fig. 7a. Daily mean values of the PAR-interception (iPAR) within the canopies of different beech stands on the NE-slope in August 2001.

Abb. 7b. Tagesmittelwerte der PAR-Interzeption (iPAR) im Kronenschirm verschiedener Buchenbestände auf dem SW-Hang im August 2001. Fig. 7b. Daily mean values of the PAR-interception (iPAR) within the canopies of different beech stands on the SW-slope in August 2001.

freien Phase zeigten die Jahresgänge von iPAR, insbesondere auf der starken Schirmhiebfläche am NO-Hang, vergleichsweise ausgeprägte Tagesschwankungen. Ein Grund dafür könnten Schwankungen in der Himmelsbedeckung mit Wolken sein, die sich unterschiedlich auf die PAR-Interzeption im inhomogenen Kronenraum in dieser Periode auswirkten. Es könnten aber auch temporär messtechnische Ungenauigkeiten aufgetreten sein, z. B. infolge von Tau- bzw. Reifbesatz der Strahlungsmesswertgeber, die in den verschiedenen Messhöhen unterschiedlich lang andauerten. 4.4.3 Extinktionskoeffizient Die Jahresgänge des Extinktionskoeffizienten k, der aus Tagesmittelwerten von PAR berechnet wurde, beziehen sich nur auf eindeutige laubfreie oder belaubte Phänophasen auf

314

H. Mayer, Th. Holst und D. Schindler

Abb. 8. Tagesmittelwerte des Extinktionskoeffizienten k für die photosynthetisch aktive Strahlung (in 1,5 m Höhe über Grund) auf den Kontrollflächen NO1.0 und SW2.0 in der laubfreien und in der belaubten Phase im Jahr 2001. Fig. 8. Daily mean values of the extinction coefficient k for photosynthetically active radiation (1.5 m above the ground) on the control plots NO1.0 and SW2.0 during the leafless and fully-leafed period 2001.

beiden Kontrollflächen (Abb. 8), da die Übergangsperioden im Mai und Oktober wegen der fehlenden, sich täglich ändernden PAI-Werte nicht berücksichtigt werden konnten. In Analogie zur Abb. 5 hatten beide Kontrollflächen in der laubfreien Phase höhere k-Werte als in der belaubten Phase. Auffallend sind ferner die bereits bei der PAR-Interzeption erwähnten ausgeprägten Schwankungen in der laubfreien Phase, während die Variabilität von k in der belaubten Phase deutlich niedriger war. Ebenfalls in Übereinstimmung mit Abb. 5 lagen in der belaubten Phase die k-Werte für die Kontrollfläche auf dem NOHang etwas über denjenigen für die Kontrollfläche auf dem SW-Hang. 4.5 Mittlere Jahresgänge auf der Grundlage von Monatsmittelwerten 4.5.1 PAR Die Tagesmittelwerte von PAR für das Jahr 2001 (Abb. 6a bis b) sind in der Tabelle 4 als Monatsmittelwerte sowie als Mittelwerte über die laubfreie Phase (November bis April) und belaubte Phase (Juni bis September) zusammengefasst. Über den Buchenbeständen waren auf beiden Hängen die PAR-Mittelwerte für das Jahr und die belaubte Phase identisch. Systematische PAR Unterschiede traten aber in der laubfreien Phase auf. Am SWHang lag PAR bei den Monatsmittelwerten um bis zu 23 % und beim Mittelwert für die laubfreie Phase um 7 % über den Vergleichswerten am NO-Hang. Ursache waren primär die expositionsbedingten Horizontüberhöhungen. Bei den PAR-Verhältnissen in den einzelnen Versuchsbeständen kommt zu diesem Einflussfaktor noch der PAI-Wert hinzu, der in Abhängigkeit von den Phänophasen variierte. Unter dem Schirm war PAR auf SW2.0 im Jahresmittel um 65 % größer als auf der analogen Fläche NO1.0. Im Mittel über die laubfreie Phase lag PAR auf SW2.0 um 43 % und im Mittel über die belaubte Phase ⫺ bei allerdings sehr niedrigen Beträgen ⫺ um 200 % über den Vergleichswerten auf NO1.0. Grund dafür sind die höheren PAI-Werte in der laubfreien und belaubten Phase auf NO1.0. In der belaubten Phase lag die PAI-Differenz zwischen NO1.0 und SW2.0 fast im Rahmen der Messgenauigkeit der LAI-2000 Plant Canopy Analyzer, so dass für die deutlichen PAR-Unterschiede zwischen diesen beiden Versuchs-

Mikroklima in Buchenbeständen ⫺ Teil I: Photosynthetisch aktive Strahlung

315

Tabelle 4. Monatsmittelwerte der photosynthetisch aktiven Strahlung PAR in und über verschiedenen Buchenbeständen (in 1,5 m Höhe über Grund und in z/H = 1,30) im Jahr 2001. Table 4. Monthly mean values of the photosynthetically active radiation PAR within and above different beech stands (1.5 m above the ground and in z/H = 1.30) in the year 2001.

z/H = 1,30

PAR (µmol mⴚ2 sⴚ1) NO-Hang SW-Hang NO1.0 NO2.2 z/H = 1,30 SW2.0

SW1.2

Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember

70 126 150 282 442 445 450 406 216 183 88 52

18 33 49 93 26 7 7 5 3 10 19 12

27 49 94 179 196 174 170 134 58 38 27 19

79 141 156 284 426 432 455 410 207 189 100 64

30 51 65 123 51 27 26 13 6 14 29 21

45 82 98 181 150 96 102 108 53 56 49 32

Nov. ⫺ Apr. Juni ⫺ Sept.

128 379

37 6

66 134

137 376

53 18

81 90

Jahr 2001

243

23

97

245

38

88

flächen sonnenstandsspezifische Löcher im Kronenschirm von SW2.0 mitverantwortlich waren. Bei den starken Schirmhiebflächen hatte NO2.2 in der laubfreien Phase einen höheren und in der belaubten Phase einen niedrigeren PAI-Wert als SW1.2. Daher war der PARMittelwert in der laubfreien Phase auf SW1.2 um 23 % größer als auf NO2.2, während er in der belaubten Phase auf NO2.2 um 49 % über dem Vergleichswert auf SW1.2 lag. Im Mittel über das Jahr 2001 war PAR auf NO2.2 um ca. 10 % größer als bei SW1.2. 4.5.2 PAR-Interzeption im Kronenraum Bei den bestandesspezifischen Interzeptionsbedingungen (Tabelle 5) betrug iPAR im Mittel über die belaubte Phase 99 % bei NO1.0 und 95 % bei SW2.0. Da NO2.2 in der belaubten Phase den geringsten PAI-Wert hatte, trat dort der niedrigste Mittelwert von iPAR auf (66 %). Auf SW1.2 erreichte iPAR in diesem Zeitraum einen Mittelwert von 76 %. In der laubfreien Phase war iPAR mit 73 % auf NO1.0 am größten und mit 43 % auf SW1.2 am kleinsten. Der sich andeutende Zusammenhang zwischen iPAR (in %) und PAI hat auf der Grundlage des vorhandenen Wertekollektivs die logarithmische Form (R2 = 0,929): iPAR = 19,09 ln(PAI) + 64,42

(5)

Für die Transmission von PAR durch den Kronenraum (tPAR in %) ergibt sich folgende Beziehung (R2 = 0,882) tPAR = 100,00 e⫺0,7495 PAI

(6)

Die Form der regressionsanalytisch bestimmten Beziehung (6) zeigt eine Ähnlichkeit zum Gesetz von Beer-Lambert in (4). Eine hangspezifische Differenzierung der Regres-

316

H. Mayer, Th. Holst und D. Schindler

Tabelle 5. Monatsmittelwerte der PAR-Interzeption (iPAR) im Kronenschirm verschiedener Buchenbestände im Jahr 2001. Table 5. Monthly mean values of the PAR-interception (iPAR) within the canopy of different beech stands in the year 2001. iPAR (%) NO-Hang

SW-Hang

NO1.0

NO2.2

SW2.0

SW1.2

Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember

74 74 68 67 94 99 99 99 99 95 79 77

62 61 37 36 56 61 62 67 73 80 70 64

62 64 59 57 88 94 94 97 97 93 71 67

43 42 37 36 65 78 78 74 74 70 51 51

Nov. ⫺ Apr. Juni ⫺ Sept.

73 99

55 66

63 95

43 76

Jahr 2001

90

60

85

64

sionskoeffizienten in (5) und (6) ist auf der Grundlage des zur Verfügung stehenden Wertekollektivs noch nicht möglich. 4.5.3 Extinktionskoeffizient Die Extinktionskoeffizienten k für beide Kontrollflächen sind in der Tabelle 6 als Monatsmittelwerte ⫺ ohne Berücksichtigung der Übergangsmonate Mai und Oktober zwischen Tabelle 6. Monatsmittelwerte des Extinktionskoeffizienten k für die photosynthetisch aktive Strahlung (in 1,5 m Höhe über Grund) auf den Kontrollflächen NO1.0 und SW2.0 in der laubfreien und belaubten Phase im Jahr 2001. Table 6. Monthly mean values of the extinction coefficient k for the photosynthetically active radiation (in 1.5 m above the ground) on the control plots NE1.0 and SW2.0 for the leafless and fully-leafed period in the year 2001. k NO1.0

SW2.0

Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember

1,17 1,20 1,04 1,02 ⫺ 0,81 0,81 0,85 0,83 ⫺ 1,33 1,31

1,22 1,40 1,21 1,15 ⫺ 0,59 0,58 0,68 0,67 ⫺ 1,61 1,42

Nov. ⫺ Apr. Juni ⫺ Sept.

1,18 0,83

1,34 0,63

Mikroklima in Buchenbeständen ⫺ Teil I: Photosynthetisch aktive Strahlung

317

laubfreier und belaubter Phase ⫺ und als Mittelwerte über beide Phänophasen im Jahr 2001 zusammengefasst. In der belaubten Phase lag k auf der Fläche SW2.0 zwischen 0,59 und 0,68 (Mittelwert: 0,63), während die k-Werte für die Fläche NO1.0 zwischen 0,81 und 0,85 (Mittelwert: 0,83) schwankten. In der laubfreien Phase drehten sich diese Verhältnisse um und die Fläche SW2.0 wies höhere k-Monatsmittelwerte als die Fläche NO1.0 auf, was sich auch in den k-Mittelwerten für die laubfreie Phase niederschlug (SW2.0: k = 1,34; NO1.0: k = 1,18).

5 Diskussion Durch die Anordnung der Untersuchungsflächen in verschiedenen Buchenbeständen auf einem NO- und dem gegenüberliegenden SW-Hang lässt sich ein Klimagradient simulieren, der expositionsbedingt ist. Er wird lokal durch die unterschiedliche waldbauliche Behandlung der Buchenbestände modifiziert. Bei gleichartigen Versuchsflächen auf beiden Hängen differieren allerdings baumkronenspezifische Kenngrößen, wie z. B. PAI, weil es technisch kaum möglich ist, vollkommen identische Bedingungen bei gleichartigen Versuchsflächen herzustellen. Dennoch konnte hier anhand von PAR gezeigt werden, dass sich mit diesem Versuchsdesign neben expositionsbedingten Effekten auch bewirtschaftungsbedingte Einflüsse auf das Mikroklima in Buchenbeständen analysieren lassen. Ziel der kontinuierlichen Messungen an den Bodenstationen ist die Erfassung der klimatischen Bedingungen in den Kernbereichen der einzelnen Versuchsflächen auf beiden Hängen. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage nach der Positionierung der Messwertgeber (horizontal oder hangparallel). Unter Bezug auf die vertikale Struktur der Buchenbestände und die dementsprechend durchgeführten Bestimmungen von PAI wurde entschieden, alle Messwertgeber an den Bodenstationen horizontal zu positionieren. Für PAR ergeben sich dadurch Abweichungen von der realen PAR-Bestrahlung der Hangflächen. Ihre Größenordnung lässt sich über Modellrechnungen zur hangparallelen und ebenen Globalstrahlung G angeben, die für wolkenlose Bedingungen durchgeführt wurden und hangspezifische Horizontüberhöhungen berücksichtigten. Die Übertragung der dabei erzielten Ergebnisse auf PAR ist durch den linearen Zusammenhang zwischen G und PAR gewährleistet. Die in der Tabelle 3 zusammengestellten Größenordnungen für Monatsmittelwerte von G bzw. PAR stellen maximale Werte dar, die allerdings in der Realität wegen des Abweichens der monatlichen Witterung von durchgehend wolkenlosen Bedingungen nicht erreicht werden. Zur Bestimmung von Flächenmittelwerten werden speziell bei Analysen zu Strahlungsflüssen im Wald verschiedene Methoden angewendet. Prinzipiell hängt dabei die Anzahl der Messpunkte von der Bestandesstruktur und der Messdauer ab (u.a. BALDOCCHI und COLLINEAU 1994, JOHANSSON 1996). So setzten z. B. REIFSNYDER et al. (1971) 15 Sensoren ein, die innerhalb eines Halbkreises mit einem Radius von 30 m zufällig angeordnet waren. In Untersuchungen, die eine vergleichsweise große Anzahl von Messpunkten erfordern, werden häufig mobile Sensoren zur Berechnung von Flächenmittelwerten verwendet (u.a. BALDOCCHI et al. 1984, PALVA et al. 2001). Generell ist aber die Analyse von Strahlungsdaten aus mobilen Sensoren nicht einfach, wenn zwischen räumlichen und zeitlichen Einflüssen unterschieden werden soll. Ein neuerer Lösungsansatz dieser Problematik stammt von REITMAYER et al. (2002), die in einem Buchen-Fichten-Mischbestand eine hohe räumliche Auflösung der dreidimensionalen, spektral aufgelösten Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 380 und 850 nm erzielten, indem sie 264 4π Sensoren einsetzten, die über 30 m lange Lichtwellenleiter mit einem geeigneten Spektrometer verbunden waren. In dieser Untersuchung wurde auf kontinuierliche mobile Messungen von PAR aus folgenden Gründen verzichtet: (1) vergleichsweise geringe Flächengröße der einzelnen Versuchsparzellen, (2) Anordnung der Bodenstationen im Zentrum der Versuchsparzellen, (3) intensive dynamische Entwicklung des Unterwuchses auf den starken Schirmhiebflächen wäh-

318

H. Mayer, Th. Holst und D. Schindler

rend des mehrjährigen Messzeitraums und (4) fallweise ergänzende Rastermessungen auf den Versuchsparzellen. Die PAR-Ergebnisse für das Jahr 2001, die in Form von mittleren Tagesgängen für je einen Monat in der laubfreien und belaubten Phase sowie Tages- und Monatsmittelwerten über das gesamte Jahr diskutiert werden, zeigen den Einfluss der Exposition beider Hänge in der laubfreien Phase auf. Er trat an den Bodenstationen in der belaubten Phase deutlich gegenüber dem Einfluss zurück, den der voll entwickelte Kronenschirm auf PAR ausübte. Als Kenngröße für den Zustand des Kronenschirms wurde PAI verwendet. Die Resultate aus regressionsanalytischen Untersuchen deuten mit ansteigendem PAI eine lineare Abnahme von PAR/G unter dem Kronenschirm, eine logarithmische Zunahme der Interzeption im Kronenschirm und eine exponentielle Abnahme der Transmission durch den Kronenschirm an. Auch beim Extinktionskoeffizienten k besteht die Tendenz einer logarithmischen Abnahme mit ansteigendem PAI. Allerdings ist bei diesem Zusammenhang das Bestimmtheitsmaß deutlich niedriger als bei den explizit angegebenen Regressionsbeziehungen. Mitverantwortlich dürfte hier sein, dass k nur für beide Kontrollflächen bestimmt werden konnte, weil sie im Gegensatz zu den starken Schirmhiebflächen die methodische Voraussetzung einer vergleichsweise homogenen Bestandesstruktur erfüllen. Prinzipiell sind die bisherigen Wertekollektive als Basis für regressionsanalytische Untersuchungen vergleichsweise klein. Die Struktur der Regressionsbeziehungen ließ sich zwar aufzeigen, die ermittelten Regressionskoeffizienten dürften aber mehr einen vorläufigen Charakter haben. Aufgrund der verfügbaren Wertekollektive konnte auch die Frage nach einer expositionsspezifischen Differenzierung der ermittelten Regressionsbeziehungen noch nicht beantwortet werden. Da sich die PAR- und PAI-Messungen an beiden Hängen jedoch über eine längere Periode als nur ein Jahr erstrecken und damit die Wuchsdynamik der Buchenbestände in diesem Zeitraum erfasst werden kann, lassen sich die Regressionskoeffizienten zu einem späteren Zeitpunkt mit einem größeren Wertekollektiv überprüfen und genauer quantifizieren. Die Begründung für die hier erzielten k-Unterschiede zwischen laubfreier und belaubter Phase liefert die Untersuchung von BALDOCCHI et al. (1984). Danach dominiert in der belaubten Phase die Vorwärtsstreuung von PAR, während sie in der laubfreien Phase wegen der Strahlungsundurchlässigkeit von Zweigen und Ästen fehlt. Zusätzlich ist während der laubfreien Phase die Sonnenhöhe deutlich niedriger, so dass PAR einen längeren Weg durch den Kronenraum als in der belaubten Phase zurückzulegen hat. Daraus resultieren insgesamt eine größere Abschwächung von PAR bzw. ein größerer Extinktionskoeffizient k während der laubfreien Phase. Für die Verwendung von k in forstlichen Wachstumsmodellen zur Simulation der PAR-Interzeption durch Baumkronen (siehe Zusammenstellung bei AUBIN et al. 2000) sind geeignete k-Werte erforderlich. Die Literatur enthält einige baumartenspezifische Mittelwerte für k (u.a. JOHANSSON 1996), denen allerdings meistens Untersuchungen in verschiedenen Nadelholzbeständen zugrunde liegen. Analysen von k in Laubholzbeständen sind vergleichsweise selten. Aufgrund der vielfältigen Einflussfaktoren schwanken die k-Mittelwerte zwischen 0,6 und 3,1. Zur Einordnung der hier für zwei Buchenbestände erzielten k-Mittelwerte werden k-Mittelwerte verwendet, die aus Untersuchungen von BALDOCCHI et al. (1984) in einem Eichen-Hickory-Mischbestand stammen. Er wies in der belaubten Phase PAI = 5,5 und in der laubfreien Phase PAI = 0,6 auf. In der laubfreien Phase war der k-Mittelwert von BALDOCCHI et al. (1,06) kleiner als die für Buchen bestimmten k-Mittelwerte (NO1.0: 1,18; SW2.0: 1,34). In der belaubten Phase lag der k-Mittelwert (0,73) von BALDOCCHI et al. zwischen den Mittelwerten für NO1.0 (0,83) und SW2.0 (0,62). Auf der Grundlage von phänologischen Beobachtungen, die KIRCHGÄßNER (2001) an Kräutern und Gräsern sowie an Rotbuchen auf den Versuchsflächen durchgeführt hat, lässt sich die Frage nach einem Zusammenhang zwischen PAR unter Schirm und dem Eintritt ausgewählter Phänophasen diskutieren. Generell waren die phänologischen Reak-

Mikroklima in Buchenbeständen ⫺ Teil I: Photosynthetisch aktive Strahlung

319

tionen auf die waldbauliche Behandlung, insbesondere am NO-Hang, uneinheitlich, was unter Umständen auf den kurzen phänologischen Beobachtungszeitraum mit seiner spezifischen Witterung zurückgeführt werden könnte. Dennoch deuteten sich einige Tendenzen vor allem zu Beginn der Vegetationszeit an. So wiesen am SW-Hang die meisten Arten auf der starken Schirmhiebfläche einen früheren Start der generativen Entwicklung als auf der Kontrollfläche auf. Am NO-Hang zeigten sich jedoch bei vielen Arten genau entgegengesetzte Verhältnisse. Die Zeitdifferenzen erreichten maximal eine Woche, so dass sie sich in den mittleren Tagesgängen von PAR (Abb. 6a und b) kaum erkennen lassen. KIRCHGÄßNER (2001) vermutet, dass zu Beginn der Vegetationsperiode auf dem NO-Hang der Effekt höherer Bodentemperaturen auf der Kontrollfläche den Einfluss von größerem PAR und höheren Tagesmaxima der Lufttemperatur auf der starken Schirmhiebfläche überwiegt. Daraus lässt sich für die gesamte Vegetationszeit folgern, dass die Eintrittstermine von phänologischen Phasen von Pflanzen unter Schirm nicht durch eine Variable, wie z. B. PAR, allein, sondern durch die kombinierte Wirkung von Energie- und Wasserhaushalt, allerdings mit phasenspezifischen Schwerpunkten, bestimmt werden. Damit ist der Expositionseinfluss auf die phänologische Entwicklung angesprochen. Auf den Versuchsflächen setzte sie am SW-Hang um im Mittel eine Woche früher als auf dem NO-Hang ein. Im weiteren Verlauf der Vegetationsperiode zeigte sich auf dem NO-Hang allerdings eine raschere phänologische Entwicklung als auf dem SW-Hang.

6 Schlussfolgerungen Mit der räumlich-zeitlich differenzierten Betrachtung von PAR wurden umfangreiche Grundlagen für die Untersuchung ihrer biologischen Wirkung innerhalb des interdisziplinären Projekts bereitgestellt. Strukturen und Prozesse in buchendominierten Laubwäldern, wie z. B. Bestandes- und Unterwuchsentwicklung, werden aber nicht nur durch PAR allein, sondern auch durch die standörtlichen Bedingungen des Wärme- und Wasserhaushalts beeinflusst. Für die Buchenbestände an beiden Hängen bei Möhringen zeigt sich das deutlich an den Ergebnissen der phänologischen Beobachtungen (KIRCHGÄßNER 2001), die auf zusätzliche bestandesspezifische Einflüsse von Luft- und Bodentemperatur sowie Niederschlag bzw. Bodenfeuchte hinweisen. Daher bilden der Wärme- und Wasserhaushalt die Zielsetzungen weiterer Studien zum Mikroklima in Buchenbeständen. Vorteilhaft ist dabei, dass sich die forstmeteorologischen Messungen auf den Untersuchungsflächen über mehrere Jahre erstrecken. Dadurch bietet sich die Möglichkeit, die mikroklimatischen Auswirkungen der ausgeprägteren Wuchsdynamik auf den starken Schirmhiebflächen ⫺ im Gegensatz zur deutlich reduzierteren Wuchsdynamik auf den Kontrollflächen ⫺ näher zu analysieren.

7 Anmerkungen Für die Finanzierung der mikroklimatischen Untersuchungen in verschiedenen Buchenbeständen bei Möhringen durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (bis zum Sommer 2001 im Rahmen des Teilprojekts A1 des SFB 433 und seitdem im Rahmen des Projektes MA 749/17⫺1) wird vielmals gedankt. Herrn Prof. Dr. H. Rennenberg, Professur für Baumphysiologie an der Universität Freiburg, gebührt der Dank für seine wissenschaftliche Initiative und das Gesamtkonzept zu den interdisziplinären Arbeiten in Buchenbeständen.

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H. Mayer, Th. Holst und D. Schindler

8 Literatur ASNER, G.P., WESSMAN, C., ARCHER, S., 1998: Scale dependence of absorption of photosynthetically active radiation in terrestrial ecosystems. Ecol. Appl. 8, 1003⫺1021. AUBIN, I., BEAUDET, M., MESSIER, CH., 2000: Light extinction coefficients specific to the understory vegetation of the southern boreal forest, Quebec. Can. J. For. Res. 30, 168⫺177. BALDOCCHI, D.D., COLLINEAU, S., 1994: The physical nature of solar radiation in heterogeneous canopies: spatial and temporal attributes. In: Exploitation of environmental heterogeneity by plants (Hrsg.: M.M. Caldwell, R.W. Pearcy), San Diego, Academic Press, 21⫺71. BALDOCCHI, D.D., MATT, D.R., HUTCHISON, B.A., MCMILLEN, R.T., 1984: Solar radiation within an oakhickory forest: An evaluation of the extinction coefficients for several radiation components during fully-leaved and leafless periods. Agric. Forest Meteorol. 32, 307⫺322. BEAUDET, M., MESSIER, CH., 2002: Variation in canopy openness and light transmission following selection cutting in northern hardwood stands: an assessment based on hemispherical photographs. Agric. Forest Meteorol. 110, 217⫺228. EHRHARDT, O., VAN EIMERN, J., 1983: Der Strahlungshaushalt eines Buchenwaldes an fünf ausgewählten Strahlungstagen. Wetter und Leben 35, 230⫺234. VAN EIMERN, J., 1984: Variations of the radiation within and above a beech forest during a phenological year. GeoJournal 8, 271⫺275. ELLENBERG, H., 1996: Vegetation Mitteleuropas mit den Alpen. Stuttgart, Ulmer Verlag. FABIAN, P., MENZEL, A., 1998: Wie sehen die Wälder von morgen aus ⫺ aus der Sicht eines Klimatologen. Forstw. Cbl. 117, 339⫺354. FELBERMEIER, B., 1994: Die klimatische Belastbarkeit der Buche. Forstw. Cbl. 113, 152⫺174. GEßLER, A., SCHREMPP, ST., MATZARAKIS, A., MAYER, H., RENNENBERG, H., ADAMS, M.A., 2001: Radiation modifies the effect of water availability on the carbon isotope composition of beech (Fagus sylvatica). New Phytologist 150, 653⫺664. GONZA´ LEZ, J.A., CALBO´ , J., 2002: Modelled and measured ratio of PAR to global radiation under cloudless skies. Agric. Forest Meteorol. 110, 319⫺325. GRIMMOND, C.S.B., POTTER, S.K., ZUTTER, H.N., SOUCH, C., 2001: Rapid methods to estimate sky-view factors applied to urban areas. Int. J. Climatol. 21, 903⫺913. HALE, S.E., 2001: Light regime beneath Sitka spruce plantations in northern Britain: preliminary results. For. Ecol. Manage. 151, 61⫺68. HANEWINKEL, M., 2001: Economic aspects of the transformation from even-aged pure stands of Norway spruce to uneven-aged mixed stands of Norway spruce and beech. For. Ecol. Manage. 151, 181⫺193. HOLST, TH., ROST, J., SCHINDLER, D., MATZARAKIS, A., MAYER, H., 2000: Mikroklimatische Untersuchungen in südwestdeutschen Buchenbeständen. Ber. Meteor. Inst. Univ. Freiburg Nr. 5, 123⫺135. HOLST, TH., MATZARAKIS, A., MAYER, H., ROST, J., SCHINDLER, D., 2001: Mikroklima in Buchenbeständen auf gegenüberliegenden Hängen in der Schwäbischen Alb. In: Beitr. zur 1. Deutsch-ÖsterreichischSchweizerischen Meteorologentagung Wien, September 2001, Österreich. Beitr. Meteor. Geophys. Heft 27, Session 7a, 1⫺18. JOHANSSON, T., 1996: Estimation of canopy density and irradiance in 20- to 40-year-old birch stands (Betula pubescens Ehrh. and Betula pendula Roth). Trees 10, 223⫺230. KENK, G., GUEHNE, S., 2001: Management of transformation in central Europe. For. Ecol. Manage. 151, 107⫺119. KIESE, O., 1972: Bestandesmeteorologische Untersuchungen zur Bestimmung des Wärmehaushalts eines Buchenwaldes. Ber. Inst. Meteor. Klimatol. Univ. Hannover Nr. 6. KIRCHGÄßNER, A., 2001: Phänoklimatologie von Buchenwäldern im Südwesten der Schwäbischen Alb. Ber. Meteor. Inst. Univ. Freiburg Nr. 7. KULL O., BROADMEADOW, M., KRUIJT, B., 1999: Light distribution and foliage structure in an oak canopy. Trees 14, 55⫺64. LANGHOLZ, H., HÄCKEL, H., 1985: Messungen der photosynthetisch aktiven Strahlung und Korrelationen mit der Globalstrahlung. Meteorol. Rdsch. 38, 75⫺82. MATZARAKIS, A., RUTZ, F., MAYER, H., 2000: Estimation and calculation of the mean radiant temperature within urban structures. In: Biometeorology and Urban Climatology at the Turn of the Millenium (ed. by R.J. de Dear, J.D. Kalma, T.R. Oke and A. Auliciems), Selected Papers from the Conference ICB-ICUC’99, Sydney, WCASP-50, WMO/TD No. 1026, 273⫺278. MAYER, H., KÖNIG, C., RALL, A., 1988: Identifikation von Witterungsereignissen mit pflanzenphysiologischer Streßwirkung für Waldbäume. Forstw. Cbl. 107, 131⫺140. MORECROFT, M.D., TAYLOR, M.E., OLIVER, H.R., 1998: Air and soil microclimates of deciduous woodland compared to an open site. Agric. Forest. Meteorol. 90, 141⫺156.

Mikroklima in Buchenbeständen ⫺ Teil I: Photosynthetisch aktive Strahlung

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NOUVELLON, Y., BE´ GUE´ , A., MORAN, M.S., SEEN, D.L., RAMBAL, S., LUQUET, D., CHEHBOUNI, G., INOUE, Y., 2000: PAR extinction in shortgrass ecosystems : effects of clumping, sky conditions and soil albedo. Agric. Forest Meteorol. 195, 21⫺41. PALVA, L., MARKKANEN, T., SIIVOLA, E., GARAM, E., LINNAVUO, M., NEVAS, S., MANOOCHEHRI, F., PALMROTH, S., RAJALA, K., RUOTOISTENMÄKI, H., VUORIVIRTA, T., SEPPÄLÄ, I., VESALA, T., HARI, P., SEPPONEN, R., 2001: Tree scale distributed multipoint measuring system of photosynthetically active radiation. Agric. Forest Meteorol. 106, 71⫺80. PAUL, TH., REIF, A., 2002: persönliche Mitteilung. REIFSNYDER, W.E., FURNIVAL, G.M., HOROWITZ, J.L., 1971: Spatial and temporal distribution of solar radiation beneath forest canopies. Agric. Meteorol. 9, 21⫺37. REITMAYER, H., WERNER, H., FABIAN, P., 2002: A novel system for spectral analysis of solar radiation within a mixed beech-spruce stand. Plant Biol. 4, 228⫺233. RENNENBERG, H., (Hrsg.), 2001: Buchendominierte Laubwälder unter dem Einfluß von Klima und Bewirtschaftung: Ökologische, waldbauliche und sozialwissenschaftliche Analysen. Abschlußbericht des Sonderforschungsbereiches 433. Univ. Freiburg. ROSS, J., 1975: Radiative transfer in plant communities. In: Vegetation and the atmosphere, Vol. 1 (ed. by J.L. Monteith), London, Academic Press, 13⫺55. ROSS, J., SULEV, M., 2000: Sources of errors in measurements of PAR. Agric. Forest Meteorol. 100, 103⫺125. TIAN, Y.Q., DAVIES-COLLEY, R.J., GONG, P., THORROLD, B.W., 2001: Estimating solar radiation on slopes of arbitrary aspect. Agric. Forest Meteorol. 109, 67⫺74. VDI, 1994: Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Oberflächen: Berechnung der kurz- und langwelligen Strahlung. VDI-Richtlinie 3789 Blatt 2, Berlin, Beuth Verlag. ZHANG, X.-Q., XU, D., 2002: Modeling radiation transfer within the canopy of a Chinese fir plantation. For. Ecol. Manage. 170, 107⫺116. Anschriften der Verfasser: HELMUT MAYER, THOMAS HOLST und DIRK SCHINDLER, Meteorologisches Institut, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Werderring 10, D-79085 Freiburg, E-Mail: [email protected]