The study analyzes the long-term trends (1998–2019) of concentrations of the air pollutants ozone (O3) and nitrogen oxides (NOx) as well as meteorological conditions at forest sites in German midrange mountains to evaluate changes in O3 uptake conditions for trees over time at a plot scale. O3 concentrations did not show significant trends over the course of 22 years, unlike NO2 and NO, whose concentrations decreased significantly since the end of the 1990s. Temporal analyses of meteorological parameters found increasing global radiation at all sites and decreasing precipitation, vapor pressure deficit (VPD), and wind speed at most sites (temperature did not show any trend). A principal component analysis revealed strong correlations between O3 concentrations and global radiation, VPD, and temperature. Examination of the atmospheric water balance, a key parameter for O3 uptake, identified some unusually hot and dry years (2003, 2011, 2018, and 2019). With the help of a soil water model, periods of plant water stress were detected. These periods were often in synchrony with periods of elevated daytime O3 concentrations and usually occurred in mid and late summer, but occasionally also in spring and early summer. This suggests that drought protects forests against O3 uptake and that, in humid years with moderate O3 concentrations, the O3 flux was higher than in dry years with higher O3 concentrations.
Finding behavioral parameterization for a 1-D water balance model by multi-criteria evaluation
(2019)
Evapotranspiration is often estimated by numerical simulation. However, to produce accurate simulations, these models usually require on-site measurements for parameterization or calibration. We have to make sure that the model realistically reproduces both, the temporal patterns of soil moisture and evapotranspiration. In this study, we combine three sources of information: (i) measurements of sap velocities; (ii) soil moisture; and (iii) expert knowledge on local runoff generation and water balance to define constraints for a “behavioral” forest stand water balance model. Aiming for a behavioral model, we adjusted soil moisture at saturation, bulk resistance parameters and the parameters of the water retention curve (WRC). We found that the shape of the WRC influences substantially the behavior of the simulation model. Here, only one model realization could be referred to as “behavioral”. All other realizations failed for a least one of our evaluation criteria: Not only transpiration and soil moisture are simulated consistently with our observations, but also total water balance and runoff generation processes. The introduction of a multi-criteria evaluation scheme for the detection of unrealistic outputs made it possible to identify a well performing parameter set. Our findings indicate that measurement of different fluxes and state variables instead of just one and expert knowledge concerning runoff generation facilitate the parameterization of a hydrological model.
Die Beobachtung und Bewertung von Wäldern ist eins der zentralen Themen der Fernerkundung. Wälder sind auf der Erde die größten Speicher von Biomasse und damit, neben den Ozeanen, die größte Senke für Kohlendioxid. Eine genaue Kenntnis über Zusammensetzung, Zustand und Entwicklung der Wälder ist wegen ihrer vielfältigen Funktionen und ihres großen Anteils an der Landesfläche von großem wissenschaftlichem und gesellschaftlichem Wert. Eine flächen-deckende detaillierte Beobachtung ist nur mit fernerkundlichen Mitteln möglich. Eine vielversprechende moderne Technik für hochauflösende Waldfernerkundung ist luftgestütztes Laser-¬scanning. Für die Arbeit stand ein Laserscanner-Datensatz aus dem Idarwald bei Morbach in Einzelpunkten und als Wellenformdatensatz zur Verfügung, der zur Ableitung von strukturellen Waldparametern genutzt wurde. Als wichtigster Bestandsstrukturparameter wurde die Baumhöhe sowohl aus Einzelpunktdaten als auch aus gerasterten Bilddaten flächendeckend mit hoher Genauigkeit abgeleitet. Die Kronenuntergrenzen konnten anhand der Wellenformdaten identifiziert werden und stimmten ebenfalls in hoher Genauigkeit mit Geländemessungen überein. Aus Baumhöhen und Höhe der Kronenuntergrenzen konnte die jeweilige Kronenlänge bestimmt werden. Eine größere Herausforderung ist die Bestimmung der Anzahl der Bäume pro Hektar. Während die einzelnen Kronen älterer Nadelbäume gut erkennbar sind, lassen sich Laubbäume und jüngere Nadelbäume nur schwer identifizieren. Trotzdem konnte mit Hilfe eines adaptiven Moving-Window-Ansatzes eine hohe Übereinstimmung mit im Gelände bestimmten Stammzahlen erzielt werden. Aus dem Anteil der Laserstrahlen, die im Bestand den Boden erreichen, können der Kronenschlussgrad und der Blattflächenindex bestimmt werden. Beide Größen sind für den Strahlungstransfer im Bestand und für ökologische Fragestellungen von Bedeutung und konnten ebenfalls flächendeckend und mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Eng verknüpft mit dem Blattflächenindex sind die Biomasse und der Holzvorrat. Der Holzvorrat kann zwar nicht direkt aus den Laser-¬scannerdaten abgeleitet werden, da aber enge Beziehungen zu Baumhöhe und Stammzahl bestehen, kann er aus diesen statistisch abgeleitet werden. Auch die Biomasse wurde indirekt bestimmt: aus den Baumhöhen und dem Bedeckungsgrad. Die detaillierteste Charakterisierung von Waldbeständen kann durch Kombination unterschiedlicher Datensätze erreicht werden. Neben dem Laserscanningdatensatz stand auch ein hyperspektrales Bild des Untersuchungsgebiets zur Verfügung. Um diese zu kombinieren, wurde aus den Wellenformen die jeweils über der Fläche eines Hyperspektralpixels zurückgestreute Laserenergie in Höhenschritten von 0.5 m berechnet. Diese Höhenprofile zeigen die Position und Dichte der Baumkronen. Der kombinierte Datensatz wurde für eine Klassifikation zwischen Fichten und Douglasien in jeweils mehreren Altersstufen verwendet und konnte gegenüber dem Hyperspektralbild alleine eine deutliche Verbesserung der Klassifikationsgenauigkeit erzielen. Als weitere Methode, die Vorteile von hyperspektraler Fernerkundung mit denen von Laser-scanning zu verbinden, wurden Methoden zur Verwendung von Laserscanning für die Invertierung von zwei Reflexionsmodellen entwickelt und getestet. Da mit Laserscanning Größen bestimmt werden können, die aus einem Reflexionsspektrum nicht eindeutig ableitbar sind, können die Daten verwendet werden, um den Parameterraum bei der Invertierung zu verkleinern und damit die Invertierung zuverlässiger zu machen.
Although gravitropism forces trees to grow vertically, stems have shown to prefer specific orientations. Apart from wind deforming the tree shape, lateral light can result in prevailing inclination directions. In recent years a species dependent interaction between gravitropism and phototropism, resulting in trunks leaning down-slope, has been confirmed, but a terrestrial investigation of such factors is limited to small scale surveys. ALS offers the opportunity to investigate trees remotely. This study shall clarify whether ALS detected tree trunks can be used to identify prevailing trunk inclinations. In particular, the effect of topography, wind, soil properties and scan direction are investigated empirically using linear regression models. 299.000 significantly inclined stems were investigated. Species-specific prevailing trunk orientations could be observed. About 58% of the inclination and 19% of the orientation could be explained by the linear models, while the tree species, tree height, aspect and slope could be identified as significant factors. The models indicate that deciduous trees tend to lean down-slope, while conifers tend to lean leeward. This study has shown that ALS is suitable to investigate the trunk orientation on larger scales. It provides empirical evidence for the effect of phototropism and wind on the trunk orientation.
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des EU INTERREG NWE IVB Projektes "ForeStClim - Transnational Forestry Management Strategies in Response to Regional Climate Change Impacts". Zum Zweck der Verbesserung des Prozessverständnisses von Abflussprozessen in Wäldern sowie zur Validierung und Weiterentwicklung eines GIS-basierten Tools (GIS-DRP) zur Erstellung von Abflussprozesskarten wurden auf 25 Test-Plots in vier Einzugsgebieten in Rheinland-Pfalz und dem Großherzogtum Luxemburg boden-hydrologische Untersuchungen durchgeführt. Auf Grundlage dieser Untersuchungen konnten große intraspezifische Unterschiede im Abflussverhalten von Waldstandorten erhoben werden. Die Differenzen werden dabei hauptsächlich durch das Substrat, die bodenphysikalischen Eigenschaften, die Nutzung bzw. deren Intensität und die Vorfeuchte bedingt. Es wurde nachgewiesen, dass Wälder generell hohe Infiltrationsraten aufweisen und verzögerte Zwischenabflussprozesse begünstigen. Durch einen prinzipiell naturnahen Waldbau und etwaige Meliorationsmaßnahmen auf Niederertragsstandorten bestehen zudem Möglichkeiten positiv auf die Wasserretention und das Wasserspeichervermögen eines Forstbestandes einzuwirken. Die mittels GIS-DRP erstellten Abflussprozesskarten der vier Testgebiete wurden durch die Ergebnisse der Geländeuntersuchungen sowie der Abflussprozesskartierung nach SCHERRER (2006) validiert. Hierdurch wurden für die Abflussgenerierung wichtige Parameter ermittelt und Optimierungsansätze erarbeitet, welche anschließend in GIS-DRP implementiert werden konnten. Verschlämmungsprozesse auf Ackerflächen können nun durch das modifizierte GIS-DRP-Werkzeug identifiziert werden. Zudem war es möglich, Extrem-Ereignis basierte Abflussprozesskarten zu etablieren, die Hot Spots der Abflussgenerierung identifizieren können. Die Einführung des Abflussprozesses "dSSF" (tiefer Zwischenabfluss) wurde durch eine neue Klassifizierung des geologischen Ausgangssubstrates erreicht. Forstwirten und Entscheidungsträgern im Waldmanagement wird somit die Möglichkeit geboten, Expertenwissen in ihre Planungen einfließen zu lassen. Hierdurch kann zum einen positiv auf den Landschaftswasserhaushalt eingewirkt werden, da gezielt auf Flächen nachteiliger Abflussbildung geeignete Maßnahmen des dezentralen Hochwasserschutzes angewandt werden können. Zum anderen werden Potentiale für bestmögliche Waldwachstumsvoraussetzungen in einem Landschaftsraum aufgezeigt. Der nachhaltigen Nutzung von Wäldern wird somit auch im Kontext des Klimawandels Rechnung getragen.