Experimental and theoretical multiscale quantification of forest floor effect on soil water balance

Wälder spielen eine wichtige Rolle bei der Aufteilung von Niederschlag in Verdunstung, Bodenwasserspeicherung, Wasserverfügbarkeit im Wurzelraum und potenzielle Grundwasserneubildung. Eine zentrale, aber häufig vereinfacht dargestellte Schnittstelle ist dabei das Waldauflagesystem, bestehend aus frischer Streu, humifiziertem organischem Material und dem Übergang zum oberen Mineralboden.

In vielen hydrologischen und landoberflächenbezogenen Modellansätzen wird die Waldauflage noch immer als einfacher Oberflächenspeicher oder als Randbedingung dargestellt. Diese geschichtete organisch-mineralische Schnittstelle kann jedoch maßgeblich beeinflussen, wie durch das Kronendach fallender Niederschlag abgefangen, temporär gespeichert, verdunstet, umverteilt und in den Mineralboden weitergeleitet wird.

Die zentrale Herausforderung besteht darin, dass die Wasserbewegung in der Waldauflage durch ein geschichtetes System und nicht durch eine einheitliche Oberfläche gesteuert wird. Frische Streu, humifiziertes organisches Material und oberer Mineralboden unterscheiden sich hinsichtlich Mächtigkeit, Porenstruktur, Wasserretentionsverhalten und hydraulischer Leitfähigkeit. Diese Unterschiede können ereignisbezogene und saisonale Muster der Wasserspeicherung, Verdunstung und Perkolation beeinflussen.

Werden diese Prozesse ignoriert oder zu stark vereinfacht, können systematische Fehler bei der Vorhersage von oberflächennaher Bodenfeuchte, Verdunstung, Wasserverfügbarkeit im Wurzelraum und Grundwasserneubildung entstehen. Dies ist besonders relevant unter sich verändernden klimatischen Bedingungen, bei denen Wälder zunehmend längeren Trockenperioden und intensiveren Niederschlagsereignissen ausgesetzt sind.

Zielsetzung
Ziel dieser Promotion ist es, experimentell und theoretisch zu quantifizieren, wie die Schichtung der Waldauflage den Bodenwasserhaushalt in einem Waldbestand der gemäßigten Zone beeinflusst. Die Dissertation konzentriert sich auf das Zusammenspiel zwischen frischer Streu, humifiziertem organischem Material und dem oberen Mineralboden und untersucht, wie diese Schichten Wasserspeicherung, Verdunstung, Infiltration und Wasserverlagerung in tiefere Bodenschichten regulieren.

Die Forschung kombiniert Feldmonitoring unter dem Kronendach, kontrollierte Parzellenversuche an der Waldauflage, Labormessungen, Klimakammerexperimente und prozessbasierte Modellierung. Feldbeobachtungen dienen dazu, die zeitliche Dynamik der Waldauflage und der oberflächennahen Bodenfeuchte unter natürlichen Bedingungen zu erfassen. Ergänzende Labor- und Klimakammerexperimente bestimmen schichtspezifische hydraulische Eigenschaften, einschließlich Wasserretentionsverhalten, hydraulischer Leitfähigkeit, Verdunstung und Infiltration unter kontrollierten Randbedingungen.

Auf Grundlage dieser Daten wird ein eindimensionales Drei-Schichten-Modell entwickelt, das die Wasserbewegung durch die frische Streuschicht, die humifizierte organische Schicht und den oberen Mineralboden abbildet. Das Modell wird mit kontrollierten experimentellen Daten kalibriert und anhand von Feldbeobachtungen getestet. Anschließend werden verschiedene Modellrepräsentationen verglichen, darunter ein explizites Drei-Schichten-Modell der Waldauflage, eine vereinfachte Einschichtdarstellung und ein Szenario mit freiliegendem Mineralboden ohne Waldauflage.

Das erwartete Ergebnis ist ein physikalisch begründeter Modellierungsrahmen zur Bewertung der Bedeutung der Waldauflage für den Waldwasserhaushalt. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, die Darstellung von Waldauflagen in hydrologischen Modellen zu verbessern und die Bewertung von Trockenheitsresilienz, Bodenwasserverfügbarkeit und der Dynamik der Grundwasserneubildung in Waldökosystemen zu unterstützen.