Dissertation/Thesis Abstract

Quantifying Water Use by Temperate Deciduous Forests in South Korea: Roles of Species Diversity, Canopy Structure, and Complex Terrain
by Jung, Eunyoung, Dr.Nat., Universitaet Bayreuth (Germany), 2013, 144; 10692414
Abstract (Summary)

In Südkorea ist ca. 70% der Fläche von Wald bedeckt, welcher sich hauptsächlich über gebirgige und durch hohe Niederschläge gekennzeichnete, landwirtschaftlich nicht nutzbare Gebiete erstreckt. Diese Gebirgsregionen stellen eine wichtige Wasserressource für die städtische Bevölkerung dar, sodass die Wasserbilanzierung von bewaldeten Einzugsgebieten zu einem primären Forschungsgegenstand geworden ist. Die gegenwärtige Verlagerung von Nadelwäldern hin zu artenreichen Laubwäldern als Folge einer sich verändernden Strategie der südkoreanischen Regierung, zur Anpassung an die sich verändernden klimatischen Bedingungen, wie steigende Niederschläge und Temperaturen, führt zu einem veränderten Wasserverbrauch der Waldbestände. Daher sollte der Status des gegenwärtigen Wasserverbrauchs der Bestände umgehend untersucht werden, um Vorhersagen über den zukünftigen Verbrauch treffen zu können. Die im warm-gemäßigten Klima in Südkorea verbreiteten Wälder sind durch eine hohe Artendiversität und einen vielschichtigen Aufbau in ihrer Struktur gekennzeichnet. Durch ihre Lage im schroffen, zerklüfteten Gelände, gestaltet sich die quantitative Erfassung des Wasserverbrauchs dieser Wälder umso schwieriger. Seine Erfassung ist jedoch für eine Wasserbilanzierung in den Waldbeständen eine Voraussetzung. Das übergeordnete Ziel dieser Studie ist (i) zu identifizieren, welche Rolle die Artendiversität in Bezug auf den Wasserverbrauch sowohl einzelner Baumindividuen als auch des gesamten Waldbestandes spielt, (ii) den Einfluss der Kronendachstruktur auf die Transpiration des Waldbestandes zu untersuchen und (iii) den Einfluss des Geländes auf den Wasserverbrauch des Waldes zu evaluieren. Für die Untersuchungen dieser Studie wurden drei, für Südkorea repräsentative, natürliche Laubwälder in Gyebang (GB), Gwangneung (GN) und Haean (HA) ausgesucht. Das GB-Waldgebiet zeichnet sich besonders durch eine hohe Artenvielfalt aus. Das GN-Waldgebiet besteht aus einer alten Klimax-Waldgesellschaft und lässt sich strukturell in eine Unterholzschicht und eine Baumschicht gliedern. Haean (HA) zeichnet sich hingegen durch einen starken Höhengradient (400 m bis 1000 m ü. NN) über kurze Distanzen und durch eine Exposition in alle Himmelrichtungen aus, sodass in HA insgesamt vier Standorte mit unterschiedlichen Höhenlagen und Expositionen für die Untersuchungen ausgewählt wurden. Der Wasserverbrauch von Baumindividuen (TWU) und die Kronendachtranspiration (EC) wurden mittels der Saftflussmethode, welche die Saftflussdichte misst, untersucht. Die Unterholztranspiration (EU) wurde mit der „stem heat balance“ Methode (SHB) gemessen. Am Standort GN wurde zur Erfassung der Ökosystemevapotranspiration (Eeco) die Eddy-Kovarianz-Methode benutzt. Die Installation von Wetterstationen diente der Erfassung von Lufttemperatur (Ta), Niederschlag, Solarstrahlung, Wasserdampfsättigungsdefizit (VPD) und der Windgeschwindigkeit. Zusätzlich wurde FDR-Sonden installiert, um den Bodenwassergehalt zu messen. Zur Untersuchung der Vegetation wurde der Stammdurchmesser in Brusthöhe (DBH), die Bestandesdichte, die Splintholzfläche (AS), der Blattflächenindex und die Artenzusammensetzung an allen Standorten erfasst. Basierend auf der Transpiration und dem Mikroklima wurde die Kronendachleitfähigkeit (GC) und die stomatäre Empfindlichkeit bezüglich des VPD untersucht. Nicht nur die Berücksichtigung einzelner Arten, sondern auch die Einbeziehung aller Arten an einem Standort sowie aller Standorte ergab eine funktionale allometrische Beziehung, sowohl zwischen As und DBH, als auch zwischen TWU und DBH. Unabhängig von der jeweiligen Baumart zeigten die Analysen einen signifikanten Zusammenhang zwischen As und BHD, ausgedrückt in einer Potenzfunktion (P <0.0001). Auch der maximale TWU korrelierte signifikant mit dem DBH im Sinne von Potenz- und sigmoidalen Funktionen (P <0.0001), sowohl für einzelne Arten als auch standortübergreifend. Aufgrund dieser Ergebnisse ist der DBH unter Berücksichtigung der eingeführten allometrischen Funktionen ein gute Schätzgröße für die Bestandessplintholzfläche As und dem maximalen Wasserverbrauch (TWU). Der im Vergleich zur Baumschicht frühe Blattaustrieb im Unterholz führte zu einem erhöhten Anteil der Unterholztranspiration von 22% im April und 17% im Mai an der Gesamttranspiration des Waldbestandes. Dieser hohe Anteil wurde durch die hohe Einstrahlung und das hohe Wasserdampfsättigungsdefizit (VPD) im Unterholz aufgrund der lichten Baumschicht begünstigt. Allerdings trug das Unterholz auch von Juni bis August mit einem beträchtlichen Anteil von 10% zur Gesamttranspiration bei, obwohl die solare Einstrahlung und das VPD durch die entwickelte Baumschicht geringer waren. Der saisonale Verlauf von EO und EU verlief synchron zur Entwicklung des Kronendaches, während hingegen der Tagesgang durch das Mikroklima, die solare Einstrahlung und das VPD gesteuert wurde. Im Frühling trugen EO und EU mit einem Anteil von 80% zur gesamten Eeco bei. Während der Monsunperiode verringerte sich dieser Anteil jedoch aufgrund einer geringeren Einstrahlung, einem geringerem VPD und einem minimierten Pflanzenflächenindex (PAI) auf 60%. Die Eeco wird daher stark durch den saisonalen Verlauf der Transpirationsrate als auch durch die Kronendachstruktur beeinflusst. Im Vergleich zu GN, GB, und den niedrigeren Standorten im HA-Einzugsgebiet konnte eine frühe Sättigung von Ec bei relativ geringem VPD und auch eine relativ starke Abnahme von GC bei steigendem VPD am höchsten Standort in 950 m ü.NN in HA beobachtet werden. Die unterschiedlichen Transpirationsraten und die stomatäre Reaktion können durch eine größere stomatäre Empfindlichkeit in Bezug auf ein VPD von 0.82 erklärt werden. Im Vergleich dazu wiesen die anderen Standorte nur ein VPD zwischen 0.63−0.66 auf. Dennoch sind die verursachenden Faktoren für eine Veränderung der stomatären Empfindlichkeit in größeren Höhenlagen mit gewisser Unsicherheit behaftet. Obwohl die maximale tägliche EC mit AS (R²=0.78, P <0.01) der Waldbestände an verschiedenen Standorten korrelierte, konnte eine Abnahme der jährlichen Ec, mit 176 > 175 > 110 > 90 mm Jahr −1, bezüglich der Höhenlage, 340 > 450 > 650 > 950 m ü.NN beobachtet werden. Eine Abnahme der gesamten EC läßt sich auf die Abnahme der Jahresdurchschnittstemperatur, des tageszeitlichen VPD und der Länge der Vegetationsperiode in größeren Höhenlagen zurückführen. Die Ergebnisse des Standortes GB, welcher sich in ähnlicher Höhenlage auf 960 m befand, zeigten jedoch im Vergleich zum HA-Standort in 950 m ü.NN unterschiedliche Reaktionsmuster, welche auf die geschützte Lage mit höheren Temperaturen, höherer Luftfeuchtigkeit und geringeren Windgeschwindigkeiten zurückzuführen sind. Diese Beobachtungen unterstreichen die Schwierigkeiten bei der Schätzung der Bestandestranspiration im zerklüfteten, steilem Gelände, da aufgrund der komplexen räumlichen Muster der Waldbestandtranspiration nicht immer allgemeingültige Prinzipien abzuleiten sind. Durch die multiple Zusammensetzung der Baumarten in einem Bestand gestaltet sich die Schätzung des Wasserverbrauchs als schwierig, dennoch können diese Schwierigkeiten durch die Anwendung funktionaler allometrischer Beziehungen zwischen dem Baumumfang und dem Wasserverbrauch reduziert werden. Insbesondere sollte die Kronendachsstruktur und die geografische Lage ausreichend berücksichtigt werden, da diese Faktoren den Wasserverbrauch der Waldbestände durch die Veränderung des Mikroklimas und der Pflanzenphysiologie beeinflussen. In Anbetracht der Ergebnisse sollte die Schätzung des Wasserverbrauchs der Bestände anhand wiederholter Messungen auf relativ kleinräumiger Skala erfolgen, da sich die treibenden Faktoren schnell und auf relativ kurzer Distanz ändern können.

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Advisor:
Commitee:
School: Universitaet Bayreuth (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/1(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Forestry, Macroecology
Keywords: Transpiration
Publication Number: 10692414
ISBN: 9781392556009
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