Modellierung und Messung Florian Andreas Heinlein

221 Pages·2017·28.92 MB·English

Technische Universität München
Wissenschaftszentrum Weihenstephan für
Ernährung, Landnutzung und Umwelt
Der Wasserfluss in Einzelpflanze und Bestand:
Modellierung und Messung
Florian Andreas Heinlein
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan für
Ernährung, Landnutzung und Umwelt der Technischen Universität München zur Er-
langung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Prof. Dr. Jörg Durner
Prüfer der Dissertation:
1. Prof. Dr. Eckart Priesack
2. Prof. Dr. Urs Schmidhalter
Die Dissertation wurde am 29.03.2017 bei der Technischen Universität München ein-
gereicht und durch die Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung,
Landnutzung und Umwelt am 08.08.2017 angenommen.

Danksagung
An dieser Stelle möchte ich all jenen danken, die mich bei der Erstellung dieser Dissertation begleitet
haben. Insbesondere danke ich Prof. Dr. Eckart Priesack. Als Betreuer und Doktorvater unterstützte
er mich durch seine fachliche Kompetenz und gab mir stets hilfreiche Ratschläge. Dennoch ließ er mir
auch viele Freiheiten bei der Verwirklichung eigener Ideen.
Weiterer Dank gilt meinen Kollegen am Helmholtz Zentrum München. Christian Klein war immer
hilfsbereit, besonders wenn es um das Lösen schwieriger Programmieraufgaben oder um Fragen zu
Expert-N5.0ging.EristmirauchwährendderPromotionszeiteinguterFreundgeworden.Dr.Chris-
tian Biernath half durch seine fachliche Kompetenz im Bereich der Boden- und Pflanzenkunde. Auch
hatteerimmereinoffenesOhrfürProblemeundschafftees,michaufzubauen,wennManchesnichtwie
erhofft lief. Mein Dank gilt ebenfalls Dr. Rainer Hentschel, der mir bei der Aneignung des Xylemfluss-
modells behilflich war und mich ins Terrestrische Laserscannen einwies. Christoph Thieme und mich
verband die Zugehörigkeit zur Research School MICMoR, wodurch wir ein sehr gutes Verhältnis auf-
bauen konnten. Außerdem danke ich ihm und Rolf Schilling für Messdaten aus Scheyern, die für diese
Dissertation hilfreich waren. Xiaohong Duan hielt mir durch die Realisierung der Expert-N 5.0-MP-
MAS-Kopplung den Rücken für andere Aufgaben frei. Marius Bickel, meinem Werkstudenten, danke
ich für die Unterstützung bei der Auswertung diverser Messdaten.
Ebenso danke ich der Helmholtz Research School MICMoR, die mich bei meiner wissenschaftlichen
undpersönlichenWeiterentwicklungunterstützte.InsbesonderemöchteichhierdenInitiator,Prof.Dr.
HansPeterSchmid,unddieKoordinatorinnen,Dr.BärbelElijaBleher,PetraGuppenbergerundKaren
Suppan, erwähnen. Mein Dank gilt ebenfalls den Mitgliedern meines Thesis Advisory Komitees, Prof.
Dr.GeorgeCraigundProf.Dr.UrsSchmidhalter,diemirdurchihrefachlicheKompetenzgutenInput
gaben.BeiHeinzLössleinvomMeteorlogischenInstitutMünchenbedankeichmichfürdieWetterdaten
des meteorlogischen Messturms in Garching, die als Input für Simulationen in dieser Arbeit gedient
haben. Für die finanzielle Unterstützung dieses Projektes danke ich der DFG-Forschergruppe 1695
“Regionaler Klimawandel”.
Nicht nur für das sprachliche Korrekturlesen dieser Dissertation möchte ich Florian Schütz danken:
er ist mir auch seit mehr als 7 Jahren ein verlässlicher Partner und Freund im Leben.
ZuguterLetztdankeichallmeinenFreundenundVerwandtendafür,dasssiemeinLebenbereichern.
Vor allem möchte ich hier meine Eltern, Heidi und Hans Heinlein, meine Schwester, Daniela Heinlein,
sowie meine verstorbene Oma, Anna Heinlein, erwähnen, die mir in allen erdenklichen Lebenslagen
mit Rat und Tat – und falls nötig finanziell – zur Seite standen.
i
ii
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis vii
Tabellenverzeichnis xi
Verzeichnis der Abkürzungen und mathematischen Zeichen xiii
1 Einleitung 1
1.1 Herausforderungen des Klimawandels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Veränderte Wasserverfügbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Landoberflächenmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Wasserfluss in Einzelpflanzenmodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Skalierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Material und Messmethoden 11
2.1 Lysimeteranlage Neuherberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Forschungsplattform Scheyern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Feldmessungen, Bewirtschaftung, Böden und Klima . . . . . . . 17
2.3 Wasserbilanzmessungen durch Lysimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Saftflussmessung: Die Heat-Ratio-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5 Terrestrische Laserscans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6 Messungen der Veränderung der Stängeldurchmesser bei Mais . . . . . 24
2.7 Eddy-Kovarianz: Messung des latenten Wärmeflusses . . . . . . . . . . 25
2.8 Größen der Pflanzenkompartimente und Blattflächenverteilung . . . . . 27
2.9 Wurzelverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
iii
Inhaltsverzeichnis
3 Ergebnisse und Diskussion der Messungen 29
3.1 Wasserbilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Bodenfeuchtemessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Saftflussmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Terrestrische Laserscans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5 Messungen von Stängeldurchmessern bei Mais . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6 Eddy-Kovarianz: Messung des latenten Wärmeflusses . . . . . . . . . . 52
3.7 Größen der Pflanzenkompartimente und Blattflächenverteilung . . . . . 55
3.8 Wurzelverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4 Simulationen: Methoden und Modellbeschreibung 63
4.1 Das Modellsystem Expert-N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2 Simulation der Lysimeter-Wasserbilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.1 Allgemeine Modellkonfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.2 Potentielle Evapotranspirationsmodule . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.2.1 Penman-Monteith ASCE . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.2.2 Penman-Monteith FAO . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.2.3 Haude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.2.4 k -Faktoren und Kompabilität mit dem Modellsystem . 76
c
4.2.3 Pflanzenmodule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.3.1 SPASS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.3.2 CERES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3 Simulation des pflanzeninternen Wassertransportes . . . . . . . . . . . 81
4.3.1 Die Expert-N Modellkonfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3.2 Das Xylemflussmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.2.1 Beschreibung der Pflanzenarchitektur . . . . . . . . . . 83
4.3.2.2 Beschreibung des Wasserflusses in der Pflanze . . . . . 85
4.3.2.3 Bodenwasseraufnahme und Transpiration . . . . . . . 88
4.3.2.4 Anpassung des Xylemflussmodells an Mais . . . . . . . 89
4.4 Flächige Simulationen mit unterschiedlichen Gittergrößen . . . . . . . . 91
4.4.1 Konfiguration von Expert-N 5.0 und Simulationsmethode . . . . 91
4.4.2 Generierung der verschiedenen Modellgitter . . . . . . . . . . . 94
4.4.2.1 Das Wetter in Nordrhein-Westfalen . . . . . . . . . . . 96
4.4.2.2 Die Böden in Nordrhein-Westfalen . . . . . . . . . . . 103
4.5 Statistische Maße zum Vergleich von Modell und Messung . . . . . . . 106
iv
Inhaltsverzeichnis
5 Simulationen: Ergebnisse, Vergleich mit Messungen und Diskussion 107
5.1 Simulation der Lysimeter-Wasserbilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.1.1 Saftfluss und Transpiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.1.2 Blattflächenindex (LAI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.1.3 Bodenwassergehalte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.1.4 Wasserbilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2 Simulation des pflanzeninternen Wassertransportes . . . . . . . . . . . 125
5.2.1 Bodenwassergehalte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.2.2 Architekturen und Wasserpotential der Pflanzen . . . . . . . . . 128
5.2.3 Saftfluss und Transpiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.2.4 Stängeldurchmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.2.5 Latenter Wärmefluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.3 Flächige Simulationen mit unterschiedlichen Gittergrößen . . . . . . . . 148
5.3.1 Zeitreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.3.2 Flächige Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.3.3 Auswirkungen der verschiedenen räumlichen Auflösungen auf die
Simulationsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6 Generelle Diskussion und Schlussfolgerungen 171
6.1 Saftflussmessung mit der Heat-Ratio-Methode . . . . . . . . . . . . . . 171
6.2 Anwendbarkeit des Xylemflussmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.3 Bedarfsgerechte Bewässerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.4 Expert-N 5.0 als Landoberflächenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7 Zusammenfassung 179
Literaturverzeichnis 181
v
Inhaltsverzeichnis
vi
Abbildungsverzeichnis
2.1 Überblick über die Lysimeteranlage in Neuherberg . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Querschnitt eines Lysimeters inklusive Instrumentierung (aus Reth u.a.
2007) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Entwicklung der Maispflanzen auf Lysimeter 43 in Neuherberg von
30. Mai bis 6. September 2012 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Installierte Saftflusssensoren, Dendrometer sowie Abdeckung des Bodens
eines Lysimeters in Neuherberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5 Zwei mit Mais bepflanzte Lysimeter in Neuherberg . . . . . . . . . . . . 15
2.6 Luftbild des Prielhofs in Scheyern mit umgebenden Feldern . . . . . . . 17
2.7 Überblick über die einzelnen Schläge und die wissenschaftliche Nutzung
des Versuchsguts Scheyern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.8 Installiertes Dendrometer an einer Pflanze auf einem Lysimeter in Neu-
herberg am 26. September 2014 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.9 Eddy-Kovarianz-Station der Forschungsplattform Scheyern am 27. Okto-
ber 2015 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.10Aufgeklebte Maisblätter, Pflanzenernte am 2. Oktober 2015 in Scheyern 28
3.1 Zeitreihe der gemessenen Wetterdaten von 14. August bis 11. September
2013 aus Garching (Nähe Lysimeterstation Neuherberg) . . . . . . . . . 30
3.2 Zeitreihe der Massenänderung der Systeme Lysimeter plus Sickerbehälter
von 14. August bis 11. September 2013 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 Zeitreihe des Niederschlags von 14. August bis 11. September 2013, er-
mittelt aus der Massenänderung der Systeme Lysimeter plus Sickerbehälter 31
3.4 Zeitreihe der Evapotranspiration von 14. August bis 11. September 2013,
ermittelt aus der Massenänderung der Systeme Lysimeter plus Sickerbe-
hälter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.5 Stündlich gemessene Bodenwassergehalte in 50cm und 80cm Tiefe im
Lysimeter 45 der Lysimeteranlage Neuherberg im Jahr 2013 . . . . . . . 35
3.6 Bodenwassergehalte im Schlag A17 der Forschungsplattform Scheyern in
10cm, 30cm und 50cm Tiefe von 15. Juli bis 15. September 2015 . . . . 37
3.7 Stundenmittel der gemessenen Saftflussraten in fünf verschiedenen Pflan-
zen auf Lysimeter 45 in Neuherberg von 14. August bis 11. September
2013 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.8 Zeitreihe der gemessenen Wetterdaten auf der Forschungsplattform
Scheyern von 15. Juli bis einschließlich 1. Oktober 2015 . . . . . . . . . 41
vii
Abbildungsverzeichnis
3.9 Zeitreihe des Saftflusses in vier verschiedenen Pflanzen auf dem Schlag
A17 der Forschungsplattform Scheyern von 15. Juli bis einschließlich
1. Oktober 2015 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.10Zweidimensionale Darstellung einer dreidimensionalen Punktwolke von
viereingescanntenMaispflanzenaufdemSchlagA15derForschungsplatt-
form Scheyern am 6. September 2013 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.11Zweidimensionale Abbildungen der dreidimensionalen Punktwolken von
eingescannten Maispflanzen mit Pflanzenarchitekturen . . . . . . . . . . 48
3.12Zeitreihe der Durchmesser von vier verschiedenen Pflanzen auf dem
Schlag A17 der Forschungsplattform Scheyern von 22. Juli bis einschließ-
lich 1. Oktober 2015 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.13Streudiagramm (nach Art von Hovmøller) halbstündlicher Mittel des la-
tenten Wärmeflusses, der von 15. Juli bis 3. Oktober 2015 zwischen den
Schlägen A17 und A18 der Forschungsplattform Scheyern gemessen wurde 53
3.14Maximale Blattbreite, Stängeldurchmesser und Blattfläche der vier Mais-
pflanzen auf dem Schlag A17 der Forschungsplattform Scheyern, die im
Jahr 2015 mit Saftflusssensoren sowie Dendrometern ausgestattet waren,
in Abhängigkeit der Höhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.15Wurzelbestimmung am 27. Oktober 2015 im Schlag A17 der Forschungs-
plattform Scheyern und gemessene Wurzelverteilung . . . . . . . . . . . 61
4.1 Hauptfenster der graphischen Benutzeroberfläche von Expert-N 5.0 . . . 64
4.2 Optionsfenster für jedes Expert-N-Projekt . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3 Schematische Darstellung eines Gitters von Expert-N mit neun Gitter-
punkten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4 Auswahlfenster für die Modellkonfiguration einer Expert-N-Instanz . . . 67
4.5 Schematische Darstellung der Berechnung der aktuellen Evapotranspiration 73
4.6 Ausschnitt der Kantenliste einer tlp-Datei . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.7 Lage von Nordrhein-Westfalen innerhalb Deutschlands und Aufteilung
von Nordrhein-Westfalen in verschiedene Gitter . . . . . . . . . . . . . . 95
4.8 DreißigjährigeMittelwertederTemperaturdatenvonNordrhein-Westfalen
in 1km×1km Auflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.9 Dreißigjährige Mittelwerte der Wetterdaten von Nordrhein-Westfalen in
1km×1km Auflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.10Zeitreihe der jährlichen Wetterdaten von Nordrhein-Westfalen zwischen
1982 und 2011 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.11Bodendaten von Nordrhein-Westfalen in 1km×1km Auflösung . . . . . 104
5.1 Zeitreihe der gemessenen und simulierten Saftflussraten (Lysimeter 45 in
Neuherberg) von 14. August bis 11. September 2013 . . . . . . . . . . . 108
5.2 Gemittelte Tagesgänge der gemessenen und simulierten Transpiration
(Lysimeter 45 in Neuherberg) im Zeitraum von 14. August bis 11. Sep-
tember 2013 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
viii