4.5.4.1.3.5 C-Vorräte im Totholz
4.5.5 Vergleich der Ergebnisse der beiden Simulationsmodelle
Autoren: Franz-W. Badeck (PIK), Hubert Jochheim (ZALF), Petra Lasch (PIK), Martina Puhlmann (ZALF), Felicitas Suckow (PIK)
Die Simulationsmodelle 4C und BIOME-BGC beschreiben Wachstum und Stoffhaushalt von Wäldern in Abhängigkeit von meteorologischen und Standortbedingungen. In der Arbeitsweise sind die Model-le 4C und BIOME-BGC grundModel-legend verschieden, es gibt aber grundModel-legende Unterschiede in der Me-thodik der Modellanwendung. Für 4C ist keine Kalibrierungsphase erforderlich. Alle baumartenspezifi-schen Parameter sind im Prinzip im Modell festgelegt und auch für die hier gezeigten Modellanwen-dungen nicht geändert worden, sie variieren auch nicht zwischen den Standorten. Standortspezifische Parameter werden aus den verfügbaren Bodeninformationen abgeleitet und nicht durch Messwertver-gleich eingestellt. Ein standortspezifischer Parameter zur Steuerung des stickstoffabhängigen Wachs-tums wird mit Hilfe von Ertragsrichtwerten bestimmt. Im Gegensatz dazu wurden die Messdaten zur Kalibrierung der veränderten Modellversion von BIOME-BGC genutzt (vgl. Kap. 4.5.4).
Bei der Ableitung von Startwerten und der Verwendung von Triebkräften wird unterschiedlich vorge-gangen. Aufgrund der z.T. widersprüchlichen Daten (Level-II-Datenbank der BFH vs. Daten von Forst-lichen Versuchsanstalten, unterschiedlich durchgeführte Korrekturen bei offensichtlich fehlerhaften Inputdaten) sowie z.T. unterschiedlicher Modellkonzeptionen wurden für die beiden Modelle unter-schiedliche Startwerte verwendet. Dies betraf vor allem die Boden-C-Vorräte. Zusätzlich wurden die N-Vorräte der Böden und die C-Vorräte in den Waldbeständen durch die Modell-Vorgaben bedingt unterschiedlich initialisiert.
Zum Modellvergleich wurden nur die Zeiträume ab 1996 betrachtet. Teilweise wurden aber unter-schiedliche Ausgangsbedingungen zu Beginn des verglichenen Simulationszeitraums verwendet. So wurden z.B. die Flächen 1201-1206 und 1207 mit BIOME-BGC ab 1967 bzw. 1951 simuliert, mit 4C, aufgesetzt auf den gelieferten detaillierten Bestandes- und Bodendaten, ab 1994 bzw. 2001 (Daten-bank), so dass die Bestandessituation bereits zu Beginn des Vergleichszeitraums unterschiedlich war.
Dennoch ergeben sich aus dem Modellvergleich Hinweise auf die Validität bzw. eventuell vorhandene Schwachstellen der eingesetzten Modelle.
4.5.5.1.1 Wasserhaushalt
Beide Modelle sind in der Lage, die Interzeptionsverdunstung gut abzubilden, vor allem an den Bran-denburger Standorten. Die maximale Spanne der Abweichungen reicht von -31 bis +33 % (4C relativ zu BIOME-BGC). Die mittlere Abweichung von -9 % verweist auf etwas geringere Interzeption/ Inter-zeptionsverdunstung in den 4C Simulationsergebnissen. Beide Modelle reproduzieren übereinstim-mend die erwarteten Unterschiede zwischen Buchen-, Fichten und Kiefernwäldern, die auf Unter-schiede im Blattflächenindex (LAI) und in der Belaubungsdauer zurückzuführen sind.
Die simulierte Transpiration der Baumbestände (für die Flächen 1201 bis 1206 in Brandenburg ein-schließlich der Transpiration der Bodenvegetation) ist mit 4C im Mittel um 39 % geringer als mit BI-OMME-BGC. Lediglich für zwei Flächen 1207 und 906 wurden sehr ähnliche Jahressummen der Transpirationsflüsse simuliert.
Es können einige vorläufige Schlussfolgerungen über mögliche Gründe für diese Differenzen gezogen werden. Die Simulationen mit 4C wurden unter Verwendung des Ansatzes nach Turc-Ivanov für die Berechnung der potentiellen Evapotranspiration (PET) durchgeführt. Im Modell wird eine obere Gren-ze für die Summe aus allen Verdunstungsflüssen festgelegt und limitiert damit vor allem die Baum-transpiration. Erste Tests an der Fläche 1201 zeigen, dass alternative Ansätze für die Berechnung der PET nach Priestley-Taylor oder nach Penman-Monteith zu ca. 35 % höheren Transpirationsraten füh-ren. Wenn sich durch weitere Studien belegen lässt, dass die letztgenannten Ansätze den realen at-mosphärischen Verdunstungsanspruch besser wiedergeben als die Berechnung nach Turc-Ivanov, würde dies einen großen Teil der Unterschiede in den Modellresultaten erklären.
BIOME-BGC berechnet dagegen die PET nach Penman-Monteith. Für die Kiefernstandorte (307, 1201-1206) entspricht die dargestellte Transpiration nicht der Kronendachtranspiration, sondern der Bestandestranspiration einschließlich des Anteils der Bodenvegetation. Zur realistischeren Abbildung des Bodenwasserhaushalts und seiner Effekte auf die Dekomposition wurde die Stomataleitfähigkeit heraufgesetzt, um die Transpirationsrate zu erhöhen, da die verwendete Modellversion von BIOME-BGC keine Bodenvegetation berücksichtigt.
Die Differenzen in der Transpiration, finden sich bei weitestgehend ähnlichen Ergebnissen für die In-terzeptionsverdunstung spiegelbildlich in der simulierten Tiefensickerung wieder. Die 4C Ergebnisse liegen hier im Mittel 24 % über den mit BIOME-BGC simulierten Werten.
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Abb. 62 Simulierte Mittelwerte der jährlichen Wasserhaushaltsgrößen Interzeption, Transpiration, Versickerung und Wassernutzungseffizienz (WUE) an den untersuchten Level II-Standorten
4.5.5.1.2 Kohlenstoffhaushalt
Die Simulationsergebnisse zur Nettoprimärproduktion (NPP) zeigen eine weitgehende Übereinstim-mung zwischen beiden Modellen. Für einzelne Flächen kommt das Modell 4C zu einer deutlich höhe-ren NPP (906, 305, 1207).
Bei den Simulationsergebnissen zur Bruttoprimärproduktion (GPP) und zur autotrophen Respiration (RA) unterschieden sich die beiden Modelle dagegen deutlicher, wobei die Abweichungen im Zusam-menhang stehen. Die Variabilität der Differenzen zwischen der Bruttophotosynthese (GPP) und der autotrophen Respiration (RA) in den beiden Modellen ist größer (Variationskoeffizient = 30 bzw. 48 %) als die Differenzen der NPP (Variationskoeffizient 22 %). Die Abweichungen in GPP und RA sind in 14 von 15 Fällen gleichläufig und hoch miteinander korreliert (R = 0.96). In der genutzten 4C Version wird den Hypothesen von (Waring et al. 1998) folgend die autotrophe Respiration als konstante Fraktion der GPP (ca. 50%) berechnet. Demgegenüber berechnet BIOME-BGC die autotrophe Respiration als Funktion des N-Vorrats in den Biomasse-Kompartimenten und der Temperatur nach (Ryan 1991). RA wird für die Buchenbestände von BIOME-BGC deutlich niedriger als von 4C simuliert, während es bei den Nadelbeständen umgekehrt ist. Demzufolge ist bei 4C das Verhältnis von RA und NPP für alle Flächen nahe 1, während es für BIOME-BGC zwischen 0,66 im Mittel für die Buchenbestände, 1,98 im Mittel für die Fichtenbestände und 1,49 im Mittel für die Kiefernbestände variiert.
Die deutlichsten Unterschiede zwischen beiden Modellen zeigen sich in der simulierten heterotrophen Respiration, die wiederum einen hohen Anteil an den Unterschieden bei der Nettoökosystem-produktion (NEP) hat. Die heterotrophe Respiration (RH) wird von 4C im Vergleich zu BIOME-BGC im
Mittel um 32 % geringer simuliert. Entsprechend wird von 4C im Schnitt eine C-Akkumulation im Bo-den simuliert, während BIOME-BGC eine leichte C-Vorratsabnahme berechnet. Zusammen mit der um 11 % höheren NPP von 4C summieren sich die Unterschiede in der Nettoökosystemproduktion (NEP) auf 67 %. An allen Standorten ist die durch 4C simulierte NEP größer als die von BIOME-BGC, während die heterotrophe Respiration immer geringer ist. Nähere Anhaltspunkte zu den Modellunter-schieden können erwartet werden, wenn die Vergleiche zwischen simulierten und gemessenen Bo-denrespirationsraten abgeschlossen sind.
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Stammzuwachs [t C ha-1 a-1]
BIOME_BGC 4C
Abb. 63 Simulierte Mittelwerte der jährlichen Kohlenstoffhaushaltsgrößen und des Stammzuwachses an den untersuchten Level II-Standorten