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Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften

Lehrstuhl für Ökologische Modellbildung - Prof. Dr. Michael Hauhs

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Modellierung des Wasserhaushaltes in einem Buchenwald: Integration experimenteller Untersuchungen

BITÖK-W 7

Von 01/1995 bis 12/1997

Projektleiter: Michael Hauhs
Mitarbeiter: Ralf Callenberg
Bewilligung: 0339476 B Vorhersage und Erklärung des Verhaltens und der Belastbarkeit von Ökosystemen unter veränderten Umweltbedingungen

Das Ziel dieses Projektes war die Entwicklung eines Wasserhaushaltsmodells für Bäume. Wie in vielen phänomenologischen Modellen für die Wassernutzung wurde die gesamte Kontrolle auf dem Niveau der Stomata angesetzt. Dies bedeutet, daß das Hauptaugenmerk der Dynamik der stomatären Leitfähigkeit galt. Die Öffnung der Stomata an sich entspricht dem Bedarf der Pflanze an Aufnahme von CO2. Der Wasserverlust durch Transpiration wäre demnach der Preis, den die Pflanze für die Kohlenstoffassimilation zu zahlen hat. Hier wird nun angenommen, daß die tatsächliche Kontrolle aus der Anpassung der Pflanze an ihre Umgebung resultiert. Die zugrundeliegende Hypothese besagt, daß die Pflanze ihre Photosyntheseleistung unter einer gegebenen Wasserversorgung maximiert, wobei die stomatäre Leitfähigkeit und damit Transpiration als Kontrollparameter dient. Im Rahmen dieser Sichtweise wäre es nicht nötig, die tatsächlichen Prozesse der Wasseraufnahme näher zu betrachten. Die existierenden mathematischen Beschreibungen dieses Optimierungsproblems erweisen sich jedoch als nur für künstliche, stark vereinfachte Umgebungen brauchbar. Eine Verallgemeinerung auf beliebige Randbedingungen scheint nur schwerlich möglich. Als eine Alternative zum bekannten analytischen Zugang zu diesem Problem werden evolutionäre Algorithmen benutzt, um die optimale Kontrolle der stomatären Leitfähigkeit zu bestimmen. Mit dieser Technik ist es möglich, die beschränkte Anwendung der Hypothese zu erweitern. Ein Programm namens opTree wurde geschrieben, das mit beliebigen Zeitreihen für Niederschlag und klimatische Daten konfrontiert werden kann. Als Antwort auf diese Trainingssätze bestimmt das Programm dann die optimierte feedback-Funktion, d.h. stomatäre Leitfähigkeit als Funktion der vorliegenden Umweltbedingungen. Das Modell für den Boden konnte sehr einfach gehalten werden und wurde an den beobachteten Abfluß gefittet. Die erste Anwendung war ein Buchenwald in Panola. In diesem Einzugsgebiet ist die Transpiration sehr hoch, weshalb die Dynamik des Abflusses sehr sensitiv auf die modellierte Transpiration reagiert. Es zeigte sich deutlich, daß die Optimimalitätshypothese in der Lage ist, den Wasserhaushalt von Baumbeständen zu beschreiben. (Abschlußbericht 1998)

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