Kurzfassung

Kurzfassung 

Titel Validierung von Pedotransferfunktionen zur Berechnung von bodenhydrologi- 

schen Parametern als Grundlage für die Ermittlung von Kennwerten des Wasserhaus- 

haltes im Rahmen der BZE II 

Autoren Daniel Schramm 1 , Jörg Scherzer 2 , Bernd Schultze 2 und Jörg Matschullat 1 

1 Interdisziplinäres Ökologisches Zentrum (IÖZ), Brennhausgasse 14, D-09599 Freiberg, 2 UDATA – Umweltschutz 

und Datenanalyse, Weinbergstraße 49, D-67434 Neustadt/Wstr., *Kontakt: Daniel Schramm; Email: 

DanielSchramm@gmx.net 

Einleitung Ziel unserer Studie war es, geeignete Pedotransferfunktionen (PTF) zur 

Berechnung von bodenhydrologischen Parametern für das gesamte Standortspektrum 

der BZE zu ermitteln. Aus den gewonnenen Erkenntnissen sollte unter Beachtung des 

Fortpflanzungsfehlers in Wasserhaushaltsmodellen eine konkrete Handlungsempfeh- 

lung als Grundlage für die Ermittlung von Kennwerten des Wasserhaushaltes wie bei- 

spielsweise Tiefensickerung im Rahmen der BZE II erarbeitet werden. 

Methoden Die bereits vorausgewählten PTF (UDATA 2004) wurden durch einen Ver- 

gleich von rechnerisch ermittelten und im Labor gemessenen bodenhydrologischen 

Kenngrößen (nutzbare Feldkapazität, Feldkapazität, permanenter Welkepunkt) direkt 

validiert. Hierzu standen bodenphysikalische Daten von 455 Waldböden zur Verfü- 

gung. Als Bewertungskriterium wurde vorrangig der quadratische Fehler RMSE ver- 

wendet, da dieser den mittleren Fehler einer Funktion darstellt und bevorzugt in der 

Literatur verwendet wird. Zur Untersuchung des Fortpflanzungsfehlers in Wasserhaus- 

haltsmodellen (indirekte Validierung) wurden exemplarisch fünf typische BZE- 

Standorte ausgewählt. Die Standorte repräsentierten neben unterschiedlichen Boden- 

eigenschaften auch unterschiedliche Klimabedingungen und Waldtypen. Die Simulati- 

onen wurden mit dem prozessorientierten Richardsmodell Brook90 (Federer und Lash 

1978, Federer 1995) und dem Speichermodell SIMPEL (Hörmann 1997) durchgeführt. 

Ergebnisse Bei unseren Testsimulationen mit dem Linearspeichermodell SIMPEL 

zeigten sich hinsichtlich der Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts (Evaporation, 

Transpiration, Tiefensickerung) nur geringe Unterschiede zwischen den getesteten 

PTF. Wir empfehlen daher, den Ansatz AG Bodenkunde (2005) "Eingangsgröße Bo- 

denart" für die Parametrisierung von Waldböden in einfachen Wasserhaushaltsmodel- 

len im Rahmen einer bundesweit einheitliche BZE II-Auswertung zu verwenden (mittle- 

rer RMSEnFK = 7,2 Vol.%). Für Einzelauswertungen sollte die PTF Teepe et al. (2003) 

„Bestimmung von nFK und PWP über Korngrößenanteile und Trockenrohdichte“, wel- 

che bei der direkten Validierung die insgesamt realistischste Abschätzung der boden- 

physikalischen Kennwerte erlaubte (mittlerer RMSEnFK = 6,5 Vol.%), eingesetzt wer- 

den. SIMPEL lieferte allerdings in bestimmten Fällen (z. B. hohe Niederschläge, 

Grundwassereinfluss) bzw. für spezielle Auswertungen (z. B. pflanzenverfügbares Bo- 

denwasser) teilweise unplausible Ergebnisse. Die Abschätzung der kapillaren Auf- 

TU Bergakademie Freiberg, Interdisziplinäres Ökologisches Zentrum (IÖZ), Brennhausgasse 14, 09599 Freiberg 

Arbeitsgemeinschaft mit: UDATA – Umweltschutz und Datenanalyse, Weinbergstraße 49, 67434 Neustadt 

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stiegsrate ist außerdem derzeit nur nach AG Bodenkunde (2005) möglich. Dieses Ver- 

fahren birgt allerdings die Gefahr einer drastischen Fehleinschätzung der realen Auf- 

stiegsbedingungen. Für die Bestimmung der Bilanzkomponenten ist daher der Einsatz 

eines prozessorientierten Wasserhaushaltmodells (z. B. Brook90) sinnvoller. Hier zeig- 

te sich ein erheblicher Einfluss der verwendeten PTF sowohl auf die Bilanzkomponen- 

ten des Wasserhaushalts als auch auf das simulierte pflanzenverfügbare Bodenwas- 

ser. Aufgrund der erheblichen PTF-bürtigen Streuung der Simulationsergebnisse mit 

Brook90 kann keine der untersuchten PTF als besser oder schlechter geeignet zur 

Bestimmung der Bilanzkomponenten und des pflanzenverfügbaren Bodenwassers i- 

dentifiziert werden. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der direkten Validierung 

wird daher bis auf weiteres empfohlen, den Ansatz AG Bodenkunde (2005) „Eingangs- 

größe Bodenart“ in Verbindung mit dem Fittingprogramm RETC (van Genuchten et al. 

1991) für eine bundesweit einheitliche Auswertung und die Funktion Wösten et al. 

(1999) „klassifiziert“ für Einzelauswertungen zur prozessorientierten Simulation des 

Wasserhaushalts von BZE-Standorten zu verwenden. 

Fazit Zur Beurteilung der Realitätsnähe simulierter Bilanzkomponenten des Wasser- 

haushalts und des simulierten pflanzenverfügbaren Bodenwassers sind aufbauend auf 

den Ergebnissen unserer Studie dringend weitergehende Untersuchungen (Modellsi- 

mulationen) mit Hilfe von Datensätzen intensiver untersuchter Level II-Plots in Vorbe- 

reitung der BZEII-Auswertung erforderlich. 

Literatur 

AG Bodenkunde (2005): Bodenkundliche Kartieranleitung (KA5). 5. Auflage. Bundes- 

anstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe und Geologische Landesämter 

der Bundesrepublik Deutschland (Hrsg.), Schweitzerbart’sche Verlagsbuch- 

handlung, Stuttgart, 438 S. 

Federer, C. A. (1995): BROOK90: A simulation model for evaporation, soil water and 

streamflow, Version 3.1. Computer freeware and documentation; USDA Forest 

Service, PO Box 640, Durham, New Hampshire, USA. 

Federer, C. A. und D. Lash (1978): BROOK: A hydrologic simulation model for eastern 

forests; University of New Hampshire, Water Resources Research Center, Re- 

search Report 19, 94 S. Durham, New Hampshire, U.S.A. (überarbeitet 1983). 

Hörmann, G. (1997): SIMPEL - Ein einfaches, benutzerfreundliches Bodenwassermo- 

dell zum Einsatz in der Ausbildung; Deutsche Gewässerkundliche Mitteilungen 

41(2), 67-72. 

Teepe, R., Dilling, H., Beese, F. (2003): Estimating water retention curves of forest 

soils from soil texture and bulk density. J. Plant Nutr. Soil Sci. 166, 111-119. 

UDATA (2004): Ermittlung von Pedotransferfunktionen zur rechnerischen Ableitung 

von Kennwerten des Bodenwasserhaushalts (FK, PWP, nFK, kapillarer Auf- 



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stieg). Arbeitsbericht an das Bundesministerium für Verbraucherschutz, Ernäh- 

rung und Landwirtschaft (BMVEL), Rochusstr. 1,. 53123 Bonn, 68 S. 

Van Genuchten, M.Th., Leij, F.J., Yates, S.R. (1991): The RETC code for quantifying 

the hydraulic functions of unsaturated soils. USDA, US Salinity Laboratory, Riv- 

erside, CA. United States Environmental Protection Agency, Dokument 

EPA/600/2-91/065. 

Wösten, J.H.M., Lilly, A., Nemes, A., Le Ba, C. (1999): Development and use of a da- 

tabase of hydraulic properties of European soils. Geoderma 90, 169-185. 



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