Quantifying water use by temperate deciduous forests in South Korea: roles of species diversity, canopy structure, and complex terrain

Titelangaben

Jung, Eun-Young:
Quantifying water use by temperate deciduous forests in South Korea: roles of species diversity, canopy structure, and complex terrain.
Bayreuth , 2013
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

About seventy percent of South Korea is covered with forests, most of which are found in the mountain regions since mountains receive more rainfall and are difficult terrains not suitable for agriculture. Because mountains are important water sources for cities and human population downstream, performing water balance for forest catchments has become a research priority. The ongoing shift from coniferous to species-rich deciduous forests due to a changing government policy and the anticipated changes in future climate, associated with increasing amount of rainfall and temperature will also impact forest water use, calling for an urgent need to understand how forests, in their current status, use water. The knowledge is vital for predicting water requirements for the future forest. The warm-deciduous temperate forests found in South Korea, however, have a high diversity of tree species, have multi-layered canopies and are mostly located on rugged mountainous terrains, which make it difficult to quantify forest water use, a basic requirement for catchment water budgeting. The main objectives of this study were to: (1) identify the roles of species diversity in tree and forest water use, (2) examine the impact of canopy structure on forest transpiration, and (3) evaluate the influence of terrain on forest water use. Site-specific studies were carried out in three different natural deciduous forests, namely, Gyebang (GB), Gwangneung (GN) and Haean (HA) forest sites, representing the general structure of S. Korean forests. GB site is known for its high species diversity, GN site is an old forest growth at climax, with clearly defined understory and overstory canopy layers while the HA site was located with in a catchment, with strong elevation changes within short horizontal distances, rising from 400 to 1,000 m a.s.l., and in different aspects. Four locations with varying elevations and aspects were chosen in the HA site. Tree water use (TWU) and canopy transpiration (EC) were estimated from sap flux density measured with thermal dissipation probes. Understory transpiration (EU) was measured using stem heat balance while ecosystem evapotranspiration (Eeco) was determined using eddy covariance technique. Air temperatures (Ta), precipitation, solar radiation, vapor pressure deficit (VPD), wind speed were measured from weather stations and soil water content was measured from frequency domain reflectometry (FDR) sensors at the respective study sites. Vegetation surveys, including diameter at breast height (DBH), tree density, species composition, sapwood area (AS), and leaf area index were performed in all the sites. Canopy conductance (GC) and stomatal sensitivity to VPD were assessed based on transpiration and microclimate measured at each site. A functional allometric relationship was established between AS and DBH, and also between TWU and DBH for all the study sites; first for single species and then combining all the species either in a single site or in all the sites. Irrespective of tree species, AS and maximum TWU were significantly correlated with DBH in a power function for AS (R2 = 0.77, P <0.0001) and both in power (R2 = 0.63, P <0.0001) and sigmoid functions (R2 = 0.66, P <0.0001) for TWU, for the co-occurring species as well as across the sites, suggesting that DBH can be a good predictor of stand AS and maximum TWU, based on the established allometric functions. Early bud break and development of the understory compared to the overstory canopy resulted in an earlier onset of forest transpiration, with EU contributing 22% and 14% between April and May to the total forest transpiration. This high contribution was favored by high radiation and VPD in the understory, since the overstory was still undeveloped and open. Despite diminishing VPD and light conditions in the understory between June and August, the understory continued to transpire a substantial amount of water, contributing 10% of the total transpiration. The seasonal patterns of both EO and EU were synchronized to canopy development, while VPD and radiation determined daily trends. EO and EU accounted for 80% of Eeco in spring but only 60% during the monsoon period due to lowered radiation input, VPD, and plant area index (PAI). Thus, Eeco is largely influenced by transpiration rate and its seasonal variation and also canopy structure. Early saturation of EC at relatively low VPD and also a rapid decrease in GC with increasing VPD were observed in the forest stand located at the highest elevation studied (950 m) in the HA site, compared to the GN and the other forest stands in HA. These differences in transpiration rates and stomatal response can be explained by greater stomatal sensitivity to VPD of 0.83 found at the 950 m site compared to 0.63–0.66 in the other study sites. However, the main controlling factor of the change in stomatal sensitivity at the 950 m stand is uncertain. Although maximum daily EC were correlated with AS of the forest stands at different sites (R2 = 0.78, P <0.01), annual EC declined with increasing elevation, i.e., 176 >175 >110 >90 mm year−1 at 340 >450 >650 >950 m, respectively. Decline in total EC was due to the decline in annual Ta, daytime VPD, and length of growing season at higher elevations. The GB site, which was located at 960 m elevation, however, did not display a same response pattern as those observed at the 950 m site. It is likely because these sites were under different environmental conditions, i.e., GB site is exposed to higher Ta and higher humidity, and is sheltered (lower wind speeds). These observations emphasize the complexity associated with estimation of transpiration in rugged terrains, since general principles do not always apply and the spatial patterns of forest transpiration are complex. Complexity arising from multiple tree species composition when estimating forest water use can be reduced by applying functional allometric relationship linking tree size and water use. Forest canopy structure and physical location should be taken into account since they influence the way forests use water resources by altering microclimate and plant physiology. Based on our findings, estimation of forest water use on rugged terrains require repeated measurements at relatively small spatial scales since the driving factors change rapidly over very narrow vertical distances.

Abstract in weiterer Sprache

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.