Kwantitatieve analyse van de verdamping van bossen in vergelijking met weide en akkerland

(1)

VLAAMS IMPULSPROGRAMMA

NATUURONTWIKKELING

Kwantitatieve analyse van de verdamping van bossen in

vergelijking met weide en akkerland

VLINA99/06

(2)

(3)

Studie uitgevoerd in het kader van het Besluit van de Vlaamse regering tot instelling en organisatie van een

Vlaams Impulsprogramma Natuurontwikkeling van 8 februari 1995.

Katholieke Universiteit Leuven, Laboratorium voor Bodem en Water

Promotoren

Jan Feyen, Jozef Deckers

projectuitvoerder

Willem W. Verstraeten,

medewerker

Lode

Hubrechts

Katholieke Universiteit Leuven, Laboratorium voor Bos, Natuur en Landschap

promotor Bart

Muys

Universiteit Gent, Laboratorium voor Bosbouw

promotoren

Noël

Lust

projectuitvoerder Maaike

Minnaert

medewerker

An De Schrijver

Universiteit Gent, Laboratorium voor Plantenteelt

promotoren

Raoul

Lemeur

medewerker

Roeland

Samson

Instituut voor Bosbouw en Wildbeheer

(4)

INHOUDSTAFEL

SYMBOLENLIJST

LIJST MET FIGUREN EN TABELLEN

SAMENVATTING

INLEIDING

HOOFDSTUK 1

Methoden

1 Inleiding_________________________________________________________2

2 Probleemstelling __________________________________________________2

3 Doelstellingen ____________________________________________________3

4 Toepassing resultaten ______________________________________________3

i

1 Sapstroommetingen________________________________________________6

1.1 Heat Field Deformation Methode (HFD) __________________________6

1.2 Thermic Dissipation Method (TDP) ______________________________6

2 Penman-Monteith _________________________________________________8

2.1 Inleiding _____________________________________________________8

2.1.1 Definities__________________________________________________8

2.1.3 Factoren die de evapotranspiratie beïnvloeden_____________________8

2.2 Referentie-evapotranspiratie ETo _______________________________11

2.3 Potentiële gewasspecifieke evapotranspiratie ______________________12

ETc _____________________________________________________________12

2.4 Actuele gewasspecifieke evapotranspiratie ________________________12

ETact____________________________________________________________12

2.4.1 Bodemvochtbeschikbaarheid _________________________________12

2.4.2 Waterstressfactor

Ks ________________________________________13

3 WAVE _________________________________________________________16

3.1 Inleiding ____________________________________________________16

3.2 Modelstructuur ______________________________________________16

3.3 Het verdampingsmechanisme in WAVE__________________________17

3.3.1 Het oorspronkelijk mechanisme _______________________________17

3.3.2 Het aangepast mechanisme ___________________________________19

Interceptiehoeveelheid in plaats van capaciteit_________________________19

Verandering in de verdampingssequentie_____________________________20

3.3.3 Simulatiestatistieken ________________________________________21

3.4 Modelkalibratie -en validatie ___________________________________23

(5)

Eindrapport VLINA/9906

INHOUDSTAFEL ii

HOOFDSTUK 2

Materiaal

1 Overzicht _____________________________________________________________27

2 Verzameling van gegevens _______________________________________________28

2.1 Beschrijving proefvlakken ___________________________________________28

2.2 Bodemfysische karakterisatie_________________________________________31

2.2.1 Inleiding _______________________________________________________31

2.2.2 De bodemfysische karakteristieken __________________________________31

2.2.3 Bepaling van de verzadigde hydraulische geleidbaarheid en de

vochtretentiekromme ____________________________________________________32

2.2.4 Bepaling van de hydraulische geleidbaarheidsfunctie i.f.v. de zuigspanning __33

2.2.5 Meetresultaten___________________________________________________35

Textuur, bodemdichtheid en organisch koolstofgehalte ________________________35

Vochtretentie_________________________________________________________37

Vochthoudend vermogen _______________________________________________39

hydraulische geleidbaarheid _____________________________________________42

2.3 Bodemvochtmetingen en TDR-techniek ________________________________44

2.3.1 Principe ________________________________________________________44

2.3.2 Kalibratie_______________________________________________________44

Kalibratie van de sondes ________________________________________________46

kalibratie van de TDR-looptijd in functie van het vochtgehalte__________________46

2.3.3 Metingen _______________________________________________________46

2.4 Waterinvoertermen _________________________________________________47

2.4.1 Waterinvoer in het systeem_________________________________________47

2.4.2 Doorval-,

stamafvloei-

en interceptiewater_____________________________48

Meetsystemen ________________________________________________________48

Berekeningsmethoden__________________________________________________48

2.4.3 Grondwaterstand en drainage _______________________________________50

2.4.4 Bodemwateropslag _______________________________________________50

2.4.5 Wortelextractiefunctie_____________________________________________50

2.4.6 Bladoppervlakte-index

LAI ________________________________________51

Inleiding ____________________________________________________________51

Opname van hemisferische beelden _______________________________________51

LAI (of PAI) bepaling uit de hemisferische beelden __________________________51

2.4.7 Bepaling van de gewasfactor Kc_____________________________________53

3 Sapstroommetingen_____________________________________________________54

3.1 Selectie van de proefbomen __________________________________________54

4 Penman-Monteith ______________________________________________________63

4.1 Potentiële referentie-evapotranspiratie (ETo) ___________________________63

4.2 Potentiële gewasspecifieke evapotranspiratie (ETc) ______________________64

5 WAVE _______________________________________________________________65

5.1 WAVE-invoerstructuur _____________________________________________65

5.2 Gegevensbronnen___________________________________________________66

(6)

INHOUDSTAFEL iii

HOOFDSTUK 3

Resultaten

1 Sapstroommetingen_____________________________________________________71

1.1 Boomniveau _______________________________________________________71 1.1.1 Variatie binnen 1 boom____________________________________________71 radiale variatie________________________________________________________71 azimuthale variatie ____________________________________________________73 longitudinale variatie __________________________________________________73 1.1.2 Variatie tussen de bomen __________________________________________74 Balegem en Brasschaat 2000 ____________________________________________74 Gontrode IA en IB 2001 ________________________________________________75 1.2 Bestandsniveau_____________________________________________________76 Balegem en Brasschaat 2000 ____________________________________________76 Gontrode Ia en Ib 2001 _________________________________________________77 2 Penman-Monteith ______________________________________________________79 3 WAVE _______________________________________________________________81

(7)

Eindrapport VLINA/9906

3.1.16 Bertem_________________________________________________________97

Validatie ____________________________________________________________97

3.1.17 Sint-Joris-Weert _________________________________________________98

Kalibratie____________________________________________________________98

3.1.18 Herentals _______________________________________________________99

Validatie ____________________________________________________________99

3.1.19 Ravels ________________________________________________________100

Validatie ___________________________________________________________100

3.2 De waterbalans- en waterverbruiktermen _____________________________102 3.2.1 Wijnendale ____________________________________________________103 3.2.2 Balegem ______________________________________________________105 3.2.3 Melle _________________________________________________________107 3.2.4 Gontrode IA ___________________________________________________109 3.2.5 Gontrode IB ___________________________________________________111 3.2.6 Gontrode II ____________________________________________________113 3.2.7 Smeerebbe-Vloerzegem __________________________________________115 3.2.8 Lochristi ______________________________________________________116 3.2.9 Asse__________________________________________________________118 3.2.10 Hoeilaart.______________________________________________________120 3.2.11 Tervuren ______________________________________________________122 3.2.12 Brasschaat IA __________________________________________________124 3.2.13 Brasschaat IB __________________________________________________126 3.2.14 Bertem________________________________________________________128 3.2.15 Sint-Joris-Weert ________________________________________________130 3.2.16 Herentals ______________________________________________________132 3.2.17 Ravels ________________________________________________________134 4 Scenario-analyse ______________________________________________________136

(8)

(9)

Eindrapport VLINA/9906 INHOUDSTAFEL vi

4.3.16 Bertem________________________________________________________170

4.3.17 Sint-Joris

Weert ________________________________________________170

4.3.18 Herentals ______________________________________________________170

4.3.19 Ravels ________________________________________________________170

4.3.20 Besluiten en opmerkingen_________________________________________170

4.4 Besluiten en opmerkingen___________________________________________171

5 Scenario-analyse ______________________________________________________172

5.1 Scenario’s voor een periode van 30 jaar met verschillende gewassen _______172

Scenario_00, scenario_01: Ravels, den, periode 1969-1998 ___________________172

Scenario_00, scenario_02: Ravels, maïs, periode 1969-1998 __________________172

Scenario_00, scenario_03: Ravels, EIK, periode 1969-1998 ___________________172

Scenario_01, scenario_1: Smeerebbe-Vloerzegem, maïs, periode 1969-1998______172

Scenario_02, scenario_2: Smeerebbe-Vloerzegem, populier, periode 1969-1998___173

Samenvatting________________________________________________________173

5.2 Bemalingsscenario’s uitgevoerd op het dennenstand te Ravels ____________173

5.3 Besluiten en opmerkingen___________________________________________173

6 Evaluatie en vergelijking van de methoden _________________________________175

6.1 Praktisch_________________________________________________________175

6.2 Resultaten ________________________________________________________176

6.2.1 Balegem ______________________________________________________176

6.2.2 Brasschaat

IA __________________________________________________176

6.2.3 Brasschaat

IB __________________________________________________177

6.2.4 Gontrode IA en IB ______________________________________________177

6.2.5 Algemeen _____________________________________________________178

6.3 Bespreking _______________________________________________________178

6.3.1 Verschillen ____________________________________________________178

6.3.2 Aandeel van bodemevaporatie _____________________________________178

6.4 Besluiten en opmerkingen___________________________________________180

7 Vergelijking van de onderlinge proefvlakken _______________________________181

(10)

INHOUDSTAFEL

HOOFDSTUK 5

Besluiten en opmerkingen

1 Inleiding_____________________________________________________________188

2 Sapstroom ___________________________________________________________188

3 Penman-Monteith _____________________________________________________188

4 WAVE ______________________________________________________________189

5 Het waterverbruik van bossen en landbouwgewassen in Vlaanderen ____________189

6 Besluiten en perspectieven ______________________________________________190

6.1 Waterverbruik van bossen in Vlaanderen _____________________________190

6.2 Analysemethoden__________________________________________________190

6.3 Besluit ___________________________________________________________191

LITERATUURLIJST

BIJLAGE 1

Handleiding sapstroommetingen

BIJLAGE 2

Retentiefuncties van de

verschillende proefvlakken

(11)

Eindrapport VLINA99/06

SYMBOLENLIJST

A regressiecoëfficiënt [-]

Abasi grondvlak bomen in diameterklasse i [m-2]

AbasIndi grondvlak bosbestand [cm-2]

AbasStand grondvlak individuele boom in klasse i [cm-2_]

α empirische parameter [-] α inverse luchtintredewaarde [cm-1_] α(h) reductiefactor wateronttrekking [-] B regressiecoëfficiënt [-] B inverse luchtintredewaarde [cm-1_] β empirische parameter [-] C capillaire opstijging [mm] c lichtsnelheid [m.s-1] CD determinatiecoëfficiënt [-]

CEV_INT cumulatieve interceptieverdamping [mm.dag-1_]

CUM_INT cumulatieve interceptiehoeveelheid [mm.dag-1] DBH diameter boomstam op borsthoogte [cm]

Dr root zone depletion [mm]

ΔO verandering in bodemwateropslag [cm3.cm-3] ΔT temperatuurverschil met sapstroom u [Kelvin] Δt0 verplaatsingstijd signaal in de epoxykop [s]

Δtp verplaatsingstijd signaal in de TDR-sonde [s]

Δts verplaatsingstijd signaal in de bodem [s]

Δθ verandering in bodemwateropslag [cm3_.cm-3_]

DVi doorvalneerslag [mm.dag-1]

DWA afnemende waterbeschikbaarheid [-log(h)]

E evaporatie [mm.dag-1]

Ep potentiële bodemevaporatie [mm.dag-1_]

ET gewasspecifieke evapotranspiratie [mm.dag-1_]

ETact gewasspecifieke actuele evapotranspiratie [mm.dag-1] ETc gewasspecifieke potentiële evapotranspiratie [mm.dag-1_]

ETo referentie-evapotranspiratie [mm.dag-1_]

FAO Food and Agricultural Organization, VN

FC veldcapaciteit [-log(h)]

FD fractale dimensie [-]

GWS grondwaterstand [m]

ho drukhoogte bij quasi-verzadiging [mm]

hcrit kritische drukhoogte [mm]

hFC drukhoogte bij veldcapaciteit [mm]

hWP drukhoogte bij verwelkingspunt [mm]

I interceptie-evaporatie [mm dag-1_]

(12)

INTi dagelijkse interceptiehoeveelheid [mm dag-1]

int interceptiecapaciteit of hoeveelheid [mm dag-1]

K diëlectrische constante [?]

K sapstroomindex [-]

Kc gewasfactor [-]

K(h) hydraulische geleidbaarheid bij drukhoogte h [cm.dag-1_]

Ks waterstressfactor [-]

Ksat verzadigde hydraulische geleidbaarheid [cm.dag-1]

L lengte TDR-sonde [cm] LAI bladoppervlakte-index [m2_m-2_] λ poriënnetwerkparameter [-] M gemiddelde m vormparameter [-] ME Modelefficiëntie [-] N helling K(h)-kromme [-] N neerslag [mm] n vormparameter [-]

n aantal beschikbare metingen [-]

na refractieve index [-]

Ō gemiddelde observatie [cm3_.cm-3_]

Oi i-de observatie [cm3.cm-3]

OA oppervlakkige waterafvoer [cm.dag-1]

OC organisch koolstofgehalte [%]

P percolatie [cm.dag-1_]

p fractie van TAW [-]

pact fractie van TAW vooraleer waterstress optreedt [-]

PAIm opgemeten Plant Area Index [m2.m-2]

pF negatief logaritme van de drukhoogte [-log(h)] Pi i-de gesimuleerde modelwaarde [cm3.cm-3]

RAW gemakkelijk opneembaar water [mm]

RH relatieve vochtigheid [%]

RMSE Root Mean Square Error [-]

Rs instraling [joule.s-1_]

Se relatieve verzadiging [(cm3_.cm-3_).(cm-3_.cm+3_)]

SFi stamafvloei [mm.dag-1]

Smax wateronttrekkingsfunctie door wortels [-] STDEV standaardafwijking

T temperatuur [°C]

T transpiratie [cm.dag-1]

TAW totaal opneembaar water [mm]

TDR Tijdsdomein reflectometrie

θ volumetrisch vochtgehalte [cm3_.cm-3_]

θact actueel volumetrisch vochtgehalte [cm3.cm-3]

(13)

lijst met afkortingen x

θFC volumetrisch vochtgehalte bij veldcapaciteit [cm3.cm-3]

θh volumetrisch vochtgehalte bij drukhoogte h [cm3.cm-3]

θr residueel volumetrisch vochtgehalte [cm3.cm-3]

θs verzadigd volumetrisch vochtgehalte [cm3.cm-3]

TM temperatuurverschil zonder sapstroom [Kelvin]

Tmax maximale temperatuur [°C]

Tmin minimale temperatuur [°C]

Tp potentiële transpiratie [mm.dag-1]

u sapstroomdichtheid [dm3_.dm-2_.h-1_]

VVi vrije veldneerslag [mm.dag-1]

WP verwelkingspunt [-log(h)]

X1 afstand eerste discontinuïteit [m]

X2 afstand tweede discontinuïteit [m

(14)

Lijst met figuren en tabellen

HOOFDSTUK 1

Methoden

Figuren

Fig. 1 Factoren die de evapotranspiratie beïnvloeden en de

overeenkomstige evapotranspiratiecomponenten (naar Allen et al., 1998)

Fig. 2 Voorbeeldcurve van de gewasfactor Kc gedurende het groeiseizoen (naar Allen et al., 1998)

Fig. 3 Potentiële referentie-evapotranspiratie (ETo), potentiële gewasspecifieke evapotranspiratie (ETc) en actuele evapotranspiratie (ETact) (naar Allen et al., 1998)

Fig. 4 Waterstressfactor Ks in functie van het bodemvochtgehalte bij afnemende waterpotentiaal (naar Allen et al., 1998). θFC =

vochtgehalte bij veldcapaciteit (pF = 2,3), θt = vochtgehalte

bij afnemende bodemvochtbeschikbaarheid (pF = 3,2), θWP =

vochtgehalte bij verwelkingspunt (pF = 4,2)

Fig. 5 Vereenvoudigde waterbalans in de wortelzone, met enkele

bodemhydrologische definities (naar Allen et al., 1998, FAO-56 procedure)

Fig. 6 Schematisch overzicht van het oorspronkelijk verdampings-mechanisme in WAVE

Fig. 7 De cumulatieve verdamping van interceptiewater volgens de twee sequenties en de cumulatieve hoeveelheid opgevangen interceptie voor het populierenbestand te Balegem

Fig. 8 Schematisch overzicht van het aangepaste verdampingsmechanisme in WAVE (interceptiehoeveelheid en verandering in sequentie)

Tabellen

Tabel 1 Karakteristieken van het referentie-grasoppervlak Tabel 2 Belangrijke bodemwaterlimieten

Tabel 3 Mogelijk gedrag van de verschillende simulatiestatistieken

HOOFDSTUK 2

Materiaal

Figuren

Fig. 1 Overzichtskaart van de locatie van de verschillende

proefvlakken in Vlaanderen

Fig. 2 De multi-stepopstelling ter bepaling van de hydraulische

geleidbaarheid (K(h)) bij een bepaalde zuigspanning h (van Dam et al., 1990)

Fig. 3 Vochthoudend vermogen [mm] in de bovenste 100 cm (boven) en in de goed bewortelde zone (onder)

(15)

Fig. 4 Schematische voorstelling van een TDR-sonde (naar Heimovaara, 1993)

Fig. 5 Voorbeeld van een TDR-golfsignaal gemeten in lemig zand. A en B zijn de twee reflectiepunten die worden opgemeten. Δtp is de

verplaatsingstijd van het spaningssignaal in de probe, Δts is

de verplaatsingstijd in de bodem (dus afhankelijk van het bodemvochtgehalte) en Δto is de verplaatsingstijd in de

epoxykop van de sonde (naar Heimovaara, 1993) Fig. 6 De veldwaterbalans

Fig. 7 Het originele en bewerkte beeld voor PAI-bepaling met de plaats van opname en de specificaties

Fig. 8 Grondvlak (Abas) en gecumuleerd grondvlak (Abas cum) per

diameterklasse

Fig. 9 Grondvlak (Abas) en gecumuleerd grondvlak (Abas cum) per

diameterklasse

Fig. 10 Grondvlak (Abas) en gecumuleerd grondvlak (Abas cum) per diameterklasse

Fig. 11 Grondvlak (Abas) en gecumuleerd grondvlak (Abas cum) per diameterklasse van eik in het eiken-beukenproefvlak

Fig. 12 Grondvlak (Abas) en gecumuleerd grondvlak (Abas cum) per diameterklasse van beuk in het eiken-beukenproefvlak

Tabellen

Tabel 1 Lokatie van de proefvlakken, kalibratie- of validatieplot en gewas, gerangschikt van west naar oost

Tabel 2 De installatie van de meetapparatuur op de proefvlakken

Tabel 3 De bodemdichtheid, de textuuranalyse en het organisch

koolstofgehalte voor de horizonten van de bodemprofielen van de verschillende proefvlakken (vijf fracties); OC staat voor organisch koolstofgehalte; um voor micrometer; / staat voor “geen gegevens beschikbaar”; de sterretjes verwijzen naar gegevens beschikbaar uit andere bronnen; M staat voor gemiddelde en STDEV voor standaardafwijking

Tabel 4 Overzicht van de parameterwaarden van het van Genuchten-model (vochtretentie) voor de horizonten van de bodemprofielen van de verschillende proefvlakken; / staat voor “geen gegevens beschikbaar”; de sterretjes verwijzen naar gegevens uit een andere bron; M staat voor gemiddelde en STDEV voor standaardafwijking

Tabel 5 Vochthoudend vermogen van de horizonten van de bodemprofielen van de verschillende proefvlakken

Tabel 6 Overzicht van de parameterwaarden van het Mualem-model voor de hydraulische geleidbaarheid (Ksat en λ) voor de horizonten van

de bodemprofielen van de verschillende proefvlakken. De parameters van eerder opgemeten proefvlakken (aangeduid met sterretjes) zijn die voor het Gardner-model (Ksat, B en N:

literatuurwaarden); / staat voor “geen gegevens beschikbaar”; M staat voor gemiddelde en STDEV voor standaardafwijking

Tabel 7 Diameterverdeling en grondvlak van het proefvlak te Brasschaat (plot 1; 606,02 m²), opgemeten 5 mei 2000

(16)

Tabel 8 Diameterverdeling en grondvlak van het proefvlak te Brasschaat (plot 2; 364,7m²), opgemeten 4 mei 2000

Tabel 9 Diameterverdeling en grondvlak van het proefvlak te Balegem (7042 m²), opgemeten 24 april 2000

Tabel 10 Biometrische beschrijving van de proefbomen bemonsterd in 2000 Tabel 11 Bometrische beschrijving van de proefbomen bemonsterd in 2001 Tabel 12 Herkomst van de gebruikte meteorologische gegevens voor de

berekening van de evapotranspiratie met de methode van Penman-Monteith

Tabel 13 Lokatie van de gebruikte weerstations van het KMI Tabel 14 Overzicht van de gewasfactoren

Tabel 15 Overzicht van de invoergegevens vereist voor het WAVE-model

HOOFDSTUK 3

Resultaten

Figuren

Fig. 1 Gemiddelde sapstroomdensiteit (7 juni - 27 augustus) en het verloop gedurende de dag op verschillende diepten: 1/7 diep is het diepste meetpunt, 6/12 ondiep is het meest ondiepe meetpunt Fig. 2 Radiale patroon in het begin (8 juni) en op het einde (13

augustus) van het groeiseizoen

Fig. 3 Azimuthale variatie van het radiaal profiel: populier P_31 opgemeten op 25 mei 2000 14u45

Fig. 4 Tijdsreeksen van de dagelijkse sapstroom per boom gemeten op de verschillende proefvlakken

Fig. 5 Tijdsreeksen van de dagelijkse sapstroom per boom gemeten op beide proefvlakken in Gontrode

Fig. 6 Verloop van de transpiratie in de verschillende bestanden

Fig. 7 Dagelijkse bestandstranspiratie van proefvlak Brasschaat IA t.o.v. Brasschaat IB

Fig. 8 Maandelijkse verdampingssommen voor het eiken-beukenbestand te Gontrode

Fig. 9 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Wijnendale Fig. 10 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Balegem Fig. 11 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Melle

Fig. 12 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Gontrode IA Fig. 13 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Gontrode IB Fig. 14 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Gontrode II Fig. 15 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken

Smeerebbe-Vloerzegem

Fig. 16 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Lochristi Fig. 17 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Asse Fig. 18 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Hoeilaart

(17)

Fig. 19 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Tervuren Fig. 20 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Brasschaat IA Fig. 21 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Brasschaat IB Fig. 22 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Bertem

Fig. 23 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Sint-Joris-Weert

Fig. 24 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Herentals Fig. 25 Bodemvochtprofielen en simulatiestatistieken van Ravels Fig. 26 Verloop van de grondwaterstand te Ravels van 2000

Tabellen

Tabel 1 Transpiratie van de bemonsterde proefvlakken na opschaling naar het bestandsniveau

Tabel 2 Grondvlakverdeling van de verschillende boomsoorten in het eiken-beukenproefvlak te Gontrode (uit Vandewalle et al., 1998) Tabel 3 Transpiratie van eik en beuk van de periode 1 juni tot en met

30 september 2001

Tabel 4 Overzicht van de referentie-evapotranspiratie ETo, de

gewasspecifieke potentiële evapotranspiratie ETc, en de gewasspecifieke actuele evapotranspiratie ETact voor periode 1 maart-31 oktober 2000

Tabel 5 Overzicht van de referentie-evapotranspiratie ETo, de

gewasspecifieke potentiële evapotranspiratie ETc, en de gewasspecifieke actuele evapotranspiratie ETact voor periode 1 maart-31 augustus 2001

Tabel 6 De gekalibreerde parameterwaarden voor de verschillende

validatieproefvlakken

Tabel 7 De gekalibreerde parameterwaarden voor de verschillende

validatieproefvlakken

Tabel 8 Specificaties van het proefvlak van Melle wat betreft

maaibeurten en veronderstellingen Tabel 9 Waterbalanstermen van Wijnendale Tabel 10 Waterverbruiktermen van Wijnendale Tabel 11 Waterbalanstermen van Balegem Tabel 12 Waterverbruiktermen van Balegem Tabel 13 Waterbalanstermen van Melle Tabel 14 Waterverbruiktermen van Melle Tabel 15 Waterbalanstermen van Gontrode IA Tabel 16 Waterverbruiktermen van Gontrode IA Tabel 17 Waterbalanstermen van Gontrode IB Tabel 18 Waterverbruiktermen van Gontrode IB Tabel 19 Waterbalanstermen van Gontrode II Tabel 20 Waterverbruiktermen van Gontrode II

Tabel 21 Waterbalanstermen van Smeerebbe-Vloerzegem Tabel 22 Waterverbruiktermen van Smeerebbe-Vloerzegem

(18)

Tabel 23 Waterbalanstermen van Lochristi Tabel 24 Waterverbruiktermen van Lochristi Tabel 25 Waterbalanstermen van Asse

Tabel 26 Waterverbruiktermen van Asse Tabel 27 Waterbalanstermen van Hoeilaart Tabel 28 Waterverbruiktermen van Hoeilaart Tabel 29 Waterbalanstermen van Tervuren Tabel 30 Waterverbruiktermen van Tervuren Tabel 31 Waterbalanstermen van Brasschaat IA Tabel 32 Waterverbruiktermen van Brasschaat IA Tabel 33 Waterbalanstermen van Brasschaat IB Tabel 34 Waterverbruiktermen van Brasschaat IB Tabel 35 Waterbalanstermen van Bertem

Tabel 36 Waterverbruiktermen van Bertem

Tabel 37 Waterbalanstermen van Sint-Joris-Weert Tabel 38 Waterverbruiktermen van Sint-Joris-Weert Tabel 39 Waterbalanstermen van Herentals

Tabel 40 Waterverbruiktermen van Herentals Tabel 41 Waterbalanstermen van Ravels Tabel 42 Waterverbruiktermen van Ravels

Tabel 43 Overzicht van de verschillende scenario’s voor Ravels Tabel 44 Overzicht van de verschillende scenario’s voor Smeerebbe-

Vloerzegem

Tabel 45 De waterbalanstermen van Ravels met het oorspronkelijk dennenbestand voor het kunstmatige jaar 2000

Tabel 46 De waterbalanstermen van Scenario_00, scenario_01 Tabel 47 De waterverbruiktermen van Scenario_00, scenario_01 Tabel 48 De waterbalanstermen van scenario_00, scenario_02 Tabel 49 De waterverbruiktermen van scenario_00, scenario_02 Tabel 50 De waterbalanstermen van scenario_00, scenario_03 Tabel 51 De waterverbruiktermen van scenario_00, scenario_03

Tabel 52 De waterbalanstermen van Smeerebbe-Vloerzegem voor het oorspronkelijke maïsbestand van 2000

Tabel 53 De waterbalanstermen van Scenario_01, scenario_1 Tabel 54 De waterverbruiktermen van Scenario_01, scenario_1 Tabel 55 De waterbalanstermen van Scenario_01, scenario_2 Tabel 56 De waterverbruiktermen van Scenario_01, scenario_2

Tabel 57 De waterbalanstermen bij grondwatertafeldaling van 30 cm Tabel 58 De waterbalanstermen bij grondwatertafeldaling van 60 cm Tabel 59 De waterbalanstermen bij grondwatertafeldaling van 90 cm Tabel 60 De waterbalanstermen bij grondwatertafeldaling van 200 cm

(19)

Tabel 61 De waterbalanstermen bij grondwatertafeldaling van 500 cm

Tabel 62 De waterverbruiktermen in Ravels bij referentie grondwatertafel (0) en wanneer de grondwatertafel wordt verlaagd met 30, 60, 90, 200 en 500 cm

Tabel 63 De waterbalanstermen bij een grondwatertafeldaling van 30 cm Tabel 64 De waterbalanstermen bij een grondwatertafeldaling van 60 cm Tabel 65 De waterbalanstermen bij een grondwatertafeldaling van 90 cm Tabel 66 De waterbalanstermen bij een grondwatertafeldaling van 200 cm Tabel 67 De waterbalanstermen bij een grondwatertafeldaling van 500 cm Tabel 68 De waterverbruiktermen wanneer de grondwatertafel in Ravels

wordt verlaagd met 0,30,60,90,200 en 500 cm

Tabel 69 De waterbalanstermen bij een daling van de grondwatertafel met 30 cm

Tabel 70 De waterverbruiktermen bij een daling van de grondwatertafel met 30 cm

HOOFDSTUK 4

Bespreking

Figuren

Fig. 1 Vergelijking van de transpiratie van het populierenbestand te Balegem berekend met 3 verschillende methoden

Fig. 2 Vergelijking van de transpiratie van het grove dennenbestand teBrasschaat IA (ondiepe kleilaag) berekend met 3 verschillende methoden

Fig. 3 Vergelijking van de transpiratie van het grove dennenbestand te Brasschaat IB (diepe zandbodem) berekend met 3 verschillende methoden

Fig. 4 Vergelijking van de transpiratie van het gemengde eiken-beukenbestand te Gontrode berekend met 3 verschillende methoden

Tabellen

Tabel 1 Overzicht van de belangrijkste eigenschappen sapstroommethode Tabel 2 Overzicht van de belangrijkste eigenschappen van

Penman-Monteith

Tabel 3 Overzicht van de belangrijkste eigenschappen van het WAVE-model Tabel 4 Overzicht van mogelijke foutenbronnen op de modelresultaten Tabel 5 De gekalibreerde modelparameters van WAVE voor Tervuren

Tabel 6 Beoordeling van de WAVE-simulaties van de verschillende proefvlakken door middel van verschillende kriteria

Tabel 7 Overzicht van de belangrijkste eigenschappen van de

gebruiktemethoden

Tabel 8 Vergelijking van de transpiratie van 1juli tot 31 augustus berekend met de verschillende methoden voor de verschillende proefvlakken, uitgedrukt t.o.v. potentiële referentie-evapotranspiratie voor diezelfde periode

(20)

lijst met figuren en tabellen xvii Tabel 9 Overzicht van het waterverbruik van de verschillende bestanden

voor de periode 1 maart 2000 tot en met 31 augustus 2001 uit WAVE; de onderste tabel bevat de percentages

Tabel 10 Overzicht van de actuele evapotranspiratie van de verschillende bestanden met gemiddelde en standaardafwijking per boomsoort voor de periode van 1 maart 2000 tot 31 augustus 2001

Tabel 11 Vergelijking van de verschillende methoden methoden om waterverbruik te bepalen (ETact).

Tabel 12 Het waterverbruik van bossen in Nederland (bron: Dolman et al.,2000)

(21)

SAMENVATTING

1 Inleiding

De kennis van de hydrologie in het algemeen en van het waterverbruik van bosecosystemen in het bijzonder, is in Vlaanderen versnipperd. Om de impact van bossen op de hydrologie van stroombekkens te kennen is een modelmatige benadering op basis van eenvoudig te meten of reeds beschikbare parameters (meteorologie, boskartering, bosinventarisatie, bodemkartering, bodemdatabank) aangewezen. Een benadering op grote schaal is echter onmogelijk omwille van het sterk versnipperd karakter van de bosbestanden waarbij heel wat randeffecten optreden. Het is daarom te verkiezen om uit te gaan van een model dat met locale meetgegevens uitspraken kan doen over de waterhuishouding van het bos dat wordt bestudeerd.

In dit onderzoeksproject werden verschillende bostypes en enkele landbouwgewassen op uiteenlopende bodemtypes opgevolgd met als doel de verdamping van eiken, essen, beuken, populieren en dennen, in vergelijking met de verdamping van landbouwgewassen (zoals winter‐ tarwe, gerst, maïs en raaigras) te begroten. Om de verdamping te ramen werden verschillende methoden gebruikt. Het zwaartepunt van dit onderzoek lag voornamelijk in het schatten van het waterverbruik van bossen door middel van de kalibratie en de validatie van een waterbalansmodel. Drie methoden om gewasverdamping te begroten werden geïmplementeerd: (1) het opmeten van sapstromen in stammen van bomen; (2) het toepassen van de Penman‐Monteith methode volgens de FAO‐procedure en (3) het gebruik van het waterbalansmodel WAVE.

Een eerste methode leidde de actuele transpiratie af uit de metingen van sapstromen (Granier, 1985; Cermàk, 1987).

De Penman‐Monteith vergelijking (Alllen et al., FAO, 1998) biedt een andere mogelijkheid om de evapotranspiratie van een gewas te kwantificeren vertrekkende van klimaatgegevens en gewasparameters. De vergelijking combineert de energiebalans en het aërodynamische transport (Penman‐Monteith, 1965). Nieuw in deze benadering is de eenvoudige koppeling naar de bodemvochttoestand, waardoor ook de actuele verdamping kan worden benaderd.

Een derde methode die in het onderzoek werd toegepast maakt gebruik van het waterbalansmodel WAVE (Water and Agrochemicals in the soil, crop and the Vadose Environment; Vanclooster et al., 1994). De verdamping van vegetatie (weide, akkerbouwgewassen en bossen) wordt gemodelleerd d.m.v. de analyse van de veldwaterbalans. Dit model houdt niet enkel rekening met de vegetatie, maar ook met de bodemeigenschappen die een belangrijke invloed uitoefenen op de beschikbaarheid van water in de wortelzone. Het model berekent op mechanistische wijze de waterfluxen tussen atmosfeer, bodemprofiel en plant. Het WAVE‐model werd al met succes toegepast om de verdamping van landbouwgewassen te begroten. In dit onderzoeksproject werd nagegaan in hoeverre dit model geschikt is om de actuele evapotranspiratie van bosbestanden in te schatten.

2 De rol van bossen als waterverbruiker

Bossen worden vaak aangewezen als boosdoener bij verdroging omdat ze meer water zouden verbruiken dan grasland of landbouwgewassen. Op het eerste zicht zijn er ook grote verschillen in grondwateraanvulling, omdat de bossen veel meer water intercepteren dat rechtstreeks verdampt. Bossen verbruiken niet alleen water. Door hun specifieke eigenschappen genereren ze neerslag. Windafwaarts zal het verdampte water van bossen immers weer omgezet worden naar neerslag. De

(22)

interceptieverdamping zou een versnelling kunnen betekenen in de hydrologische kringloop, waardoor lokaal en regionaal meer neerslag valt. Dit soort onderzoek staat echter nog in zijn kinderschoenen (Dolman et al., 2000).

Daarnaast hebben bossen een grotere potentie om bodemwater in de onverzadigde zone vast te houden, zijn ze in staat om langere tijd met hun wortels in water te staan (Dolman et al., 2000), temperen ze de bodemverdamping in de winter en hebben invloed op erosie en oppervlakkige afvoer.

3 De waterbalans van een bos

In onderstaande figuur (Fig. 1) wordt de waterbalans van een bos schematisch weergegeven. De verschillende termen worden aangegeven. De verklaring vindt men hieronder. Bodemwater (opslag) Stamafvloei Doorval Bruto-neerslag Drainage Percolatie Capillaire opstijging Bodem-evaporatie Transpiratie Infiltratie Oppervlakte-afvoer Interceptie-evaporatie Fig. 1 De waterbalans van bossen

Bruto neerslag is de neerslag die op een open veld valt, zonder dat het opgevangen wordt door

vegetatie en andere hindernissen. Doorvalneerslag is de hoeveelheid neerslag dat doorheen het kronendak naar de bodem gaat. Stamafvloei is het deel van de neerslag dat via takken en de stam naar de bodem wegvloeit.

Evapotranspiratie is verdamping van water als combinatie van twee verschillende processen:

enerzijds evaporatie van water aan het oppervlak van de bodem of het gewas, anderzijds transpiratie van water door het gewas. De potentiële gewasevapotranspiratie is de maximale verdamping van een bepaald gewas indien er geen vocht‐ of ziektestress optreden De potentiële

(23)

referentie evapotranspiratie is de maximale evapotranspiratie van het ideale referentiegewas gras

(moet voldoen aan bepaalde kenmerken).

Evaporatie is het proces waarbij vloeibaar water wordt omgezet naar waterdamp en wordt

verwijderd van het verdampende oppervlak. Dit verdampende oppervlak kan zowel een vrij wateroppervlak zijn als een bodem (bodemevaporatie) of een nat vegetatiedek (interceptie).

Transpiratie is het proces waarbij het vloeibaar water in het plantenweefsel wordt omgezet in

waterdamp en daarna naar buiten treedt om in de atmosfeer te verdwijnen. Het water wordt samen met voedingsstoffen via de wortels opgenomen en doorheen de plant getransporteerd. Bijna al het water dat via de wortels wordt opgenomen keert via transpiratie terug naar de atmosfeer. Slechts een klein gedeelte wordt gebruikt in de plant als bouwstof. De transpiratiesnelheid is verschillend naargelang het type en het ontwikkelingsstadium van het gewas. Het bodemvochtgehalte en de bodemvochtbeschikbaarheid bepalen tevens de transpiratiesnelheid.

Waterverbruik van vegetatie is de actuele evapotranspiratie van het gewas. Hierin zit de

gewastranspiratie, de bodemevaporatie en de interceptie‐evaporatie vervat. Waterverbruik is dus de verdamping van water afkomstig van de deelprocessen.

Bodemvocht is het water dat in de bodem wordt opgeslagen in de onverzadigde zone (boven de

grondwatertafel). Het is afkomstig van neerslag en/of van het opstijgen van grondwater (capillaire

opstijging). Infiltratie is het indringen van het (neerslag)water in de bodem. Indien de neerslag‐

intensiteit groter is dan de infiltratiesnelheid kan als de omstandigheden daarvoor gunstig zijn het resterende water aan de oppervlakte worden afgevoerd. Drainage of waterwegzijging is de afvoer van insijpelend water (percolatiewater) naar diepere grondlagen en naar het grondwater.

4 Waterhuishouding van bossen: de locaties en

toegepaste methoden

In deze studie wordt de verdamping bepaald aan de hand van verschillende methoden.

Methode 1. Door middel van het waterbalansmodel WAVE wordt de verdamping onrechtstreeks

bepaald door de overige termen van de waterbalans (zie ook Fig. 1) in ruimte en tijd te begroten. Een model is een vereenvoudiging van de werkelijkheid. WAVE tracht de werkelijkheid na te bootsen (te simuleren) met behulp van wiskundige vergelijkingen, gebaseerd op fysische wetmatigheden. Deze wiskundige vergelijkingen worden opgelost door de computer. Allerlei metingen dienen in het veld te worden ondernomen. Deze veldmetingen leveren de invoer voor het model alsook een term om na te gaan of het model de werkelijkheid wel degelijk representeert. Deze term is in deze studie het bodemvochtgehalte, opgemeten op verschillende bodemdieptes. Omdat sommige invoer moeilijk op te meten valt en omdat een model slechts een vereenvoudiging is van de werkelijkheid moeten gemaakte fouten worden opgevangen. Dit heet model‐ijking of modelkalibratie. De verschillende invoerwaarden moeten op elkaar worden afgestemd en de nagebootste modelwaarden dienen te worden vergeleken met veldmetingen. Dit vindt plaats met het bodemvochtgehalte. Nadat het model voor een bepaalde locatie met een specifieke combinatie van vegetatie, bodem en weer is gekalibreerd, moet worden nagegaan of dit model ook goede resultaten geeft op vergelijkbare locaties. Dit heet modelvalidatie of modeltoetsing.

Methode 2. De evapotranspiratie kan ook worden bekomen aan de hand van de

energiebalansmethode, namelijk met de Penman‐Monteith vergelijking, volgens de FAO‐56 procedure. Met behulp van meteorologische gegevens, opgemeten waarden en literatuurgegevens werd met deze methode het waterverbruik van bomen geschat.

(24)

Methode 3. De transpiratie van bomen kan ook worden bekomen door het uitvoeren van metingen

op de stam van de boom met behulp van sapstroomsensoren. Op borsthoogte worden meetinstrumenten geïnstalleerd die de waterstromingen in de boomstam detecteren door middel van temperatuurverschillen in de stam. Bij een hoge watervraag door de atmosfeer (bij warm en droog weer met wind) zal meer water uit de bodem worden onttrokken en zullen de sapstroomsnelheden toenemen. Dit vertaalt zich in kleinere temperatuurverschillen in de boomstam.

Op 17 verschillende locaties in Vlaanderen werden veldmetingen uitgevoerd gedurende de periode 1 maart 2000 tot en met 15 november 2001 en werd het WAVE‐model toegepast (periode 1 maart 2000 tot en met 31 augustus 2001). Op negen proefvlakken werd het model geijkt en op de resterende acht getoetst.

Tabel 1 Lokatie van de proefvlakken, kalibratie- of validatieplot en gewas, gerangschikt van west naar oost

Proefvlak Coördinaten Kalibratie / validatie Hoofdboomsoort of akkergewas Ondergroei Wijnendale 51°04’30”N 3°02’30”O

Validatie Beuk varens (sporadisch) Balegem 50°55’00”N 3°47’00”O Kalibratie Populier brandnetels Melle 51°00’00”N 3°47’30”O Validatie Engels raaigras ‐ Gontrode IA 50°59’00”N 3°49’00”O

Kalibratie Zomereik en Beuk lijsterbes, hazelaar Gontrode IB 50°59’00”N

3°49’00”O

Kalibratie Zomereik en Beuk lijsterbes, hazelaar, bramen

Gontrode II 50°59’00”N 3°49’00”O

Kalibratie Gewone es esdoorn, hazelaar, bramen Smeerebbe‐ Vloerzegem 50°49’30”N 3°49’30”O Validatie Maïs ‐ Lochristi 51°09’00”N 3°52’30”O

Validatie Zomereik essenopslag, mos, eikenverjonging

Asse 50°54’30”N

4°09’30”O

Validatie Populier bramen, vlier Hoeilaart 50°45’30”N

4°24’30”O

Kalibratie Beuk bramen, gras

Tervuren 50°45’30”N 4°27’30”O

Kalibratie Beuk bramen, varens,

esdoorn, mos Brasschaat IA 51°18’30”N

4°31’00”O

Kalibratie Grove den rododendron (sporadisch) Brasschaat IB 51°18’30”N

4°31’00”O

Kalibratie Grove den rododendron (sporadisch) Bertem 50°52’30”N 4°39’30”O Validatie Tarwe/Gerst ‐ Sint‐Joris‐Weert 50°48’00”N 4°42’30”O

Kalibratie Eik eikenverjonging

Herentals 51°09’30”N 4°59’30”O

Validatie Grove den veel bramen, mos, varens, vlier

Ravels 51°24’30”N 5°04’00”O

Validatie Corsicaanse den mos (dikke laag), varens

(25)

Samenvatting xxii Om de methoden te kunnen vergelijken werden op vier locaties sapstroomsensoren geïnstalleerd (Balegem: 28 mei‐15 september 2000, Gontrode: 1 juni‐30 september 2001 en 2 in Brasschaat: 28 mei‐15 september 2000). Drie proefvlakken zijn landbouwvelden (Melle, Smeerebbe‐Vloerzegem en Bertem). De verschillende proefvlakken met hun locatie en beplanting zijn weergegeven in Tabel 1.

5 Experimentele resultaten

Fig. 2 stelt de transpiraties voor van het populierenbestand te Balegem bekomen met de drie verschillende methoden. Dezelfde gegevens voor het grove dennenbestand van Brasschaat IA en IB zijn weergegeven in de Fig. 3 en 4. Voor het gemengde loofhoutbestand (eik en beuk) van Gontrode IA en IB zijn de transpiraties bekomen met de verschillende methoden weergegeven in Fig. 4. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 01/06 01/07 01/08 01/09 datum [dd/mm] tr ans pir a tie [ mm. d -1] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 neer sl ag [ mm. d -1] neerslag sapstroom WAVE Penman-M onteith

Fig. 2 Vergelijking van de transpiratie van het populierenbestand te Balegem berekend met 3 verschillende methoden

Het verloop van de Penman‐Monteith methode en het WAVE‐model is gelijkaardig met een duidelijke overschatting door de Penman‐Monteith methode (Fig. 3). Globaal gezien volgen de sapstroommetingen het verloop van de andere methoden, alhoewel de opgemeten waarden veel lager liggen dan de gesimuleerde en dat de pieken minder uitgesproken zijn. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 01/06 01/07 01/08 01/09 datum [dd/mm] transpiratie [mm.d -1] 0 5 10 15 20 25 30 35 neerslag [mm.d -1] neerslag sapstro o m WA VE Penman-M o nteith

(26)

Samenvatting xxiii Het verloop van de Penman‐Monteith methode en het WAVE‐model in Fig. 3 is gelijkaardig met een overduidelijke overschatting door de Penman‐Monteith methode. In het algemeen volgen de sap‐ stroommetingen het verloop van de andere methoden. De opgemeten waarden liggen ook hier lager. De gesimuleerde WAVE‐waarden benaderen de opgemeten sapstroomwaarden. In Fig. 4 zijn de verschillen tussen de sapstroommethode en het WAVE‐model kleiner dan in Fig. 3 voor Brasschaat IA. Enkel in midden juni zijn de verschillen groter. 0 1 2 3 4 5 6 01/06 01/07 01/08 01/09 datum [dd/mm] tr anspirat ie [ mm. d -1] 0 5 10 15 20 25 30 35 neerslag [ mm. d -1] neerslag sapstroom WA VE P enman-M o nteith

Fig. 4 Vergelijking van de transpiratie van het grove dennenbestand te Brasschaat IB (diepe zandbodem) berekend met 3 verschillende methoden

Voor het gemengde loofhoutbestand van Gontrode IA en IB toont Fig. 5 de transpiraties bekomen uit de verschillende methoden. Het verloop van de Penman‐Monteith methode en het WAVE‐model is ook hier gelijkaardig met een kleine overschatting door de Penman‐Monteith methode. Globaal gezien volgen de sapstroommetingen het verloop van de andere methoden, alhoewel de opgemeten waarden veel lager liggen. In het algemeen zijn de gesimuleerde WAVE‐waarden voor Gontrode IB lager dan voor Gontrode IA. 0 1 2 3 4 5 6 01/06 01/07 01/08 datum [dd/mm] tr anspirat ie [ mm. d-1 ] 0 10 20 30 40 50 60 neerslag [ mm. d-1 ] neerslag sapstroom WAVE Gontrode IA WAVE Gontrode IB Penman-Monteith

Fig. 5 Vergelijking van de transpiratie van het gemengde eiken-beukenbestand te Gontrode berekend met 3 verschillende methoden

(27)

Samenvatting xxiv Grote verschillen tussen de methoden vallen op. Bijvoorbeeld de grote pieken bij het WAVE‐model en de Penman‐Monteith methode. Bij hoge neerslagperiodes gaat alle beschikbare energie naar de verdamping van het interceptiewater, waardoor geen energie over blijft voor de gewasverdamping. Ook de sapstromen ondervinden de invloed van de neerslagperiode, maar worden niet nul. Toch is het niet noodzakelijk dat de boom transpireert in deze neerslagperiodes. Immers de sapstromen worden opgemeten aan de stam op borsthoogte en bomen hebben een wateropslagcapaciteit. Afhankelijk van de sapstroomsnelheid duurt het uren (waarschijnlijk zelfs dagen) alvorens het water van de wortels de takken of bladeren bereikt. Er bestaat dus een tijdsverschil tussen de watervraag en de waterbevoorrading. De interne waterreserves trachten dit verschil te minimaliseren.

Tabel 2 Vergelijking van de transpiratie (als deel van ETact) van 1juli tot 31 augustus berekend met de verschillende methoden voor de verschillende proefvlakken, uitgedrukt t.o.v. potentiële referentie-evapotranspiratie (ETo) voor diezelfde periode

ETo [mm] [%ETo] [mm] [%ETo] [mm] Brasschaat A 257 45 115 125 321 Brasschaat B 257 38 97 92 236 Balegem 276 65 168 108 277 Gontrode IA 318 32 81 76 196 Gontrode IB 318 32 81 76 196 sapstroom Penman-Monteith [%ETo] [mm] 50 128 49 127 98 252 73 187 66 169 WAVE

6 Waterverbruik

Het aandeel van de verschillende termen van de waterbalans in het totale waterverbruik wordt aangegeven in Tabel 3.

Tabel 3 Overzicht van het waterverbruik van de verschillende bestanden voor de periode 1 maart 2000 tot en met 31 augustus 2001 uit WAVE uitgedrukt in percentages

Proefvlak Bestand Bodemtype ETact Tact Eact

[%] [%] [%

Wijnendale beuk Sdc(h)(o) 89,3 70,4 15, Balegem populier Adc 95,3 73,5 15,

Melle gras Abc 82,2 74,1 25,

Gontrode IA eik/beuk Lhb 99,8 58,3 5, Gontrode IB eik/beuk Lhb 97,8 57,8 4, Gontrode II* es Lhb 91,8 57,1 1, Vloerzegem maïs Aba 78,5 64,9 21,

Lochristi eik Sdp 95,6 74,5 8,

Asse populier Pcc 99,9 56,0 8,

Hoeilaart beuk Abc 96,2 70,6 12,

Tervuren beuk Abc 93,5 69,2 8,

Brasschaat 1A den Zdg(o) 98,7 53,0 35, Brasschaat 1B den Zdg(o) 85,9 59,2 24, Bertem tarwe/gerst Aba 85,1 42,8 16, Sint-Joris- eik Aba (b) 91,2 68,5 7,

Weert

Herentals den Zbf 98,1 51,9 13,

Ravels den Zcg (o) 93,2 61,2 3,6

INTC ] [%] 3 14,5 7 16,2 9 0,0 6 36,5 9 34,8 3 41,7 4 13,9 1 16,8 0 36,1 1 17,3 1 22,7 2 11,6 5 16,3 7 0,0 6 23,9 3 34,9 35,4

(28)

van de potentiële gewasevapotranspiratie. 100 % betekent dat de potentiële gelijk is aan de actuele evapotranspiratie. Uit deze Tabel blijkt dat het aandeel van de bodem in het waterverbruik eerder klein is. Dit komt niet goed overeen met literatuurwaarden. Het te kleine aandeel heeft te maken met de doorgevoerde aanpassingen van het verdampingsmechanisme in WAVE. De parametrisatie van de bodemevaporatie dient mogelijks te worden aangepast.

Uit de WAVE‐simulaties blijkt dat de populierenbestanden het meest water consumeren en de dennenbestanden het minst. De dennenbestanden op de zandige bodems van Brasschaat blijken gevoelig te zijn voor de aan‐ of afwezigheid van een ondiepe kleilaag, terwijl de eiken/beukenbestanden op de lemige zandbodems van Gontrode I daaraan minder gevoelig zijn. Verschillen in de drainageklasse verklaren in grote mate de nuances tussen de twee locaties.

In Tabel 4 wordt het waterverbruik van bossen in Vlaanderen weergegeven zoals ze gemodelleerd zijn met WAVE. De Tabel geeft enkel gewastranspiraties en interceptieverliezen weer. Uit de scenario‐analyses blijkt dat in droge jaren het aandeel van de interceptie en transpiratie in de totale actuele evapotranspiratie voor den, eik en populier respectievelijk 43 en 59, 39 en 60, 18 en 79 % bedraagt. In natte jaren is het aandeel voor den, eik en populier respectievelijk 70 en 23, 80 en 19, 33 en 64 %. In vergelijkbare jaren (tegenover 2000‐2001) bedragen de waarden respectievelijk 60 en 38, 60 en 38,26 en 70 %.

Tabel 4 Het waterverbruik van bossen in Vlaanderen uit het WAVE-model Bostype Transpiratie [mm.jaar‐1] Interceptieverlies [mm.jaar‐1] Beuk 477 ± 76 127 ± 51 Eik/Beuk 300 ± 33 181 ± 0 Eik 486 ± 69 139 ± 19 Populier 455 ± 29 201 ± 118 Den 278 ± 50 130 ± 78 Es 293 ± / 217 ± /

De transpiratiewaarden afkomstig uit de sapstroommetingen zijn veel lager dan de WAVE‐ gesimuleerde. De Penman‐Monteith transpiraties zijn het hoogst (Tabel 5). De bekomen gemiddelde bostranspiratiewaarden variëren tussen 1,16 en 1,83 mm.d‐1. Hun standaardafwijkingen liggen tussen 0,25 en 0,49 mm.d‐1. Voor landbouwgewassen variëren de gemiddelde transpiraties met 1,4‐ 1,83 mm.d‐1 en de standaardfouten met 0,1‐0,19 mm.d‐1.

Tabel 5 Vergelijking van de verschillende methoden om het waterverbruik van bos en landbouwgewassen te

bepalen (ETact).

Methode bos landbouwveld periode

WAVE 1,64 ± 0,3 mm.d‐1 1,4 ± 0,1 mm.d‐1 549 dagen Penman‐Monteith 1,83 ± 0,25 mm.d‐1 1,83 ± 0,19 mm.d‐1 245 dagen

Sapstroommethode* 1,16 ± 0,49 mm.d‐1 / 110 dagen (in 2000) en 122 dagen (in 2001) *enkel transpiratie, zonder bodemverdamping en interceptieverdamping

Uit twee van de drie toegepaste methoden volgt dat de verschillen tussen het waterverbruik van bossen en landbouwgewassen klein zijn. Bossen verbruiken iets meer water. WAVE simuleert meer onderlinge verschillen dan wordt berekend met de Penman‐Monteith methode. De intervallen met

(29)

Samenvatting xxvi gemiddelde en standaardfouten van beide landgebruiktypes overlappen elkaar. Meer landbouwgewassen in de analyse brengen wordt aangeraden.

7 Bos en water: aanbevelingen

Bossen verbruiken in het algemeen niet veel meer water dan landbouwgewassen. Wel is het zo dat de interceptieverliezen veel groter zijn. De transpiratie‐ en interceptie‐evaporatietermen brengen alles in evenwicht. In zekere mate bepaalt de verhouding interceptie transpiratie hoe groot de invloed van bossen op de waterhuishouding is. Transpireren bosbestanden veel (zoals populier), dan verbruiken bossen samen met het interceptiewater veel meer dan landbouwgewassen. Transpireren ze minder (zoals eik) dan zijn de verschillen met veldgewassen vooral in droge jaren niet groot. Verschillen in waterverbruik tussen boomsoorten zijn voornamelijk het gevolg van verschillen in interceptie (LAI‐gevoelig). Populieren bijvoorbeeld hebben vooral een groter aandeel in transpiratie. Hierin is de gewasfactor van cruciaal belang.

Door toename van broeikasgassen in de atmosfeer lijken veranderingen van het klimaat op til te zijn. Voor onze breedtegraad worden nattere winters en drogere zomers voorspeld. Dit zou kunnen leiden tot bodemvochttekorten in de zomer en grotere interceptieverliezen, grondwateraanvullingen en oppervlakkige afvoer in de winter. Bijkomende scenario‐analyses zouden misschien meer licht op voorgaande kunnen werpen.

(30)

Inleiding

Probleemstelling

Doelstellingen

(31)

1 Inleiding

In dit onderzoeksproject werden verschillende bostypes en enkele landbouwgewassen op uiteenlopende bodemtypes opgevolgd met als doel de verdamping van eiken, essen, beuken, populieren en dennen, in vergelijking met de verdamping van landbouwgewassen (zoals wintertarwe, gerst, maïs en raaigras), te begroten. Om de verdamping te ramen werden verschillende methoden gebruikt. Het zwaartepunt van dit onderzoek lag voornamelijk in het schatten van het waterverbruik van bossen.

Een eerste methode leidde de actuele transpiratie af uit de metingen van sapstromen (Granier, 1985; Cermak, 1987).

De Penman‐Monteith vergelijking, zoals beschreven in de FAO‐56 procedure (FAO, 1998), biedt een andere mogelijkheid om de evapotranspiratie van een gewas te kwantificeren vertrekkende van klimaatgegevens en gewasparameters. De vergelijking combineert de energiebalans en het aërodynamische transport (Penman‐Monteith, 1965). Nieuw in deze benadering is de eenvoudige koppeling naar de bodemvochttoestand, waardoor ook de actuele verdamping kan worden benaderd. Een derde methode die in het onderzoek werd toegepast maakt gebruik van het waterbalansmodel WAVE (Water and Agrochemicals in the soil, crop and the Vadose Environment; Vanclooster et al., 1994). De verdamping van vegetatie (weide, akkerbouwgewassen en bossen) wordt gemodelleerd d.m.v. de analyse van de veldwaterbalans. Dit model houdt niet enkel rekening met de vegetatie, maar ook met de bodemeigenschappen, die een belangrijke invloed uitoefenen op de beschikbaarheid van water in de wortelzone. Het model berekent op mechanistische wijze de waterfluxen tussen atmosfeer, bodemprofiel en plant. Het WAVE‐model werd al met succes toegepast om de verdamping van landbouwgewassen te begroten. In dit onderzoeksproject werd nagegaan in hoeverre dit model geschikt is om de actuele evapotranspiratie van bosbestanden in te schatten.

2 Probleemstelling

De kennis van de hydrologie in het algemeen en van het waterverbruik van bosecosystemen in het bijzonder, is in Vlaanderen nog steeds heel versnipperd. Om de impact van bossen op de hydrologie van stroombekkens te kennen, is een modelmatige benadering op basis van eenvoudig te meten of reeds beschikbare parameters (meteorologie, boskartering, bosinventarisatie, bodemkartering, bodemdatabank) aangewezen. Een benadering op grote schaal is echter onmogelijk omwille van de sterk versnipperde bosbestanden in Vlaanderen waarbij heel wat randeffecten optreden. Het is daarom te verkiezen om uit te gaan van een model dat met locale meetgegevens uitspraken kan doen over de waterhuishouding van het bos dat wordt bestudeerd.

(32)

INLEIDING: inleiding, probleemstelling en doelstellingen 3

3 Doelstellingen

Een eerste doelstelling van het project was het kalibreren en valideren van het WAVE‐model voor verschillende bosbestanden.

De tweede doelstelling bestond uit het vergelijken van de met het WAVE‐model gesimuleerde verdamping met de resultaten van sapstroommetingen uitgevoerd op een beperkt aantal bomen en de berekeningsresultaten van de Penman‐Monteith vergelijking toegepast op een bosbestand.

Via validatie werd in een volgende stap van het onderzoek nagegaan of WAVE als model kan worden gebruikt voor het schatten van de verdamping van andere sites dan deze die in het project proefondervindelijk werden opgevolgd.

Als vierde doelstelling gold het vergelijken van de verdamping van de verschillende bostypes die in het project werden bestudeerd, met de verdamping van akker– en weiland.

Tenslotte werden enkele scenarioanalyses met WAVE uitgevoerd met als doel na te gaan of veranderingen in vegetatie en grondwaterstandsregime invloed hebben op de gewasverdamping.

4 Toepassing resultaten

De hernieuwbare reserves aan zoet water worden schaars enerzijds door een verhoogde snelle afvoer en anderzijds door vervuiling. Voor een juiste aanwending en conservering van de schaarser wordende reserves aan zoetwater is het essentieel een goed inzicht te hebben in de processen die de reserves beïnvloeden. Kwantitatief onderzoek naar de waterhuishouding in bossen kan in dit verband een belangrijke bijdrage leveren. De waterbalans is hierbij een vaak gebruikt instrument.

Bij de problematiek rond vernatting en verdroging van een gebied kan het opstellen van een waterbalans inzicht verschaffen betreffende de gevolgen van deze processen op de waterhuishouding van een bos. Als via externe invloeden de waterinhoud van het bodemprofiel stijgt of daalt kan met behulp van de simulatie van de waterbalans nagegaan worden in hoeverre de transpiratie en daarmee de groei en de houtproductie van een bos worden beïnvloed (van Beusekom, 1988).

De resultaten zijn daarenboven indicatief t.a.v. de te verwachten verandering in waterhuishouding wanneer bv. landbouwgrond wordt bebost. Voor Vlaanderen wordt in het kader van de plattelandsverordening voorzien dat 10.000 ha landbouwgrond worden bebost. Bij de omschakeling speelt de vochtvoorziening een belangrijke rol.

Vragen hierbij zijn in welke mate de grondwaterstand de groei en ontwikkeling van de bomen beïnvloedt en bij welke waterhuishoudkundige toestand van de bodem de verschillende in de bosbouw gebruikte boomsoorten zich het best ontwikkelen.

Met wiskundige modellen, zoals bv. het WAVE‐model, kunnen schattingen worden gemaakt van de effecten van de veranderingen in een van de compartimenten van de hydrologische cyclus op de overige processen. Zo kan worden nagegaan wat het effect is bebossing van landbouwgrond op de evapotranspiratie het afvoergedrag van het gebied.

(33)

(34)

(35)

1 Sapstroommetingen

1.1 Heat Field Deformation Methode (HFD)

Op de proefvlakken te Balegem en te Brasschaat werden gedurende het groeiseizoen van 2000, vanaf eind mei tot begin oktober, sapstroommetingen uitgevoerd met de Heat Field Deformation (HFD) Method, ontwikkeld door Cermàk en Nadezhdina (1998). Deze methode werd tijdens het groeiseizoen van 2001 ook in het Aelmoeseneiebos te Gontrode gebruikt. In volgende alinea wordt beknopt het principe van de meettechniek uiteengezet. Een meer gedetailleerde beschrijving is terug te vinden in de bijlage.

De HFD‐methode is gebaseerd op de verspreiding van ingebrachte warmte via verticale en tangentiale geleiding in de stam en door opname van de ingebrachte warmte door de sapstroom. De gecombineerde sensor waarmee wordt opgemeten, bestaat uit een verwarmingselement waarrond twee paar thermokoppels symmetrisch en asymmetrisch worden opgesteld. Het verwarmingselement en de thermokoppels bevinden zich in roestvrij stalen injectienaalden. Om het radiale profiel van de sapstroom te bestuderen, wordt gebruik gemaakt van een set radiale sensoren. De vier meetnaalden van dergelijke sensor bevatten zes thermokoppels.

Rond het verwarmingselement wordt een warmteveld gecreëerd dat kan worden voorgesteld door isothermen. Wanneer de sapstroomsnelheid naar nul nadert, dan heeft dit warmteveld een ellipsoïdale vorm. Wanneer de sapstroom op gang komt krijgt dit warmteveld een uitgerekte ovale vorm. De sapstroomdensiteit wordt berekend uit de verhouding van de symmetrische en de asymmetrische temperatuurverschillen en bijkomende fysische en geometrische parameters van het meetpunt (Nadezhdina & Cermàk, 1998). De methode is kwantitatief en vraagt geen kalibratie. Ze is tevens bruikbaar voor zeer lage sapstromen.

De puntmetingen worden opgeschaald naar de volledige boom met behulp van het radiaal profiel en de metingen op niveau van de individuele boom worden opgeschaald naar de transpiratiehoeveelheid van het bestand op basis van de bestandsinventaris. In de praktijk bepaalt men de transpiratie voor elke omtrekklasse, vermenigvuldigd deze met het aantal bomen per omtrekklasse, en sommeert deze over het bestand (Cermàk et al., 1997 & 1998; Cermàk & Kucera, 1987 & 1998; Cermàk & Nadezhdina, 1998).

1.2 Thermic Dissipation Method (TDP)

Een van de thermische technieken die worden gebruikt bij sapstroommetingen werd ontwikkeld door Granier (1985). De warmtedissipatiemethode is gebaseerd op het dissiperen van energie door conductie en convectie met de sapstroom. Het meetapparaat bestaat uit twee cilindrische naalden van 2 cm lang en met een doorsnede van 2 mm. Zij worden boven elkaar in de stam ingebracht. De bovenste naald bevat een constantaan verwarmingselement waaraan een constant vermogen van 0,2 Watt wordt toegevoerd. Deze toegevoegde energie dissipeert als warmte in het spinthout dat de naald omgeeft. De onderste naald wordt niet opgewarmd. Beide naalden bevatten een koperconstantaanthermokoppel die aan het constantaaneinde in serie met elkaar zijn verbonden zodat aan de koperuiteinden het temperatuurverschil ∆T tussen beide naalden kan worden opgemeten. Dit temperatuurverschil wordt bepaald door de sapstroomdensiteit u (de sapstroom per eenheid spintoppervlakte uitgedrukt in

(36)

Hoofdstuk 1: Methoden 7 dm³.dm‐2h‐1). De sensor integreert de sapstroomdensiteit langs een straal in het spinthout over de lengte van de verwarmde naald. De sapstroomdensiteit kan worden berekend met volgende empirische formule, afgeleid uit de warmtebalans van de sensor: u = 4,28 x K1,231 waarin u: sapstroomdensiteit [dm3.dm‐2.h‐1] K: de sapstroomindex [geen dimensie] : K = [

∆

TM -

∆

T(u)] x

∆

T-1(u) waarin

∆

TM: temperatuurverschil (Kelvin) wanneer geen sapstroom optreedt

∆

T(u): temperatuurverschil (Kelvin) bij sapstroomdensiteit u