Quantität und Qualität der solaren Strahlung sind entscheidende Steuergrößen für das Wachstum und die Konkurrenzsituation in strukturreichen Pflanzenbeständen. Für das Waldwachstum wirkt die Strahlung sowohl direkt über den Spektralbereich der Photosynthese als auch wachstumssteuernd über Blau- und Rotlichtanteile des Spektrums durch Pigmentabsorption in den Blattorganen der Pflanzen. In einem heterogenen Pflanzenbestand variiert das Strahlungsangebot räumlich, zeitlich und spektral extrem. Um die räumlich hochvariable Konkurrenzsituation und die Wachstumsdynamik in Mischbeständen wirklichkeitsnah charakterisieren zu können, ist eine detaillierte Parametrisierung der Strahlung, insbesondere der entscheidenden Spektralbereiche, notwendig. Hierfür wurde eine neuartige Strahlungsmessanlage entwickelt, die räumlich, zeitlich und spektral hochauflösend das Strahlungsangebot eines 30m hohen Fichten-Buchen-Mischbestandes bestimmt. An 130 Messorten wird auf einer Fläche von 25m x 25m das jeweilige Strahlungsangebot im Spektralbereich 360nm - 1020nm mit raumintegrierend messenden sphärischen Sensoren mit einer spektralen Auflösung von 0,8nm innerhalb von 2min quasi-simultan ermittelt. Die auf Glasfasertechnologie basierenden Messfühler mussten dafür selbst entwickelt und produziert werden. Aus diesem Grund wurden spezielle Einrichtungen zur Konditionierung und Kalibrierung in höchster Präzision konstruiert. Ergebnisse der Kalibrierung zeigen, dass bei der Strahlungseinkopplung die Prämisse der Richtungsunabhängigkeit gegeben ist. Die Sensoren wurden in 25 Vertikalprofilen mit je sechs Ebenen angebracht. Die in dieser Form einzigartige Anlage zur hochauflösenden Bestimmung der spektralen Strahlungsverteilung in einem Altbestand läuft kontinuierlich seit dem 13.10.2004. Ein Vergleich der kosinus-korrigierten Standard-Planarsensoren mit den in dieser Arbeit entwickelten raumintegrierenden Sensoren, die die an der Pflanze tatsächlich eintreffende Strahlungsquantität und -qualität besser widerspiegeln, zeigt große Unterschiede in den beiden Messmethoden. Vor allem bei niedrigen Sonnenständen können die Messwerte um den Faktor sechs auseinanderliegen, was zu signifikanten Fehlern in der Berechnung der Photosyntheseleistung und der photomorphogenetischen Vorgänge führen kann. Die Ergebnisse der Messungen zeigen einen saisonal, artspezifisch und bewölkungsabhängig variierenden starken Zusammenhang zwischen der photomorphogenetisch aktiven Strahlung, ausgedrückt durch das Hellrot-Dunkelrot-Verhältnis (R/FR), und dem Beschattungsgrad, ausgedrückt durch den relativen Grad der Photonenflussrate. Häufigkeitsverteilungen und statistische Kenngrößen des quantitativen Auftretens verschiedener spektraler Bereiche in unterschiedlichen Regionen der Baumkrone und am Bestandesboden liefern neue Erkenntnisse über die komplexen und hochvariablen Strahlungsverhältnisse in Mischbeständen. Die Beobachtungen zeigen höhere durchschnittliche Strahlungswerte am Bestandesboden unterhalb der Buchen bei voller Belaubung im Vergleich zur Fichte, während im Kronenraum die Verhältnisse umgekehrt sind. Kurzzeitige Erhöhungen der Strahlungsquantität in Lichtflecken und im Halbschatten sind mit einer Veränderung der Strahlungsqualität verbunden. Aufgrund der neuen Erkenntnisse lassen sich jetzt phänologische Entwicklungsstadien wie beispielsweise Laubaustrieb und Laubfall der Buche durch die Messung des R/FR mit einem beliebigen Sensor in der Buchenkrone mit hoher statistischer Plausibilität beschreiben. Die gemessenen Extinktionsvertikalprofile dienen zur Ermittlung von artspezifischen spektralen Extinktionskoeffizienten. Um die aus den Messungen gewonnenen Erkenntnisse für Photosynthese- und Wachstumsmodelle anwendbar zu machen, wurde ein für Fichten-Reinbestände entwickeltes dreidimensionales Strahlungstransportmodell erheblich erweitert und an die Gegebenheiten eines Mischbestandes angepasst. Insbesondere wurde erstmals ein spektrales Modul implementiert, das es ermöglicht, die wichtigen photosynthetisch und photomorphogenetisch relevanten Spektralbereiche zusätzlich zu den quantitativen Ergebnissen zu simulieren. Es liefert als Ergebnis neben der PAR-Quantität unter anderem die spektrale Zusammensetzung des PAR-Bereichs sowie die dreidimensionale Verteilung des R/FR. Das Modell wurde einer Sensitivitätsanalyse unterzogen und anhand der gemessenen Daten validiert. Es kann in der jetzigen Form als wichtiger Bestandteil von Wachstums- und Konkurrenzmodellen dienen, in denen die Steuergröße Strahlung die entscheidende Rolle spielt.     «

Quantität und Qualität der solaren Strahlung sind entscheidende Steuergrößen für das Wachstum und die Konkurrenzsituation in strukturreichen Pflanzenbeständen. Für das Waldwachstum wirkt die Strahlung sowohl direkt über den Spektralbereich der Photosynthese als auch wachstumssteuernd über Blau- und Rotlichtanteile des Spektrums durch Pigmentabsorption in den Blattorganen der Pflanzen. In einem heterogenen Pflanzenbestand variiert das Strahlungsangebot räumlich, zeitlich und spektral extrem. Um d...     »

The quantity and quality of solar radiation play a vital role for growth and competition within heterogeneous forest ecosystems. Radiation affects the increase of biomass directly by its intensity within the spectral band of photosynthesis, and regulates growth, by means of absorption in the blue and red fraction of the solar spectrum by pigments of phytoelements. The spatial, temporal, and spectral distribution within a heterogenous plant stand can vary to a large extent. For a realistic characterization of spatially highly variable growth dynamics and competition in mixed stands, detailed parametrization of radiation, especially of crucial spectral bands, is required. Thus, a novel multi-sensor monitoring system was developed for measuring the radiation field within a 30m tall mature spruce-beech-stand with high resolution with respect to wavelength, space, and time. At 130 positions within an area of 25m x 25m the respective amount of radiation within the range of 360nm - 1020nm is determined by space-integrating spherical sensors near-simultaneously within 2min and a spectral resolution of 0,8nm. The applied sensors, based on fiber optic technology, had to be developed and manufactured proprietarily. Special devices for conditioning and calibration at a high level of accuracy were constructed. The results of the calibration show that the assumption of directional independency of the radiation input is valid. The sensors were installed in six levels at 25 vertical profiles. The unique system for highly resolved determination of the spectral radiation distribution within a mature mixed stand has been running continuously since 13.10.2004. A comparison of standard cosine-corrected flat plate detectors with the specially developed spherical sensors, which are superior to exhibit the actual quantity and quality of radiation impinging on a plant, shows major differences between the two methods of measurement. Particularly at low solar altitude, measured radiation values can differ by a factor of six, which can cause significant errors in calculations of photosynthetical and photomorphogenetical processes. The results of the measurements display a strong relation between the photomorphogenetic active radiation, expressed by the red / far red ratio (R/FR), and the level of shading, expressed by the fraction of photon fluence rate. This relation varies seasonally, type-specifically, and by cloudiness. Frequency distributions and statistical parameters of the quantitative occurrence of different spectral bands within different areas of the canopy and at the forest ground provide new insights in the complex and highly variable radiation field within mixed stands. Observations show higher mean levels of radiation at the forest ground under beech at full foliation compared to spruce and a changed situation within the canopy. Temporary enhancements of the radiation quantity caused by sunflecks or penumbra are associated to modifications in the spectral composition. Phenological stages, such as leaf unfolding and leaf fall, can be described by measuring R/FR at an arbitrary position within the beech canopy with a high statistical plausibility. The acquired extinction vertical profiles serve for determination of type-specific spectral extinction coefficients. In order to make the gained perceptions applicable for photosynthesis and growth models, a three-dimensional radiative transport model that had been developed for pure spruce stands, was enhanced and adapted to the conditions of a mixed stand. Particularly, a spectral module that enables simulation of not only the quantitative components, but also the crucial photosynthetically and photomorphogenetically relevant wave bands was implemented for the first time. In addition to the PAR quantity, the spectral composition of the PAR band as well as the three-dimensional distribution of R/FR is calculated. The model was subject to a sensitivity analysis and was validated by measured data. At the present stage it can be used as an important element of growth and competition models in which the factor radiation plays the key role.     «

The quantity and quality of solar radiation play a vital role for growth and competition within heterogeneous forest ecosystems. Radiation affects the increase of biomass directly by its intensity within the spectral band of photosynthesis, and regulates growth, by means of absorption in the blue and red fraction of the solar spectrum by pigments of phytoelements. The spatial, temporal, and spectral distribution within a heterogenous plant stand can vary to a large extent. For a realistic charac...     »