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Abstract

In dieser Arbeit wurde der gesamte Wasser- und Energiehaushalt für die Vegetationsperioden der zwei Getreidearten Sommergerste und Winterweizen anhand von hydrometeorologischen Experimenten untersucht. Der Untersuchungsstandort befand sich in den Jahren 2014 und 2015 im Südwesten Deutschlands, im Raum Heidelberg. Herzstück der Experimente war die Messung der latenten und sensiblen Wärmeströme mittels der Eddy-Kovarianz-Methode. Hierbei wurden insbesondere verschiedene Ansätze zur Schließung der Energiebilanz sowie die Quellgebietsbestimmung der untersuchten Flüsse diskutiert. Die Messungen umfassten im Weiteren den Niederschlag, die Lufttemperatur und –feuchte, die Bodenfeuchte, die Strahlungsbilanzkomponenten Nettostrahlung und Bodenwärmestrom sowie die phänologischen Entwicklungen der untersuchten Kulturarten. Messungen der turbulenten Wärmeströme mittels der Eddy-Kovarianz-Methode weisen stets eine unausgeglichene Energiebilanz auf. Hierdurch entstehen Residuen verfügbarer Energie, die weder den sensiblen noch den latenten Wärmeströmen zugeordnet sind. Das Energiebi-lanzverhältnis betrug in dieser Studie 69,7 % für die Sommergerste (2014) und 76,5 % für den Winterweizen (2015). Die sich hierdurch ergebene Energiebilanzlücke wurde durch zwei Verfahren geschlossen. Das eine Verfahren teilt die Residuen entsprechend dem Verhältnis von gemessener sensibler zu latenter Wärme (Bowen-Verhältnis) auf. Das andere Verfahren ordnet das gesamte Residuum der sensiblen Wärme zu, sodass die gemessenen latenten Wärmeströme unverändert bleiben. Die Energiebilanzschließung nach der Bowen-Verhältnis-Methode ergab einen deutlichen Anstieg der Verdunstung. Bezogen auf die Vegetationsperiode vom Beginn der Messungen bis zur Ernte stieg die Evapotranspiration im Jahr 2014 um 124,7 mm von 209,7 mm auf 334,4 mm und im Jahr 2015 um 102 mm von 244,8 mm auf 348,4 mm. Die durchschnittliche tägliche Verdunstungsrate betrug für den Gesamtzeitraum 3,6 mmd-1 bei der Sommergerste und 3,4 mmd-1 beim Winterweizen. In der Zeit der Blüte und Fruchtentwicklung wurden Spitzenwerte von 8,4 mmd-1 bei der Sommergerste und 7,3 mmd-1 beim Winterweizen gemessen. Die experimentell erhobenen Daten dienten der Simulation des Wasser- und Energiehaushalts anhand des ökohydrologischen Modells TRAIN und der Validierung der Simulationsergebnisse. Dieses Modellsystem nutzt für die Berechnung der Evapotranspiration die Penman-Monteith-Gleichung. Ein wichtiger Bestandteil dieser Gleichung ist die Verwendung eines pflanzenspezifischen Bestandeswiderstandes rc. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dieser Widerstand durch Umstellen der Penman-Monteith-Gleichung für beide Kulturarten ermittelt. Die Berechnungen der Bestandeswiderstände ergaben für beide Getreidearten mit 33 sm-1 (Sommergerste) bzw. 47 sm-1 (Winterweizen) ähnliche Minimumwerte in der Hauptwachstumszeit, doch wiesen die Mittelwerte (89 sm-1 und 117 sm-1) und insbesondere die Maximumwerte in den Endstadien der Vegetationsperiode (634 sm-1 bzw. 1889 sm-1) deutliche Unterschiede auf. Die Ableitung der Bestandeswiderstände ermöglichte eine raum- und kulturartenspezifische Anpassung des Modells durch multivariate lineare Regression. Für die Sommergerste zeigten die Simulationsergebnisse des kalibrierten Modells hohe Übereinstimmungen mit den gemes-senen Verdunstungswerten und den Bodenfeuchteveränderungen. Die Ergebnisse des Win-terweizens wiesen eine Unterschätzung der Verdunstung sowie deutliche Abweichungen zu den Bodenfeuchteveränderungen auf. Im Rahmen dieser Studie wurden Unsicherheiten bei der Energiebilanzschließung diskutiert, die durch mesoskalige Strömungsmuster entstehen können. Eine Plausibilitätsprüfung erfolgte durch die Berechnung der Wasserbilanz aus den gemessenen Niederschlägen und den Bodenfeuchteveränderungen. Sie legt eine phasenweise Überkorrektur der latenten Wärmeströme mittels Bowen-Verhältnis-Methode nahe. Beide Untersuchungsperioden wiesen eine, im Bezug zum vieljährigen Mittel (1981-2010), deutlich zu trockene und zu warme Witterung auf. Trockenzeiten, in den für die Ernteerträge kritischen phänologischen Phasen, wurden durch Bewässerungsmaßnahmen ausgeglichen. Es wurden daher keine kritischen Trockenstresssymptome beobachtet. Die Ernteerträge lagen in beiden Jahren über den vom Landwirt erwarteten Erträgen. Als Grund hierfür wird eine erhöhte Photosyntheseleistung infolge der hohen Sonnenscheindauer angeführt.