Zur Seitenansicht
 

Titelaufnahme

Titel
Elektrische Widerstandstomographie : Analyse der Auswirkungen von Austrocknung, Temperatur, Rinde und Nagelinstallation sowie Freilanduntersuchungen an Zirben der alpinen Waldgrenze / Sailer Julia
VerfasserSailer, Julia
Begutachter / BegutachterinMayr, Stefan
GutachterMayr, Stefan
ErschienenInnsbruck, 10. August 2015
UmfangIX, 88 Blätter : Illustrationen, Diagramme, Karten
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Masterarbeit, 2015
Anmerkung
Zusammenfassung in englischer und deutscher Sprache
Datum der AbgabeAugust 2015
SpracheDeutsch
DokumenttypMasterarbeit
Schlagwörter (DE)Elektrische Widerstandstomographie
Schlagwörter (EN)Electrical resistivity tomography
Schlagwörter (GND)Austrocknung / Temperatur / Hängebirke / Rotbuche / Schwarzpappel / Lärche / Fichte / Arve / Widerstand <Elektrotechnik> / Tomografie
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-2670 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
Dateien
Elektrische Widerstandstomographie [25.54 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Die elektrische Widerstandstomographie (Electrical Resistivity Tomography, ERT) ermöglicht die nahezu zerstörungsfreie Analyse der Widerstandsverteilung im Holz von Bäumen. Der Widerstand hängt von Holzfeuchte, Elektrolytgehalt und Zellstruktur ab und ermöglicht ebenso Rückschlüsse auf die Vitalität von Baumstämmen und den Wassergehalt im Holz. In der vorliegenden Masterarbeit wurden mögliche Einflussfaktoren der ERT analysiert, um das Verständnis der ERT-Methodik zu verbessern.

Die Untersuchungen wurden an drei Laubbäumen (Betula pendula, Fagus sylvatica, Populus nigra) und drei Nadelbäumen (Larix decidua, Picea abies, Pinus cembra) durchgeführt. In Laborexperimenten wurde an Stammsegmenten der Einfluss von Austrocknung und Temperatur auf die ERT analysiert. Zudem wurden Auswirkungen bei Entfernen der Rinde und durch unterschiedlich lange installierte Nagelkränze, an denen die Elektroden für die Messung angeschlossen werden, untersucht. Im Freiland wurden Jahresverläufe und höhenabhängige Änderungen entlang eines Höhengradienten an Zirben analysiert. Diese Analysen wurden mit hydraulischen Messungen an Bohrkernen der untersuchten Bäume verglichen.

Auf Basis der erstellten Tomogramme wurden die Muster der Widerstandsverteilung im Stammquerschnitt, der mittlere Widerstand Rmean und die Widerstandsänderungen entlang des Radius analysiert. Bei zunehmender Austrocknung nahm der Widerstand im Querschnitt bei fast allen Arten (Ausnahme B. pendula) zu, bei P. abies wurde die größte Zunahme (Rmean +160% von 27212m bei -0.4MPa auf 70623m bei -4.7MPa) verzeichnet. Eine Erniedrigung der Temperatur führte ebenso zu höheren Widerständen, insbesondere bei Überschreiten des Gefrierpunktes. Rmean stieg um bis zu 733% an (P. abies, Rmean von 60825m bei 20C auf 4455104m bei -10C). F. sylvatica zeigte mit zunehmender Entfernung der Rinde eine Abnahme von Rmean um 16% (181m auf 152m). Nagelinstallationen, die über einen längeren Zeitraum (Monate) im Holz installiert waren, führten zu höheren Widerstandswerten im Vergleich zu den jeweils neu installierten Nagelkränzen (bis zu 76% Steigung). Die an Zirben im Jahresverlauf erstellten Tomogramme belegen deutliche saisonale Änderungen in den Widerstandswerten mit hohen Widerständen im Winter und niedrigen im Frühjahr. Bei den Zirben entlang des untersuchten Höhentransekts wurde eine leichte (nicht signifikante) Abnahme von Rmean mit zunehmender Höhenlage nachgewiesen. Die Analysen der Bohrkerne zeigten eine signifikante Korrelation zwischen hydraulischer Leitfähigkeit (ks) und elektrischem Widerstand auf, wobei mit zunehmendem Alter der Jahrringe ks ab- und der Widerstand zunahm. Die höchste hydraulische Leitfähigkeit trat am ersten (5.3cm2 s-1 MPa-1), bzw. am zweiten (4.3cm2 s-1 MPa1) Jahrring auf.

Diese Ergebnisse liefern neue Einblicke in die ERT und deren wichtige Einflussfaktoren. Zunehmende Austrocknung, Erniedrigung der Temperatur und über längeren Zeitraum angebrachte Nagelinstallationen führten zu höheren Widerständen, die Entfernung der Rinde zu geringeren Widerständen. Die im Freiland aufgenommenen Jahresverläufe an Zirben belegen saisonale Änderungen (hohe Widerstände im Winter und niedrige im Frühjahr), bei deren Interpretation die genannten Einflussfaktoren ebenfalls zu berücksichtigen sind. Die Korrelation von elektrischem Widerstand und hydraulischer Leitfähigkeit von Bohrkernen belegt, dass die ERT zur Abschätzung der hydraulischen Situation in Baumstämmen genutzt werden kann.

Die untersuchten Faktoren sind für die ERT von entscheidender Bedeutung und müssen bei der Messung und Interpretation berücksichtigt werden. Bei sorgfältiger Anwendung stellt die ERT für Baumdiagnosen, ökophysiologische Fragestellungen (z.B. Bestimmung der Saftholzfläche) als auch für funktionell-anatomische Untersuchungen eine vielversprechende Methode dar.

Zusammenfassung (Englisch)

Electrical Resistivity Tomography (ERT) allows an almost nondestructive analysis of the resistivity distribution within the wood of trees. The electrical resistivity depends on wood moisture, electrolyte concentration and cell structure and allows conclusions regarding the vitality of tree stems and the water content in wood. In this master thesis, factors influencing ERT were analyzed to further improve the understanding of the ERT-methodology.

The analyses were performed on three deciduous trees (Betula pendula, Fagus sylvatica, Populus nigra) and three conifers (Larix decidua, Picea abies, Pinus cembra). The influence of dehydration and temperature on ERT was determined in the laboratory using stem samples. Additionally, the impact of removing the bark and using different periods of nail installations, to which the electrodes were connected, were examined. In a field study, the annul course and altitude dependent changes along an elevational transect were analyzed on P. cembra. These analyses were compared with measurements taken on stem cores of the respective trees.

Based on the resulting tomographies, patterns of the electrical resistivity within the stem cross section, the average resistivity Rmean and resistivity changes along the radius were analyzed. With progressing dehydration, the resistivity in the stem intersection increased in all species (except B. pendula), with P. abies showing the greatest variation (Rmean +160% from 27212m at 0.4MPa to 70623m at -4.7MPa). Decreasing temperature also caused an increase in resistivity, especially when passing the freezing point, resulting in a raise of Rmean of up to 733% (P. abies, Rmean from 60825m at 20C to 4455104m at -10C). Rmean of F. sylvatica decreased by 16% when removing the bark (from 181m to 152m). Installation of measurement nails for a longer period (a few months) lead to an increased resistivity values compared to nails installed directly before ERT measurements (up to 76% difference). In P. cembra, pronounced seasonal changes in resistivity, with high values in winter and low values in spring, were observed. A minor (non-significant) decrease with increasing elevation was found. The analysis on wood cores showed a significant correlation between the hydraulic conductivity (ks) and electrical resistivity, whereby ks decreased and resistivity increased with the age of annual rings. The greatest values for ks were found in the first (5.3cm2 s-1 MPa-1) and second (4.3cm2 s-1 MPa1) annual ring.

Results provide new insights in the ERT and influencing factors. Dehydration, lower temperatures and nail installations for a long period caused higher resistivity, whereas removing the bark induced lowers values. These factors have also to be considered for the interpretation of observed seasonal changes in the resistivity of P. cembra at the timberline. As indicated by the correlation between the electrical resistivity and hydraulic conductivity in wood cores, ERT then can be used to estimate the hydraulic status of tree stems.

Studied factors are of great importance for ERT measurements and must be taken into account when measuring and interpreting results. When used accurately, ERT represents a promising method for tree diagnosis, ecophysiological studies (e.g. determining sapwood) and functional-anatomical research.