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Hartheim Forest Research Site

 

Objectives and goals of the research site

The Hartheim Forest Research Site of the University of Freiburg (Fluxnet ID: "DE-Har") is an Associate Site in the Integrated Carbon Observation System (ICOS, in the national network of Germany, ICOS-D). The site operated by the Chair of Environmental Meteorology (previously "Meteorological Institute") since 1969. At this field facility we conduct scientific research on interactions between soil, forest and atmosphere at an unusually dry location for Germany. The aim of the Hartheim Forest Research Site is to scientifically record long-term and intensive meteorological, hydro-meteorological and forest-growth parameters related to the interactions between soil, forest and atmosphere, in order to study processes and to develop or test models. The focus of the research is on water use of forests, processes of forest growth, processes leading to storm damage and the exchange of trace gases (such as greenhouse gases) between the forest and the atmosphere. Since its inception, more than 40 peer-reviewed scientific publications on measurements and modeling studies were carried out at the site or using data from the site.

In recent years (2018,2019,2020,2022), the pine forest has suffered from drought stress and elevated temperatures, resulting in the death of many pine trees. This situation provides an exceptional opportunity to scientifically monitor the impact of regional climate change on forest ecosystems at an extreme dry location for Germany. Hence data collected at the Hartheim Research Forest provides an important basis for an assessment of the future development of forest land use under future extreme conditions in Germany and Central Europe.

The drought-damaged forest with the tall  tower (in foreground) and the small canopy access tower (back) in autumn 2018 (Photo: D. Redepenning)

Location

 

Longitude (WGS-84) 7.59814°E
Latitude (WGS-84) 47.93391°N
Height above sea level 201 m

Canopy structure and stand development

The Hartheim Forest Research Site (fenced area: 0.7 ha) is a stand that consists mainly of Scots pine (Pinus sylvestris) with scattered European black pines (Pinus nigra) (2019: 17.3 m high). The stand is characterized by a homogeneous structure. The forest has been repeatedly thinned in the last 50 years:

The development of stand height (green, left axis in m) and stand density (blue, right axis in trees / ha) at the Hartheim Forest Research Site from 1969 to 2019.

Climate

 

Climate data at Hartheim Research Forest Climatic reference period 1991-2020 46-year average
Yearly average air temperature at 2 m (inside canopy) 11.0°C 10.7°C
(1978-2023)
Yearly total precipitation (above canopy) 639.7 mm / year 629.9 mm / year
(1978-2023)
Average solar irradiance (above canopy) 4.34 GJ / (m2 year) 4,31 GJ / (m2 year)
(1978 - 2022)

 

Long-term trend in annual average air temperatures at 2m in the trunk space of the Hartheim Research Forest from 1978 to 2023 relative to the climatological reference period 1991 - 2020 (11.02°C). Years shown in red were warmer, years shown in blue were cooler than the average of the climatological reference period 1991 - 2020 (last updated on 02.01.2024).

Long-term variability of annual precipitation at the Hartheim Research Forest from 1978 to 2023 relative to the climatological reference period 1991 - 2020 (639.7 mm / year). Years colored in blue had more precipitation, yellow years were drier than the average of the climatological reference period (updated on 02.01.2024).

Annual anomalies of air temperature (2m) and annual precipitation 1978 - 2023 at the Hartheim Research Forest with relation to the climatological reference period 1991 - 2020. The colour of the dots corresponds to the year and ranges from dark blue (1980s) to purple (1990s and 2000s), to orange (2010s) to yellow (2020s) (last updated on 02.01.2024).

Long-term variability of solar irradiance (global irradiance) at the Hartheim Research Forest (above canopy) from 1978 to 2022 relative to the climatological reference period 1991 - 2020 (4.34 GJ / (m2 year)). Years colored in yellow had more solar irradiance, blue years received less solar radiation than the average of the climatological reference period (updated on 02.01.2024).

Soil conditions

Schäfer (1977) identifies the type of soil at Hartheim Forest Research Site  as an anthropogenic "Kalkpaternia-Pararendzina". Due to the relatively low precipitation, resulting in a limited solution weathering, and because of the high carbonate content the site experiences a stagnating soil development . The pH of the mineral soil ranges between 7.6 and 8.3; the nitrogen content in the top layer varies between 0.23 and 0.14% (Hädrich and Stahr, 1992).

The edaphic conditions already suggest that fine and middle roots are mainly to be found in the top layer. Although the soil has a soil-related high water capacity, it can store only small amounts of water due to the flatness of the top layer. Despite high nutrient element stocks, the nutrient supply is relatively low due to the limited chemical weathering (Schäfer, 1977).

Measurement systems

At Hartheim Forest Meteorology Site we operate two towers (height: 18 m and 30 m), which serve as platforms for meteorological, hydrological and ecophysiological measurements. More than 100 measured quantities are recorded continuously in and above the pine forest. The measured variables include air pressure, precipitation, radiation in different wavebands, air temperature, soil temperature, soil moisture, humidity, wind speed, wind direction and gas concentrations. The measuring point has line power and a telephone connection. Line power ensures a permanent operation of the site. Due to the available infrastructure (including two large huts), the Hartheim Forest Research Site is regularly used for carrying out research projects.

Hartheim Main Tower

The tall  tower (30 m) allows profile measurements of temperature, humidity, and wind, as well as radiation and flux measurements in and over the forest canopy (Photo: A. Christen)

Precipitation

The total precipitation is measured above the forest with a precipitation sensor HP (Ombrometer). A CS125 sensor records the intensity and type of rainfall sensor and  fog. The canopy through fall (dripping and falling precipitation from needles, branches ect. on the forest floor) is sampled with four gutters. Spiral-shaped PVC sleeves with collection vessels collect the stem flow on ten trees with weekly readings.

Radiation

At the top of the 30m-tower, radiation measurements of the incoming and outgoing radiation are  measured separately for short- and long-wave radiation components. With a photocell, the photosynthetically active radiation is detected. Two phenocams record the seasonal development of the forest canopy in the visible and near infrared range.

  

The latest pictures of the two phenocams at 30 m (left) and at 8 m in the trunk space (right). Data from the phenocams is  integrated into the global PhenoCam network.

Profiles of air temperature / humidity

Profiles of temperature and humidity in and above the forest are measured on the 30m-tower. Active ventilated psychrometers according to Frankenberger (Pt 100) are used at 5 heights.

Wind, turbulence, tree movements

Vertical profiles of wind and turbulence are recorded with a profile of ultrasonic anemometers. The ultrasonic anemometers measure the three-dimensional wind vector at 6 heights twenty times per second. Special  accelerometers record the movement of the trees.

Energy- and trace-gas fluxes

An ultrasonic anemometer-thermometer (CSAT3B Campbell Scientific Inc., Logan, USA) combined with a carbon dioxide and water vapor gas analyzer (Li-7200 Closed Path Analyzer, Licor Inc., Lincoln, USA) at 27 m determines the tubulent fluxes of sensible and latent heat and the exchange of carbon dioxide with the eddy-covariance method. Dendrometers are also used on several trees to record long-term tree growth.

Eddy Covariance System Hartheim

This eddy-covariance system above the forest continuously measures the exchange of heat and trace gases, including a sensor for determining the uptake / release of methane (Photo: A. Christen)

Soil climate and hydrology

Soil temperatures are measured at a depth of 2 cm (3x), 5 cm (3x), 10 cm  (3x), 20 cm (3x), 50 cm (2x) and 100 cm (2x). Soil moisture is measured using TDL (Time Domain Reflectomerty) at depths of 5 cm (3x), 10 cm  (3x), 20 cm  (3x), 50 cm  (2x) and 100 cm  (2x). The soil heat flow into the forest floor is measured by means of buried soil heat flow plates at a depth of 2.5 cm (3x).

Data

→ Link to real-time data from research site

Selected research publications on Hartheim Forest Research Station

Peer reviewed journal articles

Doctoral Dissertations

  • Maier M, 2011: Die kurz- und mittelfristigen Veränderungen des CO2-Vorrats in Böden. Doktorarbeit an der Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Imbery F, 2005Langjährige Variabilität der aerodynamischen Oberflächenrauhigkeit und Energieflüsse eines Kiefernwaldes in der südlichen Oberrheinebene (Hartheim)Berichte des Meteorologischen Instituts der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 14 (gleichz. Dissertation).
  • Rost J, 2004Vergleichende Analyse der Energiebilanz zweier Untersuchungsflächen der Landnutzungen "Grasland" und "Wald" in der südlichen OberrheinebeneBerichte des Meteorologischen Instituts der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg,  9 (gleichz. Dissertation). 
  • Schindler D, 2004Characteristics of the atmospheric boundary layer over a Scots pine forestBerichte des Meteorologischen Instituts der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Band 11 (gleichz. Dissertation). 
  • Haggagy, M E-N A, 2003A sodar-based investigation of the atmospheric boundary layer. Berichte des Meteorologischen Instituts der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Band 8 (gleichz. Dissertation). 
  • Königer P, 2002Tracerhydrologische Ansätze zur Bestimmung der Grundwasserneubildung an einem Trockenstandort.Freiburger Schriftenreihe zur Hydrologie, Band 16, (Zugl. Dissertation an der Geowissenschaftlichen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg).
  • Sturm N, 1998: Steuerung, Skalierung und Umsatz der Wasserflüsse im Hartheimer Kiefernforst (Pinus sylvestris L.) - eine Synthese aus Freilanduntersuchung und Modellierung physiologischer Prozesse. Doktorarbeit an der Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften der Universität Bayreuth.
  • Vogt R, 1995: Theorie, Technik und Analyse der experimentellen Flussbestimmung am Beispiel des Hartheimer Kiefernwaldes. Stratus, Band 3 (Zugl. Dissertation Universität Basel).
  • Garthe H-J, 1985: Über das langjährige Verhalten der Energiehaushaltskomponenten eines mitteleuropäischen Kiefernwaldes. Doktorarbeit an der Geowissenschaftlichen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Keding IW, 1985: Klimatologische Untersuchung der atmosphärischen Gegenstrahlung und Vergleich von Berechnungsverfahren anhand langjähriger Messungen im Oberrheintal. Doktorarbeit an der Geowissenschaftlichen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Schott R, 1978: Untersuchungen über die Energiehaushaltskomponenten in der atmosphärischen Grenzschicht am Beispiel eines Kiefernbestandes in der Oberrheinebene (Hartheim/Rh.). Doktorarbeit an der Geowissenschaftlichen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.

M.Sc. and B.Sc. Theses

  • Laux H, 2020Eine dendroökologische Analyse des Absterbeprozesses von Wald-Kiefern (Pinus sylvestris L.) unter Berücksichtigung ausgewählter abiotischer Faktoren auf der Forstmeteorologischen Messstelle Hartheim – südliche Oberrheinebene. M.Sc. Thesis in Forest Sciences, Chair of Forest Growth and Dendroecology, Faculty of Environment and Natural Resources.
  • Bergner N, 2019: Long-term effects of changing forest structure and drought-damage on the radiation balance of a Scots pine forest. B.Sc. thesis in Environmental Sciences, Chair of Environmental Meteorology, Faculty of Environment and Natural Resources.
  • Grün M, 2019: BVOC-emissions of Scots pine 13C-metabolic tracing and changes under drought. M.Sc. Thesis in Environmental Sciences, Chair of Ecosystem Physiology, Faculty of Environment and Natural Resources.
  • Gundlach H-C, 2008: Untersuchungen zu Biegemechanischen Eigenschaften und dem Schwingungsverhalten von Waldkiefern. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Harsch J, 2008: Respiration von Wäldern. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Maier M, 2007: Die mittelfristige Dynamik des gasförmigen Kohlenstoffvorrats des Bodens an der Forstmeteorologischen Messstelle Hartheim. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Egner J-P, 2006: Biegemechanische Eigenschaften von Waldbäumen. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Ehler C, 2005: Untersuchung zur Anwendbarkeit des schottischen Sturmschadensrisikomodells ForestGALES für Waldbestände in Baden-Württemberg. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Müller J, 2005: Forstmeteorologische Analyse der Dürre 2003 in Baden-Württemberg. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Türk M, 2004: Jahresbilanz des turbulenten CO2-Flusses über dem Hartheimer Kiefernwald. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Wellpott A, 2003: Vergleichende Analyse der Wasserhaushaltsmodelle WBS3 und BROOK90. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Dabrowski C, 2002: Auswirkungen von Durchforstungen auf den Wasserhaushalt eines Kiefernwaldes. Diplomarbeit an der Lehrstuhl für Geographie und Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Schindler D, 2001: CO2-, Wasserdampf- und Ozonflußdichten über dem Hartheimer Kiefernwald. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Holzkämpfer S, 2000: Isotopenhydrologische Ansätze zur Ermittlung der Evaporation aus dem Bodenspeicher im Hartheimer Kiefernwald. Diplomarbeit an der Lehrstuhl für Geographie und Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Lautenschlager K, 1999: Isotopenhydrologische Untersuchung des Bodenwassers zur Beurteilung von Versickerungsprozessen im Hartheimer Kiefernwald. Diplomarbeit an der Lehrstuhl für Geographie und Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Kaiser T, 1998: Witterungsinformationen aus Jahrringen. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Berenguer SC, 1997: Wasserhaushalt eines Kiefernwaldes der Oberrheinebene. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Linser S, 1996: Human-biometeorologische Funktionen in Wäldern. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Schilli A, 1996: Vergleich der Verdunstung dreier Waldstandorte. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Kühl K, 1995: Freiland-Untersuchungen zum Thiolhaushalt an Waldkiefern (Pinus sylvestris) unter Trockenstress. Diplomarbeit am Institut für Forstbotanik und Baumphysiologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Wisshak K, 1995: Evatranspiration der Unterwuchsvegetation eines Kiefernforstes in der Oberrheinebene bei Freiburg. Diplomarbeit an der Lehrstuhl der Pflanzenökologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Peck AK, 1995: Verdunstung von Wäldern in Abhängigkeit von Bestandesparametern. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Sturm N, 1993: Untersuchung zum Wasserhaushalt der Bodendeckschicht eines Kiefernwaldes bei Hartheim am Oberrhein. Diplomarbeit an der Lehrstuhl für Geographie und Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Brake C 1992: Komponenten des Waldniederschlags Analyse langjähriger Messungen an einem Kiefernwald in der Oberrheinebene. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Weikl J, 1991: Bestandsniederschlag und Interzeption in Abhängigkeit von Bestandsparametern. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Heiderich SU, 1989: Die Bedeutung und Verwendung von Blattflächenindex und Blattflächendichte unter besonderer Berücksichtigung der Forstmeteorologie, nebst einer praktischen Bestimmung dieser Größen in einem Kiefern- (Pinus silvestris L.) bestand. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Wicke W, 1988: Studien zu einem Verdunstungsmodell für einen Wald. Diplomarbeit an der Lehrstuhl für Geographie und Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Kröner E 1988: Auswirkungen von Temperatur und Niederschlag auf die Jahrringstruktur der Gemeinen Kiefer (Pinus sylvestris L.) in verschiedenen Höhenlagen Südbadens. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Vogt R, 1988: Die aktuelle Verdunstung eines Kiefernwaldes berechnet für eineinhalb Jahre. Diplomarbeit am Lehrstuhl für Geographie und Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Müller R, 1987: Interzeption in einem Kiefernforst der Oberrheinebene. Diplomarbeit am Lehrstuhl für Geographie und Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Butz H, 1984: Das Thermische Milieu eines jungen Kiefernbestandes in der Rheinaue bei Hartheim unter besonderer Berücksichtigung der Strahlungstemperaturen verschiedener Oberflächen. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
  • Merkel H, 1981: Unregelmäßigkeiten in der Jahrringstruktur junger Kiefern (Pinus silvestris L. und Pinus nigra ARNOLD) und deren klimatologische Interpretation. Diplomarbeit am Meteorologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.

Selected book chapters, reports and conference contributions