@phdthesis{Calitri2023,
  author    = {Calitri, Francesca},
  title     = {Co-evolution of erosion rates, weathering and profile development in soil landscapes of hummocky ground moraines},
  doi       = {10.25932/publishup-60138},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-601387},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {XXVII, 163, V},
  year      = {2023},
  abstract  = {Soil is today considered a non-renewable resource on societal time scale, as the rate of soil loss is higher than the one of soil formation. Soil formation is complex, can take several thousands of years and is influenced by a variety of factors, one of them is time. Oftentimes, there is the assumption of constant and progressive conditions for soil and/or profile development (i.e., steady-state). In reality, for most of the soils, their (co-)evolution leads to a complex and irregular soil development in time and space characterised by "progressive" and "regressive" phases. Lateral transport of soil material (i.e., soil erosion) is one of the principal processes shaping the land surface and soil profile during "regressive" phases and one of the major environmental problems the world faces. Anthropogenic activities like agriculture can exacerbate soil erosion. Thus, it is of vital importance to distinguish short-term soil redistribution rates (i.e., within decades) influenced by human activities differ from long-term natural rates. To do so, soil erosion (and denudation) rates can be determined by using a set of isotope methods that cover different time scales at landscape level. With the aim to unravel the co-evolution of weathering, soil profile development and lateral redistribution on a landscape level, we used Pluthonium-239+240 (239+240Pu), Beryllium-10 (10Be, in situ and meteoric) and Radiocarbon (14C) to calculate short- and long-term erosion rates in two settings, i.e., a natural and an anthropogenic environment in the hummocky ground moraine landscape of the Uckermark, North-eastern Germany. The main research questions were: 1. How do long-term and short-term rates of soil redistributing processes differ? 2. Are rates calculated from in situ 10Be comparable to those of using meteoric 10Be? 3. How do soil redistribution rates (short- and long-term) in an agricultural and in a natural landscape compare to each other? 4. Are the soil patterns observed in northern Germany purely a result of past events (natural and/or anthropogenic) or are they imbedded in ongoing processes? Erosion and deposition are reflected in a catena of soil profiles with no or almost no erosion on flat positions (hilltop), strong erosion on the mid-slope and accumulation of soil material at the toeslope position. These three characteristic process domains were chosen within the CarboZALF-D experimental site, characterised by intense anthropogenic activities. Likewise, a hydrosequence in an ancient forest was chosen for this study and being regarded as a catena strongly influenced by natural soil transport. The following main results were obtained using the above-mentioned range of isotope methods available to measure soil redistribution rates depending on the time scale needed (e.g., 239+240Pu, 10Be, 14C): 1. Short-term erosion rates are one order of magnitude higher than long-term rates in agricultural settings. 2. Both meteoric and in situ 10Be are suitable soil tracers to measure the long-term soil redistribution rates giving similar results in an anthropogenic environment for different landscape positions (e.g., hilltop, mid-slope, toeslope) 3. Short-term rates were extremely low/negligible in a natural landscape and very high in an agricultural landscape - -0.01 t ha-1 yr-1 (average value) and -25 t ha-1 yr-1 respectively. On the contrary, long-term rates in the forested landscape are comparable to those calculated in the agricultural area investigated with average values of -1.00 t ha-1 yr-1 and -0.79 t ha-1 yr-1. 4. Soil patterns observed in the forest might be due to human impact and activities started after the first settlements in the region, earlier than previously postulated, between 4.5 and 6.8 kyr BP, and not a result of recent soil erosion. 5. Furthermore, long-term soil redistribution rates are similar independently from the settings, meaning past natural soil mass redistribution processes still overshadow the present anthropogenic erosion processes. Overall, this study could make important contributions to the deciphering of the co-evolution of weathering, soil profile development and lateral redistribution in North-eastern Germany. The multi-methodological approach used can be challenged by the application in a wider range of landscapes and geographic regions.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kuhnert2009,
  author    = {Kuhnert, Matthias},
  title     = {Quantifizierung von Oberfl{\"a}chenabfluss und Erosion auf B{\"o}den mit hydrophoben Eigenschaften},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-32871},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2009},
  abstract  = {Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung hydrophober Bodeneigenschaften und deren Auswirkungen auf Oberfl{\"a}chenabfluss und Erosion auf verschiedenen Skalen. Die dazu durchgef{\"u}hrten Untersuchungen fanden auf einer Rekultivierungsfl{\"a}che im Braunkohlegebiet Welzow S{\"u}d (S{\"u}dostdeutschland) statt. Die Prozesse wurden auf drei Skalen untersucht, die von der Plotskala (1m²) {\"u}ber die Hangskala (300m²) bis zur Betrachtung eines kleinen Einzugsgebietes (4ha) reichen. Der Grad der hydrophoben Bodeneigenschaften wurde sowohl direkt, {\"u}ber die Bestimmung des Kontaktwinkel, als auch indirekt, {\"u}ber die Bestimmung der Persistenz, ermittelt. Dabei zeigte sich, dass der Boden im Winterhalbjahr hydrophil reagierte, w{\"a}hrend er im Sommerhalbjahr hydrophobe Bodeneigenschaften aufwies. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ansteigende Bodenwassergehalte, die in der Literatur h{\"a}ufig als Ursache f{\"u}r einen Wechsel der Bodeneigenschaften angegeben werden, auf dieser Fl{\"a}che nicht zu einem Umbruch der Bodenbedingungen f{\"u}hren. Stattdessen kam es als Folge des Auftauens von gefrorenem Boden zu hydrophilen Bodeneigenschaften, die zu einem Anstieg des Bodenwassergehalts f{\"u}hrten. R{\"a}umliche Unterschiede zeigten sich in den geomorphologischen Einheiten. Rinnen und Rillen wiesen seltener hydrophobe Eigenschaften als die Zwischenrillenbereiche und Kuppen auf. Diese r{\"a}umlichen und zeitlichen Variabilit{\"a}ten wirkten sich auch auf den Oberfl{\"a}chenabfluss aus, der als Abflussbeiwert (ABW: Quotient aus Abfluss und Niederschlag) untersucht wurde. Der ABW liegt auf B{\"o}den mit hydrophoben Bodeneigenschaften (ABW=0,8) deutlich h{\"o}her als bei jenen mit hydrophilen Eigenschaften(ABW=0,2), wie sie im Winter oder auf anderem Substrat vorzufinden sind (diese Werte beziehen sich auf die Plotskala). Betrachtet man die Auswirkungen auf unterschiedlichen Skalen, nimmt der Abflussbeiwert mit zunehmender Fl{\"a}chengr{\"o}ße ab (ABW = 0,8 auf der Plotskala, ABW = 0,5 auf der Hangskala und ABW = 0,2 im gesamten Gebiet), was in den hydrophil reagierenden Rillen und Rinnen auf der Hangskala und dem hydrophilen Substrat im Einzugsgebiet begr{\"u}ndet ist. Zur Messung der Erosion wurden verschiedene, zum Teil neu entwickelte Methoden eingesetzt, um eine hohe zeitliche und r{\"a}umliche Aufl{\"o}sung zu erreichen. Bei einer neu entwickelten Methode wird der Sedimentaustrag ereignisbezogen {\"u}ber eine Waage bestimmt. In Kombination mit einer Kippwaage erm{\"o}glicht sie die gleichzeitige Messung des Oberfl{\"a}chenabflusses. Die Messapparatur wurde f{\"u}r Gebiete entwickelt, die eine {\"u}berwiegend grobsandige Textur aufweisen und nur geringe Mengen Ton und Schluff enthalten. Zus{\"a}tzlich wurden zwei Lasersysteme zur Messung der r{\"a}umlichen Verteilung der Erosion eingesetzt. F{\"u}r die erste Methode wurde ein punktuell messender Laser in einer fest installierten Apparatur {\"u}ber die Fl{\"a}che bewegt und punktuell H{\"o}henunterschiede in einem festen Raster bestimmt. Durch Interpolation konnten Bereiche mit Sedimentabtrag von Akkumulationsbereiche unterschieden werden. Mit dieser Methode k{\"o}nnen auch gr{\"o}ßere Fl{\"a}chen vermessen werden (hier 16 m²), allerdings weisen die Messungen in den {\"U}bergangsbereichen von Rinne zu Zwischenrille große Fehler auf. Bei der zweiten Methode wird mit einer Messung ein Quadratmeter mit einer hohen r{\"a}umlichen Aufl{\"o}sung komplett erfasst. Um ein dreidimensionales Bild zu erstellen, m{\"u}ssen insgesamt vier Aufnahmen von jeweils unterschiedlichen Seiten aufgenommen werden. So lassen sich Abtrag und Akkumulation sehr genau bestimmen, allerdings ist die Messung relativ aufwendig und erfasst nur eine kleine Fl{\"a}che. Zus{\"a}tzlich wurde der Sedimentaustrag noch auf der Plotskala erfasst. Die Messungen zeigen, korrespondierend zu den Bodeneigenschaften, große Sedimentaustr{\"a}ge w{\"a}hrend des Sommerhalbjahrs und kaum Austr{\"a}ge im Winter. Weiterhin belegen die Ergebnisse eine gr{\"o}ßere Bedeutung der Rillenerosion gegen{\"u}ber der Zwischenrillenerosion f{\"u}r Niederschlagsereignisse hoher Intensit{\"a}t (>25 mm/h in einem zehnmin{\"u}tigem Intervall). Im Gegensatz dazu dominierte die Zwischenrillenerosion bei Ereignissen geringerer Intensit{\"a}t (<20 mm/h in einem zehnmin{\"u}tigem Intervall), wobei mindestens 9 mm Niederschlag in einer Intensit{\"a}t von mindesten 3,6 mm/h n{\"o}tig sind, damit es zur Erosion kommt. Basierend auf den gemessenen Abfl{\"u}ssen und Sedimentaustr{\"a}gen wurden Regressiongleichungen abgeleitet, die eine Berechnung dieser beiden Prozesse f{\"u}r die untersuchte Fl{\"a}che erm{\"o}glichen. W{\"a}hrend die Menge an Oberfl{\"a}chenabfluss einen starken Zusammenhang zu der Menge an gefallenem Niederschlag zeigt (r² = 0,9), ist die Berechnung des ausgetragenen Sedimentes eher ungenau (r² = 0,7). Zusammenfassend beschreibt die Arbeit Einfl{\"u}sse hydrophober Bodeneigenschaften auf verschiedenen Skalen und arbeitet die Auswirkungen, die vor allem auf der kleinen Skala von großer Bedeutung sind, heraus.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Klisch2003,
  author    = {Klisch, Anja},
  title     = {Ableitung von Blattfl{\"a}chenindex und Bedeckungsgrad aus Fernerkundungsdaten f{\"u}r das Erosionsmodell EROSION 3D},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-0001455},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2003},
  abstract  = {In den letzten Jahren wurden relativ komplexe Erosionsmodelle entwickelt, deren Teilprozesse immer mehr auf physikalisch begr{\"u}ndeten Ans{\"a}tzen beruhen. Damit verbunden ist eine h{\"o}here Anzahl aktueller Eingangsparameter, deren Bestimmung im Feld arbeits- und kostenaufwendig ist. Zudem werden die Parameter punktuell, also an bestimmten Stellen und nicht fl{\"a}chenhaft wie bei der Fernerkundung, erfasst. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, wie Satellitendaten als relativ kosteng{\"u}nstige Erg{\"a}nzung oder Alternative zur konventionellen Parametererhebung genutzt werden k{\"o}nnen. Dazu werden beispielhaft der Blattfl{\"a}chenindex (LAI) und der Bedeckungsgrad f{\"u}r das physikalisch begr{\"u}ndete Erosionsmodell EROSION 3D abgeleitet. Im Mittelpunkt des Interesses steht dabei das Aufzeigen von existierenden Methoden, die die Basis f{\"u}r eine operationelle Bereitstellung solcher Gr{\"o}ßen nicht nur f{\"u}r Erosions- sondern allgemein f{\"u}r Prozessmodelle darstellen. Als Untersuchungsgebiet dient das prim{\"a}r landwirtschaftlich genutzte Einzugsgebiet des Mehltheuer Baches, das sich im S{\"a}chsischen L{\"o}ßgefilde befindet und f{\"u}r das Simulationsrechnungen mit konventionell erhobenen Eingangsparametern f{\"u}r 29 Niederschlagsereignisse im Jahr 1999 vorliegen [MICHAEL et al. 2000]. Die Fernerkundungsdatengrundlage bilden Landsat-5-TM-Daten vom 13.03.1999, 30.04.1999 und 19.07.1999. Da die Vegetationsparameter f{\"u}r alle Niederschlagsereignisse vorliegen sollen, werden sie basierend auf der Entwicklung des LAI zeitlich interpoliert. Dazu erfolgt zun{\"a}chst die Ableitung des LAI f{\"u}r alle vorhandenen Fruchtarten nach den semi-empirischen Modellen von CLEVERS [1986] und BARET \& GUYOT [1991] mit aus der Literatur entnommenen Koeffizienten. Des Weiteren wird eine Methode untersucht, nach der die Koeffizienten f{\"u}r das Clevers-Modell aus den TM-Daten und einem vereinfachten Wachstumsmodell bestimmt werden. Der Bedeckungsgrad wird nach ROSS [1981] aus dem LAI ermittelt. Die zeitliche Interpolation des LAI wird durch die schlagbezogene Anpassung eines vereinfachten Wachstumsmodells umgesetzt, das dem hydrologischen Modell SWIM [KRYSANOVA et al. 1999] entstammt und in das durchschnittliche Tagestemperaturen eingehen. Mit den genannten Methoden bleiben abgestorbene Pflanzenteile unber{\"u}cksichtigt. Im Vergleich zur konventionellen terrestrischen Parametererhebung erm{\"o}glichen sie eine differenziertere Abbildung r{\"a}umlicher Variabilit{\"a}ten und des zeitlichen Verlaufes der Vegetationsparameter. Die Simulationsrechnungen werden sowohl mit den direkten Bedeckungsgraden aus den TM-Daten (pixelbezogen) als auch mit den zeitlich interpolierten Bedeckungsgraden f{\"u}r alle Ereignisse (schlagbezogen) durchgef{\"u}hrt. Bei beiden Vorgehensweisen wird im Vergleich zur bisherigen Absch{\"a}tzung eine Verbesserung der r{\"a}umlichen Verteilung der Parameter und somit eine r{\"a}umliche Umverteilung von Erosions- und Depositionsfl{\"a}chen erreicht. F{\"u}r die im Untersuchungsgebiet vorliegende r{\"a}umliche Heterogenit{\"a}t (z. B. Schlaggr{\"o}ße) bieten Landsat-TM-Daten eine ausreichend genaue r{\"a}umliche Aufl{\"o}sung. Damit wird nachgewiesen, dass die satellitengest{\"u}tzte Fernerkundung im Rahmen dieser Untersuchungen sinnvoll einsetzbar ist. F{\"u}r eine operationelle Bereitstellung der Parameter mit einem vertretbaren Aufwand ist es erforderlich, die Methoden weiter zu validieren und m{\"o}glichst weitestgehend zu automatisieren.},
  language  = {de}
}