@phdthesis{Wattenbach2008,
  author    = {Wattenbach, Martin},
  title     = {The hydrological effects of changes in forest area and species composition in the federal state of Brandenburg, Germany},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-27394},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2008},
  abstract  = {This thesis aims to quantify the human impact on the natural resource water at the landscape scale. The drivers in the federal state of Brandenburg (Germany), the area under investigation, are land-use changes induced by policy decisions at European and federal state level. The water resources of the federal state are particularly sensitive to changes in land-use due to low precipitation rates in the summer combined with sandy soils and high evapotranspiration rates. Key elements in landscape hydrology are forests because of their unique capacity to transport water from the soil to the atmosphere. Given these circumstances, decisions made at any level of administration that may have effects on the forest sector in the state are critical in relation to the water cycle. It is therefore essential to evaluate any decision that may change forest area and structure in such a sensitive region. Thus, as a first step, it was necessary to develop and implement a model able to simulate possible interactions and feedbacks between forested surfaces and the hydrological cycle at the landscape scale. The result is a model for simulating the hydrological properties of forest stands based on a robust computation of the temporal and spatial LAI (leaf area index) dynamics. The approach allows the simulation of all relevant hydrological processes with a low parameter demand. It includes the interception of precipitation and transpiration of forest stands with and without groundwater in the rooting zone. The model also considers phenology, biomass allocation, as well as mortality and simple management practices. It has been implemented as a module in the eco-hydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model). This model has been tested in two pre-studies to verify the applicability of its hydrological process description for the hydrological conditions typical for the state. The newly implemented forest module has been tested for Scots Pine (Pinus sylvestris) and in parts for Common Oak (Quercus robur and Q. petraea) in Brandenburg. For Scots Pine the results demonstrate a good simulation of annual biomass increase and LAI in addition to the satisfactory simulation of litter production. A comparison of the simulated and measured data of the May sprout for Scots pine and leaf unfolding for Oak, as well as the evaluation against daily transpiration measurements for Scots Pine, does support the applicability of the approach. The interception of precipitation has also been simulated and compared with weekly observed data for a Scots Pine stand which displays satisfactory results in both the vegetation periods and annual sums. After the development and testing phase, the model is used to analyse the effects of two scenarios. The first scenario is an increase in forest area on abandoned agricultural land that is triggered by a decrease in European agricultural production support. The second one is a shift in species composition from predominant Scots Pine to Common Oak that is based on decisions of the regional forestry authority to support a more natural species composition. The scenario effects are modelled for the federal state of Brandenburg on a 50m grid utilising spatially explicit land-use patterns. The results, for the first scenario, suggest a negative impact of an increase in forest area (9.4\% total state area) on the regional water balance, causing an increase in mean long-term annual evapotranspiration of 3.7\% at 100\% afforestation when compared to no afforestation. The relatively small annual change conceals a much more pronounced seasonal effect of a mean long-term evapotranspiration increase by 25.1\% in the spring causing a pronounced reduction in groundwater recharge and runoff. The reduction causes a lag effect that aggravates the scarcity of water resources in the summer. In contrast, in the second scenario, a change in species composition in existing forests (29.2\% total state area) from predominantly Scots Pine to Common Oak decreases the long-term annual mean evapotranspiration by 3.4\%, accompanied by a much weaker, but apparent, seasonal pattern. Both scenarios exhibit a high spatial heterogeneity because of the distinct natural conditions in the different regions of the state. Areas with groundwater levels near the surface are particularly sensitive to changes in forest area and regions with relatively high proportion of forest respond strongly to the change in species composition. In both cases this regional response is masked by a smaller linear mean effect for the total state area. Two critical sources of uncertainty in the model results have been investigated. The first one originates from the model calibration parameters estimated in the pre-study for lowland regions, such as the federal state. The combined effect of the parameters, when changed within their physical meaningful limits, unveils an overestimation of the mean water balance by 1.6\%. However, the distribution has a wide spread with 14.7\% for the 90th percentile and -9.9\% for the 10th percentile. The second source of uncertainty emerges from the parameterisation of the forest module. The analysis exhibits a standard deviation of 0.6 \% over a ten year period in the mean of the simulated evapotranspiration as a result of variance in the key forest parameters. The analysis suggests that the combined uncertainty in the model results is dominated by the uncertainties of calibration parameters. Therefore, the effect of the first scenario might be underestimated because the calculated increase in evapotranspiration is too small. This may lead to an overestimation of the water balance towards runoff and groundwater recharge. The opposite can be assumed for the second scenario in which the decrease in evapotranspiration might be overestimated.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Roers2016,
  author    = {Roers, Michael},
  title     = {Methoden zur Dynamisierung von Klimafolgenanalysen im Elbegebiet},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98844},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {xiii, 141},
  year      = {2016},
  abstract  = {Die Elbe und ihr Einzugsgebiet sind vom Klimawandel betroffen. Um die Wirkkette von projizierten Klimaver{\"a}nderungen auf den Wasserhaushalt und die daraus resultierenden N{\"a}hrstoffeintr{\"a}ge und -frachten f{\"u}r große Einzugsgebiete wie das der Elbe zu analysieren, k{\"o}nnen integrierte Umweltmodellsysteme eingesetzt werden. Fallstudien, die mit diesen Modellsystemen ad hoc durchgef{\"u}hrt werden, repr{\"a}sentieren den Istzustand von Modellentwicklungen und -unsicherheiten und sind damit statisch. Diese Arbeit beschreibt den Einstieg in die Dynamisierung von Klimafolgenanalysen im Elbegebiet. Dies umfasst zum einen eine Plausibilit{\"a}tspr{\"u}fung von Auswirkungsrechnungen, die mit Szenarien des statistischen Szenariengenerators STARS durchgef{\"u}hrt wurden, durch den Vergleich mit den Auswirkungen neuerer Klimaszenarien aus dem ISI-MIP Projekt, die dem letzten Stand der Klimamodellierung entsprechen. Hierf{\"u}r wird ein integriertes Modellsystem mit "eingefrorenem Entwicklungsstand" verwendet. Die Klimawirkungsmodelle bleiben dabei unver{\"a}ndert. Zum anderen wird ein Bestandteil des integrierten Modellsystems - das {\"o}kohydrologische Modell SWIM - zu einer "live"-Version weiterentwickelt. Diese wird durch punktuelle Testung an langj{\"a}hrigen Versuchsreihen eines Lysimeterstandorts sowie an aktuellen Abflussreihen validiert und verbessert. Folgende Forschungsfragen werden bearbeitet: (i) Welche Effekte haben unterschiedliche Klimaszenarien auf den Wasserhaushalt im Elbegebiet und ist eine Neubewertung der Auswirkung des Klimawandels auf den Wasserhaushalt notwendig?, (ii) Was sind die Auswirkungen des Klimawandels auf die N{\"a}hrstoffeintr{\"a}ge und -frachten im Elbegebiet sowie die Wirksamkeit von Maßnahmen zur Reduktion der N{\"a}hrstoffeintr{\"a}ge?, (iii) Ist unter der Nutzung (selbst einer sehr geringen Anzahl) verf{\"u}gbarer tagesaktueller Witterungsdaten in einem stark heterogenen Einzugsgebiet eine valide Ansprache der aktuellen {\"o}kohydrologischen Situation des Elbeeinzugsgebiets m{\"o}glich? Die aktuellen Szenarien best{\"a}tigen die Richtung, jedoch nicht das Ausmaß der Klimafolgen: Die R{\"u}ckg{\"a}nge des mittleren j{\"a}hrlichen Gesamtabflusses und der monatlichen Abfl{\"u}sse an den Pegeln bis Mitte des Jahrhunderts betragen f{\"u}r das STARS-Szenario ca. 30 \%. Die R{\"u}ckg{\"a}nge bei den auf dem ISI-MIP-Szenario basierenden Modellstudien liegen hingegen nur bei ca. 10 \%. Hauptursachen f{\"u}r diese Divergenz sind die Unterschiede in den Niederschlagsprojektionen sowie die Unterschiede in der jahreszeitlichen Verteilung der Erw{\"a}rmung. Im STARS-Szenario gehen methodisch bedingt die Niederschl{\"a}ge zur{\"u}ck und der Winter erw{\"a}rmt sich st{\"a}rker als der Sommer. In dem ISI-MIP-Szenario bleiben die Niederschl{\"a}ge nahezu stabil und die Erw{\"a}rmung im Sommer und Winter unterscheidet sich nur geringf{\"u}gig. Generell nehmen die N{\"a}hrstoffeintr{\"a}ge und -frachten mit den Abfl{\"u}ssen in beiden Szenarien unterproportional ab, wobei die Frachten jeweils st{\"a}rker als die Eintr{\"a}ge zur{\"u}ckgehen. Die konkreten Effekte der Abfluss{\"a}nderungen sind gering und liegen im einstelligen Prozentbereich. Gleiches gilt f{\"u}r die Unterschiede zwischen den Szenarien. Der Effekt von zwei ausgew{\"a}hlten Maßnahmen zur Reduktion der N{\"a}hrstoffeintr{\"a}ge und -frachten unterscheidet sich bei verschiedenen Abflussverh{\"a}ltnissen, repr{\"a}sentiert durch unterschiedliche Klimaszenarien in unterschiedlich feuchter Auspr{\"a}gung, ebenfalls nur geringf{\"u}gig. Die Beantwortung der ersten beiden Forschungsfragen zeigt, dass die Aktualisierung von Klimaszenarien in einem ansonsten "eingefrorenen" Verbund von {\"o}kohydrologischen Daten und Modellen eine wichtige Pr{\"u}foption f{\"u}r die Plausibilisierung von Klimafolgenanalysen darstellt. Sie bildet die methodische Grundlage f{\"u}r die Schlussfolgerung, dass bei der Wassermenge eine Neubewertung der Klimafolgen notwendig ist, w{\"a}hrend dies bei den N{\"a}hrstoffeintr{\"a}gen und -frachten nicht der Fall ist. Die zur Beantwortung der dritten Forschungsfrage mit SWIM-live durchgef{\"u}hrten Validierungsstudien ergeben Diskrepanzen am Lysimeterstandort und bei den Abfl{\"u}ssen aus den Teilgebieten Saale und Spree. Sie lassen sich zum Teil mit der notwendigen Interpolationsweite der Witterungsdaten und dem Einfluss von Wasserbewirtschaftungsmaßnahmen erkl{\"a}ren. Insgesamt zeigen die Validierungsergebnisse, dass schon die Pilotversion von SWIM-live f{\"u}r eine {\"o}kohydrologische Ansprache des Gebietswasserhaushaltes im Elbeeinzugsgebiet genutzt werden kann. SWIM-live erm{\"o}glicht eine unmittelbare Betrachtung und Beurteilung simulierter Daten. Dadurch werden Unsicherheiten bei der Modellierung direkt offengelegt und k{\"o}nnen infolge dessen reduziert werden. Zum einen f{\"u}hrte die Verdichtung der meteorologischen Eingangsdaten durch die Verwendung von nun ca. 700 anstatt 19 Klima- bzw. Niederschlagstationen zu einer Verbesserung der Ergebnisse. Zum anderen wurde SWIM-live beispielhaft f{\"u}r einen Zyklus aus punktueller Modellverbesserung und fl{\"a}chiger {\"U}berpr{\"u}fung der Simulationsergebnisse genutzt. Die einzelnen Teilarbeiten tragen jeweils zur Dynamisierung von Klimafolgenanalysen im Elbegebiet bei. Der Anlass hierf{\"u}r war durch die fehlerhaften methodischen Grundlagen von STARS gegeben. Die Sinnf{\"a}lligkeit der Dynamisierung ist jedoch nicht an diesen konkreten Anlass gebunden, sondern beruht auf der grundlegenden Einsicht, dass Ad-hoc-Szenarienanalysen immer auch pragmatische Vereinfachungen zugrunde liegen, die fortlaufend {\"u}berpr{\"u}ft werden m{\"u}ssen.},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Mtilatila2023,
  author    = {Mtilatila, Lucy Mphatso Ng'ombe},
  title     = {Climate change effects on drought, freshwater availability and hydro-power generation in an African environment},
  doi       = {10.25932/publishup-59929},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-599298},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {xv, 167},
  year      = {2023},
  abstract  = {The work is designed to investigate the impacts and sensitivity of climate change on water resources, droughts and hydropower production in Malawi, the South-Eastern region which is highly vulnerable to climate change. It is observed that rainfall is decreasing and temperature is increasing which calls for the understanding of what these changes may impact the water resources, drought occurrences and hydropower generation in the region. The study is conducted in the Greater Lake Malawi Basin (Lake Malawi and Shire River Basins) and is divided into three projects. The first study is assessing the variability and trends of both meteorological and hydrological droughts from 1970-2013 in Lake Malawi and Shire River basins using the standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation and evaporation Index (SPEI) for meteorological droughts and the lake level change index (LLCI) for hydrological droughts. And later the relationship of the meteorological and hydrological droughts is established. While the second study extends the drought analysis into the future by examining the potential future meteorological water balance and associated drought characteristics such as the drought intensity (DI), drought months (DM), and drought events (DE) in the Greater Lake Malawi Basin. The sensitivity of drought to changes of rainfall and temperature is also assessed using the scenario-neutral approach. The climate change projections from 20 Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX) models for Africa based on two scenarios (RCP4.5 and RCP8.5) for the periods 2021-2050 and 2071-2100 are used. The study also investigates the effect of bias-correction (i.e., empirical quantile mapping) on the ability of the climate model ensemble in reproducing observed drought characteristics as compared to raw climate projections. The sensitivity of key hydrologic variables and hydropower generation to climate change in Lake Malawi and Shire River basins is assessed in third study. The study adapts the mesoscale Hydrological Model (mHM) which is applied separately in the Upper Lake Malawi and Shire River basins. A particular Lake Malawi model, which focuses on reservoir routing and lake water balance, has been developed and is interlinked between the two basins. Similar to second study, the scenario-neutral approach is also applied to determine the sensitivity of climate change on water resources more particularly Lake Malawi level and Shire River flow which later helps to estimate the hydropower production susceptibility. Results suggest that meteorological droughts are increasing due to a decrease in precipitation which is exacerbated by an increase in temperature (potential evapotranspiration). The hydrological system of Lake Malawi seems to have a >24-month memory towards meteorological conditions since the 36-months SPEI can predict hydrological droughts ten-months in advance. The study has found the critical lake level that would trigger hydrological drought to be 474.1 m.a.s.l. Despite the differences in the internal structures and uncertainties that exist among the climate models, they all agree on an increase of meteorological droughts in the future in terms of higher DI and longer events (DM). DI is projected to increase between +25\% and +50\% during 2021-2050 and between +131\% and +388\% during 2071-2100. This translates into +3 to +5, and +7 to +8 more drought months per year during both periods, respectively. With longer lasting drought events, DE is decreasing. Projected droughts based on RCP8.5 are 1.7 times more severe than droughts based on RCP4.5. It is also found that an annual temperature increase of 1°C decreases mean lake level and outflow by 0.3 m and 17\%, respectively, signifying the importance of intensified evaporation for Lake Malawi's water budget. Meanwhile, a +5\% (-5\%) deviation in annual rainfall changes mean lake level by +0.7 m (-0.6 m). The combined effects of temperature increase and rainfall decrease result in significantly lower flows on Shire River. The hydrological river regime may change from perennial to seasonal with the combination of annual temperature increase and precipitation decrease beyond 1.5°C (3.5°C) and -20\% (-15\%). The study further projects a reduction in annual hydropower production between 1\% (RCP8.5) and 2.5\% (RCP4.5) during 2021-2050 and between 5\% (RCP4.5) and 24\% (RCP8.5) during 2071-2100. The findings are later linked to global policies more particularly the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC)'s Paris Agreement and the United Nations (UN)'s Sustainable Development Goals (SDGs), and how the failure to adhere the restriction of temperature increase below the global limit of 1.5°C will affect drought and the water resources in Malawi consequently impact the hydropower production. As a result, the achievement of most of the SDGs will be compromised. The results show that it is of great importance that a further development of hydro energy on the Shire River should take into account the effects of climate change. The information generation is important for decision making more especially supporting the climate action required to fight against climate change. The frequency of extreme climate events due to climate change has reached the climate emergency as saving lives and livelihoods require urgent action.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Krause2005,
  author    = {Krause, Stefan},
  title     = {Untersuchung und Modellierung von Wasserhaushalt und Stofftransportprozessen in grundwassergepr{\"a}gten Landschaften am Beispiel der Unteren Havel},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-3487},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2005},
  abstract  = {Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wasserhaushaltsprozesse und Stofftransportvorg{\"a}nge innerhalb der grundwassergepr{\"a}gten Talauenlandschaften von Tieflandeinzugsgebieten am Beispiel der im Nordostdeutschen Tiefland gelegenen Havel. Die Arbeiten in verschieden skaligen Teileinzugsgebieten der Havel besch{\"a}ftigen sich dabei zum einen mit der experimentellen Untersuchung und vorrangig qualitativen Beschreibung der Wasserhaushaltsdynamik, zum anderen mit der Entwicklung eines zur quantitativen Analyse von Wasserhaushalts- und Stofftransportprozessen geeigneten Modells und der anschließenden Modellsimulation von Wasserhaushalt und Stickstoffmetabolik im Grundwasser sowie der Simulation von Landnutzungs- und Gew{\"a}sserstrukturszenarien. F{\"u}r die experimentelle Untersuchung der Abflussbildung und der Wasserhaushaltsprozesse in den Talauenlandschaften des Haveleinzugsgebiets wurde Einzugsgebiet der \&\#8221;Unteren Havel Niederung\&\#8220; ein umfangreiches Messnetz installiert. Dabei wurden an mehreren Messstationen und Pegeln meteorologische Parameter, Bodenfeuchte sowie Grundwasserst{\"a}nde und Abfl{\"u}sse beobachtet. Die Analyse der Messergebnisse f{\"u}hrte zu einem verbesserten Verst{\"a}ndnis von Wasserhaushaltsprozessen in der durch das oberfl{\"a}chennahe Grundwasser und die Oberfl{\"a}chengew{\"a}sserdynamik beeinflussten Talauenzone. Dar{\"u}ber hinaus konnten durch die Implementierung der Messergebnisse konsistente Anfangs- und Randbedingungen f{\"u}r die Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung im Modellkonzept IWAN realisiert werden. Mit dem Modell IWAN (Integrated Modelling of Water Balance and Nutrient Dynamics) wurde ein Werkzeug geschaffen, welches die Ber{\"u}cksichtigung spezifischer hydrologischer Eigenschaften von Tieflandauen, wie z. B. den Einfluss des oberfl{\"a}chennahen Grundwassers bzw. der Dynamik von Oberfl{\"a}chenwasserst{\"a}nden auf den Wasserhaushalt, erm{\"o}glicht. Es basiert auf der Kopplung des deterministischen distribuierten hydrologischen Modells WASIM-ETH mit dem dreidimensionalen Finite-Differenzen-basierten Grundwassermodel MODFLOW. Die Modellierung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser erfolgt durch das mit Grundwassermodell gekoppelte Stofftransportmodel MT3D. Zur modellbasierten Simulation des Wasserhaushalts der Tieflandauenlandschaften wurde das Modellkonzept IWAN f{\"u}r verschieden skalige Teileinzugsgebiete an der Havel f{\"u}r Simulationszeitr{\"a}ume von 2 Wochen bis zu 13 Jahren angewandt. Dabei wurden die Teilmodelle f{\"u}r Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung in zwei unterschiedlichen Teileinzugsgebieten der \&\#8221;Unteren Havel Niederung\&\#8220; kalibriert. Die anschließende Validierung erfolgte f{\"u}r das gesamte Einzugsgebiet der \&\#8221;Unteren Havel\&\#8220;. Die Unsicherheiten des Modellansatzes sowie die Anwendbarkeit des Modells im Untersuchungsraum wurden gepr{\"u}ft und die Limitierung der {\"U}bertragbarkeit auf andere grundwasserbeeinflusste Tieflandeinzugsgebiete analysiert. Die Ergebnisse der Wasserhaushaltssimulationen f{\"u}hren einerseits zum erweiterten Prozessverst{\"a}ndnis des Wasserhaushalts in Flachlandeinzugsgebieten, andererseits erm{\"o}glichten sie durch die Quantifizierung einzelner Prozessgr{\"o}ßen die Beurteilung der Steuerungsfunktion einzelner Wasserhaushaltsprozesse. Auf der Basis lokaler Simulationsergebnisse sowie geomorphologischer und gew{\"a}ssermorphologischer Analysen wurde ein Algorithmus entwickelt, welcher die Abgrenzung des direkten Eigeneinzugsgebiets der Havel als Raum der direkten Interaktion zwischen Oberfl{\"a}chengew{\"a}sser und umgebendem Einzugsgebiet beschreibt. Durch Simulation des Wasserhaushalts im Eigeneinzugsgebiet mit dem Modell IWAN konnten die Interaktionsprozesse zwischen Fluss und Talauenlandschaft quantitativ beschrieben werden. Dies erm{\"o}glichte eine Bewertung der Abflussanteile aus dem Eigeneinzugsgebiet sowie eine Quantifizierung der zeitlich variablen Retentionskapazit{\"a}t der Auenlandschaft w{\"a}hrend Hochwasserereignissen. Zur Absch{\"a}tzung des Einflusses ver{\"a}nderter Landnutzung und angepassten Managements auf den Wasserhaushalt der Talaue wurden Szenarien entwickelt, welche {\"A}nderungen der Landnutzung sowie der Gew{\"a}ssergeometrie implizieren. Die Simulation des Wasserhaushalts unter jeweiligen Szenariobedingungen erm{\"o}glichte die detaillierte Analyse sich {\"a}ndernder Randbedingungen auf den Gebietswasserhaushalt und auf die Austauschprozesse zwischen Grundwasser und Oberfl{\"a}chengew{\"a}sser. Zur Untersuchung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser der Talauenlandschaft wurde das im Modellkonzept IWAN integrierte Stofftransportmodell MT3D f{\"u}r das Eigeneinzugsgebiet der Havel angewandt. Dies erm{\"o}glichte eine Bilanzierung der aus dem Grundwasser des Eigeneinzugsgebiets stammenden Nitratfrachtanteile der Havel sowie von Nitratkonzentrationen im Grundwasser. Szenariensimulationen, welche verminderte Nitrateintr{\"a}ge aus der durchwurzelten Bodenzone annehmen, erm{\"o}glichten die Quantifizierung der Effizienz von Managementmaßnahmen und Landnutzungs{\"a}nderungen in Hinblick auf die Minimierung von Eintr{\"a}gen in Grundwasser und Oberfl{\"a}chengew{\"a}sser.},
  subject      = {Grundwasser},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Herbrich2017,
  author    = {Herbrich, Marcus},
  title     = {Einfluss der erosionsbedingten Pedogenese auf den Wasserund Stoffhaushalt ackerbaulich genutzter B{\"o}den der Grundmor{\"a}nenbodenlandschaft NO-Deutschlands - hydropedologische Untersuchungen mittels w{\"a}gbarer Pr{\"a}zisionslysimeter},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-408561},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {186},
  year      = {2017},
  abstract  = {In the arable soil landscape of hummocky ground moraines, an erosion-affected spatial differentiation of soils can be observed. Man-made erosion leads to soil profile modifications along slopes with changed solum thickness and modified properties of soil horizons due to water erosion in combination with tillage operations. Soil erosion creates, thereby, spatial patterns of soil properties (e.g., texture and organic matter content) and differences in crop development. However, little is known about the manner in which water fluxes are affected by soil-crop interactions depending on contrasting properties of differently-developed soil horizons and how water fluxes influence the carbon transport in an eroded landscape. To identify such feedbacks between erosion-induced soil profile modifications and the 1D-water and solute balance, high-precision weighing lysimeters equipped with a wide range of sensor technique were filled with undisturbed soil monoliths that differed in the degree of past soil erosion. Furthermore, lysimeter effluent concentrations were analyzed for dissolved carbon fractions in bi-weekly intervals. The water balance components measured by high precision lysimeters varied from the most eroded to the less eroded monolith up to 83 \% (deep drainage) primarily caused due to varying amounts of precipitation and evapotranspiration for a 3-years period. Here, interactions between crop development and contrasting rainfall interception by above ground biomass could explain differences in water balance components. Concentrations of dissolved carbon in soil water samples were relatively constant in time, suggesting carbon leaching was mainly affected by water fluxes in this observation period. For the lysimeter-based water balance analysis, a filtering scheme was developed considering temporal autocorrelation. The minute-based autocorrelation analysis of mass changes from lysimeter time series revealed characteristic autocorrelation lengths ranging from 23 to 76 minutes. Thereby, temporal autocorrelation provided an optimal approximation of precipitation quantities. However, the high temporal resolution in lysimeter time series is restricted by the lengths of autocorrelation. Erosion-induced but also gradual changes in soil properties were reflected by dynamics of soil water retention properties in the lysimeter soils. Short-term and long-term hysteretic water retention data suggested seasonal wettability problems of soils increasingly limited rewetting of previously dried pore regions. Differences in water retention were assigned to soil tillage operations and the erosion history at different slope positions. The threedimensional spatial pattern of soil types that result from erosional soil profile modifications were also reflected in differences of crop root development at different landscape positions. Contrasting root densities revealed positive relations of root and aboveground plant characteristics. Differences in the spatially-distributed root growth between different eroded soil types provided indications that root development was affected by the erosion-induced soil evolution processes. Overall, the current thesis corroborated the hypothesis that erosion-induced soil profile modifications affect the soil water balance, carbon leaching and soil hydraulic properties, but also the crop root system is influenced by erosion-induced spatial patterns of soil properties in the arable hummocky post glacial soil landscape. The results will help to improve model predictions of water and solute movement in arable soils and to understand interactions between soil erosion and carbon pathways regarding sink-or-source terms in landscapes.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Barsch2003,
  author    = {Barsch, Andreas},
  title     = {Zum Einfluss von Witterung und Klima auf den Landschaftszustand und die Landschaftsentwicklung im Uvs-Nuur-Becken (NW-Mongolei)},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-0001184},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2003},
  abstract  = {Im Landschaftszustand und in der Landschaftsentwicklung kommen funktionale Beziehungen zwischen dem naturbedingten Energie-, Wasser- und Stoffhaushalt einerseits und den Auswirkungen der Landnutzung andererseits zum Ausdruck. Gegenw{\"a}rtig ver{\"a}ndert der globale Anstieg der bodennahen Temperaturen vielerorts den landschaftlichen Energie-, Wasser- und Stoffhaushalt, wobei besonders in Trockengebieten zu erwarten ist, dass dieser Trend in Verbindung mit einer unangepassten Landnutzung das Regenerationsverm{\"o}gen der Vegetation einschr{\"a}nkt und zur Zerst{\"o}rung der Bodendecke f{\"u}hrt. F{\"u}r die Mongolei und f{\"u}r benachbarte Gebiete Asiens sind in Szenarien zur globalen Erw{\"a}rmung hohe Werte des Temperaturanstiegs prognostiziert worden. Eine globale Einsch{\"a}tzung der anthropogen induzierten Bodendegradation hat diese Region als stark oder extrem stark betroffen eingestuft. Vor diesem Hintergrund wurde im Uvs-Nuur-Becken, das im Nordwesten der Mongolei und damit in einer der trockensten Regionen des Landes gelegen ist, untersucht, wie sich der globale Temperaturanstieg auf der lokalen und regionalen Ebene widerspiegelt und wie der Landschaftshaushalt dabei ver{\"a}ndert wird. Die Auswirkungen des sommerlichen Witterungsverlaufes auf den Landschaftszustand sind 1997 bis 1999 an einem Transsekt erfasst worden, das sich zwischen dem Kharkhiraa-Gebirge am Westrand des Beckens und dem See Uvs Nuur im Beckeninneren von den Polsterfluren und Matten der alpinen Stufe {\"u}ber die Gebirgswaldsteppe, die Trockensteppe bis zur Halbw{\"u}ste erstreckt. An neun Messpunkten wurden witterungsklimatische Daten in Verbindung mit Merkmalen der Vegetation, des Bodens und der Bodenfeuchte aufgenommen. Die im Sommer 1998 gewonnenen Messwerte wurden mit Hilfe einer Clusteranalyse geb{\"u}ndelt und verdichtet. Auf dieser Grundlage konnten landschaftliche Zustandsformen inhaltlich gekennzeichnet, zeitlich eingeordnet und durch Zeit-Verhaltens-Modelle (Stacks) abgebildet werden. Aus den Zeit-Verhaltens-Modellen wird ersichtlich, dass man Zustandsformen, in denen die Hitze und die Trockenheit des Sommers 1998 besonders stark zum Ausdruck kommen, an allen Messpunkten beobachten kann, nimmt man die Station auf dem fast 3.000 m hohen Gipfel des Khukh Uul sowie die grundwasserbeeinflusste Station in unmittelbarer Seen{\"a}he aus. In ihrer extremen Form sind Trockenperioden jedoch nur im Beckeninneren und am Fuß der Randgebirge, also in der Halbw{\"u}ste, in der Trockensteppe und in der Wiesensteppe aufgetreten. Im Bergwald sowie im Bereich der alpinen Matten und Polsterfluren fehlen sie. Am st{\"a}rksten sind die grundwasserfreien Bereiche der Halbw{\"u}ste von der Hitze und Niederschlagsarmut des Sommers 1998 betroffen. An vier F{\"u}nfteln der Tage des Beobachtungszeitraumes herrscht an diesem Messpunkt extreme Trockenheit. Es f{\"a}llt entweder gar kein Niederschlag oder nur so wenig, dass der seit dem Fr{\"u}hjahr ersch{\"o}pfte Bodenwasservorrat nicht aufgef{\"u}llt wird. Das Verh{\"a}ltnis zwischen Niederschlag und potenzieller Verdunstung liegt hier bei 1:12. In der Halbw{\"u}ste zeichnet sich eine fortschreitende Desertifikation ab, zumal hier eine nichtangepasste Weidenutzung dominiert, in der Ziegen eine immer gr{\"o}ßere Rolle spielen. Dies gilt insbesondere f{\"u}r Bereiche in Siedlungsn{\"a}he. {\"O}rtlich ist auch der Bestand der Trockensteppe gef{\"a}hrdet, die sich an die Halbw{\"u}ste zum Beckenrand hin anschließt. Hier ist nicht nur die Viehdichte am h{\"o}chsten, sondern hier werden auch die meisten unbefestigten Fahrwege wild angelegt und die Bodendecke damit zerst{\"o}rt. Dies kann im Endeffekt zu einem {\"U}bergreifen von Prozessen der Desertifikation f{\"u}hren. Aus methodischer Sicht zeigt sich, dass die Kennzeichnung landschaftlicher Zustandsformen durch Zeit-Verhaltens-Modelle die Ermittlung der Auswirkungen von Witterung und Klima auf den Landschaftszustand erleichtert, da sie deren Aussage konzentriert. Zur Interpretation der Ergebnisse ist jedoch ein R{\"u}ckgriff auf die beschreibende Darstellung der Messwerte notwendig. Die im westlichen Uvs-Nuur-Becken und seinen Randgebirgen angewandte Verfahrensweise erm{\"o}glicht es, globale Aussagen zur globalen Erw{\"a}rmung der Kontinente regional oder lokal zu {\"u}berpr{\"u}fen und zu untersetzen."},
  language  = {de}
}