TY - JOUR A1 - Andersson, Matilda L. A1 - Scharnweber, Inga Kristin A1 - Eklöv, Peter T1 - The interaction between metabolic rate, habitat choice, and resource use in a polymorphic freshwater species JF - Ecology and evolution N2 - Resource polymorphism is common across taxa and can result in alternate ecotypes with specific morphologies, feeding modes, and behaviors that increase performance in a specific habitat. This can result in high intraspecific variation in the expression of specific traits and the extent to which these traits are correlated within a single population. Although metabolic rate influences resource acquisition and the overall pace of life of individuals it is not clear how metabolic rate interacts with the larger suite of traits to ultimately determine individual fitness. We examined the relationship between metabolic rates and the major differences (habitat use, morphology, and resource use) between littoral and pelagic ecotypes of European perch (Perca fluviatilis) from a single lake in Central Sweden. Standard metabolic rate (SMR) was significantly higher in pelagic perch but did not correlate with resource use or morphology. Maximum metabolic rate (MMR) was not correlated with any of our explanatory variables or with SMR. Aerobic scope (AS) showed the same pattern as SMR, differing across habitats, but contrary to expectations, was lower in pelagic perch. This study helps to establish a framework for future experiments further exploring the drivers of intraspecific differences in metabolism. In addition, since metabolic rates scale with temperature and determine predator energy requirements, our observed differences in SMR across habitats will help determine ecotype-specific vulnerabilities to climate change and differences in top-down predation pressure across habitats. KW - intraspecific variation KW - metabolic rate KW - morphometrics KW - Perca KW - fluviatilis KW - plasticity KW - resource use KW - respirometry KW - stable isotopes Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1002/ece3.9129 SN - 2045-7758 VL - 12 IS - 8 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Voss, Katalyn A. A1 - Bookhagen, Bodo A1 - Sachse, Dirk A1 - Chadwick, Oliver A. T1 - Variation of deuterium excess in surface waters across a 5000-m elevation gradient in eastern Nepal JF - Journal of hydrology N2 - The strong elevation gradient of the Himalaya allows for investigation of altitude and orographic impacts on surface water delta O-18 and delta D stable isotope values. This study differentiates the time- and altitude-variable contributions of source waters to the Arun River in eastern Nepal. It provides isotope data along a 5000-m gradient collected from tributaries as well as groundwater, snow, and glacial-sourced surface waters and time-series data from April to October 2016. We find nonlinear trends in delta O-18 and delta D lapse rates with high-elevation lapse rates (4000-6000 masl) 5-7 times more negative than low-elevation lapse rates (1000-3000 masl). A distinct seasonal signal in delta O-18 and delta D lapse rates indicates time-variable source-water contributions from glacial and snow meltwater as well as precipitation transitions between the Indian Summer Monsoon and Winter Westerly Disturbances. Deuterium excess correlates with the extent of snowpack and tracks melt events during the Indian Summer Monsoon season. Our analysis identifies the influence of snow and glacial melt waters on river composition during low-flow conditions before the monsoon (April/May 2016) followed by a 5-week transition to the Indian Summer Monsoon-sourced rainfall around mid-June 2016. In the post-monsoon season, we find continued influence from glacial melt waters as well as ISM-sourced groundwater. KW - stable isotopes KW - Himalaya KW - glacier KW - snow KW - precipitation KW - seasonality Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.124802 SN - 0022-1694 SN - 1879-2707 VL - 586 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - THES A1 - Duy, Nguyen Le T1 - Hydrological processes in the Vietnamese Mekong Delta BT - Insights from stable water isotopes and monitoring data analysis BT - Erkenntnisse aus stabilen Wasserisotopen und Überwachungsdatenanalyse N2 - Understanding hydrological processes is of fundamental importance for the Vietnamese national food security and the livelihood of the population in the Vietnamese Mekong Delta (VMD). As a consequence of sparse data in this region, however, hydrologic processes, such as the controlling processes of precipitation, the interaction between surface and groundwater, and groundwater dynamics, have not been thoroughly studied. The lack of this knowledge may negatively impact the long-term strategic planning for sustainable groundwater resources management and may result in insufficient groundwater recharge and freshwater scarcity. It is essential to develop useful methods for a better understanding of hydrological processes in such data-sparse regions. The goal of this dissertation is to advance methodologies that can improve the understanding of fundamental hydrological processes in the VMD, based on the analyses of stable water isotopes and monitoring data. The thesis mainly focuses on the controlling processes of precipitation, the mechanism of surface–groundwater interaction, and the groundwater dynamics. These processes have not been fully addressed in the VMD so far. The thesis is based on statistical analyses of the isotopic data of Global Network of Isotopes in Precipitation (GNIP), of meteorological and hydrological data from Vietnamese agencies, and of the stable water isotopes and monitoring data collected as part of this work. First, the controlling processes of precipitation were quantified by the combination of trajectory analysis, multi-factor linear regression, and relative importance analysis (hereafter, a model‐based statistical approach). The validity of this approach is confirmed by similar, but mainly qualitative results obtained in other studies. The total variation in precipitation isotopes (δ18O and δ2H) can be better explained by multiple linear regression (up to 80%) than single-factor linear regression (30%). The relative importance analysis indicates that atmospheric moisture regimes control precipitation isotopes rather than local climatic conditions. The most crucial factor is the upstream rainfall along the trajectories of air mass movement. However, the influences of regional and local climatic factors vary in importance over the seasons. The developed model‐based statistical approach is a robust tool for the interpretation of precipitation isotopes and could also be applied to understand the controlling processes of precipitation in other regions. Second, the concept of the two-component lumped-parameter model (LPM) in conjunction with stable water isotopes was applied to examine the surface–groundwater interaction in the VMD. A calibration framework was also set up to evaluate the behaviour, parameter identifiability, and uncertainties of two-component LPMs. The modelling results provided insights on the subsurface flow conditions, the recharge contributions, and the spatial variation of groundwater transit time. The subsurface flow conditions at the study site can be best represented by the linear-piston flow distribution. The contributions of the recharge sources change with distance to the river. The mean transit time (mTT) of riverbank infiltration increases with the length of the horizontal flow path and the decreasing gradient between river and groundwater. River water infiltrates horizontally mainly via the highly permeable aquifer, resulting in short mTTs (<40 weeks) for locations close to the river (<200 m). The vertical infiltration from precipitation takes place primarily via a low‐permeable overlying aquitard, resulting in considerably longer mTTs (>80 weeks). Notably, the transit time of precipitation infiltration is independent of the distance to the river. All these results are hydrologically plausible and could be quantified by the presented method for the first time. This study indicates that the highly complex mechanism of surface–groundwater interaction at riverbank infiltration systems can be conceptualized by exploiting two‐component LPMs. It is illustrated that the model concept can be used as a tool to investigate the hydrological functioning of mixing processes and the flow path of multiple water components in riverbank infiltration systems. Lastly, a suite of time series analysis approaches was applied to examine the groundwater dynamics in the VMD. The assessment was focused on the time-variant trends of groundwater levels (GWLs), the groundwater memory effect (representing the time that an aquifer holds water), and the hydraulic response between surface water and multi-layer alluvial aquifers. The analysis indicates that the aquifers act as low-pass filters to reduce the high‐frequency signals in the GWL variations, and limit the recharge to the deep groundwater. The groundwater abstraction has exceeded groundwater recharge between 1997 and 2017, leading to the decline of groundwater levels (0.01-0.55 m/year) in all considered aquifers in the VMD. The memory effect varies according to the geographical location, being shorter in shallow aquifers and flood-prone areas and longer in deep aquifers and coastal regions. Groundwater depth, season, and location primarily control the variation of the response time between the river and alluvial aquifers. These findings are important contributions to the hydrogeological literature of a little-known groundwater system in an alluvial setting. It is suggested that time series analysis can be used as an efficient tool to understand groundwater systems where resources are insufficient to develop a physical-based groundwater model. This doctoral thesis demonstrates that important aspects of hydrological processes can be understood by statistical analysis of stable water isotope and monitoring data. The approaches developed in this thesis can be easily transferred to regions in similar tropical environments, particularly those in alluvial settings. The results of the thesis can be used as a baseline for future isotope-based studies and contribute to the hydrogeological literature of little-known groundwater systems in the VMD. N2 - Ein fundiertes Verständnis der hydrologischen Prozesse im vietnamesischen Mekong Delta (VMD) ist von grundlegender Bedeutung für den Lebensunterhalt der Bevölkerung im Mekong Delta, und darüber hinaus auch für die nationale Ernährungssicherheit. Aufgrund des Fehlens einer belastbaren Datenbasis konnten bislang eine Reihe von wichtigen hydrologischen Prozessen nur unzureichend untersucht und quantifiziert werden. Dazu zählen unter anderem die Analyse des Ursprungs des Niederschlages im Delta, die Interaktion zwischen Oberflächen- und Grundwasser, sowie die Grundwasserdynamik. Diese Lücken im Wissensstand verhindern eine solide datenbasierte Wasserwirtschaftsplanung, was unter Berücksichtigung der derzeitigen Trends mittelfristig zu weiter fallenden Grundwasserständen und Wasserknappheit führen wird. Daher ist es von großer Bedeutung, Methoden und Werkzeuge zu entwickeln, die auch unter der bestehenden Datenknappheit belastbare quantitative Ergebnisse für eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung liefern können. Das Ziel dieser Dissertation ist es, solche Methoden zu entwickeln und zu testen, um grundlegende hydrologische Prozesse im VMD besser verstehen und quantifizieren zu können. Hierzu werden die existierenden Messdaten sowie im Rahmen dieser Arbeit gesammelte Daten zum Gehalt an stabilen Wasserisotopen verwendet. Mit Hilfe dieser Daten wurden folgende Prozesse untersucht: 1. Der Ursprung und die Fraktionierung des Niederschlages im VMD. 2. Die Interaktion zwischen Oberflächen- und Grundwasser mit einem besonderen Fokus auf die ufernahen Gebiete. 3. Die großflächige Dynamik in den verschiedenen Grundwasserleitern der letzten Jahrzehnte. Die Prozesse, die den Ursprung und die Verteilung des Niederschlagsbestimmen, wurden mittels einer Kombination aus Isotopendaten, Trajektorienanalyse, multifaktorieller Regression, und relativer Wichtigkeitsanalyse untersucht. Diese Kombination ist nachfolgend „modelbasierter statistischer Ansatz“ betitelt. Hierbei wurde festgestellt, dass die Varianz im Isotopengehalt des Niederschlags (δ18O and δ2H) mit der multifaktoriellen Regression zu 80% erklärt werden konnte, was im Vergleich zu einer einfachen Regression mit 30% erklärter Varianz eine deutliche Verbesserung darstellt. Die Wichtigkeitsanalyse ergab zudem, dass großskalige atmosphärische Feuchtigkeitsverteilungen einen weitaus größeren Einfluss auf die Isotopenverteilung im Niederschlag haben, als lokale klimatische Bedingungen im VMD. Der hierbei wichtigste Faktor ist die Regenmenge entlang der Trajektorien der Luftmassenbewegungen. Die Wichtigkeit der Faktoren variiert jedoch saisonal zwischen Regen- und Trockenzeit. Der in dieser Dissertation entwickelte modelbasierte statistische Ansatz ist ein robustes Werkzeug zur Analyse und Interpretation der Isotopenverteilung im Niederschlag, der auch auf ähnliche Fragestellungen in andere Regionen übertragbar ist. Im zweiten Teil der Dissertation wurden Zweikomponentenmodelle (LPM) in Verbindung mit Isotopenmessungen im Niederschlag, Oberflächen- und Grundwasser verwendet, um die Interaktion zwischen Oberflächen- und Grundwasser qualitativ und quantitativ zu beschreiben. Verschiedene Modellansätze wurden hierbei in einem automatischen Kalibrieransatz getestet, und deren Unsicherheit bestimmt. Hierbei hat sich das lineare Kolbenfließmodell (linear piston flow model) als das am besten geeignetste herausgestellt. Die Modellierungsergebnisse ermöglichten daraufhin eine modellbasierte Abschätzung der Grundwasserschwankungen und -flüsse, der Grundwasserneubildung und der räumlichen Variabilität der Grundwasserlaufzeiten. Hierbei zeigte sich, dass Grundwasserneubildung und deren Quellen räumlich variabel ist, und sich mit zunehmender Entfernung vom Fluss die Neubildung von primär Uferinfiltration hin zu Neubildung durch Niederschläge ändert. Analog dazu erhöhen sich die Grundwasserlaufzeiten mit der Länge der horizontalen Fließwege (= Entfernung vom Vorfluter) und mit sinkendem Gradienten zwischen Grundwasserstand und Wasserstand im Fluss. Flusswasser infiltriert über das Flussufer in den wasserleitenden Aquifer, mit mittleren Transferzeiten (mTT) von < 40 Wochen für Bereiche mit weniger als 200 m Entfernung zum Fluss. In größeren Entfernungen findet die Neubildung im Wesentlichen durch Versickerung von Regenwaser statt. Da der betrachtete holozäne Grundwasserleiter mit einer schwerdurchlässigen Deckschicht überlagert ist, liegen die mTT in diesen Bereichen mit > 80 Wochen wesentlich höher. Es konnte mit dieser Studie gezeigt werden, dass die komplexe Interaktion zwischen Grund- und Oberflächenwasser mittels eines konzeptionellen Modells in Verbindung mit aus Wasserproben bestimmten Isotopendaten konzeptionalisiert und quantifiziert werden kann. Der Ansatz empfiehlt sich daher als Werkzeug für die Untersuchung der Mischungsprozesse der Ufer- und Regenwasserinfiltration, sowie der Fließwege des Grundwassers in ähnlichen Gebieten. Im letzten Teil der Dissertation wurden Trends in den Grundwasserständen im gesamtem VMD untersucht. Hierzu wurde eine Reihe von Methoden zur Zeitreihenanalyse angewandt. Der Fokus der Untersuchungen lag auf zeitvariablen Trends in den Grundwasserständen, der Wasserspeicherdauer (memory effect), und der hydraulischen Reaktionszeit zwischen dem Oberflächenwasser und den verschiedenen Aquiferen im VMD. Die Analyse ergab, dass die verschiedenen Schichten von Aquiferen und Aquitarden wie ein Tiefpassfilter auf die hydraulischen Signale des Oberflächenwassers wirken, was wiederum die Grundwasserneubildung in den tieferen Aquiferen stark reduziert. Die Zeitreihenanalyse ergab, dass die Entnahmemengen an Grundwasser insbesondere in den tieferen, stark genutzten Aquiferen die Neubildung im gesamten Analysezeitraum 1997 – 2017 überschritten hat. Dies führte zu Absenkung des Grundwasserspiegels von 0.01 – 0.55 m pro Jahr in den verschiedenen Aquiferen des VMD. Die Speicherdauer variiert zwischen den verschiedenen Regionen und Aquiferen des VMD. In den flacheren Aquiferen und in der Region mit tiefen Überflutungen während der Hochwassersaison sind die Speicherdauern kürzer, während sie in den tieferen Aquiferen und in den küstennahen Regionen wesentlich länger sind. Die Reaktionszeit variiert ebenfalls im Raum, wobei die wichtigsten Einflussfaktoren der Abstand des Grundwasserspiegels zur Oberfläche, die Saison und die Lage, hier besonders die Entfernung zum Fluss oder der Küste, sind. Diese qualitativen wie quantitativen Ergebnisse fügen wichtige und wesentlich Erkenntnisse zum Wissensstand über das Grundwasser im VMD hinzu. Die verwendeten Methoden empfehlen sich darüber hinaus für die Analyse von Grundwasserdynamiken in alluvialen Aquifersystemen im Generellen, wenn Daten und Ressourcen für ein physisches numerisches Grundwassermodell fehlen. Die vorliegende Dissertation zeigt, dass wichtige hydrologische Prozesse auch über statistische Analysen von Mess- und Isotopendaten quantitativ analysiert werden können. Die Ergebnisse stellen eine Basisanalyse der Grundwasserdynamik und der sie beeinflussenden Prozesse im VMD dar, und sollten in weiteren Studien ausgebaut werden. Die Analyse der Isotopendaten liefert darüber hinaus die Basislinie für hydrologische Analysen mit stabilen Isotopen im VMD und aufgrund der ähnlichen klimatischen und geografischen Lage auch für weite Teile Südostasiens. Die entwickelten Methodenkombinationen können aufgrund ihrer generellen Natur auch problemlos auf andere tropische Regionen, insbesondere solche mit alluvialen Aquiferen, übertragen werden. T2 - Hydrologische Prozesse im Mekong Delta KW - Vietnamese Mekong Delta KW - stable isotopes KW - data analysis KW - hydrological processes KW - Mekong Delta KW - Datenanalyse KW - hydrologische Prozesse KW - stabile Isotope Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-602607 ER - TY - THES A1 - Spallanzani, Roberta T1 - Li and B in ascending magmas: an experimental study on their mobility and isotopic fractionation T1 - Li und B in aufsteigenden Magmen: eine experimentelle Studie über ihre Mobilität und Isotopenfraktionierung N2 - This research study focuses on the behaviour of Li and B during magmatic ascent, and decompression-driven degassing related to volcanic systems. The main objective of this dissertation is to determine whether it is possible to use the diffusion properties of the two trace elements as a tool to trace magmatic ascent rate. With this objective, diffusion-couple and decompression experiments have been performed in order to study Li and B mobility in intra-melt conditions first, and then in an evolving system during decompression-driven degassing. Synthetic glasses were prepared with rhyolitic composition and an initial water content of 4.2 wt%, and all the experiments were performed using an internally heated pressure vessel, in order to ensure a precise control on the experimental parameters such as temperature and pressure. Diffusion-couple experiments were performed with a fix pressure 300 MPa. The temperature was varied in the range of 700-1250 °C with durations between 0 seconds and 24 hours. The diffusion-couple results show that Li diffusivity is very fast and starts already at very low temperature. Significant isotopic fractionation occurs due to the faster mobility of 6Li compared to 7Li. Boron diffusion is also accelerated by the presence of water, but the results of the isotopic ratios are unclear, and further investigation would be necessary to well constrain the isotopic fractionation process of boron in hydrous silicate melts. The isotopic ratios results show that boron isotopic fractionation might be affected by the speciation of boron in the silicate melt structure, as 10B and 11B tend to have tetrahedral and trigonal coordination, respectively. Several decompression experiments were performed at 900 °C and 1000 °C, with pressures going from 300 MPa to 71-77 MPa and durations of 30 minutes, two, five and ten hours, in order to trigger water exsolution and the formation of vesicles in the sample. Textural observations and the calculation of the bubble number density confirmed that the bubble size and distribution after decompression is directly proportional to the decompression rate. The overall SIMS results of Li and B show that the two trace elements tend to progressively decrease their concentration with decreasing decompression rates. This is explained because for longer decompression times, the diffusion of Li and B into the bubbles has more time to progress and the melt continuously loses volatiles as the bubbles expand their volumes. For fast decompression, Li and B results show a concentration increase with a δ7Li and δ11B decrease close to the bubble interface, related to the sudden formation of the gas bubble, and the occurrence of a diffusion process in the opposite direction, from the bubble meniscus to the unaltered melt. When the bubble growth becomes dominant and Li and B start to exsolve into the gas phase, the silicate melt close to the bubble gets depleted in Li and B, because of a stronger diffusion of the trace elements into the bubble. Our data are being applied to different models, aiming to combine the dynamics of bubble nucleation and growth with the evolution of trace elements concentration and isotopic ratios. Here, first considerations on these models will be presented, giving concluding remarks on this research study. All in all, the final remarks constitute a good starting point for further investigations. These results are a promising base to continue to study this process, and Li and B can indeed show clear dependences on decompression-related magma ascent rates in volcanic systems. N2 - Diese Forschungsstudie konzentriert sich auf das Verhalten von Li und B während des magmatischen Aufstiegs und der Druckentlastungsbedingten Entgasung im Zusammenhang mit vulkanischen Systemen. Das Hauptziel dieser Dissertation besteht darin, festzustellen, ob es möglich ist, die Diffusionseigenschaften der beiden Spurenelemente als Instrument zur Verfolgung der magmatischen Aufstiegsgeschwindigkeit zu nutzen. Unter Verwendung von synthetischen Gläsern mit rhyolitischer Zusammensetzung und einem Wassergehalt von 4,2 Gew.-% wurden Diffusionspaar- und Druckentlastungsexperimente durchgeführt, um die Mobilität von Li und B zunächst in der Schmelze und dann in einem sich entwickelnden System während der Druckentlastungsgetriebenen Entgasung zu untersuchen. Diffusionspaar wurden mit einem festen Druck von 300 MPa durchgeführt. Die Temperatur wurde im Bereich von 700-1250 °C variiert, wobei die Dauer zwischen 0 Sekunden und 24 Stunden lag. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Diffusionsfähigkeit von Li sehr schnell ist und bei sehr niedrigen Temperaturen auftritt. Eine Isotopenfraktionierung findet aufgrund der schnelleren Mobilität von 6Li im Vergleich zu 7Li statt. Die Diffusion von Bor wird durch die Anwesenheit von Wasser ebenfalls beschleunigt, bleibt aber langsamer als die von Li. Die Ergebnisse der Isotopenverhältnisse zeigen, dass die Bor-Isotopenfraktionierung durch die Speziation von Bor in der Silikatschmelze beeinflusst werden könnte, da 10B und 11B tendenziell eine tetraedrische bzw. trigonale Koordination aufweisen. Druckentlastungsversuche wurden bei 900 °C und 1000 °C mit Drücken von 300 MPa bis 71-77 MPa und einer Dauer von 30 Minuten, zwei, fünf und zehn Stunden durchgeführt, um die Wasserauflösung und die Bildung von Gasblasen in der Probe auszulösen. Texturbeobachtungen und die Berechnung der Blasenanzahldichte bestätigten, dass die Blasengröße und -verteilung nach der Druckentlastung direkt proportional zur Druckentlastungsrate ist. Generell zeigen die SIMS-Analysergebnisse von Li und B, dass die Konzentration der beiden Spurenelemente mit abnehmender Druckentlastungsgeschwindigkeit allmählich abnimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei längeren Druckentlastungszeiten mehr Zeit für die Diffusion von Li und B in die Blasen zur Verfügung steht und die Schmelze kontinuierlich flüchtige Bestandteile verliert, während die Blasen ihr Volumen ausdehnen. Bei schnellen Druckentlastungen zeigen die Li- und B-Ergebnisse einen Konzentrationsanstieg mit einer δ7Li- und δ11B-Abnahme in der Nähe der Blasengrenzfläche, was mit der plötzlichen Bildung der Glasbläser und dem Auftreten eines Diffusionsprozesses in der entgegengesetzten Richtung, vom Blasenmeniskus zur unveränderten Schmelze, zusammenhängt. Wenn das Blasenwachstum dominiert und Li und B in die Gasphase übergehen, verarmt die Silikat Schmelze in der Nähe der Blase an Li und B, da die Spurenelemente stärker in die Blase diffundieren. Unsere Daten werden auf verschiedene Modelle angewandt, die darauf abzielen, die Dynamik der Blasenkernbildung und des Blasenwachstums mit der Entwicklung der Spurenelementkonzentration und des Isotopenverhältnisses zu kombinieren. Hier werden erste Überlegungen zu diesen Modellen vorgestellt und abschließende Bemerkungen zu dieser Forschungsstudie gemacht. Diese Ergebnisse sind eine vielversprechende Grundlage für die weitere Untersuchung von Li und B, um dekompressionsbedingte Magma-Aufstiegsraten in vulkanischen Systemen zu ermitteln. KW - magma degassing KW - diffusion KW - stable isotopes KW - isotopic fractionation KW - Diffusion KW - Isotopenfraktionierung KW - Magma-Entgasung KW - stabile Isotope Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560619 ER - TY - JOUR A1 - Apaestegui, James A1 - Cruz, Francisco William A1 - Vuille, Mathias A1 - Fohlmeister, Jens Bernd A1 - Carlo Espinoza, Jhan A1 - Sifeddine, Abdelfettah A1 - Strikis, Nicolas A1 - Guyot, Jean Loup A1 - Ventura, Roberto A1 - Cheng, Hai A1 - Edwards, R. Lawrence T1 - Precipitation changes over the eastern Bolivian Andes inferred from speleothem (delta O-18) records for the last 1400 years JF - Earth & planetary science letters N2 - Here we present high-resolution delta O-18 records obtained from speleothems collected in the eastern Bolivian Andes. The stable isotope records are related to the regional- to large-scale atmospheric circulation over South America and allow interpreting changes in delta O-18 during the last 1400 yr as a function of changes in precipitation regimes over the southern tropical Andes. Two distinct phases with more negative delta O-18 values, interpreted as periods of increased convective activity over the eastern Andean Cordillera in Bolivia are observed concomitantly with periods of global climate anomalies during the last millennium, such as the Medieval Climate Anomaly (MCA) and the Little Ice Age (LIA) respectively. Changes in the Bolivian delta O-18 record during the LIA are apparently related to a southward displacement of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ), which acts as a main moisture driver to intensify convection over the tropical continent. During the MCA, however, the increased convective activity observed in the Bolivian record is likely the result of a different mechanism, which implies moisture sourced mainly from the southern tropical Atlantic. This interpretation is consistent with paleoclimate records further to the north in the tropical Andes that show progressively drier conditions during this time period, indicating a more northerly position of the ITCZ. The transition period between the MCA and the LIA shows a slight tendency toward increased delta O-18 values, indicating weakened convective activity. Our results also reveal a non-stationary anti-phased behavior between the delta O-18 reconstructions from Bolivia and northeastern Brazil that confirms a continental-scale east-west teleconnection across South America during the LIA. KW - speleothems KW - stable isotopes KW - MCA KW - LIA KW - Bolivia KW - South American Monsoon Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.04.048 SN - 0012-821X SN - 1385-013X VL - 494 SP - 124 EP - 134 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Schildgen, Taylor F. A1 - Hoke, Gregory D. T1 - The topographic evolution of the central andes JF - Elements : an international magazine of mineralogy, geochemistry, and petrology N2 - Changes in topography on Earth, particularly the growth of major mountain belts like the Central Andes, have a fundamental impact on regional and global atmospheric circulation patterns. These patterns, in turn, affect processes such as precipitation, erosion, and sedimentation. Over the last two decades, various geochemical, geomorphologic, and geologic approaches have helped identify when, where, and how quickly topography has risen in the past. The current spatio-temporal picture of Central Andean growth is now providing insight into which deep-Earth processes have left their imprint on the shape of the Earth's surface. KW - paleoaltimetry KW - stable isotopes KW - relief development KW - river incision KW - landscape evolution Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.2138/gselements.14.4.231 SN - 1811-5209 SN - 1811-5217 VL - 14 IS - 4 SP - 231 EP - 236 PB - Mineralogical Society of America CY - Chantilly ER - TY - THES A1 - Macdonald, Elena T1 - Stable isotopes in precipitation: Modelling intra-event variations using meteorological parameters T1 - Stabile Isotope im Niederschlag: Modellierung von Ereignis-internen Variationen mit meteorologischen Parametern N2 - Die kurzfristige Variabilität der Isotopenzusammensetzung von Niederschlägen in Golm, Deutschland wurde untersucht und modelliert. Dafür wurden Isotopendaten (D/H und 18O/16O) mit einer hohen zeitlichen Auflösung sowie meteorologische Daten von einer Wetterstation und einem Mikroregenradar genutzt. Nach der Datenaufbereitung und dem Zusammenführen aller drei Datensätze wurde eine multivariate lineare Regressionsanalyse durchgeführt. Dies geschah für vier verschiedene, auf den Isotopendaten beruhende Response-Variablen und für den gesamten Datensatz sowie für die zwei Teildatensätze Sommer und Winter. Die verwendeten Response-Variablen sind die Differenzen der δ18O-Werte zu den ereignisbasierten Mittel- und Medianwerten und die Differenzen der Deuterium-Exzess-Werte zu den ereignisbasierten Mittel- und Medianwerten. Für die erhaltenen Modelle wurden die modellierten Werte mit den gemessenen Werten verglichen, wobei sich herausstellte, dass die Messwerte nicht zufriedenstellend wiedergegeben werden konnten. Daher werden am Ende mehrere Vorschläge gemacht, wie das Vorgehen und damit auch das Ergebnis der Modellierung möglicherweise verbessert werden kann. N2 - The short-term variability of the isotopic composition of precipitation in Golm, Germany was assessed and modelled. Isotopic data (D/H and 18O/16O) on intra-event timescales as well as meteorological data from a weather station and a micro rain radar was used. After data preparation and the combination of all three data sets, a multivariate linear regression analysis was conducted. This was done for four different isotopic response variables and for the entire data set as well as for the two subsets Summer and Winter. The used response variables are the δ18O values as the difference to the corresponding event-based mean and as the difference to the median, and the deuterium excess values as the difference to both the mean and the median. The models were evaluated by comparing the modelled values with the observed ones. This showed that the observations could not be reproduced in a satisfactory way. Therefore, several suggestions on how to possibly improve the methods and thus the modelling results are given in the end. KW - stable isotopes KW - isotopic composition KW - micro rain radar KW - multivariate linear regression model KW - stabile Isotope KW - Isotopenzusammensetzung KW - Mikroregenradar KW - multivariates lineares Regressionsmodell Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-506612 ER - TY - JOUR A1 - Nguyen Le Duy, A1 - Nguyen Viet Du, A1 - Heidbüchel, Ingo A1 - Meyer, Hanno A1 - Weiler, Markus A1 - Merz, Bruno A1 - Apel, Heiko T1 - Identification of groundwater mean transit times of precipitation and riverbank infiltration by two-component lumped parameter models JF - Hydrological processes N2 - Groundwater transit time is an essential hydrologic metric for groundwater resources management. However, especially in tropical environments, studies on the transit time distribution (TTD) of groundwater infiltration and its corresponding mean transit time (mTT) have been extremely limited due to data sparsity. In this study, we primarily use stable isotopes to examine the TTDs and their mTTs of both vertical and horizontal infiltration at a riverbank infiltration area in the Vietnamese Mekong Delta (VMD), representative of the tropical climate in Asian monsoon regions. Precipitation, river water, groundwater, and local ponding surface water were sampled for 3 to 9 years and analysed for stable isotopes (delta O-18 and delta H-2), providing a unique data set of stable isotope records for a tropical region. We quantified the contribution that the two sources contributed to the local shallow groundwater by a novel concept of two-component lumped parameter models (LPMs) that are solved using delta O-18 records. The study illustrates that two-component LPMs, in conjunction with hydrological and isotopic measurements, are able to identify subsurface flow conditions and water mixing at riverbank infiltration systems. However, the predictive skill and the reliability of the models decrease for locations farther from the river, where recharge by precipitation dominates, and a low-permeable aquitard layer above the highly permeable aquifer is present. This specific setting impairs the identifiability of model parameters. For river infiltration, short mTTs (<40 weeks) were determined for sites closer to the river (<200 m), whereas for the precipitation infiltration, the mTTs were longer (>80 weeks) and independent of the distance to the river. The results not only enhance the understanding of the groundwater recharge dynamics in the VMD but also suggest that the highly complex mechanisms of surface-groundwater interaction can be conceptualized by exploiting two-component LPMs in general. The model concept could thus be a powerful tool for better understanding both the hydrological functioning of mixing processes and the movement of different water components in riverbank infiltration systems. KW - bank infiltration KW - groundwater KW - lumped parameter model KW - mean transit time KW - Mekong Delta KW - stable isotopes Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1002/hyp.13549 SN - 0885-6087 SN - 1099-1085 VL - 33 IS - 24 SP - 3098 EP - 3118 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Mehner, T. A1 - Attermeyer, Katrin A1 - Brauns, Mario A1 - Brothers, Soren M. A1 - Diekmann, J. A1 - Gaedke, Ursula A1 - Grossart, Hans-Peter A1 - Koehler, J. A1 - Lischke, Betty A1 - Meyer, N. A1 - Scharnweber, Inga Kristin A1 - Syvaranta, J. A1 - Vanni, M. J. A1 - Hilt, S. T1 - Weak Response of Animal Allochthony and Production to Enhanced Supply of Terrestrial Leaf Litter in Nutrient-Rich Lakes JF - Ecosystems N2 - Ecosystems are generally linked via fluxes of nutrients and energy across their boundaries. For example, freshwater ecosystems in temperate regions may receive significant inputs of terrestrially derived carbon via autumnal leaf litter. This terrestrial particulate organic carbon (POC) is hypothesized to subsidize animal production in lakes, but direct evidence is still lacking. We divided two small eutrophic lakes each into two sections and added isotopically distinct maize litter to the treatment sections to simulate increased terrestrial POC inputs via leaf litter in autumn. We quantified the reliance of aquatic consumers on terrestrial resources (allochthony) in the year subsequent to POC additions by applying mixing models of stable isotopes. We also estimated lake-wide carbon (C) balances to calculate the C flow to the production of the major aquatic consumer groups: benthic macroinvertebrates, crustacean zooplankton, and fish. The sum of secondary production of crustaceans and benthic macroinvertebrates supported by terrestrial POC was higher in the treatment sections of both lakes. In contrast, total secondary and tertiary production (supported by both autochthonous and allochthonous C) was higher in the reference than in the treatment sections of both lakes. Average aquatic consumer allochthony per lake section was 27-40%, although terrestrial POC contributed less than about 10% to total organic C supply to the lakes. The production of aquatic consumers incorporated less than 5% of the total organic C supply in both lakes, indicating a low ecological efficiency. We suggest that the consumption of terrestrial POC by aquatic consumers facilitates a strong coupling with the terrestrial environment. However, the high autochthonous production and the large pool of autochthonous detritus in these nutrient-rich lakes make terrestrial POC quantitatively unimportant for the C flows within food webs. KW - stable isotopes KW - terrestrial subsidy KW - carbon budget KW - ecological efficiency KW - benthic food web KW - pelagic food web Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1007/s10021-015-9933-2 SN - 1432-9840 SN - 1435-0629 VL - 19 SP - 311 EP - 325 PB - Springer CY - New York ER - TY - GEN A1 - Geißler, Katja A1 - Heblack, Jessica A1 - Uugulu, Shoopala A1 - Wanke, Heike A1 - Blaum, Niels T1 - Partitioning of Water Between Differently Sized Shrubs and Potential Groundwater Recharge in a Semiarid Savanna in Namibia T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Introduction: Many semiarid regions around the world are presently experiencing significant changes in both climatic conditions and vegetation. This includes a disturbed coexistence between grasses and bushes also known as bush encroachment, and altered precipitation patterns with larger rain events. Fewer, more intense precipitation events might promote groundwater recharge, but depending on the structure of the vegetation also encourage further woody encroachment. Materials and Methods: In this study, we investigated how patterns and sources of water uptake of Acacia mellifera (blackthorn), an important encroaching woody plant in southern African savannas, are associated with the intensity of rain events and the size of individual shrubs. The study was conducted at a commercial cattle farm in the semiarid Kalahari in Namibia (MAP 250 mm/a). We used soil moisture dynamics in different depths and natural stable isotopes as markers of water sources. Xylem water of fifteen differently sized individuals during eight rain events was extracted using a Scholander pressure bomb. Results and Discussion: Results suggest the main rooting activity zone of A. mellifera in 50 and 75 cm soil depth but a reasonable water uptake from 10 and 25 cm. Any apparent uptake pattern seems to be driven by water availability, not time in the season. Bushes prefer the deeper soil layers after heavier rain events, indicating some evidence for the classical Walter’s two-layer hypothesis. However, rain events up to a threshold of 6 mm/day cause shallower depths of use and suggest several phases of intense competition with perennial grasses. The temporal uptake pattern does not depend on shrub size, suggesting a fast upwards water flow inside. d2H and d18O values in xylem water indicate that larger shrubs rely less on upper and very deep soil water than smaller shrubs. It supports the hypothesis that in environments where soil moisture is highly variable in the upper soil layers, the early investment in a deep tap-root to exploit deeper, more reliable water sources could reduce the probability of mortality during the establishment phase. Nevertheless, independent of size and time in the season, bushes do not compete with potential groundwater recharge. In a savanna encroached by A. mellifera, groundwater will most likely be affected indirectly. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 798 KW - bush encroachment KW - groundwater recharge KW - rooting depth KW - Savannas KW - stable isotopes KW - shrub size KW - Acacia mellifera KW - rain event depth Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441110 SN - 1866-8372 IS - 798 ER -