TY  - THES
A1  - Zimmermann, Alexander
T1  - Rainfall redistribution and change of water quality in tropical forest canopies : patterns and persistence
T1  - Umverteilung von Regenwasser und Änderung der Wasserqualität in Kronendächern Tropischer Wälder : Muster und Persistenz
N2  - Motivations and research objectives: During the passage of rain water through a forest canopy two main processes take place. First, water is redistributed; and second, its chemical properties change substantially. The rain water redistribution and the brief contact with plant surfaces results in a large variability of both throughfall and its chemical composition. Since throughfall and its chemistry influence a range of physical, chemical and biological processes at or below the forest floor the understanding of throughfall variability and the prediction of throughfall patterns potentially improves the understanding of near-surface processes in forest ecosystems. This thesis comprises three main research objectives. The first objective is to determine the variability of throughfall and its chemistry, and to investigate some of the controlling factors. Second, I explored throughfall spatial patterns. Finally, I attempted to assess the temporal persistence of throughfall and its chemical composition. Research sites and methods: The thesis is based on investigations in a tropical montane rain forest in Ecuador, and lowland rain forest ecosystems in Brazil and Panama. The first two studies investigate both throughfall and throughfall chemistry following a deterministic approach. The third study investigates throughfall patterns with geostatistical methods, and hence, relies on a stochastic approach. Results and Conclusions: Throughfall is highly variable. The variability of throughfall in tropical forests seems to exceed that of many temperate forests. These differences, however, do not solely reflect ecosystem-inherent characteristics, more likely they also mirror management practices. Apart from biotic factors that influence throughfall variability, rainfall magnitude is an important control. Throughfall solute concentrations and solute deposition are even more variable than throughfall. In contrast to throughfall volumes, the variability of solute deposition shows no clear differences between tropical and temperate forests, hence, biodiversity is not a strong predictor of solute deposition heterogeneity. Many other factors control solute deposition patterns, for instance, solute concentration in rainfall and antecedent dry period. The temporal variability of the latter factors partly accounts for the low temporal persistence of solute deposition. In contrast, measurements of throughfall volume are quite stable over time. Results from the Panamanian research site indicate that wet and dry areas outlast consecutive wet seasons. At this research site, throughfall exhibited only weak or pure nugget autocorrelation structures over the studies lag distances. A close look at the geostatistical tools at hand provided evidence that throughfall datasets, in particular those of large events, require robust variogram estimation if one wants to avoid outlier removal. This finding is important because all geostatistical throughfall studies that have been published so far analyzed their data using the classical, non-robust variogram estimator.
N2  - Motivation und Zielsetzung: Wenn Regen durch ein Kronendach fällt lassen sich zwei Prozesse beobachten: das Regenwasser wird umverteilt und die chemische Qualität des Wassers verändert sich erheblich. Die Prozesse im Kronenraum resultieren in einer hohen Variabilität des Bestandsniederschlags und dessen chemischer Zusammensetzung. Bestandsniederschlag beeinflusst eine Reihe von physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen am Waldboden. Daher können Untersuchungen zur Variabilität und zu Mustern im Bestandsniederschlag helfen, bodennahe Prozesse besser zu verstehen. Diese Dissertation behandelt hauptsächlich drei Aspekte. Erstens, die Arbeit beschäftigt sich mit der Erfassung der Variabilität im Bestandsniederschlag und dessen chemischer Zusammensetzung, zudem werden Einflussfaktoren dieser Variabilität untersucht. Des Weiteren beschäftigt sich die Arbeit mit räumlichen Mustern des Bestandsniederschlagswassers, und drittens wird die zeitliche Stabilität des Bestandsniederschlags und dessen chemischer Zusammensetzung betrachtet. Untersuchungsgebiete und Methoden: Diese Dissertation basiert auf Untersuchungen in einem tropischen Bergregenwald in Ecuador, sowie Studien in tropischen Tieflandregenwäldern in Brasilien und Panama. Die ersten zwei Studien untersuchen Bestandsniederschlag und dessen chemische Zusammensetzung mit Hilfe deterministischer Methoden. Die Arbeit in Panama nutzt geostatistische Methoden zur Beschreibung von Bestandsniederschlagsmustern und verfolgt somit einen stochastischen Ansatz. Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die Variabilität des Bestandsniederschlages ist hoch; das heißt, die Menge des auf den Waldboden tropfenden Wassers kann sich je nach Standort stark unterscheiden. Diese räumliche Variabilität des Bestandsniederschlags ist in tropischen Wäldern höher als in vielen gemäßigten Waldökosystemen, was nicht allein auf verschiedenen Eigenschaften der Ökosysteme zurückzuführen ist. Vielmehr erklären sich die Unterschiede auch aus verschiedenen Waldnutzungen. Abgesehen von biologischen Faktoren beeinflusst die Regenmenge die Variabilität des Bestandsniederschlags erheblich. Die chemische Zusammensetzung des Bestandsniederschlags weist eine noch höhere Variabilität als der Bestandsniederschlag selbst auf. Unterschiede zwischen tropischen und gemäßigten Wäldern lassen sich hier allerdings nicht erkennen, weshalb die hohe Diversität tropischer Ökosysteme die Heterogenität der chemischen Zusammensetzung des Bestandsniederschlags nicht ausreichend erklärt. Eine Vielzahl anderer Faktoren kontrolliert deshalb die Variabilität der Bestandsniederschlagschemie, beispielsweise die Konzentration gelöster Stoffe im Regenwasser oder die Dauer von Trockenperioden. Deren hohe temporale Variabilität ist verantwortlich für die geringe zeitliche Stabilität von Depositionsmessungen. Im Gegensatz dazu ist die temporale Persistenz von Messungen der Bestandsniederschlagsmenge hoch. Insbesondere die Ergebnisse aus Panama zeigen, dass feuchte und trockene Messpunkte über einen Zeitraum von zwei Regenzeiten fortbestehen. Die räumlichen Bestandsniederschlagsmuster im letztgenannten Untersuchungsgebiet sind schwach bzw. weisen die Struktur eines reinen Nugget-Models auf. Die geostatistische Analyse zeigt, dass vor allem die Daten großer Regenereignisse eine robuste Modellierung des Variogramms erfordern, wenn die willkürliche Entfernung von Fernpunkten in den Daten vermieden werden soll. Dieses Resultat ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da alle bisherigen Bestandsniederschlagsstudien den klassischen, nicht-robusten Schätzer benutzen, obwohl das Auftreten von Extremwerten in Bestandsniederschlagsdaten für viele Ökosysteme zu erwarten ist.
KW  - Bestandsniederschlag
KW  - Stoffdeposition
KW  - tropische Waldökosysteme
KW  - Geostatistik
KW  - throughfall
KW  - solute deposition
KW  - tropical forests
KW  - geostatistics
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32556
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zimmermann, Beate
T1  - Spatial and temporal variability of the soil saturated hydraulic conductivity in gradients of disturbance
T1  - Räumliche und zeitliche Variabilität der gesättigten Bodenwasserleitfähigkeit in Störungsgradienten
N2  - As land-cover conversion continues to expand into ever more remote areas in the humid tropics, montane rainforests are increasingly threatened. In the south Ecuadorian Andes, they are not only subject to man-made disturbances but also to naturally occurring landslides. I was interested in the impact of this ecosystem dynamics on a key parameter of the hydrologic cycle, the soil saturated hydraulic conductivity (synonym: permeability; Ks from here on), because it is a sensitive indicator for soil disturbances. My general objective was to quantify the effects of the regional natural and human disturbances on the saturated hydraulic conductivity and to describe the resulting spatial-temporal patterns. The main hypotheses were: 1) disturbances cause an apparent displacement of the less permeable soil layer towards the surface, either due to a loss of the permeable surface soil after land-sliding, or as a consequence of the surface soil compaction under cattle pastures; 2) ‘recovery’ from disturbance, either because of landslide re-vegetation or because of secondary succession after pasture abandonment, involves an apparent displacement of the less permeable layer back towards the original depth an 3) disturbances cause a simplification of the Ks spatial structure, i.e. the spatially dependent random variation diminishes; the subsequent recovery entails the re-establishment of the original structure. In my first study, I developed a synthesis of recent geostatistical research regarding its applicability to soil hydraulic data, including exploratory data analysis and variogram estimation techniques; I subsequently evaluated the results in terms of spatial prediction uncertainty. Concerning the exploratory data analysis, my main results were: 1) Gaussian uni- and bivariate distributions of the log-transformed data; 2) the existence of significant local trends; 3) no need for robust estimation; 4) no anisotropic variation. I found partly considerable differences in covariance parameters resulting from different variogram estimation techniques, which, in the framework of spatial prediction, were mainly reflected in the spatial connectivity of the Ks-field. Ignoring the trend component and an arbitrary use of robust estimators, however, would have the most severe consequences in this respect. Regarding variogram modeling, I encouraged restricted maximum likelihood estimation because of its accuracy and independence on the selected lags needed for experimental variograms. The second study dealt with the Ks spatial-temporal pattern in the sequences of natural and man-made disturbances characteristic for the montane rainforest study area. To investigate the disturbance effects both on global means and the spatial structure of Ks, a combined design-and model-based sampling approach was used for field-measurements at soil depths of 12.5, 20, and 50 cm (n=30-150/depth) under landslides of different ages (2 and 8 years), under actively grazed pasture, fallows following pasture abandonment (2 to 25 years of age), and under natural forest. Concerning global means, our main findings were 1) global means of the soil permeability generally decrease with increasing soil depth; 2) no significant Ks differences can be observed among landslides and compared to the natural forest; 3) a distinct permeability decrease of two orders of magnitude occurs after forest conversion to pasture at shallow soil depths, and 4) the slow regeneration process after pasture abandonment requires at least one decade. Regarding the Ks spatial structure, we found that 1) disturbances affect the Ks spatial structure in the topsoil, and 2) the largest differences in spatial patterns are associated with the subsoil permeability. In summary, the regional landslide activity seems to affect soil hydrology to a marginal extend only, which is in contrast to the pronounced drop of Ks after forest conversion. We used this spatial-temporal information combined with local rain intensities to assess the partitioning of rainfall into vertical and lateral flowpaths under undisturbed, disturbed, and regenerating land-cover types in the third study. It turned out that 1) the montane rainforest is characterized by prevailing vertical flowpaths in the topsoil, which can switch to lateral directions below 20 cm depth for a small number of rain events, which may, however, transport a high portion of the annual runoff; 2) similar hydrological flowpaths occur under the landslides except for a somewhat higher probability of impermeable layer formation in the topsoil of a young landslide, and 3) pronounced differences in runoff components can be observed for the human disturbance sequence involving the development of near-surface impeding layers for 24, 44, and 8 % of rain events for pasture, a two-year-old fallow, and a ten-year-old fallow, respectively.
N2  - Der tropische Bergregenwald in den Südecuadorianischen Anden unterliegt sowohl anthropogenen Eingriffen, d.h. der Umwandlung von Naturwald in Rinderweiden, als auch natürlichen Störungen in der Form von Hangrutschen. Ziel meiner Arbeit war es, die Auswirkungen dieser regionalen Störungsdynamik auf einen Schlüsselparameter des hydrologischen Kreislaufs, die gesättigte hydraulische Wasserleitfähigkeit (Ks), zu untersuchen und die resultierenden raum-zeitlichen Muster zu beschreiben. In der ersten Studie habe ich eine Synthese aktueller geostatistischer Forschung hinsichtlich ihrer Eignung für die Analyse bodenhydrologischer Daten entwickelt. Diese beinhaltet explorative Datenanalyse und verschiedene Techniken zur Schätzung der Kovarianzparameter; die Ergebnisse habe ich in Bezug auf die Ungenauigkeit räumlicher Vorhersagen bewertet. Es hat sich dabei herausgestellt, dass die Schätztechniken teilweise beachtliche Unterschiede in den Parametern hervorrufen, welche sich hauptsächlich in der räumlichen Konnektivität widergespiegeln. Die wichtigste Rolle im Zusammenhang mit der räumlichen Vorhersage kommt jedoch den vorgeordneten explorativen Analyseschritten zu. In der zweiten Studie habe ich mich mit der Beschreibung des raum-zeitlichen Muster der Wasserleitfähigkeit in den anthropogenen und natürlichen Störungsgradienten beschäftigt. Wichtigste Ergebnisse waren, dass es keine signifikanten Unterschiede der Wasserleitfähigkeit zwischen den verschieden alten Hangrutschen und dem Naturwald gibt. Daraus lässt sich schließen, dass die natürlichen Störungen im Untersuchungsgebiet lediglich marginale Auswirkungen auf die Bodenhydrology haben. Das steht in starkem Kontrast zum anthropogenen Störungskreislauf: die Wasserleitfähigkeit im Weideboden hat gegenüber dem Naturwald um zwei Größenordnungen abgenommen; eine „Erholung“ nach Nutzungsaufgabe scheint mindestens ein Jahrzehnt in Anspruch zu nehmen. Die räumlichen Abhängigkeit von Ks in den Oberböden von Wald und einer alten Brache ist stärker als in jenen der gestörten Flächen, was auf eine störungsbedingte Beeinträchtigung der räumlichen Struktur in geringer Bodentiefe schließen lässt. In der dritten Studie habe ich diese raum-zeitlichen Informationen mit dem örtlichen Niederschlagsregime in Verbindung gebracht, um Rückschlüsse auf die Auswirkungen der störungsbedingten Änderungen von Ks auf hydrologische Fließwege zu ziehen. Es hat sich gezeigt, dass im tropischen Bergregenwald und unter Hangrutschen ubiquitäre Tiefenversickerung dominiert, es allerdings zu einer Verschiebung in laterale Fließrichtungen für die seltenen intensiven Regenereignisse kommen kann. Anthropogene Störungen gehen mit einer um bis zu 50 Prozent erhöheren Wahrscheinlichkeit des Auftretens oberflächennaher Stauschichten einher, was die Bedeutung lateraler Fließwege erhöht. Dies trifft in vergleichbarer Größenordnung auch auf ein Vergleichsökosystem im Tieflandregenwald zu.
KW  - Bodenhydrologie
KW  - Tropen
KW  - Landnutzungswandel
KW  - Geostatistik
KW  - Abflussbildung
KW  - soil hydrology
KW  - tropics
KW  - landuse change
KW  - geostatistics
KW  - runoff generation
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-16402
ER  -