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  - 
TY  - THES
A1  - Hohenbrink, Tobias Ludwig
T1  - Turning a problem into a solution: heterogeneities in soil hydrology
T1  - Ein Problem zur Lösung machen: Heterogenitäten in der Bodenhydrologie
N2  - It is commonly recognized that soil moisture exhibits spatial heterogeneities occurring in a wide range of scales. These heterogeneities are caused by different factors ranging from soil structure at the plot scale to land use at the landscape scale. There is an urgent need for effi-cient approaches to deal with soil moisture heterogeneity at large scales, where manage-ment decisions are usually made. The aim of this dissertation was to test innovative ap-proaches for making efficient use of standard soil hydrological data in order to assess seep-age rates and main controls on observed hydrological behavior, including the role of soil het-erogeneities.
As a first step, the applicability of a simplified Buckingham-Darcy method to estimate deep seepage fluxes from point information of soil moisture dynamics was assessed. This was done in a numerical experiment considering a broad range of soil textures and textural het-erogeneities. The method performed well for most soil texture classes. However, in pure sand where seepage fluxes were dominated by heterogeneous flow fields it turned out to be not applicable, because it simply neglects the effect of water flow heterogeneity. In this study a need for new efficient approaches to handle heterogeneities in one-dimensional water flux models was identified.
As a further step, an approach to turn the problem of soil moisture heterogeneity into a solu-tion was presented: Principal component analysis was applied to make use of the variability among soil moisture time series for analyzing apparently complex soil hydrological systems. It can be used for identifying the main controls on the hydrological behavior, quantifying their relevance, and describing their particular effects by functional averaged time series. The ap-proach was firstly tested with soil moisture time series simulated for different texture classes in homogeneous and heterogeneous model domains. Afterwards, it was applied to 57 mois-ture time series measured in a multifactorial long term field experiment in Northeast Germa-ny.
The dimensionality of both data sets was rather low, because more than 85 % of the total moisture variance could already be explained by the hydrological input signal and by signal transformation with soil depth. The perspective of signal transformation, i.e. analyzing how hydrological input signals (e.g., rainfall, snow melt) propagate through the vadose zone, turned out to be a valuable supplement to the common mass flux considerations. Neither different textures nor spatial heterogeneities affected the general kind of signal transfor-mation showing that complex spatial structures do not necessarily evoke a complex hydro-logical behavior. In case of the field measured data another 3.6% of the total variance was unambiguously explained by different cropping systems. Additionally, it was shown that dif-ferent soil tillage practices did not affect the soil moisture dynamics at all.
The presented approach does not require a priori assumptions about the nature of physical processes, and it is not restricted to specific scales. Thus, it opens various possibilities to in-corporate the key information from monitoring data sets into the modeling exercise and thereby reduce model uncertainties.
N2  - Es ist allgemein anerkannt, dass Bodenfeuchte auf verschiedenen Raumskalen räumliche Heterogenitäten aufweist. Diese Heterogenitäten werden durch verschiedene Faktoren verursacht, die auf den unterschiedlichen Skalen wirken. Dies können z.B. die Bodenstruktur auf Plotskala oder die Landnutzung auf Landschaftsskala sein. Es werden dringend effiziente Ansätze benötigt, um mit den Heterogenitäten der Bodenfeuchte umzugehen. Dies gilt be-sonders für große Skalen, auf denen in der Regel weitreichende Managemententscheidun-gen getroffen werden. Das Ziel dieser Dissertation war es, effiziente Methoden zu testen, die es ermöglichen auf Basis bodenhydrologischer Daten sowohl Sickerwasserraten als auch die Haupteinflussfaktoren der Bodenfeuchtedynamik zu bestimmen. Dies bezieht Effekte von Bodenheterogenitäten mit ein.
In einem ersten Schritt wurde die Eignung einer vereinfachten Buckingham-Darcy Methode zur Abschätzung von Sickerwasserflüssen auf Grundlage punktuell gemessener Zeitreihen der Bodenfeuchte untersucht. Hierzu wurde eine Simulationsstudie durchgeführt, in der ein breites Spektrum an Bodentexturen und Texturheterogenitäten berücksichtigt wurde. Die Methode lieferte gute Ergebnisse für die meisten Texturklassen. In reinem Sand jedoch stell-te sie sich als nicht anwendbar heraus, da hier Sickerwasserflüsse von heterogenen Fließfel-dern dominiert wurden. In dieser Studie wurde ein Bedarf an neuen effizienten Ansätzen für den Umgang mit Heterogenitäten in eindimensionalen Wasserflussmodellen identifiziert.
In einem weiteren Schritt wurde ein Ansatz vorgestellt, um aus dem Problem der Boden-feuchteheterogenität eine Lösung zu machen: In einer Hauptkomponentenanalyse wurde die Variabilität zwischen Bodenfeuchtezeitreihen genutzt, um die wahre Komplexität bo-denhydrologischer Systeme zu analysieren. Auf diesem Weg ist es möglich die Haupteinfluss-faktoren des hydrologischen Verhaltens zu identifizieren, ihre Relevanz zu quantifizieren und ihre jeweiligen Effekte als funktional gemittelte Zeitreihen zu beschreiben. Der Ansatz wurde zunächst mit simulierten Bodenfeuchtezeitreihen für unterschiedliche Texturklassen im ho-mogenen und heterogenen Fall getestet. Anschließend wurde die Methode auf 57 Boden-feuchtezeitreihen angewendet, die in einem Langzeitfeldexperiment in Nordostdeutschland gemessen wurden.
Die Dimensionalität beider Datensätze war gering, da mehr als 85 % der gesamten Boden-feuchtevarianz bereits durch das hydrologische Eingangssignal und die Transformation dieses Signals mit zunehmender Bodentiefe erklärt werden konnten. Analysen der Signaltransfor-mation haben sich als wertvolle Ergänzung zu den weit verbreiteten Massenflussbetrachtun-gen herausgestellt. Hierbei wird untersucht, wie sich hydrologische Eingangssignale (z.B. Nie-derschlag oder Schneeschmelze) in der vadosen Zone fortpflanzen. Die generellen Muster der Signaltransformation wurden weder durch verschiedene Bodentexturen noch durch räumliche Heterogeneitäten beeinfluss. Dies zeigt, dass komplexe räumliche Strukturen nicht zwangsläufig ein komplexes hydrologisches Verhalten hervorrufen. Im Fall der Felddaten wurden weitere 3,6 % der Gesamtvarianz durch verschiedene Fruchtfolgen erklärt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Bodenbearbeitung keinen Einfluss auf die Boden-feuchtedynamik hatte.
Der vorgestellte Ansatz erfordert keine Vorannahmen über physikalische Prozesse und ist nicht auf eine bestimmte Skala begrenzt. Dadurch ergeben sich viele Möglichkeiten, wichtige Informationen aus Monitoringdatensätzen in die Modellbildung einzubeziehen und damit Modell-unsicherheiten zu verringern.
KW  - soil hydrology
KW  - soil heterogeneity
KW  - soil moisture
KW  - deep seepage
KW  - time series analysis
KW  - transformation of hydrological signals
KW  - Bodenhydrologie
KW  - Bodenheterogenität
KW  - Bodenfeuchte
KW  - Tiefenversickerung
KW  - Zeitreihenanalyse
KW  - Transformation hydrologischer Signale
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101485
ER  - 
TY  - THES
A1  - Haßler, Sibylle Kathrin
T1  - Saturated hydraulic conductivity in the humid tropics : sources of variability, implications for monitoring and effects on near-surface hydrological flow paths
T1  - Quellen der Variabilität der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit in den humiden Tropen, ihre Bedeutung für die Beprobung der Leitfähigkeit und ihre Auswirkungen auf bodennahe hydrologische Fließpfade
N2  - Large areas in the humid tropics are currently undergoing land-use change. The decrease of tropical rainforest, which is felled for land clearing and timber production, is countered by increasing areas of tree plantations and secondary forests. These changes are known to affect the regional water cycle as a result of plant-specific water demand and by influencing key soil properties which determine hydrological flow paths. One of these key properties sensitive to land-use change is the saturated hydraulic conductivity (Ks) as it governs vertical percolation of water within the soil profile. Low values of Ks in a certain soil depth can form an impeding layer and lead to perched water tables and the development of predominantly lateral flow paths such as overland flow. These processes can induce nutrient redistribution, erosion and soil degradation and thus affect ecosystem services and human livelihoods. Due to its sensitivity to land-use change, Ks is commonly used to assess the associated changes in hydrological flow paths. The objective of this dissertation was to assess the effect of land-use change on hydrological flow paths by analysing Ks as indicator variable. Sources of Ks variability, their implications for Ks monitoring and the relationship between Ks and near-surface hydrological flow paths in the context of land-use change were studied. The research area was located in central Panama, a country widely experiencing the abovementioned changes in land use. Ks is dependent on both static, soil-inherent properties such as particle size and clay mineralogy and dynamic, land use-dependent properties such as organic carbon content. By conducting a pair of studies with one of these influences held constant in each, the importance of static and dynamic properties for Ks was assessed. Applying a space-for-time approach to sample Ks under secondary forests of different age classes on comparable soils, a recovery of Ks from the former pasture use was shown to require more than eight years. The process was limited to the 0−6 cm sampling depth and showed large variability among replicates. A wavelet analysis of a Ks transect crossing different soil map units under comparable land cover, old-growth tropical rainforest, showed large small-scale variability, which was attributed to biotic influences, as well as a possible but non-conclusive influence of soil types. The two results highlight the importance of dynamic, land use-dependent influences on Ks. Monitoring studies can help to quantify land use-induced change of Ks, but there is a variety of sampling designs which differ in efficiency of estimating mean Ks. A comparative study of four designs and their suitability for Ks monitoring is used to give recommendations about designing a Ks monitoring scheme. Quantifying changes in spatial means of Ks for small catchments with a rotational stratified sampling design did not prove to be more efficient than Simple Random Sampling. The lack of large-scale spatial structure prevented benefits of stratification, and large small-scale variability resulting from local biotic processes and artificial effects of destructive sampling caused a lack of temporal consistency in the re-sampling of locations, which is part of the rotational design. The relationship between Ks and near-surface hydrological flow paths is of critical importance when assessing the consequences of land-use change in the humid tropics. The last part of this dissertation aimed at disclosing spatial relationships between Ks and overland flow as influenced by different land cover types. The effects of Ks on overland-flow generation were spatially variable, different between planar plots and incised flowlines and strongly influenced by land-cover characteristics. A simple comparison of Ks values and rainfall intensities was insufficient to describe the observed pattern of overland flow. Likewise, event flow in the stream was apparently not directly related to overland flow response patterns within the catchments. The study emphasises the importance of combining pedological, hydrological, meteorological and botanical measurements to comprehensively understand the land use-driven change in hydrological flow paths. In summary, Ks proved to be a suitable parameter for assessing the influence of land-use change on soils and hydrological processes. The results illustrated the importance of land cover and spatial variability of Ks for decisions on sampling designs and for interpreting overland-flow generation. As relationships between Ks and overland flow were shown to be complex and dependent on land cover, an interdisciplinary approach is required to comprehensively understand the effects of land-use change on soils and near-surface hydrological flow paths in the humid tropics.
N2  - Tropische Regionen sind einem andauernden Landnutzungswandel unterworfen. Einerseits wird tropischer Regenwald für Holz- und Flächengewinnung abgeholzt, andererseits fallen Flächen im Zuge der Urbanisierung brach. Diese werden zum Teil mit Nutzholz-Plantagen aufgeforstet, zum Teil entwickelt sich auf ihnen natürlicher Sekundärwald. Änderungen in der Landnutzung beeinflussen Bodeneigenschaften und dadurch implizit den Wasserkreislauf der Region. Eine dieser wichtigen landnutzungsabhängigen Bodeneigenschaften ist die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit oder Permeabilität, die maßgeblich die Versickerungsrate im Boden bestimmt. Eine niedrige Permeabilität hemmt die (vertikale) Versickerung und kann dazu führen, dass laterale hydrologische Fließpfade wie z.B. Oberflächenabfluss aktiviert werden. Dadurch wird sowohl die Bodenerosion und Nährstoffverlagerung verstärkt als auch die Auffüllung des Grundwasserspeichers verringert. In welchem Maße jedoch die Änderung der Permeabilität während des Landnutzungswandels eine Änderung der hydrologischen Fließpfade nach sich zieht, ist noch unzureichend erforscht. Die Zielstellung der vorliegenden Dissertation war, mit Hilfe der Permeabilität als Indikatorvariable die Auswirkungen des Landnutzungswandels auf bodennahe hydrologische Fließpfade zu beurteilen. Dabei sollten die Quellen der Variabilität der Permeabilität anhand des Einflusses von Bodentyp und Landnutzung eingeschätzt, diese Variabilität in das Design einer Probenahmestrategie für die Permeabilität integriert und die Auswirkungen dieser Einflüsse auf die Aktivierung lateraler Fließpfade untersucht werden. Die Studien wurden in Panama durchgeführt, da dieses Land stark vom Landnutzungswandel betroffen ist, eine gute Forschungsinfrastruktur aufweist und sich durch die hohen Niederschläge des tropischen Klimas Änderungen im Wasserkreislauf besonders stark auswirken. Zwei Teilstudien zu den Quellen der Variabilität der Permeabilität lieferten Hinweise auf einen möglichen Einfluss des Bodentyps, der jedoch durch den lokal stärkeren Einfluss der Landnutzung überprägt wurde. Auf regionaler Skala wurde die Erholung der Permeabilität unter Sekundärwald nach einer vorhergehenden Weidenutzung belegt. Beide Studien deuteten auf einen maßgeblichen Einfluss der Landnutzung und der räumlichen Struktur der Permeabilität auf die untersuchten Prozesse hin. Für die effiziente Abschätzung zeitlicher Veränderungen der Permeabilität, wie sie im Zuge des Landnutzungswandels auftritt, ist die Einbeziehung dieser räumlichen Strukturen in das Design einer Probenahmestrategie für die Permeabilität von großer Bedeutung, wie in einem Vergleich vier verschiedener Designs gezeigt wurde. Der Zusammenhang zwischen der Permeabilität und der Entstehung von Oberflächenabfluss konnte nicht durch einfache Ansätze, wie dem Vergleich der Permeabilität mit Regenintensitäten oder der Betrachtung des Gebietsabflusses, erklärt werden. Vielmehr scheint ein komplexes Zusammenspiel aus meteorologischen, biologischen, bodenkundlichen und hydrologischen Faktoren zu wirken. So wurde die räumliche Struktur des Oberflächenabflusses im Untersuchungsgebiet vermutlich durch eine Kombination aus Landnutzungs- und Permeabilitäts-Einflüssen bedingt, zu deren Aufklärung weitere notwendige Messungen vorgeschlagen werden. Zusammengefasst konnte anhand der Permeabilität der Einfluss des Landnutzungswandels auf die hydrologischen Fließpfade gut aufgezeigt werden. Eine besondere Bedeutung kommt hierbei der Betrachtung der landnutzungsabhängigen räumlichen Struktur der Permeabilität zu. Für die Prozessaufklärung der Aktivierung lateraler Fließpfade müssen jedoch Messungen aus verschiedenen Disziplinen kombiniert werden.
KW  - Bodenhydrologie
KW  - Landnutzungswandel
KW  - Tropen
KW  - Probenahmestrategie
KW  - hydrologische Fließpfade
KW  - Soil hydrology
KW  - land-use change
KW  - tropics
KW  - monitoring
KW  - hydrological flow paths
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66864
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hartmann, Anne
T1  - Tracing the evolution of hillslope structure and hillslope hydrological response over ten millennia in two glacial forefields of different geology
T1  - Nachverfolgung der Evolution von Hangstruktur und hydrologischer Reaktion über zehn Jahrtausende in zwei Gletschervorfeldern
N2  - Assessing the impact of global change on hydrological systems is one of the greatest hydrological challenges of our time. Changes in land cover, land use, and climate have an impact on water quantity, quality, and temporal availability. There is a widespread consensus that, given the far-reaching effects of global change, hydrological systems can no longer be viewed as static in their structure; instead, they must be regarded as entire ecosystems, wherein hydrological processes interact and coevolve with biological, geomorphological, and pedological processes. To accurately predict the hydrological response under the impact of global change, it is essential to understand this complex coevolution. The knowledge of how hydrological processes, in particular the formation of subsurface (preferential) flow paths, evolve within this coevolution and how they feed back to the other processes is still very limited due to a lack of observational data.
At the hillslope scale, this intertwined system of interactions is known as the hillslope feedback cycle. This thesis aims to enhance our understanding of the hillslope feedback cycle by studying the coevolution of hillslope structure and hillslope hydrological response. Using chronosequences of moraines in two glacial forefields developed from siliceous and calcareous glacial till, the four studies shed light on the complex coevolution of hydrological, biological, and structural hillslope properties, as well as subsurface hydrological flow paths over an evolutionary period of 10 millennia in these two contrasting geologies. The findings indicate that the contrasting properties of siliceous and calcareous parent materials lead
to variations in soil structure, permeability, and water storage. As a result, different plant species and vegetation types are favored on siliceous versus calcareous parent material, leading to diverse ecosystems with distinct hydrological dynamics. The siliceous parent material was found to show a higher activity level in driving the coevolution. The soil pH resulting from parent material weathering emerges as a crucial factor, influencing vegetation development, soil formation, and consequently, hydrology. The acidic weathering of the siliceous parent material favored the accumulation of organic matter, increasing the soils’ water storage capacity and attracting acid-loving shrubs, which further promoted organic matter accumulation and ultimately led to podsolization after 10 000 years. Tracer experiments revealed that the subsurface flow path evolution was influenced by soil and vegetation development, and vice versa. Subsurface flow paths changed from vertical, heterogeneous matrix flow to finger-like flow paths over a few hundred years, evolving into macropore flow, water storage, and lateral subsurface flow after several thousand years. The changes in flow paths among younger age classes were driven by weathering processes altering soil structure, as well as by vegetation development and root activity. In the older age
class, the transition to more water storage and lateral flow was attributed to substantial organic matter accumulation and ongoing podsolization. The rapid vertical water transport in the finger-like flow paths, along with the conductive sandy material, contributed to podsolization and thus to the shift in the hillslope hydrological response.
In contrast, the calcareous site possesses a high pH buffering capacity, creating a neutral to basic environment with relatively low accumulation of dead organic matter, resulting in a lower water storage capacity and the establishment of predominantly grass vegetation. The coevolution was found to be less dynamic over the millennia. Similar to the siliceous site, significant changes in subsurface flow paths occurred between the young age classes. However, unlike the siliceous site, the subsurface flow paths at the calcareous site only altered in shape and not in direction. Tracer experiments showed that flow paths changed from vertical, heterogeneous matrix flow to vertical, finger-like flow paths after a few hundred to thousands of years, which was driven by root activities and weathering processes. Despite having a finer soil texture, water storage at the calcareous site was significantly lower than at the siliceous site, and water transport remained primarily rapid and vertical, contributing to the flourishing of grass vegetation.
The studies elucidated that changes in flow paths are predominantly shaped by the characteristics of the parent material and its weathering products, along with their complex interactions with initial water flow paths and vegetation development. Time, on the other hand, was not found to be a primary factor in describing the evolution of the hydrological response. This thesis makes a valuable contribution to closing the gap in the observations of the coevolution of hydrological processes within the hillslope feedback cycle, which is important to improve predictions of hydrological processes in changing landscapes. Furthermore, it emphasizes the importance of interdisciplinary studies in addressing the hydrological challenges arising from global change.
N2  - Die Einschätzung der Auswirkungen des globalen Wandels auf die lokale Hydrologie stellt zweifellos eine der bedeutendsten hydrologischen Herausforderungen unserer Zeit dar. Die zuverlässige Vorhersage der zukünftigen Verfügbarkeit, Menge und Qualität des Wassers in Landschaften gewinnt dabei an höchster Bedeutung. Es herrscht weitgehender Konsens darüber, dass hydrologische Systeme aufgrund des globalen Wandels nicht mehr als statische Gebilde betrachtet werden können. Vielmehr sind sie als ganzheitliche Ökosysteme zu verstehen, in denen hydrologische Prozesse mit biologischen, geomorphologischen und pedologischen Faktoren interagieren und sich gemeinsam entwickeln. Allerdings ist das Wissen über die Entwicklung und die Rückkopplung hydrologischer Prozesse, insbesondere im Hinblick auf die Entstehung unterirdischer (präferenzieller) Fließwege, aufgrund mangelnder Beobachtungsdaten noch stark begrenzt. Das Hauptziel dieser Studie liegt daher darin, anhand von Untersuchungen auf der Hangskala die Wechselwirkung zwischen Struktur und hydrologischem Verhalten zu erforschen. Dadurch soll ein besseres Verständnis für den Rückkopplungszyklus gewonnen werden. 
Die vier in dieser Arbeit präsentierten Studien befassen sich mit der Entwicklung hydrologischer, biologischer und physikalischer Eigenschaften von Hängen sowie der Evolution hydrologischer Fließwege über einen Zeitraum von zehntausend Jahren in zwei unterschiedlichen geologischen Geologien. Durch die Analyse von Moränen-Chronosequenzen in zwei Gletschervorfeldern, die jeweils aus silikatreichem bzw. kalkreichem Geschiebemergel entstanden sind, wird die komplexe Koevolution in Abhängigkeit von der geologischen Beschaffenheit des Ausgangsmaterials beleuchtet. 
Die Ergebnisse zeigen, dass die verschiedenen Eigenschaften von silikatreichem und kalkhaltigem Ausgangsmaterial unter den gegebenen Klimabedingungen zu Unterschieden in Bodeneigenschaften, Durchlässigkeit und Wasserspeicherung führen. Dies wiederum begünstigt unterschiedliche Vegetationstypen und resultiert in vielfältigen Ökosystemen mit variierenden hydrologischen Dynamiken. Interessanterweise treibt das silikatreiche Ausgangsmaterial die Koevolution stärker an. Hierbei spielt der pH-Wert des Bodens eine Schlüsselrolle, da er Auswirkungen auf Vegetation, Bodenbildung und folglich auch auf die Hydrologie hat. Die saure Verwitterung des silikatreichen Materials begünstigt die Anreicherung organischer Substanz, was zu  einer Erhöhung der Wasserspeicherkapazität des Bodens und  zur Podsolisierung führt. Innerhalb weniger Jahrhunderte entwickelt sich das unterirdische Wassertransportsystem von einer vertikalen, heterogenen Matrixströmung zu fingerartigen Fließwegen und nach mehreren Jahrtausenden zu einem System aus Makroporen, wobei die Wasserspeicherung und die unterirdische, laterale Strömung überwiegen.
Im Gegensatz dazu weist der kalkhaltige Standort eine hohe pH-Pufferkapazität auf. In dem basischen bis neutralen Milieu sammelt sich vergleichsweise wenig abgestorbene, organische Substanz an, was zu einer geringeren Wasserspeicherkapazität führt und die Ansiedlung von Grasvegetation begünstigt. Die Fließwege ändern lediglich ihre Form, nicht jedoch ihre Richtung. Es wurde lediglich ein Übergang von vertikaler, heterogener Matrixströmung zu vertikalen, fingerartigen Fließwegen beobachtet. Der schnelle vertikale Wassertransport mit geringer Speicherung begünstigt die Erhaltung der Grasvegetation.
Die durchgeführten Studien verdeutlichen, dass die Entwicklung der Fließwege hauptsächlich von den Eigenschaften des Ausgangsgesteins und seinen Verwitterungsprodukten sowie von deren komplexen Interaktionen mit den ursprünglichen Fließwegen und der Entwicklung der Vegetation geprägt ist. Im Gegensatz dazu spielt die Zeit keine entscheidende Rolle bei der Beschreibung der Evolution der hydrologischen Reaktion. Diese Studie trägt wesentlich dazu bei, die bestehende Lücke in Beobachtungen für die Erforschung der Koevolution von hydrologischen, biologischen, geomorphologischen und pedologischen Prozessen zu schließen. Dies ist von großer Bedeutung, um Vorhersagen hydrologischer Prozesse in sich wandelnden Landschaften zu verbessern. Sie zeigt außerdem die Relevanz interdisziplinärer Studien auf, um den zukünftigen Herausforderungen in der Hydrologie im Zuge des globalen Wandels erfolgreich zu begegnen.
KW  - soil hydrology
KW  - chronosequence study
KW  - landscape evolution
KW  - Chronosequenzstudie
KW  - Landschaftsentwicklung
KW  - Bodenhydrologie
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628629
ER  -