TY - THES A1 - Obu, Jaroslav T1 - Effect of mass wasting on soil organic carbon storage and coastal erosion in permafrost environments T1 - Einfluss von Hangbewegungen auf Kohlenstoffspeicher und Küstenerosion in Permafrostgebieten N2 - Accelerated permafrost thaw under the warming Arctic climate can have a significant impact on Arctic landscapes. Areas underlain by permafrost store high amounts of soil organic carbon (SOC). Permafrost disturbances may contribute to increased release of carbon dioxide and methane to the atmosphere. Coastal erosion, amplified through a decrease in Arctic sea-ice extent, may also mobilise SOC from permafrost. Large expanses of permafrost affected land are characterised by intense mass-wasting processes such as solifluction, active-layer detachments and retrogressive thaw slumping. Our aim is to assess the influence of mass wasting on SOC storage and coastal erosion. We studied SOC storage on Herschel Island by analysing active-layer and permafrost samples, and compared non-disturbed sites to those characterised by mass wasting. Mass-wasting sites showed decreased SOC storage and material compaction, whereas sites characterised by material accumulation showed increased storage. The SOC storage on Herschel Island is also significantly correlated to catenary position and other slope characteristics. We estimated SOC storage on Herschel Island to be 34.8 kg C m-2. This is comparable to similar environments in northwest Canada and Alaska. Coastal erosion was analysed using high resolution digital elevation models (DEMs). Two LIDAR scanning of the Yukon Coast were done in 2012 and 2013. Two DEMs with 1 m horizontal resolution were generated and used to analyse elevation changes along the coast. The results indicate considerable spatial variability in short-term coastline erosion and progradation. The high variability was related to the presence of mass-wasting processes. Erosion and deposition extremes were recorded where the retrogressive thaw slump (RTS) activity was most pronounced. Released sediment can be transported by longshore drift and affects not only the coastal processes in situ but also along adjacent coasts. We also calculated volumetric coastal erosion for Herschel Island by comparing a stereo-photogrammetrically derived DEM from 2004 with LIDAR DEMs. We compared this volumetric erosion to planimetric erosion, which was based on coastlines digitised from satellite imagery. We found a complex relationship between planimetric and volumetric coastal erosion, which we attribute to frequent occurrence of mass-wasting processes along the coasts. Our results suggest that volumetric erosion corresponds better with environmental forcing and is more suitable for the estimation of organic carbon fluxes than planimetric erosion. Mass wasting can decrease SOC storage by several mechanisms. Increased aeration following disturbance may increase microbial activity, which accelerates organic matter decomposition. New hydrological conditions that follow the mass wasting event can cause leaching of freshly exposed material. Organic rich material can also be directly removed into the sea or into a lake. On the other hand the accumulation of mobilised material can result in increased SOC storage. Mass-wasting related accumulations of mobilised material can significantly impact coastal erosion in situ or along the adjacent coast by longshore drift. Therefore, the coastline movement observations cannot completely resolve the actual sediment loss due to these temporary accumulations. The predicted increase of mass-wasting activity in the course of Arctic warming may increase SOC mobilisation and coastal erosion induced carbon fluxes. N2 - Die Erwärmung des arktischen Klimas beschleunigt das Tauen des Permafrosts. Das kann einen erheblichen Einfluss auf arktische Landschaften haben. Permafrostböden speichern große Mengen Kohlenstoff, der aufgrund von Umlagerungsprozessen wie beispielsweise Massenversatz mobilisiert und als Kohlendioxid oder Methan freigesetzt werden kann. Der Kohlenstoff im Boden kann auch durch Küstenerosion mobilisiert werden, die durch den Rückgang des arktischen Meereises und höhere Meerwassertemperaturen künftig stark zunehmen wird. Große Teile der arktischen Permafrostgebiete werden durch intensive Massenversatzprozesse wie Solifluktion, Rutschungen in der saisonalen Auftauschicht (active layer detachments) und rückschreitende Taurutschungen (retrogressive thaw slumps) gekennzeichnet. Unser Ziel ist es, den Einfluss dieser Massenbewegungen auf Kohlenstoffspeicher und Küstenerosion zu bewerten. Wir haben Auftauschicht- und Permafrostproben untersucht, um den Kohlenstoffspeicher für Herschel Island zu ermitteln. Wir verglichen ungestörtes Terrain mit durch Massenversatz gekennzeichnetem Terrain. Letzteres zeigte verringerte Bodenkohlenstoffspeicher und Materialverdichtung. Durch Akkumulation organischen Materials gekennzeichnete Lagen zeigten eine Zunahme des Kohlenstoffpeichers. Der Bodenkohlenstoffspeicher auf Herschel Insel korreliert außerdem deutlich mit der Lage in Senken und der Hangneigung. Der Kohlenstoffspeicher im Boden von Herschel Island ist etwa so hoch wie in vergleichbaren Landschaften im Nordwesten Kanadas und Alaskas. Wir schätzen ihn auf 34,8 kg C m-2. Wir ermittelten Küstenerosionsraten mit hochauflösenden Digitalen Geländemodellen (DGM). Dazu benutzten wir zwei LIDAR Aufnahmen der Yukon Küste aus den Jahren 2012 und 2013. Zwei DGMs mit 1 m horizontaler Auflösung wurden erzeugt und verwendet, um die Höhenunterschiede entlang der Küste zu analysieren. Wir fanden eine erhebliche räumliche Variabilität in kurzfristigen Küstenerosionsraten. Wir erklärten die hohe Variabilität mit der räumlichen Heterogenität des Vorkommens von Massenversatzprozessen. Besonders die sogenannten retrogressive thaw slumps bewirkten extrem hohe Erosionsraten an einigen Küstenabschnitten. Durch Strandversetzung wird erodiertes Sediment die Küste entlang transportiert und beeinflusst so nicht nur lokale Küstenprozesse, sondern auch benachbarte Küstenabschnitte. Um die längerfristige Entwicklung der Küste einschätzen zu können, haben wir volumetrische Erosionsraten aus dem Vergleich eines stereophotogrammetrisch abgeleiteten DGM aus dem Jahr 2004 mit unseren LIDAR DGMs errechnet. Planimetrische Erosionsraten wurden anhand von digitalisierten Küstenlinien aus Satellitenbildern berechnet. So konnte auch der Einfluss von volumetrischer und planimetrischer Erosion eingeschätzt werden. Wir fanden komplexe Zusammenhänge zwischen planimetrischer und volumetrischer Küstenerosion, die wir auf das gehäufte Auftreten von Massenversatzprozessen entlang einiger Küstenabschnitte zurückführen. Die Ergebnisse legen nahe, dass volumetrische Erosionsraten den beobachteten Umweltbedingungen besser entsprechen als planimetrische Erosionsraten und somit besser geeignet sind zur Einschätzung organischer Kohlenstoffflüsse in Permafrostgebieten entlang der arktischen Küsten. Massenversatz kann den Kohlenstoffspeicher im Boden mit verschiedenen Mechanismen verringern. Erhöhte Belüftung kann die mikrobielle Aktivität erhöhen, die den Abbau organischer Materie beschleunigt. Durch veränderte hydrologische Bedingungen nach Massenversatz können Stoffe aus der Auftauschicht ausgewaschen werden. Organikreiche Stoffe können auch direkt ins einem Meer in einen See erodiert werden. Andererseits kann die Akkumulation von umgelagertem Material zu einer Erhöhung des Bodenkohlenstoffspeichers an anderer Stelle führen. Die Akkumulation von Material aus Massenversatz kann erhebliche Auswirkungen auf die lokale Küstenerosion, durch Strandversetzung aber auch auf angrenzende Küstenabschnitte haben. Allein durch Beobachtung der Veränderung von Küstenlinien kann aufgrund solcher temporärer Ansammlungen die Einschätzung des tatsächlichen Sedimentverlustes pro Küstenabschnitt nicht präzise wiedergegeben werden. Im Zuge der prognostizierten Erwärmung der Arktis und der damit verbundene Zunahme von Massenversatzprozessen und Küstenerosion wird sich die Mobilisierung von Bodenkohlenstoff aus Permafrost zukünftig beschleunigen. KW - mass wasting KW - soil organic carbon KW - coastal erosion KW - Massenversatzprozesse KW - Kohlenstoffspeicher KW - Küstenerosion Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-90599 ER - TY - THES A1 - Bayer, Anita T1 - Methodological developments for mapping soil constituents using imaging spectroscopy T1 - Methodische Entwicklungen zur Kartierung von Bodenparametern mittels Abbildender Spektroskopie N2 - Climatic variations and human activity now and increasingly in the future cause land cover changes and introduce perturbations in the terrestrial carbon reservoirs in vegetation, soil and detritus. Optical remote sensing and in particular Imaging Spectroscopy has shown the potential to quantify land surface parameters over large areas, which is accomplished by taking advantage of the characteristic interactions of incident radiation and the physico-chemical properties of a material. The objective of this thesis is to quantify key soil parameters, including soil organic carbon, using field and Imaging Spectroscopy. Organic carbon, iron oxides and clay content are selected to be analyzed to provide indicators for ecosystem function in relation to land degradation, and additionally to facilitate a quantification of carbon inventories in semiarid soils. The semiarid Albany Thicket Biome in the Eastern Cape Province of South Africa is chosen as study site. It provides a regional example for a semiarid ecosystem that currently undergoes land changes due to unadapted management practices and furthermore has to face climate change induced land changes in the future. The thesis is divided in three methodical steps. Based on reflectance spectra measured in the field and chemically determined constituents of the upper topsoil, physically based models are developed to quantify soil organic carbon, iron oxides and clay content. Taking account of the benefits limitations of existing methods, the approach is based on the direct application of known diagnostic spectral features and their combination with multivariate statistical approaches. It benefits from the collinearity of several diagnostic features and a number of their properties to reduce signal disturbances by influences of other spectral features. In a following step, the acquired hyperspectral image data are prepared for an analysis of soil constituents. The data show a large spatial heterogeneity that is caused by the patchiness of the natural vegetation in the study area that is inherent to most semiarid landscapes. Spectral mixture analysis is performed and used to deconvolve non-homogenous pixels into their constituent components. For soil dominated pixels, the subpixel information is used to remove the spectral influence of vegetation and to approximate the pure spectral signature coming from the soil. This step is an integral part when working in natural non-agricultural areas where pure bare soil pixels are rare. It is identified as the largest benefit within the multi-stage methodology, providing the basis for a successful and unbiased prediction of soil constituents from hyperspectral imagery. With the proposed approach it is possible (1) to significantly increase the spatial extent of derived information of soil constituents to areas with about 40 % vegetation coverage and (2) to reduce the influence of materials such as vegetation on the quantification of soil constituents to a minimum. Subsequently, soil parameter quantities are predicted by the application of the feature-based soil prediction models to the maps of locally approximated soil signatures. Thematic maps showing the spatial distribution of the three considered soil parameters in October 2009 are produced for the Albany Thicket Biome of South Africa. The maps are evaluated for their potential to detect erosion affected areas as effects of land changes and to identify degradation hot spots in regard to support local restoration efforts. A regional validation, carried out using available ground truth sites, suggests remaining factors disturbing the correlation of spectral characteristics and chemical soil constituents. The approach is developed for semiarid areas in general and not adapted to specific conditions in the study area. All processing steps of the developed methodology are implemented in software modules, where crucial steps of the workflow are fully automated. The transferability of the methodology is shown for simulated data of the future EnMAP hyperspectral satellite. Soil parameters are successfully predicted from these data despite intense spectral mixing within the lower spatial resolution EnMAP pixels. This study shows an innovative approach to use Imaging Spectroscopy for mapping of key soil constituents, including soil organic carbon, for large areas in a non-agricultural ecosystem and under consideration of a partially vegetation coverage. It can contribute to a better assessment of soil constituents that describe ecosystem processes relevant to detect and monitor land changes. The maps further provide an assessment of the current carbon inventory in soils, valuable for carbon balances and carbon mitigation products. N2 - Klimatische und anthropogene Faktoren verursachen bereits jetzt und verstärkt in Zukunft Änderungen der Landbedeckung und Landnutzung natürlicher Ökosysteme, die sich direkt auf die terrestrischen Kohlenstoffspeicher in Vegetation, Böden und biogenen Resten auswirken. Optische Fernerkundung und im Besonderen die Abbildende Spektroskopie sind etablierte Methoden, die basierend auf der charakteristischen Wechselwirkung der Sonnenstrahlung mit physikalisch-chemischen Materialeigenschaften eine quantitative Abschätzung degradationsrelevanter Parameter der Landoberfläche erlauben. Das Ziel dieser Arbeit ist die Quantifizierung maßgeblicher Bodeninhaltsstoffe unter Verwendung von Feld- und abbildender Spektroskopie. Dabei stehen organischer Kohlenstoff, Eisenoxide und Ton im Fokus der Betrachtung, da ihre Gehalte im Boden als Indikatoren für Landoberflächenveränderungen verwendet werden können und ihre Analyse gleichzeitig eine direkte Abschätzung des bodengebundenen Kohlenstoffreservoirs ermöglicht. Das semiaride Albany Thicket in der östlichen Kapprovinz Südafrikas wurde als Arbeitsgebiet ausgewählt. Es steht beispielhaft für einen Naturraum, der sich gegenwärtig durch nicht angepasste Landnutzung verändert und der voraussichtlich auch in Zukunft hochfrequenten, durch den Klimawandel bedingten, Schwankungen unterliegen wird. Die Arbeit ist in drei methodische Schritte untergliedert. Die einzelnen Prozessierungsschritte der entwickelten Methodik sind in Softwaremodulen umgesetzt, in denen die wichtigsten Schritte voll automatisiert sind. Unter Verwendung von im Feld gemessenen Reflektanzspektren und chemisch bestimmten Gehalten der obersten Bodenschicht wird ein Modell zur Bestimmung der drei ausgewählten Bodenparameter erstellt. Der gewählte Ansatz basiert auf der direkten Verwendung bekannter spektraler Merkmale in Verbindung mit multivariaten Verfahren. In nächsten Schritt werden die großflächig aufgenommenen Hyperspektraldaten vorbereitet, die die für semiaride Räume typischen kleinräumigen Landbedeckungsänderungen wiederspiegeln. Auf subpixel-Basis erlaubt eine spektrale Entmischungsanalyse die Zerlegung nicht homogener Bildspektren in ihre spektralen Bestandteile. Dadurch kann für Pixel, die signifikante Anteile an unbedecktem Boden aufweisen, die reine spektrale Signatur des Bodens in Näherung bestimmt werden. Diese Vorgehensweise kennzeichnet einen wesentlichen Gewinn, da er eine Anwendung auf heterogene Naturräume abseits landwirtschaftlicher Flächen erlaubt, die Ausdehnung des Gültigkeitsbereichs, für den Bodeneigenschaften vorhergesagt werden können, deutlich steigert und den Einfluss von Fremdmaterialien wie Vegetation auf eine Bestimmung minimiert. Daran anknüpfend erfolgt die Vorhersage von Bodeninhaltsstoffen. Die räumliche Verteilung von organischem Kohlenstoff, Eisenoxiden und der Tongehalte wie sie sich im Oktober 2009 im südafrikanischen Albany Thicket darstellte, wurde in thematischen Karten erfasst. Sie wurden hinsichtlich ihres Potentials ausgewertet, Bereiche zu erkennen, die in Folge von Landbedeckungsänderungen von Erosion betroffen sind. Die vorliegende Arbeit zeigt einen innovativen Ansatz zur Verwendung Abbildender Spektroskopie zur Kartierung wichtiger Bodeneigenschaften in einem semiariden Naturraum. Die Methodik liefert einen Beitrag zur verbesserten Abschätzung ökosystemrelevanter Bodeneigenschaften sowie eine direkte Abschätzung vorhandener Kohlenstoffspeicher im Boden, Parameter, die zur Erkennung und Überwachung von Landbedeckungsänderungen verwendet werden können. KW - Bodenparameter KW - Abbildende Spektroskopie KW - organischer Kohlenstoff KW - Regressionsanalyse KW - lineare spektrale Entmischung KW - Imaging spectroscopy KW - soil constituents mapping KW - soil organic carbon KW - regression analysis KW - spectral unmixing Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64399 ER -