TY  - THES
A1  - Calitri, Francesca
T1  - Co-evolution of erosion rates, weathering and profile development in soil landscapes of hummocky ground moraines
N2  - Soil is today considered a non-renewable resource on societal time scale, as the rate of soil loss is higher than the one of soil formation.
Soil formation is complex, can take several thousands of years and is influenced by a variety of factors, one of them is time. Oftentimes, there is the assumption of constant and progressive conditions for soil and/or profile development (i.e., steady-state). In reality, for most of the soils, their (co-)evolution leads to a complex and irregular soil development in time and space characterised by “progressive” and “regressive” phases.
Lateral transport of soil material (i.e., soil erosion) is one of the principal processes shaping the land surface and soil profile during “regressive” phases and one of the major environmental problems the world faces.
Anthropogenic activities like agriculture can exacerbate soil erosion. Thus, it is of vital importance to distinguish short-term soil redistribution rates (i.e., within decades) influenced by human activities differ from long-term natural rates. To do so, soil erosion (and denudation) rates can be determined by using a set of isotope methods that cover different time scales at landscape level.
With the aim to unravel the co-evolution of weathering, soil profile development and lateral redistribution on a landscape level, we used Pluthonium-239+240 (239+240Pu), Beryllium-10 (10Be, in situ and meteoric) and Radiocarbon (14C) to calculate short- and long-term erosion rates in two settings, i.e., a natural and an anthropogenic environment in the hummocky ground moraine landscape of the Uckermark, North-eastern Germany. The main research questions were:
1. How do long-term and short-term rates of soil redistributing processes differ?
2. Are rates calculated from in situ 10Be comparable to those of using meteoric 10Be?
3. How do soil redistribution rates (short- and long-term) in an agricultural and in a natural landscape compare to each other?
4. Are the soil patterns observed in northern Germany purely a result of past events (natural and/or anthropogenic) or are they imbedded in ongoing processes?

Erosion and deposition are reflected in a catena of soil profiles with no or almost no erosion on flat positions (hilltop), strong erosion on the mid-slope and accumulation of soil material at the toeslope position. These three characteristic process domains were chosen within the CarboZALF-D experimental site, characterised by intense anthropogenic activities. Likewise, a hydrosequence in an ancient forest was chosen for this study and being regarded as a catena strongly influenced by natural soil transport.
The following main results were obtained using the above-mentioned range of isotope methods available to measure soil redistribution rates depending on the time scale needed (e.g., 239+240Pu, 10Be, 14C):
1. Short-term erosion rates are one order of magnitude higher than long-term rates in agricultural settings.
2. Both meteoric and in situ 10Be are suitable soil tracers to measure the long-term soil redistribution rates giving similar results in an anthropogenic environment for different landscape positions (e.g., hilltop, mid-slope, toeslope)
3. Short-term rates were extremely low/negligible in a natural landscape and very high in an agricultural landscape – -0.01 t ha-1 yr-1 (average value) and -25 t ha-1 yr-1 respectively. On the contrary, long-term rates in the forested landscape are comparable to those calculated in the agricultural area investigated with average values of -1.00 t ha-1 yr-1 and -0.79 t ha-1 yr-1.
4. Soil patterns observed in the forest might be due to human impact and activities started after the first settlements in the region, earlier than previously postulated, between 4.5 and 6.8 kyr BP, and not a result of recent soil erosion.
5. Furthermore, long-term soil redistribution rates are similar independently from the settings, meaning past natural soil mass redistribution processes still overshadow the present anthropogenic erosion processes.
Overall, this study could make important contributions to the deciphering of the co-evolution of weathering, soil profile development and lateral redistribution in North-eastern Germany. The multi-methodological approach used can be challenged by the application in a wider range of landscapes and geographic regions.
N2  - Boden wird heute im gesellschaftlichen Zeitmaßstab als nicht erneuerbare Ressource angesehen, da die Geschwindigkeit des Bodenverlusts höher ist als die der Bodenbildung. Bodenbildung ist komplex, kann mehrere tausend Jahre dauern und wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst, unter anderem Zeit. Häufig wird von konstanten und fortschreitenden Bedingungen für die Boden- und/oder Profilentwicklung (d. h. «Steady-State») ausgegangen. Tatsächlich führt ihre (Co-)Evolution bei den meisten Böden zu einer komplexen und zeitlich und räumlich unregelmäßigen Bodenentwicklung, die durch „progressive“ und „regressive“ Phasen gekennzeichnet ist.
Der laterale Transport von Bodenmaterial (d. h. Bodenerosion) ist einer der Hauptprozesse, der die Landoberfläche und das Bodenprofil während „rückläufiger“ Phasen bilden, und eines der größten Umweltprobleme, mit denen die Welt konfrontiert ist.
Anthropogene Aktivitäten wie die Landwirtschaft können die Bodenerosion verstärken. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, kurzfristige Bodenumverteilungsraten (d. h. innerhalb von Jahrzehnten), die durch menschliche Aktivitäten beeinflusst werden, von langfristigen natürlichen Raten zu unterscheiden. Zu diesem Zweck können Bodenerosions- (und Denudations-) Raten mithilfe einer Reihe von Isotopenmethoden bestimmt werden, die verschiedene Zeitskalen auf Landschaftsebene abdecken.
Mit dem Ziel, die Co-Evolution von Verwitterung, Bodenprofilentwicklung und lateraler Umverteilung auf Landschaftsebene aufzuklären, verwendeten wir Plutonium-239+240 (239+240Pu), Beryllium-10 (10Be, in situ und meteorisch) und Radiokohlenstoff (14C) zur Berechnung kurz- und langfristiger Erosionsraten in zwei Umgebungen: einer natürlichen und einer anthropogenen Umgebung in der hügeligen Grundmoränenlandschaft der Uckermark in Nordostdeutschland. Die wichtigsten Forschungsfragen waren:
1. Wie unterscheiden sich langfristige und kurzfristige Raten von Bodenumverteilungsprozessen? 
2. Sind die aus in situ 10Be berechneten Raten vergleichbar mit denen der Verwendung von meteorischem 10Be?
3. Wie verhalten sich Bodenumlagerungsraten (kurz- und langfristig) in einer Agrar- und in einer Naturlandschaft zueinander?
4. Sind die in Norddeutschland beobachteten Bodenmuster reine Folge vergangener Ereignisse (natürlich und/oder anthropogen) oder sind sie in laufende Prozesse eingebettet?
Erosion und Ablagerung spiegeln sich in einer Kette von Bodenprofilen mit keiner oder fast keiner Erosion auf flachen Positionen (Hügelkuppe), starker Erosion auf der Hangmitte und Anhäufung von Bodenmaterial am Hangfuss wider. Diese drei charakteristischen Prozessdomänen wurden innerhalb des CarboZALF-D-Versuchsstandorts ausgewählt, der durch intensive anthropogene Aktivitäten gekennzeichnet ist. Ebenso wurde für diese Studie eine Hydrosequenz in einem alten Wald ausgewählt, die als stark vom natürlichen Bodentransport beeinflusste Catena angesehen wird.
Die folgenden Hauptergebnisse wurden unter Verwendung der oben erwähnten Reihe von Isotopenmethoden erzielt, die zur Messung der Bodenumverteilungsraten in Abhängigkeit von der erforderlichen Zeitskala (z. B. 239+240Pu, 10Be, 14C) verfügbar sind: 
1. Im landwirtschaftlichen Umfeld sind kurzfristige Erosionsraten eine Größenordnung höher als langfristige Raten.
2. Sowohl meteorisches als auch in situ 10Be sind geeignete Bodenindikatoren, um die langfristigen Bodenumverteilungsraten zu messen. Sie liefern ähnliche Ergebnisse in einer anthropogenen Umgebung für verschiedene Landschaftspositionen (z. B. Hügelkuppe, Mittelhang, Hangfuss).
3. Die Kurzzeitraten waren in einer Naturlandschaft extrem niedrig/vernachlässigbar und in einer Agrarlandschaft sehr hoch – -0,01 t ha-1 Jahr-1 (Durchschnittswert) bzw. -25 t ha-1 Jahr- 1. Im Gegensatz dazu sind die langjährigen Belastungen in der Waldlandschaft vergleichbar mit den berechneten in der untersuchten landwirtschaftlichen Fläche mit Durchschnittswerten von -1,00 t ha-1 Jahr-1 und -0,79 t ha-1 Jahr-1.
4. Die im Wald beobachteten Bodenmuster könnten auf menschliche Einflüsse und Aktivitäten zurückzuführen sein, die nach den ersten Siedlungen in der Region begannen, und nicht auf die jüngste Bodenerosion. Diese Aktivitäten könnten früher als zuvor angenommen, zwischen 2’500 und 4’800 Jahren vor Christus, erfolgt sein.
5. Darüber hinaus sind die langfristigen Bodenumverteilungsraten unabhängig vom Umfeld ähnlich, was bedeutet, dass vergangene natürliche Bodenmassenumverteilungsprozesse immer noch die gegenwärtigen anthropogenen Erosionsprozesse überschatten.
Insgesamt konnte diese Studie wichtige Beiträge zur Entschlüsselung der Co-Evolution von Verwitterung, Bodenprofilentwicklung und lateraler Umverteilung in Nordostdeutschland leisten. Der verwendete multimethodische Ansatz kann durch die Anwendung in einem breiteren Spektrum von Landschaften und geografischen Regionen herausgefordert werden.
T2  - Co-Evolution von Erosionsraten, Verwitterung und Profilentwicklung in Bodenlandschaften hügeliger Grundmoränen
KW  - soil erosion
KW  - 239+240Plutonium
KW  - 10Be
KW  - Agricultural soils
KW  - Forest
KW  - Bodenerosion
KW  - 239+240Plutonium
KW  - 10Be
KW  - Landwirtschaftlicher Böden
KW  - Wald
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-601387
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Herbrich, Marcus
A1  - Gerke, Horst H.
A1  - Sommer, Michael
T1  - Root development of winter wheat in erosion-affected soils depending on the position in a hummocky ground moraine soil landscape
JF  - Journal of plant nutrition and soil science = Zeitschrift für Pflanzenernährung und Bodenkunde
N2  - Agricultural soil landscapes of hummocky ground moraines are characterized by 3D spatial patterns of soil types that result from profile modifications due to the combined effect of water and tillage erosion. We hypothesize that crops reflect such soil landscape patterns by increased or reduced plant and root growth. Root development may depend on the thickness and vertical sequence of soil horizons as well as on the structural development state of these horizons at different landscape positions. The hypotheses were tested using field data of the root density (RD) and the root lengths (RL) of winter wheat using the minirhizotron technique. We compared data from plots at the CarboZALF-D site (NE Germany) that are representing a non-eroded reference soil profile (Albic Luvisol) at a plateau position, a strongly eroded profile at steep slope (Calcaric Regosol), and a depositional profile at the footslope (Anocolluvic Regosol). At each of these plots, three Plexiglas access tubes were installed down to approx. 1.5 m soil depth. Root measurements were carried out during the growing season of winter wheat (September 2014-August 2015) on six dates. The root length density (RLD) and the root biomass density were derived from RD values assuming a mean specific root length of 100 m g(-1). Values of RD and RLD were highest for the Anocolluvic Regosol and lowest for the Calcaric Regosol. The maximum root penetration depth was lower in the Anocolluvic Regosol because of a relatively high and fluctuating water table at this landscape position. Results revealed positive relations between below-ground (root) and above-ground crop parameters (i.e., leaf area index, plant height, biomass, and yield) for the three soil types. Observed root densities and root lengths in soils at the three landscape positions corroborated the hypothesis that the root system was reflecting erosion-induced soil profile modifications. Soil landscape position dependent root growth should be considered when attempting to quantify landscape scale water and element balances as well as agricultural productivity.
KW  - minirhizotron
KW  - root density
KW  - root lengths density
KW  - root biomass
KW  - root penetration
KW  - soil erosion
KW  - soil horizonation
Y1  - 2018
U6  - https://doi.org/10.1002/jpln.201600536
SN  - 1436-8730
SN  - 1522-2624
VL  - 181
IS  - 2
SP  - 147
EP  - 157
PB  - Wiley-VCH
CY  - Weinheim
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Calitri, Francesca
A1  - Sommer, Michael
A1  - Norton, Kevin
A1  - Temme, Arnaud
A1  - Brandova, Dagmar
A1  - Portes, Raquel
A1  - Christl, Marcus
A1  - Ketterer, Mike E.
A1  - Egli, Markus
T1  - Tracing the temporal evolution of soil redistribution rates in an agricultural landscape using Pu239+240 and Be-10
JF  - Earth surface processes and landforms : the journal of the British Geomorphological Research Group
N2  - Two principal groups of processes shape mass fluxes from and into a soil: vertical profile development and lateral soil redistribution. Periods having predominantly progressive soil forming processes (soil profile development) alternate with periods having predominantly regressive processes (erosion). As a result, short‐term soil redistribution – years to decades – can differ substantially from long‐term soil redistribution; i.e. centuries to millennia. However, the quantification of these processes is difficult and consequently their rates are poorly understood. To assess the competing roles of erosion and deposition we determined short‐ and long‐term soil redistribution rates in a formerly glaciated area of the Uckermark, northeast Germany. We compared short‐term erosion or accumulation rates using plutonium‐239 and ‐240 (239+240Pu) and long‐term rates using both in situ and meteoric cosmogenic beryllium‐10 (10Be). Three characteristic process domains have been analysed in detail: a flat landscape position having no erosion/deposition, an erosion‐dominated mid‐slope, and a deposition‐dominated lower‐slope site. We show that the short‐term mass erosion and accumulation rates are about one order of magnitude higher than long‐term redistribution rates. Both, in situ and meteoric 10Be provide comparable results. Depth functions, and therefore not only an average value of the topsoil, give the most meaningful rates. The long‐term soil redistribution rates were in the range of −2.1 t ha‐1 yr‐1 (erosion) and +0.26 t ha‐1 yr‐1 (accumulation) whereas the short‐term erosion rates indicated strong erosion of up to 25 t ha‐1 yr‐1 and accumulation of 7.6 t ha‐1 yr‐1. Our multi‐isotope method identifies periods of erosion and deposition, confirming the ‘time‐split approach’ of distinct different phases (progressive/regressive) in soil evolution. With such an approach, temporally‐changing processes can be disentangled, which allows the identification of both the dimensions of and the increase in soil erosion due to human influence
KW  - soil erosion
KW  - Be-10
KW  - Pu239+240
KW  - temporal evolution
KW  - moraine landscape
KW  - agricultural soils
Y1  - 2019
U6  - https://doi.org/10.1002/esp.4612
SN  - 0197-9337
SN  - 1096-9837
VL  - 44
IS  - 9
SP  - 1783
EP  - 1798
PB  - Wiley
CY  - Hoboken
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Schmidt, Lena Katharina
A1  - Zimmermann, Alexander
A1  - Elsenbeer, Helmut
T1  - Ant mounds as a source of sediment in a tropical rainforest?
JF  - Hydrological processes
N2  - In Lutzito catchment on Barro Colorado Island, Panama, extraordinarily high suspended-sediment yields of 1-2Mgha-1year-1 were generated despite the dense forest cover coinciding with erosion-resistant soils. We hypothesized that ant mounding activity is an important zoogeomorphological mechanism in this area, providing relevant quantities of easily transportable material at the soil surface. To test this hypothesis, all ant mound material was collected collected for dry mass determination from thirty 4m2 plots installed in the study area every 1-3days during the 39-day sampling period. Additionally, three ground-nesting ant species responsible for mounds in the study area, Ectatomma ruidum, Trachymyrmex cornetzi and Strumigenys marginiventris, were identified. On the basis of the total of 1.38kg of material collected in the wet season of 2011, the estimate for the whole 8months wet season amounts to 725kgha-1. As this value is in the same order of magnitude as sediment output, it shows that ants may act as important ecosystem engineers and contribute to sediment production here by providing large quantities of fine-grained, readily erodible material at the soil surface for subsequent transport to the streambed. Copyright (c) 2014 John Wiley & Sons, Ltd.
KW  - ant mounds
KW  - soil erosion
KW  - sediment output
KW  - zoogeomorphology
Y1  - 2014
U6  - https://doi.org/10.1002/hyp.10222
SN  - 0885-6087
SN  - 1099-1085
VL  - 28
IS  - 13
SP  - 4156
EP  - 4160
PB  - Wiley-Blackwell
CY  - Hoboken
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hoffmann, Thomas
A1  - Schlummer, Manuela
A1  - Notebaert, Bastiaan
A1  - Verstraeten, Gert
A1  - Korup, Oliver
T1  - Carbon burial in soil sediments from Holocene agricultural erosion, Central Europe
JF  - Global biogeochemical cycles
N2  - Natural and human-induced erosion supplies high amounts of soil organic carbon (OC) to terrestrial drainage networks. Yet OC fluxes in rivers were considered in global budgets only recently. Modern estimates of annual carbon burial in inland river sediments of 0.6 Gt C, or 22% of C transferred from terrestrial ecosystems to river channels, consider only lakes and reservoirs and disregard any long-term carbon burial in hillslope or floodplain sediments. Here we present the first assessment of sediment-bound OC storage in Central Europe from a synthesis of similar to 1500 Holocene hillslope and floodplain sedimentary archives. We show that sediment storage increases with drainage-basin size due to more extensive floodplains in larger river basins. However, hillslopes retain hitherto unrecognized high amounts of eroded soils at the scale of large river basins such that average agricultural erosion rates during the Holocene would have been at least twice as high as reported previously. This anthropogenic hillslope sediment storage exceeds floodplain storage in drainage basins <10(5) km(2), challenging the notion that floodplains are the dominant sedimentary sinks. In terms of carbon burial, OC concentrations in floodplains exceed those on hillslopes, and net OC accumulation rates in floodplains (0.70.2 g C m(-2)a(-1)) surpass those on hillslopes (0.40.1 g C m(-2)a(-1)) over the last 7500 years. We conclude that carbon burial in floodplains and on hillslopes in Central Europe exceeds terrestrial carbon storage in lakes and reservoirs by at least 2 orders of magnitude and should thus be considered in continental carbon budgets.
KW  - soil organic carbon
KW  - human impact
KW  - soil erosion
KW  - hillslope
KW  - floodplain
KW  - deposition
Y1  - 2013
U6  - https://doi.org/10.1002/gbc.20071
SN  - 0886-6236
SN  - 1944-9224
VL  - 27
IS  - 3
SP  - 828
EP  - 835
PB  - American Geophysical Union
CY  - Washington
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kuhnert, Matthias
T1  - Quantifizierung von Oberflächenabfluss und Erosion auf Böden mit hydrophoben Eigenschaften
T1  - Quantification of surface runoff and soil erosion on water repellent soils
N2  - Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung hydrophober Bodeneigenschaften und deren Auswirkungen auf Oberflächenabfluss und Erosion auf verschiedenen Skalen. Die dazu durchgeführten Untersuchungen fanden auf einer Rekultivierungsfläche im Braunkohlegebiet Welzow Süd (Südostdeutschland) statt. Die Prozesse wurden auf drei Skalen untersucht, die von der Plotskala (1m²) über die Hangskala (300m²) bis zur Betrachtung eines kleinen Einzugsgebietes (4ha) reichen. Der Grad der hydrophoben Bodeneigenschaften wurde sowohl direkt, über die Bestimmung des Kontaktwinkel, als auch indirekt, über die Bestimmung der Persistenz, ermittelt. Dabei zeigte sich, dass der Boden im Winterhalbjahr hydrophil reagierte, während er im Sommerhalbjahr hydrophobe Bodeneigenschaften aufwies. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ansteigende Bodenwassergehalte, die in der Literatur häufig als Ursache für einen Wechsel der Bodeneigenschaften angegeben werden, auf dieser Fläche nicht zu einem Umbruch der Bodenbedingungen führen. Stattdessen kam es als Folge des Auftauens von gefrorenem Boden zu hydrophilen Bodeneigenschaften, die zu einem Anstieg des Bodenwassergehalts führten. Räumliche Unterschiede zeigten sich in den geomorphologischen Einheiten. Rinnen und Rillen wiesen seltener hydrophobe Eigenschaften als die Zwischenrillenbereiche und Kuppen auf. Diese räumlichen und zeitlichen Variabilitäten wirkten sich auch auf den Oberflächenabfluss aus, der als Abflussbeiwert (ABW: Quotient aus Abfluss und Niederschlag) untersucht wurde. Der ABW liegt auf Böden mit hydrophoben Bodeneigenschaften (ABW=0,8) deutlich höher als bei jenen mit hydrophilen Eigenschaften(ABW=0,2), wie sie im Winter oder auf anderem Substrat vorzufinden sind (diese Werte beziehen sich auf die Plotskala). Betrachtet man die Auswirkungen auf unterschiedlichen Skalen, nimmt der Abflussbeiwert mit zunehmender Flächengröße ab (ABW = 0,8 auf der Plotskala, ABW = 0,5 auf der Hangskala und ABW = 0,2 im gesamten Gebiet), was in den hydrophil reagierenden Rillen und Rinnen auf der Hangskala und dem hydrophilen Substrat im Einzugsgebiet begründet ist. Zur Messung der Erosion wurden verschiedene, zum Teil neu entwickelte Methoden eingesetzt, um eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung zu erreichen. Bei einer neu entwickelten Methode wird der Sedimentaustrag ereignisbezogen über eine Waage bestimmt. In Kombination mit einer Kippwaage ermöglicht sie die gleichzeitige Messung des Oberflächenabflusses. Die Messapparatur wurde für Gebiete entwickelt, die eine überwiegend grobsandige Textur aufweisen und nur geringe Mengen Ton und Schluff enthalten. Zusätzlich wurden zwei Lasersysteme zur Messung der räumlichen Verteilung der Erosion eingesetzt. Für die erste Methode wurde ein punktuell messender Laser in einer fest installierten Apparatur über die Fläche bewegt und punktuell Höhenunterschiede in einem festen Raster bestimmt. Durch Interpolation konnten Bereiche mit Sedimentabtrag von Akkumulationsbereiche unterschieden werden. Mit dieser Methode können auch größere Flächen vermessen werden (hier 16 m²), allerdings weisen die Messungen in den Übergangsbereichen von Rinne zu Zwischenrille große Fehler auf. Bei der zweiten Methode wird mit einer Messung ein Quadratmeter mit einer hohen räumlichen Auflösung komplett erfasst. Um ein dreidimensionales Bild zu erstellen, müssen insgesamt vier Aufnahmen von jeweils unterschiedlichen Seiten aufgenommen werden. So lassen sich Abtrag und Akkumulation sehr genau bestimmen, allerdings ist die Messung relativ aufwendig und erfasst nur eine kleine Fläche. Zusätzlich wurde der Sedimentaustrag noch auf der Plotskala erfasst. Die Messungen zeigen, korrespondierend zu den Bodeneigenschaften, große Sedimentausträge während des Sommerhalbjahrs und kaum Austräge im Winter. Weiterhin belegen die Ergebnisse eine größere Bedeutung der Rillenerosion gegenüber der Zwischenrillenerosion für Niederschlagsereignisse hoher Intensität (>25 mm/h in einem zehnminütigem Intervall). Im Gegensatz dazu dominierte die Zwischenrillenerosion bei Ereignissen geringerer Intensität (<20 mm/h in einem zehnminütigem Intervall), wobei mindestens 9 mm Niederschlag in einer Intensität von mindesten 3,6 mm/h nötig sind, damit es zur Erosion kommt. Basierend auf den gemessenen Abflüssen und Sedimentausträgen wurden Regressiongleichungen abgeleitet, die eine Berechnung dieser beiden Prozesse für die untersuchte Fläche ermöglichen. Während die Menge an Oberflächenabfluss einen starken Zusammenhang zu der Menge an gefallenem Niederschlag zeigt (r² = 0,9), ist die Berechnung des ausgetragenen Sedimentes eher ungenau (r² = 0,7). Zusammenfassend beschreibt die Arbeit Einflüsse hydrophober Bodeneigenschaften auf verschiedenen Skalen und arbeitet die Auswirkungen, die vor allem auf der kleinen Skala von großer Bedeutung sind, heraus.
N2  - The objective of the thesis is the investigation of water repellent soil conditions and their consequences on surface runoff and erosion by water on different scales. The test site is a lignite mining area situated in Welzow Süd (south east Germany). The processes are to investigate on three different scales, starting with a plot scale (1 m²), then a hill slope scale (300 m²) and, finally, with a small catchment area (4 ha). The level of water repellency was quantified by both direct (contact angle) and indirect measurement (persistence of the soil). The results show seasonal differences with hydrophilic soil conditions during winter and water repellent reactions during summer. For this change in soil conditions, the soil water content is pronounced in literature to be the most important factor. On the test site, the soil water content changed instead as a consequence of the thawing of the soil which affects the hydrophilic conditions of the soil itself. The spatial differences of the soil water content are related to rill and channel areas (hydrophillic) and to knoll areas (water repellent). Both the spatial as well as the temporal variation of the soil conditions affect surface runoff which is investigated as a runoff coefficient (RC: ratio of amount of surface runoff to amount of precipitation). The RC shows higher values on soil with water repellent conditions (RC=0.8) in comparison with the values on hydrophilic soils (RC=0.2). The hydrophilic conditions predominate in areas with different substrates and during the winter. Observations on different scales show a decreasing RC as the size of the area increases (RC = 0.8 on the plot scale, RC = 0.5 on the hill slope scale and RC = 0.2 for the entire catchment area). The reasons for this are the hydrophilic rill in the hill slope area and the hydrophilic substrate in the entire catchment area. The measurement of erosion, based on different methods, some of them just newly developed, quantifies in a good resolution sediment transport spatially as well as temporally. The central part of one of the newly developed approaches is a balance which quantifies an event based sediment output. This approach is coupled with a tipping bucket to measure surface runoff. The system has been developed for coarse textured areas with little amounts of sand and silt. Additionally, two laser systems are used to detect changes in the soil surface over the spatial distribution. The first method contains a laser which measures only a single point and has to be moved in a fixed apparatus above the soil surface in a well defined raster. The areas of sediment abrasion and the detachment areas are restricted by interpolation of the measurement results. This method enables measurements on large areas (16 m² in this project), but tends to result in a high level of errors in the transition zone between rill and interrill. The second laser system covered an area of 1 m² in high resolution. To construct a three-dimensional picture, four different pictures have to be taken from four different directions. This defines the abrasion and detachment areas in a very detailed manner, but the method is very time-consuming and covers only a small area. In addition, measurements on the plots collected the amount of sediment output on a small scale. These results show, corresponding to the water repellent soil conditions, high rates of sediment output during summer, but low rates during winter season. The results show also the dominance of rill erosion in comparison with interrill erosion during high intensity rainfall events (>25 mm/h during one interval of ten minutes). On the contrary, interrill erosion becomes more important during low intensity rainfall events (<20 mm/h during at one interval of ten minutes). At least a 9 mm amount of precipitation with a minimum intensity of 3.6 mm/h is necessary to provoke erosion on this test site. Based on the measurement results regression empirical equations were developed to quantify surface runoff and sediment output. While, surface runoff correlates well with the amount of precipitation (r² = 0,9), sediment output shows little correlation to the amount and intensity of the precipitation (r² = 0,7). In summary, the thesis described effects of water repellent soil conditions on surface runoff and erosion on different scales. The effects on the smaller scales especially are of high interest to hydrological processes.
KW  - Oberflächenabfluss
KW  - Erosion
KW  - Hydrophobie
KW  - Messmethoden
KW  - Hangskala
KW  - surfac runoff
KW  - soil erosion
KW  - hydrophobicity
KW  - measurements
KW  - hill slope scale
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32871
ER  - 
TY  - THES
A1  - Klisch, Anja
T1  - Ableitung von Blattflächenindex und Bedeckungsgrad aus Fernerkundungsdaten für das Erosionsmodell EROSION 3D
N2  - In den letzten Jahren wurden relativ komplexe Erosionsmodelle entwickelt, deren Teilprozesse immer mehr auf physikalisch begründeten Ansätzen beruhen. Damit verbunden ist eine höhere Anzahl aktueller Eingangsparameter, deren Bestimmung im Feld arbeits- und kostenaufwendig ist. Zudem werden die Parameter punktuell, also an bestimmten Stellen und nicht flächenhaft wie bei der Fernerkundung, erfasst.   Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, wie Satellitendaten als relativ kostengünstige Ergänzung oder Alternative zur konventionellen Parametererhebung genutzt werden können. Dazu werden beispielhaft der Blattflächenindex (LAI) und der Bedeckungsgrad für das physikalisch begründete Erosionsmodell EROSION 3D abgeleitet. Im Mittelpunkt des Interesses steht dabei das Aufzeigen von existierenden Methoden, die die Basis für eine operationelle Bereitstellung solcher Größen nicht nur für Erosions- sondern allgemein für Prozessmodelle darstellen. Als Untersuchungsgebiet dient das primär landwirtschaftlich genutzte Einzugsgebiet des Mehltheuer Baches, das sich im Sächsischen Lößgefilde befindet und für das Simulationsrechnungen mit konventionell erhobenen Eingangsparametern für 29 Niederschlagsereignisse im Jahr 1999 vorliegen [MICHAEL et al. 2000].  Die Fernerkundungsdatengrundlage bilden Landsat-5-TM-Daten vom 13.03.1999, 30.04.1999 und 19.07.1999. Da die Vegetationsparameter für alle Niederschlagsereignisse vorliegen sollen, werden sie basierend auf der Entwicklung des LAI zeitlich interpoliert. Dazu erfolgt zunächst die Ableitung des LAI für alle vorhandenen Fruchtarten nach den semi-empirischen Modellen von CLEVERS [1986] und BARET & GUYOT [1991] mit aus der Literatur entnommenen Koeffizienten. Des Weiteren wird eine Methode untersucht, nach der die Koeffizienten für das Clevers-Modell aus den TM-Daten und einem vereinfachten Wachstumsmodell bestimmt werden. Der Bedeckungsgrad wird nach ROSS [1981] aus dem LAI ermittelt. Die zeitliche Interpolation des LAI wird durch die schlagbezogene Anpassung eines vereinfachten Wachstumsmodells umgesetzt, das dem hydrologischen Modell SWIM [KRYSANOVA et al. 1999] entstammt und in das durchschnittliche Tagestemperaturen eingehen. Mit den genannten Methoden bleiben abgestorbene Pflanzenteile unberücksichtigt. Im Vergleich zur konventionellen terrestrischen Parametererhebung ermöglichen sie eine differenziertere Abbildung räumlicher Variabilitäten und des zeitlichen Verlaufes der Vegetationsparameter.  Die Simulationsrechnungen werden sowohl mit den direkten Bedeckungsgraden aus den TM-Daten (pixelbezogen) als auch mit den zeitlich interpolierten Bedeckungsgraden für alle Ereignisse (schlagbezogen) durchgeführt. Bei beiden Vorgehensweisen wird im Vergleich zur bisherigen Abschätzung eine Verbesserung der räumlichen Verteilung der Parameter und somit eine räumliche Umverteilung von Erosions- und Depositionsflächen erreicht. Für die im Untersuchungsgebiet vorliegende räumliche Heterogenität (z. B. Schlaggröße) bieten Landsat-TM-Daten eine ausreichend genaue räumliche Auflösung. Damit wird nachgewiesen, dass die satellitengestützte Fernerkundung im Rahmen dieser Untersuchungen sinnvoll einsetzbar ist. Für eine operationelle Bereitstellung der Parameter mit einem vertretbaren Aufwand ist es erforderlich, die Methoden weiter zu validieren und möglichst weitestgehend zu automatisieren.
N2  - Soil erosion models become increasingly more complex and contain physically based components, resulting in changing requirements for their input parameters. The spatial and temporal dynamics of erosions forcing parameters thus produce high requirements on data availability (costs and manpower). Due to this fact, the use of complex erosion models for extensive regions is strongly limited by the high in-situ expense. Moreover, conventional measurement procedures provide parameters at certain points, while remote sensing is a two-dimensional retrieval method.  This thesis demonstrates, how satellite data can be used as a cost-effective supplementation or alternative to conventional measurement procedures. Leaf area index (LAI) and soil cover percentage are examplarily derived for the EROSION 3D physically based soil erosion model. The main objective of this study is to summarise existing retrieval methods in order to operationally provide such paramaters for soil erosion models or for process models in general. The methods are applied to a catchment in the loess region in Saxony (Germany), that predominantly is agriculturally used. For comparison, simulations based on conventionally estimated parameters for 29 rainstorm events are available [MICHAEL et al. 2000].   The remote sensing parameters are derived from Landsat 5 TM data on the following dates: 13.03.1999, 30.04.1999, 19.07.1999. To get temporally continuous data for all events, they are interpolated between the acquisition dates based on the LAI development. Therefore, LAI is firstly calculated for all occurring crops by means of the semi-empirical models of CLEVERS [1986] and BARET & GUYOT [1991]. The coefficients appropriated to these models are taken from literature. Furthermore, a method is investigated that enables coefficient estimation for the Clevers model from Landsat data combined with a simplified growth model. Next, soil cover percentage is derived from LAI after ROSS [1981]. The LAI interpolation is performed by the simplified crop growth model from the SWIM hydrological model [Krysanova et al. 1999]. It has to be mentioned, that plant residue remains unconsidered by the used methods. In comparison to conventional measurement procedures, these methods supply a differentiated mapping of the spatial variability and temporal behaviour regarding the vegetation parameters.  The simulations with EROSION 3D are carried out for the remotely sensed soil cover percentages, that are retrieved in two ways. Soil cover is directly derived from the remote sensing data for each pixel at the acquisition dates as well as estimated by means of the interpolation for each field on all rainstorm events. In comparison to conventionally determined soil cover, both methods provide an improved spatial allocation of this parameter and thus, a spatial reallocation of erosion and deposition areas. The used Landsat Data provide an adequate spatial resolution suitable for the spatial heterogeneity given in the test area (e. g. field size). These results show that satellite based remote sensing can be reasonably used within the scope of these investigations. In the future, operational retrieval of such remotely sensed parameters necessitates the validation of the proposed methods and in general the automation of involved sub-processes to the greatest possible extent
KW  - Fernerkundung
KW  - Blattflächenindex
KW  - Bedeckungsgrad
KW  - Bodenerosion
KW  - EROSION 3D
KW  - remote sensing
KW  - leaf area index
KW  - soil cover percentage
KW  - soil erosion
KW  - EROSION 3D
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001455
ER  -