TY  - THES
A1  - Hunke, Philip Paul
T1  - The Brazilian Cerrado: ecohydrological assessment of water and soil degradation in heavily modified meso-scale catchments
T1  - Der brasilianische Cerrado: ökohydrologische Analyse von Boden- und Wasserdegradierung in intensiv landwirtschaftlich genutzten mesoskaligen Einzugsgebieten
N2  - The Brazilian Cerrado is recognised as one of the most threatened biomes in the world, as the region has experienced a striking change from natural vegetation to intense cash crop production. The impacts of rapid agricultural expansion on soil and water resources are still poorly understood in the region. Therefore, the overall aim of the thesis is to improve our understanding of the ecohydrological processes causing water and soil degradation in the Brazilian Cerrado. 
I first present a metaanalysis to provide quantitative evidence and identifying the main impacts of soil and water alterations resulting from land use change. Second, field studies were conducted to (i) examine the effects of land use change on soils of natural cerrado transformed to common croplands and pasture and (ii) indicate how agricultural production affects water quality across a meso-scale catchment. Third, the ecohydrological process-based model SWAT was tested with simple scenario analyses to gain insight into the impacts of land use and climate change on the water cycling in the upper São Lourenço catchment which experienced decreasing discharges in the last 40 years.
Soil and water quality parameters from different land uses were extracted from 89 soil and 18 water studies in different regions across the Cerrado. Significant effects on pH, bulk density and available P and K for croplands and less-pronounced effects on pastures were evident. Soil total N did not differ between land uses because most of the cropland sites were N-fixing soybean cultivations, which are not artificially fertilized with N. By contrast, water quality studies showed N enrichment in agricultural catchments, indicating fertilizer impacts and potential susceptibility to eutrophication. Regardless of the land use, P is widely absent because of the high-fixing capacities of deeply weathered soils and the filtering capacity of riparian vegetation. Pesticides, however, were consistently detected throughout the entire aquatic system. In several case studies, extremely high-peak concentrations exceeded Brazilian and EU water quality limits, which pose serious health risks. 
My field study revealed that land conversion caused a significant reduction in infiltration rates near the soil surface of pasture (–96 %) and croplands (–90 % to –93 %). Soil aggregate stability was significantly reduced in croplands than in cerrado and pasture. Soybean crops had extremely high extractable P (80 mg kg–1), whereas pasture N levels declined. A snapshot water sampling showed strong seasonality in water quality parameters. Higher temperature, oxi-reduction potential (ORP), NO2–, and very low oxygen concentrations (<5 mg•l–1) and saturation (<60 %) were recorded during the rainy season. By contrast, remarkably high PO43– concentrations (up to 0.8 mg•l–1) were measured during the dry season. Water quality parameters were affected by agricultural activities at all sampled sub-catchments across the catchment, regardless of stream characteristic. Direct NO3– leaching appeared to play a minor role; however, water quality is affected by topsoil fertiliser inputs with impact on small low order streams and larger rivers. Land conversion leaving cropland soils more susceptible to surface erosion by increased overland flow events.
In a third study, the field data were used to parameterise SWAT. The model was tested with different input data and calibrated in SWAT-CUP using the SUFI-2 algorithm. The model was judged reliable to simulate the water balance in the Cerrado. A complete cerrado, pasture and cropland cover was used to analyse the impact of land use on water cycling as well as climate change projections (2039–2058) according to the projections of the RCP 8.5 scenario. The actual evapotranspiration (ET) for the cropland scenario was higher compared to the cerrado cover (+100 mm a–1). Land use change scenarios confirmed that deforestation caused higher annual ET rates explaining partly the trend of decreased streamflow. Taking all climate change scenarios into account, the most likely effect is a prolongation of the dry season (by about one month), with higher peak flows in the rainy season. Consequently, potential threats for crop production with lower soil moisture and increased erosion and sediment transport during the rainy season are likely and should be considered in adaption plans. 
From the three studies of the thesis I conclude that land use intensification is likely to seriously limit the Cerrado’s future regarding both agricultural productivity and ecosystem stability. Because only limited data are available for the vast biome, we recommend further field studies to understand the interaction between terrestrial and aquatic systems. This thesis may serve as a valuable database for integrated modelling to investigate the impact of land use and climate change on soil and water resources and to test and develop mitigation measures for the Cerrado in the future.
N2  - Ökohydrologische Interaktionen in Folge von exzessiver Bodenerosion auf landwirtschaftlich stark modifizierten Flächen können speziell in tropischen Gebieten einen großen Einfluss auf die Fruchtbarkeit und zukünftige Nutzbarkeit der Böden haben, wie dies im Cerrado geschieht. Der brasilianische Cerrado ist eine neotropische Savanne und stellt mit 2 Mio. km² das zweitgrößte Biom Südamerikas dar. Das Biom wird global unter den bedeutendsten aber auch meist gefährdetsten 25 Biodiversitätshotspots gelistet. Ein extremer Landnutzungswandel führt dazu, dass der Cerrado zu den weltweit bedeutendsten landwirtschaftlichen Gebieten zählt und mittlerweile > 50 % des Bioms abgeholzt sind. Durch staatliche Subventionsprogramme, Aufkalkung und Düngung der Böden werden mehrere Ernten (v.a. Soja, Mais, Zuckerrohr und Baumwolle) pro Jahr bei hohem Ertrag realisiert. 
Aufgrund weniger Untersuchungen ist bisher unklar, wie sich die Landnutzungsintensivierung mit dem Einsatz großer Mengen an Agrochemikalien auf die Boden- und Wasserressourcen auswirkt. Um die Zielsetzung zu erreichen, wurden in einer umfassenden Metaanalyse Boden- und Wasserqualitätsparameter von mehr als 100 Einzelstudien analysiert, mehrere Feldkampagnen zur Erhebung bodenphysikochemischer und Wasserqualitätsparameter für unterschiedliche Landnutzungen durchgeführt und Modellierungen mit SWAT zur Abschätzung des Landnutzungs- und Klimawandels vorgenommen. 
Die Literaturanalyse konnte zeigen, dass Erosion, Veränderungen des Nährstoffkreislaufs, Nährstoffanreicherungen und sehr hohe Pestizidkonzentrationen in den Gewässern des gesamten Cerrado auftreten, mit stärkster Ausprägung für Ackerflächen. Trotz hoher Düngemengen wird festgestellt, dass P nur in sehr geringen Konzentrationen in den Gewässern nachgewiesen wird, welches auf die P-Fixierung der Böden und die Filterleistung der Uferrandstreifen zurückzuführen ist. In einer Feldstudie bestätigen sich die Ergebnisse, dass der Landnutzungswandel zu deutlichen Änderungen der boden-physikochemischen Parameter führt, wie z.B. einer signifikanten Abnahme der hydraulischen Leitfähigkeit (> –90 %) und der Bodenaggregatstabilität. Außerdem werden erhöhte pH-Werte und Überdüngung anzeigende P und K-gehalte im Oberboden (9-fach natürlicher Hintergrund) mit der stärksten Ausprägung unter Soja gemessen. Die Niederschlagsintensitäten überschreiten die Infiltrationskapazität der landwirtschaftlich genutzten Böden, wodurch es zu erhöhtem Oberflächenabfluss, Bodenerosionsereignissen mit Gullyformierungen kommt und der Eintrag von Agrochemikalien in die zuvor pristinen Gewässer begünstigt wird. Verglichen mit natürlichen Gewässern konnten im gesamten Einzugsgebiet niedrigere O2-Werte (< 5 mg l–1) sowie erhöhte NO3– (0.5 mg l–1), NO2– (0.1 mg l–1) und in der Trockenzeit auf direkte Düngung zurückzuführende sehr hohe PO43– (0.8 mg l–1) Konzentrationen festgestellt werden. Da in den Bodenprofilen keine Tiefenakkumulation von NPK nachgewiesen wurde ist davon auszugehen, dass Dünger durch Oberflächenabflussprozesse in das Flusssystem gelangen. Auch wenn die Nährstoffkonzentrationen nach europäischen Maßstäben gering sind, ist anzunehmen, dass in einem nährstofflimitierten System wie dem Cerrado die um ein vielfach erhöhte Konzentration der natürlichen Hintergrundwerte den Metabolismus der Gewässer negativ beeinflusst. 
In einer dritten Studie wird mit SWAT untersucht wie sich der Landnutzungs- und Klimawandel auf die Wasserbilanz auswirkt. In Testläufen zeigt sich, dass sowohl die verwendeten Niederschlagseingangsdaten als auch die Vegetationsparameter des natürlichen Cerrados von hoher Relevanz sind. Die Simulation verschiedener Landnutzungsszenarien belegt, dass die im Gebiet beobachteten abnehmenden Abflüsse auf die Zunahme landwirtschaftlicher Produktion und einer damit einhergehenden Zunahme der Evapotranspiration zurückzuführen sind. Die Simulation extremer Klimaszenarien (RCP 8.5 2039-2058) verdeutlicht, dass sich die Trockenzeit verlängert, welches Auswirkungen auf die Aussaattermine haben könnte. Gleichzeitig nehmen die Spitzenabflüsse in der Regenzeit zu, welches ohne entsprechende Gegenmaßnahmen zu erhöhter Erosion und gesteigertem Nähr- und Schadstofftransport in die Gewässer führt. 
Kombiniert mit einer weiteren Landnutzungsintensivierung wird für die zukünftige Entwicklung des Cerrado geschlussfolgert, dass die Veränderungen des Wasser- und Nährstoffhaushalt durch die Landwirtschaft und die damit einhergehenden Degradierungserscheinungen die Produktivität und Ökosystemstabilität nicht dauerhaft gewährleisten werden können. Die vorliegende Dissertation liefert einen zentralen Beitrag zur ökohydrologischen Bewertung des Status quo und der zukünftigen Entwicklung des brasilianischen Cerrados. Sie kann einen Ausgangspunkt für weitere Forschungen und Modellierungen darstellen, um die in dieser Arbeit benannten offenen Fragen hinsichtlich der ökohydrologischen Interaktionen zu klären.
KW  - Cerrado
KW  - ecohydrology
KW  - water
KW  - soil
KW  - deforestation
KW  - Cerrado
KW  - Ökohydrologie
KW  - Landnutzung
KW  - Boden
KW  - Wasser
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-85110
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rohrmann, Alexander
T1  - The role of wind and water in shaping earth's plateaus
T1  - Die Rolle von Wind und Wasser bei der Bildung von Hochplateaus der Erde
N2  - The overarching goal of this dissertation is to provide a better understanding of the role of wind and water in shaping Earth’s Cenozoic orogenic plateaus - prominent high-elevation, low relief sectors in the interior of Cenozoic mountain belts. In particular, the feedbacks between surface uplift, the build-up of topography and ensuing changes in precipitation, erosion, and vegetation patterns are addressed in light of past and future climate change. Regionally, the study focuses on the two world’s largest plateaus, the Altiplano-Puna Plateau of the Andes and Tibetan Plateau, both characterized by average elevations of >4 km. Both plateaus feature high, deeply incised flanks with pronounced gradients in rainfall, vegetation, hydrology, and surface processes. These characteristics are rooted in the role of plateaus to act as efficient orographic barriers to rainfall and to force changes in atmospheric flow.
The thesis examines the complex topics of tectonic and climatic forcing of the surface-process regime on three different spatial and temporal scales: (1) bedrock wind-erosion rates are quantified in the arid Qaidam Basin of NW Tibet over millennial timescales using cosmogenic radionuclide dating; (2) present-day stable isotope composition in rainfall is examined across the south-central Andes in three transects between 22° S and 28° S; these data are modeled and assessed with remotely sensed rainfall data of the Tropical Rainfall Measuring Mission and the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer; (3) finally, a 2.5-km-long Mio-Pliocene sedimentary record of the intermontane Angastaco Basin (25°45’ S, 66°00’ W) is presented in the context of hydrogen and carbon compositions of molecular lipid biomarker, and oxygen and carbon isotopes obtained from  pedogenic carbonates; these records are compared to other environmental proxies, including hydrated volcanic glass shards from volcanic ashes intercalated in the sedimentary strata.
There are few quantitative estimates of eolian bedrock-removal rates from arid, low relief landscapes. Wind-erosion rates from the western Qaidam Basin based on cosmogenic 10Be measurements document erosion rates between 0.05 to 0.4 mm/yr. This finding indicates that in arid environments with strong winds, hyperaridity, exposure of friable strata, and ongoing rock deformation and uplift, wind erosion can outpace fluvial erosion. Large eroded sediment volumes within the Qaidam Basin and coeval dust deposition on the Chinese Loess plateau, exemplify the importance of dust production within arid plateau environments for marine and terrestrial depositional processes, but also health issues and fertilization of soils.
In the south-central Andes, the analysis of 234 stream-water samples for oxygen and hydrogen reveals that areas experiencing deep convective storms do not show the commonly observed patterns of isotopic fractionation and the expected co-varying relationships between oxygen and hydrogen with increasing elevation. These convective storms are formed over semi-arid intermontane basins in the transition between the broken foreland of the Sierras Pampeanas, the Eastern Cordillera, and the Puna Plateau in the interior of the orogen. Here, convective rainfall dominates the precipitation budget and no systematic stable isotope-elevation relationship exists.  Regions to the north, in the transition between the broken foreland and the Subandean foreland fold-and-thrust belt, the impact of convection is subdued, with lower degrees of storminess and a stronger expected isotope-elevation relationship. This finding of present-day fractionation trends of meteoric water is of great importance for paleoenvironmental studies in attempts to use stable isotope relationships in the reconstruction of paleoelevations. 
The third part of the thesis focuses on the paleohydrological characteristics of the Mio-Pliocene (10-2 Ma) Angastaco Basin sedimentary record, which reveals far-reaching environmental changes during Andean uplift and orographic barrier formation. A precipitation- evapotranspiration record identifies the onset of a precipitation regime related to the South American Low Level Jet at this latitude after 9 Ma. Humid foreland conditions existed until 7 Ma, followed by orographic barrier uplift to the east of the present-day Angastaco Basin. This was superseded by rapid (~0.5 Myr) aridification in an intermontane basin, highlighting the effects of eastward-directed deformation. A transition in vegetation cover from a humid C3 forest ecosystem to semi-arid C4-dominated vegetation was coeval with continued basin uplift to modern elevations.
N2  - Das übergreifende Ziel dieser Dissertation ist es, ein besseres Verständnis des Einflusses von Wind und Wasser auf die Entstehung orogener Plateaus im Känozoikum zu erlangen. Orogene Plateaus sind hochgelegene, durch geringes Relief und oft endorheische Entwässerung charakterisierte trockene Hochgebirgsregionen. In dieser Arbeit wird vor allem die Rückkopplung zwischen tektonischer Hebung, dem Aufbau von Relief und den daraus resultierenden Veränderungen des Niederschlags, der Erosion und variierenden Vegetationsmustern im Zusammenhang mit vergangenen und zukünftigen Klimaveränderungen untersucht. Der regionale Fokus dieser Arbeit liegt auf den zwei größten Plateaus der Erde, das Altiplano-Puna-Plateau in den Anden und das Tibet Plateau. Beide besitzen eine durchschnittliche Höhe von > 4 km. Als effiziente orographische Barrieren und „Heizflächen“ beeinflussen Plateaus großräumig die atmosphärische Zirkulation und bewirken somit ausgeprägte Gradienten in Niederschlag, Vegetation, Hydrologie und Oberflächenprozessen.
	Vor diesem Hintergrund untersucht diese Arbeit das komplexe Zusammenspiel zwischen Tektonik und Klima und damit verbundene Auswirkungen auf Erdoberflächenprozesse auf drei verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen: (1) die Quantifizierung von Wind-Erosionsraten im Festgestein des ariden Qaidam-Beckens von Nordwest-Tibet mittels kosmogener Nukliddatierungen über Zeiräume von mehreren 103 Jahren; (2) die heutige Isotopenzusammensetzung von Niederschläge wird entlang von drei Transekten über die Südzentralanden zwischen 22° und 28° S ermittelt; diese Daten werden modelliert und der Niederschlag mit satellitenbasierten Fernerkundungsdaten der Tropical Rainfall Measuring Mission und des Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer ausgewertet; (3) eine 2,5 km mächtige mio-pliozäne Sedimentabfolge des intermontanen Angastaco-Beckens (25°45’ S, 66°00’ W) wird auf die Wasserstoff- und Kohlenstoffzusammensetzungen von molekularen Blattwachsen und hinsichtlich der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie von Bodenkarbonaten untersucht; diese Datensätze werden mit anderen Umweltindikatoren verglichen, u.a. mit hydratisierten Gläsern vulkanischer Aschen, die in der Sedimentabfolge aufgeschlossen sind.
Es gibt nur wenige quantitative Abschätzungen von Winderosionsraten im Festgestein arider Gebiete mit geringem Relief. Kosmogene 10Be-Messungen im westlichen Qaidam-Becken dokumentieren Erosionsraten zwischen 0,05 bis 0,4 mm/a. Diese Resultate zeigen, dass in ariden Gebieten mit hohen Windgeschwindigkeiten, leicht erodierbaren Gesteinen und andauernder Deformation und Hebung, Wind-Erosionsprozesse die Denudationsraten der fluvialen Erosion bei weitem übersteigen kann. Das große Volumen erodierter Gesteine im Qaidam-Becken und die gleichzeitige Lössablagerung im chinesischen Löss-Plateau veranschaulichen die wichtige Rolle der äolischen Sedimentproduktion in ariden Plateaugebieten und unterstreichen deren Bedeutung für marine und terrestrische Ablagerungsprozesse sowie Nährstoffeinträge in Böden und respiratorische Gesundheitsprobleme. 
	Die Analyse der Sauerstoff- und Wasserstoffisotopie von 234 Flusswasserproben aus den Südzentralanden belegt, dass Gebiete mit starken konvektiven meteorologischen Ereignissen nicht die erwarteten Isotopenmuster zwischen der Abnahme der Isotopie und der Höhe aufweisen.  Diese konvektiven Ereignisse werden über semiariden intermontanen Becken in der Übergangszone zwischen dem zerbrochenen Vorland der Sierras Pampeanas, der Ostkordillere und dem Puna-Plateau im Inneren des Orogens gebildet. Konvektiver Niederschlag dominiert hier den Niederschlagshaushalt und eliminiert jegliche systematische Beziehung zwischen der Isotopie und der Höhe. In den nördlichen Regionen, - in der Übergangszone zwischen dem zerbrochenen Vorland und dem subandinen Falten- und Überschiebungsgürtel, verringert sich der Einfluss konvektiver Niederschläge und hydrometeorologische Extremereignisse gegenüber den orographischen bedingten Niederschlagsmechanismen. Dieser Unterschied wirkt sich in einer besseren  Beziehung zwischen Isotopenverhältnissen und Höhe aus. Eine bessere Kenntnis der meteorologischen Einflüsse auf die Wasserisotopie sind der Schlüssel für zukünftige Paläoumweltstudien und zukünftige Bestrebungen, mit Hilfe der Trends in der Isotopie meteorischer Wässer das vertikale Wachstum von Gebirgen zu quantifizieren.
Der dritte Teil der Arbeit behandelt die Isotopenverhältnisse in Blattwachsen und daraus abgeleitete paläohydrologische Eigenschaften des Anagastaco-Beckens im Mio-Pliozän (10-2 Ma), welche weitreichende Umweltveränderungen während der Hebung der Anden und der Bildung von orografischen Barrieren im Vorland aufzeigen. Als Proxies für Niederschlag und Evapotranspiration dokumentieren Isotopenverhältnisse in Blattwachsen, Bodenkarbonaten und vulkanischen Gläsern den Beginn eines Niederschlagsystems in diesem Teil der Anden, welches durch feuchtebringende Winde des South American Low Level Jet ab 9 Ma etabliert war. Humide Bedingungen existierten bis 7 Ma im Vorland, gefolgt von einer Bildung einer orografischen Barriere im Osten des heutigen Angastaco-Beckens. Als Folge dieser Hebung folgte eine rasche Aridifikation (innerhalb ~0,5 Ma) des nun intermontanen Angastaco-Beckens. Ein Wechsel von einem feuchten C3-Wald-Ökosystem zu semiariden Umweltbedingungen mit einer C4-dominierten Vegetationsdecke vollzog sich gleichzeitig mit der fortlaufenden Hebung des Beckens auf heutige Höhen.
KW  - plateau
KW  - isotopes
KW  - erosion
KW  - water
KW  - leaf wax
KW  - Plateau
KW  - stabile Isotope
KW  - Wasser
KW  - Erosion
KW  - Blattwachse
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77938
ER  -