Spatial and temporal variability of the soil saturated hydraulic conductivity in gradients of disturbance

Räumliche und zeitliche Variabilität der gesättigten Bodenwasserleitfähigkeit in Störungsgradienten

  • 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 landslideAs 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.show moreshow less
  • 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. DieDer 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.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar Statistics
Metadaten
Author:Beate Zimmermann
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-16402
Advisor:Helmut Elsenbeer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2007
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2008/01/23
Release Date:2008/02/14
Tag:Abflussbildung; Bodenhydrologie; Geostatistik; Landnutzungswandel; Tropen
geostatistics; landuse change; runoff generation; soil hydrology; tropics
RVK - Regensburg Classification:RW 40168
RVK - Regensburg Classification:RW 40672
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geoökologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht