Frank Bäse

• The humid tropics are the region with the highest rate of land-cover change worldwide. Especially prevalent is the deforestation of old-growth tropical forests to create space for cattle pastures and soybean fields. The regional water cycle is influenced by vegetation cover in various ways. Especially evapotranspiration considerably contributes to water vapor content in the lower atmosphere. Besides active transpiration by plants, evaporation from wetted plant surfaces further known as interception loss is an important supply of water vapor. Changes in interception loss due to change in land cover and the related consequences on the regional water cycle in the humid tropics of Latin America are the research focus of my thesis. (1) In an experimental setup I assess differences in interception loss between an old-growth tropical forest and a soybean plantation. (2) In a modeling study, I examine interception losses of these two vegetation types compared to a younger secondary forest with the use of the Gash interception model,The humid tropics are the region with the highest rate of land-cover change worldwide. Especially prevalent is the deforestation of old-growth tropical forests to create space for cattle pastures and soybean fields. The regional water cycle is influenced by vegetation cover in various ways. Especially evapotranspiration considerably contributes to water vapor content in the lower atmosphere. Besides active transpiration by plants, evaporation from wetted plant surfaces further known as interception loss is an important supply of water vapor. Changes in interception loss due to change in land cover and the related consequences on the regional water cycle in the humid tropics of Latin America are the research focus of my thesis. (1) In an experimental setup I assess differences in interception loss between an old-growth tropical forest and a soybean plantation. (2) In a modeling study, I examine interception losses of these two vegetation types compared to a younger secondary forest with the use of the Gash interception model, including an uncertainty analysis for the estimation of the necessary model parameters. (3) Studying the water balance of a 192-km² catchment I disentangle the influences of changes in land cover and climatic factors on interception loss. The three different research sites in my thesis represent a currently typical spectrum for land-cover changes in Latin America. In the first example I study the consequences of deforestation of transitional forest, which forms the transition from the Brazilian tree savanna (cerrado) to tropical rain forest, for the establishment of soybean fields in the southern Amazon basin. The second study site is a young secondary forest within the “Agua Salud” project area in Panama as an example of reforestation of former pastures. The third study site is the Cirí Grande river catchment which comprises a mixture of young and old forests as well as pastures, which is typical for the southern sub-catchments of the Panama Canal. The experimental approach consists of the indirect estimation of interception loss by measuring throughfall and stem flow. For the first experimental study I measured throughfall as well as stem flow manually. Measurements of the leaf area index of the two land covers do not show distinct differences; hence it could not serve as an explanation for the differences in the measured interception loss. The considerably higher interception loss at the soybean field is attributed to a possible underestimation of stemflow but also to the stronger ventilation within the well-structured plant rows causing higher evaporation rates. This situation is valid only for two months of the rainy season, when soybean plants are fully developed. In the annual balance evapotranspiration at the soybean site is clearly less than at the forest site, accelerating the development of fast runoff components and consequently discharge. In the medium term, a reduction of water availability in the study area can be expected. For the modeling study, throughfall in a young secondary forest is sampled automatically. The resulting temporally high-resolution dataset allows the distinction between different precipitation and interception events. The core of this study is the sensitivity and uncertainty analysis of the Gash interception model parameters and the consequences for its results. Canopy storage capacity plays a key role for the model and parameter uncertainty. With increasing storage capacity uncertainty in parameter delineation also increases. Evaporation rate as the driving component of the interception process incorporates in this context the largest parameter uncertainty. Depending on the selected method for parameter estimation, parameter values may vary tremendously. In the third study, I analyze the influence of interception loss on the water balance of the Cirí Grande catchment, incorporating the interlinked effects of temperature, precipitation and changes of the land use mosaic using the SWAT (soil water assessment tool) model. Constructing several land-cover scenarios I assess their influence on the catchment’s discharge. The results show that land-cover change exerts only a small influence on annual discharge in the Cirí Grande catchment whereas an increase in temperature markedly influences evapotranspiration. The temperature-induced larger transpiration and interception loss balances the simultaneous increase in annual precipitation, such that the resulting changes in annual discharge are negligible. The results of the three studies show the considerable effect of land cover on interception. However, the magnitude of this effect can be masked by changes in local conditions, especially by an increase in temperature. Hence, the results cannot be transferred easily between the different study sites. For modeling purposes, this means that measurements of vegetation characteristics as well as interception loss at the respective sites are indispensable.…
• Das Gebiet der feuchten Tropen ist die am stärksten durch den Landnutzungswandel betroffene Region der Erde. Vor allem die Rodung tropischer Wälder, um Platz für Rinderweiden oder den Anbau von Soja zu schaffen, aber auch seit jüngster Zeit die Bemühungen um Wiederaufforstungen prägen diesen Landnutzungswandel. Dabei beeinflusst die Änderung der Vegetationsbedeckung den regionalen Wasserhaushalt auf vielfältige Weise. Betroffen ist unter anderem die Verdunstung von feuchten Oberflächen. Die so genannte Interzeptionsverdunstung bzw. der Interzeptionsverlust trägt erheblich zum Wasserdampfgehalt in der unteren Atmosphäre und schließlich zur Niederschlagsbildung bei. Ziele dieser Dissertation waren (1) die experimentelle Untersuchung der Interzeptionsverlustunterschiede zwischen einem natürlichen, tropischen Wald und einer Sojaplantage im südlichen Amazonasgebiet, (2) die Modellierung des Interzeptionsverlustes dieser beiden Vegetationsformen im Vergleich zu einem jungen Sekundärwald unter dem Aspekt der Unsicherheiten bei derDas Gebiet der feuchten Tropen ist die am stärksten durch den Landnutzungswandel betroffene Region der Erde. Vor allem die Rodung tropischer Wälder, um Platz für Rinderweiden oder den Anbau von Soja zu schaffen, aber auch seit jüngster Zeit die Bemühungen um Wiederaufforstungen prägen diesen Landnutzungswandel. Dabei beeinflusst die Änderung der Vegetationsbedeckung den regionalen Wasserhaushalt auf vielfältige Weise. Betroffen ist unter anderem die Verdunstung von feuchten Oberflächen. Die so genannte Interzeptionsverdunstung bzw. der Interzeptionsverlust trägt erheblich zum Wasserdampfgehalt in der unteren Atmosphäre und schließlich zur Niederschlagsbildung bei. Ziele dieser Dissertation waren (1) die experimentelle Untersuchung der Interzeptionsverlustunterschiede zwischen einem natürlichen, tropischen Wald und einer Sojaplantage im südlichen Amazonasgebiet, (2) die Modellierung des Interzeptionsverlustes dieser beiden Vegetationsformen im Vergleich zu einem jungen Sekundärwald unter dem Aspekt der Unsicherheiten bei der Ableitung notwendiger Modellparameter sowohl im Südamazonas als auch im Einzugsgebietes des Panamakanals sowie (3) die Wasserhaushaltsanalyse eines vom Landnutzungswandel geprägten Teileinzugsgebietes des Panamakanals in Hinblick auf die Veränderung der Interzeptionsverdunstung durch sich verändernde Landnutzung und der Änderung der klimatischen Bedingungen. Die Messung des Interzeptionsverlustes zeigte, dass in der Hauptwachstumsphase vom Soja von dessen Oberfläche mehr Wasserverdunstet als von der Oberfläche des Waldes. Allerdings ist in der Jahresbilanz der Interzeptionsverlust vom Wald höher, da diese Studie nur eine Momentaufnahme zur Zeit der vollen Vegetationsentwicklung des Sojas mit einem Zeitfenster von zwei Monaten widerspiegelt. Durch die geringere ganzjährige Verdunstung von den mit Soja bestandenen Flächen, wird hier der Niederschlag schneller dem Abfluss zugeführt und schell aus der Region ausgetragen. Somit trägt der Landnutzungswandel von Wald zu Soja zu einer mittelfristigen Reduktion des in der Region verfügbaren Wassers bei. Die anschließende Modellierung des Interzeptionsverlustes zeigte Einerseits einen starken Einfluss der Datenqualität auf die Plausibilität der Ergebnisse und Andererseits, dass die Sensitivität der einzelnen Parameter zwischen den Untersuchungsgebieten variiert. Eine Schlüsselrolle nimmt die Wasserspeicherkapazität der Vegetationskrone ein. Dennoch ist die Evaporationsrate die treibende Größe im Interzeptionsprozess, so dass von ihr die größte Unsicherheit ausgeht. Je nach verwendeter Methode zur Ableitung dieses Parameters unterscheiden sich die gewonnenen Parameterwerte erheblich. Die Wirkungsanalyse der Interzeptionsverdunstung auf den Wasserhaushalt im Wirkungsgeflecht der Änderungen von Temperatur, Niederschlag und Landnutzung im Landschaftsmosaik eines Flusseinzugsgebiets mit Hilfe eines Wasserhaushaltsmodels zeigte den Einfluss der Landnutzungsänderung auf die Abflussbildung mittels verschiedener Landnutzungsszenarien. Die Ergebnisse belegen, dass die Landnutzungsänderung im Gebiet nur einen geringen Einfluss auf den Jahresabfluss hat. Stärker scheint sich der gemessene Temperaturanstieg auf die Verdunstung auszuwirken. Der mit einer höheren Temperatur einhergehende Anstieg der Transpiration und Interzeptionsverdunstung gleicht die gemessene Zunahme des Gebietsniederschlages aus, sodass keine signifikanten Änderungen im Jahresabfluss nachgewiesen werden konnten. Die Ergebnisse der drei Studien verdeutlichen den Einfluss der Landnutzung auf die Interzeptionsverdunstung. Allerdings veranschaulichten die Resultate der Wasserhaushalts-modellierung, wie sehr dieser Einfluss durch die Veränderung der äußeren Rahmenbedingungen, vor allem durch den Anstieg der Temperatur, überprägt werden kann. Dies belegt, dass eine einfache Übertragung der Ergebnisse zwischen den Untersuchungsgebiet nicht möglich ist. Somit bleibt die experimentelle Erhebung von Vegetationsparametern sowie des Interzeptionsverlustes an den jeweils zu untersuchenden Standort für die Anwendung von Modellen unerlässlich.…