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Effects of erosion-affected soil evolution on water and dissolved carbon fluxes, soil hydraulic properties, and crop development of soils from a hummocky ground moraine landscape - hydropedological analysis using high precision weighing lysimeters

Einfluss der erosionsbedingten Pedogenese auf den Wasserund Stoffhaushalt ackerbaulich genutzter Böden der Grundmoränenbodenlandschaft NO-Deutschlands - hydropedologische Untersuchungen mittels wägbarer Präzisionslysimeter

  • In the arable soil landscape of hummocky ground moraines, an erosion-affected spatial differentiation of soils can be observed. Man-made erosion leads to soil profile modifications along slopes with changed solum thickness and modified properties of soil horizons due to water erosion in combination with tillage operations. Soil erosion creates, thereby, spatial patterns of soil properties (e.g., texture and organic matter content) and differences in crop development. However, little is known about the manner in which water fluxes are affected by soil-crop interactions depending on contrasting properties of differently-developed soil horizons and how water fluxes influence the carbon transport in an eroded landscape. To identify such feedbacks between erosion-induced soil profile modifications and the 1D-water and solute balance, high-precision weighing lysimeters equipped with a wide range of sensor technique were filled with undisturbed soil monoliths that differed in the degree of past soil erosion. Furthermore, lysimeter effluentIn the arable soil landscape of hummocky ground moraines, an erosion-affected spatial differentiation of soils can be observed. Man-made erosion leads to soil profile modifications along slopes with changed solum thickness and modified properties of soil horizons due to water erosion in combination with tillage operations. Soil erosion creates, thereby, spatial patterns of soil properties (e.g., texture and organic matter content) and differences in crop development. However, little is known about the manner in which water fluxes are affected by soil-crop interactions depending on contrasting properties of differently-developed soil horizons and how water fluxes influence the carbon transport in an eroded landscape. To identify such feedbacks between erosion-induced soil profile modifications and the 1D-water and solute balance, high-precision weighing lysimeters equipped with a wide range of sensor technique were filled with undisturbed soil monoliths that differed in the degree of past soil erosion. Furthermore, lysimeter effluent concentrations were analyzed for dissolved carbon fractions in bi-weekly intervals. The water balance components measured by high precision lysimeters varied from the most eroded to the less eroded monolith up to 83 % (deep drainage) primarily caused due to varying amounts of precipitation and evapotranspiration for a 3-years period. Here, interactions between crop development and contrasting rainfall interception by above ground biomass could explain differences in water balance components. Concentrations of dissolved carbon in soil water samples were relatively constant in time, suggesting carbon leaching was mainly affected by water fluxes in this observation period. For the lysimeter-based water balance analysis, a filtering scheme was developed considering temporal autocorrelation. The minute-based autocorrelation analysis of mass changes from lysimeter time series revealed characteristic autocorrelation lengths ranging from 23 to 76 minutes. Thereby, temporal autocorrelation provided an optimal approximation of precipitation quantities. However, the high temporal resolution in lysimeter time series is restricted by the lengths of autocorrelation. Erosion-induced but also gradual changes in soil properties were reflected by dynamics of soil water retention properties in the lysimeter soils. Short-term and long-term hysteretic water retention data suggested seasonal wettability problems of soils increasingly limited rewetting of previously dried pore regions. Differences in water retention were assigned to soil tillage operations and the erosion history at different slope positions. The threedimensional spatial pattern of soil types that result from erosional soil profile modifications were also reflected in differences of crop root development at different landscape positions. Contrasting root densities revealed positive relations of root and aboveground plant characteristics. Differences in the spatially-distributed root growth between different eroded soil types provided indications that root development was affected by the erosion-induced soil evolution processes. Overall, the current thesis corroborated the hypothesis that erosion-induced soil profile modifications affect the soil water balance, carbon leaching and soil hydraulic properties, but also the crop root system is influenced by erosion-induced spatial patterns of soil properties in the arable hummocky post glacial soil landscape. The results will help to improve model predictions of water and solute movement in arable soils and to understand interactions between soil erosion and carbon pathways regarding sink-or-source terms in landscapes.show moreshow less
  • Hydropedologische Wechselwirkungen zwischen Wasserflüssen und erosionsbedingten Veränderungen im Profilaufbau ackerbaulich genutzter Böden treten insbesondere in der Jungmoränenlandschaft auf, die sich durch eine überwiegend flachwellige bis kuppige Topographie auszeichnet. Mit der dynamischen Veränderung von Bodenprofilen, wie etwa der veränderten Solumtiefe und Horizontabfolgen, sowie deren Verteilungen in der Landschaft gehen Veränderungen in den bodenhydraulischen Eigenschaften einher. Über deren Auswirkungen auf den Wasser- und Stoffhaushalt ist bislang nur wenig bekannt. Im Rahmen dieser Dissertation wurden kontinuierliche Messungen aus vier Jahren (2011 bis 2014) unter Verwendung von wägbaren Lysimetern in der ackerbaulich genutzten Bodenlandschaft Nordostdeutschlands (Uckermark) erhoben. Dabei sollte die zentrale Frage, inwieweit die erosionsbedingte Pedogenese, in Wechselwirkung mit der pflanzenbaulichen Nutzung, den Wasser- und Kohlenstoffhaushalt beeinflusst, beantwortet werden. Ziel dieser Arbeit war es, 1D-WasserflüsseHydropedologische Wechselwirkungen zwischen Wasserflüssen und erosionsbedingten Veränderungen im Profilaufbau ackerbaulich genutzter Böden treten insbesondere in der Jungmoränenlandschaft auf, die sich durch eine überwiegend flachwellige bis kuppige Topographie auszeichnet. Mit der dynamischen Veränderung von Bodenprofilen, wie etwa der veränderten Solumtiefe und Horizontabfolgen, sowie deren Verteilungen in der Landschaft gehen Veränderungen in den bodenhydraulischen Eigenschaften einher. Über deren Auswirkungen auf den Wasser- und Stoffhaushalt ist bislang nur wenig bekannt. Im Rahmen dieser Dissertation wurden kontinuierliche Messungen aus vier Jahren (2011 bis 2014) unter Verwendung von wägbaren Lysimetern in der ackerbaulich genutzten Bodenlandschaft Nordostdeutschlands (Uckermark) erhoben. Dabei sollte die zentrale Frage, inwieweit die erosionsbedingte Pedogenese, in Wechselwirkung mit der pflanzenbaulichen Nutzung, den Wasser- und Kohlenstoffhaushalt beeinflusst, beantwortet werden. Ziel dieser Arbeit war es, 1D-Wasserflüsse und Austräge an gelöstem Kohlenstoff für unterschiedlich erodierte Bodenprofile zu quantifizieren. Damit einhergehend wurden Untersuchungen zu hydraulischen Bodeneigenschaften sowie möglichen Veränderungen im System Boden-Pflanze (Wurzeluntersuchungen) durchgeführt. Um derartige Veränderungen zwischen unterschiedlich erodierten Böden beschreiben zu können, wurden Bodenmonolithe in ungestörter Lagerung entnommen und in Lysimeteranlagen installiert. Zudem erfolgte eine Instrumentierung der einzelnen Lysimeter mit verschiedener Sensorik, u.a. um Wassergehalte und Matrixpotentiale zu messen. Für stoffhaushaltliche Untersuchungen wurden darüber hinaus Konzentrationen der gelösten Kohlenstofffraktion in der Bodenlösung in 14-tägigen Intervallen bestimmt. Der Wasserhaushalt von sechs gering bis stark erodierten Parabraunerden unterschied sich im Hinblick auf die bilanzierten Wasserhaushaltskomponenten deutlich. Anhand dieser Ergebnisse liegt die Vermutung nahe, dass die dynamischen Veränderungen im Gefüge- und Profilaufbau (in Abhängigkeit von der Bodenerosion) einen Effekt auf die Wasserbilanzen aufweisen. Über die mehrjährige Messperiode von 2011 bis 2014 konnte für das mit einer stark erodierten Parabraunerde gefüllte Lysimeter ein circa 83 Prozent höherer Abfluss als für das Lysimeter mit einer wenig erodierten Parabraunerde gemessen werden. Somit variierte der Abfluss am unteren Rand in Abhängigkeit zum Erosionsgrad. Neben dem unterschiedlichen Abflussverhalten variierten die Bodenmonolithe innerhalb der Lysimeter ebenfalls in den Evapotranspirations- und Niederschlagsmengen, hervorgerufenen durch die Differenzierung in den Horizontabfolgen, -mächtigkeiten und deren Einfluss auf die bodenhydraulischen Eigenschaften in Abhängigkeit vom Pflanzenbewuchs. Aufgrund der homogen verteilten Stoffkonzentrationen des gelösten organischen und anorganischen Kohlenstoffs am unteren Rand waren Kohlenstoffausträge maßgeblich von den Wasserflüssen abhängig. Als Grundlage der Lysimeter-basierten Wasserhaushaltsanalyse diente ein im Rahmen dieser Dissertation entwickeltes Auswertungsverfahren von kontinuierlichen Gewichtsänderungen unter Berücksichtigung der zeitlichen Autokorrelation. Um eine mögliche Periodizität in zeitlich hochaufgelösten Änderungen des Lysimeterwaagensystems zu ermitteln, fand eine Autokorrelationsfunktion in der Zeitreihenanalyse von vier saisonalen Messzeiträumen Anwendung. Die Ergebnisse der Arbeit deuten darauf hin, dass hochaufgelöste Lysimeterzeitreihen in einem Bereich von circa 30 min bis circa 60 min zeitlich autokorreliert sind. Die ermittelten Autokorrelationslängen bieten wiederum eine Möglichkeit zur Annäherung von (optimalen) Zeitintervallen für die Niederschlagsberechnung, basierend auf Änderungen in den Wiegedaten. Im Vergleich zu einem Kippwaagenregenmesser nahe der Lysimeterstation überstiegen die ermittelten Niederschlagsmengen der Lysimeter in Bodennähe die der in zwei Metern Höhe erfolgten Messung deutlich. Zur Charakterisierung der zeitlichen (Hysterese), als auch räumlichen (erosionsbedingter Pedogenese) Veränderungen der bodenhydraulischen Eigenschaften der Lysimeterböden wurden kontinuierliche Datenreihen des Wassergehaltes und Matrixpotentials analysiert. Die daraus abgeleiteten Wasserretentionskurven wurden in 3 Messtiefen (10, 30, 50 cm) unter Feldbedingungen ausgewertet und mit Labormessungen von Bodenkernen verglichen. Sowohl zwischen den unterschiedlich erodierten Bodenprofilen als auch zwischen den Feld- und Labormessungen waren Unterschiede in den Wasserretentionseigenschaften ersichtlich. Innerhalb eines Jahres (eingeschränkte Benetzbarkeit) sowie zwischen den Jahren (Veränderung der Porenmatrix) zeigten die Ergebnisse zudem eine zeitliche Veränderung der Wasserretentionseigenschaften. Diese dynamische Variabilität der Wasserretention wiederum unterliegt der räumlichen Heterogenität von Bodeneigenschaften, wie Textur und Lagerungsdichte. Für die Interpretation der unterschiedlichen bodenhydraulischen Eigenschaften sowie im Hinblick auf Veränderungen im Wasserhaushalt von ackerbaulich genutzten Lysimetern spielt das System Boden-Pflanze eine bedeutende Rolle. Diesbezüglich wurden Biomasse- und Wurzeluntersuchungen an unterschiedlich erodierten Böden durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen, dass erosionsbedingte Veränderungen im Profilaufbau beziehungsweise Horizonteigenschaften die Wurzelentwicklung beeinflussen können. Zudem stehen die Durchwurzelungsraten an grundwasserbeeinflussten Senkenstandorten in enger Beziehung zum Grundwasserstand (insbesondere im Frühjahr). Die oberirdisch beobachteten Unterschiede in der Biomasse korrelierten stark mit den ermittelten Wurzeldichten (Winterweizen), dies lässt vermuten, dass eine Abschätzung der Wurzelentwicklung mittels oberirdischer Biomasse möglich ist. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Lysimeterstudie komplexe Wechselwirkungen zwischen dem pedogenetischen Zustand erodierter Böden und dem Wasserhaushalt, den bodenhydraulischen Eigenschaften sowie der Wurzelentwicklung angebauter Kulturen. Zudem leisten die ermittelten unterschiedlichen Austragsraten an gelöstem Kohlenstoff einen Beitrag zur Abschätzung der langfristigen, in die Tiefe fortschreitenden Entkalkung sowie zur Beantwortung der Fragestellung, ob ackerbaulich genutzte Böden eher als Quell- oder als Senkenterm für Kohlendioxid fungieren.show moreshow less

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Metadaten
Author:Marcus Herbrich
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-408561
Advisor:Horst H. Gerke
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of first Publication:2018/05/02
Year of Completion:2017
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2018/03/09
Release Date:2018/05/02
Tag:Kohlenstoff; Lysimeter; Wasserhaushalt
carbon; lysimeter; water balance
Pagenumber:186
Organizational units:Extern / Extern
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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