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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.
Die verschiedenen Meßverfahren zur Bestimmung von Bodenwassergehalten und der Bodenfeuchte konnten während ihres Einsatzes im Uvs-Nuur-Becken über einen längeren Zeitraum hinweg erprobt werden. Dabei stellte sich heraus, daß die Thetasonde und die Stechzylinderproben sich zur Bestimmung des volumetrischen Bodenwassergehalts gut eignen. An den Standorten, an denen parallele Messungen mit beiden Verfahren möglich waren, zeigten Vergleiche der Meßreihen, daß sich die beiden Methoden gegenseitig bestätigen. Nur in Einzelfällen traten größere Abweichungen zwischen den Tageswerten auf. Einschränkend auf die Anwendbarkeit der Verfahren und die Genauigkeit der Meßergebnisse kann sich die Bodenbeschaffenheit auswirken. In stark verdichteten oder skelettreichen Böden ist das Einbringen der Sondenmeßstäbe schwierig und stellenweise nicht möglich. Derartige Böden sind auch für die Entnahme von Stechzylinderproben problematisch, da es schwierig ist Materialverluste bei der Entnahme gering zuhalten. Die Verfahren zur Bestimmung der Bodenfeuchte, Tensiometer und Gipsblocksensoren, hatten gegenüber den anderen Verfahren den Vorteil, daß sie automatisiert waren. Auf diese Weise konnte auch ohne intensive Betreuung eine hohe zeitliche Meßdichte erzielt werden. Über eine Eichkurve, die im Labor erstellt wurde, konnten den Wasserspannungen die entsprechenden Bodenwassergehalte zugeordnet werden. Für Station S 2 sind die Tensiometermeßwerte gut geeignet, um zusammen mit den Stechzylinderproben die Bodenwasserdynamik zu beschreiben. An den anderen Standorten liegen die Wassergehalte, die man über die Eichkurve erhält, verglichen mit Thetasonden- und Stechzylinderwerten sehr viel höher. Beim Einsatz von Tensiometern und Gipsblocksensoren in diesem Gebiet muß aufgrund des geringen Bodenwassergehalts vieler Standorte besonders darauf geachtet werden, daß die Sensoren bzw. die Kerzen eng vom Boden umschlossen sind, ansonsten kann es zu erheblichen Beeinträchtigungen der Meßgenauigkeit kommen. Bei den Tensiometern muß zusätzlich darauf geachtet werden, daß der Meßbereich nicht überschritten wird. Die Variabilität zwischen den Bodenwassergehalten der Standorte ergibt sich aus ihrer Lage im Untersuchungsgebiet und dem Witterungsgeschehen. Die deutlichsten Unterschiede zeigen sich beim Vergleich der Standorte der Ebenen und der Hangbereiche. An den Standorten in der Ebene ist die potentielle Evapotranspiration höher als an den Hangstandorten, dies wirkt sich auf die absolute Höhe der Bodenwassergehalte und auf ihre Variabilität aus. In der Ebene gehen die Bodenwassergehalte nach einer Erhöhung durch Niederschlagseinträge aufgrund der starken Evapotranspiration relativ schnell wieder zurück, so kommt es zu einer hohen Variabilität. An den Hangstandorten ist dieser Effekt abgeschwächt, besonders gering ist die potentielle Verdunstung im Wald am Standort S 7. Die Meßreihen dort weisen geringere Gegensätze zwischen den Extrema auf. Die signifikanten Unterschiede der Bodenwassergehalte verschiedener Meßtiefen eines Standortes werden anhand Variationskoeffizienten der Meßreihen deutlich. In 5 cm Bodentiefe spiegelt sich das aktuelle atmosphärische Geschehen wider. Niederschlagseinträge werden durch eine unmittelbare Erhöhung des Bodenwassergehalts sichtbar. Ist die potentielle Verdunstung nach einer Erhöhung der Bodenwassergehalte durch Niederschlagseinträge hoch, verringern sich die Bodenwassergehalte in dieser Meßtiefe auch schnell wieder. In den Bereichen ab 20 cm Bodentiefe sind kurzfristige Erhöhungen des Bodenwassergehalts nur nach sehr starken Niederschlägen zu beobachten. Veränderungen wie der allmähliche Rückgang des Bodenwassergehalts in den tieferen Bodenschichten an S 3 sind nur über einen längeren Zeitraum festzustellen. Die zeitliche Variabilität der Bodenwassergehalte wird vom Witterungsgeschehen, insbesondere den Niederschlägen und der potentiellen Verdunstung, bestimmt. Im Sommer 1998 ist das Verhältnis von Niederschlag und potentieller Verdunstung so, daß auch nach den Hauptniederschlägen des Jahres in den Sommermonaten keine Erhöhung der Bodenwassergehalte stattgefunden hat. An Station S 3 ist in den tieferen Bodenschichten eine Austrocknung zu verzeichnen. Dies ist der Hauptunterschied zwischen den Jahren 1997 und 1998. 1997 fällt sehr viel mehr Regen als 1998, es kommt zu einer nachhaltigen Durchfeuchtung des Bodens. Auch die Verdunstung ist 1997 geringer. Nach Niederschlägen findet daher kein so schneller Rückgang der Bodenwassergehalte wie 1998 statt, und die Variabilität der Meßwerte ist geringer. Es ist anzunehmen, daß die Bodenwassergehalte am Anfang der Meßperiode des Jahres 1998, die im Laufe des Meßzeitraums abnehmen, Vorräte aus den Einträgen des Jahres 1997 darstellen. Eine nachhaltige Durchfeuchtung des Bodens findet also nur bei sehr hohen Niederschlagseinträgen wie im Jahr 1997 statt.