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Wasserbezogene regulierende und versorgende Ökosystemdienstleistungen (ÖSDL) wurden im Hinblick auf das Abflussregime und die Grundwasserneubildung im Biosphärenreservat Pfälzerwald im Südwesten Deutschlands anhand hydrologischer Modellierung unter Verwendung des Soil and Water Assessment Tool (SWAT+) untersucht. Dabei wurde ein holistischer Ansatz verfolgt, wonach den ÖSDL Indikatoren für funktionale und strukturelle ökologische Prozesse zugeordnet werden. Potenzielle Risikofaktoren für die Verschlechterung von wasserbedingten ÖSDL des Waldes, wie Bodenverdichtung durch Befahren mit schweren Maschinen im Zuge von Holzerntearbeiten, Schadflächen mit Verjüngung, entweder durch waldbauliche Bewirtschaftungspraktiken oder durch Windwurf, Schädlinge und Kalamitäten im Zuge des Klimawandels, sowie der Kli-mawandel selbst als wesentlicher Stressor für Waldökosysteme wurden hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf hydrologische Prozesse analysiert. Für jeden dieser Einflussfaktoren wurden separate SWAT+-Modellszenarien erstellt und mit dem kalibrierten Basismodell verglichen, das die aktuellen Wassereinzugsgebietsbedingungen basierend auf Felddaten repräsentierte. Die Simulationen bestätigten günstige Bedingungen für die Grundwasserneubildung im Pfälzerwald. Im Zusammenhang mit der hohen Versickerungskapazität der Bodensubstrate der Buntsandsteinverwitterung, sowie dem verzögernden und puffernden Einfluss der Baumkronen auf das Niederschlagswasser, wurde eine signifikante Minderungswirkung auf die Oberflächenabflussbildung und ein ausgeprägtes räumliches und zeitliches Rückhaltepotential im Einzugsgebiet simuliert. Dabei wurde festgestellt, dass erhöhte Niederschlagsmengen, die die Versickerungskapazität der sandigen Böden übersteigen, zu einer kurz geschlossenen Abflussreaktion mit ausgeprägten Oberflächenabflussspitzen führen. Die Simulationen zeigten Wechselwirkungen zwischen Wald und Wasserkreislauf sowie die hydrologische Wirksamkeit des Klimawandels, verschlechterter Bodenfunktionen und altersbezogener Bestandesstrukturen im Zusammenhang mit Unterschieden in der Baumkronenausprägung. Zukunfts-Klimaprojektionen, die mit BIAS-bereinigten REKLIES- und EURO-CORDEX-Regionalklimamodellen (RCM) simuliert wurden, prognostizierten einen höheren Verdunstungsbedarf und eine Verlängerung der Vegetationsperiode bei gleichzeitig häufiger auftretenden Dürreperioden innerhalb der Vegetationszeit, was eine Verkürzung der Periode für die Grundwasserneubildung induzierte, und folglich zu einem prognostizierten Rückgang der Grundwasserneubildungsrate bis zur Mitte des Jahrhunderts führte. Aufgrund der starken Korrelation mit Niederschlagsintensitäten und der Dauer von Niederschlagsereignissen, bei allen Unsicherheiten in ihrer Vorhersage, wurde für die Oberflächenabflussgenese eine Steigerung bis zum Ende des Jahrhunderts prognostiziert.
Für die Simulation der Bodenverdichtung wurden die Trockenrohdichte des Bodens und die SCS Curve Number in SWAT+ gemäß Daten aus Befahrungsversuchen im Gebiet angepasst. Die günstigen Infiltrationsbedingungen und die relativ geringe Anfälligkeit für Bodenverdichtung der grobkörnigen Buntsandsteinverwitterung dominierten die hydrologischen Auswirkungen auf Wassereinzugsgebietsebene, sodass lediglich moderate Verschlechterungen wasserbezogener ÖSDL angezeigt wurden. Die Simulationen zeigten weiterhin einen deutlichen Einfluss der Bodenart auf die hydrologische Reaktion nach Bodenverdichtung auf Rückegassen und stützen damit die Annahme, dass die Anfälligkeit von Böden gegenüber Verdichtung mit dem Anteil an Schluff- und Tonbodenpartikeln zunimmt. Eine erhöhte Oberflächenabflussgenese ergab sich durch das Wegenetz im Gesamtgebiet.
Schadflächen mit Bestandesverjüngung wurden anhand eines artifiziellen Modells innerhalb eines Teileinzugsgebiets unter der Annahme von 3-jährigen Baumsetzlingen in einem Entwicklungszeitraum von 10 Jahren simuliert und hinsichtlich spezifischer Was-serhaushaltskomponenten mit Altbeständen (30 bis 80 Jahre) verglichen. Die Simulation ließ darauf schließen, dass bei fehlender Kronenüberschirmung die hydrologisch verzögernde Wirkung der Bestände beeinträchtigt wird, was die Entstehung von Oberflächenabfluss begünstigt und eine quantitativ geringfügig höhere Tiefensickerung fördert. Hydrologische Unterschiede zwischen dem geschlossenem Kronendach der Altbestände und Jungbeständen mit annähernden Freilandniederschlagsbedingungen wurden durch die dominierenden Faktoren atmosphärischer Verdunstungsanstoß, Niederschlagsmengen und Kronenüberschirmungsgrad bestimmt. Je weniger entwickelt das Kronendach von verjüngten Waldbeständen im Vergleich zu Altbeständen, je höher der atmosphärische Verdunstungsanstoß und je geringer die eingetragenen Niederschlagsmengen, desto größer war der hydrologische Unterschied zwischen den Bestandestypen.
Verbesserungsmaßnahmen für den dezentralen Hochwasserschutz sollten folglich kritische Bereiche für die Abflussbildung im Wald (CSA) berücksichtigen. Die hohe Sensibilität und Anfälligkeit der Wälder gegenüber Verschlechterungen der Ökosystembedingungen legen nahe, dass die Erhaltung des komplexen Gefüges und von intakten Wechselbeziehungen, insbesondere unter der gegebenen Herausforderung des Klimawandels, sorgfältig angepasste Schutzmaßnahmen, Anstrengungen bei der Identifizierung von CSA sowie die Erhaltung und Wiederherstellung der hydrologischen Kontinuität in Waldbeständen erfordern.
Grundlage der Arbeit stellten zwei Arbeitshypothesen dar, die es zu überprüfen galt. Die beiden Arbeitshypothesen wurden aufgrund einer Beobachtung eines Phänomens im Freiland formuliert, da bei scheinbar unterschiedlich starkem Reblausbesatzes im Boden kein direkter Zusammenhang zu einer schädigenden Wirkung dieses Stressphänomens (Reblausbefall) hergestellt werden konnte. Im Gegenteil traten die schädigenden Wirkungen des Reblausbefalls in Form von Rückgangserscheinungen eher in Rebflächen auf, die einer mangelhaften Bewirtschaftung oder Bestandsführung unterlagen. Zur Klärung dieses Phänomens wurden daher die beiden (A., B.) folgenden Hypothesen aufgestellt, die es zu überprüfen galt:
A.: Die in mit Unterlagsrebsorten der Kreuzung V. berlandieri x V. riparia zu beobachtenden Rückgangserscheinungen in Rebanlagen mit Reblausvorkommen werden nicht allein durch die Saugtätigkeit der Reblaus an den Rebwurzeln verursacht; eine direkte Korrelation zwischen Reblausdichte und Ausmaß der Rückgangserscheinungen an infizierten Reben besteht nicht. B.: Das Ausmaß möglicher Rückgangserscheinungen ist abhängig von der Bewirtschaftung des Rebbestands, wobei der Bodenbewirtschaftung eine maßgebliche Rolle zukommt.
Um diese Hypothesen zu überprüfen wurde ableitend von den Zielen der Arbeit ein Reblausbonitursystem zur Erfassung der Reblausabudanz im Freiland im Boden erarbeitet. Die besonderen Schwierigkeiten bei der Erfassung des Reblausbefalls im Boden aufgrund des stark variierenden Wurzelsystems der Rebe und dem ebenfalls stark schwankenden Reblausbefalls an der Wurzel der Rebe wurde mit dem Reblausbonitursystem (Grabungen) Rechnung getragen, sodass ein valides System zur Beurteilung des Reblausbefalls auch im jahreszeitlichen Verlauf erstellt worden konnte. Damit wurde ein Reblausbonitursystem geschaffen, das auch in praktischer Anwendung durchführbar ist und somit mit seiner höheren möglichen Replikationsrate bei der Probenentnahme dem stark variierenden Charakter des Reblausbefalls im Boden Rechnung trägt.
Um Rückgangserscheinungen in einem Weinberg nachhaltig analysieren zu können, wurde ein Wuchsbonitursystem evaluiert. Dieses System beurteilt alle Reben einer Rebfläche innerhalb eines einfachen für den Menschen kognitiv sehr gut verarbeitenden Bewertungssystem zum Wuchs der Reben. Damit ist eine Erfassung einer sehr großen Datenmenge zur Beurteilung des Wuchses auf einem Rebfeld möglich. Die Korrelation des mit dem System ermittelten Wuchses zu vielen Leistungsparametern der Rebe und den Gegebenheiten auf den Versuchsflächen zeigt die hohe Validität des Wuchsbonitursystems auf. Auch konnten Wuchsunterschiede in sehr differierenden Versuchsfeldern mit dieser Methode deutlich belegt werden. Damit wurde deutlich, dass mit dieser Wuchsboniturmethode die Rückgangserscheinungen in einer Rebfläche erkannt und analysiert werden konnten. Somit konnten mit den beiden Instrumenten der Wuchs- und Reblausbonitur die beiden Arbeitshypothesen dahingehend belegt werden, dass unter Verwendung der Unterlagensorten der Kreuzungskombination V. berlandieri x V. riparia kein Zusammenhang zwischen der Reblausdichte im Boden und Rückgangserscheinungen der Rebe vorliegen. Darüber hinaus konnte belegt werden, dass in Erweiterung dieser Erkenntnis das Ausmaß der Rückganserscheinungen bei Reben maßgeblich von der Art der Bewirtschaftung abhängt und somit deutlich abzutrennen ist vom Einfluss des Reblausbefalls. Vor allem konnte durch die vorliegende Arbeit unter Einbeziehung des Wuchsbonitursystems eine Methode erarbeitet werden, die in Zukunft bei der Beurteilung von Fernerkundungsdaten ein nützliches Instrument darstellt, um die wirklichen Gegebenheiten hinsichtlich des Wuchses der Reben auf Weinbergsflächen mit den berechneten Werten zu Wuchsindizes zu korrelieren.
Global food security poses large challenges to a fast changing human society and has been a key topic for scientists, agriculturist, and policy makers in the 21st century. The United Nation predicts a total world population of 9.15 billion in 2050 and defines the provision of food security as the second major point in the UN Sustainable Development Goals. As the capacities of both, land and water resources, are finite and locally heavily overused, reducing agriculture’s environmental impact while meeting an increasing demand for food of a constantly growing population is one of the greatest challenges of our century. Therefore, a multifaceted solution is required, including approaches using geospatial data to optimize agricultural food production.
The availability of precise and up-to-date information on vegetation parameters is mandatory to fulfill the requirements of agricultural applications. Direct field measurements of such vegetation parameters are expensive and time-consuming. On the contrary, remote sensing offers a variety of techniques for a cost-effective and non-destructive retrieval of vegetation parameters. Although not widely used, hyperspectral thermal infrared (TIR) remote sensing has demonstrated being a valuable addition to existing remote sensing techniques for the retrieval of vegetation parameters.
This thesis examined the potential of TIR imaging spectroscopy as an important contribution to the growing need of food security. The main scientific question dealt with the extraction of vegetation parameters from imaging TIR spectroscopy. To this end, two studies impressively demonstrated the ability of extracting vegetation related parameters from leaf emissivity spectra: (i) the discrimination of eight plant species based on their emissivity spectra and (ii) the detection of drought stress in potato plants using temperature measures and emissivity spectra.
The datasets used in these studies were collected using the Telops Hyper-Cam LW, a novel imaging spectrometer. Since this FTIR spectrometer presents some particularities, special attention was paid on the development of dedicated experimental data acquisition setups and on data processing chains. The latter include data preprocessing and the development of algorithms for extracting precise surface temperatures, reproducible emissivity spectra and, in the end, vegetation parameters.
The spectrometer’s versatility allows the collection of airborne imaging spectroscopy datasets. Since the general availability of airborne TIR spectrometers is limited, the preprocessing and
data extraction methods are underexplored compared to reflective remote sensing. This counts especially for atmospheric correction (AC) and temperature and emissivity separation (TES) algorithms. Therefore, we implemented a powerful simulation environment for the development of preprocessing algorithms for airborne hyperspectral TIR image data. This simulation tool is designed in a modular way and includes the image data acquisition and processing chain from surface temperature and emissivity to the final at-sensor radiance data. It includes a series of available algorithms for TES, AC as well as combined AC and TES approaches. Using this simulator, one of the most promising algorithms for the preprocessing of airborne TIR data – ARTEMISS – was significantly optimized. The retrieval error of the atmospheric water vapor during the atmospheric characterization was reduced. As a result, this improvement in atmospheric characterization accuracy enhanced the subsequent retrieval of surface temperatures and surface emissivities intensely.
Although, the potential of hyperspectral TIR applications in ecology, agriculture, and biodiversity has been impressively demonstrated, a serious contribution to a global provision of food security requires the retrieval of vegetation related parameters with global coverage, high spatial resolution and at high revisit frequencies.
Emerging from the findings in this thesis, the spectral configuration of a spaceborne TIR spectrometer concept was developed. The sensors spectral configuration aims at the retrieval of precise land surface temperatures and land surface emissivity spectra. Complemented with additional characteristics, i.e. short revisit times and a high spatial resolution, this sensor potentially allows the retrieval of valuable vegetation parameters needed for agricultural optimizations. The technical feasibility of such a sensor concept underlines the potential contribution to the multifaceted solution required for achieving the challenging goal of guaranteeing global food security in a world of increasing population.
In conclusion, thermal remote sensing and more precisely hyperspectral thermal remote sensing has been presented as a valuable technique for a variety of applications contributing to the final goal of a global food security.
Aufgrund oftmals erhöhter Arsen- und Schwermetallgehalte in den Oberböden von Auen ist eine Verwertung von Auenböden, zum Beispiel im Rahmen von Renaturierungsmaßnahmen, oftmals schwierig, da keine auenspezifische Bewertungsgrundlage für dieser Stoffgehalte vorliegt.
Am Beispiel der Lippeaue erfolgte auf Grundlage abgeleiteter Haupteinflussfaktoren für die Konzentration von Arsen- und Schwermetallen in den Oberböden die Ableitung von Hintergrundgehalten. Die Metall- und Schwermetallgehalte in den Oberböden der Lippeaue lagen i. d. R. erwartungsgemäß oberhalb der in der Praxis verwendeten Einstufungswerte (z. B. Vorsorgewerte der BBodSchV, Hintergrundwerte von NRW), die sich allerdings auf Standorte außerhalb der Aue beziehen.
Anhand von gewonnen Daten aus Projektarbeiten im Zuge der Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie (z. B. bodenkundliche und ingenieurgeologische Profilaufnahme, bodenmechanische Laborversuche) und ergänzend durchgeführter Untersuchungen, wie z. B. Bodentypenkartierung und mineralogische Untersuchungen, erfolgte eine detaillierte Standortcharakterisierung der Böden in der Lippeaue.
Auf Basis der abgeleiteten Hintergrundgehalte wurden unter Berücksichtigung der ermittelten Bodenkennwerte und Einflussgrößen auenspezifische Einbauregeln abgeleitet. Mit dem Ziel einer praktikablen Anwendbarkeit wurde eine auf die wesentlichen Kenngrößen reduzierte Bewertungsmatrix erarbeitet. Bei geplanten baulichen Eingriffen in den Boden kann nun mit den lippeauenspezifischen Einbauwerten für Arsen und Schwermetalle anhand konventioneller Parameter für jeden Standort ermittelt werden, ob besonders günstige oder ungünstige Bedingungen für einen potenziellen Wiedereinbau vorliegen. Die abgeleiteten Hintergrundgehalte und Einbauwerte verstehen sich dabei als – auf Basis der aktuellen Datenlage abgeleitete – Handlungsempfehlung und Orientierung zur Bewertung von Böden im Hinblick auf einen gebietsübergreifenden Wiedereinbau in der Lippeaue.