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Climate fluctuations and the pyroclastic depositions from volcanic activity both influence ecosystem functioning and biogeochemical cycling in terrestrial and marine environments globally. These controlling factors are crucial for the evolution and fate of the pristine but fragile fjord ecosystem in the Magellanic moorlands (~53°S) of southernmost Patagonia, which is considered a critical hotspot for organic carbon burial and marine bioproductivity. At this active continental margin in the core zone of the southern westerly wind belt (SWW), frequent Plinian eruptions and the extremely variable, hyper-humid climate should have efficiently shaped ecosystem functioning and land-to-fjord mass transfer throughout the Late Holocene. However, a better understanding of the complex process network defining the biogeochemical cycling at this land-to-fjord continuum principally requires a detailed knowledge of substrate weathering and pedogenesis in the context of the extreme climate. Yet, research on soils, the ubiquitous presence of tephra and the associated chemical weathering, secondary mineral (trans)formation and organic matter (OM) turnover processes is rare in this remote region. This complicates an accurate reconstruction of the ecosystem´s potentially sensitive response to past environmental impacts, including the dynamics of Late Holocene land-to-fjord fluxes as a function of volcanic activity and strong hydroclimate variability.
Against this background, this PhD thesis aims to disentangle the controlling factors that modulate the terrigenous element mobilization and export mechanisms in the hyper-humid Patagonian Andes and assesses their significance for fjord primary productivity over the past 4.5 kyrs BP. For the first time, distinct biogeochemical characteristics of the regional weathering system serve as major criterion in paleoenvironmental reconstruction in the area. This approach includes broad-scale mineralogical and geochemical analyses of basement lithologies, four soil profiles, volcanic ash deposits, the non-karst stalagmite MA1 and two lacustrine sediment cores. In order to pay special attention to the possibly important temporal variations of pedosphere-atmosphere interaction and ecological consequences initiated by volcanic eruptions, the novel data were evaluated together with previously published reconstructions of paleoclimate and paleoenvironmental conditions.
The devastative high-tephra loading of a single eruption from Mt. Burney volcano (MB2 at 4.216 kyrs BP) sustainably transformed this vulnerable fjord ecosystem, while acidic peaty Andosols developed from ~2.5 kyrs BP onwards after the recovery from millennium-scale acidification. The special setting is dominated by most variable redox-pH conditions, profound volcanic ash weathering and intense OM turnover processes, which are closely linked and ultimately regulated by SWW-induced water-level fluctuations. Constant nutrient supply though sea spray deposition represents a further important control on peat accumulation and OM turnover dynamics. These extreme environmental conditions constrain the biogeochemical framework for an extended land-to-fjord export of leachates comprising various organic and inorganic colloids (i.e., Al-humus complexes and Fe-(hydr)oxides). Such tephra- and/or Andosol-sourced flux contains high proportions of terrigenous organic carbon (OCterr) and mobilized essential (micro)nutrients, e.g., bio-available Fe, that are beneficial for fjord bioproductivity. It can be assumed that this supply of bio-available Fe produced by specific Fe-(hydr)oxide (trans)formation processes from tephra components may outlast more than 6 kyrs and surpasses the contribution from basement rock weathering and glacial meltwaters. However, the land-to-fjord exports of OCterr and bio-available Fe occur mostly asynchronous and are determined by the frequency and duration of redox cycles in soils or are initiated by SWW-induced extreme weather events.
The verification of (crypto)tephra layers embedded stalagmite MA1 enabled the accurate dating of three smaller Late Holocene eruptions from Mt. Burney (MB3 at 2.291 kyrs BP and MB4 at 0.853 kyrs BP) and Aguilera (A1 at 2.978 kyrs BP) volcanoes. Irrespective of the improvement of the regional tephrochronology, the obtained precise 230Th/U-ages allowed constraints on the ecological consequences caused by these Plinian eruptions. The deposition of these thin tephra layers should have entailed a very beneficial short-term stimulation of fjord bioproductivity with bio-available Fe and other (micro)nutrients, which affected the entire area between 52°S and 53°S 30´, respectively. For such beneficial effects, the thickness of tephra deposited to this highly vulnerable peatland ecosystem should be below a threshold of 1 cm.
The Late Holocene element mobilization and land-to-fjord transport was mainly controlled by (i) volcanic activity and tephra thickness, (ii) SWW-induced and southern hemispheric climate variability and (iii) the current state of the ecosystem. The influence of cascading climate and environmental impacts on OCterr and Fe-(hydr)oxide fluxes to can be categorized by four individual, in part overlapping scenarios. These different scenarios take into account the previously specified fundamental biogeochemical mechanisms and define frequently recurring patterns of ecosystem feedbacks governing the land-to-fjord mass transfer in the hyper-humid Patagonian Andes on the centennial-scale. This PhD thesis provides first evidence for a primarily tephra-sourced, continuous and long-lasting (micro)nutrient fertilization for phytoplankton growth in South Patagonian fjords, which is ultimately modulated by variations in SWW-intensity. It highlights the climate sensitivity of such critical land-to-fjord element transport and particularly emphasizes the important but so far underappreciated significance of volcanic ash inputs for biogeochemical cycles at active continental margins.
Die endemischen Arganbestände in Südmarokko sind die Quelle des wertvollen Arganöls, sind aber durch bspw. Überweidung oder illegale Feuerholzgewinnung stark übernutzt. Aufforstungsmaßnahmen sind vorhanden, sind aber aufgrund von zu kurz angelegten Bewässerungs- und Schutzverträgen häufig nicht erfolgreich. Das Aufkommen von Neuwuchs ist durch das beinahe restlose Sammeln von Kernen kaum möglich, durch Fällen oder Absterben von Bäumen verringert sich die kronenüberdeckte Fläche und unbedeckte Flächen zwischen den Bäumen nehmen zu.
Die Entwicklung der Arganbestände wurde über den Zeitraum von 1972 und 2018 mit historischen und aktuellen Satellitenbildern untersucht, ein Großteil der Bäume hat sich in dieser Zeit kaum verändert. Zustandsaufnahmen von 2018 zeigten, dass viele dieser Bäume durch Überweidung und Abholzung nur als Sträucher wachsen und so in degradiertem Zustand stabil sind.
Trotz der Degradierung einiger Bäume zeigt sich, dass der Boden unter den Bäumen die höchsten Gehalte an organischer Bodensubstanz und Nährstoffen auf den Flächen aufweist, zwischen zwei Bäumen sind die Gehalte am niedrigsten. Der Einfluss des Baumes auf den Boden geht über die Krone hinaus in Richtung Norden durch Beschattung in der Mittagssonne, Osten durch Windverwehung von Streu und Bodenpartikeln und hangabwärts durch Verspülung von Material.
Über experimentelle Methoden unter und zwischen den Arganbäumen wurden Erkenntnisse zur Bodenerosion gewonnen. Die hydraulische Leitfähigkeit unter Bäumen ist um den Faktor 1,2-1,5 höher als zwischen den Bäumen, Oberflächenabflüsse und Bodenabträge sind unter den Bäumen etwas niedriger, bei degradierten Bäumen ähnlich den Bereichen zwischen den Bäumen. Die unterschiedlichen Flächenbeschaffenheiten wurden mit einem Windkanal untersucht und zeigten, dass gerade frisch gepflügte Flächen hohe Windemissionen verursachen, während Flächen mit hoher Steinbedeckung kaum von Winderosion betroffen sind.
Die Oberflächenabflüsse von den unterschiedlichen Flächentypen werden in die Vorfluter abgeleitet. Die Sedimentdynamik in diesen Wadis wird hauptsächlich von Niederschlag zwischen den Messungen, Einzugsgebiet und Wadilänge und kaum von den verschiedenen Landnutzungen beeinflusst.
Das Landschaftssystem Argan konnte über diesen Multi-Methodenansatz auf verschiedenen Ebenen analysiert werden.
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.
Physically-based distributed rainfall-runoff models as the standard analysis tools for hydro-logical processes have been used to simulate the water system in detail, which includes spa-tial patterns and temporal dynamics of hydrological variables and processes (Davison et al., 2015; Ek and Holtslag, 2004). In general, catchment models are parameterized with spatial information on soil, vegetation and topography. However, traditional approaches for eval-uation of the hydrological model performance are usually motivated with respect to dis-charge data alone. This may thus cloud model realism and hamper understanding of the catchment behavior. It is necessary to evaluate the model performance with respect to in-ternal hydrological processes within the catchment area as well as other components of wa-ter balance rather than runoff discharge at the catchment outlet only. In particular, a consid-erable amount of dynamics in a catchment occurs in the processes related to interactions of the water, soil and vegetation. Evapotranspiration process, for instance, is one of those key interactive elements, and the parameterization of soil and vegetation in water balance mod-eling strongly influences the simulation of evapotranspiration. Specifically, to parameterize the water flow in unsaturated soil zone, the functional relationships that describe the soil water retention and hydraulic conductivity characteristics are important. To define these functional relationships, Pedo-Transfer Functions (PTFs) are common to use in hydrologi-cal modeling. Opting the appropriate PTFs for the region under investigation is a crucial task in estimating the soil hydraulic parameters, but this choice in a hydrological model is often made arbitrary and without evaluating the spatial and temporal patterns of evapotran-spiration, soil moisture, and distribution and intensity of runoff processes. This may ulti-mately lead to implausible modeling results and possibly to incorrect decisions in regional water management. Therefore, the use of reliable evaluation approaches is continually re-quired to analyze the dynamics of the current interactive hydrological processes and predict the future changes in the water cycle, which eventually contributes to sustainable environ-mental planning and decisions in water management.
Remarkable endeavors have been made in development of modelling tools that provide insights into the current and future of hydrological patterns in different scales and their im-pacts on the water resources and climate changes (Doell et al., 2014; Wood et al., 2011). Although, there is a need to consider a proper balance between parameter identifiability and the model's ability to realistically represent the response of the natural system. Neverthe-less, tackling this issue entails investigation of additional information, which usually has to be elaborately assembled, for instance, by mapping the dominant runoff generation pro-cesses in the intended area, or retrieving the spatial patterns of soil moisture and evapotran-spiration by using remote sensing methods, and evaluation at a scale commensurate with hydrological model (Koch et al., 2022; Zink et al., 2018). The present work therefore aims to give insights into the modeling approaches to simulate water balance and to improve the soil and vegetation parameterization scheme in the hydrological model subject to producing more reliable spatial and temporal patterns of evapotranspiration and runoff processes in the catchment.
An important contribution to the overall body of work is a book chapter included among publications. The book chapter provides a comprehensive overview of the topic and valua-ble insights into the understanding the water balance and its estimation methods.
Moreover, the first paper aimed to evaluate the hydrological model behavior with re-spect to contribution of various sources of information. To do so, a multi-criteria evaluation metric including soft and hard data was used to define constraints on outputs of the 1-D hydrological model WaSiM-ETH. Applying this evaluation metric, we could identify the optimal soil and vegetation parameter sets that resulted in a “behavioral” forest stand water balance model. It was found out that even if simulations of transpiration and soil water con-tent are consistent with measured data, but still the dominant runoff generation processes or total water balance might be wrongly calculated. Therefore, only using an evaluation scheme which looks over different sources of data and embraces an understanding of the local controls of water loss through soil and plant, allowed us to exclude the unrealistic modeling outputs. The results suggested that we may need to question the generally accept-ed soil parameterization procedures that apply default parameter sets.
The second paper attempts to tackle the pointed model evaluation hindrance by getting down to the small-scale catchment (in Bavaria). Here, a methodology was introduced to analyze the sensitivity of the catchment water balance model to the choice of the Pedo-Transfer Functions (PTF). By varying the underlying PTFs in a calibrated and validated model, we could determine the resulting effects on the spatial distribution of soil hydraulic properties, total water balance in catchment outlet, and the spatial and temporal variation of the runoff components. Results revealed that the water distribution in the hydrologic system significantly differs amongst various PTFs. Moreover, the simulations of water balance components showed high sensitivity to the spatial distribution of soil hydraulic properties. Therefore, it was suggested that opting the PTFs in hydrological modeling should be care-fully tested by looking over the spatio-temporal distribution of simulated evapotranspira-tion and runoff generation processes, whether they are reasonably represented.
To fulfill the previous studies’ suggestions, the third paper then aims to focus on evalu-ating the hydrological model through improving the spatial representation of dominant run-off processes. It was implemented in a mesoscale catchment in southwestern Germany us-ing the hydrological model WaSiM-ETH. Dealing with the issues of inadequate spatial ob-servations for rigorous spatial model evaluation, we made use of a reference soil hydrologic map available for the study area to discern the expected dominant runoff processes across a wide range of hydrological conditions. The model was parameterized by applying 11 PTFs and run by multiple synthetic rainfall events. To compare the simulated spatial patterns to the patterns derived by digital soil map, a multiple-component spatial performance metric (SPAEF) was applied. The simulated DRPs showed a large variability with regard to land use, topography, applied rainfall rates, and the different PTFs, which highly influence the rapid runoff generation under wet conditions.
The three published manuscripts proceeded towards the model evaluation viewpoints that ultimately attain the behavioral model outputs. It was performed through obtaining information about internal hydrological processes that lead to certain model behaviors, and also about the function and sensitivity of some of the soil and vegetation parameters that may primarily influence those internal processes in a catchment. Accordingly, using this understanding on model reactions, and by setting multiple evaluation criteria, it was possi-ble to identify which parameterization could lead to behavioral model realization. This work, in fact, will contribute to solving some of the issues (e.g., spatial variability and modeling methods) identified as the 23 unsolved problems in hydrology in the 21st century (Blöschl et al., 2019). The results obtained in the present work encourage the further inves-tigations toward a comprehensive model calibration procedure considering multiple data sources simultaneously. This will enable developing the new perspectives to the current parameter estimation methods, which in essence, focus on reproducing the plausible dy-namics (spatio-temporal) of the other hydrological processes within the watershed.