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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.
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.
Reptiles belong to a taxonomic group characterized by increasing worldwide population declines. However, it has not been until comparatively recent years that public interest in these taxa has increased, and conservation measures are starting to show results. While many factors contribute to these declines, environmental pollution, especially in form of pesticides, has seen a strong increase in the last few decades, and is nowadays considered a main driver for reptile diversity loss. In light of the above, and given that reptiles are extremely underrepresented in ecotoxicological studies regarding the effects of plant protection products, this thesis aims at studying the impacts of pesticide exposure in reptiles, by using the Common wall lizard (Podarcis muralis) as model species. In a first approach, I evaluated the risk of pesticide exposure for reptile species within the European Union, as a means to detect species with above average exposure probabilities and to detect especially sensitive reptile orders. While helpful to detect species at risk, a risk evaluation is only the first step towards addressing this problem. It is thus indispensable to identify effects of pesticide exposure in wildlife. For this, the use of enzymatic biomarkers has become a popular method to study sub-individual responses, and gain information regarding the mode of action of chemicals. However, current methodologies are very invasive. Thus, in a second step, I explored the use of buccal swabs as a minimally invasive method to detect changes in enzymatic biomarker activity in reptiles, as an indicator for pesticide uptake and effects at the sub-individual level. Finally, the last part of this thesis focuses on field data regarding pesticide exposure and its effects on reptile wildlife. Here, a method to determine pesticide residues in food items of the Common wall lizard was established, as a means to generate data for future dietary risk assessments. Subsequently, a field study was conducted with the aim to describe actual effects of pesticide exposure on reptile populations at different levels.
Species can show strong variation of local abundance across their ranges. Recent analyses suggested that variation in abundance can be related to environmental suitability, as the highest abundances are often observed in populations living in the most suitable areas. However, there is limited information on the mechanisms through which variation in environmental suitability determines abundance. We analysed populations of the microendemic salamander Hydromantes flavus, and tested several hypotheses on potential relationships linking environmental suitability to population parameters. For multiple populations across the whole species range, we assessed suitability using species distribution models, and measured density, activity level, food intake and body condition index. In high-suitability sites, the density of salamanders was up to 30-times higher than in the least suitable ones. Variation in activity levels and population performance can explain such variation of abundance. In high-suitability sites, salamanders were active close to the surface, and showed a low frequency of empty stomachs. Furthermore, when taking into account seasonal variation, body condition was better in the most suitable sites. Our results show that the strong relationship between environmental suitability and population abundance can be mediated by the variation of parameters strongly linked to individual performance and fitness.
In den letzten Jahren hat die Alternative für Deutschland (AfD) das Thema Wohnen zunehmend in ihren Wahlprogrammen aufgegriffen und für die eigene politische Profilierung genutzt. Der Beitrag zeigt, inwiefern die Thematisierung des Wohnens bei der AfD so formuliert ist, dass es erhebliche Anknüpfungspunkte an rechtes Gedankengut herstellt. Der Beitrag thematisiert die damit verbundenen Herausforderungen für eine kritische Stadtforschung sowie für progressive soziale Bewegungen. Er plädiert dafür, sich der Gefahr der rechten Vereinnahmung des Themas Wohnen bewusst zu sein und sich deutlich von den rechten Übernahmeversuchen abzugrenzen sowie Gegenstrategien zu entwickeln.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Einsatzmöglichkeiten von Carbon Footprints in Großküchen untersucht. Dabei wurden sowohl methodische Aspekte und Herausforderungen ihrer Erhebung untersucht als auch mögliche Kennzeichnungsformate (Label) evaluiert.
Zunächst wurde am Beispiel Hochschulgastronomie eine vollständige Carbon Footprint Studie nach DIN 14067 für sechs exemplarische Gerichte (PCF) sowie angelehnt an DIN 14064 für den Mensabetrieb (CCF) durchgeführt. Es zeigte sich, dass die gewichteten durchschnittlichen Emissionen pro Teller, unter Einbezug der verwendeten Rohstoffe und des Energiebedarfs, 1,8 kg CO2eq pro Teller betragen (Mgew=1,78 kg CO2eq; [0,22-3,36]). Zur Vereinfachung des Erhebungsprozesses wurden anknüpfend an diese Ergebnisse Pauschalisierungsansätze zur vereinfachten Emissionsallokation im Gastrosektor evaluiert und in Form eines appgestützten Berechnungstools umgesetzt. Es konnte verifiziert werden, dass der Energiebedarf und die daraus resultierenden Emissionen unabhängig von der Beschaffenheit der Gerichte auf die Anzahl produzierter Gerichte alloziert werden können und die Ausgabewerte dennoch hinreichend belastbar sind (Abweichung <10 %).
In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass am untersuchten Standort Skaleneffekte hinsichtlich der Anzahl produzierter Gerichte und Strombedarf pro Gericht auftreten. Beide Faktoren korrelieren stark negativ miteinander (r=-.78; p<.05). Zur Verifikation der Ergebnisse wurde eine Datenabfrage unter allen deutschen Studierendenwerken (N=57) hinsichtlich des Energiebedarfs und der Produktionsmengen in Hochschulmensen durchgeführt. Aus den Daten von 42 Standorten konnten für das Jahr 2018 prognostizierte Gesamtemissionen in Höhe von 174.275 Tonnen CO2eq, verursacht durch etwa 98 Millionen verkaufte Gerichte, ermittelt werden. Im Gegensatz zur durchgeführten Standort-Studie konnten die Skaleneffekte, d.h. sinkender Strombedarf pro Teller bei steigender Produktionszahl, bei der deutschlandweiten Datenerhebung statistisch nicht nachgewiesen werden
(r=-.29; p=.074).
Im Anschluss wurden mögliche Label-Formate für Carbon Footprints evaluiert, indem vier vorbereitete Label unterschiedlicher Beschaffenheit (absolute Zahlen, einordnend, vergleichend und wertend) in sechs Fokusgruppen mit insgesamt 17 Teilnehmer:innen im Alter zwischen 20 und 31 Jahren (M=25,12; SD=3,31) diskutiert wurden. Im Ergebnis zeigte sich, dass bei den Teilnehmer:innen ein breiter Wunsch nach der Ausweisung absoluter Zahlen bestand. Zur besseren Einordnung sollte ein Label zudem einordnende Elemente enthalten. Wertende Label in Form von Ampelsymbolen oder Smileys mit unterschiedlichen Emotionen wurden überwiegend abgelehnt. Ableitend aus den Erkenntnissen konnten zwei synthetisierende Label-Vorschläge entwickelt werden.
Soils in forest ecosystems bear a high potential as carbon (C) sinks in the mitigation of climate change. The amount and characteristics of soil organic matter (SOM) are driven by inputs, transformation, degradation and stabilization of organic substances. While tree species fuel the C cycle by producing aboveground and belowground litter, soil microorganisms are crucial for litter degradation as well as the formation and stabilization of SOM. Nonetheless, our knowledge about the tree species effect on the SOM status is limited, inconsistent and blurred. The investigation of tree species effects on SOM is challenging because in long-established forest ecosystems the spatial distribution of tree species is a result of the interplay of environmental factors including climate, geomorphology and soil chemistry. Moreover, tree distribution can further vary with forest successional stage and silvicultural management. Since these factors also directly affect the soil C-status, it is difficult to identify a pure “tree species effect” on the SOM status at regular forested sites. It therefore remains unclear in how far tree species-specific litter with different quality influences the microbial driven turnover and formation of SOM.
Tree species effects on SOM and related soil microbial properties were investigated by examining soil profiles (comprising organic forest floor horizons and mineral soil layers) in different forest stands at the recultivated spoil heap ‘Sophienhöhe’ located at the lignite open-cast mine Hambach near Jülich, Germany. The afforested sites comprised monocultural stands of Douglas fir (Pseudotsuga menziesii), black pine (Pinus nigra), European beech (Fagus sylvatica) and red oak (Quercus rubra) as well as a mixed deciduous stand site planted mainly with hornbeam (Carpinus betulus), lime (Tilia cordata) and common oak (Quercus robur) that were grown for 35 years under identical soil and geomorphological conditions. Because the parent material used for site recultivation was free from organic matter or coal material, the SOM accumulation is entirely the result of in situ soil development due to the impact of tree species.
The first study revealed that tree species had a significant effect on soil organic carbon (SOC) stocks, stoichiometric patterns of C, nitrogen (N), sulfur (S), hydrogen (H) and oxygen (O) as well as the microbial biomass carbon (MBC) content in the forest floor and the top mineral soil layers (0-5 cm, 5-10 cm, 10-30 cm). In general, forest floor SOC stocks were significantly higher at coniferous forest stands compared to deciduous tree species, whereas in mineral soil layers the differences were smaller. Thus, the impact of tree species decreased with increasing soil depth. By investigating the linkage of the natural abundance of 13C and 15N in the soil depth gradients with C:N and O:C stoichiometry, the second study showed that differences in SOC stocks and SOM quality resulted from a tree species-dependent turnover of SOM. Significantly higher turnover of organic matter in soils under deciduous tree species depended to 46 % on the quality of litterfall and root inputs (N content, C:N, O:C ratio), and on the initial isotopic signatures of litterfall. Hence, SOM composition and turnover also depends on additional – presumably microbially driven – factors. The subsequent results of the third study revealed that differences in SOM composition and related soil microbial properties were linked to different microbial communities. Phospholipid fatty acid (PLFA) patterns in the soil profiles indicated that the supply and availability of C and nutrient-rich substrates drive the distribution of fungi, Gram-positive (G+) bacteria and Gram-negative (G−) bacteria between tree species and along the soil depth gradients. The fourth study investigated the molecular composition of extractable soil microbial biomass-derived (SMB) and SOM-derived compounds by electrospray ionization Fourier transformation ion cyclotron resonance mass spectrometry (ESI-FT-ICR-MS). This was complemented by the analysis of nine monosaccharides representing microbial or plant origin. Microbially derived compounds substantially contributed to SOM and the contribution increased with soil depth. The supply of tree species-specific substrates resulted in different chemical composition of SMB with largest differences between deciduous and coniferous stands. At the same time, microorganisms contributed to SOM resulting in a strong similarity in the composition of SOM and SMB.
Overall, the complex interplay of tree species-specific litter inputs and the ability, activity and efficiency of the associated soil fauna and microbial community in metabolizing the organic substrates leads to significant differences in the amount, distribution, quality and consequently, the stability of SOM. These findings are useful for a targeted cultivation of tree species to optimize soil C sequestration and other forest ecosystems services.
Forest inventories provide significant monitoring information on forest health, biodiversity,
resilience against disturbance, as well as its biomass and timber harvesting potential. For this
purpose, modern inventories increasingly exploit the advantages of airborne laser scanning (ALS)
and terrestrial laser scanning (TLS).
Although tree crown detection and delineation using ALS can be seen as a mature discipline, the
identification of individual stems is a rarely addressed task. In particular, the informative value of
the stem attributes—especially the inclination characteristics—is hardly known. In addition, a lack
of tools for the processing and fusion of forest-related data sources can be identified. The given
thesis addresses these research gaps in four peer-reviewed papers, while a focus is set on the
suitability of ALS data for the detection and analysis of tree stems.
In addition to providing a novel post-processing strategy for geo-referencing forest inventory plots,
the thesis could show that ALS-based stem detections are very reliable and their positions are
accurate. In particular, the stems have shown to be suited to study prevailing trunk inclination
angles and orientations, while a species-specific down-slope inclination of the tree stems and a
leeward orientation of conifers could be observed.
Detection of Preferential Water Flow by Electrical Resistivity Tomography and Self-Potential Method
(2021)
This study explores the hydrogeological conditions of a landslide-prone hillslope in the Upper Mosel valley, Luxembourg. The investigation program included the monitoring of piezometer wells, hydrogeological field tests, analysis of drillcore records, and geophysical surveys. Monitoring and field testing in some of the observation wells indicated very pronounced preferential flow. Electrical resistivity tomography (ERT) and self-potential geophysical methods were employed in the study area for exploration of the morphology of preferential flowpaths. Possible signals associated with flowing groundwater in the subsurface were detected; however, they were diffusively spread over a relatively large zone, which did not allow for the determination of an exact morphology of the conduit. Analysis of drillcore records indicated that flowpaths are caused by the dissolution of thin gypsum interlayers in marls. For better understanding of the site’s hydrogeological settings, a 3D hydrogeological model was compiled. By applying different subsurface flow mechanisms, a hydrogeological model with thin, laterally extending flowpaths embedded in a porous media matrix showed the best correspondence with field observations. Simulated groundwater heads in a preferential flow conduit exactly corresponded with the observed heads in the piezometer wells. This study illustrates how hydrogeological monitoring and geophysical surveys in conjunction with the newest hydrogeological models allow for better conceptualization and parametrization of preferential flow.