Dissertation/Thesis Abstract

Riparian Wetlands: Hydrology Meets Biogeochemistry. Interactions Between Hydrology and Biogeochemistry Within Riparian Wetlands. Potential Implications for Internal Biogeochemical Process Distributions and Solute Exports
by Frei, Sven, Dr.Nat., Universitaet Bayreuth (Germany), 2013, 254; 10692287
Abstract (Summary)

Interaktionen zwischen hydrologischen und biogeochemischen Prozessen, auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen, sind wichtige Steuermechanismen in terrestrischen und aquatischen Ökosystemen. Diese Interaktionen existieren für unterschiedliche Komponenten in Ökosystemen sowie für ökosystemverbindende Schnittstellen. Die Erforschung dieser Interaktionen und inwiefern sich gekoppelte Prozesse auf ökosystemare Funktionen und Dienstleistungen auswirken, stellt eine interdisziplinäre Herausforderung dar, der sich die Ökosystemforschung, vor allem im Kontext des globalen Klimawandels, stellen muss. Vorfluternahe Feuchtgebiete sind Schnittstellen zwischen terrestrischen und aquatischen Ökosystemen und üben durch ihre besonderen hydrologischen und biogeochemischen Eigenschaften wichtige ökohydrologische Funktionen aus. Durch ihr sauerstoffarmes, anoxisches Milieu sind Feuchtgebiete in der Lage große Mengen an Kohlenstoff in Form von Torf langfristig zu speichern und gelten als effiziente Nährstoffsenken wie etwa für Sulfat, Phosphat oder Stickstoff. Diese Gebiete zeichnen sich durch komplexe, hoch dynamische Kopplungen zwischen hydrologisch-physikalisch kontrollierten Transportprozessen und biogeochemisch kontrollierter Stoff- und Substratverfügbarkeit aus. Die enge Verschränkung zwischen hydrologischen und biogeochemischen Prozessen steuert, in vorfluternahen Feuchtgebieten, systeminterne Stoffflüsse sowie wichtige Quell- und Senkenfunktionen. Bisher sind diese Interaktionen, sowie deren potentielle Auswirkungen auf ökosystemare Funktionen von Feuchtgebieten, nur sehr wenig erforscht. Die Übertragung der Interaktionen zwischen Hydrologie und Biogeochemie in mechanistische Modelle ist äußerst schwierig, da die Komplexität die Fähigkeiten aktueller Modelle oft übersteigt. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung hydrologisch-biogeochemischer Interaktionen in vorfluternahen Feuchtgebieten sowie deren Einfluss auf das systeminterne biogeochemische Prozessgefüge und die Stoffmobilisierung. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung eines kombinierten hydrologisch-biogeochemischen Modellansatzes, um mechanistisch die engen funktionalen Kopplungen zwischen Hydrologie und Biogeochemie in Feuchtgebieten zu untersuchen. Zu diesem Zweck benutzt diese Arbeit eine Kombination aus Feld- und virtuellen Experimenten sowie nummerischer Einzugsgebietsmodellierung, angewendet auf das Einzugsgebiet des Lehstenbaches, das exemplarisch als Hauptuntersuchungsgebiet ausgewählt wurde. Ergebnisse der kleinskaligen virtuellen Experimente zeigen eine hoch komplexe hydrologische Dynamik, bei der abflussgenerierende Prozesse innerhalb der Feuchtgebiete, insbesondere von der Mikro-topographie, beeinflusst werden. Intensiver Niederschlag führt zur Ausprägung von ausgedehnten Abflussnetzwerken, die weite Bereiche der Feuchtgebiete oberflächlich entwässern. Die episodische Aktivierung dieser Netzwerke erfolgt dabei durch einen schwellenwert-gesteuerten Prozess in Abhängigkeit von den hydrologischen und meteorologischen Randbedingungen. Während Niederschlagsereignissen, dominieren diese Netzwerke im hohen Maße die Abflussgenerierung gegenüber anderen Abflusskomponenten. Diese schnellen Abflusskomponenten zeichnen sich durch sehr kurze Verweilzeiten (Minuten - Stunden) aus. Sobald es zur Aktivierung der Abflussnetzwerke kommt, sind diese in der Lage in sehr kurzer Zeit große Mengen an gelösten Stoffen (z.B. Nitrat oder DOC) unter Umgehung tiefer anoxischer Bereiche aus den Feuchtgebieten zu mobilisieren. Die Bedeutung schneller Abflusskomponenten für die Freisetzung von DOC auf Einzugsgebietsebene wurde durch Feldmessungen sowie hydrologische Einzugsgebietsmodellierung bestätigt. Zeitlich hoch aufgelöste Messungen der DOC Konzentrationen im Abfluss des Lehstenbaches zeigen, dass der DOC Export kurzfristigen Schwankungen im Bereich von Stunden bis Tagen unterliegt. Bei Starkniederschlägen sind die DOC Konzentrationen zeitweilig bis auf das Zehnfache (bis zu 40 mg/L) gegenüber Niedrigabflussbedingungen (ca. 3-5 mg/L) erhöht. Die kurzfristigen Konzentrations-schwankungen zusammen mit dem dramatischen Anstieg der DOC Konzentrationen im Abfluss lassen sich durch die episodische Aktivierung schneller Abflusskomponenten in den Feuchtgebietszonen des Einzugsgebietes erklären. Virtuelle Experimente zeigen zusätzlich, dass es aufgrund der durch die mikro-topographie-induzierten Verschiebungen der Dominanz zwischen Oberflächen- und Grundwasserabfluss auf der kleinen Skala, zur Ausprägung komplexer dreidimensionaler Fließmuster im Untergrund kommt. Die Erforschung inwiefern sich diese Muster, zusammen mit den wechselnden hydrologischen und biogeochemischen Randbedingungen, auf die interne Umverteilung und Transformation redox-sensitiver Stoffe (Nitrat, Sulfat und Eisen(III)) auswirken, war die Motivation für die Entwicklung eines gekoppelten hydrologisch-biogeochemischen Modellansatzes. Hier werden, für Feuchtgebiete, typische biogegeochemische Prozesse simuliert, wobei die einzelnen Prozesse als kinetische Reaktionen implementiert wurden. Ergebnisse dieser Simulationen zeigen die Ausprägung räumlich eng begrenzter Bereiche mit hoher Prozessaktivität ("hot spots"), als Folge des komplexen Fließfeldes und der transport-limitierten Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren und Donoren. Die Generierung von "hot spots" konnte sowohl für reduktive Prozesse (Eisen(III)-/Sulfatredution und Denitrifikation) als auch für entsprechende Reoxidationsprozesse simuliert werden. Ergebnisse dieses Modellierungsansatzes tragen im Wesentlichen zum Verständnis bei, inwiefern sich beobachtete räumliche und zeitliche Heterogenität im biogeochemischen Prozessgefüge von Feuchtgebieten durch das dynamische Zusammenspiel zwischen hydrologischen und biogeochemischen Prozessen erklären lassen. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit wie nützlich interdisziplinäre Forschungsansätze sein können, um Prozesse und Mechanismen in Ökosystemen zu verstehen und um die Auswirkungen von Prozessinteraktionen auf wichtige Ökosystemfunktionen zu erforschen. Dennoch existieren immer noch viele Wissenslücken welche Art von Abhängigkeiten zwischen Wasser- und Stoffkreisläufen skalenübergreifend in Ökosystemen existieren und inwiefern sich der anthropologisch verursachte Klimawandel auf diese Abhängigkeiten auswirkt. Die Entwicklung neuer interdisziplinärer Methoden und Forschungsansätze als auch eine fachübergreifende Denkweise ist Notwendig um die großen Herausforderung des globalen Klimawandels für die Ökosystemforschung anzugehen.

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Advisor:
Commitee:
School: Universitaet Bayreuth (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/1(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Hydrologic sciences, Biogeochemistry, Ecology, Aquatic sciences
Keywords: Riparian habitat, Wetlands
Publication Number: 10692287
ISBN: 9781392546642
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