Eolian mass transports in agroecosystems ; experimental research and spatial modelling of wind induced soil erosion processes

Autor: Bach, Michaela
Přispěvatelé: Duttmann, Rainer, Ludwig, Ralf
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2008
Předmět:
Popis: Äolische Stofftransporte und die damit in Verbindung stehende langfristige Degradation des Bodens sind sowohl historisch als auch rezent in weiten Teilen der Erde zu beobachtende Prozesse. Eine Reduktion der natürlichen Bodenbedeckung durch Überweidung oder durch Bodenbearbeitung im Rahmen ackerbaulicher Flächennutzung führt in Regionen mit erhöhtem bodenbürtigem Erosionsrisiko und hoher klimatischer Erosivität zum Auftreten von windbedingtem Bodenabtrag. Weltweit sind ein Drittel der landwirtschaftlichen Nutzflächen durch Winderosion bedroht, die UNEP (1997) beziffert den Verlust an Anbauflächen durch Wasser- und Winderosion auf 7 Mio. ha pro Jahr. Durch Kopplung empirisch-statistischer Stofftransportmodelle an ein bestehendes prozess-basiertes Winderosionsmodell soll im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Beitrag zur Quantifizierung und Modellierung äolischer Stofftransporte in Agrarlandschaften geleistet werden. Auf Grundlage von Freilandversuchen, Windkanalexperimenten und prozess-basierter Modellierung sollen drei wesentliche Forschungsfragen beantwortet werden: (i) Inwieweit lassen sich Anreicherungsbeziehungen für partikulär gebundene Nährstoffe und organische Substanz im äolischen Transportstrom im Vergleich zum Ausgangssubstrat nachweisen? (ii) Ergeben sich in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit und der Bewindungsdauer unterschiedliche Stofftransportprofile? (iii) Inwieweit lassen sich die Ergebnisse von Windkanalexperimenten auf Untersuchungen im Freiland übertragen? Auf Grundlage der Windkanalexperimente konnten empirisch-statistische Transportmodelle für den Gesamtkohlenstofftransport und den Transport von pflanzenverfügbarem Phosphat und Kalium entwickelt werden. Die Integration der von den Prozessgrößen Strömungsgeschwindigkeit und Ereignisdauer unabhängigen Transportmodelle in das prozess-basierte Modell TEAM ermöglicht eine ereignisbezogene Modellierung und Quantifizierung des äolischen Sediment- und Stofftransportes für die leichten Böden der Sandergeest Nordmitteleuropas. Bei der Validierung des kalibrierten Sedimenttransportmodells TEAM und der erweiterten Modellversion TEAMn ergaben sich durchweg hohe Vorhersagegüten (R² >= 0,7). Die Modellierung eines realen Freilandereignisses zeigte eine gute Übereinstimmung mit den geschätzten Abtragsraten aus der Literatur. Trendanalysen von Klimamessreihen aus dem Untersuchungsraum haben gezeigt, dass in den vergangenen 115 Jahren die Häufigkeit des Auftretens von erosiven Wetterlagen im potenziellen Erosionszeitraum leicht rückläufig ist. Die vor dem Hintergrund des Klimawandels diskutierte Zunahme von Starkwindereignissen und Extremwetterlagen gilt nach Analyse der verfügbaren Daten nicht für in Bezug auf den Winderosionsprozess als erosiv zu bezeichnende Wetterlagen im Untersuchungsgebiet. Eolian sediment transport and the associated longterm soil degradation is a global problem, both historical and actual. In regions with soils susceptible to wind erosion and high climatic erosivity the reduction of soil vegetation cover by overgrazing or tillage causes wind induced soil denudation. One third of the world`s agricultural area is threatened by wind erosion. The UNEP (1997) estimates the loss of arable land due to wind and water erosion to be 7 million hectares per year. This thesis aims to contribute to the quantitative modeling of aeolian soil transport on farmlands by coupling empirically based transport models for soil nutrients and organic matter to an existing physically based wind erosion model. Three research questions are addressed within this project: (i) Are there enrichment relations between the content of nutrients and organic matter in the transported sediment and the parent material? (ii) Do the sediment flux profile change as a function of wind velocity and event duration? (iii) Could the results of wind tunnel experiments be transfered to the findings of field investigations? Based on wind tunnel experiments empirical transport models for aeolian total carbon, plant available phosphorous and potassium flux are developed. The enrichment relations found are independent of the process variables flow rate and event duration. The models are integrated as add-ons into the erosion model TEAM. The upgraded erosion simulation model called TEAMn enables to an event-driven quantitative modeling of aeolian sediment, plant available nutrient and organic matter fluxes in agricultural areas of Northwest Germany. Validation of the TEAM model as well as TEAMn show high accuracy of forecast levels (R² = 0,7). The results of a re-modelling of a well documented field event is in accordance with sediment flux estimates found in the literature. Trend analysis of meteorological data from the research area shows, that the frequency of erosive weather conditions during periods of high potential wind erosion risk declined within the last 115 years. Increasing frequency of storms and extreme weather conditions as discussed within the context of climate change are not significant at this temporal and spatial scale.
Databáze: OpenAIRE
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