Unterschiede und Gemeinsamkeiten in der Bodenwasserdynamik unterschiedlicher Wald- und Ackerstandorte

Die standörtliche Bodenwasserdynamik wird wesentlich durch die Landnutzung, Vegetation, Bodeneigenschaften und Witterung bestimmt. Um in einer Region ein hydrologisches Modell erfolgreich anwenden zu können, ist es notwendig, den Bodenwasserhaushalt in seiner zeitlichen und räumlichen Ausprägung richtig abzubilden. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundprojektes „Nachhaltiges Landma-nagement im Norddeutschen Tiefland“ (NaLaMa-nT) wurden im Fläming boden-hydrologische Monitoringstandorte aufgebaut, die kleinräumige Heterogenitäten in der Bodenwasserdynamik kontinuierlich und zeitlich hoch aufgelöst erfassen. Ergebnisse der Saugspannungsmessungen mit Watermark-Sensoren auf sechs Acker- und Waldstandorten werden präsentiert. Gemeinsamkeiten und Unterschiede im Bodenwasserhaushalt der Monitoringstandorte werden aufgezeigt und analysiert

Erfassung und Modellierung der Schneeschmelzerosion am Beispiel der Kleineinzugsgebiete Schäfertal (Deutschland) und Lubazhinkha (Russland)

Bodenerosion durch Wasser ist ein ubiquitäres Problem, dass sowohl die landwirtschaftliche Produktivität vermindert, Bodenfunktionen einschränkt und auch in anderen Umweltkompartimenten schädliche Auswirkungen haben kann. Oberflächengewässer sind durch die mit Bodenerosion einhergehende Belastung durch Sediment, sedimentgebundenen und gelösten Nährstoffen sowie anderen Schadstoffen besonders betroffen. Das Wissen über Erosionsprozesse und Sedimentfrachten hat daher große Bedeutung für den Schutz der Güter Boden und Wasser und darüber hinaus eine ökonomische Bedeutung. Generell kann innerhalb eines Hanges oder Einzugsgebietes von einer Zone der Erosion, des Transports und der Sedimentation ausgegangen werden. Jedoch führen Abflussbildungsprozesse und rauhigkeits- bzw. topographiebeeinflusste Abflusskonzentration zu einer individuellen Differenzierung. Räumliche und zeitliche Prozessdiskontinuitäten oder Konnektivitäten und Schwellenwerte modifizieren die Erosions- und Sedimentaustragssituation in einem Einzugsgebiet darüber hinaus. Die Landschaftstrukturelemente Relief und Boden kontrollieren demnach über die Bodenfeuchtedifferenzierung im entscheidenden Maße die Abflussbildung und Sedimentfracht in einem Einzugsgebiet. Obwohl in den gemäßigten und kühlen Klimaregionen ein großer Teil der Abflussbildung im Winter stattfindet und von Bodenfrost sowie Schneeschmelzen geprägt sein kann, ist über die Prozesse und die Größe der Sediment- und Nährstoffausträge bei solchen winterlichen Randbedingungen nur wenig bekannt. Systematische Untersuchungen existieren vor allem für Norwegen und Russland. Dieses Defizit spiegelt sich auch in den vorhandenen Modellansätzen zur Abbildung der Bodenerosion und der Abschätzung von Sedimentausträgen aus Einzugsgebieten wider. Zum einen werden in der Regel weder Schneedeckenaufbau bzw. -schmelze noch die Veränderungen des Bodenwasserflusses bei Bodenfrost berücksichtigt. Zum anderen werden die Erosivität des Schneeschmelzabflusses und die Beeinflussungen der Bodenerodibilität, z.B. durch Frost-Tau Zyklen, nicht hinreichend wiedergegeben. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, auf der Analyse von Daten aus einem deutschen und einem russischen Untersuchungseinzugsgebiet aufbauend, die wichtigsten Prozesse und Größen der Abflussbildung und Stoffausträge bei winterlichen Rahmenbedingungen zu charakterisieren und in einem Modellsystem umzusetzen. Die weitergehende Anwendung dieses Modellsystems dient der Interpretation räumlicher Heterogenitäten und zeitlicher Variabilitäten sowie der Auswirkungen von klimatischen- und Landnutzungsänderungen auf den Sedimentaustrag der beiden Untersuchungseinzugsgebiete. Das 1.44 km² große Einzugsgebiet Schäfertal liegt im östlichen Unterharz. Über den Grauwacken und Tonschiefern haben sich aus einem periglazialen Decklagenkomplex Braun- und Parabraunerden entwickelt, die ackerbaulich mit einer Wintergetreide-Raps Fruchtfolge genutzt werden. In der Tiefenlinie dominieren hydromorph überprägte Böden mit Wiesennutzung. Das Klima weist bei einer Jahresmitteltemperatur von 6.8°C und 680 mm Jahresniederschlagssumme eine geringe kontinentale Überprägung auf. Neben langjährigen umfangreichen hydro-meteorologischen Messungen finden seit mehreren Jahren Untersuchungen zum Sediment- und Nährstoffautrag statt. Eine regelmäßige zweiwöchentliche Beprobung des Abflusses am Gebietsauslass wird durch eine automatisierte Hochwasserprobenahme vor allem bei Schneeschmelzen ergänzt. Neben der Sedimentkonzentration werden unter anderem Phosphor und gelöster organischer Kohlenstoff nach Standardmethoden bestimmt. Auch im russischen Zielgebiet Lubazhinkha liegt das Hauptaugenmerk auf der Charakterisierung der Abflussbildung und der Stoffausträge bei den jährlich auftretenden Schneeschmelzen. Das Einzugsgebiet liegt ungefähr 100 km südlich von Moskau im Übergangsbereich der südlichen Taiga zur Waldsteppe. Die insgesamt 18.8 km² werden zur Hälfte landwirtschaftlich und zu einem Drittel forstwirtschaftlich genutzt. Die aktuelle räumliche Differenzierung der Nutzung in diesem Gebiet wird durch die reliefbedingte Kappung und hydromorphe Überprägung der vorherrschenden grauen Waldböden bestimmt. Das Klima und die Hydrologie sind durch Schneedeckenaufbau und –schmelze, bei einer Jahresdurchschnittstemperatur von 4.4°C und einer Jahresniederschlagsmenge von 560 mm, geprägt. Zur Erfassung des Stoffaustrags werden Hochwasserprobenahmen am Gebietsauslass sowie an den beiden wichtigsten Zuflüssen genommen und neben Sediment- und Nährstoffkonzentrationen weitere physikalische und chemische Parameter bestimmt. Die Auswertung der Daten des Schäfertals zeigen für den Untersuchungszeitraum eine deutliche Dominanz der Hochwasserereignisse, die durch Schneeschmelzen hervorgerufen werden. Einzugsgebietsbedingungen mit gefrorenem Boden führen zu einer Modifizierung der Abflussentwicklung vor allem im ansteigenden Teil des gemessenen Hydrographen durch Auftreten von schnellen oberflächen- oder oberflächennahen Abflüssen. Der Spitzenabfluss bei den acht zur Interpretation herangezogenen Hochwasserereignissen variiert zwischen 30 und 270 l s-1, bei Abflussmengen von 1-50 mm. Die am Gebietsauslass ermittelten maximalen Sedimentkonzentrationen liegen für die beiden Ereignisse ohne gefrorenen Boden bei unter 650 mg l-1 und damit deutlich unter den bis zu 6000 mg l-1 bei teilweise oder ganz gefrorenen Böden im Schäfertal. Lediglich bei einem Ereignis mit Niederschlag und ungefrorenem Boden treten hohe Sedimentkonzentrationen auf, die auf Gerinnepflegemaßnahmen und dadurch leichte Mobilisierbarkeit von Material zurückzuführen sind. Dementsprechend schwanken die Sedimentfrachten der Einzelereignisse und erreichen bis zu 17 t. Die wichtigste Steuergröße ist dabei die Ausbildung erosiven Abflusses auf den Hängen durch eine Verminderung der hydraulischen Leitfähigkeit bei gefrorenen Böden. Der Vergleich der Sedimentkonzentrationen der Hochwasserereignisse mit der zweiwöchentlichen Grundbeprobung verdeutlicht, ebenso wie Hysteresekurven der Einzelereignisse, die unterschiedlichen Dynamiken der Austragssituationen. Während die durch Bodenfrost geprägten Ereignisse ein gegen den Uhrzeigersinn verlaufendes Abfluss-Sedimentkonzentrationsverhältnis aufweisen, das auf eine Sedimentquelle auf den Hängen hinweist, sind die Hysteresekurven bei nicht gefrorenen Böden im Uhrzeigersinn orientiert. Eine Sedimentherkunft in Gerinnenähe oder den Gerinneböschungen selbst ist daher wahrscheinlich. Diese Annahmen werden auch durch eine differenzierte Phosphoranreicherungsrate im ausgetragenen Sediment bestätigt. Darüber hinaus kann teilweise eine ereignisinterne Dynamik beobachtet werden, die auf zeitliche Variabilität in der Abflussbildung und damit zusammenhängend, eine räumliche Heterogenität der Sedimentquellen belegt. Während im Untersuchungsgebiet Schäfertal ein mehrmaliges Auftreten von Schneeschmelzen innerhalb eines Winters möglich ist, kommt es im russischen Einzugsgebiet zu einem regelmäßigen Schneedeckenaufbau über den Winter hinweg und einer Schneeschmelze in der Regel im März oder in der ersten Aprilhälfte. Die Auswertung mehrjähriger Datenreihen belegt die Bedeutung der Schneeschmelze für die Abflussbildung und den Sedimentaustrag aus dem Untersuchungsgebiet Lubazhinkha. Für die drei zur Interpretation herangezogenen Schneeschmelzen liegt die Sedimentfracht zwischen 50 und 630 t bei deutlichen Unterschieden in den hydrologischen Rahmenbedingungen. Die ereignisbezogene Sedimentfracht von mindestens 0.3 t ha-1 liegt zwar über der für das Schäfertal ermittelten, befindet sich aber im Bereich der Werte, die in anderen Studien bei vergleichbaren Böden und Nutzungsformen bestimmt wurden. Eine detaillierte Analyse der Messwerte der Schneeschmelze im Jahr 2003 belegt eine Dynamik innerhalb dieses Einzelereignisses. Bei Sedimentkonzentrationen im Abfluss am Gebietsauslass von 6 bis 540 mg l-1 kommt es zu einer Sedimentfracht von ungefähr 190 t. Während die maximalen Konzentrationen von Sediment und Phosphor mit der Spitze des Abflusses einhergehen, liegt für DOC eine Verzögerung vor, die durch eine langsamere Schneeschmelze und Mobilisierung von DOC aus dem humusreichen Oberboden der Waldflächen ausgelöst wird. Eine Differenzierung der Abflusskomponenten ermöglicht eine weitergehende Interpretation der ereignisinternen Dynamik der Stoffquellen und Eintragspfade. Bei geringen Abflussmengen (< 2,5 mm d-1) findet ein Stoffeintrag überwiegend in gelöster Form über die Bodenwasserpassage und langsame Abflusskomponenten in den Vorfluter statt. Bei höheren Abflussmengen dominieren schnelle Abflusskomponenten bzw. Oberflächenabfluss, der zeitlich dynamisch unterschiedliche Stoffquellen mobilisiert. Neben diesen ereignisinternen treten interanuelle Variabilitäten auf, die durch witterungsbedingte Faktoren bestimmt werden. Wie im Schäfertal spielt auch im Lubazhinkhaeinzugsgebiet die Ausbildung von Bodenfrost und damit verbundene Veränderung der Infiltrationseigenschaften der Böden eine große Rolle. Das Schneewasseräquivalent, die Schneeschmelzdynamik und Bodenfrosteigenschaften, z.B. Eindringtiefe, sind die wichtigsten Steuergrößen. Die Variabilität dieser Randbedingungen führt zu einer hohen interannuellen Differenzierung der Abflussbildung und der Sedimentausträge. Für die Schneeschmelze 2004 kann so bei überdurchschnittlich hohen Wintertemperaturen und nur teilweise gefrorenen Böden sowie geringem Schneewasseräquivalent eine geringe Sedimentfracht ermittelt werden. Darüber hinaus verdeutlichen die Hysteresekurven der Sedimentkonzentrationen Unterschiede in der Sedimentquelle für die Einzeljahre, die von den oben genannten Rahmenbedingungen abhängen. Auf der Basis des Monitoring lassen sich für beide Einzugsgebiete die wichtigen abflussbildenden Prozesse charakterisieren und Einflussgrößen erfassen. Dem Bodenfrost und der Schneeschmelzdynamik kommen dabei übergeordnete Bedeutung zu. In beiden Gebieten werden bei winterlichen Rahmenbedingungen erhebliche Mengen an Sediment und Nährstoffen ausgetragen. Die Interpretation physikalischer bzw. chemischer Parameter des Abflusses ermöglicht darüber hinaus auch Aussagen über die zeitliche Variabilität und räumliche Heterogenität der Sedimentherkunftsräume. Aus den Erkenntnissen der Einzugsgebietsbeobachtung ergeben sich für einen Modellansatz verschiedenen Anforderungen, die vor allem die räumlich differenzierte Darstellung des Einflusses von Bodenfrost auf den Bodenwasserhaushalt sowie die Bodenerosion durch oberflächlich abfließendes Schneeschmelzwasser betreffen. Die Grundlage für das Modellsystem „IWAN“ (Integrated Winter erosion And Nutrient load model) stellt das hydrologische Modell WASIM ETH Ver. 2 und das Stoffhaushaltsmodell AGNPS 5.0 dar. Die Verknüpfung dieser beiden auf Rasterzellen aufbauenden Modelle ermöglicht die Nutzung von kontinuierlichen, räumlich differenzierten Informationen zum Oberflächenabfluss für die Abschätzung der Bodenerosion. Durch diese Schnittstelle wird die sehr hohe Parametersensitivität des SCS-CN Verfahrens in AGNPS durch geringere Einzelsensitivitäten verschiedener Parameter des Bodenwasserhaushaltes in WASIM ersetzt und gleichzeitig eine plausible, prozessbasierte räumliche Abflussbildung berechnet. Durch die Implementierung eines Moduls zur Abschätzung der Bodentemperatur in WASIM ist zusätzlich die Grundlage für eine weitergehende Verbesserung der Abflussbildung bei winterlichen Randbedingungen gelegt. Durch das Modul wird die Oberbodentemperatur aus Werten der Lufttemperatur unter Einbeziehung der Exposition und der Landnutzung auf der Basis einer Polynomanpassung abgeschätzt. Bei einer modellierten Schneedecke von mehr als 5 mm Schneewasseräquivalent wird die berechnete Bodentemperatur des Vortages übernommen. Bei Bodentemperaturen unter dem Gefrierpunkt wird darüber hinaus die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit des Bodens auf Null herabgesetzt, so dass im Zuge der Schneeschmelze zunächst das noch freie Porenvolumen aufgefüllt wird und danach Oberflächenabflussbildung beginnt. Für das Schäfertal liegt die Güte der Anpassung der Bodentemperatur bei Korrelationskoeffizienten von 0.62 bis 0.81 und für das Lubazhinkhaeinzugsgebiet bei Werten von 0.82 bis 0.91. Die räumlich und zeitlich differenzierte Oberflächenabflussinformation dient als Grundlage einer neu entwickelten Berechnung der Rillenerosion bei Schneeschmelzen, die den dafür nicht geeigneten empirischen Ansatz in AGNPS ersetzt. Basierend auf der Grundannahme eines dreieckigen, nicht durch Frost in der Eintiefung beeinträchtigten Rillenprofils und, da wassergesättigt, nichtkohesiver Bodeneigenschaften wird für jede Rasterzelle eine Rille simuliert. Die Erodibilität des Bodens wird als Funktion von Wurzelparametern und des Durchmessers der wasserstabilen Aggregate erfasst. Die Scherkraft des Schneeschmelzeabflusses in der Rille wird in Abhängigkeit von der Oberflächenrauhigkeit und dem Aggregatdurchmesser betrachtet und darauf aufbauend in einem Impulsstromansatz die erodierte Bodenmenge berechnet. In Verbindung mit dem durch das modifizierte WASIM berechneten und gerouteten Oberflächenabfluss ergibt sich so ein räumlich differenziertes Bild der Bodenerosion. Das Modellsystem IWAN beinhaltet neben der Erosionsberechnung ein eingabefenstergesteuertes Menü zur Datenkonvertierung und zum Prä- sowie Postprozessing. Die Ergebnisse der Anwendung des Modellsystems für die beiden Einzugsgebiete belegen, dass sowohl die entscheidenden Prozesse der Abflussbildung als auch des Sedimentaustrags wiedergegeben werden. Für das Schäfertal wurde für die Kalibrierungsjahre 1994 bis 1995 eine Modellierungsgüte von R2 0.94 bzw. 0.91 erzielt. Mit Ausnahmen der Schneeschmelze im Jahr 1996 werden die Episoden hohen Abflusses in den Jahren 1996 bis 2003 mit dem kalibrierten Parametersatz gut wiedergegeben und das witterungsbedingte Trockenfallen im Sommer zufriedenstellend dargestellt. Auf dieser Basis wird für die experimentell erfassten und diskutierten Schneeschmelzereignisse das Gesamtabflussvolumen dieser Ereignisse mit hoher Güte abgebildet. Die räumlich differenziert berechnete Bodenfeuchte und Bodenfrostvorkommen bedingen einen variablen Anteil des Oberflächenabflusses am Gesamtabfluss. Für das Schneeschmelzerosionsmodul hat das Abflussvolumen ebenso wie die Hangneigung und Abflusslänge eine positive Sensitivität. Aufgrund von Parameterkombinationen und nichtlineare Algorithmen kann es jedoch vor allem für die Wurzelparameter und den Manning Koeffizienten zu differenzierten Sensitivitätsentwicklungen kommen. Für die Simulation der Erosion im Schäfertal wurde daher zunächst auf einen Parametersatz zurückgegriffen, der auf der Basis von Erosionsparzellenversuchen kalibriert wurde. Die Mittelwerte der berechneten Erosion liegen zwischen 0.0006 und 0.96 t ha-1 für die sechs gemessenen Einzelereignisse im Schäfertal. Die Medianwerte und hohen Standardabweichungen belegen jedoch, dass insgesamt Zellen mit geringen Erosionswerten überwiegen. Die Ereignisse mit gefrorenen Böden weisen eine signifikant höhere Erosion auf. Unterschiede in der Erosion treten bei gleichen Gesamtabflussvolumen wie z.B. bei den Ereignissen vom 20.01.2001 und 26.02.2002 durch differenzierte Abflusskonzentration auf dem nord- bzw. südexponierten Hang auf. Neben einer Überprüfung der Plausibilität der berechneten Werte, werden die räumlichen Verteilungsmuster durch Geländeaufnahmen bestätigt. Die Anpassung der berechneten Sedimentfracht an die gemessenen Werte erfolgte durch die Kalibrierung des Manning Koeffizienten für ein Ereignis. Die simulierte Sedimentfracht ist in einigen Hangfußbereichen aufgrund der Abflussakkumulation besonders hoch und erreicht für den Gebietsauslass Werte zwischen 0.0 und 13.84 t. Mit der Ausnahme des Ereignisses vom 26.02.2002 ist die Sedimentfracht leicht unterschätzt, so dass sich in der Summe für die drei Winterhalbjahre 2001 bis 2003 ein Gesamtfehler von 11 t ergibt. Die Differenz zwischen der simulierten und beobachteten Sedimentfracht ist für den 26.12.2002 am größten. Als mögliche Ursache für die Abweichungen der berechneten zu den gemessenen Werten, wird die zeitliche Variabilität und räumliche Heterogenität der Oberflächenrauhigkeit, vor allem in Hinblick auf Bodenbearbeitung und Bodenfrosteinflüssen, diskutiert. Die generelle Verteilung der Sedimentquellen, Transportwege und Übertrittstellen vom Hang ins Gewässer stimmt mit Geländebeobachtungen überein. Eine quantitative Überprüfung der räumlichen Ergebnisse auf der Einzelereignisebene ist für das Schäfertal jedoch nicht möglich. Für das Lubazhinkhaeinzugsgebiet können zwei Parametersätze für das Kalibrierungsjahr 2004 identifiziert werde, die eine zufriedenstellende Modellierungsgüte für das hydrologische Modell erreichen. Obwohl einer dieser Parametersätze die Schneeschmelzsituationen und Maximalabflüsse gut darstellt, sind die Areale mit Oberflächenabflussbildung innerhalb des Einzugsgebietes nicht plausibel verteilt. Im Gegensatz dazu werden die lateralen Wasserflüsse und damit die prozessbestimmende Bodenfeuchteverteilung durch den anderen Parametersatz besser abgebildet. Es kommt jedoch zu einer Überschätzung der Spitzenabflüsse der Schneeschmelzhochwasser für die Validierungsjahre 2003 und 2005. Die auf der Basis der Messwerte erkannten Unterschiede zwischen den Einzeljahren werden ebenso dargestellt wie die differenzierte Abflussbildung innerhalb einer Schneeschmelzsituation. Neben Oberflächenabflussbildung auf den flachen Kuppenbereichen und auf Sättigungsflächen in den Talböden, wird auch die beobachtete verzögerte Abflussbildung unter Wald durch das Modell berücksichtigt. Bei zehn Tagen mit Oberflächenabfluss innerhalb der drei Schneeschmelzen 2003 bis 2005 mit Oberflächenabflussvolumen von 0.3 bis 24.1 mm d-1 werden durch das Modellsystem IWAN Erosionssummen von 10 bis 280 t d-1 simuliert. Bei einem variablen Flächenanteil von ca. 5 bis 46 % des Gesamtgebietes, auf dem Erosion stattfindet, bewegen sich die Werte der effektiven Erosion bei 0.1 bis 0.32 t ha-1 für die Einzeltage und 0.44 bis 0.92 t ha-1 für die mehrtägigen Schneeschmelzen. Die am Gebietsauslass simulierte Sedimentfracht liegt zwischen 6.7 und 365.8 t pro Tag und summiert sich auf 246.2 t für die Schneeschmelze 2003. Im Jahr 2004 werden 99.9 t und im Jahr 2005 sogar 757.9 t Austrag simuliert. Für das Kalibrierungsjahr 2004 kommt es zu einer Überschätzung der Sedimentfracht im Vergleich zur gemessenen von lediglich 10 t bzw. 12%. Für die Schneeschmelze im Jahr 2003 liegt die Abweichung mit diesem Parametersatz bei -9 %. Für das Jahr 2005 fällt die Berechnung mit einem Fehler von 33 % nicht so gut aus. Insgesamt führen Schneeschmelztage mit geringer simulierter Erosionsmenge zu einer zusätzlichen Mobilisierung von Sediment aus dem Gerinne und umgekehrt, hohe Erosionsmengen zu einer Deposition von Material auf den Wald- und Grünlandflächen und im Gerinne selbst. Hohe Sedimentfrachten werden daher vor allem für die Talflanken und die kerbtalähnlichen Talanfänge berechnet. Durch die räumliche Differenzierung der Abfluss- und Erosionsprozesse kommt es zu signifikanten Unterschieden bei der berechneten Sedimentfracht für die beiden Teileinzugsgebiete. Bei Schneeschmelztagen mit Abflussbildung unter Wald wird aufgrund des höheren Waldanteils im Lubazhinkhateilgebiet eine höhere Sedimentmenge ausgetragen. Die Unterschiede im Gerinneverhalten und zwischen den Teileinzugsgebieten verdeutlichen die insgesamt hohe Prozessrepräsentanz der Modellergebnisse. Das Modellsystem IWAN bildet für beide Einzugsgebiete mit hoher Plausibilität die räumliche und zeitliche Dynamik der Oberflächenabflussbildung während der Schneeschmelze und die damit verbundenen Erosionsprozesse ab. Der Modellansatz stellt somit eine Möglichkeit zwischen Modellergebnisaggregierung für den Gebietsauslass und aufwendiger Geländebeobachtung bzw. –messungen dar. Die prozessbeschreibende Modellierung mit zufriedenstellender Güte sowohl für das Schäfertal als auch für das Lubazhinkhaeinzugsgebiet stellt die Grundlage für die Berechnung von Klima- oder Landnutzungsszenarien dar. Eine Auswertung der bestehenden langjährigen Datenreihe aus dem Schäfertal bestätigt zunächst den allgemeinen Trend zur Erwärmung vor allem im Winterhalbjahr. Demgegenüber lässt der instrumentenbedingte Fehler bei der Niederschlagmessung keine Ableitung eines Trends aus den vorhandenen Daten zu. Aus der meteorologischen Datenreihe des Schäfertals wurden insgesamt 13 Jahre mit definierter Abweichung von +2.5 bis -2.5 °C und fünfmal +0.5 °C von der durchschnittlichen Winterlufttemperatur (Jd 330-90) gegenüber dem langjährigen Wintermittel ausgewählt. Im Gegensatz zu Wettergeneratoren werden dadurch eine Kombinationen aus Lufttemperatur und Niederschlag erfasst, die typischen Witterungssituationen entsprechen. Die Niederschlagssummen für den Winterzeitraum dieser Szenariojahre liegen zwischen -45 % und + 75 % gegenüber den langjährigen Mittelwerten. Die Modellergebnisse belegen die große Bedeutung der Witterungssituationen für die Abflussbildung in der Art, dass eine erhöhte Niederschlagsumme nicht zwingend auch eine überdurchschnittliche Abflussmenge hervorruft. Schneedeckendynamik und Bodenfrost sind die prägenden Elemente. Die Anzahl der Schneetage und die Dauer einer Schneeperiode liegt bei negativen Temperaturabweichungen deutlich über den Szenarien mit positiver Abweichung. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der hydrologischen Simulation für die Szenarien, dass sowohl eine starke Abweichung nach oben oder unten vom bisherigen Durchschnitt vermehrt zu Oberflächenabflussbildung führt. Die Erosionssummen der Szenariotage mit Oberflächenabfluss variieren zwischen 4 und 141 t d-1 und stehen aufgrund des nicht veränderten Parametersatzes i

Erfassung und Modellierung der Schneeschmelzerosion am Beispiel der Kleineinzugsgebiete Schäfertal (Deutschland) und Lubazhinkha (Russland)

Bodenerosion durch Wasser ist ein ubiquitäres Problem, dass sowohl die landwirtschaftliche Produktivität vermindert, Bodenfunktionen einschränkt und auch in anderen Umweltkompartimenten schädliche Auswirkungen haben kann. Oberflächengewässer sind durch die mit Bodenerosion einhergehende Belastung durch Sediment, sedimentgebundenen und gelösten Nährstoffen sowie anderen Schadstoffen besonders betroffen. Das Wissen über Erosionsprozesse und Sedimentfrachten hat daher große Bedeutung für den Schutz der Güter Boden und Wasser und darüber hinaus eine ökonomische Bedeutung. Generell kann innerhalb eines Hanges oder Einzugsgebietes von einer Zone der Erosion, des Transports und der Sedimentation ausgegangen werden. Jedoch führen Abflussbildungsprozesse und rauhigkeits- bzw. topographiebeeinflusste Abflusskonzentration zu einer individuellen Differenzierung. Räumliche und zeitliche Prozessdiskontinuitäten oder Konnektivitäten und Schwellenwerte modifizieren die Erosions- und Sedimentaustragssituation in einem Einzugsgebiet darüber hinaus. Die Landschaftstrukturelemente Relief und Boden kontrollieren demnach über die Bodenfeuchtedifferenzierung im entscheidenden Maße die Abflussbildung und Sedimentfracht in einem Einzugsgebiet. Obwohl in den gemäßigten und kühlen Klimaregionen ein großer Teil der Abflussbildung im Winter stattfindet und von Bodenfrost sowie Schneeschmelzen geprägt sein kann, ist über die Prozesse und die Größe der Sediment- und Nährstoffausträge bei solchen winterlichen Randbedingungen nur wenig bekannt. Systematische Untersuchungen existieren vor allem für Norwegen und Russland. Dieses Defizit spiegelt sich auch in den vorhandenen Modellansätzen zur Abbildung der Bodenerosion und der Abschätzung von Sedimentausträgen aus Einzugsgebieten wider. Zum einen werden in der Regel weder Schneedeckenaufbau bzw. -schmelze noch die Veränderungen des Bodenwasserflusses bei Bodenfrost berücksichtigt. Zum anderen werden die Erosivität des Schneeschmelzabflusses und die Beeinflussungen der Bodenerodibilität, z.B. durch Frost-Tau Zyklen, nicht hinreichend wiedergegeben. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, auf der Analyse von Daten aus einem deutschen und einem russischen Untersuchungseinzugsgebiet aufbauend, die wichtigsten Prozesse und Größen der Abflussbildung und Stoffausträge bei winterlichen Rahmenbedingungen zu charakterisieren und in einem Modellsystem umzusetzen. Die weitergehende Anwendung dieses Modellsystems dient der Interpretation räumlicher Heterogenitäten und zeitlicher Variabilitäten sowie der Auswirkungen von klimatischen- und Landnutzungsänderungen auf den Sedimentaustrag der beiden Untersuchungseinzugsgebiete. Das 1.44 km² große Einzugsgebiet Schäfertal liegt im östlichen Unterharz. Über den Grauwacken und Tonschiefern haben sich aus einem periglazialen Decklagenkomplex Braun- und Parabraunerden entwickelt, die ackerbaulich mit einer Wintergetreide-Raps Fruchtfolge genutzt werden. In der Tiefenlinie dominieren hydromorph überprägte Böden mit Wiesennutzung. Das Klima weist bei einer Jahresmitteltemperatur von 6.8°C und 680 mm Jahresniederschlagssumme eine geringe kontinentale Überprägung auf. Neben langjährigen umfangreichen hydro-meteorologischen Messungen finden seit mehreren Jahren Untersuchungen zum Sediment- und Nährstoffautrag statt. Eine regelmäßige zweiwöchentliche Beprobung des Abflusses am Gebietsauslass wird durch eine automatisierte Hochwasserprobenahme vor allem bei Schneeschmelzen ergänzt. Neben der Sedimentkonzentration werden unter anderem Phosphor und gelöster organischer Kohlenstoff nach Standardmethoden bestimmt. Auch im russischen Zielgebiet Lubazhinkha liegt das Hauptaugenmerk auf der Charakterisierung der Abflussbildung und der Stoffausträge bei den jährlich auftretenden Schneeschmelzen. Das Einzugsgebiet liegt ungefähr 100 km südlich von Moskau im Übergangsbereich der südlichen Taiga zur Waldsteppe. Die insgesamt 18.8 km² werden zur Hälfte landwirtschaftlich und zu einem Drittel forstwirtschaftlich genutzt. Die aktuelle räumliche Differenzierung der Nutzung in diesem Gebiet wird durch die reliefbedingte Kappung und hydromorphe Überprägung der vorherrschenden grauen Waldböden bestimmt. Das Klima und die Hydrologie sind durch Schneedeckenaufbau und –schmelze, bei einer Jahresdurchschnittstemperatur von 4.4°C und einer Jahresniederschlagsmenge von 560 mm, geprägt. Zur Erfassung des Stoffaustrags werden Hochwasserprobenahmen am Gebietsauslass sowie an den beiden wichtigsten Zuflüssen genommen und neben Sediment- und Nährstoffkonzentrationen weitere physikalische und chemische Parameter bestimmt. Die Auswertung der Daten des Schäfertals zeigen für den Untersuchungszeitraum eine deutliche Dominanz der Hochwasserereignisse, die durch Schneeschmelzen hervorgerufen werden. Einzugsgebietsbedingungen mit gefrorenem Boden führen zu einer Modifizierung der Abflussentwicklung vor allem im ansteigenden Teil des gemessenen Hydrographen durch Auftreten von schnellen oberflächen- oder oberflächennahen Abflüssen. Der Spitzenabfluss bei den acht zur Interpretation herangezogenen Hochwasserereignissen variiert zwischen 30 und 270 l s-1, bei Abflussmengen von 1-50 mm. Die am Gebietsauslass ermittelten maximalen Sedimentkonzentrationen liegen für die beiden Ereignisse ohne gefrorenen Boden bei unter 650 mg l-1 und damit deutlich unter den bis zu 6000 mg l-1 bei teilweise oder ganz gefrorenen Böden im Schäfertal. Lediglich bei einem Ereignis mit Niederschlag und ungefrorenem Boden treten hohe Sedimentkonzentrationen auf, die auf Gerinnepflegemaßnahmen und dadurch leichte Mobilisierbarkeit von Material zurückzuführen sind. Dementsprechend schwanken die Sedimentfrachten der Einzelereignisse und erreichen bis zu 17 t. Die wichtigste Steuergröße ist dabei die Ausbildung erosiven Abflusses auf den Hängen durch eine Verminderung der hydraulischen Leitfähigkeit bei gefrorenen Böden. Der Vergleich der Sedimentkonzentrationen der Hochwasserereignisse mit der zweiwöchentlichen Grundbeprobung verdeutlicht, ebenso wie Hysteresekurven der Einzelereignisse, die unterschiedlichen Dynamiken der Austragssituationen. Während die durch Bodenfrost geprägten Ereignisse ein gegen den Uhrzeigersinn verlaufendes Abfluss-Sedimentkonzentrationsverhältnis aufweisen, das auf eine Sedimentquelle auf den Hängen hinweist, sind die Hysteresekurven bei nicht gefrorenen Böden im Uhrzeigersinn orientiert. Eine Sedimentherkunft in Gerinnenähe oder den Gerinneböschungen selbst ist daher wahrscheinlich. Diese Annahmen werden auch durch eine differenzierte Phosphoranreicherungsrate im ausgetragenen Sediment bestätigt. Darüber hinaus kann teilweise eine ereignisinterne Dynamik beobachtet werden, die auf zeitliche Variabilität in der Abflussbildung und damit zusammenhängend, eine räumliche Heterogenität der Sedimentquellen belegt. Während im Untersuchungsgebiet Schäfertal ein mehrmaliges Auftreten von Schneeschmelzen innerhalb eines Winters möglich ist, kommt es im russischen Einzugsgebiet zu einem regelmäßigen Schneedeckenaufbau über den Winter hinweg und einer Schneeschmelze in der Regel im März oder in der ersten Aprilhälfte. Die Auswertung mehrjähriger Datenreihen belegt die Bedeutung der Schneeschmelze für die Abflussbildung und den Sedimentaustrag aus dem Untersuchungsgebiet Lubazhinkha. Für die drei zur Interpretation herangezogenen Schneeschmelzen liegt die Sedimentfracht zwischen 50 und 630 t bei deutlichen Unterschieden in den hydrologischen Rahmenbedingungen. Die ereignisbezogene Sedimentfracht von mindestens 0.3 t ha-1 liegt zwar über der für das Schäfertal ermittelten, befindet sich aber im Bereich der Werte, die in anderen Studien bei vergleichbaren Böden und Nutzungsformen bestimmt wurden. Eine detaillierte Analyse der Messwerte der Schneeschmelze im Jahr 2003 belegt eine Dynamik innerhalb dieses Einzelereignisses. Bei Sedimentkonzentrationen im Abfluss am Gebietsauslass von 6 bis 540 mg l-1 kommt es zu einer Sedimentfracht von ungefähr 190 t. Während die maximalen Konzentrationen von Sediment und Phosphor mit der Spitze des Abflusses einhergehen, liegt für DOC eine Verzögerung vor, die durch eine langsamere Schneeschmelze und Mobilisierung von DOC aus dem humusreichen Oberboden der Waldflächen ausgelöst wird. Eine Differenzierung der Abflusskomponenten ermöglicht eine weitergehende Interpretation der ereignisinternen Dynamik der Stoffquellen und Eintragspfade. Bei geringen Abflussmengen (< 2,5 mm d-1) findet ein Stoffeintrag überwiegend in gelöster Form über die Bodenwasserpassage und langsame Abflusskomponenten in den Vorfluter statt. Bei höheren Abflussmengen dominieren schnelle Abflusskomponenten bzw. Oberflächenabfluss, der zeitlich dynamisch unterschiedliche Stoffquellen mobilisiert. Neben diesen ereignisinternen treten interanuelle Variabilitäten auf, die durch witterungsbedingte Faktoren bestimmt werden. Wie im Schäfertal spielt auch im Lubazhinkhaeinzugsgebiet die Ausbildung von Bodenfrost und damit verbundene Veränderung der Infiltrationseigenschaften der Böden eine große Rolle. Das Schneewasseräquivalent, die Schneeschmelzdynamik und Bodenfrosteigenschaften, z.B. Eindringtiefe, sind die wichtigsten Steuergrößen. Die Variabilität dieser Randbedingungen führt zu einer hohen interannuellen Differenzierung der Abflussbildung und der Sedimentausträge. Für die Schneeschmelze 2004 kann so bei überdurchschnittlich hohen Wintertemperaturen und nur teilweise gefrorenen Böden sowie geringem Schneewasseräquivalent eine geringe Sedimentfracht ermittelt werden. Darüber hinaus verdeutlichen die Hysteresekurven der Sedimentkonzentrationen Unterschiede in der Sedimentquelle für die Einzeljahre, die von den oben genannten Rahmenbedingungen abhängen. Auf der Basis des Monitoring lassen sich für beide Einzugsgebiete die wichtigen abflussbildenden Prozesse charakterisieren und Einflussgrößen erfassen. Dem Bodenfrost und der Schneeschmelzdynamik kommen dabei übergeordnete Bedeutung zu. In beiden Gebieten werden bei winterlichen Rahmenbedingungen erhebliche Mengen an Sediment und Nährstoffen ausgetragen. Die Interpretation physikalischer bzw. chemischer Parameter des Abflusses ermöglicht darüber hinaus auch Aussagen über die zeitliche Variabilität und räumliche Heterogenität der Sedimentherkunftsräume. Aus den Erkenntnissen der Einzugsgebietsbeobachtung ergeben sich für einen Modellansatz verschiedenen Anforderungen, die vor allem die räumlich differenzierte Darstellung des Einflusses von Bodenfrost auf den Bodenwasserhaushalt sowie die Bodenerosion durch oberflächlich abfließendes Schneeschmelzwasser betreffen. Die Grundlage für das Modellsystem „IWAN“ (Integrated Winter erosion And Nutrient load model) stellt das hydrologische Modell WASIM ETH Ver. 2 und das Stoffhaushaltsmodell AGNPS 5.0 dar. Die Verknüpfung dieser beiden auf Rasterzellen aufbauenden Modelle ermöglicht die Nutzung von kontinuierlichen, räumlich differenzierten Informationen zum Oberflächenabfluss für die Abschätzung der Bodenerosion. Durch diese Schnittstelle wird die sehr hohe Parametersensitivität des SCS-CN Verfahrens in AGNPS durch geringere Einzelsensitivitäten verschiedener Parameter des Bodenwasserhaushaltes in WASIM ersetzt und gleichzeitig eine plausible, prozessbasierte räumliche Abflussbildung berechnet. Durch die Implementierung eines Moduls zur Abschätzung der Bodentemperatur in WASIM ist zusätzlich die Grundlage für eine weitergehende Verbesserung der Abflussbildung bei winterlichen Randbedingungen gelegt. Durch das Modul wird die Oberbodentemperatur aus Werten der Lufttemperatur unter Einbeziehung der Exposition und der Landnutzung auf der Basis einer Polynomanpassung abgeschätzt. Bei einer modellierten Schneedecke von mehr als 5 mm Schneewasseräquivalent wird die berechnete Bodentemperatur des Vortages übernommen. Bei Bodentemperaturen unter dem Gefrierpunkt wird darüber hinaus die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit des Bodens auf Null herabgesetzt, so dass im Zuge der Schneeschmelze zunächst das noch freie Porenvolumen aufgefüllt wird und danach Oberflächenabflussbildung beginnt. Für das Schäfertal liegt die Güte der Anpassung der Bodentemperatur bei Korrelationskoeffizienten von 0.62 bis 0.81 und für das Lubazhinkhaeinzugsgebiet bei Werten von 0.82 bis 0.91. Die räumlich und zeitlich differenzierte Oberflächenabflussinformation dient als Grundlage einer neu entwickelten Berechnung der Rillenerosion bei Schneeschmelzen, die den dafür nicht geeigneten empirischen Ansatz in AGNPS ersetzt. Basierend auf der Grundannahme eines dreieckigen, nicht durch Frost in der Eintiefung beeinträchtigten Rillenprofils und, da wassergesättigt, nichtkohesiver Bodeneigenschaften wird für jede Rasterzelle eine Rille simuliert. Die Erodibilität des Bodens wird als Funktion von Wurzelparametern und des Durchmessers der wasserstabilen Aggregate erfasst. Die Scherkraft des Schneeschmelzeabflusses in der Rille wird in Abhängigkeit von der Oberflächenrauhigkeit und dem Aggregatdurchmesser betrachtet und darauf aufbauend in einem Impulsstromansatz die erodierte Bodenmenge berechnet. In Verbindung mit dem durch das modifizierte WASIM berechneten und gerouteten Oberflächenabfluss ergibt sich so ein räumlich differenziertes Bild der Bodenerosion. Das Modellsystem IWAN beinhaltet neben der Erosionsberechnung ein eingabefenstergesteuertes Menü zur Datenkonvertierung und zum Prä- sowie Postprozessing. Die Ergebnisse der Anwendung des Modellsystems für die beiden Einzugsgebiete belegen, dass sowohl die entscheidenden Prozesse der Abflussbildung als auch des Sedimentaustrags wiedergegeben werden. Für das Schäfertal wurde für die Kalibrierungsjahre 1994 bis 1995 eine Modellierungsgüte von R2 0.94 bzw. 0.91 erzielt. Mit Ausnahmen der Schneeschmelze im Jahr 1996 werden die Episoden hohen Abflusses in den Jahren 1996 bis 2003 mit dem kalibrierten Parametersatz gut wiedergegeben und das witterungsbedingte Trockenfallen im Sommer zufriedenstellend dargestellt. Auf dieser Basis wird für die experimentell erfassten und diskutierten Schneeschmelzereignisse das Gesamtabflussvolumen dieser Ereignisse mit hoher Güte abgebildet. Die räumlich differenziert berechnete Bodenfeuchte und Bodenfrostvorkommen bedingen einen variablen Anteil des Oberflächenabflusses am Gesamtabfluss. Für das Schneeschmelzerosionsmodul hat das Abflussvolumen ebenso wie die Hangneigung und Abflusslänge eine positive Sensitivität. Aufgrund von Parameterkombinationen und nichtlineare Algorithmen kann es jedoch vor allem für die Wurzelparameter und den Manning Koeffizienten zu differenzierten Sensitivitätsentwicklungen kommen. Für die Simulation der Erosion im Schäfertal wurde daher zunächst auf einen Parametersatz zurückgegriffen, der auf der Basis von Erosionsparzellenversuchen kalibriert wurde. Die Mittelwerte der berechneten Erosion liegen zwischen 0.0006 und 0.96 t ha-1 für die sechs gemessenen Einzelereignisse im Schäfertal. Die Medianwerte und hohen Standardabweichungen belegen jedoch, dass insgesamt Zellen mit geringen Erosionswerten überwiegen. Die Ereignisse mit gefrorenen Böden weisen eine signifikant höhere Erosion auf. Unterschiede in der Erosion treten bei gleichen Gesamtabflussvolumen wie z.B. bei den Ereignissen vom 20.01.2001 und 26.02.2002 durch differenzierte Abflusskonzentration auf dem nord- bzw. südexponierten Hang auf. Neben einer Überprüfung der Plausibilität der berechneten Werte, werden die räumlichen Verteilungsmuster durch Geländeaufnahmen bestätigt. Die Anpassung der berechneten Sedimentfracht an die gemessenen Werte erfolgte durch die Kalibrierung des Manning Koeffizienten für ein Ereignis. Die simulierte Sedimentfracht ist in einigen Hangfußbereichen aufgrund der Abflussakkumulation besonders hoch und erreicht für den Gebietsauslass Werte zwischen 0.0 und 13.84 t. Mit der Ausnahme des Ereignisses vom 26.02.2002 ist die Sedimentfracht leicht unterschätzt, so dass sich in der Summe für die drei Winterhalbjahre 2001 bis 2003 ein Gesamtfehler von 11 t ergibt. Die Differenz zwischen der simulierten und beobachteten Sedimentfracht ist für den 26.12.2002 am größten. Als mögliche Ursache für die Abweichungen der berechneten zu den gemessenen Werten, wird die zeitliche Variabilität und räumliche Heterogenität der Oberflächenrauhigkeit, vor allem in Hinblick auf Bodenbearbeitung und Bodenfrosteinflüssen, diskutiert. Die generelle Verteilung der Sedimentquellen, Transportwege und Übertrittstellen vom Hang ins Gewässer stimmt mit Geländebeobachtungen überein. Eine quantitative Überprüfung der räumlichen Ergebnisse auf der Einzelereignisebene ist für das Schäfertal jedoch nicht möglich. Für das Lubazhinkhaeinzugsgebiet können zwei Parametersätze für das Kalibrierungsjahr 2004 identifiziert werde, die eine zufriedenstellende Modellierungsgüte für das hydrologische Modell erreichen. Obwohl einer dieser Parametersätze die Schneeschmelzsituationen und Maximalabflüsse gut darstellt, sind die Areale mit Oberflächenabflussbildung innerhalb des Einzugsgebietes nicht plausibel verteilt. Im Gegensatz dazu werden die lateralen Wasserflüsse und damit die prozessbestimmende Bodenfeuchteverteilung durch den anderen Parametersatz besser abgebildet. Es kommt jedoch zu einer Überschätzung der Spitzenabflüsse der Schneeschmelzhochwasser für die Validierungsjahre 2003 und 2005. Die auf der Basis der Messwerte erkannten Unterschiede zwischen den Einzeljahren werden ebenso dargestellt wie die differenzierte Abflussbildung innerhalb einer Schneeschmelzsituation. Neben Oberflächenabflussbildung auf den flachen Kuppenbereichen und auf Sättigungsflächen in den Talböden, wird auch die beobachtete verzögerte Abflussbildung unter Wald durch das Modell berücksichtigt. Bei zehn Tagen mit Oberflächenabfluss innerhalb der drei Schneeschmelzen 2003 bis 2005 mit Oberflächenabflussvolumen von 0.3 bis 24.1 mm d-1 werden durch das Modellsystem IWAN Erosionssummen von 10 bis 280 t d-1 simuliert. Bei einem variablen Flächenanteil von ca. 5 bis 46 % des Gesamtgebietes, auf dem Erosion stattfindet, bewegen sich die Werte der effektiven Erosion bei 0.1 bis 0.32 t ha-1 für die Einzeltage und 0.44 bis 0.92 t ha-1 für die mehrtägigen Schneeschmelzen. Die am Gebietsauslass simulierte Sedimentfracht liegt zwischen 6.7 und 365.8 t pro Tag und summiert sich auf 246.2 t für die Schneeschmelze 2003. Im Jahr 2004 werden 99.9 t und im Jahr 2005 sogar 757.9 t Austrag simuliert. Für das Kalibrierungsjahr 2004 kommt es zu einer Überschätzung der Sedimentfracht im Vergleich zur gemessenen von lediglich 10 t bzw. 12%. Für die Schneeschmelze im Jahr 2003 liegt die Abweichung mit diesem Parametersatz bei -9 %. Für das Jahr 2005 fällt die Berechnung mit einem Fehler von 33 % nicht so gut aus. Insgesamt führen Schneeschmelztage mit geringer simulierter Erosionsmenge zu einer zusätzlichen Mobilisierung von Sediment aus dem Gerinne und umgekehrt, hohe Erosionsmengen zu einer Deposition von Material auf den Wald- und Grünlandflächen und im Gerinne selbst. Hohe Sedimentfrachten werden daher vor allem für die Talflanken und die kerbtalähnlichen Talanfänge berechnet. Durch die räumliche Differenzierung der Abfluss- und Erosionsprozesse kommt es zu signifikanten Unterschieden bei der berechneten Sedimentfracht für die beiden Teileinzugsgebiete. Bei Schneeschmelztagen mit Abflussbildung unter Wald wird aufgrund des höheren Waldanteils im Lubazhinkhateilgebiet eine höhere Sedimentmenge ausgetragen. Die Unterschiede im Gerinneverhalten und zwischen den Teileinzugsgebieten verdeutlichen die insgesamt hohe Prozessrepräsentanz der Modellergebnisse. Das Modellsystem IWAN bildet für beide Einzugsgebiete mit hoher Plausibilität die räumliche und zeitliche Dynamik der Oberflächenabflussbildung während der Schneeschmelze und die damit verbundenen Erosionsprozesse ab. Der Modellansatz stellt somit eine Möglichkeit zwischen Modellergebnisaggregierung für den Gebietsauslass und aufwendiger Geländebeobachtung bzw. –messungen dar. Die prozessbeschreibende Modellierung mit zufriedenstellender Güte sowohl für das Schäfertal als auch für das Lubazhinkhaeinzugsgebiet stellt die Grundlage für die Berechnung von Klima- oder Landnutzungsszenarien dar. Eine Auswertung der bestehenden langjährigen Datenreihe aus dem Schäfertal bestätigt zunächst den allgemeinen Trend zur Erwärmung vor allem im Winterhalbjahr. Demgegenüber lässt der instrumentenbedingte Fehler bei der Niederschlagmessung keine Ableitung eines Trends aus den vorhandenen Daten zu. Aus der meteorologischen Datenreihe des Schäfertals wurden insgesamt 13 Jahre mit definierter Abweichung von +2.5 bis -2.5 °C und fünfmal +0.5 °C von der durchschnittlichen Winterlufttemperatur (Jd 330-90) gegenüber dem langjährigen Wintermittel ausgewählt. Im Gegensatz zu Wettergeneratoren werden dadurch eine Kombinationen aus Lufttemperatur und Niederschlag erfasst, die typischen Witterungssituationen entsprechen. Die Niederschlagssummen für den Winterzeitraum dieser Szenariojahre liegen zwischen -45 % und + 75 % gegenüber den langjährigen Mittelwerten. Die Modellergebnisse belegen die große Bedeutung der Witterungssituationen für die Abflussbildung in der Art, dass eine erhöhte Niederschlagsumme nicht zwingend auch eine überdurchschnittliche Abflussmenge hervorruft. Schneedeckendynamik und Bodenfrost sind die prägenden Elemente. Die Anzahl der Schneetage und die Dauer einer Schneeperiode liegt bei negativen Temperaturabweichungen deutlich über den Szenarien mit positiver Abweichung. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der hydrologischen Simulation für die Szenarien, dass sowohl eine starke Abweichung nach oben oder unten vom bisherigen Durchschnitt vermehrt zu Oberflächenabflussbildung führt. Die Erosionssummen der Szenariotage mit Oberflächenabfluss variieren zwischen 4 und 141 t d-1 und stehen aufgrund des nicht veränderten Parametersatzes i

Reply to “A critical analysis of Vacca, A., Aru, F., and Ollesch, G. (2017). Short‐term impact of coppice management on soil in a Quercus ilex L. stand of Sardinia. Land Degradation & Development, 28(2), 553–565.” by Giadrossich and Guastini

In their critical review of Vacca, Aru, and Ollesch (2017), Giadrossich and Guastini noted substantial deficiencies in the research design and methodology, analysis and interpretation of data, and conclusions in the paper that are not supported by the findings. In this reply, we (a) reiterated the aim of our study, (b) provided the evidence that similar research designs are not rare in soil studies, (c) provided the evidence that Giadrossich and Guastini misused our data in their analysis and interpretation, and (d) highlighted that Giadrossich and Guastini used inappropriate citations. Consequently, our findings and conclusions that coppicing has negative short‐term impacts on the soil and that the short‐term soil erosion risk must be considered very high in coppicing management are unaffected by the comments from Giadrossich and Guastini

The revival of coppicing in Sardinia (Italy): does soil matter?

The growing demand for energy and raw materials, together with climate change and globalization, are predicted to result in increased demand for forest resources in the European countries. The European Union has set an ambitious target to achieve 20 % of energy sourced from renewables by 2020, and biomass is considered among the sources of renewable energy. In this context, the Forest Service of Sardinia (Italy) has recently approved two pilot projects to bring back into use cutting methods in 305 ha of the public forest of Marganai (south Sardinia), over a period of 12 years, and in 375 ha of the public forest of Is Cannoneris (south Sardinia), over a period of 10 years. This study aimed to assess the short-term impact on soil of the coppice-with-standards (CWS) management applied in a Mediterranean holm oak forest, as a contribution to address appropriate recommendations to minimize possible negative effects of the silvicultural practices. For this purpose, soil surface features and topsoil properties were investigated in two representative areas located in the public forest of Marganai and coppiced in the periods November 2012 - March 2013 and November 2011 - March 2012, respectively. The study was conducted through a free survey and a survey by transects, with control plots, combining observations and measurements in the field with laboratory data. Regardless of differences in soils and slope gradient, the same CWS management, in terms of final density of trees standing after the clear-cut and accumulation of brushwood in strips along the maximum slope gradient, was applied in both areas. Field observations and laboratory data highlighted the disturbances caused to the soil by the silvicultural practices in the CWS stands when compared with the undisturbed stands. Statistically, these differences are significant on a 0.05% level. These disturbances were mainly concerning the almost complete removal of organic horizons, with consequent negative impact on organic carbon content, and the activation of erosion processes, mostly related to rainsplash erosion. Although soil mobilization locally largely exceeded the tolerable erosion rates, the absence of extreme rainfall events after the coppicing did not produce critical situations at catchment level. Nevertheless, in large parts of the CWS stands the observed density of vegetation cover does not provide a satisfactory protection against the kinetic energy of raindrops and, consequently, the potential soil erosion risk is still very high. As sustainable forest management should preferentially consider soil and promote its conservation, there is the necessity to adapt the CWS management to local soil, slope, and climatic conditions and to adopt post-harvesting conservation procedures to minimize the negative effects of the silvicultural practices. In this regard, the adjustment of the final density of trees standing after the clear-cut in relation to soil properties, slope gradient, and the possibility of extreme rainfall events, a different brushwood management, and the restriction to the passage of wild animals have to be considered to minimise the negative impacts on soils

Significant shifts in inorganic carbon and ecosystem state in a temperate estuary (1985–2018)

Estuaries regulate carbon cycling along the land-ocean continuum and thus influence carbon export to the ocean, and global carbon budgets. The Elbe Estuary in Germany has been altered by large anthropogenic perturbations, such as widespread heavy metal pollution, minimally treated wastewater before the 1980s, establishment of wastewater treatment plants after the 1990s, and an overall nutrient and pollutant load reduction in the last three decades. Based on an extensive evaluation of key ecosystem variables, and an analysis of the available inorganic and organic carbon records, this study has identified three ecosystem states in recent history: the polluted (1985–1990), transitional (1991–1996), and recovery (1997–2018) states. The polluted state was characterized by very high dissolved inorganic carbon (DIC) and ammonium concentrations, toxic heavy metal levels, dissolved oxygen undersaturation, and low pH. During the transitional state, heavy metal pollution decreased by > 50%, and primary production re-established in spring to summer, with weak seasonality in DIC. Since 1997, during the recovery state, DIC seasonality was driven by primary production, and DIC significantly increased by > 23 μmol L−1 yr−1 in the mid to lower estuary, indicating that, along with the improvement in water quality the ecosystem state is still changing. Large anthropogenic perturbations can therefore alter estuarine ecosystems (on the order of decades), as well as induce large and complex biogeochemical shifts and significant changes to carbon cycling