Water flow paths in soils of an undisturbed and landslide affected mature montane rainforest in South Ecuador [Elektronische Ressource] / presented by Folkert Christian Bauer

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• Publié par: universitat_bayreuth
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 28
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 19 Mo

Extrait

Waterflowpathsinsoilsofanundisturbedandlandslide
affectedmaturemontanerainforestinSouthEcuador



Dissertation


toobtaintheacademicdegreeofDoctorofNaturalScience(Dr.rer.nat.)oftheFacultyof
Biology,ChemistryandGeosciencesoftheUniversityofBayreuth




presentedby
FolkertChristianBauer
Dipl.&Geol.
borninHofgeismar,Germany





Bayreuth,July2010











































ThisdoctoralthesiswaspreparedattheDepartmentofSoilPhysics,UniversityofBayreuth,
fromJuly2005untilJuly2010,supervisedbyProf.Dr.BerndHuwe.


ThisisafullreprintofthedissertationsubmittedtoattaintheacademicdegreeofDoctorof
Natural Sciences (Dr. rer. nat.) and approved by the Faculty of Biology, Chemistry and
GeosciencesoftheUniversityofBayreuth.


Actingdean: Prof.Dr.StephanClemens
Dateofsubmission: July29,2010
Dateofdefence(disputation): Dezember13,2010


DoctoralCommittee:
stProf.Dr.BerndHuwe 1 reviewer
nd
Prof.Dr.Hans&GeorgFrede 2 reviewer
Prof.Dr.KlausBitzer Chairman
Prof.Dr.StefanPeiffer
Prof.Dr.JohnTenhunen





































Summary
Thenumberofprevioushydrologicalstudiesconcerningwaterflowpathsintropicalmontane
rainforest is small. However, due to the increasing pressure of deforestation and land use
changecomprehensiveknowledgeofthesenaturalecosystemsisneededifsustainableland
usestrategiesshouldkeepnegativeeffectsofhumanimpactsonwaterflowpathsaslowas
possible. In this context, present work addresses the identification, characterisation, and
modelling of water flow paths in soils of an undisturbed and landslide affected natural
Andean forest ecosystem in the south of Ecuador whose deforestation rate is one of the
highestinSouthAmerica.InaninvestigationareasituatedintheAndesofSouthEcuador,in
gentlerslopesandaltitudesabove2100mASLmainlyStagnosolsandHistosolswithstagnic
colourpatternandlowtonegligiblerockfragmentcontentprevail.Withincreasingaltitude
theabundanceofthesesoilsincrease,whilethepresenceofCambisolsandRegosolsismost
pronouncedbelow2100mASLandclearlycorrelatedwiththeslopeangle.Therefore,these
soilsweremainlyencounteredinsteeper,particularlylandslideaffectedsitesoftenresembling
a melange of fine soil and high contents of rock fragments. Aside the investigation of the
influenceoftherockfragmentcontentonsoilhydrological&andphysicalparameterssuchas
the relationship between rock fragment content and saturated hydraulic conductivity of the
soil, present study aims particularly to investigate flow paths of water in soils of landslide
affectedandunaffectedhillslopes.Therefore,weemployedconventionalfield&andlaboratory
methods,dyetracerexperimentsincludinganappropriateimageprocessingtechnique,aswell
asstatisticalmodels.Resultsshowthatbothrockfragmentcontentandbulkdensitycontrol
significantly, but not largely the saturated hydraulic conductivity of the mineral soils. Dye
tracer experiments and soil parameters document a deeper percolation in the landslide
affected hillslopes than in the landslide unaffected hillslopes, where we found preferential
flowinrootchannelswithlowsoilmatrixinteractionasdominantflowmechanism.Asurface
nearquasiimperviouslayeralongtheinterfacebetweentopsoilandsubsoillimitspercolation
ofthewatergivingtheprerequisitesofalateralshallowsubsurfaceflowalongtheinterface
betweentopsoilandorganiclayer.Thisisinlinewithpreviousstudiesperformedinthesame
investigation area which already proved indirectly the existence of this flow. However, in
noneofthesestudiestheshallowsubsurfaceflowwasassignedtocertainslopeinclinationsor
altitudes.Duetoarecentlypublisheddigitalsoilmapandtheresultsweobtainedfromthe
landslideunaffectedsites,weknowthatparticularlyinhillslopesoflessthan30°above2100
mASLprerequisitesaregivenforspatiallyextendedshallowsubsurfaceflow.However,even
iiftheseprerequisitesarenotevidentforthelandslideaffectedhillslopes,wecannotexclude
thepossibilityofshallowsubsurfaceflowoccurrenceheresincesoilcoverofthesteepterrain
isrelativelyshallowwhilerainfallishighthroughouttheyear.Therefore,andgiventhatkey
parameterssuchaspermeabilityofsubsoilandbedrock,interceptionandevaporationremain
unclear or were investigated exclusively such as the spatial variability of the saturated
hydraulic conductivity, we conducted a series of virtual experiments in order to assess the
potentialoccurrenceofshallowsubsurfaceflowinCambisolsbelow2100mASL.Inthese
experiments we also included the organic layer being highly abundant in the investigation
area,whosehydraulicparameterswereestimatedbymeansofinversenumericalmodelling.
Thevirtualexperimentswerebasedonatwodimensionalfiniteelementmodelrepresentinga
steepforestedhillslopetransectof~54mlength.Asidesoilproperties,evapotranspirationand
interception,themodelincludedthespatialvariabilityofthesaturatedhydraulicconductivity,
thepressureheadandtheirspatialtrends.Theresultsofvirtualexperimentseriesshowthata
soundevidenceofthekeyparametersaforementionedisobligateifprocessconceptualisation
regardingshallowsubsurfaceflowgeneration,butalsolandslideinitiation,soluteandmatter
transportisinthespotlight.

















ii Zusammenfassung
Die Anzahl bisheriger hydrologischer Untersuchungen von Wasserfließpfaden in Böden
tropischer Bergregenwälder ist gering. Doch erfordern zunehmende Entwaldung und
LandnutzungsänderungeinumfassendesWissen überdie Funktionsweisediesernatürlichen
Ökosysteme,wennnegativeAuswirkungenanthropogenerEinflüsseaufWasserfließpfadeim
Rahmen nachhaltiger Landnutzungsstrategien möglichst gering sein sollen. Vor diesem
Hintergrund befasst sich vorliegende Arbeit mit der Identifizierung, Charakterisierung und
ModellierungvonWasserfließpfadeninBödeneinesungestörtenundrutschungsbeeinflussten
natürlichenandinenWaldökosystemsimSüdendesLandesEcuador,dessenEntwaldungsrate
zu den höchsten Südamerikas zählt. In einem Forschungsgebiet in den südlichen Anden
EcuadorsherrscheninflacherenHängenunterhalbvon2100mü.NNvorallemStagnosole
und Histosole mit Stauwassermerkmalen und mit geringen bis vernachlässigbaren
Steingehaltenvor.DasAuftretendieserBödennimmtmitsteigenderHöheü.NNzu,während
Cambisole und Regosole vor allem unterhalb 2100 m ü. NN und in Abhängigkeit von der
Hangsteilheit auftreten. Daher sind diese Bodentypen häufig in rutschungsbeeinflussten
Hangbereichen anzutreffen und entsprechen oft einer Melange aus Feinboden und hohen
Steingehalten. Neben der Untersuchung des Einflusses der Gesteinsgehalte auf
bodenhydrologische und –physikalische Parameter wie beispielsweise die Beziehung
zwischen Steingehalt und gesättigter hydraulischer Leitfähigkeit des Mineralbodens zielt
vorliegende Arbeit vor allem darauf ab, Wasserfließpfade in Böden
hangrutschungsbeeinflusster und &unbeeinflusster Bereiche zu untersuchen. Dazu wendeten
wir neben klassischen Feld& und Labormethoden Farbmarkierungs& und
BildverarbeitungsmethodensowiestatistischeModellean.DieErgebnissezeigeneinenzwar
schwachen, aber signifikanten Einfluss sowohl des Steingehaltes als auch der
Lagerungsdichte auf die gesättigte Leitfähigkeit. Die Farbmarkierungsversuche und
Bodenparameter belegen für die Böden in den rutschungsbeeinflussten Hängen eine
tieferreichendevertikalePerkolationalsindennichtrutschungsbeeinflusstenHängen,wodie
Wasserbewegung hauptsächlich entlang von Wurzelröhren in geringem Austausch mit der
Bodenmatrixstattfindet.ZudemistdievertikalePerkolationhierdurcheineoberflächennahe
nahezu wasserundurchlässige Schicht entlang der Grenze zwischen Ober& und Unterboden
begrenzt, wodurch die Voraussetzung für einen lateralen Zwischenabfluss zwischen
Oberboden und organischer Auflage gegeben ist. Dieser Befund koinzidiert mit früheren
Arbeiten im selben Untersuchungsgebiet, die zwar die Existenz dieses Zwischenabflusses
bereitsindirektnachwiesen,ohnediesenjedochbestimmtenHangneigungenoderHöhestufen
iiizuzuordnen. Aufgrund einer jüngst publizierten digitalen Bodenkarte und den in den von
RutschungenunbeeinflusstenBereichengewonnenenErgebnissenwissenwir,dasvorallem
in Hängen mit weniger als 30 ° Einfallen oberhalb 2100 m ü. NN die Voraussetzung zu
großflächigem Auftreten oberflächennahen Zwischenabflusses gegeben ist. In den
rutschungsbeeinflussten Hängen wurden diese Voraussetzungen zwar nicht nachgewiesen,
dennoch kann die Möglichkeit eines oberflächennahen Zwischenabfluss wegen relativ
geringmächtiger Böden, hoher Niederschlagsmengen und des steilen Geländes nicht
ausgeschlossen werden. Aus diesem Grunde, und da zudem Schlüsselparameter wie die
LeitfähigkeitdesUnterbodensundGrundgebirges,InterzeptionundVerdunstungun