HILLSlope Chronosequence And Process Evolution | Hillscape
Der globale Wandel verändert nicht nur das Klima, sondern auch die Oberfläche der Erde. Unser Verständnis von Bodenveränderungen und ihrer Wechselwirkungen mit hydrologischen, ökologischen und geomorphologischen Prozessen ist jedoch noch rudimentär. Einige Bodeneigenschaften sind zeitlich stabil, während sich andere sehr schnell verändern, was signifikante Auswirkungen auf die Quantität und Qualität des Wasserkreislaufs hat.
Diese Veränderungen sind besonders markant auf der Hangskala, wo laterale und vertikale Prozesse über unterschiedliche Zeitskalen miteinander interagieren. Wasser und Vegetation beeinflussen sowohl oberirdische als auch unterirdische Prozesse an Hängen, unter anderem durch Verwitterung, Bodenentwicklung und Erosion. Diese Prozesse wiederum wirken sich auf die Fließwege des Wassers aus. Die daraus resultierende Verteilung der Wasserspeicher beeinflusst die Artenverteilung und Funktionalität der Vegetation, wobei die Vegetation selbst wiederum die Fließwege des Wassers beeinflusst. Dieses komplexe Gefüge von Wechselwirkungen wurde in seiner zeitlichen Entwicklung bisher nur unzureichend untersucht.
Das interdisziplinäre Forschungsprojekt HILLSCAPE (HILLSlope Chronosequence And Process Evolution) beschäftigt sich mit der Frage, wie sich dieser Feedback-Zyklus über einen Zeitraum von 10.000 Jahren verändert und welche strukturellen Veränderungen daraus resultieren. Das Projekt konzentriert sich auf die vertikale und laterale Umverteilung von Wasser und Stoffen an Hängen sowie deren Wechselwirkungen mit Boden, Vegetation und Landschaftsentwicklung. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, nutzt HILLSCAPE Hang-Chronosequenzen auf Moränenstandorten. Gletschervorländer liefern uns Schnappschüsse der zeitlichen Entwicklung. Die Auswahl zweier Fokusgebiete mit unterschiedlichem Ausgangsmaterial ermöglicht den direkten Vergleich der Entwicklung auf Silikat- und Karbonatgestein.
In jedem Fokusgebiet werden Hänge in vier verschiedenen Altersklassen instrumentiert. Für jede Altersklasse wird die Hangstruktur und die Vegetationszusammensetzung bestimmt sowie die hydrologischen und geomorphologischen Prozesse während häufiger und extremer Niederschlagsereignisse untersucht, indem eine Reihe von künstlichen Regenexperimenten durchgeführt wird. Die Kombination von vier interdisziplinären Doktorarbeiten ermöglicht es uns, zu verstehen, wie sich die Hangstruktur und -funktion sowie deren Rückkopplungsprozesse während der Hangentwicklung verändern.
Die Ergebnisse zeigen, dass die unterschiedlichen Eigenschaften von silikatreichem und kalkhaltigem Ausgangsmaterial unter den gegebenen Klimabedingungen zu Variationen in Bodenstruktur, Durchlässigkeit und Wasserspeicherung führen. Diese Unterschiede begünstigen im Vergleich verschiedene Vegetationstypen, was zu vielfältigen Ökosystemen mit unterschiedlichen hydrologischen Dynamiken führt. Das silikatische Ausgangsmaterial fördert die Koevolution stärker. Der Boden-pH-Wert, der sich aus der Verwitterung des Ausgangsmaterials ergibt, erweist sich als entscheidender Faktor, der die Entwicklung der Vegetation, die Bodenbildung und folglich die Hydrologie beeinflusst.
Die saure Verwitterung des silikatischen Ausgangsmaterials begünstigt die Ansammlung von organischem Material, was die Wasserspeicherkapazität des Bodens erhöht und säureliebende Sträucher anzieht. Diese wiederum profitieren von der hohen Wasserspeicherkapazität und fördern weiterhin die Anreicherung von organischem Material, was letztlich nach 10.000 Jahren zur Podsolierung führt. Tracer-Experimente zeigen, dass die Evolution der unterirdischen Fließwege durch die Entwicklung von Boden und Vegetation beeinflusst wurde, und umgekehrt. Die unterirdischen Fließwege änderten sich im Laufe einiger hundert Jahre von vertikalem, heterogenem Matrixfluss zu fingerartigen Fließwegen und entwickelten sich über mehrere tausend Jahre zu Makroporenfluss, Wasserspeicherung und unterirdischen lateralen Fließwegen.
Im Gegensatz dazu zeigt der kalkhaltige Standort eine hohe pH-Pufferkapazität, was zu einer neutralen bis basischen Umgebung mit vergleichsweise geringer Ansammlung von abgestorbenem organischem Material führt. Dies bedingt eine geringere Wasserspeicherkapazität und begünstigt die Ansiedlung von Grasvegetation. Die Koevolution verläuft über die Jahrtausende hinweg vergleichsweise weniger dynamisch. Im Gegensatz zum silikatischen Standort ändern sich die unterirdischen Fließwege nur in ihrer Form, nicht jedoch in ihrer Richtung. Tracer-Experimente zeigen, dass sich die Fließwege im Laufe einiger hundert bis tausend Jahre von vertikalem, heterogenem Matrixfluss zu fingerartigen Fließwegen verändern, was auf Wurzelaktivitäten und Verwitterungsprozesse zurückzuführen ist. Trotz der feineren Bodentextur ist die Wasserspeicherkapazität deutlich geringer als am silikatischen Standort, und der Wassertransport erfolgt überwiegend schnell und vertikal.
Die durchgeführten Studien verdeutlichen, dass die Veränderungen der Fließwege hauptsächlich von den Eigenschaften des Ausgangsgesteins und seinen Verwitterungsprodukten sowie deren komplexen Interaktionen mit den ursprünglichen hydrologischen Gegebenheiten und der Vegetationsentwicklung geprägt sind. Im Gegensatz dazu spielt die Zeit keine entscheidende Rolle bei der Beschreibung der Entwicklung der hydrologischen Reaktion. Die Studien leisten einen wertvollen Beitrag zur Schließung der Lücke in den Beobachtungen der Koevolution von hydrologischen, biologischen, geomorphologischen und pedologischen Prozessen. Dies ist von großer Bedeutung, um Vorhersagen von hydrologischen Prozessen in sich wandelnden Landschaften zu verbessern. Gleichzeitig verdeutlicht diese Studien die Bedeutung interdisziplinärer Forschungsansätze zur Bewältigung kommender Herausforderungen in der Hydrologie im Angesicht des globalen Wandels.