Open Access

Florian Wilken

• Soil organic carbon (SOC) is the largest terrestrial carbon (C) pool and has been identified as a cornerstone for the global C cycle. Alterations in the soil-atmosphere flux have substantial implications for climate change and can be an atmospheric C sink or source. Over the past decades, global estimates on the role of soil erosion on SOC dynamics have shown conflicting results. Some studies showed that soil erosion leads to a global atmospheric C source, where other studies indicated an erosion-induced C sink. These conflicting results are partly caused by insufficient input data and oversimplifications on process-level in soil erosion modelling. This study aims at detecting and assessing potential uncertainties for soil erosion and SOC redistribution modelling based on input data and missing processes. Therefore, rainfall kinetic energy (KE), as the main driver initiating interrill erosion, was investigated by state-of-the-art optical disdrometers. A water erosion model was usedSoil organic carbon (SOC) is the largest terrestrial carbon (C) pool and has been identified as a cornerstone for the global C cycle. Alterations in the soil-atmosphere flux have substantial implications for climate change and can be an atmospheric C sink or source. Over the past decades, global estimates on the role of soil erosion on SOC dynamics have shown conflicting results. Some studies showed that soil erosion leads to a global atmospheric C source, where other studies indicated an erosion-induced C sink. These conflicting results are partly caused by insufficient input data and oversimplifications on process-level in soil erosion modelling. This study aims at detecting and assessing potential uncertainties for soil erosion and SOC redistribution modelling based on input data and missing processes. Therefore, rainfall kinetic energy (KE), as the main driver initiating interrill erosion, was investigated by state-of-the-art optical disdrometers. A water erosion model was used to compare deviations in sediment delivery between directly measured and derived rainfall KE based on 32 theoretical rainfall kinetic energy-intensity (KE-I) relationships. To understand the role of event size on SOC delivery by water erosion, the process-based multi-class sediment transport model and C dynamics (MCST-C) model was applied on a long-term (100 yrs) high temporal resolution (10-min) rainfall series in an arable catchment of the Belgian loess belt. To analyse the effect of single processes on SOC dynamics, the MCST-C model was applied in two arable catchments of different characteristics. The study assesses variations induced by the implementation and variation of different water and tillage erosion processes to the model. As tillage erosion is an important process in soil and SOC redistribution, a plot experiment to determine the uncertainty of different measuring techniques for tillage erosion was finally carried out. The results of this PhD-project suggest that modelling soil erosion-induced SOC dynamics are subject to large uncertainties originating from input data limitations and missing representation of process-level control mechanisms. (i) Substantial variations in simulated sediment delivery were shown for different KE-I relations. Furthermore, a distinct overestimation of the KE-I relations compared to directly measured KE was detected, which is not systematic for high KE events. Hence, especially KE predictions of extreme events are subject to large uncertainties. (ii) The majority of delivered sediments and associated SOC is mostly driven by rare extreme events, which was also shown by the measurements used in this study. However, small events need to be taken into account due to the preferential transport of SOC and corresponding SOC enrichment processes in delivered sediments. (iii) Soil aggregation reduces interrill erosion and transport distances of SOC due to the encapsulation of highly mobile SOC-rich fine particles into rather immobile soil aggregates. (iv) Tillage erosion substantially alters vertical C fluxes with a large SOC sequestration potential. (v) The intra-field catchment connectivity controls sediment delivery and corresponding SOC enrichment processes. Catchments with reduced sedimentological connectivity show enhanced SOC enrichment in delivered sediments due to depositional processes. (vi) Large uncertainties were found for different tillage erosion measurement techniques that may largely influence model parametrizations.…
• Organischer Bodenkohlenstoff (SOC) stellt den größten terrestrischen Kohlenstoffspeicher dar und wurde als bedeutsamer Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufes erkannt. Hierbei haben Änderungen in den Austauschraten zwischen Pedosphäre und Atmosphäre direkten Einfluss auf den CO2-Gehalt der Atmosphäre. Während der vergangenen Jahrzehnte wurden gegensätzliche Abschätzungen zur Rolle der Bodenerosion auf die Bodenkohlenstoffdynamik veröffentlicht, welche sowohl auf eine erosionsinduzierte Kohlenstoffsenke als auch Quelle hingewiesen haben. Die gegensätzlichen Ergebnisse resultieren unter anderem aus unzureichenden Eingangsdaten und Vereinfachungen von Erosionsprozessen in den verwendeten Modellansätzen. Ziel des Promotionsprojektes ist es potenzielle Unsicherheiten in der Bodenerosions- und SOC-Umsatzmodellierung, welche auf Schwächen in den Eingangsdaten und Prozessvereinfachungen basieren, zu erfassen und analysieren. Hierfür wurde die kinetische Energie (KE) des Niederschlags,Organischer Bodenkohlenstoff (SOC) stellt den größten terrestrischen Kohlenstoffspeicher dar und wurde als bedeutsamer Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufes erkannt. Hierbei haben Änderungen in den Austauschraten zwischen Pedosphäre und Atmosphäre direkten Einfluss auf den CO2-Gehalt der Atmosphäre. Während der vergangenen Jahrzehnte wurden gegensätzliche Abschätzungen zur Rolle der Bodenerosion auf die Bodenkohlenstoffdynamik veröffentlicht, welche sowohl auf eine erosionsinduzierte Kohlenstoffsenke als auch Quelle hingewiesen haben. Die gegensätzlichen Ergebnisse resultieren unter anderem aus unzureichenden Eingangsdaten und Vereinfachungen von Erosionsprozessen in den verwendeten Modellansätzen. Ziel des Promotionsprojektes ist es potenzielle Unsicherheiten in der Bodenerosions- und SOC-Umsatzmodellierung, welche auf Schwächen in den Eingangsdaten und Prozessvereinfachungen basieren, zu erfassen und analysieren. Hierfür wurde die kinetische Energie (KE) des Niederschlags, welcher der Hauptantrieb der flächenhaften Erosion ist, mittels optischer Distrometer analysiert. Um die Unterschiede zwischen der direkt gemessenen und der aus 32 unterschiedlichen kinetischer Energie-Intensitäts (KE-I) Gleichungen auf den simulierten Sedimentaustrag miteinander zu vergleichen, wurde die gemessene und abgeleitete KE in einem Wassererosionsmodell angewendet und gegenübergestellt. Für ein tiefergehendes Verständnis der Bedeutung der Erosionsereignisgröße auf den SOC-Austrag, wurde das prozessbasierte Wassererosionsmodell multi-class sediment transport and carbon dynamics model MCST-C mit einer 100-jährigen, zeitlich hochauflösenden (10 Minuten) Niederschlagszeitreihe in einem Ackerlandeinzugsgebiet angewendet. Zudem wurde das MCST-C Modell mit einem Bearbeitungserosions- und Kohlenstoffumsatzmodell gekoppelt und auf zwei Ackerlandeinzugsgebiete unterschiedlicher hydrologischer und sedimentologischer Konnektivität angewendet. Die Studie analysiert dabei gezielt einzelne Erosionsprozesse und deren Auswirkungen auf die Einzugsgebietskohlenstoffdynamik. Messunsicherheiten unterschiedlicher Messverfahren der wichtigen aber unterrepräsentierten Bearbeitungserosion wurden in einem Versuch gegenüberstellt und analysiert. Die Ergebnisse weisen auf große Modellunsicherheiten der erosionsbedingten Kohlenstoffdynamiken hin, welche sich aus Eingangsdatenlimitationen und fehlender Prozessimplementierung ergeben. (i) Es wurden substanzielle Unterschiede des simulierten Sedimentexports für verschiedene KE-I Gleichungen festgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass die KE-I Gleichungen die KE Direktmessungen deutlich überschätzen, was jedoch nicht ausnahmslos auf große Ereignisse zutrifft. Daher sind insbesondere große Erosionsereignisse Gegenstand von hohen Unsicherheiten. (ii) Die Modellierung konnte zeigen, dass der Großteil des SOC Exports durch wenige starke Erosionsereignisse verursacht wird, jedoch führen Anreicherungsprozesse des präferentiellen SOC-Transports zu einer deutlichen Bedeutungszunahme von kleinen Erosionsereignissen für den Kohlenstoffexport und damit die Einzugsgebietskohlenstoffbilanz. (iii) Die Bodenaggregierung bedingt eine Reduzierung der flächenhaften Erosion sowie der Transportdistanzen von SOC-reichem Sediment. Dies ist bedingt durch den physischen Zusammenschluss der mobilen SOC-reichen Feinkornfraktion zu Aggregaten geringerer Erodier- und Transportierbarkeit. (iv) Die Bearbeitungserosion bewirkt eine deutliche Änderung der vertikalen Kohlenstoffflüsse und weist ein hohes Kohlenstoffsequestrierungspotenzial auf. (v) Die Einzugsgebietsdurchgängigkeit ist ein wichtiger Steuerungsmechanismus für die Kohlenstoffanreicherungsprozesse im ausgetragenen Sediment. Eine geringere sedimentologische Konnektivität führt durch Depositionsprozesse zu einer höheren SOC-Anreicherung im ausgetragenen Sediment. (vi) Die Bestimmung der Bearbeitungserosion unterliegt großen Unsicherheiten und kann einen bedeutenden Einfluss auf Modellparametrisierungen haben.…