Water flow paths in soils of an undisturbed and landslide affected mature montane rainforest in South Ecuador

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Bauer, Folkert:
Water flow paths in soils of an undisturbed and landslide affected mature montane rainforest in South Ecuador.
Bayreuth , 2010
( Dissertation, 2010 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The number of previous hydrological studies concerning water flow paths in tropical montane rainforest is small. However, due to the increasing pressure of deforestation and land use change comprehensive knowledge of these natural ecosystems is needed if sustainable land use strategies should keep negative effects of human impacts on water flow paths as low as 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 highest in South America. In an investigation area situated in the Andes of South Ecuador, in gentler slopes and altitudes above 2100 m ASL mainly Stagnosols and Histosols with stagnic colour pattern and low to negligible rock fragment content prevail. With increasing altitude the abundance of these soils increase, while the presence of Cambisols and Regosols is most pronounced below 2100 m ASL and clearly correlated with the slope angle. Therefore, these soils were mainly encountered in steeper, particularly landslide affected sites often resembling a melange of fine soil and high contents of rock fragments. Aside the investigation of the influence of the rock fragment content on soil hydrological- and physical parameters such as 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 affected and unaffected hillslopes. Therefore, we employed conventional field- and laboratory methods, dye tracer experiments including an appropriate image processing technique, as well as statistical models. Results show that both rock fragment content and bulk density control 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 flow in root channels with low soil matrix interaction as dominant flow mechanism. A surface near quasi impervious layer along the interface between topsoil and subsoil limits percolation of the water giving the prerequisites of a lateral shallow subsurface flow along the interface between topsoil and organic layer. This is in line with previous studies performed in the same investigation area which already proved indirectly the existence of this flow. However, in none of these studies the shallow subsurface flow was assigned to certain slope inclinations or altitudes. Due to a recently published digital soil map and the results we obtained from the landslide unaffected sites, we know that particularly in hillslopes of less than 30 degrees above 2100 m ASL prerequisites are given for spatially extended shallow subsurface flow. However, even if these prerequisites are not evident for the landslide affected hillslopes, we cannot exclude the possibility of shallow subsurface flow occurrence here since soil cover of the steep terrain is relatively shallow while rainfall is high throughout the year. Therefore, and given that key parameters such as permeability of subsoil and bedrock, interception and evaporation remain 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 potential occurrence of shallow subsurface flow in Cambisols below 2100 m ASL. In these experiments we also included the organic layer being highly abundant in the investigation area, whose hydraulic parameters were estimated by means of inverse numerical modelling. The virtual experiments were based on a two dimensional finite element model representing a steep forested hillslope transect of approx. 54 m length. Aside soil properties, evapotranspiration and interception, the model included the spatial variability of the saturated hydraulic conductivity, the pressure head and their spatial trends. The results of virtual experiment series show that a sound evidence of the key parameters aforementioned is obligate if process conceptualisation regarding shallow subsurface flow generation, but also landslide initiation, solute and matter transport is in the spotlight.

Abstract in weiterer Sprache

Die Anzahl bisheriger hydrologischer Untersuchungen von Wasserfließpfaden in Böden tropischer Bergregenwälder ist gering. Doch erfordern zunehmende Entwaldung und Landnutzungsänderung ein umfassendes Wissen über die Funktionsweise dieser natürlichen Ökosysteme, wenn negative Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf Wasserfließpfade im Rahmen nachhaltiger Landnutzungsstrategien möglichst gering sein sollen. Vor diesem Hintergrund befasst sich vorliegende Arbeit mit der Identifizierung, Charakterisierung und Modellierung von Wasserfließpfaden in Böden eines ungestörten und rutschungsbeeinflussten natürlichen andinen Waldökosystems im Süden des Landes Ecuador, dessen Entwaldungsrate zu den höchsten Südamerikas zählt. In einem Forschungsgebiet in den südlichen Anden Ecuadors herrschen in flacheren Hängen unterhalb von 2100 m ü. NN vor allem Stagnosole und Histosole mit Stauwassermerkmalen und mit geringen bis vernachlässigbaren Steingehalten vor. Das Auftreten dieser Böden nimmt mit steigender Höhe ü. NN zu, 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 Bildverarbeitungsmethoden sowie statistische Modelle an. Die Ergebnisse zeigen einen zwar 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 tieferreichende vertikale Perkolation als in den nicht rutschungsbeeinflussten Hängen, wo die Wasserbewegung hauptsächlich entlang von Wurzelröhren in geringem Austausch mit der Bodenmatrix stattfindet. Zudem ist die vertikale Perkolation hier durch eine oberflächennahe 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 bereits indirekt nachwiesen, ohne diesen jedoch bestimmten Hangneigungen oder Höhestufen zuzuordnen. Aufgrund einer jüngst publizierten digitalen Bodenkarte und den in den von Rutschungen unbeeinflussten Bereichen gewonnenen Ergebnissen wissen wir, das vor allem in Hängen mit weniger als 30 Grad 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 Leitfähigkeit des Unterbodens und Grundgebirges, Interzeption und Verdunstung unklar sind oder ausschließlich wie die räumliche Variabilität der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit im Mineralboden untersucht wurden, führten wir eine Serie virtueller Experimente zum Nachweis eines potentiellen oberflächennahen Zwischenabflusses in Cambisolen unterhalb 2100 ü. NN durch. Dabei berücksichtigten wir auch wegen ihrer starken Präsenz im Untersuchungsgebiet die organische Auflage, deren hydraulische Parametrisierung wir mittels inverser numerischer Modellierung vornahmen. Die virtuellen Experimentserien basierten auf einem zweidimensionalen finite Elemente Modell, das einen ca. 54 m langen Transekt unter Waldvegetation simulierte. Neben Bodenparametern, Evapotranspiration und Interzeption umfasste das Modell die räumliche Variabilität der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit, des Matrixpotentials und ihrer räumlichen Trends. Die Ergebnisse der virtuellen Experimente verdeutlichen, dass im Hinblick auf Prozessmodellierung von oberflächennahem Zwischenabfluss und Stofftransport, aber auch Auslösung von Hangrutschungen im Untersuchungsgebiet durch physikalisch basiert Modellansätze eine genaue Kenntnis der Schlüsselparameter Klima, hydraulische Leitfähigkeiten und deren räumliche Verteilung sowie Permeabilität des Unterbodens und Grundgebirges erforderlich ist.