Redistribution patterns of soil and soil nutrients : A study using process-oriented and machine-learning approaches, with applications to mountain catchments under monsoon climate

Titelangaben

Choi, Kwanghun:
Redistribution patterns of soil and soil nutrients : A study using process-oriented and machine-learning approaches, with applications to mountain catchments under monsoon climate.
Bayreuth , 2021 . - XIV, 160 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005368

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Abstract

Soil erosion is one of the significant environmental problems worldwide, causing surface soil degradation and freshwater deterioration. As the world’s population increases, the problem is worsening because erosion-resistant natural ecosystems are being converted into erosion- prone croplands to meet the increasing demands for food. South Korea is also suffering from recurrent severe soil erosion and consequent water deterioration in the monsoon season because of upland agricultural expansion driven by economic incentives. To define the optimal mitigation measures for soil erosion, we need tools that are suitable for upland agricultural areas. In this thesis, we focused on the spatial patterns of soil and soil organic matter containing nitrogen (N) and phosphorus (P), which are relevant to the soil erosion and water quality of mountainous catchments with complex terrain. Also, we aimed to propose measures to mitigate soil and soil organic matter exports to streams from mountainous catchments in the Soyang watershed by spatial reconfiguration of land use and land cover (LULC) at the landscape level.
To investigate the spatial redistribution of soils and soil organic matter from mountain catchments, we developed a soil erosion model termed the Daily based Morgan–Morgan–Finney (DMMF) soil erosion model. The DMMF model was derived from the Modified Morgan–Morgan– Finney (MMMF) model, a variant of the well-known and widely used Morgan–Morgan–Finney (MMF) model, with modifications to make it suitable for complex terrain configurations under seasonal monsoon climates. While the MMMF model improved the physical foundations of the
MMF model concerning topography, physical structures of vegetation, and subsurface interflow, several additional aspects needed to be corrected for a better representation of the physical processes. As the MMMF model was originated from an area with a simple terrain configu- ration and comparatively regular rainfall regimes, the model needed modification for a better representation of the study area, which has a complex terrain configuration under a seasonal monsoon climate. We identified and corrected the problematic aspects of the calculation in the effective rainfall, interflow, and transport capacity of the MMMF model by analyzing its entire process (chapter 2). In chapter three, we suggest a new soil erosion model, the DMMF model, based on the MMMF model.
In chapter four, we evaluated the effect of a spatial reconfiguration of erosion hotspots on stream sediment load from an upland agricultural catchment utilizing the DMMF model. In this study, we estimated the sediment redistribution pattern and soil erosion risk on the Haean catchment, a well-known upland agricultural catchment belonging to the Soyang watershed. According to the results, the DMMF model can be applied to catchments with complicated terrain configurations affected by a monsoon climate. Results confirmed that a spatial recon- struction of the landscape, complementarily with other best management practices emphasizing the management of dry crop field, can be an effective method to reduce sediment yield from upland agricultural catchments such as Haean.
In the final chapter five, we also investigate the environmental drivers that affect the spatial redistribution patterns of soil nutrients such as N and P in mountain forests. To achieve this goal, we used high-resolution light detection and ranging (LiDAR) to derive detailed information regarding the topography and physical structure of vegetation. Then, we predicted the spatial patterns of soil nutrients such as N and P in the organic layer and mineral topsoil. Specifically, we analyzed the relative importance of vegetation and topographical parameters extracted from LiDAR for a better understanding of the spatial patterns of N and P. In addition, we identified areas with critical P contents and tested different validation strategies for N and P.

Abstract in weiterer Sprache

Die Bodenerosion ist eines der weltweit größten Umweltprobleme und führt zu einer Ver- schlechterung der Bodenoberfläche und der Süßwasserqualität. Mit dem Anwachsen der Welt- bevölkerung verschärft sich das Problem, da erosionsresistente natürliche Ökosysteme in erosion- sgefährdete Anbauflächen umgewandelt werden, um den steigenden Bedarf an Nahrungsmitteln zu decken. Südkorea leidet auch unter der immer wieder auftretenden starken Bodenerosion und der daraus resultierenden Wasserqualitätsverschlechterung in der Monsunzeit aufgrund der landwirtschaftlichen Expansion im Hochland, die durch wirtschaftliche Anreize angetrieben wird.
Um die optimalen Maßnahmen zur Verminderung der Bodenerosion zu definieren, werden Werkzeuge benötigt, die für landwirtschaftliche Flächen im Hochland geeignet sind. In der vor- liegenden Dissertation hat sich der Verfasser auf die räumlichen Verteilungsmuster von Boden sowie von Stickstoff (N) und Phosphor (P) in der organischen Bodensubstanz konzentriert, die für die Bodenerosion und die Wasserqualität von Gebirgseinzugsgebieten mit komplexem Gelände relevant sind. Ein weiteres Ziel der Arbeit besteht darin, geeignete Maßnahmen vorzuschlagen, um den Abtrag von Boden und organischer Bodensubstanz in Gewässer aus bergigen Einzugs- gebieten in der Wasserscheide Soyang durch räumliche Umgestaltung von Landnutzung und Landbedeckung (LULC) auf Landschaftsebene zu verringern.
In der vorliegenden Forschungsarbeit wird das Daily based Morgan–Morgan–Finney (DMMF) Bodenerosionsmodel entwickelt, mit dem die räumliche Umverteilung von Böden und organis- cher Bodensubstanz aus Berggebieten untersucht werden kann. Das DMMF-Modell wurde vom MMMF-Modell (Modified Morgan–Morgan–Finney) abgeleitet, einer Variante des bekannten und weit verbreiteten MMF-Modells (Morgan–Morgan–Finney), das Modifikationen enthält, die es für komplexe Geländekonfigurationen unter saisonalen Bedingungen eines Monsunklimas geeignet machen. Während das MMMF-Modell die physikalischen Grundlagen des MMF-Modells in Bezug auf Topographie, physikalische Vegetationsstrukturen und unterirdische Strömungen verbesserte, mussten einige zusätzliche Aspekte korrigiert werden, um die physikalischen Prozesse besser darstellen zu können. Da das MMMF-Modell aus einem Gebiet mit einer einfachen Gelän- dekonfiguration und vergleichsweise regelmäßigen Niederschlagsbedingungen stammt, musste
das Modell modifiziert werden, um das Untersuchungsgebiet, das eine komplexe Geländekonfig- uration unter einem saisonalen Monsunklima aufweist, besser erfassen zu können.
In der vorliegenden Arbeit wurden die problematischen Aspekte der Berechnung in Bezug auf die effektive Niederschlags-, Interflow- und Transportkapazität des MMMF-Modells identifiziert und korrigiert, indem der Gesamtprozess analysiert wurde (Kapitel 2). In Kapitel drei schließlich wird ein neues Bodenerosionsmodell vorgeschlagen, das DMMF-Modell, das auf dem MMMF- Modell basiert.
In Kapitel 4 untersuchte der Verfasser den Effekt einer räumlichen Rekonfiguration von Ero- sionsherden auf die Sedimentbelastung eines landwirtschaftlichen Einzugsgebiets im Hochland mithilfe des DMMF-Modells. Dafür wurde das Sedimentumverteilungsmuster und das Boden- erosionsrisiko im Haean-Einzugsgebiet, einem bekannten landwirtschaftlichen Hochlandeinzugs- gebiet der Wasserscheide Soyang, einer wissenschaftlichen Beurteilung und Einschätzung unter- zogen.
Den Ergebnissen zufolge kann das DMMF-Modell auf Einzugsgebiete mit komplizierten Geländekonfigurationen angewendet werden, die von einem Monsunklima betroffen sind. Die Ergebnisse bestätigten, dass eine räumliche Rekonfiguration der Landschaft in Ergänzung zu anderen bewährten Bewirtschaftungsmethoden, bei denen die Bewirtschaftung von Trocken- feldern im Vordergrund steht, eine wirksame Methode zur Verringerung des Sedimentaustrags aus landwirtschaftlichen Einzugsgebieten im Hochland wie Haean sein kann.
Im letzten Kapitel 5 werden die Umweltfaktoren, die die räumlichen Umverteilungsmuster von Bodennährstoffen wie N und P in Bergwäldern beeinflussen, untersucht. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde das LiDAR-Verfahren (light detection and ranging) verwendet, um detaillierte Informationen zur Topographie und physikalischen Struktur der Vegetation zu gewinnen. Daran anschließend wurde eine Einschätzung der zukünftigen räumlichen Muster von Bodennährstoffen wie N und P in der organischen Schicht und im mineralischen Oberboden vorgenommen. Im Zentrum stand dabei die Analyse der relativen Bedeutung der Vegetation und der aus LiDAR extrahierten topografischen Parameter für ein besseres Verständnis der räumlichen Muster von N und P. Zusätzlich identifizierte der Verfasser Gebiete mit kritischen P-Gehalten und testete verschiedene Validierungsstrategien für N und P.