On the mobilization of dissolved organic carbonin a forested headwater catchment : Linking topography to hydrological connectivity

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Blaurock, Katharina:
On the mobilization of dissolved organic carbonin a forested headwater catchment : Linking topography to hydrological connectivity.
Bayreuth , 2023 . - VIII, 165 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006958

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Abstract

Dissolved organic carbon (DOC) constitutes an important link between the terrestrial and the aquatic carbon cycle, as terrestrial systems release DOC into aquatic systems. In this context, inland waters play an important role by transporting substantial amounts of DOC from headwater streams towards rivers and finally the oceans. Besides being an important energy source for aquatic organisms, DOC in aquatic systems is partly transformed to carbon dioxide or methane and, therefore, important with regard to climate change. Although not being toxic per se, DOC can transport pollutants and act as a precursor for carcinogenic compounds and, consequently, is important for drinking water quality. Since the 1980s, DOC concentrations have been observed to increase in many freshwater systems of the northern hemisphere. Possible explanations for this increase are a matter of current debate and include temperature increase as well as changes in precipitation patterns and atmospheric nitrogen and sulphur deposition. The majority of DOC export from a catchment occurs during precipitation events. However, event size is not the only factor influencing DOC mobilization and DOC export quantity. Antecedent wetness conditions and catchment topography play an important role as they influence hydrological connectivity between DOC source areas and streams.
This thesis includes four studies investigating the link between hydrological connectivity and topography and how this influences DOC quality, mobilization and export in a small, forested headwater catchment located in the Bavarian Forest National Park (Germany). The focus lies on the analysis of high-frequency in-stream DOC data, which have been collected at three topographically different subcatchments from 2018 until 2021 using ultraviolet-visible spectrometry. In addition to that, shallow and deep groundwater samples as well as soil samples were taken in the catchment. Complementary to DOC concentrations, cation concentrations were analyzed. Moreover, DOC quality was investigated using absorbance and fluorescence spectrometry as well as Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry.
Study 1 focused on DOC mobilization processes and DOC export from topographically different subcatchments during four precipitation events, which were characterized by different antecedent wetness conditions and different amounts of precipitation. Generally, DOC load during the events increased with total catchment wetness, which highlighted the importance of antecedent wetness conditions and event size for DOC mobilization. The contribution of the investigated subcatchments to total DOC export from the entire catchment varied between the events. Surprisingly, DOC export of the upper catchment was disproportionally high following drought periods. This observation could be attributed to the low hydrological connectivity in the flat, lower catchment, which inhibited DOC mobilization, rather than an increased DOC export from the upper catchment. This study showed a clear link between antecedent wetness conditions, hydrological connectivity and topography.
Study 2 took up the issue of hydrological connectivity in the flat, lower subcatchment and investigated the influence of microtopographical depressions in the riparian zone for DOC export during events. The shallow groundwater below the microtopographical depressions was characterized by higher DOC concentrations and a higher aromaticity than the shallow groundwater below the typical forest soil. These differences were used to show that water accumulating below and in the microtopographical depressions was exported to the stream during events, thereby altering in-stream DOC quality.
Study 3 shed light on seasonal differences in DOC export from the entire catchment and between the three subcatchments. DOC export was largely influenced by hydrological conditions throughout the one-year investigation period leading to a high DOC export during snowmelt and spring and a low DOC export during summer and winter. The contribution to DOC export from the subcatchments varied seasonally. As seen in Study 1 on an event-scale, the flat, lower subcatchment contributed less than expected in terms of area during and after dry periods due to the low hydrological connectivity. This led to a disproportionally higher contribution of the upper subcatchments on a seasonal scale. The contribution to DOC export was closely linked to the contribution to runoff, which was generally higher in the steep, upper catchments than in the flat, lower catchment.
Study 4 investigated differences in DOC quality along the stream and compared them to potential DOC sources in the riparian zone. DOC quality in the lower stream sections indicated DOC originating from shallow soil layers, whereas DOC quality in the upper stream sections indicated DOC originating from deeper soil layers. These results confirmed the differences in DOC mobilization processes observed in Study 1 and Study 3 and confirmed the importance of upper soil layers in the riparian zone found in Study 2.
In summary, the results of this thesis highlight the importance of topography for hydrological connectivity and its influence on DOC mobilization. As climate change is likely to affect temporal and spatial patterns of hydrological connectivity in the future, changing DOC export patterns and changing DOC quality could have consequences for aquatic organisms, greenhouse gas formation and the management of drinking water reservoirs.

Abstract in weiterer Sprache

Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) ist ein wichtiges Bindeglied zwischen dem terrestrischen und dem aquatischen Kohlenstoffkreislauf, da terrestrische Systeme DOC in aquatische Systeme abgeben. In diesem Zusammenhang spielen die Binnengewässer eine wichtige Rolle, da sie erhebliche Mengen an DOC aus den Oberläufen in die Flüsse und schließlich in die Ozeane transportieren. DOC ist in aquatischen Systemen nicht nur eine wichtige Energiequelle für Mikroorganismen, sondern wird teilweise auch in Kohlendioxid oder Methan umgewandelt und ist daher im Hinblick auf den Klimawandel von Bedeutung. Obwohl DOC an sich nicht toxisch ist, kann DOC Schadstoffe transportieren und in krebserregende Verbindungen umgewandelt werden. Daher ist DOC für die Trinkwasserqualität von Bedeutung. Seit den 1980er Jahren ist in vielen Binnengewässern der nördlichen Hemisphäre ein Anstieg der DOC-Konzentrationen zu beobachten. Mögliche Erklärungen für diesen Anstieg werden derzeit diskutiert und umfassen den Temperaturanstieg sowie Veränderungen der Niederschlagsverteilung und der atmosphärischen Stickstoff- und Schwefeldeposition. Der größte Teil des DOC-Exports aus einem Einzugsgebiet findet während Niederschlagsereignissen statt. Die Größe des Ereignisses ist jedoch nicht der einzige Faktor, der die DOC-Mobilisierung und die DOC-Exportmenge beeinflusst. Die Vorfeuchte und die Topographie des Einzugsgebiets spielen eine wichtige Rolle, da sie die hydrologische Konnektivität zwischen DOC-Quellgebieten und Fließgewässern beeinflussen.
Diese Arbeit umfasst vier Studien, die den Zusammenhang zwischen hydrologischer Konnektivität und Topographie und deren Einfluss auf die DOC-Qualität, -Mobilisierung und -Export in einem kleinen, bewaldeten Einzugsgebiet im Nationalpark Bayerischer Wald (Deutschland) untersuchen. Der Fokus liegt auf der Analyse von hochaufgelösten DOC-Daten, die von 2018 bis 2021 in drei topographisch unterschiedlichen Teileinzugsgebieten im Bach mittels UV-Vis-Spektrometrie (ultraviolet-visible) erhoben wurden. Darüber hinaus wurden im Einzugsgebiet Proben vom flachen und tiefen Grundwasser sowie Bodenproben entnommen. Ergänzend zu den DOC-Konzentrationen wurden auch die Kationenkonzentrationen analysiert. Außerdem wurde die DOC-Qualität mit Hilfe von Absorptions- und Fluoreszenzspektrometrie sowie von Fourier-Transformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie untersucht.
Studie 1 konzentrierte sich auf die DOC-Mobilisierungsprozesse und den DOC-Export aus topographisch unterschiedlichen Teileinzugsgebieten während vier Niederschlagsereignissen, die durch unterschiedliche vorangehende Vorfeuchte-Bedingungen und unterschiedliche Niederschlagsmengen gekennzeichnet waren. Im Allgemeinen nahm die DOC-Fracht während der Ereignisse mit der Gesamtfeuchte des Einzugsgebiets zu, was die Bedeutung der Vorfeuchte und der Größe des Ereignisses für die DOC-Mobilisierung hervorhebt. Der Beitrag der untersuchten Teileinzugsgebiete zum gesamten DOC-Export variierte zwischen den Ereignissen. Überraschenderweise war der DOC-Export des oberen Einzugsgebiets nach Trockenperioden überproportional hoch. Diese Beobachtung ist eher auf die geringe hydrologische Konnektivität im flachen, unteren Einzugsgebiet zurückzuführen sein, die die DOC-Mobilisierung hemmt, anstatt auf einen erhöhten DOC-Export aus dem oberen Einzugsgebiet. Diese Studie zeigte einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Vorfeuchte, der hydrologischen Konnektivität und der Topographie.
In Studie 2 wurde die Frage der hydrologischen Konnektivität im flachen, unteren Teileinzugsgebiet aufgegriffen und der Einfluss mikrotopographischer Vertiefungen in der Uferzone auf den DOC-Export während Niederschlagsereignissen untersucht. Das flache Grundwasser unterhalb der mikrotopographischen Vertiefungen war durch höhere DOC-Konzentrationen und eine höhere Aromatizität gekennzeichnet als das flache Grundwasser unterhalb des typischen Waldbodens. Diese Unterschiede wurden genutzt, um zu zeigen, dass das Wasser, das sich unter und in den mikrotopographischen Senken ansammelt, bei Ereignissen in den Fluss transportiert wurde, wodurch sich die DOC-Qualität im Fluss veränderte.
Studie 3 beleuchtete die saisonalen Unterschiede des DOC-Exports aus dem gesamten Einzugsgebiet und zwischen den drei Teileinzugsgebieten. Der DOC-Export wurde während des einjährigen Untersuchungszeitraums weitgehend von den hydrologischen Bedingungen beeinflusst, was zu einem hohen DOC-Export während der Schneeschmelze und im Frühjahr und einem niedrigen DOC-Export im Sommer und Winter führte. Der Beitrag zum DOC-Export aus den Teileinzugsgebieten variierte saisonal. Wie in Studie 1 auf der Ereignis-Ebene zu sehen war, trug das flache, untere Teileinzugsgebiet während und nach Trockenperioden aufgrund der geringen hydrologischen Konnektivität weniger bei als flächenmäßig erwartet. Dies führte zu einem überproportional höheren Beitrag der oberen Teileinzugsgebiete auf der saisonalen Skala. Der Beitrag zum DOC-Export stand in engem Zusammenhang mit dem Beitrag zum Abfluss, der in den steilen, oberen Einzugsgebieten im Allgemeinen höher war als im flachen, unteren Einzugsgebiet.
Studie 4 untersuchte Unterschiede in der DOC-Qualität entlang des Baches und verglich sie mit potenziellen DOC-Quellen in der Uferzone. Die DOC-Qualität in den unteren Bachabschnitten deutete auf DOC aus flachen Bodenschichten hin, während die DOC-Qualität in den oberen Bachabschnitten auf DOC aus tieferen Bodenschichten hindeutete. Diese Ergebnisse bestätigten die in Studie 1 und Studie 3 beobachteten Unterschiede bei den DOC-Mobilisierungsprozessen und bestätigten die in Studie 2 festgestellte Bedeutung der oberen Bodenschichten in der Uferzone.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieser Arbeit die Bedeutung der Topographie für die hydrologische Konnektivität und ihren Einfluss auf die DOC-Mobilisierung hervorheben. Da sich der Klimawandel in Zukunft wahrscheinlich auf die zeitlichen und räumlichen Muster der hydrologischen Konnektivität auswirken wird, könnten veränderte DOC-Exportmuster und eine veränderte DOC-Qualität Konsequenzen für aquatische Organismen, die Bildung von Treibhausgasen und das Management von Trinkwasserspeichern haben.