Interactions between hydrology and biogeochemistry within riparian wetlands

Titelangaben

Frei, Sven:
Interactions between hydrology and biogeochemistry within riparian wetlands.
Bayreuth , 2013 . - 249 S. S.
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Interactions between hydrology and biogeochemistry at various spatio-temporal scales are important control mechanisms within terrestrial and aquatic ecosystems and exist among different compartments and transition interfaces. Understanding the fundamental mechanistic couplings between hydrological and biogeochemical processes and how these couplings feed back into ecosystem services and functions is an interdisciplinary challenge that must be addressed especially in the context of humanly mediated climate change. Riparian wetlands, as a transition zone between terrestrial and aquatic ecosystems, occupy large fractions of terrestrial ecosystems and provide important ecohydrological services. Due to their anoxic environments, riparian wetlands are able to store significant amounts of carbon as peat and act as an effective nutrient sink e.g. for sulfur, phosphorous and nitrogen. Riparian wetlands are characterized by highly dynamical interactions between hydrologically controlled transport mechanisms and biogeochemically controlled substrate availability, which governs nutrient cycling as well as the sink and source functions of wetlands. Generally, these interactions and their potential implications on ecosystem functions are only poorly understood. The representation of the tight couplings between hydrology and biogeochemistry in mechanistic models is a very challenging task because they have revealed a complexity which is often beyond the capabilities of current models. The objective of this thesis is to investigate interactions between hydrology and biogeochemistry in riparian wetlands and to understand their potential implications for internal biogeochemical process distributions and solute mobilization. Additionally, one major focus of the thesis is the attempt to represent such fundamental couplings in a process-based, hydrological/biogeochemical modeling approach. To this end, this thesis uses a combination of field and virtual experiments, as well as catchment-scale numerical modeling, performed for the Lehstenbach catchment, which was exemplarily chosen as main study site. Results from the virtual experiments show very complex small-scale hydrological dynamics within the riparian areas. Here, runoff generation processes are strongly influenced by the spatial structure of the wetland-typical micro-topography (hummocks and hollows). Surface flow is episodically generated by a highly dynamical, threshold-controlled process where extended surface flow networks drain large fractions of the wetland's area. During intensive rainstorm events these surface flow networks, which contribute to stream discharge due to a fill and spill mechanism, dominate runoff generation. These fast flow components are characterized by very low residence times (minutes to hours) and once they are activated, the surface flow networks are able to rapidly mobilize large amounts of solutes, like nitrate or dissolved organic carbon (DOC), out of the wetlands by bypassing deeper anoxic layers. The importance of fast flow components for the catchment-scale mobilization of DOC was further confirmed by field investigations and catchment-scale numerical modeling. High frequency measurements of DOC in runoff of the Lehstenbach catchment revealed that DOC export is subject to substantial short term variations at an hourly to daily timescale. During intense rainstorms, DOC concentrations are up to ten times higher (up to 40 mg/L) compared to low flow conditions (~3-5 mg/L). Short term variations together with the dramatic rise of DOC concentrations in runoff during rainstorms can be explained by the episodically activation of fast flow components in the wetland areas. At the catchment-scale, application of a hydraulic mixing-cell (HMC) methodology in combination with numerical modeling has revealed that fast flow components like saturated overland flow are exclusively generated in the wetland areas during intensive rainstorm events. On an annual basis, exemplarily for the hydrological year 2001, the HMC analysis quantified the relative contribution of saturated overland flow related to the total discharge with 19.5%, which highlights the importance of riparian wetlands for catchment-scale runoff generation. Virtual experiments, additionally show that distinct shifts between surface and subsurface flow dominance, as a result of small-scale micro-topographic driven runoff generation in the wetlands, are responsible for very complex three-dimensional subsurface flow patterns showing a wide range of subsurface residence times. To investigate how these micro-topography induced subsurface flow patterns, together with the non-uniform hydrological and biogeogeochemical boundary conditions, affect the internal re-distribution and transformation of redox-sensitive species (like nitrate, sulfate or iron) a coupled hydrological/biogeogeochemical model was developed. In the model, wetland-typical biogeochemical processes are represented in a sequential stream tube approach where redox-sensitive processes are implemented as kinetic reactions. Simulations show the formation of local hot spots for redox-sensitive processes within the subsurface as a result of the complex subsurface flow paths and the transport-limited availability of electron acceptors and donors. Formation of hot spots was simulated for all key reduction processes including iron(III)-/sulfate reduction and denitrification as well as for the corresponding re-oxidation processes. These results offer a new perspective on hydrologically controlled biogeochemical transformation processes in riparian wetlands, which provides a dynamic framework to explain process heterogeneity in wetland soils and variability in process rates over space and time. Findings from this thesis clearly prove how useful interdisciplinary approaches are in understanding processes and mechanisms in ecosystems and how important functions of ecosystems are affected by couplings among those. However, a lot of knowledge gaps still exist in understanding the nature of dependency between water and nutrient cycles across scales and how these interacting cycles feed back into humanly-mediated climate change in ecosystems. Development of new interdisciplinary methodologies and frameworks as well as an integrated way of thinking across the boundaries of the different environmental disciplines is necessary to address the grand challenges associated with climate change.

Abstract in weiterer Sprache

Interaktionen zwischen hydrologischen und biogeochemischen Prozessen, auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen, sind wichtige Steuermechanismen in terrestrischen und aquatischen Ökosystemen. Diese Interaktionen existieren für unterschiedliche Komponenten in Ökosystemen sowie für ökosystemverbindende Schnittstellen. Die Erforschung dieser Interaktionen und inwiefern sich gekoppelte Prozesse auf ökosystemare Funktionen und Dienstleistungen auswirken, stellt eine interdisziplinäre Herausforderung dar, der sich die Ökosystemforschung, vor allem im Kontext des globalen Klimawandels, stellen muss. Vorfluternahe Feuchtgebiete sind Schnittstellen zwischen terrestrischen und aquatischen Ökosystemen und üben durch ihre besonderen hydrologischen und biogeochemischen Eigenschaften wichtige ökohydrologische Funktionen aus. Durch ihr sauerstoffarmes, anoxisches Milieu sind Feuchtgebiete in der Lage große Mengen an Kohlenstoff in Form von Torf langfristig zu speichern und gelten als effiziente Nährstoffsenken wie etwa für Sulfat, Phosphat oder Stickstoff. Diese Gebiete zeichnen sich durch komplexe, hoch dynamische Kopplungen zwischen hydrologisch-physikalisch kontrollierten Transportprozessen und biogeochemisch kontrollierter Stoff- und Substratverfügbarkeit aus. Die enge Verschränkung zwischen hydrologischen und biogeochemischen Prozessen steuert, in vorfluternahen Feuchtgebieten, systeminterne Stoffflüsse sowie wichtige Quell- und Senkenfunktionen. Bisher sind diese Interaktionen, sowie deren potentielle Auswirkungen auf ökosystemare Funktionen von Feuchtgebieten, nur sehr wenig erforscht. Die Übertragung der Interaktionen zwischen Hydrologie und Biogeochemie in mechanistische Modelle ist äußerst schwierig, da die Komplexität die Fähigkeiten aktueller Modelle oft übersteigt. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung hydrologisch-biogeochemischer Interaktionen in vorfluternahen Feuchtgebieten sowie deren Einfluss auf das systeminterne biogeochemische Prozessgefüge und die Stoffmobilisierung. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung eines kombinierten hydrologisch-biogeochemischen Modellansatzes, um mechanistisch die engen funktionalen Kopplungen zwischen Hydrologie und Biogeochemie in Feuchtgebieten zu untersuchen. Zu diesem Zweck benutzt diese Arbeit eine Kombination aus Feld- und virtuellen Experimenten sowie nummerischer Einzugsgebietsmodellierung, angewendet auf das Einzugsgebiet des Lehstenbaches, das exemplarisch als Hauptuntersuchungsgebiet ausgewählt wurde. Ergebnisse der kleinskaligen virtuellen Experimente zeigen eine hoch komplexe hydrologische Dynamik, bei der abflussgenerierende Prozesse innerhalb der Feuchtgebiete, insbesondere von der Mikro-topographie, beeinflusst werden. Intensiver Niederschlag führt zur Ausprägung von ausgedehnten Abflussnetzwerken, die weite Bereiche der Feuchtgebiete oberflächlich entwässern. Die episodische Aktivierung dieser Netzwerke erfolgt dabei durch einen schwellenwert-gesteuerten Prozess in Abhängigkeit von den hydrologischen und meteorologischen Randbedingungen. Während Niederschlagsereignissen, dominieren diese Netzwerke im hohen Maße die Abflussgenerierung gegenüber anderen Abflusskomponenten. Diese schnellen Abflusskomponenten zeichnen sich durch sehr kurze Verweilzeiten (Minuten - Stunden) aus. Sobald es zur Aktivierung der Abflussnetzwerke kommt, sind diese in der Lage in sehr kurzer Zeit große Mengen an gelösten Stoffen (z.B. Nitrat oder DOC) unter Umgehung tiefer anoxischer Bereiche aus den Feuchtgebieten zu mobilisieren. Die Bedeutung schneller Abflusskomponenten für die Freisetzung von DOC auf Einzugsgebietsebene wurde durch Feldmessungen sowie hydrologische Einzugsgebietsmodellierung bestätigt. Zeitlich hoch aufgelöste Messungen der DOC Konzentrationen im Abfluss des Lehstenbaches zeigen, dass der DOC Export kurzfristigen Schwankungen im Bereich von Stunden bis Tagen unterliegt. Bei Starkniederschlägen sind die DOC Konzentrationen zeitweilig bis auf das Zehnfache (bis zu 40 mg/L) gegenüber Niedrigabflussbedingungen (ca. 3-5 mg/L) erhöht. Die kurzfristigen Konzentrations-schwankungen zusammen mit dem dramatischen Anstieg der DOC Konzentrationen im Abfluss lassen sich durch die episodische Aktivierung schneller Abflusskomponenten in den Feuchtgebietszonen des Einzugsgebietes erklären. Virtuelle Experimente zeigen zusätzlich, dass es aufgrund der durch die mikro-topographie-induzierten Verschiebungen der Dominanz zwischen Oberflächen- und Grundwasserabfluss auf der kleinen Skala, zur Ausprägung komplexer dreidimensionaler Fließmuster im Untergrund kommt. Die Erforschung inwiefern sich diese Muster, zusammen mit den wechselnden hydrologischen und biogeochemischen Randbedingungen, auf die interne Umverteilung und Transformation redox-sensitiver Stoffe (Nitrat, Sulfat und Eisen(III)) auswirken, war die Motivation für die Entwicklung eines gekoppelten hydrologisch-biogeochemischen Modellansatzes. Hier werden, für Feuchtgebiete, typische biogegeochemische Prozesse simuliert, wobei die einzelnen Prozesse als kinetische Reaktionen implementiert wurden. Ergebnisse dieser Simulationen zeigen die Ausprägung räumlich eng begrenzter Bereiche mit hoher Prozessaktivität ("hot spots"), als Folge des komplexen Fließfeldes und der transport-limitierten Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren und Donoren. Die Generierung von "hot spots" konnte sowohl für reduktive Prozesse (Eisen(III)-/Sulfatredution und Denitrifikation) als auch für entsprechende Reoxidationsprozesse simuliert werden. Ergebnisse dieses Modellierungsansatzes tragen im Wesentlichen zum Verständnis bei, inwiefern sich beobachtete räumliche und zeitliche Heterogenität im biogeochemischen Prozessgefüge von Feuchtgebieten durch das dynamische Zusammenspiel zwischen hydrologischen und biogeochemischen Prozessen erklären lassen. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit wie nützlich interdisziplinäre Forschungsansätze sein können, um Prozesse und Mechanismen in Ökosystemen zu verstehen und um die Auswirkungen von Prozessinteraktionen auf wichtige Ökosystemfunktionen zu erforschen. Dennoch existieren immer noch viele Wissenslücken welche Art von Abhängigkeiten zwischen Wasser- und Stoffkreisläufen skalenübergreifend in Ökosystemen existieren und inwiefern sich der anthropologisch verursachte Klimawandel auf diese Abhängigkeiten auswirkt. Die Entwicklung neuer interdisziplinärer Methoden und Forschungsansätze als auch eine fachübergreifende Denkweise ist Notwendig um die großen Herausforderung des globalen Klimawandels für die Ökosystemforschung anzugehen.