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Die vorliegende Arbeit betrachtet den Einfluss von Wald- und Wirtschaftswegen auf Abflussentstehung und Bodenerosionsraten innerhalb eines bewaldeten Einzugsgebiets im Naturschutzgebiet Laacher See. Hierfür wurden sowohl bestehende Erosions- und Akkumulationsformen im Gelände kartiert, als auch Erosionssimulationen mittels einer Kleinberegnungsanlage durchgeführt. Zuletzt erfolgte eine Modellierung des Erosionspotentials auf Grundlage der Simulationsergebnisse.
Die Analyse bestehender Erosions- und Akkumulationsformen im Gelände gab einen Hinweis auf Bodenerosionsraten von Wegoberflächen, die zwischen 27,3 und 93,5 t ha-1 a-1 und somit in derselben Größenordnung wie Erosionsraten unter intensiver ackerbaulicher Nutzung lagen.
Die Simulationsläufe zeigten, dass persistente Waldwege ein deutlich verändertes Infiltrationsverhalten aufwiesen. Auf natürlichen Waldböden lag der Anteil des infiltrierten Niederschlags bei durchschnittlich 96%. Im Falle von Waldwegen nahm dieser Anteil im Mittel auf 14% bis 7% ab. Besonders auffällig waren die Ergebnisse auf Rückegassen, auf denen ein erheblicher Einfluss der Bodenverdichtung durch Befahrung nachgewiesen werden konnte. Hier sank der Anteil des infiltrierten Niederschlags auf 31% in den Fahrspuren, zwischen den Spuren wurden noch 76 % infiltriert.
Während der Simulationsläufe konnten maximale Sedimentmengen von 446 g m-2 erodiert werden, was einer mittleren Bodenerosionsrate von 4,96 g m-2 min-1 entspricht. Diese hohen Abtragsraten wurden auf persistenten Wegen mit geringer Befestigung gemessen. Rückegassen wiesen die geringsten Abtragswerte auf, maximal konnten 37 g m-2 erodiert werden, gleichbedeutend mit einer Abtragsrate von 0,41 g m-2 min-1. Die erodierten Sedimentmengen betrugen im Mittel bei Wegen 167 bis 319 g m-2 und im Falle von Rückegassen 17 g m-2. Anhand von Vergleichsmessungen auf Waldstandorten, bei denen ein mittlerer Bodenabtrag von ca. 5 g m-2 festgestellt wurde, konnte eine erhöhte Erodierbarkeit für jedwede Form der Weganlage bestätigt werden.
Auf Basis der im Gelände gemessenen Abtragsraten wurden die Modellierungen kalibriert. Die Ergebnisse der ABAG / DIN 19708 zeigten für das betrachtete Untersuchungsgebiet eine mittlere jährliche Bodenerosionsgefährdung von 2,4 - 5,8 t ha-1 a-1 für persistente Wege und von 0,5 t ha-1 a-1 für Rückegassen. Im Vergleich zum Mittelwert weitgehend unbeeinflusster Waldflächen im Untersuchungsgebiet von 0,1 t ha-1 a-1 zeigte sich abermals ein erhöhtes Abtragspotential. Die physikalisch basierte Modellierung der Beregnungsversuche mittels WEPP zeigte ein zufriedenstellendes Ergebnis bei der Einschätzung des Abflussverhaltens, so wurden für persistente Wege nur Abweichungen von maximal -5% festgestellt. Die Abflussmodellierung auf Rückegassen sowie die generelle Modellierung der Bodenerosion während der Beregnungsversuche zeigte sich im Kontrast hierzu noch fehlerbehaftet, was ursächlich mit der für ein physikalisches Modell relativ geringen Eingangsdatentiefe zu begründen ist.
Es wurde nachgewiesen, dass Waldwege einen bedeutenden Einfluss auf den Wasserhaushalt und das Bodenerosionsgeschehen haben. Der Rückhalt von Niederschlägen wird gemindert und es kommt zu intensivierten Bodenerosionsprozessen. Schlecht befestigte Wege zeigten einen stark erhöhten Bodenabtrag, der zu ökologischen Folgeschäden führen kann. Der Abtrag kann ebenso zu einer Beeinträchtigung der Befahrbarkeit führen. Anhand der Folgen lässt sich die Relevanz der Betrachtung von Abfluss- und Bodenerosionsprozessen auf Wald- und Wirtschaftswegen deutlich machen. Die vorliegende Arbeit stellt die erste Studie dar, innerhalb derer Abfluss- und Bodenerosionspozesse für Walderschließungsnetzwerke in Mitteleuropa untersucht wurden.
Abstract The present work investigates the wetting characteristics of soils with regard to their dependence on environmental parameters such as water content (WC), pH, drying temperature and wetting temperature of wettable and repellent soils from two contrasting anthropogenic sites, the former sewage disposal field Berlin-Buch and the inner-city park Berlin-Tiergarten. The aim of this thesis is to deepen the understanding of processes and mechanisms leading to changes in soil water repellency. This helps to gain further insight into the behaviour of soil organic matter (SOM) and identifying ways to prevent or reduce the negative effects of soil water repellency (SWR). The first focus of this work is to determine whether chemical reactions are required for wetting repellent samples. This hypothesis was tested by time and temperature dependence of sessile drop spreading on wettable and repellent samples. Additionally, diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) spectroscopy was used to determine whether various drying regimes cause changes in the relative abundance of hydrophobic and hydrophilic functional groups in the outer layer of soil particles and whether these changes can be correlated with water content and the degree of SWR. Finally, by artificially altering the pH in dried samples applying acidic and alkaline reagents in a gaseous state, the influence of only pH on the degree of SWR was investigated separately from the influence of changes in moisture status. The investigation of the two locations Buch and Tiergarten, each exceptionally different in the nature of their respective wetting properties, leads to new insights in the variety of appearance of SWR. The results of temperature, water content and pH dependency of SWR on the two contrasting sites resulted in one respective hypothetical model of nature of repellency for each site which provides an explanation for most of the observations made in this and earlier studies: At the Tiergarten site, wetting characteristics are most likely determined by micelle-like arrangement of amphiphiles which depends on the concentration of water soluble amphiphilic substances, pH and ionic strength in soil solution. At low pH and at high ionic strength, repulsion forces between hydrophilic charged groups are minimized allowing their aggregation with outward orientated hydrophobic molecule moieties. At high pH and low ionic strength, higher repulsion forces between hydrophilic functional groups lead to an aggregation of hydrophobic groups during drying, which results in a layer with outward oriented hydrophilic moieties on soil organic matter surface leading to enhanced wettability. For samples from the Buch site, chemical reactions are necessary for the wetting process. The strong dependence of SWR on water content indicates that hydrolysis-condensation reactions are the controlling mechanisms. Since acid catalyzed hydrolysis is an equilibrium reaction dependent on water content, an excess of water favours hydrolysis leading to an increasing number of hydrophilic functional groups. In contrast, water deficiency favours condensation reactions leading to a reduction of hydrophilic functional groups and thus a reduction of wettability. The results of the present investigation and its comparison with earlier investigations clearly show that SWR is subject to numerous antagonistically and synergistically interacting environmental factors. The degree of influence, which a single factor exerts on SWR, is site-specific, e.g., it is dependent on special characteristics of mineral constituents and SOM which underlies the influence of climate, soil texture, topography, vegetation and the former and current use of the respective site.
The research described in this thesis was designed to yield information on the impact of particle-bound pesticides on organisms living in the interface between sediment and water column in a temporarily open estuary (TOCEs). It was hypothesized that natural variables such as salinity and temperature and anthropogenic stressors such as particle-bound pesticides contribute to the variability of the system. A multiple line of evidence approach is necessary due to the variability in sediment type, contaminant distribution and spatial and temporal variability within the ecosystem in particular within TOCEs. The first aim of this thesis was to identify which particle-bound pesticides are important to the contamination of the Lourens River estuary (Western Cape, South Africa), taking into account their environmental concentrations, physico-chemical and toxicological properties (Exposure assessment). The second aim was to identify spatial and temporal variations in particle bound pesticide contamination, natural environmental variables and benthic community structure (effect assessment). The third aim was to test the hypothesis: "does adaptation to fluctuating salinities lead to enhanced survival of the harpacticoid copepod Mesochra parva when exposed to a combination of particle associated chlorpyrifos exposure and hypo-osmotic stress during a 96 h sediment toxicity test?" The last aim was to identify the driving environmental variables (including natural and anthropogenic stressors) in a "natural" (Rooiels River) compared to a "disturbed" (Lourens River) estuary and to identify if and how these variables change the benthic community structure in both estuaries. Data produced in this research thus provide important information to understand the impact of pesticides and its interaction with natural variables in a temporarily open estuary. To summarise, this study indicated, by the use of the multi-evidence approach, that the pesticides endosulfan and chlorpyrifos posed a risk towards benthic organisms in a temporarily open estuary in particular during spring season. Furthermore an important link between pesticide exposure/ toxicity and salinity was identified, which has important implications for the management of temporarily open estuaries.