Landschafts-Ökohydrologie

Unser Ziel ist es, die ökohydrologische Funktionsweise von Einzugsgebieten auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Ebenen zu verstehen, d. h. wie und wie lange Wasser in Landschaften gespeichert und abgegeben wird. Dafür untersuchen wir die Interaktionen von Landschaften und Fließgewässern, um unser Verständnis der physikalischen Prozesse zu verbessern, die zur Entstehung von Wasserflüssen führen und wie diese Prozesse in der Landschaft die Hydrochemie und Ökohydrologie von Gewässern beeinflussen. Eine unserer wichtigsten Methoden ist die Anwendung stabiler Isotopentracer, die wir als "Fingerabdruck" verschiedener Wässer nutzen, um die Speicherung und Ableitung von Wasser zu quantifizieren. Wir integrieren unsere umfangreichen Umweltdaten in Modelle (u.a. in das von uns entwickelte tracer-gestützte Modell EcH2O-iso), um ökohydrologische Wechselwirkungen physikalisch-basiert zu parametrisieren. Das ermöglicht uns u.a., die Rolle der Vegetation und Landnutzung auf den Wasserhaushalt sowie die Auswirkungen von Klima- und Landnutzungsveränderungen auf Wasserflüsse und -verfügbarkeit abzuschätzen.

Wir verwenden isotopen-basierte hydrologische Modellierung, um die Verhältnisse stabiler Isotope und die Transformation des Isotopensignals von Niederschlag zum Abfluss (durch die Vegetationsschicht, Wurzelzonen, tiefere Bodenschichten und Grundwasserleiter) zu simulieren. Diese Ansätze erlauben uns auch das Alter von Wasser zu bestimmen.  Ziel dabei ist es, die Heterogenität von räumlichen und zeitlichen Mustern der "grünen" (Evaporation und Transpiration) und "blauen" (Grundwasserneubildung und Abfluss) Wasserflüsse zu quantifizieren und zu bestimmen, wie die Pflanzenwasseraufnahme sich unter Klimawandel verhält und ggf. verändert.   

Unsere experimentellen Arbeiten finden hauptsächlich in drei Untersuchungsgebieten statt: (i) Das Demnitzer Mühlenfliess im östlichen Brandenburg, welches durch repräsentative Boden- und Vegetationsbedingungen des dürre-sensitiven Nordostens von Deutschland und Zentraleuropa gekennzeichnet ist; (ii) Das Stadtgebiet von Berlin, wo wir ebenfalls umfassende Messungen der Interaktionen zwischen Atmosphäre, Boden, Vegetation und Oberflächengewässern betreiben, um diese Prozesse auch in urbanen Gebieten zu verstehen und die Entscheidungsfindung für eine nachhaltige Stadtentwicklung zu unterstützen; (iii) Das Girnock Burn Einzugsgebiet in Schottland, charakteristisch für kühle, nordische Klimate mit tiefen organischen Böden. Weiterhin bedienen wir uns weltweit - durch internationale Kollaborationen und dem Vergleich zwischen Einzugsgebieten – des lokalen Prozessverständnisses aus unterschiedlichen geografischen Gebieten und erzielen somit ein ganzheitlicheres Verständnis hydrologischer und ökologischer Funktionen von Landschaften.

Somit liefert unsere Forschung ein neues wissenschaftliches Verständnis darüber, wie unterschiedliche Landnutzungen die Aufteilung zwischen "grünen" und "blauen" Wasserflüssen beeinflussen. Dies bildet eine wichtige wissenschaftliche Grundlage, um zu verstehen, wie Wasserspeicherung und Gewässerdynamiken durch Landnutzungsstrategien beeinflusst werden können. Mit diesem Wissen schaffen wir widerstandsfähige Ökosysteme und Wasserresourcen im Rahmen zukünftiger Klimaänderungen.

Innerhalb Abteilung 1, Ökohydrologie & Biogeochemie, deckt unser Team die drei Schwerpunktthemen der Abteilung ab: Landschafts-Wasser Interaktionen; Ökohydrologie und Biogeochemie urbaner und gestörter Systeme; sowie abiotische und biotische Vernetzungen.

Einige Beispiele aktueller Projekte
(i) Studien zu ländlichen Gebieten in Brandenburg

Modellierung der räumlich-zeitlichen Muster von hydrologischen und Wasserqualitätsprozessen auf der Ebene von Wassereinzugsgebieten (Wu et al., 2022, Disentangling the influence of landscape characteristics, hydroclimatic variability and land management on surface water NO3 ‐N dynamics: spatially distributed modelling over 30 years in a lowland mixed land use catchment. Water Resources Research) und Feuchtgebieten (Wu et al., 2022, Tracer-aided identification of hydrological and biogeochemical controls on in-stream water quality in a riparian wetland. Water Research), um die Rolle von Klima, Landnutzung, Vegetation, Topografie und anderen lokalen Einflussfaktoren zu bewerten; Bewertung der Unsicherheit bei der Kalibrierung verteilter hydrologischer Modelle (Wu et al., 2022, Identifying Dominant Processes in Time and Space: Time-varying Spatial Sensitivity Analysis for a Grid-based Nitrate Model. Water Resources Research) (Doktorarbeit Songjun Wu)

Verwendung von Tracer-gestützten ökohydrologischen Modellen zur Bewertung der langfristigen Auswirkungen von Dürren auf die Wasserspeicherung in der Landschaft und der Auswirkungen alternativer Landnutzungsstrategien auf die Optimierung der Wasserverfügbarkeit in dürreempfindlichen Einzugsgebieten (Dr. Shuxin Luo). Dieses Projekt, das darauf abzielt, die sich abzeichnenden Herausforderungen anzugehen und Strategien für koordinierte Maßnahmen in der Modellregion Berlin-Brandenburg zu entwickeln, wird von der Einstein Research Unit Climate and Water under Change (CliWaC) gefördert.

Untersuchung der jährlichen Schwankungen der Wasserqualität in einem intermittierenden Fluss unter Trockenheitsbedingungen und hochauflösende Wasserqualitätsdynamik von Uferfeuchtgebieten in nährstoffreichen Flachland-Einzugsgebieten (Doktorarbeit Famin Wang).

Verständnis der Grundwasser-Oberflächenwasserdynamik in einem gemischt genutzten Flachland-Einzugsgebiet durch die Integration von stabilen Wasserisotopen, Hydrochemie, geophysikalischen Methoden und Modellierung (Doktorarbeit Zhengtao Ying).

Bewertung der räumlich-zeitlichen Wechselwirkungen zwischen Speicherung, Fluss, Isotopen und Wasseralter sowie der Aufteilung von "blauem" (Grund- und Oberflächenwasser) und "grünem" (Evapotranspiration) Wasser im Einzugsgebiet des Demnitzer Mühlenfließes unter Verwendung des tracer-gestützten ökohydrologischen Modells EcH2O-iso (Dr. Aaron Smith), z. B. Smith et al. (2022) Critical zone response times and water age relationships under variable catchment wetness states: insights using a tracer-aided ecohydrological model. Water Resources Research; Smith et al. (2021) Quantifying the effects of land use and model scale on water partitioning and water ages using tracer-aided ecohydrological models. Hydrology and Earth System Science. (HESS); Kleine et al. (2021) Modelling ecohydrological feedbacks in forest and grassland plots under a prolonged drought anomaly in central Europe 2018-2020. Hydrological Processes.

Einsatz von stabilen Wasserisotopen und ökohydrologischer Überwachung zur Untersuchung der Zusammenhänge zwischen dem Kontinuum Boden-Pflanze-Atmosphäre sowie der Auswirkungen bestimmter Landnutzungstypen (Wald, Landwirtschaft und Grünland) auf die ökohydrologischen Prozesse im Einzugsgebiet des Demnitzer Mühlenfließes (Doktorarbeit Jessica Landgraf); z. B. Landgraf et al. (2022) Using stable water isotopes to understand ecohydrological partitioning under contrasting land uses in a drought-sensitive rural, lowland catchment. Hydrological Processes.

Quantifizierung der Konnektivitätsdynamik zwischen einem großen Fluss, der Oder, und seinem Überschwemmungsgebiet unter Verwendung von stabilen Wasserisotopen, Wasserqualität und Methoden der Fernerkundung (Doktorarbeit Hanwu Zheng).

Untersuchungen an der Spree: Großflächige synoptische Untersuchungen unter Verwendung von stabilen Wasserisotopen (Doktorarbeit Ke Chen) und Nitrat (Dr. Ji Liu) zum Verständnis der Hydrologie und der Beziehungen zwischen Konzentration und Abfluss in einem großen, intensiv bewirtschafteten Einzugsgebiet.

(ii) Forschung in städtischen Ökosystemen Berlins

Einsatz von stabilen Wasserisotopen und Umwelt-DNA zur Untersuchung der Zusammenhänge zwischen mikrobiellen Gemeinschaftsmustern und Hydrologie sowie anderen biotischen und abiotischen Faktoren in städtischen Fließgewässern, um die Widerstandsfähigkeit und das Funktionieren der städtischen blau-grünen Infrastruktur zu bewerten und die Planung und Wiederherstellung naturbasierter Lösungen in Städten zu verbessern: BiNatUr – Natur im Urbanen Raum (Dr. Maria Warter)

Mithilfe von In-situ-Messungen von Isotopen in Pflanzenxylem und atmosphärischem Dampf und synoptischen Probenahmen zur Untersuchung der hochauflösenden ökohydrologischen Prozessdynamik an der städtischen Boden-Pflanzen-Atmosphären-Grenzfläche (Doktorarbeit Ann-Marie Ring; gehört zur DFG Graduiertenschule Urban Water Interfaces UWI) und zeitlich hochauflösenden In-situ-Messungen von Feuchtigkeit, Energiebilanz und Tracern mit dem tracergestützten ökohydrologischen Modell EcH2O-iso erforschen wir die komplexen Mischungs- und Transitzeiten sowie die Wechselwirkungen von Vegetation und Bodenwasser.

Im Rahmen von UWI wenden wir auch tracergestützte ökohydrologische Modelle an, um die Auswirkungen der fortschreitenden Verstädterung auf die Komponenten des Wasserhaushalts in städtischen und stadtnahen Einzugsgebieten zu untersuchen, um Nichtlinearitäten in ihren langfristigen Reaktionen über Zeiträume hinweg zu vergleichen und zu bewerten, die trockene und nasse Jahre einschließen (Dr. Gregorio López Moreira).

Anhand von Messungen der Bodenfeuchtigkeit sowie stabiler Isotope im Boden- und Xylemwasser mit dem tracergestützten ökohydrologischen Modell EcH2O-iso untersuchen wir die Unterschiede in der Wasserverteilung zwischen Stadtbäumen und Grasland. Diese Forschung kann beispielsweise politischen Entscheidungsträgern dabei helfen, die Nutzung von städtischen Grünflächen zur Bekämpfung der städtischen Hitze oder zur Förderung der Grundwasseranreicherung zu optimieren; z. B. Gillefalk M, et al. (2021) Quantifying the effects of urban green space on water partitioning and ages using an isotope-based ecohydrological model. Hydrology and Earth System Sciences (HESS).

Mit Hilfe stabiler Wasserisotope und der Hydrochemie als natürliche "Fingerabdrücke" des Wassers wollen wir verstehen, wie Wasser durch die städtische Umwelt transportiert wird, und zwar im Hinblick auf Wasserquellen, -pfade und -alter, um die Auswirkungen der Urbanisierung auf den Wasserhaushalt zu entschlüsseln (Doktorarbeiten Lena-Marie Kuhlemann und Christian Marx); z. B. Kuhlemann et al. (2022) The imprint of hydroclimate, urbanization and catchment connectivity on the stable isotope dynamics of a large river in Berlin, Germany. Journal of Hydrology. Marx et al. (2022) Spatial variations in soil-plant interactions in contrasting urban green spaces: preliminary insights from water stable isotopes. Journal of Hydrology.