Landschafts-Ökohydrologie

Unser  Ziel ist zu erforschen, wie Landschaften auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen ökohydrologisch funktionieren, d.h. wo und wie lange wird Wasser in der Landschaft gespeichert und wieder abgegeben. 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 Girnock Burn Einzugsgebiet in Schottland, charakteristisch für kühle, nordische Klimate mit tiefen organischen Böden; (iii) 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. 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

Basierend auf unserem physikalisch-basierten und tracer-gestützten ökohydrologischem Model (EcH2O-iso) werden in dem Lang-Zeit Untersuchungsgebiet Demnitzer Mühlenfließ räumliche und zeitliche Einflüsse auf das Alter im Wasserspeicher und - abfluss sowie die Aufteilung zwischen blauen (Grund- und Oberflächenwasser) und grünen (Evapotranspiration) Wasserflüssen untersucht. (Dr. Aaron Smith): Smith AA, 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 L,  et al (2021) Modelling ecohydrological feedbacks in forest and grassland plots under a prolonged drought anomaly in central Europe 2018-2020. Hydrological Processes.

Mit einer Kombination aus zeitlich hochaufgelösten Feldmessungen von Luftfeuchtigkeit, Energie und stabilen Isotopen Tracern sowie dem tracer-gestützten ökohydrologischem Model (EcH2O-iso), untersuchen wir die komplexen Prozesse der Durchmischung und Dauer von Wasserflüssen durch Pflanzen, sowie Interaktionen von Pflanzen- und Bodenwasser. (Dr. Aaron Smith)

Mithilfe von Bodenfeuchtemessungen und stabilen Isotopen in Boden- und Xylem Wassern sowie dem tracer-gestütztem ökohydrologischem Model (EcH2O-iso) untersuchen wir, welche Unterschiede bei der Aufteilung von Wasser zwischen Bäumen und Grasland in der Stadt existieren. Die Forschung kann dabei Verantwortlichen helfen, Grünflächen in der Stadt optimaler zu nutzen, um einer zu hohen urbanen Erwärmung entgegen zu wirken oder eine höhere Grundwasserneubildung zu unterstützen. (Dr. Mikael Gillefalk): 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)

Um den Einfluss verschiedener Landnutzungsarten, Vegetationsdynamiken sowie Klimaschwankungen auf Wasser- und Nährstoffverteilung im Untersuchungsgebiet Demnitzer Mühlenfließ zu erforschen, werden hydrologische, chemische und isotopische Signale gemessen und multispektrale Aufnahmen einer Drohne genutzt. (Doktorarbeit Songjun Wu)

Mithilfe von stabilen Wasserisotopen und ökohydrologischen Beobachtungen werden die Wechselwirkungen der verschiedenen Sphären (Boden, Vegetation und Atmosphäre) sowie der Einfluss verschiedener Landnutzungsarten wie Wald, Landwirtschaft und Grünland, auf ökohydrologische Flüsse im Demnitzer Mühlenfließ erforscht. (Doktorarbeit Jessica Landgraf)

Über Feldmessungen und synoptischer (räumlich verteilter) Probenahme werden hoch aufgelöste, ökohydrologische Prozessdynamiken vom Zusammenhang von Boden, Vegetation und Atmosphäre und Aufteilung von grünem und blauem Wasserfluss im städtischen Rahmen untersucht. (Doktorarbeit Ann-Marie Ring)

Mithilfe von stabilen Wasserisotopen  als natürliche „Fingerabdrücke“ von Wasser und hydrochemischen Messungen untersuchen wir, wie Wasser durch die Stadt Berlin transportiert wird. Woher kommt das Wasser, welchen Weg nimmt es und wie alt ist es? Dies soll die Einflüsse von Urbanisation auf die Wasserbilanz im Detail veranschaulichen. (Doktorarbeit Lena-Marie Kuhlemann, Doktorarbeit Christian Marx)