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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-38319
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2008/3831/

The Scale-Dependent Variability of Topsoil Properties Reflecting Ecosystem Patchiness in Drylands of Southern Africa

Die skalenabhängige Variabilität von Oberboden-Eigenschaften als Indikator kleinräumiger Musterbildungen in Trockengebieten des südlichen Afrikas

Herpel, Nicole

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SWD-Schlagwörter: Hamburg / Institut für Bodenkunde , Bodenkunde , Biodiversität , Trockengebiet
Freie Schlagwörter (Deutsch): Bodenvariabilität , Bodenheterogenität , BIOTA , Namibia , Südafrika , Namaqualand , Karoo
Freie Schlagwörter (Englisch): soil variability , soil heterogeneity , BIOTA , Namibia , South Africa , Namaqualand , Karoo
Basisklassifikation: 38.63
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Miehlich, Günter (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.07.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 12.09.2008
Kurzfassung auf Englisch: A part of the ecosystem, soils control the composition and abundance of plants and animals and vice versa. Thus biodiversity and pedodiversity are directly linked and
also reflect geologic, topographic, climatic and anthropogenic influences. In drylands, small scale patchiness of soil properties and vegetation affects the distribution of water and nutrients and therefore ecosystem functions. However, despite this obvious significance, processes linking pattern and scale are not yet completely understood in these environments. Therefore, this work aims at investigating the variability of topsoil properties, their scale-dependent patterns, their drivers and underlying processes with the focus on the micro- (dm2 - 1 m2) and the mesoscale (1 m2 - 1000 m2). The work was conducted within the scope of the BIOTA Southern Africa project and ties in with the work of Petersen (2008), who analysed soils on a habitat and landscape scale on the same sites.

Field work was conducted on or in direct vicinity to three standardised BIOTA observatories of which the "Soebatsfontein" observatory was located in the Succulent
Karoo of South Africa and "Gellap" and "Nabaos" in the Namibian Nama Karoo. The study sites were comparable in terms of geologic and geomorphologic diversity and
the annual amount of precipitation; yet they differed in rain regime (Succulent Karoo: winter rain, Nama Karoo: summer rain), vegetation and landscape dynamics. The two
sites in the Nama Karoo were furthermore differentiated by contrasting landuse practices (Nabaos: communal open access farming, Gellap: commercial land management with fenced camps and grazing control). A special feature of Soebatsfontein is the occurrence of fossil termite mounds, so-called "heuweltjies", in the landscape that exhibit
a noteworthy structuring effect.

For the assessment of topsoil variability, the landscapes were subdivided into nested scales in a hierarchical system with
• D1: representing the landscape scale and its degradation state (Succulent Karoo, severely and weakly degraded Nama Karoo)
• D2: structuring the landscape into habitat units (e.g. Mountain Top, Slopes)
• D3: subdividing habitats into mesoscale units (e.g. Matrix soils, heuweltjie centres, heuweltjie margins, different deposits of sedimentation)
• D4: representing the microscale patches (e.g. open soil, plant canopy, biological soil crusts).

Seven small scale study sites covering the most abundant D3-units were established in Soebatsfontein, ranging in size between 20 and 150 m2. High precision surveys were
conducted on each of these sites that generated the basic data for the creation of digital elevation models (DEM). These provided information about the areal range of D3 and
D4-units, the distribution of perennial plant species and test- and sampling points. The same approach was applied for Gellap and Nabaos. Here, two small scale study areas
were established and surveyed on each site, ranging in size between 1,050 and 5,600 m2.

Samples of the 0-10 cm topsoil were taken separately with regard to three layers 0-1, 1-5 and 5-10 cm on five locations within each D4-unit. With this procedure, a
statistical analysis was assured. The samples were analysed in the laboratory according to a set of standardised parameters that comprised pH, EC, Corg, Nt, Cinorg, total
element contents, watersoluble ions, texture (in composite samples) and plant available nutrients (Kdl, Pdl). Furthermore, field tests were conducted on selected D4-units on all observatories (determination of topsoil water contents after rain events, single ring infiltration rates).

The data set derived from 498 soil samples in Soebatsfontein and 363 soil samples in Gellap and Nabaos was analysed with regard to the detection of patterns on the D3- and D4-scale, the influence of microtopography and the composition of total variability in the data set in terms of differentiation into units of the scales D1 to D4, differentiation into the three topsoil layers and residual variability, the latter representing the unexplained variability occurring within the scale-units. An additional
subchapter dealt with the field test measuring of small-scale hydrology effects.

The main results derived for Soebatsfontein comprised the following findings:
• Total variability was most strongly explained by differentiation of the data into D4- and D3-units, whereas the differentiation into D2-units explained only a small
percentage of variability.
• On the D3-scale, differentiation of slopes into heuweltjies and matrix had strong influence on topsoil variability in terms of pH, Cat, Mnt, Znt, Pt and plant available nutrients. The expected influence of rock fringe units on rocky outcrop areas in terms of additional nutrient supply was only partly confirmed.
• On the D4-scale, comparisons of biological encrusted (BSC) and non-crusted open soil resulted in higher pH-values, lower C/N-ratios, higher silt contents within the first centimetre and corresponding increased values of particular total element contents (e.g. Mnt) on BSC-sites. Expected increased values of Nt, Corg and nutrients as described in literature were not found.
• Plant canopy sites showed the fertility island-effect: topsoil below plant crowns relative to adjacent open soil was enriched in organic matter, had increased pH-values
and higher contents of coarse fractions when comparing the texture. Partly,the soil was also enriched in nutrients.
• Smallscale-topography showed effects on the mesoscale and in some examples explained the variability between D4-units. Correlations between microtopography and selected soil properties within D4-units were not found and could therefore not be used to explain additional percentages of variability below the D4 and Layer-hierarchical level.

The main results derived for Gellap and Nabaos can be summarised as follows:
• D3-units were far less determinant with regard to variability compared to Soebatsfontein due to a strong homogenising effect of landscape dynamics
• D4-patchiness was far less pronounced compared to Soebatsfontein: apart from one crusted and one grassy patch, differentiation on D4-scale was limited to the alteration of open soil and much less abundant shrub patches.
• The comparison of the D4-units open soil and shrub canopy resulted in strong differentiation in terms of increased Nt-, Corg, C/N- and EC-values as well as increased infiltration rates below shrubs.
• In terms of microtopography, the size of phytogenic mounds showed strong positive correlations with the parameters pH, EC, Kdl and St. Between phytogenic mounds and the parameters Corg, Nt and C/N-ratios lower r-values were obtained.
• Total variability was not affected by D2 in terms of pHH2O and EC2.5, but was more strongly determined by D2 with regard to those parameters that indicated parent material.
• Differences in the two grazing systems were found with regard to higher pH-values in Nabaos which were attributed to geologic effects; lower nutrient contents in Nabaos indicated by lower NO3-, Corg-, Nt- and EC-values; and stronger pronounciation of shrub - open soil differentiation which was referred to either a stronger need of plants for facilitation, or the stronger destruction of Corg in open
soil patches due to the degradation-induced lack of grasses and other structuring elements.
• Hydrology experiments could exemplify the infiltration-controlled interaction of run-off and run-on on the small scale and the corresponding patchiness of soil
water contents after a rain-event.

From the findings on topsoil patchiness in the two case studies, processes on the D4-scale were deduced that are regarded as potential drivers of differentiation in dryland
ecosystems in general. The main processes were combined to the process complexes small scale distribution of water, distribution of water-soluble ions, humus and nutrient
accumulation and organic matter decomposition, establishment of BSC, bioturbation and trampling, wind erosion and wind accumulation.

On the next hierarchical level, D3, which was also a focus of this work, differentiations were mainly driven by water- and material translocations and by biological activity.

The Succulent Karoo and the Nama Karoo were found to vary strongly in terms of small-scale patterning despite the above-mentioned comparable preconditions. The causes for this phenomenon were linked to large scale impacts such as climate, geology and landuse. In the conclusion, the implications for further research and future challenges for
the management of drylands are outlined.

Kurzfassung auf Deutsch: Böden steuern als Bestandteile des Ökosystems das Vorkommen und die Zusammensetzung von Tier- und Pflanzenarten. Umgekehrt beeinflussen auch die Arten maßgeblich
die Ausprägung von Bodeneigenschaften. Somit sind Biodiversität und Pedodiversität eng miteinander verbunden und spiegeln außerdem geologische, topographische, klimatische und anthropogene Einflüsse wider. Die kleinskalige Variabilität von Bodeneigenschaften
übt insbesondere in Trockengebieten maßgeblich Einfluss auf die Verteilung von Wasser und Nährstoffen aus und beeinflußt damit auch die Funktionalität der Ökosysteme. Die den Mustern zugrundeliegenden Prozesse und ihre skalenbasierte
Wirksamkeit werden trotz ihrer augenscheinlichen Bedeutung noch immer nicht verstanden. Aus diesem Grund beleuchtet diese Arbeit die Variabilität von Oberböden in Trockengebieten, deren skalenabhängige Muster und deren zugrundeliegende Faktoren und Prozesse mit Schwerpunkt auf der Mikro- (dm2 bis 1 m2) und der Mesoskala
(1 m2 bis etwa 1000 m2). Die Dissertation wurde im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundprojektes BIOTA Südafrika erarbeitet und knüpft inhaltlich an die Dissertation
von Petersen (2008) an, der die Pedodiversität derselben Flächen auf Habitat- und Landschaftsskala untersucht hat.

Die Geländearbeiten zur vorliegenden Arbeit wurden auf oder in unmittelbarer Nähe zu drei standardisierten BIOTA-Observatorien durchgeführt, wobei sich das Observatorium "Soebatsfontein" in der südafrikanischen Sukkulenten Karoo und die Observatorien "Gellap" und
"Nabaos" in der namibianischen Nama Karoo befinden. Diese
Untersuchungsflächen weisen eine vergleichbare geologische und geomorphologische Diversität und eine ähnliche Menge an Gesamtjahresniederschlag auf. Andererseits unterschieden
sie sich stark durch das Wirken unterschiedlicher Regenregime (Sukkulenten Karoo: Winterregengebiet, Nama Karoo: Sommerregengebiet) sowie durch die vorherrschenden Vegetationsformen und den Grad der Landschaftsdynamik. Darüberhinaus unterschieden sich die beiden Flächen in der Nama Karoo durch unterschiedliche Landnutzungsformen (Nabaos: kommunales Weideland mit unbeschränkter Nutzung,
Gellap: kommerziell geführter Betrieb mit kontrollierter Rotationsbeweidung). Eine Besonderheit des Standorts Soebatsfontein war das Auftreten zahlreicher fossiler Termitenhügel, der sog. "Heuweltjies", die einen deutlich strukturierenden Einfluss auf die Landschaft ausüben.

Für die Untersuchung der Oberbodenvariabilität wurde ein Untersuchungsansatz gewählt, der die Landschaft wie folgt in ineinandergeschachtelte Einheiten gemäß eines
hierarchischen Systems untergliedert:
• D1: repräsentiert die Landschaftseinheit und ihren Degradationszustand (Sukkulenten Karoo, schwach und stark degradierte Nama Karoo)
• D2: strukturiert die Landschaft in Habitat-Einheiten (z. B. Bergkuppe, Hänge)
• D3: untergliedert die Habitat-Einheiten in sog. Meso-Einheiten (z. B. Matrixböden, Heuweltjie-Center, Heuweltjie-Ränder, verschiedene Ablagerungen von Sedimenten
unterschiedlichen Alters)
• D4: repräsentiert Einheiten der Mikro-Skala (z. B. offene Bodenflächen, Kronenbereiche, biologische Bodenkrusten)

In Soebatsfontein wurden sieben Teilflächen ausgewiesen, die die flächenmäßig am stärksten ausgeprägten D3-Einheiten umfassten. Diese waren zwischen 20 und 150 m2 groß. Die Flächen wurden in großer Dichte kleinräumig mit einem Tachymeter vermessen, anschließend wurden aus den Koordinaten 3D-Geländemodelle (DEM) generiert.
Diese lieferten Informationen über die flächenhafte Abgrenzung der D3- und D4-Einheiten, die Verteilung von perennierenden Pflanzenarten und über Proben- und
Teststandorte. Der gleiche Ansatz wurde auf den Untersuchungsgebieten Gellap und Nabaos durchgeführt. Die hier etablierten Teilflächen waren größer und wiesen eine
Fläche zwischen 1050 und 5600 m2 auf.

Oberbodenproben wurden in drei Schichten 0-1, 1-5 und 5-10 cm an fünf Stellen innerhalb einer beprobten D4-Einheit entnommen. Durch diese Vorgehensweise wurde eine statistische Auswertung der Daten gewährleistet. Die Proben wurden im Labor gemäß einer Anzahl an Standardparametern analysiert. Dazu gehörten die Parameter pH, Leitfähigkeit, Corg, Nt, Cinorg, Elementgesamtgehalte, wasserlösliche Ionen, Bodenart (aus Mischproben) und pflanzenverfügbare Nährstoffe (Kdl und Pdl). Darüberhinaus wurden auf ausgewählten D4-Einheiten im Gelände Feldtests durchgeführt. Diese bestanden aus der Bestimmung des Wassergehaltes im Oberboden nach einem Regenereignis und Einring-Infiltrationstests.

Der untersuchte Gesamtdatensatz umfasst 498 Bodenproben aus Soebatsfontein und 363 Bodenproben aus Gellap und Nabaos. Dieser wurde hinsichtlich der Musterbildungen auf D3- und D4-Skala, des Einflusses der Mikrotopographie und der Zusammensetzung der Gesamtvariabilität untersucht. Für letzteres wurde berechnet, wie stark die Differenzierungen in D1- bis D4-Gruppen und in verschiedene Bodenschichten
die Gesamtvariabilität im Datensatz beeinflussen. Ein zusätzliches Teilkapitel befasst sich mit kleinräumigen Effekten der untersuchten hydrologischen Eigenschaften.

Für das Untersuchungsgebiet Soebatsfontein ergaben sich folgende Hauptergebnisse:
• Die Gesamtvariabilität wurde am stärksten durch die Gliederung der Landschaft in D4- und D3-Einheiten erklärt. Der Differenzierung in D2-Einheiten konnte dagegen nur ein geringer Anteil an der Gesamtvariabilität zugewiesen werden.
• Innerhalb der D3-Skala hatte die Differenzierung der Hänge in Heuweltjies und Matrixflächen eine starke Variabilität der Oberbödeneigenschaften hinsichtlich der Parameter pH, Cat, Mnt, Znt, Pt und pflanzenverfügbarer Nährstoffe zur
• Auf D4-Skala resultierten Vergleiche von offenen Oberböden mit und ohne biologischer Bodenkruste (BSC) in höheren pH-Werten, engeren C/N-Verhältnissen und höheren Schluff-Gehalten des ersten Zentimeters sowie den damit verbundenen erhöhten Gehalten bestimmter Elementgesamtgehalte (z.B. Mnt) auf BSC-Standorten.
Die in der Literatur beschriebenen erhöhten Nt-, Corg- und Nährstoffgehalte an BSC-Standorten trafen auf die vorliegenden Daten hingegen nicht zu.
• Proben aus Kronenbereichen von Zwergsträuchern wiesen einen Effekt auf, der in der englischsprachigen Literatur als "Fertile-Island-Effect" beschrieben wird:
Oberböden unter Strauchkronen zeigten - relativ zu angrenzenden offenen Bodenflächen - Anreicherungen von organischer Substanz, sie wiesen erhöhte pH-Werte
auf und zeichneten sich außerdem durch höhere Gehalte der Grobfraktionen in den Körnungsdaten aus. Zum Teil konnten auch Nährstoffanreicherungen in Böden der Kronenbereiche nachgewiesen werden.
• Die kleinräumige Topographie zeigte Effekte auf der Mesoskala. Außerdem erklärte sie in einigen Beispielen die Variabilität zwischen D4-Einheiten. Es konnten aber keine Korrelationen zwischen kleinräumiger Topographie und ausgewählten Bodenparametern innerhalb von D4-Einheiten nachgewiesen werden, somit konnte die Mikrotopographie nicht als weiterer erklärender Faktor unterhalb der hierarchischen
Einheiten "D4" und "Bodenschichten" in die Gesamtvariabilitätsanalyse integriert werden.

Für Gellap und Nabaos lassen sich folgende Hauptergebnisse feststellen:
• D3-Einheiten waren im Vergleich zu Soebatsfontein weit weniger variabilitätsbestimmend, was auf eine höhere Dynamik der Landschaftsprozesse zurückgeführt wurde.
• Die Differenzierung der Landschaft auf D4-Skala war weit weniger ausgeprägt als in Soebatsfontein. Neben einer Krusten- und einer grasbestandenen Kleinstfläche war die Landschaftsdifferenzierung auf dieser Skala auf den Wechsel von offenen Bodenflächen und weit kleinflächigeren Kronenbereichen von Sträuchern reduziert.
• Der Vergleich der D4-Einheiten "offene Bodenflächen" und "Kronenraum von Sträuchern" ergab eine Differenzierung der Oberböden durch erhöhte Nt-, Corg-, C/N- und Leitfähigkeitswerte sowie erhöhte Infiltrationsraten unter Sträuchern.
• Mikrotopographische Analysen führten zu der Erkenntnis, dass ein positivkorrelierender Zusammenhang zwischen dem Grad der Ausprägung von Sedimentakkumulationen unter Sträuchern (sog. "phytogenic mounds", Abk. "PGM") und
bestimmten Parametern wie pH, Leitfähigkeit, Kdl und St besteht. Zwischen den PGM und den Parametern Corg, Nt und C/N-Verhältnis waren ebenfalls Korrelationen nachweisbar, allerdings waren diese weit schwächer ausgeprägt.
• Die Gesamtvariabilität der pH- und Leitfähigkeitswerte wurde kaum durch die Untergliederung in D2-Einheiten beeinflußt. Allerdings wurde ein starker Einfluss auf die Gesamtvariabilität durch D2-Einheiten in solchen Parametern ausgeübt, die das Ausgangsgestein charakterisieren.
• Zwischen den beiden Flächen mit unterschiedlichen Beweidungssytemen konnten Unterschiede in den Bodeneigenschaften festgestellt werden. Diese zeigten sich
durch geringere Nährstoff-Gehalte in Nabaos, die durch geringe NO3-, Corg-, Nt- und Leitfähigkeitswerte indiziert wurden, und durch eine stärkere Ausprägung der Differenzierung in Kronenraum und offene Bodenflächen, die dadurch erklärt wurde, dass (a) Pflanzen sich entweder an die harscheren Lebensbedingungen durch eine Aufakkumulation von Nährstoffen anpassen oder dass (b) der höhere Anteil an offenen Bodenflächen durch degradationsbedingten Rückgang der Gräser zu einer verstärkten strahlungsinduzierten Corg-
Zerstörung im Boden führten.
• Anhand der hydrologischen Untersuchungen konnte exemplarisch die infiltrationsgesteuerte kleinräumige Wechselwirkung von Ablauf- und Zuschusszonen nach
einem Regenereignis sowie die daraus resultierende inhomogene Verteilung des Wassergehaltes im Oberboden dargestellt werden.

Anhand von zwei Fallbeispielen wurden aus den Ergebnissen der kleinräumigen Untersuchungen der Oberbodeneigenschaften Prozesse auf D4-Skala abgeleitet, die als potentielle
Verursacher der kleinräumigen Landschaftsdifferenzierung in Trockengebieten betrachtet werden. Diese Prozesse wurden zu folgenden Prozesskomplexen zusammengefaßt: kleinräumige Verteilung von Wasser, Verteilung wasserlöslicher Ionen, Humus- und Nährstoffakkumulation sowie Zersetzung organischer Substanz, Etablierung biologischer
Bodenkrusten, Bioturbation und Viehvertritt, Winderosion und Windakkumulation.

Als landschaftsdifferenzierende Prozesse der nächsten hierarchischen Einheit D3, die ebenfalls in dieser Arbeit eingehender betrachtet wurde, wurden vor allem Wasser- und
Materialtranslokationen sowie die biologische Aktivität definiert.

Zwischen der Sukkulenten und der Nama Karoo wurden trotz der oben genannten vergleichbaren Ausgangsbedingungen starke Unterschiede in der Ausprägung kleinräumiger Bodenmuster festgestellt. Diese Tatsache wurde auf den Einfluss höher skaliger Prozesse wie Klima, Geologie und Landnutzung zurückgeführt.

Abschließend wurden Schlussfolgerungen zu weiteren Forschungsaktivitäten und zu zukünftig hinsichtlich des Klimawandels anzupassenden Bewirtschaftungsformen der
Trockengebiete gezogen.


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