Analysis of flow patterns and flow mechanisms in soils

Analyse von Fließmustern und Fließmechanismen in Böden

Matrix flow and preferential flow can occur concurrently in the same soil. Both flow regimes produce typical flow patterns that can be visualised in dye tracer experiments. To extract quantitative information from dye tracer studies a vast variability of approaches exists. One of them is to describe dye patterns by the so called dye coverage function, i.e. the percentage of stained area per soil depth. Based on extreme value statistics the dye coverage function can be reinterpreted as a probabilMatrix flow and preferential flow can occur concurrently in the same soil. Both flow regimes produce typical flow patterns that can be visualised in dye tracer experiments. To extract quantitative information from dye tracer studies a vast variability of approaches exists. One of them is to describe dye patterns by the so called dye coverage function, i.e. the percentage of stained area per soil depth. Based on extreme value statistics the dye coverage function can be reinterpreted as a probability function to find the tracer in a certain depth. Therefore, the two-parametric probability distribution 1 – H, H being the generalised Pareto distribution, can be fitted to the dye coverage function. The form parameter of this distribution serves as a risk index for vertical solute propagation. We did tracer experiments with Brilliant Blue FCF at three study sites: in a Norway spruce forest in southeast Germany, in a tropical mountain rainforest in southern Ecuador and on an agricultural field in southern France. We tested the ability of the risk index to summarise main information obtained in dye tracer studies and characterise flow patterns in different soils. Our results suggest that the risk index is to some degree invariant to changing experimental conditions (such as irrigation rate). The initial soil moisture, however, seems to have a large influence on the risk index. It is difficult to adjust the parameters of the generalised Pareto distribution when the dye coverage function fluctuates or does not decrease monotonically. This might be due to tortuosity of paths, varying flow mechanism or changing soil physical properties. Thus, we restricted the analysis to the lowest part of the profile. Since the theory of the risk index is based on extreme values of vertical solute propagation it is the lowest part of the profile that is the most interesting. We propose to combine the two parameters of the generalized Pareto distribution and to use the complete distribution 1 - H to estimate the risk of vertical solute propagation in soils. Despite a certain resistance to changes of experimental conditions, the risk index is not an intrinsic soil parameter. Since the flow regime in the same soil can be dominated either by preferential flow or by uniform matrix flow, the risk of vertical solute propagation will change. The adjusted parameters of the generalised Pareto distribution will capture the dominant flow regime as reflected by tracer flow patterns. Bearing in mind the boundary conditions of the tracer experiment like irrigation rate, the tracer employed, soil initial moisture or type of vegetation (permanent or seasonal, deep rooted or shallow rooted) it is possible to compare different study sites or to consider the same site at different boundary conditions and to access the risk of vertical solute propagation. Pattern analysis based on the risk index for vertical solute propagation revealed the occurrence of preferential flow at the German study site. To gain insight in flow mechanisms and possible impacts on soil chemistry we analysed soil texture, fine root density, soil bulk density, exchangeable cations, pH and total C and N contents in preferential flow paths and soil matrix. Results from linear mixed-effects models suggested that at this study site roots constituted main preferential flow paths and induced macropore flow, especially in the topsoil. In the subsoil root density decreased and inhomogeneous infiltration from preferential flow paths into the soil matrix caused non-uniform flow. There were no textural differences between the flow domains, but smaller bulk densities in preferential flow paths. This is probably due to a higher soil organic matter content in preferential flow paths. We found smaller pH values, more Ca, more Mg, more C and more N in preferential flow paths. Compared to the adjacent soil matrix, more Al and more Fe (but small absolute amounts) were found in the subsoil where macropore flow along root channels decreases and heterogeneous matrix flow dominates. These distinct chemical properties can be explained by root activity and translocation of solutes and DOC (dissolved organic carbon) via preferential flow paths. During transport along preferential flow paths contact time between DOC and soil is reduced so that DOC is transported to greater depth where it potentially forms organo-mineral associations. If this holds true, preferential flow is a mechanism that promotes C sequestration in subsoil and does not only influence its immediate environment around paths, but also underlying subsoil horizons.show moreshow less
Matrixfluss und präferentieller Fluss können in ein und demselben Boden gleichzeitig auftreten. Beide Fließregime erzeugen charakteristische Fließmuster, die in Versuchen mit Farbtracern sichtbar gemacht werden können. Es existiert eine Reihe von Methoden, um Tracerversuche quantitativ auszuwerten. Eine davon ist die Beschreibung der Fließmuster durch die so genannte Deckungsgradfunktion, den Anteil der gefärbten Fläche pro Tiefe. Die Methoden der Extremwertstatistik erlauben eine NeuinterpretatMatrixfluss und präferentieller Fluss können in ein und demselben Boden gleichzeitig auftreten. Beide Fließregime erzeugen charakteristische Fließmuster, die in Versuchen mit Farbtracern sichtbar gemacht werden können. Es existiert eine Reihe von Methoden, um Tracerversuche quantitativ auszuwerten. Eine davon ist die Beschreibung der Fließmuster durch die so genannte Deckungsgradfunktion, den Anteil der gefärbten Fläche pro Tiefe. Die Methoden der Extremwertstatistik erlauben eine Neuinterpretation der Deckungsgradfunktion als eine Wahrscheinlichkeitsfunktion, den Tracer in einer bestimmten Tiefe anzutreffen. Demzufolge kann die zweiparametrige Wahrscheinlichkeitsfunktion 1 – H (H: verallgemeinerte Paretoverteilung) an die Deckungsgradfunktion angepasst werden. Der Formparameter dieser Verteilung dient als Risikoindex für vertikale Ausbreitung von gelösten Substanzen. Tracerversuche mit Brilliant Blue FCF wurden an drei Standorten durchgeführt: in einem Fichtenwald in Südostdeutschland, einem Bergregenwald in Südostecuador und an einem landwirtschaftlichen Standort in Südfrankreich. Es wurde überprüft, ob die wichtigsten Ergebnisse aus Tracerversuchen auf unterschiedlichen Böden mithilfe des Risikoindex beschrieben werden können. Die Ergebnisse zeigen eine gewisse Unabhängigkeit des Risikoindex von experimentellen Randbedingungen (wie z. B. Beregnungsintensität). Dagegen scheint die Bodenfeuchte eine zentrale Rolle zu spielen. Schwierigkeiten bei der Anpassung der Parameter der verallgemeinerten Paretoverteilung ergeben sich, wenn die Deckungsfunktion fluktuiert oder nicht monoton fallend ist. Dies kann möglicherweise auf die Tortuosität von Fließpfaden, variierenden Fließmechanismen oder sich verändernden bodenphysikalischen Eigenschaften zurückgeführt werden. Daher wurde die Musteranalyse Böden auf den Unterboden begrenzt. Da die dem Risikoindex zugrunde liegende Theorie auf den Extremwerten der vertikalen Ausbreitung von gelösten Stoffen basiert, gilt das Hauptinteresse dem untersten Teil des Bodenprofils. Wir schlagen vor, die beiden Parameter der verallgemeinerten Wahrscheinlichkeitsverteilung zu nutzen. Obwohl der Risikoindex eine gewisse Toleranz gegenüber sich ändernden Randbedingungen zeigt, ist er kein intrinsischer Bodenparameter. Da das Fließgeschehen in ein und demselben Boden sowohl vom Matrix- als auch vom präferentiellen Fluss dominiert werden kann, ändert sich das Risiko der vertikalen Ausbreitung von gelösten Stoffen. Die angepassten Parameter der verallgemeinerten Paretoverteilung erfassen das durch den Tracer sichtbar gemachte dominante Fließregime. Unter der Berücksichtigung der Randbedingungen des Tracerexperiments wie Beregnungsintensität, des verwendeten Tracers, Bodenfeuchte oder Art der Vegetation (einjährig, mehrjährig oder perennierend, tiefwurzelnd oder flachwurzelnd) ist es möglich, unterschiedliche Standorte zu vergleichen oder denselben Standort unter verschiedenen Randbedingungen zu betrachten und das Risiko der vertikalen Ausbreitung von gelösten Stoffen abzuschätzen. Extremwertstatistikgestützte Musteranalyse zeigte das Auftreten von präferentiellem Fluss auf dem Standort in Südostdeutschland. Um die Fließmechanismen und mögliche Auswirkungen auf die Bodenchemie aufzudecken, wurden Textur, Feinwurzeldichte, Trockenraumdichte, austauschbare Kationen, pH, Gehalt an totalem C und N in präferentiellen Fließwegen und Bodenmatrix analysiert. Ergebnisse aus gemischten Modellen zeigen, dass auf diesem Standort präferentielle Fließwege durch Wurzeln gebildet werden, und zwar hauptsächlich im Oberboden. Im Unterboden nimmt die Durchwurzelung ab, und heterogene Infiltration aus den präferentiellen Fließpfaden in die Bodenmatrix führt zu ungleichmäßigem Matrixfluss. Es wurden keine signifikanten Unterschiede in der Textur gefunden. Allerdings ist die Trockenraumdichte in den präferentiellen Fließwegen geringer als in der Bodenmatrix, wahrscheinlich bedingt durch den erhöhten Gehalt an organischer Materie. Weiterhin wurden in den präferentiellen Fließwegen niedrigere pH-Werte, höherer Gehalt an Ca, Mg, C und N gemessen. Im Vergleich zur umgebenden Bodenmatrix wurde im weniger durchwurzelten und von heterogenem Matrixfluss dominierten Unterboden höherer Gehalt an Al und Fe (allerdings kleine absolute Mengen) festgestellt. Diese klar unterschiedlichen chemischen Eigenschaften lassen sich durch Wurzelaktivitäten und den Transport von gelösten Substanzen (darunter auch DOC: gelöster organischer Kohlenstoff) durch präferentielle Fließwege erklären. Während des Transports ist die Kontaktzeit zwischen dem DOC und dem Boden verkürzt, so dass der Kohlenstoff in tiefere Bodenhorizonte transportiert wird, in denen er eventuell organo-mineralische Komplexe bilden kann. Dies würde bedeuten, dass präferentieller Fluss unter Umständen die Kohlenstoff-Sequestration im Unterboden begünstigen könnte, und nicht nur seine unmittelbare Umgebung, sondern auch die tiefer liegenden Bodenhorizonte beeinflusst.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Geowissenschaften
Author: Christina Bogner
Advisor:Prof. Dr. Bernd Huwe
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:06.07.2009
Year of Completion:2009
Series (Volume number)BayCEER-online (3)
SWD-Keyword:Brillantblau FCF; Gemischtes Modell; Pareto-Verteilung; Präferenzieller Fluss; Ungesättigte Zone
Tag:Physikochemische Bodenbeschaffenheit; Tracerversuch
Dewey Decimal Classification:550 Geowissenschaften
RVK - Regensburg Classification:ZC 13500
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-6075
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):02.10.2009