Mechanisms and methods for identification and monitoring of lateral subsurface flow in erosion affected arable soil landscape of the hummocky ground moraine

Abstract

Lateral subsurface flow (LSF) is a ubiquitous phenomenon along impeding layers in agricultural hillslopes of hummocky ground moraines leading to enhanced pesticide and nutrient transport. This thesis improves the understanding of factors influencing the onset of LSF in three ways. Firstly, connecting soil surface structure and subsurface flow processes was enabled by improving the Structure-from-Motion photogrammetry. The observed soil height changes were separated into soil erosion and soil settlement. Secondly, high precipitation amount and duration were identified as possible triggers for the onset of LSF by comparing water content time series from a lysimeter and a corresponding field soil. Lastly, a laboratory measurement set-up was developed to investigate the mechanism of local pore water saturation as a trigger for LSF. The presented work enhances the conceptual understanding of LSF occurrence along agricultural hillslopes and their susceptibility to LSF.

Unterirdische laterale Flüsse (ULF) treten entlang von verdichteten Schichten in ackerbaulich genutzten Böden der hügeligen Grundmoränen auf und führen zu erhöhtem Pestizid- und Nährstofftransport. Die Arbeit verbessert das Verständnis möglicher Einflüsse zum Auftreten von ULF auf drei Arten. Zunächst wurde die Structure-from-Motion Photogrammetrie angewendet um einen Zusammenhang zwischen Bodenoberflächenstruktur und ULF herzustellen. Damit lassen sich Bodenhöhenänderungen nun in Erosion und Sackung unterscheiden. Weiterhin wurden hohe Regenmenge und -dauer als mögliche Auslöser von ULF mittels einer Zeitreihenanalyse von Wassergehalten eines Lysimeters und Feldstandorts identifiziert. Schließlich wurde in einem Laborexperiment das Auftreten von ULF unter lokaler Porenwassersättigung untersucht. Die Arbeit verbessert das konzeptionelle Verständnis zum Auftreten von ULF in ackerbaulich genutzten Hängen und deren Anfälligkeit gegenüber ULF.