Impact of bioturbation on sediment redistribution in coastal Chile - As estimated by combining remote sensing, machine learning and semi-empirical modelling

Die Grabaktivität terrestrischer Bioturbatoren beeinflusst die Mikrotopographie, Rauheit der Oberfläche die physikalischen Eigenschaften des Bodens. Durch die Umarbeitung von Sedimenten erhöhen Bioturbatoren die Durchlässigkeit und Porosität des Bodens, was zu Auswirkungen auf die Infiltrations- und Erosionsraten führt. Der Bau von unterirdischen Gängen verteilt und konzentriert Nährstoffe und wirkt sich besonders positiv auf die Kohlenstoffspeicherung im Boden aus.Frühere Studien haben mehrere Forschungslücken offen gelassen. Die Studien konzentrierten sich nur auf die Lebensraumpräferenzen der einzelnen Arten und berücksichtigten nicht die unterschiedliche Menge an ausgegrabenem Sediment und die Baudichte einzelner Arten. Es bleibt daher unklar, welche Umweltparameter innerhalb des Einzugsgebiets hauptsächlich mit der hohen Dichte und Verteilung aller vorhandenen Baute von Bioturbatoren zusammenhängen. Darüber hinaus ging die vorherigen Autoren nicht auf die tägliche Aushubdynamik des Sediments durch das Tier ein, ob und wie sie mit der durch einzugsgebietsweiten Niederschlag getriebenen Sedimentumverteilung zusammenhängt und wie viel Sediment die Bioturbatoren das ganze Jahr über an die Oberfläche austragen. Meine Dissertation war Teil des EarthShape-Konsortiums mit der übergeordneten Forschungsfrage, wie die Mikroorganismen, Tiere und Pflanzen die Form und Entwicklung der Erdoberfläche beeinflussen. Die Studie wurde an vier Studienstandorten entlang der chilenischen Küstenkordilleren durchgeführt: aridem Pan de Azúcar, semi-aridem Santa Gracia, mediterranem La Campana und humidem Nahuelbuta. Der Arbeitsablauf bestand aus 3 Arbeitspaketen mit dem Endziel, die einzugsgebietsweiten Auswirkungen der Bioturbation zu bestimmen. Innerhalb des ersten Arbeitspakets habe ich getestet, ob die Dichte der Höhlen und die Verteilung der Bauten durch Vegetationsmuster vorhergesagt werden können, die aus UAV- und WorldView-2-Daten berechnet wurden. Dann habe ich das beste Modell für eine einzugsgebietsweite Vorhersage verwendet. Innerhalb des zweiten Arbeitspakets habe ich getestet, ob die bioturbatorgetriebene Sedimentumverteilung von der niederschlagsgetriebenen Sedimentumverteilung abhängt. Zu diesem Zweck habe ich mehrere Time-of-Flight-basierte Kameras aufgestellt, die die Sedimentumverteilung auf der Grabenoberfläche und um den Graben herum überwachen. Im dritten Arbeitspaket habe ich die Bioturbation in ein Bodenerosionsmodell integriert. Dann habe ich den Einfluss der Bioturbatoren auf die Sedimentverteilung und die Umweltparameter bestimmt, die über das Ausmaß dieses Einflusses entscheiden. Meine Ergebnisse zeigten, dass die Verteilung der von bioturbierenden Tieren geschaffenen Bauten hängt von Vegetationsmustern ab. Die Dichte der von bioturbierenden Tieren geschaffenen Höhlen wurde am besten durch die in-situ gemessene Vegetationsbedeckung sowie den Durchmesser und die Höhe der Sträucher vorhergesagt. In der ariden und semiariden Zone waren Kakteenhöhe und Bedeckung wichtige Prädiktoren, während in der feuchten Zone eher Baumstammdurchmesser und Bedeckung durch das Modell ausgewählt wurden. Aber auch die Artenvielfalt der Pflanzen war in allen Klimazonen wichtig. Bei der Vorhersage der Dichte von Höhlen unter Verwendung von UAV-Bildern waren ebenfalls Indizes der Vegetationsheterogenität wichtig. Die Dichte der Bauten nahm mit der Strauch-, Kräuter- und Kakteenbedeckung in allen Klimazonen zu und mit der Baumkronenbedeckung in der feuchten Klimazone ab. Die Dichte der Wirbellosenbauten war in felsigeren Gebieten mit weniger Vegetation an allen Standorten höher. Schließlich war der Vegetationsindex, der einen hohen Blattflächenindex beschreibt, ein wichtiger Prädiktor. Die Bautenverteilung wurde im gesamten Einzugsgebiet am besten durch das WorldView-2 NIR-Band und NDVI sowie einzelne Vegetationslandbedeckungsklassen vorhergesagt. Die aus LiDAR-Daten berechneten Topografiemerkmale wurden nicht als wichtige Prädiktoren ausgewählt, mit Ausnahme des Aspekts. Zweitens, die Ergebnisse zeigten, dass die durch Bioturbatoren ausgelöste Sedimentumverteilung von der durch Niederschlag ausgelösten Umverteilung abhängt. Unmittelbar nach Niederschlagsereignissen in der mediterranen Klimazone wurde ein erhöhter Sedimentaustrag durch die Tiere beobachtet: Hier wurde beobachtet, dass die Tiere nach den Regenfällen ihre Bauten rekonstruierten und gleichzeitig mehr zusätzliches Sediment an die Oberfläche gruben. Hingegen, in der ariden Klimazone ging dem Sedimentaustrag meist kein Niederschlagsereignis voraus. Die Ergebnisse bestätigten, dass die Umgebung das Ausmaß der Auswirkungen des Grabens auf die durch Niederschläge ausgelöste Sedimentumverteilung im gesamten Einzugsgebiet bestimmt. Die Ergebnisse zeigten, dass die wichtigsten Umweltparameter Höhenlage, Oberflächenrauheit und -neigung sowie Vegetationsbedeckung, abgeleitet von NDVI, waren. Bioturbation erhöhte Sedimenterosion in Gebieten, in denen Erosionsprozesse dominieren (Überhang, starke Neigung, geringe Oberflächenrauhigkeit, geringe Vegetationsbedeckung); und ähnlich erhöhte Sedimentansammlung in Gebieten mit natürlicher Sedimentablagerung (hohe Oberflächenrauhigkeit, hohe Vegetationsbedeckung, geringe Neigung) Das Modeloutput hat gezeigt, dass Bioturbation die Sedimenterosion verstärkt. Bioturbation verstärkte die Sedimenterosion in allen außer der humiden Klimazone. Die Überwachung der Bauten zeigte eine Zunahme der Erosion von über 300 % im Vergleich zu den Einbettungsbereichen der Bauten. Nach den Ergebnissen des Bodenerosionsmodells erhöhte die Bioturbation die Erosion am stärksten in der mediterranen Zone, gefolgt von der ariden und semiariden Zone. Die Auswirkungen der Bioturbation waren in der humiden Zone nicht signifikant. Um langfristige Auswirkungen abzuschätzen, muss die Bioturbation in Landschaftsentwicklungsmodelle integriert werden. Allerdings wurde in diesen Modellen von einer gleichmäßigen Verteilung und räumlichen und zeitlichen Auswirkung der Bioturbation ausgegangen. Meine Ergebnisse zeigten, dass die Auswirkungen der Bioturbation auf die Sedimentumverteilung zeitlich und räumlich nicht einheitlich sind und die Verteilung der Bioturbation nicht einheitlich positiv mit der Vegetation assoziiert ist. Um die langfristige Auswirkungen der Bioturbation realistisch vorherzusagen, müssen die in dieser Arbeit geschätzten räumlichen und zeitlichen Variationen berücksichtigt werden.