Charakterisierung und Modellierung der interferierenden klimatischen, orographischen und anthropogenen Einflüsse auf die Landschaftsentwicklung des oberen Rio Guadalentín (Spanien)

Characterizing and modelling interacting climatic, orographic and anthropogenic influences on the landscape evolution of the upper Rio Guadalentín catchment area (Spain)

  • Mit der vorliegenden Arbeit wurde exemplarisch die holozäne Klima- und Landschaftsentwicklung für einen semiariden Natur- und Kulturraum in Südost-Spanien rekonstruiert. Dabei wurden unterschiedliche klimatologische, orographische und anthropogene Einflussfaktoren beschrieben und deren interdependentes Wirkungsgefüge abgeleitet. Dies erfolgte durch die Analyse des subrezenten Regionalklimas, anhand eines an die semi-ariden Bedingungen angepassten Wasserhaushaltsmodells sowie durch die Einbeziehung von stratigraphischen und geochemischen UntersuMit der vorliegenden Arbeit wurde exemplarisch die holozäne Klima- und Landschaftsentwicklung für einen semiariden Natur- und Kulturraum in Südost-Spanien rekonstruiert. Dabei wurden unterschiedliche klimatologische, orographische und anthropogene Einflussfaktoren beschrieben und deren interdependentes Wirkungsgefüge abgeleitet. Dies erfolgte durch die Analyse des subrezenten Regionalklimas, anhand eines an die semi-ariden Bedingungen angepassten Wasserhaushaltsmodells sowie durch die Einbeziehung von stratigraphischen und geochemischen Untersuchungen an Sedimentaufschlüssen, die eine Interpretation der regionalen holozänen Klima- und Umweltgeschichte ermöglicht. Um eine Vergleichsbasis für die holozänen Klimabedingungen zu erhalten, wurde das Klima der letzten 50 Jahre im Hinblick auf subrezente Änderungen analysiert. Dazu wurden die räumlichen und zeitlichen Eigenschaften der Niederschlagsquantität und –intensität ausgewertet und beschrieben. Durch die differenzierte Gegenüberstellung der Resultate der verschiedenen Auswertever¬fahren wird eine detaillierte Beschreibung der rezenten und subrezenten pluvio-klimatischen Steuergrößen für das Untersuchungsgebiet möglich. Die Analysen zeigen, dass die 30 jährigen Mittelwerte der Jahresniederschlagssummen im Untersuchungsgebiet zwischen 281 und 426 mm schwanken und, entgegen dem für das westliche Mediterraneum postulierten negativen Trend, zunehmen. Die Anzahl der annuellen Niederschlagstage unterliegt einer hohen Variabilität, wenngleich ein positiver Trend der Starkniederschlagsereignisse, insbesondere für die Monate September und Oktober, zu erkennen ist. Dies ist vor dem Hintergrund der sommerlichen Trockenheit (40 bis 150 Tage) entscheidend, da frühherbstliche Starkniederschlagsereignisse aufgrund des erhöhten Oberflächenabflusses besonders erosionswirksam sind. Die relative annuelle Niederschlagsvariabilität im Untersuchungsgebiet erreicht bis zu 36 % und liegt damit teilweise über den Werten von ariden nordafrikanischen Gebieten. Ein deutlicher Unterschied des pluvio-klimatischen Regimes konnte im Untersuchungsgebiet in Abhängigkeit der orographischen Verhältnisse festgestellt werden. So schwanken die Werte für die Niederschlagssumme, -intensität und -dauer sowie zeitlichem Auftreten in Abhängigkeit von der umgebenden Reliefstruktur und Höhenlage deutlich. Um mögliche Veränderungen der ephemeren und periodischen Abflusscharakteristik sowie der Wasserhaushaltsgrößen ableiten zu können, wurde ein flächendifferenziertes Wasserhaushalts-Simulationsmodell an die semi-ariden Bedingungen des Untersuchungsgebietes angepasst. Auf der Basis der Modellergebnisse für die Jahre 1988 bis 1993 konnte gezeigt werden, dass der mittlere Gebietsniederschlag von rund 430 mm zu 87 % verdunstet, was auf die hohen Lufttemperaturen, die häufigen Strahlungswetterlagen, die Windverhältnisse sowie die reduzierte Wasseraufnahmefähigkeit des Bodens zurückgeführt wird. Die mittlere, modellierte Gesamtabflussspende beträgt lediglich 32 mm, was rund 7.5 % der Gebietsniederschlagssumme entspricht und als charakteristisch für semi-aride Naturräume angesehen werden kann. Die Änderung des Boden- und Grundwasser¬speichers von +24 mm wird teilweise durch die anthropogene Nutzung, durch Bewässerung und den Bau von Rückhaltebecken erklärt. Neben der hydrologischen Modellierung wurden des Weiteren Landbedeckungsszenarien erstellt und in das adaptierte Modell integriert, um die holozänen Umweltbedingungen zu rekonstruieren. Dabei hat sich gezeigt, dass unter potentiell natürlicher Vegetation eine Erhöhung der Bodenfeuchte und des Zwischenabflusses, eine Reduzierung des Oberflächenabflusses und eine Steigerung der potentiellen Evapotranspiration gegenüber dem heutigen Zustand erfolgt. Unter intensivierten Landnutzungsbedingungen, die möglicherweise zu Beginn des Subatlantikums geherrscht haben oder in Zukunft auftreten könnten, erfolgt hingegen eine Erhöhung des Oberflächenabflusses, eine Reduzierung der pflanzenverfügbaren Bodenfeuchte sowie eine verminderte aktuelle Evapotranspiration, wenngleich die Änderungs¬beträge geringer als in Szenario 1 ausfallen. Dies liegt vermutlich daran, dass die heutige Landnutzung mit Trockenfeldbau, Bewässerungskulturen und Weidewirtschaft als intensiv beschrieben werden kann und durch Landdegradation und Erosion gekennzeichnet ist. Dazu zählen insbesondere Erosionsprozesse, die durch fließendes Wasser, Wind oder durch Gravitation ausgelöst werden und vornehmlich auf steilen ackerbaulich und weidewirtschaftlich genutzten Flächen auftreten. Der Mensch greift seit der Antike in unterschiedlicher Intensität in dieses Prozessgeschehen ein, und verändert durch seine wirtschaftende Tätigkeit die Pflanzenbedeckung, die Bodeneigenschaften (z.B. Bodenwasserhaushalt) sowie das Mikro- und Mesorelief, und verstärkt oder vermindert damit die natürlichen Erosionsprozesse. Die anthropogenen Auswirkungen auf die historische Landschaftsentwicklung wurden in der vergleichenden Betrachtung der stratigraphischen und geochemischen Untersuchungen von drei Sedimentaufschlüssen aufgezeigt. Zwei Sedimentaufschlüsse im hydrologischen Einzugsgebiet des Río Caramel zeigen erhöhte Akkumulationsraten, steigende Anteile von organischem Kohlenstoff und eine Änderung der stratigraphischen Charakterisik für die letzten 3.000 Jahre BP an. Auf der Basis von geochemischen Untersuchungen der Sedimente wurden Verhältniswerte zwischen MgO/CaO, Fe2O3/MnO und SiO2/(CaO+MgO) bestimmt, deren Änderungen als Maß für die vorzeitlichen Umweltbedingungen angesehen werden können. Für das Spätglazial zeigen diese Untersuchungen relativ trockene Umweltbedingungen an. Zum Ende des Präboreals steigen die Indizes an und deuten auf eine Veränderung der Umweltbedingungen im Untersuchungsraum hin, deren Trend bis ins späte Subboreal anhält. Die feuchteste Phase erfolgt im Übergang zwischen Atlantikum und Subboreal und fällt somit mit dem Beginn der ackerbau¬lichen Nutzung der Region zusammen. Seither erfolgt eine Aridisierungstendenz, die mit kurzen Unterbrechungen das gesamte Subatlantikum andauert. Basierend auf den vorgestellten klimatischen und orographischen Analysen sowie unter Berücksichtigung der Resultate der Wasserhaushaltsmodellierung und Szenarien konnte in dieser interdisziplinären Arbeit ein Beitrag zur Rekonstruktion der subrezenten und holozänen Klima- und Umweltgeschichte des hydrologischen Einzugsgebietes des oberen Rio Guadalentín geleistet werden. Dieser Beitrag ist im übergeordneten Kontext der holozänen Forschung des westlichen Mediterraneums zu sehen, die ein besseres Verständnis der allgemeinen Landschafts- und Klimaentwicklung der letzten 10.000 Jahre für die Iberische Halbinsel ermöglicht. Insbesondere die Ergebnisse der stratigraphischen und geochemischen Untersuchungen der Sedimentaufschlüsse erscheinen im Hinblick auf die holozäne Umweltgeschichte für eine großräumige Übertragung geeignet, um die zukünftige Landschaftsentwicklung besser verstehen und prognostizieren zu können.show moreshow less
  • The presented study focused on the reconstruction of the Holocene climatological and landscape evolution for a semiarid natural and cultural environment in southeast Spain. Climatological, orographical and anthropogenic influencing factors were described in order to derive and evaluate their interrelationships. This work is based on an analysis of the subrecent regional climate, on a water balance simulation model, as well as on the integration of stratigraphic and geochemical investigations of fluvial sediments, which themselves allow interpreThe presented study focused on the reconstruction of the Holocene climatological and landscape evolution for a semiarid natural and cultural environment in southeast Spain. Climatological, orographical and anthropogenic influencing factors were described in order to derive and evaluate their interrelationships. This work is based on an analysis of the subrecent regional climate, on a water balance simulation model, as well as on the integration of stratigraphic and geochemical investigations of fluvial sediments, which themselves allow interpretation of the regional climate and environment history. As a basis for comparing the climatic conditions during the Holocene, the climatic changes in the last 50 years were analysed. For that purpose spatio-temporal precipitation properties like quantity, intensity and distribution were evaluated and described. Based on various analysis techniques a detailed description of recent and subrecent pluvio-climatological control factors for the investigation area was possible. Results show that the 30 year average for annual precipitation varies between 281 and 426 mm with an increase for the upper Rio Guadalentín catchment, contrary to the postulated negative trend for the western Mediterranean. The number of precipitation days is highly variable, although a positive trend towards rainfall with high amounts of precipitation is recognized. This is important against the background of summer dryness (40 to 150 days) because intensive rainfall in early autumn potentially leads to increased topsoil erosion. The comparative annual rainfall variability within the investigation area reaches up to 36 % and therefore partially exceeds the magnitude for arid environments in North Africa. The precipitation regime varies significantly in relation to the orographic characteristics. Hence, the variations in rainfall amount, intensity, duration and occurrence depend on the surrounding relief and altitude. A water balance simulation model was adapted to semiarid conditions in order to derive possible changes within the ephemeral and periodical runoff characteristics and to calculate water balance magnitudes. Model results for the 1988 to 1993 period reveal that 87 % of the average areal precipitation of approximately 430 mm evaporates due to high air temperatures, clear skies, wind conditions, and the reduced infiltration capacity of the topsoil. The simulated total area run-off predicts precipitation values up to 32 mm (approximately 7.5 % of the areal precipitation) and is considered characteristic for semiarid environments. The +24 mm change in soil and groundwater storage is partially explained by intense anthropogenic use, especially for irrigation and the construction of water storage reservoirs. Besides the hydrological modelling, land use scenarios were generated and integrated in the adapted model in order to reconstruct Holocene environmental conditions. It could be demonstrated with scenario 1, where potential natural vegetation cover increases the soil moisture and subsurface runoff, that surface runoff is reduced and the potential evapotranspiration increased in comparison to the present situation. Scenario 2 describes intensified land use conditions, which might have occurred during the Subatlantic or potentially can take place in the future. This simulation scenario shows that surface runoff increases while the soil moisture available to vegetation and the actual evapotranspiration decrease, although the changes are less obvious compared with scenario 1. This can be attributed to today’s intensive land use, which involves dry harvesting, crop irrigation and pasture farming, and is characterized by land degradation and erosion processes. The increased surface runoff, as simulated by scenario 2, can be attributed mainly to erosion processes induced by fluvial, eolian or gravity processes on steep slopes used for agriculture and pasture. Since ancient times human interaction has influenced natural processes through agricultural modification of the land cover, soil properties (e.g., water balance) and the micro- and meso-relief, all of which increase or decrease natural erosion processes. The anthropogenic impact on historical land use development was shown in a comparison of stratigraphic and geochemical studies for three fluvial sediment outcrops. Two sites within the Río Caramel catchment show increased accumulation rates and organic carbon content, as well as a modified stratigraphic characteristic for the last 3,000 years BP. Sediment geochemical analysis using MgO/CaO, Fe2O3/MnO and SiO2/ (CaO+MgO) ratios proved to be a measure for prehistoric and historic environmental conditions. Dry conditions were assumed for the late glacial environments. An increase in aridity for samples taken from the end of the Preboreal indicates a change in the climatic conditions within the study area. This trend continues until the late Subboreal and is thought to represent a change from dry to more humid climatological conditions. The most humid period takes place in the transition between the Atlantic and the Subboreal which coincides with the beginning of agriculture in the region. After those times conditions became dryer, which continued with short interruptions during the whole Subatlantic. Based on the presented climatological and orographic analysis and with regard to the results of the water balance simulation models and scenarios, this interdisciplinary study contributes to the research done in the field of reconstructing the subrecent and Holocene climatic and environmental history of the upper Rio Guadalentín catchment. This investigation has to be seen in the context of Holocene research of the western Mediterranean which strives for better understanding of the general landscape and climatic evolution of the Iberian Peninsula during the last 10,000 years. Especially the results of the stratigraphic and geochemical investigations of the sediment outcrops appear to be suitable for incorporation in a Holocene environmental history, as a contribution toward better understanding and forecasting landscape evolution.show moreshow less

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Metadaten
Author:Torsten Riedlinger
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-20633
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften (bis Sept. 2007)
Faculties:Institut für Geographie
Date of final exam:2006/11/10
Language:German
Year of Completion:2006
Dewey Decimal Classification:910 Geografie, Reisen
GND Keyword:Anthropogener Einfluss; Holozän; Klima; Landschaftsentwicklung; Oberer Rio Guadalentín <Region>; Orographie
Tag:Holozäne Klimaentwicklung; Landnutzungswandel; Landschaftsentwicklung; hydrologische Modellierung; semi-arides Klima
holocene climate change; hydrologic modelling; land use change; landscape evolution; semi arid climate
Release Date:2006/12/06
Advisor:Roland Baumhauer
To order the print edition:X121069