ALBERT

Description: In Folge des Klimawandels kommt es in Mitteleuropa vermehrt zu Dürreperioden und Austrocknung von Böden. Indem tief- und flachwurzelnde Nutzpflanzen sinnvoll kombiniert werden, kann die Verfügbarkeit von Wasser teils auch ohne künstliche Bewässerungsmaßnahmen verbessert werden. Die Tiefwurzler erschließen tiefer gelegenes Wasser und können es so umverteilen (‚hydraulische Umverteilung‘), dass auch benachbarte Flachwurzler mit Wasser versorgt werden. Mit dem Ziel eine solche Umverteilung von Wasser durch Pflanzen mithilfe geoelektrischer Methoden zu untersuchen, wurde in dieser Studie ein Versuchsaufbau entwickelt und getestet. Auf 23 Feldern wurden verschiedene Kombinationen der Pflanzen beobachtet. Dafür wurden sowohl Oberflächenmessungen mittels Gleichstromgeoelektrik, als auch Bohrlochmessungen mittels Spektraler Induzierter Polarisation (SIP) durchgeführt. Die Ergebnisse wurden mit konventionellen Bodenfeuchtemessgeräten (time domain reflectometry, TDR) verglichen, welche die Bodenfeuchte nur punktuell erfassen können. Für die Bohrlochmessungen wurde ein experimenteller Aufbau zur Beobachtung der räumlichen Verteilung des Wassers im Untergrund umgesetzt. Um eine hohe Auflösung im Bereich der flachen Wurzeln zu erreichen, wurde ein bohrlochartiges System genutzt. Dieses besteht aus metallischen Ringelektroden, die an einem Holzstab befestigt sind, der senkrecht in den Boden eingebracht wird. Die Elektroden haben dabei nahe der Oberfläche die kleinsten Abstände (5cm), da in diesem Bereich die Wurzeln der Tief- und Flachwurzler gemeinsam vorkommen. Hier soll die Auflösung möglichst hoch sein, damit die Wasserumverteilung gut beobachtet werden kann. Mit zunehmender Tiefe nehmen die Elektrodenabstände zu. Hier ist eine geringere Auflösung ausreichend, da nur die Tiefwurzler Wasser aufnehmen. Da die Stäbe bereits vor dem Sähen der Pflanzen in den Boden gebracht wurden, war ein Monitoring über mehrere Monate möglich: Zur Aussaat der Pflanzen Ende März, während des Wachstums und im September während eines finalen Bewässerungsexperimentes. Die bisherigen Auswertungen der Ergebnisse zeigen, dass sich die zeitliche Entwicklung der Bodenfeuchte anhand der geoelektrischen Daten gut nachvollziehen lässt und im Gegensatz zu den TDR-Daten auch die räumliche Verteilung hoch aufgelöst (〈5cm) erfasst werden kann. Die Oberflächenmessungen zeigen, dass die Schichtung des Bodens über die Plots variiert, was sich auf die Vergleichbarkeit der Ergebnisse auswirken kann.

Description: poster

Description: Karst water resources play an important role in drinking water supply but are highly vulnerable to even slight changes in climate. Thus, solid and spatially dense geological information is needed to model the response of karst hydrological systems to such changes. Additionally, environmental information archived in lake sediments can be used to understand past climate effects on karst water systems. In the present study, we carry out a multi-methodological geophysical survey to investigate the geological situation and sedimentary infill of two karst lakes (Metzabok and Tzibaná) of the Lacandon Forest in Chiapas, southern Mexico. Both lakes present large seasonal lake-level fluctuations and experienced an unusually sudden and strong lake-level decline in the first half of 2019, leaving Lake Metzabok (maximum depth ∼25 m) completely dry and Lake Tzibaná (depth ∼70 m) with a water level decreased by approx. 15 m. Before this event, during a lake-level high stand in March 2018, we collected water-borne seismic data with a sub-bottom profiler (SBP) and transient electromagnetic (TEM) data with a newly developed floating single-loop configuration. In October 2019, after the sudden drainage event, we took advantage of this unique situation and carried out complementary measurements directly on the exposed lake floor of Lakes Metzabok and Tzibaná. During this second campaign, we collected time-domain induced polarization (TDIP) and seismic refraction tomography (SRT) data. By integrating the multi-methodological data set, we (1) identify 5–6 m thick, likely undisturbed sediment sequences on the bottom of both lakes, which are suitable for future paleoenvironmental drilling campaigns, (2) develop a comprehensive geological model implying a strong interconnectivity between surface water and karst aquifer, and (3) evaluate the potential of the applied geophysical approach for the reconnaissance of the geological situation of karst lakes. This methodological evaluation reveals that under the given circumstances, (i) SBP and TDIP phase images consistently resolve the thickness of the fine-grained lacustrine sediments covering the lake floor, (ii) TEM and TDIP resistivity images consistently detect the upper limit of the limestone bedrock and the geometry of fluvial deposits of a river delta, and (iii) TDIP and SRT images suggest the existence of a layer that separates the lacustrine sediments from the limestone bedrock and consists of collapse debris mixed with lacustrine sediments. Our results show that the combination of seismic methods, which are most widely used for lake-bottom reconnaissance, with resistivity-based methods such as TEM and TDIP can significantly improve the interpretation by resolving geological units or bedrock heterogeneities, which are not visible from seismic data. Only the use of complementary methods provides sufficient information to develop comprehensive geological models of such complex karst environments