Monitoring der Landschaftsraumoberflächen und Biodiversität mittels Drohnen- und Satellitendaten in der Modellregion Lausitz (LauMon); Teilvorhaben 2: Hydrologische und Kohlenstoff-Inventarisierung

Abstract

Die Lausitz ist durch den langjährigen Braunkohletagebau sowie durch damit verbundene Eingriffe in den Wasser- und Stoffhaushalt der Landschaft stark geprägt. Neben großräumigen Veränderungen der Grund- und Oberflächenwasserverhältnisse führten diese Eingriffe auch zu tiefgreifenden Veränderungen der Bodenstruktur und -fruchtbarkeit. Vor dem Hintergrund des Klimawandels, steigender Verdunstung, sinkender Niederschläge und eines umfassenden Strukturwandels steht die Region vor der Herausforderung, Wasserressourcen nachhaltig zu bewirtschaften, neue Landschaften zu entwickeln und Ökosystemleistungen langfristig zu sichern. Für eine zielgerichtete Planung und Bewertung dieser Prozesse ist ein flächendeckendes, zeitlich hochaufgelöstes Monitoring von Wasser- und Kohlenstoffhaushalt erforderlich. Klassische bodengestützte Messnetze liefern zwar präzise Zeitreihen an einzelnen Standorten, erlauben jedoch nur eingeschränkt Aussagen über räumliche Muster und kleinräumige Veränderungen. Fernerkundungsdaten hingegen bieten eine nahezu flächendeckende Abdeckung, sind jedoch mit Unsicherheiten behaftet und bedürfen einer sorgfältigen Einbindung in bestehende Monitoringkonzepte. Das Arbeitspaket 4 des Verbundprojekts LauMon hatte daher das Ziel, innovative Methoden zur Verknüpfung bodengestützter Messungen mit Fernerkundungsdaten zu entwickeln und anzuwenden. Der Fokus lag auf der Ableitung räumlich hochaufgelöster und zeitlich dynamischer Informationen zum regionalen Wasserhaushalt sowie zum organischen Kohlenstoff in Böden und Gewässersedimenten. Dabei sollte insbesondere untersucht werden, inwieweit natürliche Prozesse und anthropogene Eingriffe, insbesondere durch Landnutzungsänderungen und den Bergbau, voneinander unterschieden und quantifiziert werden können. Wissenschaftlich knüpfte das Vorhaben an etablierte hydrologische Analyseverfahren (z. B. empirische orthogonale Funktionen), satellitengestützte Produkte zur Verdunstung sowie bestehende Ansätze zur Abschätzung von Bodenkohlenstoff an. Gleichzeitig adressierte es bestehende Forschungslücken, insbesondere hinsichtlich der Übertragbarkeit dieser Methoden auf stark heterogene und sich dynamisch verändernde Landschaften wie die Lausitz. Zur Bearbeitung der Aufgaben wurden umfangreiche hydrologische und bodenkundliche Datensätze aus verschiedenen Quellen zusammengeführt. Diese umfassten Zeitreihen von Grundwasserständen, Wasserständen und Abflüssen von Oberflächengewässern sowie Messungen des organischen Bodenkohlenstoffs und Daten zur Wasserqualität ausgewählter Tagebauseen. Ergänzend wurden mehrere satellitenbasierte Datensätze, insbesondere zur Evapotranspiration und zum Bodenkohlenstoffgehalt, aufbereitet und analysiert. Ein zentraler methodischer Ansatz war die Anwendung der empirischen orthogonalen Funktionen-Analyse (EOF), um dominante Einflussfaktoren auf den Wasserhaushalt und dessen zeitliche Dynamik zu identifizieren. Diese Analyse ermöglichte es, natürliche saisonale Schwankungen von anthropogen verursachten Effekten, wie Tagebauaktivitäten oder wasserwirtschaftlichen Steuerungen, zu trennen. Die Ergebnisse der EOF-Analysen wurden anschließend genutzt, um auch für Messstellen mit kurzen oder lückenhaften Zeitreihen Aussagen zur hydrologischen Dynamik abzuleiten. Abschließend wurden die gewonnenen Erkenntnisse mithilfe statistischer und maschineller Lernverfahren (u. a. Random Forest) in räumlich hochaufgelöste Karten überführt, die eine integrierte Darstellung der Einflussfaktoren auf den Wasserhaushalt ermöglichen. Zur Bewertung der Evapotranspiration wurden mehrere etablierte und neuere satellitenbasierte Produkte miteinander sowie mit bodengestützten Messungen verglichen. Ziel war es, die Eignung der satellitenbasierten Produkte für regionale und lokale Anwendungen in der Lausitz systematisch zu bewerten. Im Bereich der Kohlenstoffmodellierung wurden vorhandene in-situ Messungen vereinheitlicht und mit satellitenbasierten Produkten und Literaturdaten verglichen. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit langjähriger Zeitreihen lag der Schwerpunkt auf der Bewertung bestehender Datengrundlagen und der Prüfung möglicher Proxies für eine flächendeckende Abschätzung der Kohlenstoffsequestrierung. Durch die Kombination bodengestützter Messungen, Fernerkundungsdaten und statistischer Analyseverfahren konnten zentrale Einflussgrößen auf den Wasserhaushalt der Lausitz identifiziert und räumlich abgegrenzt werden. Insbesondere konnten die Auswirkungen des Tagebaus auf Grund- und Oberflächenwasser klar von natürlichen hydrologischen Prozessen unterschieden werden. Die satellitenbasierten Verdunstungsprodukte sind grundsätzlich geeignet, die raum-zeitliche Dynamik der Evapotranspiration abzubilden. Unterschiede zwischen den Produkten bestehen vor allem in ihrer räumlichen Auflösung und in der Genauigkeit absoluter Werte. Die entwickelten flächendeckenden Karten der Wasserhaushaltskomponenten mit einer räumlichen Auflösung von 30 m stellen eine wesentliche Grundlage für zukünftige wasserwirtschaftliche und landschaftsplanerische Entscheidungen dar. Sie ermöglichen die Identifikation besonders vulnerabler Gebiete durch anthropogene Eingriffe sowie die gezielte Planung von Maßnahmen zum Wasserrückhalt und zur Renaturierung. Die vorhandene Datengrundlage ist für eine belastbare, flächendeckende Modellierung der Kohlenstoffsequestrierung derzeit noch unzureichend. Satellitenbasierte Produkte liefern zwar Hinweise auf räumliche Unterschiede, weisen jedoch hohe Unsicherheiten in den absoluten Werten auf. Die Ergebnisse unterstreichen den Bedarf an langfristigen, konsistenten Messreihen und einer besseren Verknüpfung von Boden-, Wasser- und Fernerkundungsdaten. Insgesamt leistete das AP 4 einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung integrierter Monitoringansätze für den Wasser- und Kohlenstoffhaushalt in stark anthropogen geprägten Landschaften und schaffte eine fundierte Basis für ein nachhaltiges Landschafts- und Ressourcenmanagement in der Lausitz.