Co-evolution of erosion rates, weathering and profile development in soil landscapes of hummocky ground moraines

English. Soil is today considered a non-renewable resource on societal time scale, as the rate of soil loss is higher than the one of soil formation. Soil formation is complex, can take several thousands of years and is influenced by a variety of factors, one of them is time. Oftentimes, there is the assumption of constant and progressive conditions for soil and/or profile development (i.e., steady-state). In reality, for most of the soils, their (co-)evolution leads to a complex and irregular soil development in time and space characterised by “progressive” and “regressive” phases. Lateral transport of soil material (i.e., soil erosion) is one of the principal processes shaping the land surface and soil profile during “regressive” phases and one of the major environmental problems the world faces. Anthropogenic activities like agriculture can exacerbate soil erosion. Thus, it is of vital importance to distinguish short-term soil redistribution rates (i.e., within decades) influenced by human activities differ from long-term natural rates. To do so, soil erosion (and denudation) rates can be determined by using a set of isotope methods that cover different time scales at landscape level. With the aim to unravel the co-evolution of weathering, soil profile development and lateral redistribution on a landscape level, we used Pluthonium-239+240 (239+240Pu), Beryllium-10 (10Be, in situ and meteoric) and Radiocarbon (14C) to calculate short- and long-term erosion rates in two settings, i.e., a natural and an anthropogenic environment in the hummocky ground moraine landscape of the Uckermark, North-eastern Germany. The main research questions were: 1. How do long-term and short-term rates of soil redistributing processes differ? 2. Are rates calculated from in situ 10Be comparable to those of using meteoric 10Be? 3. How do soil redistribution rates (short- and long-term) in an agricultural and in a natural landscape compare to each other? 4. Are the soil patterns observed in northern Germany purely a result of past events (natural and/or anthropogenic) or are they imbedded in ongoing processes? Erosion and deposition are reflected in a catena of soil profiles with no or almost no erosion on flat positions (hilltop), strong erosion on the mid-slope and accumulation of soil material at the toeslope position. These three characteristic process domains were chosen within the CarboZALF-D experimental site, characterised by intense anthropogenic activities. Likewise, a hydrosequence in an ancient forest was chosen for this study and being regarded as a catena strongly influenced by natural soil transport. The following main results were obtained using the above-mentioned range of isotope methods available to measure soil redistribution rates depending on the time scale needed (e.g., 239+240Pu, 10Be, 14C): 1. Short-term erosion rates are one order of magnitude higher than long-term rates in agricultural settings. 2. Both meteoric and in situ 10Be are suitable soil tracers to measure the long-term soil redistribution rates giving similar results in an anthropogenic environment for different landscape positions (e.g., hilltop, mid-slope, toeslope) 3. Short-term rates were extremely low/negligible in a natural landscape and very high in an agricultural landscape – -0.01 t ha-1 yr-1 (average value) and -25 t ha-1 yr-1 respectively. On the contrary, long-term rates in the forested landscape are comparable to those calculated in the agricultural area investigated with average values of -1.00 t ha-1 yr-1 and -0.79 t ha-1 yr-1. 4. Soil patterns observed in the forest might be due to human impact and activities started after the first settlements in the region, earlier than previously postulated, between 4.5 and 6.8 kyr BP, and not a result of recent soil erosion. 5. Furthermore, long-term soil redistribution rates are similar independently from the settings, meaning past natural soil mass redistribution processes still overshadow the present anthropogenic erosion processes. Overall, this study could make important contributions to the deciphering of the co-evolution of weathering, soil profile development and lateral redistribution in North-eastern Germany. The multi-methodological approach used can be challenged by the application in a wider range of landscapes and geographic regions.

German. Boden wird heute im gesellschaftlichen Zeitmaßstab als nicht erneuerbare Ressource angesehen, da die Geschwindigkeit des Bodenverlusts höher ist als die der Bodenbildung. Bodenbildung ist komplex, kann mehrere tausend Jahre dauern und wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst, unter anderem Zeit. Häufig wird von konstanten und fortschreitenden Bedingungen für die Boden- und/oder Profilentwicklung (d. h. «Steady-State») ausgegangen. Tatsächlich führt ihre (Co-)Evolution bei den meisten Böden zu einer komplexen und zeitlich und räumlich unregelmäßigen Bodenentwicklung, die durch „progressive“ und „regressive“ Phasen gekennzeichnet ist. Der laterale Transport von Bodenmaterial (d. h. Bodenerosion) ist einer der Hauptprozesse, der die Landoberfläche und das Bodenprofil während „rückläufiger“ Phasen bilden, und eines der größten Umweltprobleme, mit denen die Welt konfrontiert ist. Anthropogene Aktivitäten wie die Landwirtschaft können die Bodenerosion verstärken. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, kurzfristige Bodenumverteilungsraten (d. h. innerhalb von Jahrzehnten), die durch menschliche Aktivitäten beeinflusst werden, von langfristigen natürlichen Raten zu unterscheiden. Zu diesem Zweck können Bodenerosions- (und Denudations-) Raten mithilfe einer Reihe von Isotopenmethoden bestimmt werden, die verschiedene Zeitskalen auf Landschaftsebene abdecken. Mit dem Ziel, die Co-Evolution von Verwitterung, Bodenprofilentwicklung und lateraler Umverteilung auf Landschaftsebene aufzuklären, verwendeten wir Plutonium-239+240 (239+240Pu), Beryllium-10 (10Be, in situ und meteorisch) und Radiokohlenstoff (14C) zur Berechnung kurz- und langfristiger Erosionsraten in zwei Umgebungen: einer natürlichen und einer anthropogenen Umgebung in der hügeligen Grundmoränenlandschaft der Uckermark in Nordostdeutschland. Die wichtigsten Forschungsfragen waren: 1. Wie unterscheiden sich langfristige und kurzfristige Raten von Bodenumverteilungsprozessen? 2. Sind die aus in situ 10Be berechneten Raten vergleichbar mit denen der Verwendung von meteorischem 10Be? 3. Wie verhalten sich Bodenumlagerungsraten (kurz- und langfristig) in einer Agrar- und in einer Naturlandschaft zueinander? 4. Sind die in Norddeutschland beobachteten Bodenmuster reine Folge vergangener Ereignisse (natürlich und/oder anthropogen) oder sind sie in laufende Prozesse eingebettet? Erosion und Ablagerung spiegeln sich in einer Kette von Bodenprofilen mit keiner oder fast keiner Erosion auf flachen Positionen (Hügelkuppe), starker Erosion auf der Hangmitte und Anhäufung von Bodenmaterial am Hangfuss wider. Diese drei charakteristischen Prozessdomänen wurden innerhalb des CarboZALF-D-Versuchsstandorts ausgewählt, der durch intensive anthropogene Aktivitäten gekennzeichnet ist. Ebenso wurde für diese Studie eine Hydrosequenz in einem alten Wald ausgewählt, die als stark vom natürlichen Bodentransport beeinflusste Catena angesehen wird. Die folgenden Hauptergebnisse wurden unter Verwendung der oben erwähnten Reihe von Isotopenmethoden erzielt, die zur Messung der Bodenumverteilungsraten in Abhängigkeit von der erforderlichen Zeitskala (z. B. 239+240Pu, 10Be, 14C) verfügbar sind: 1. Im landwirtschaftlichen Umfeld sind kurzfristige Erosionsraten eine Größenordnung höher als langfristige Raten. 2. Sowohl meteorisches als auch in situ 10Be sind geeignete Bodenindikatoren, um die langfristigen Bodenumverteilungsraten zu messen. Sie liefern ähnliche Ergebnisse in einer anthropogenen Umgebung für verschiedene Landschaftspositionen (z. B. Hügelkuppe, Mittelhang, Hangfuss). 3. Die Kurzzeitraten waren in einer Naturlandschaft extrem niedrig/vernachlässigbar und in einer Agrarlandschaft sehr hoch – -0,01 t ha-1 Jahr-1 (Durchschnittswert) bzw. -25 t ha-1 Jahr- 1. Im Gegensatz dazu sind die langjährigen Belastungen in der Waldlandschaft vergleichbar mit den berechneten in der untersuchten landwirtschaftlichen Fläche mit Durchschnittswerten von -1,00 t ha-1 Jahr-1 und -0,79 t ha-1 Jahr-1. 4. Die im Wald beobachteten Bodenmuster könnten auf menschliche Einflüsse und Aktivitäten zurückzuführen sein, die nach den ersten Siedlungen in der Region begannen, und nicht auf die jüngste Bodenerosion. Diese Aktivitäten könnten früher als zuvor angenommen, zwischen 2’500 und 4’800 Jahren vor Christus, erfolgt sein. 5. Darüber hinaus sind die langfristigen Bodenumverteilungsraten unabhängig vom Umfeld ähnlich, was bedeutet, dass vergangene natürliche Bodenmassenumverteilungsprozesse immer noch die gegenwärtigen anthropogenen Erosionsprozesse überschatten. Insgesamt konnte diese Studie wichtige Beiträge zur Entschlüsselung der Co-Evolution von Verwitterung, Bodenprofilentwicklung und lateraler Umverteilung in Nordostdeutschland leisten. Der verwendete multimethodische Ansatz kann durch die Anwendung in einem breiteren Spektrum von Landschaften und geografischen Regionen herausgefordert werden.