SOC stock assessment in drylands based on a combined ecohydrology and aerial imagery approach : a case study in the Negev desert, Israel

Abstract: The global soil system forms the largest pool of terrestrial organic carbon. The inventory of soil organic carbon (SOC) is required for greenhouse gas inventories and carbon mitigation projects. Especially in (semi-) arid ecosystems the size and the dynamics of the SOC pool still lack sufficient investigation. Based on the increasing interest in reliable estimates of SOC stocks in drylands, this thesis aims for the quantification of SOC stocks and patterns in the Northern Highlands of the Negev Desert (Israel) on a regional scale considering SOC spatial heterogeneity at a local scale.
The Negev Highlands were chosen as an ideal study site because they represent a characteristic arid environment and several studies regarding lithology, hydrology and vegetation have been carried out there.
Because of the high spatial heterogeneity of environmental conditions at local scale in this area, slope sections with different ecohydrologic characteristics (e.g. soil, vegetation) were sampled and SOC stocks were calculated. To identify controlling factors of SOC stocks on rocky desert slopes, soil properties, vegetation coverage, SOC concentrations and stocks were compared between distinctive ecohydrological environments (EHEs). The EHEs are characterized by similar surface conditions (such as geology, rock/soil ratio and soil distribution), water supply and vegetation density. Rock-soil interaction and the relevance of soil volume for storing plant available water and hence the water supply for vegetation coverage determining SOC concentrations and stocks were further examined. Rainfall simulation experiments were therefore conducted to determine the amount of rainfall required to fill the available soil water storage capacity. The design and the selection of the plots aimed specifically at observing infiltration into small soil patches on a micro-scale relevant for prevalent vegetation coverage. Based on this experimental procedure the relationship between environmental properties and SOC concentrations and stocks regarding the distinctive EHEs could be identified at local scale. For the determination of local scale SOC spatial heterogeneity at regional scale an approach towards automated mapping of EHEs was developed. Therefore spatial vegetation pattern indices were calculated based on the analysis of hyperspectral and orthoimage datasets. The indices were then used as variables in a decision tree model for automated mapping of EHEs. For the quantification of SOC stocks at regional scale considering local scale spatial heterogeneity of SOC concentrations and driving processes, a GIS-based image analysis approach was developed using vegetation coverage and EHEs as proxy indicators for SOC concentrations and patterns. The calculated SOC stocks indicate that rocky desert slopes contain a significant amount of SOC of soil-covered areas of 1.54 kg C m-2, with an average SOC stock over the entire study site of 0.58 kg C m-2. The calculated SOC-stock for the total area (1km2) is 1.19t C ha-1. Based on the results of this thesis, the understanding of ecohydrological conditions and processes and remote sensing techniques were combined in one methodological approach. This implemented procedure provides the precise estimation of SOC-stocks in arid environments by combining field data and digital image processing approaches. ---------- Zusammenfassung: Böden stellen weltweit den grössten Speicher von terrestrischem organischem Kohlenstoff dar. Durch die Quantifizierung von organischem Kohlenstoff in Böden besteht die Möglichkeit, sowohl Treibhausgasinventare zu erstellen als auch Massnahmen zur Verringerung von Kohlenstoffemissionen einzuleiten. Insbesondere in (semi-)ariden Gebieten ist sowohl die Grösse als auch die Dynamik des organischen Kohlenstoffspeichers noch weitgehend eine unbekannte Grösse. Kohlenstoffinventare werden generell für unterschiedliche Skalen berechnet (lokal, regional, global). Insbesondere auf regionaler und globaler Skala ist die Quantifizierung von organischem Kohlenstoff mit grossen Ungenauigkeiten verbunden, da die räumliche Heterogenität von Kohlenstoffkonzentration und -verteilung auf lokaler Ebene aufgrund des methodischen Vorgehens nicht berücksichtigt werden kann. Ausgehend von dem steigenden internationalen wissenschaftlichen Interesse an einer zuverlässigen und präzisen Inventarisierung von Kohlenstoff in Trockengebieten ist das Ziel dieser Arbeit die Quantifizierung von Kohlenstoffvorrat und -verteilung in den Northern Highlands der Negev Wüste, Israel. Die Berechnung wurde hierbei auf regionaler Skala durchgeführt, wobei die räumliche Heterogenität der Kohlenstoffkonzentrationen auf lokaler Ebene mit einbezogen wurde. Die Negev Highlands wurden als Untersuchungsgebiet ausgewählt, da diese ein charakteristisches Trockengebiet darstellen und dort bereits zahlreiche Studien zu Lithologie, Hydrologie und Vegetation durchgeführt wurden, die als Grundlage für die vorliegende Untersuchung genutzt werden konnten.
Das Untersuchungsgebiet ist auf lokaler Skala geprägt durch eine hohe räumliche Heterogenität der ökologischen Gegebenheiten. Aufgrund dessen wurden Hangbereiche mit unterschiedlichen ökohydrologischen Eigenschaften (z.B. Boden, Vegetation) beprobt und sowohl Kohlenstoffkonzentrationen als auch -vorräte berechnet. Um die Faktoren zu identifizieren, welche die Kohlenstoffvorräte beeinflussen, wurden Bodeneigenschaften, Vegetationsbedeckung und Kohlenstoffkonzentrationen zwischen unterschiedlichen Ökohydrologischen Einheiten verglichen, wobei jede Ökohydrologische Einheit durch charakteristische Oberflächeneigenschaften (z.B. Geologie, Boden/Stein Verhältnis, Verteilung von Boden), Wasserversorgung und Vegetationsdichte charakterisiert ist. In einem nächsten Schritt wurde das Zusammenwirken von Boden- und Steinflächen und die Bedeutung von Bodenvolumen für die Speicherung von pflanzenverfügbarem Wasser untersucht. Wasserversorgung spielt in Trockengebieten eine wichtige Rolle, da diese Vegetationsdichte und -verteilung bestimmt und sich somit direkt auf Kohlenstoffkonzentrationen und -vorräte auswirkt. Mit Hilfe von Beregnungsexperimenten wurde die Niederschlagsmenge ermittelt, die notwendig ist, um die Wasserspeicherkapazität des Bodens zu füllen. Die Auswahl und Form der Versuchsflächen zielte speziell darauf ab, die Infiltrationsmenge in kleine Bodenflächen auf Mikro-Skala zu berechnen. Aufgrund dieses methodischen Vorgehens war es möglich, den Zusammenhang zwischen den ökologischen Gegebenheiten und Kohlenstoffkonzentrationen und -vorräten in den unterschiedlichen Ökohydrologischen Einheiten auf lokaler Skala zu identifizieren. Um die räumliche Heterogenität von organischem Kohlenstoff auf lokaler Ebene auch auf grösseren
Skalen quantifizieren zu können, wurde ein Ansatz zur automatischen Kartierung der Ökohydrologischen Einheiten auf regionaler Skala entwickelt. Hierzu wurden Vegetationsindizes berechnet, die aus der Analyse von Hyperspektral- und Orthobildern abgeleitet wurden. Die Indizes wurden anschliessend als Variablen in einem Entscheidungsbaummodell verwendet. Um ein Kohlenstoffinventar auf regionaler Skala für das Untersuchungsgebiet zu erstellen wurde eine Geographisches Informationssystem (GIS) gestützte Bildanalysemethode entwickelt. Durch die Verwendung von Vegetationsbedeckung und Ökohydrologische Einheiten als Proxy-Indikatoren für Kohlenstoffkonzentrationen und -verteilung konnte die räumliche Heterogenität von Kohlenstoffkonzentrationen und -vorräten auf lokaler Ebene berücksichtigt werden. Die daraus berechneten Kohlenstoffvorräte zeigen, dass Wüstenböden eine signifikante Menge Kohlenstoff von 1.54 kg C m-2 enthalten, mit einem durchschnittlichen Wert von 0.58 kg C m-2. Das berechnete Kohlenstoffinventar für das gesamte Untersuchungsgebiet beträgt 1.19t C ha-1. Die entwickelte und angewendete Methode gewährleistet eine präzise Quantifizierung von Kohlenstoffinventaren in Trockengebieten, indem die Analyse von ökohydrologischen Gegebenheiten und Prozessen durch Feldmessungen, die Auswertung von Fernerkundungsdaten und Bildverarbeitungsverfahren in einem Ansatz kombiniert wurden.