Das entwickelte Verfahrenskonzept stellt eine abfallarme Sanierungsmethode zur simultanen Behandlung schwermetallkontaminierter und organisch belasteter Böden dar. Die vom Boden abgetrennten Schadstoffe - Schwermetalle und Organika - werden in den entsprechenden Phasen der Mikroemulsion solubilisiert. Die entwickelte Formulierung der Mikroemulsion ist dadurch charakterisiert, insbesondere polare Schadstoffe respektive Schwermetalle aus kontaminierten Bodenmaterialien zu extrahieren. Der Einsatz der entwickelten bikontinuierlichen Mikroemulsion bewirkt bereits im ersten Extraktionsschritt die nahezu vollständige Entfernung sowohl der Schwermetalle als auch der organischen Schadstoffe. Durch eine mehrstufige Extraktion ist es möglich, auch hochkontaminierte Materialien einschließlich der Feinkornfraktionen zu reinigen und somit die Menge des zu deponierenden Bodenmaterials deutlich zu reduzieren.

Südostbrasilien war während des Spätpleistozäns und des Holozäns beachtlichen Klimaschwankungen unterworfen, die vielfältige geoökologische Konsequenzen zur Folge hatten. Mit der europäischen Kolonialisierung setzte überdies ab dem frühen 16. Jahrhundert eine anthropogen verursachte Degradation ein, welche zu massiven Veränderungen des Landschaftssystems führte. Trotz einer längeren geowissenschaftlichen Forschungstradition in der Region ist der Kenntnisstand über die Auswirkungen der natürlichen und anthropogenen Veränderungen auf die Geomorphodynamik bis heute vergleichsweise gering. Bereits existierende Vorstellungen zu dieser Thematik erscheinen darüber hinaus zumindest ergänzungswürdig und müssen entsprechend des aktuellen Forschungsstandes erweitert werden. Um einen Beitrag zur Schließung dieser Forschungslücken zu leisten, wurden im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit bodengeographische und fluvialmorphologische Untersuchungen im südostbrasilianischen Guapi-Macacu Flusseinzugsgebiet durchgeführt. Im konkreten soll der Frage nachgegangen werden, ob und wie sich klimatische und anthropogene Veränderungen auf die geomorphodynamische Stabilität der Region ausgewirkt haben. Neben dem wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn können daraus gesellschaftlich relevante Informationen über zukünftige Umweltveränderungen abgeleitet werden. Zur Beantwortung solcher Fragestellungen werden in den Geowissenschaften Paläoumweltarchive genutzt. Wegen seiner naturräumlichen Gegebenheiten kommen in der Region dabei lediglich Böden oder fluviale Sedimente als Geoarchive in Frage. Folglich widmet sich der erste Teil der vorliegenden Dissertation der Bodenverbreitung und -genese im Vorland der Serra dos Órgãos-Gebirgskette. Neben der feldmethodischen Aufnahme ausgewählter Bodenprofile wurde dafür auch auf klassische physikochemische Labormethoden zurückgegriffen. Die sich daraus ergebenden bodengeographischen Befunde lassen große Übereinstimmungen mit bekannten Arbeiten aus anderen tropischen Regionen der Welt erkennen. So ist der erdoberflächennahe Untergrund an erosionsgeschützten Standorten aus stark verwitterten, (gelb)braunen Böden oder Bodensedimenten aufgebaut, welche fossile rote Bodenhorizonte und/oder einen farblich heterogenen Kristallinzersatz überlagern. An vielen Unterhängen konnten darüber hinaus teils mehrgliedrige, junge Kolluvien beschrieben werden. Um geomorphodynamische Aktivitätsperioden ausweisen zu können war v.a. die zeitliche Stellung der Hangverlagerungsprozesse von Bedeutung. Feo/Fed- und Mno/Mnd-Verhältnisse sowie geomorphologische Feldbefunde erlauben zusammen die Unterscheidung zwischen älteren und jüngeren Hangsedimenten. Die jüngsten Unterhangkolluvien konnten aufgrund eingebetteter moderner Keramik und Holzkohlen sicher in die neuzeitliche Landnutzungsperiode gestellt werden. Insgesamt ist das Archivpotenzial der Böden und Bodensedimente im Untersuchungs-gebiet jedoch gering. Die formulierten Forschungsfragen zu den Folgen von klimatischen und anthropogenen Veränderungen auf die Geomorphodynamik können damit nur unzureichend beantwortet werden. Einen Fortschritt könnten zukünftig evtl. Lumineszenzdatierungen bringen. Im zweiten Teil der Arbeit werden Untersuchungen vorgestellt, die an fluvialen Sedimentsequenzen in der Region durchgeführt wurden. Diese sind über weite Strecken aufgeschlossen und können daher vergleichsweise einfach studiert werden. Arbeiten zum Aufbau fluvialer Sedimente und Ableitungen über Paläoumweltbedingungen sind in Süd- und Südostbrasilien bisher äußerst selten und darüber hinaus ist die chronologische Auflösung meist nur unzureichend. In der vorliegenden Dissertation wurde zunächst aus 13 chronostratigraphisch bearbeiteten Einzelprofilen ein spätpleistozänes und holozänes, fluviales Standardprofil für das Guapi-Macacu Einzugsgebiet abgeleitet, welches sich aus vier deutlich zu unterscheidenden Fazieseinheiten aufbaut. 44 14C-Datierungen liefern hierfür ein solides Zeitgerüst, so dass gesicherte Aussagen über das Verhalten des Guapi-Macacu-Systems während der letzten etwa 13.000 Jahre möglich sind. Zwar stellt auch das fluviale Standardprofil kein hochauflösendes Paläoumweltarchiv dar, jedoch kann daraus ein wissenschaftlich wertvoller Erkenntnisfortschritt über die Geomorphodynamik im Untersuchungsgebiet abgeleitet werden. So weisen die Ergebnisse auf mehrfache Wechsel in der Fluvial- und Hangdynamik hin, die mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit durch großklimatische Veränderungen hervorgerufen wurden. Störungen der thermohalinen Nordatlantikzirkulation lösten an der Grenze zwischen Pleistozän und Holozän sowie am Übergang vom Mittel- zum Spätholozän eine Südwärtsverlagerung der innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) aus, wodurch sich die Südatlantische Konvergenzzone (SACZ) während der Sommermonate mit dem Südamerikanischen Monsunsystem (SAMS) verbinden konnte. Im Untersuchungsgebiet wurden dadurch feuchtere Bedingungen und gehäuft Starkregen ausgelöst, welche zu geomorphodynamisch aktiven Phasen führten. Vor allem in steilen Hanglagen und unterhalb größerer abflusswirksamer Felsflächen fanden phasenweise erhebliche Bodenabträge statt und ältere Hillwashsedimente wurden an den Unterhängen akkumuliert. In den Talböden sind die natürlichen Instabilitätsphasen durch grobklastische Schotter (Fazieseinheit I, ca. 12.800 cal. BP) sowie mächtige sandig bis kiesige Sedimente (Fazieseinheit III, ab ca. 4.700 cal. BP) dokumentiert. Bei einer vergleichsweise nördlichen Position der ITCZ, während des Früh- und Mittelholozäns, herrschten im Untersuchungsgebiet hingegen trockenere Klimabedingungen, welche zu geomorphodynamischer Stabilität führten. Diese Stabilitätsphase ist durch einen Hiatus bzw. feinkörnige fluviale Ablagerungen (Fazieseinheit II,zwischen 6.600 und 4.300 cal. BP) in den Flusstälern belegt. An den Hängen wurden zeitgleich sehr wahrscheinlich Cambisole gebildet. Mit der europäischen Kolonisation setzte zu Beginn des 16. Jahrhundert in Südostbrasilien die sukzessive Zerstörung des Atlantischen Küstenregenwaldes ein. Zuckerrohr- und Kaffeeplantagen etablierten sich und es wurde großflächig Brandrodungsfeldbau praktiziert. Dadurch wurden die Böden zeitweise entblößt, was in Verbindung mit den ergiebigen Niederschlägen erneut verstärkte Abträge zur Folge hatte. Die korrelaten Sedimente der nutzungsinduzierten Bodenerosion sind in Form von holzkohlehaltigen Unterhangkolluvien und Auenlehmen (Fazieseinheit IV) erhalten geblieben. Die 14C-Datierungen aus den Flusssedimenten belegen einen verstärkten anthropogenen Einfluss in der Region seit maximal 250 Jahren. Die vorliegende Arbeit hat gezeigt, dass Klima- und Nutzungsbedingungen das geomorphodynamische Prozessgeschehen in der Vergangenheit steuerten. Für die Zukunft sind eine Häufung von Starkniederschlägen und ein wachsender Nutzungsdruck in der Region prognostiziert. Die Ergebnisse aus der jüngeren Erdgeschichte lassen vermuten, dass es dadurch zur Landschaftsdestabilisierung verbunden mit großflächigen Hangrutschungen kommen wird. Diese werden v.a. in besiedelten Regionen sehr ernstzunehmende Naturgefahren für die Bevölkerung darstellen. / A growing number of publications from southeastern Brazil points to significant climatic and subsequently substantial geo-ecological changes during the latest Pleistocene and Holocene. Additionally, the European colonization led to anthropogenically triggered landscape degradation since the early 16th century. Even though there has been a long-term geoscientific research tradition in that region, the impacts of these changes on geomorphodynamic processes are not well understood so far. Existing concepts dealing with these topics need to be improved according to the current state of research. Hence, this doctoral thesis attempts to partly close this gap of knowledge. Therefore, pedological and sedimentological investigations were carried out at several outcrops within the Guapi-Macau river basin, SE-Brazil. Especially, this work aims to answer the research question if and how climate changes and increased human impact affected geomorphodynamic stability of this region. In addition to its scientific importance, this topic is of high relevance for the prediction of future environmental changes as well. Geoarchives are used in geosciences for the reconstruction of Quaternary palaeoenvironments. Due to local geographic conditions, only soils and fluvial sediments can be used as palaeoenvironmental archives in the study area. Consequently, the first part of this thesis deals with soil distribution and soil development in the foreland of the Serra dos Órgãos Mountains. Standard field descriptions and physicochemical laboratory methods were applied to characterize the regional soils. The results show that these soils have great similarities with other tropical regions of the world. In the study area a standard soil profile contains of a strongly weathered, (yellowish)brown soil horizon or hillwash sediment, covering a fossil reddish soil horizon and/or a heterogeneous weathering mantel. Additionally, relatively young colluvial soils can be observed in many footslope positions. To identify phases of geomorphic activity, the temporal evolution of hillslope deposition is of great importance. A combination of Feo/Fed- and Mno/Mnd-ratios as well as the assessment of the geomorphic position of the sites allowed a relative distinction of older from younger hillslope deposits in the region. In detail, whereas youngest colluvial layers developed during the modern period of land use intensification, could be identified by embedded modern pottery as well as high amounts of charcoal, a further distinction of older hillslope deposits was not possible with the applied methods. Furthermore, often their preservation state is not sufficient so that their potential as archives for palaeoenvironmental research is very limited. However, future luminescence dating would be an option to establish a late Quaternary chronology of hillslope deposits. In the second part of this thesis, investigations of fluvial sediments of the region will be presented. They are exposed over longer distances of the river courses in the Guapi-Macau catchment so that they could easily be studied. Comparable works on the architecture of fluvial sediments are very rare in SE-Brazil, and furthermore their palaeoenvironmental interpretation often remains doubtful due to insufficient age control. Based on chronostratigraphical investigations of 13 fluvial exposures a latest Pleistocene and Holocene standard profile for the Guapi-Macau catchment were developed. The investigations revealed four different facies units that are clearly distinguishable from each other. 44 14C-datings provide a reliable time frame for the reconstruction of the Guapi-Macacu river system during the last approx. 13.000 cal. years BP. Although the fluvial sediments are discontinuous and thus do not offer high resolution proxy data, important findings concerning geomorphodynamic processes could be extracted from them. The results point on multiple changes of the overall geomorphodynamic conditions, very likely triggered by large-scale climate changes. Disturbances in the thermohaline circulation of the northern Atlantic caused a southwards shift of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) at the Pleistocene/Holocene boundary as well as at the transition from the Mid- to the Late Holocene. Consequently, the South Atlantic Convergence Zone (SACZ) was connected with the South American Monsoon System (SAMS) during summer, producing periods of intense precipitation over large parts of southeastern South America where the study area is located. Especially at steep slopes and below larger areas of bare bedrock phases of geomorphic activity periodically appeared. Significant amount of soil were eroded, and older hillwash sediments were deposited on the footslopes. In the floodplains, coarse grained gravels (Unit I, approx. 12.800 cal. BP) and several meters of planar or cross-bedded sands to fine gravels (Unit III, after approx. 4.700 cal. BP) document periods of natural geomorphodynamic instability. Due to a more northerly position of the ITCZ, the study area was obviously drier and geomorphologically more stable during the Early and Mid-Holocene. This is documented by a hiatus or fine-grained deposits (Unit II, from approx. 6.600 to 4.300 cal. BP), respectively. On the slopes probably (yellowish)brown cambisols developed simultaneously. Since the European colonization starting from the early 16th century large areas of valuable Atlantic rainforest were destroyed. Instead, sugar cane and coffee plantations were established, and slash-and-burn agriculture became a common land use practice. Soils were exposed and prevailing strong rains led to high rates of soil erosion again. Correlate sediments of this man-made soil erosion are preserved as charcoal-containing hillslope colluvium and fine-grained floodplain sediments (Unit IV). Radiocarbon ages from the fluvial loams point on increased human impact for the last max. 250 years. The present doctoral thesis demonstrates that climatic changes and human impact strongly affected geomorphodynamic processes of SE-Brazil during the past. There are predictions of a larger frequency of intense rainfall events and increased land use pressure for the future. The presented results from the geological history suggest that landscape destabilization and large-scale landslides could be direct consequences of such changes. As seen already today, especially in highly populated regions this could be serious natural hazards which can affect human health.

In der Baupraxis werden gemischtkörnige Böden oft als Baustoff für Erdbauwerke oder als Baugrund angetroffen. Die Klassifizierung dieser Böden erfolgt gemäß DIN 18196 nach der Korngrößenverteilung. Es fehlt ein Verfahren zur zahlenmäßigen Beschreibung des Zustands auf der Grundlage von definierten experimentellen Grenzwerten. Für Sand-Schluff-Gemische wurden Verfahren zur Modellierung der Grenzporenzahlen entwickelt. In diesem Beitrag werden Ansätze zur Beschreibung des Zustands gemischtkörniger Böden mit plastischem Feinkorn mit dem Bodenzustandsindex vorgestellt. Diese beruhen u. a. auf experimentellen Untersuchungen zur Verdichtbarkeit von zwei Modellmischungen mit unterschiedlichem Feinkorngehalt.

Geokunststoffe sind beständige Produkte aus Polymeren, die in Boden eingelegt werden um geotechnische Probleme zu lösen. Eine Kategorie der Geokunststoffe sind Geogitter, bei denen die Längs- und Querelemente eine offene, gitterförmige Struktur bilden und die meist zur Bodenbewehrung eingesetzt werden. Ihre Verwendung zur Bewehrung von gering tragfähigen Böden für kunststoffbewehrte Erd- und Stützbauwerke kann enorme ökologische und ökonomische Vorteile bieten. Trotz der Tatsache, dass die Verwendung von Geogittern in den letzten Jahren stark zugenommen hat, sind die Grundlagen zum Bau und zur Bemessung limitiert. Besonders die Schlüsselfrage, wie Geogitter und verschiedene Lockergesteine in unterschiedlichen Belastungssituationen interagieren, ist ingenieursmäßig nur lückenhaft untersucht worden. Im Rahmen dieser Dissertation wurde deshalb in über 250 großmaßstäblichen Scher-, Herauszieh- und Reibungsversuchen das Verbundverhalten Geokunststoff/Locker¬gestein eingehend untersucht. Dazu wurden 14 handelsübliche Geogitter, die teilweise auch modifiziert wurden, in dem Interaktionsprüfgerät des Institutes für Geotechnik der TU Bergakademie Freiberg mit verschiedenen Böden systematisch getestet. Die vielen Versuchsanordnungen und die aus ihnen abgeleiteten Überlegungen und gewonnenen Erkenntnisse belegten, dass die wichtigsten Parameter interagieren, und zwar in verschiedenen Abhängigkeiten wie weitere Variationen der Bodenparameter (Kornverteilung, Wassergehalte, Verdichtung, Bindemittelzusatz etc.), der unterschiedlichen Geogitterparameter (Oberflächenbeschaffenheit, Struktur, etc.) und der Belastung gezeigt haben. Darüber hinaus wurde das Interaktionsprüfgerät für zukünftige Versuche weiterentwickelt (Entkopplung des Versuchseinbaus vom Versuchsgerät usw.). Der Fokus der Forschungsarbeit lag dabei in der Schaffung von Grundlagenkenntnissen für den gemeinsamen Einsatz von bindigen Lockergesteinen und Geokunststoffen. Bei rolligen Böden zeigte sich, dass die Rautiefe sich stärker (positiv) auf die Widerstände auswirkt als bei den bindigen Böden. Hingegen waren bei bindigen Böden die Auswirkungen durch eine Erhöhung der Querelemente deutlicher. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass dreidimensionale Querelemente das Verbundverhalten verbessern und Tests an Geogittern mit einem größeren Verhältnis von Öffnungsweite zu Maschenweite zeigten höhere Adhäsionswerte. Die Reibungsversuche hatten einen gleichmäßigeren Verlauf und geringere Streuungen zwischen den unterschiedlichen Geogittern, weshalb aufgrund der deutlicheren Unterschiede zwischen den Produkten bei den Herausziehversuchen detaillierte Schlussfolgerungen gezogen werden konnten. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Bemessungsgrundlagen und ermöglicht ein detaillierteres Verständnis des Verbundverhaltens. Des Weiteren werden Vorschläge ausgearbeitet die im Labor erzielten Ergebnisse auf die Baupraxis zu übertragen, wie zum Beispiel durch das Vermeiden von Trennflächen zwischen Geogitter und Boden bei der Verdichtung. / Geosynthetics are durable polymeric products placed in soil to help solve civil engi-neering problems; one category of these is geogrids. Geogrids are polymers formed into an open, grid-like configuration and function primarily as soil reinforcement. Their use to reinforce soil with weak bearing capacity could have big ecological and economical advantages. Although geogrid use has grown in recent years, there is still limited design information available due to the wide variety of design configurations and soil variability. One of the key factors lacking for more widespread engineering implementation is a greater understanding of the interaction between various geogrids and soil combinations when exposed to different load effects. In more than 250 shear, pull-out, and friction tests, this interaction behavior was examined in detail. Fourteen general geogrids (sometimes additionally modified) using dif-ferent soil types were systematically tested in the Interaction Testing Device at the Geotechnical Institute of the TU Bergakademie Freiberg. Combining the huge quantity of test results with a theoretical analysis, the main parameters which affect soil behavior could be defined. Furthermore the Interaction Testing Device could be improved for test in future. Our analysis showed us that the roughness of the geogrid has more of a beneficial impact on the strength of frictional soils than it does for silty soils. Silty soils however, were more affected by the height of cross elements in the geogrid than other types. It was also observed that 3D elements in the cross machine direction improve the interaction behavior. Tests with geogrids which have a bigger ratio of opening size to mesh size showed higher adhesion values. The friction test results were more regular, had a uniform progress and had smaller differences between geogrid configurations. Therefore, conclusions with higher certainty could be drawn from the pull-out tests with the differential results. The present research contributes to the limited design information to help provide a better understanding of the interaction behavior. Furthermore, suggestions are given to use the laboratory detected results in real-world applications, one of which is the way of compaction to minimize the potential for creating a slip-surface between the geogrid and soil.

Geokunststoffe sind beständige Produkte aus Polymeren, die in Boden eingelegt werden um geotechnische Probleme zu lösen. Eine Kategorie der Geokunststoffe sind Geogitter, bei denen die Längs- und Querelemente eine offene, gitterförmige Struktur bilden und die meist zur Bodenbewehrung eingesetzt werden. Ihre Verwendung zur Bewehrung von gering tragfähigen Böden für kunststoffbewehrte Erd- und Stützbauwerke kann enorme ökologische und ökonomische Vorteile bieten. Trotz der Tatsache, dass die Verwendung von Geogittern in den letzten Jahren stark zugenommen hat, sind die Grundlagen zum Bau und zur Bemessung limitiert. Besonders die Schlüsselfrage, wie Geogitter und verschiedene Lockergesteine in unterschiedlichen Belastungssituationen interagieren, ist ingenieursmäßig nur lückenhaft untersucht worden. Im Rahmen dieser Dissertation wurde deshalb in über 250 großmaßstäblichen Scher-, Herauszieh- und Reibungsversuchen das Verbundverhalten Geokunststoff/Locker¬gestein eingehend untersucht. Dazu wurden 14 handelsübliche Geogitter, die teilweise auch modifiziert wurden, in dem Interaktionsprüfgerät des Institutes für Geotechnik der TU Bergakademie Freiberg mit verschiedenen Böden systematisch getestet. Die vielen Versuchsanordnungen und die aus ihnen abgeleiteten Überlegungen und gewonnenen Erkenntnisse belegten, dass die wichtigsten Parameter interagieren, und zwar in verschiedenen Abhängigkeiten wie weitere Variationen der Bodenparameter (Kornverteilung, Wassergehalte, Verdichtung, Bindemittelzusatz etc.), der unterschiedlichen Geogitterparameter (Oberflächenbeschaffenheit, Struktur, etc.) und der Belastung gezeigt haben. Darüber hinaus wurde das Interaktionsprüfgerät für zukünftige Versuche weiterentwickelt (Entkopplung des Versuchseinbaus vom Versuchsgerät usw.). Der Fokus der Forschungsarbeit lag dabei in der Schaffung von Grundlagenkenntnissen für den gemeinsamen Einsatz von bindigen Lockergesteinen und Geokunststoffen. Bei rolligen Böden zeigte sich, dass die Rautiefe sich stärker (positiv) auf die Widerstände auswirkt als bei den bindigen Böden. Hingegen waren bei bindigen Böden die Auswirkungen durch eine Erhöhung der Querelemente deutlicher. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass dreidimensionale Querelemente das Verbundverhalten verbessern und Tests an Geogittern mit einem größeren Verhältnis von Öffnungsweite zu Maschenweite zeigten höhere Adhäsionswerte. Die Reibungsversuche hatten einen gleichmäßigeren Verlauf und geringere Streuungen zwischen den unterschiedlichen Geogittern, weshalb aufgrund der deutlicheren Unterschiede zwischen den Produkten bei den Herausziehversuchen detaillierte Schlussfolgerungen gezogen werden konnten. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Bemessungsgrundlagen und ermöglicht ein detaillierteres Verständnis des Verbundverhaltens. Des Weiteren werden Vorschläge ausgearbeitet die im Labor erzielten Ergebnisse auf die Baupraxis zu übertragen, wie zum Beispiel durch das Vermeiden von Trennflächen zwischen Geogitter und Boden bei der Verdichtung. / Geosynthetics are durable polymeric products placed in soil to help solve civil engi-neering problems; one category of these is geogrids. Geogrids are polymers formed into an open, grid-like configuration and function primarily as soil reinforcement. Their use to reinforce soil with weak bearing capacity could have big ecological and economical advantages. Although geogrid use has grown in recent years, there is still limited design information available due to the wide variety of design configurations and soil variability. One of the key factors lacking for more widespread engineering implementation is a greater understanding of the interaction between various geogrids and soil combinations when exposed to different load effects. In more than 250 shear, pull-out, and friction tests, this interaction behavior was examined in detail. Fourteen general geogrids (sometimes additionally modified) using dif-ferent soil types were systematically tested in the Interaction Testing Device at the Geotechnical Institute of the TU Bergakademie Freiberg. Combining the huge quantity of test results with a theoretical analysis, the main parameters which affect soil behavior could be defined. Furthermore the Interaction Testing Device could be improved for test in future. Our analysis showed us that the roughness of the geogrid has more of a beneficial impact on the strength of frictional soils than it does for silty soils. Silty soils however, were more affected by the height of cross elements in the geogrid than other types. It was also observed that 3D elements in the cross machine direction improve the interaction behavior. Tests with geogrids which have a bigger ratio of opening size to mesh size showed higher adhesion values. The friction test results were more regular, had a uniform progress and had smaller differences between geogrid configurations. Therefore, conclusions with higher certainty could be drawn from the pull-out tests with the differential results. The present research contributes to the limited design information to help provide a better understanding of the interaction behavior. Furthermore, suggestions are given to use the laboratory detected results in real-world applications, one of which is the way of compaction to minimize the potential for creating a slip-surface between the geogrid and soil.

No description available.

Südostbrasilien war während des Spätpleistozäns und des Holozäns beachtlichen Klimaschwankungen unterworfen, die vielfältige geoökologische Konsequenzen zur Folge hatten. Mit der europäischen Kolonialisierung setzte überdies ab dem frühen 16. Jahrhundert eine anthropogen verursachte Degradation ein, welche zu massiven Veränderungen des Landschaftssystems führte. Trotz einer längeren geowissenschaftlichen Forschungstradition in der Region ist der Kenntnisstand über die Auswirkungen der natürlichen und anthropogenen Veränderungen auf die Geomorphodynamik bis heute vergleichsweise gering. Bereits existierende Vorstellungen zu dieser Thematik erscheinen darüber hinaus zumindest ergänzungswürdig und müssen entsprechend des aktuellen Forschungsstandes erweitert werden. Um einen Beitrag zur Schließung dieser Forschungslücken zu leisten, wurden im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit bodengeographische und fluvialmorphologische Untersuchungen im südostbrasilianischen Guapi-Macacu Flusseinzugsgebiet durchgeführt. Im konkreten soll der Frage nachgegangen werden, ob und wie sich klimatische und anthropogene Veränderungen auf die geomorphodynamische Stabilität der Region ausgewirkt haben. Neben dem wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn können daraus gesellschaftlich relevante Informationen über zukünftige Umweltveränderungen abgeleitet werden. Zur Beantwortung solcher Fragestellungen werden in den Geowissenschaften Paläoumweltarchive genutzt. Wegen seiner naturräumlichen Gegebenheiten kommen in der Region dabei lediglich Böden oder fluviale Sedimente als Geoarchive in Frage. Folglich widmet sich der erste Teil der vorliegenden Dissertation der Bodenverbreitung und -genese im Vorland der Serra dos Órgãos-Gebirgskette. Neben der feldmethodischen Aufnahme ausgewählter Bodenprofile wurde dafür auch auf klassische physikochemische Labormethoden zurückgegriffen. Die sich daraus ergebenden bodengeographischen Befunde lassen große Übereinstimmungen mit bekannten Arbeiten aus anderen tropischen Regionen der Welt erkennen. So ist der erdoberflächennahe Untergrund an erosionsgeschützten Standorten aus stark verwitterten, (gelb)braunen Böden oder Bodensedimenten aufgebaut, welche fossile rote Bodenhorizonte und/oder einen farblich heterogenen Kristallinzersatz überlagern. An vielen Unterhängen konnten darüber hinaus teils mehrgliedrige, junge Kolluvien beschrieben werden. Um geomorphodynamische Aktivitätsperioden ausweisen zu können war v.a. die zeitliche Stellung der Hangverlagerungsprozesse von Bedeutung. Feo/Fed- und Mno/Mnd-Verhältnisse sowie geomorphologische Feldbefunde erlauben zusammen die Unterscheidung zwischen älteren und jüngeren Hangsedimenten. Die jüngsten Unterhangkolluvien konnten aufgrund eingebetteter moderner Keramik und Holzkohlen sicher in die neuzeitliche Landnutzungsperiode gestellt werden. Insgesamt ist das Archivpotenzial der Böden und Bodensedimente im Untersuchungs-gebiet jedoch gering. Die formulierten Forschungsfragen zu den Folgen von klimatischen und anthropogenen Veränderungen auf die Geomorphodynamik können damit nur unzureichend beantwortet werden. Einen Fortschritt könnten zukünftig evtl. Lumineszenzdatierungen bringen. Im zweiten Teil der Arbeit werden Untersuchungen vorgestellt, die an fluvialen Sedimentsequenzen in der Region durchgeführt wurden. Diese sind über weite Strecken aufgeschlossen und können daher vergleichsweise einfach studiert werden. Arbeiten zum Aufbau fluvialer Sedimente und Ableitungen über Paläoumweltbedingungen sind in Süd- und Südostbrasilien bisher äußerst selten und darüber hinaus ist die chronologische Auflösung meist nur unzureichend. In der vorliegenden Dissertation wurde zunächst aus 13 chronostratigraphisch bearbeiteten Einzelprofilen ein spätpleistozänes und holozänes, fluviales Standardprofil für das Guapi-Macacu Einzugsgebiet abgeleitet, welches sich aus vier deutlich zu unterscheidenden Fazieseinheiten aufbaut. 44 14C-Datierungen liefern hierfür ein solides Zeitgerüst, so dass gesicherte Aussagen über das Verhalten des Guapi-Macacu-Systems während der letzten etwa 13.000 Jahre möglich sind. Zwar stellt auch das fluviale Standardprofil kein hochauflösendes Paläoumweltarchiv dar, jedoch kann daraus ein wissenschaftlich wertvoller Erkenntnisfortschritt über die Geomorphodynamik im Untersuchungsgebiet abgeleitet werden. So weisen die Ergebnisse auf mehrfache Wechsel in der Fluvial- und Hangdynamik hin, die mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit durch großklimatische Veränderungen hervorgerufen wurden. Störungen der thermohalinen Nordatlantikzirkulation lösten an der Grenze zwischen Pleistozän und Holozän sowie am Übergang vom Mittel- zum Spätholozän eine Südwärtsverlagerung der innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) aus, wodurch sich die Südatlantische Konvergenzzone (SACZ) während der Sommermonate mit dem Südamerikanischen Monsunsystem (SAMS) verbinden konnte. Im Untersuchungsgebiet wurden dadurch feuchtere Bedingungen und gehäuft Starkregen ausgelöst, welche zu geomorphodynamisch aktiven Phasen führten. Vor allem in steilen Hanglagen und unterhalb größerer abflusswirksamer Felsflächen fanden phasenweise erhebliche Bodenabträge statt und ältere Hillwashsedimente wurden an den Unterhängen akkumuliert. In den Talböden sind die natürlichen Instabilitätsphasen durch grobklastische Schotter (Fazieseinheit I, ca. 12.800 cal. BP) sowie mächtige sandig bis kiesige Sedimente (Fazieseinheit III, ab ca. 4.700 cal. BP) dokumentiert. Bei einer vergleichsweise nördlichen Position der ITCZ, während des Früh- und Mittelholozäns, herrschten im Untersuchungsgebiet hingegen trockenere Klimabedingungen, welche zu geomorphodynamischer Stabilität führten. Diese Stabilitätsphase ist durch einen Hiatus bzw. feinkörnige fluviale Ablagerungen (Fazieseinheit II,zwischen 6.600 und 4.300 cal. BP) in den Flusstälern belegt. An den Hängen wurden zeitgleich sehr wahrscheinlich Cambisole gebildet. Mit der europäischen Kolonisation setzte zu Beginn des 16. Jahrhundert in Südostbrasilien die sukzessive Zerstörung des Atlantischen Küstenregenwaldes ein. Zuckerrohr- und Kaffeeplantagen etablierten sich und es wurde großflächig Brandrodungsfeldbau praktiziert. Dadurch wurden die Böden zeitweise entblößt, was in Verbindung mit den ergiebigen Niederschlägen erneut verstärkte Abträge zur Folge hatte. Die korrelaten Sedimente der nutzungsinduzierten Bodenerosion sind in Form von holzkohlehaltigen Unterhangkolluvien und Auenlehmen (Fazieseinheit IV) erhalten geblieben. Die 14C-Datierungen aus den Flusssedimenten belegen einen verstärkten anthropogenen Einfluss in der Region seit maximal 250 Jahren. Die vorliegende Arbeit hat gezeigt, dass Klima- und Nutzungsbedingungen das geomorphodynamische Prozessgeschehen in der Vergangenheit steuerten. Für die Zukunft sind eine Häufung von Starkniederschlägen und ein wachsender Nutzungsdruck in der Region prognostiziert. Die Ergebnisse aus der jüngeren Erdgeschichte lassen vermuten, dass es dadurch zur Landschaftsdestabilisierung verbunden mit großflächigen Hangrutschungen kommen wird. Diese werden v.a. in besiedelten Regionen sehr ernstzunehmende Naturgefahren für die Bevölkerung darstellen. / A growing number of publications from southeastern Brazil points to significant climatic and subsequently substantial geo-ecological changes during the latest Pleistocene and Holocene. Additionally, the European colonization led to anthropogenically triggered landscape degradation since the early 16th century. Even though there has been a long-term geoscientific research tradition in that region, the impacts of these changes on geomorphodynamic processes are not well understood so far. Existing concepts dealing with these topics need to be improved according to the current state of research. Hence, this doctoral thesis attempts to partly close this gap of knowledge. Therefore, pedological and sedimentological investigations were carried out at several outcrops within the Guapi-Macau river basin, SE-Brazil. Especially, this work aims to answer the research question if and how climate changes and increased human impact affected geomorphodynamic stability of this region. In addition to its scientific importance, this topic is of high relevance for the prediction of future environmental changes as well. Geoarchives are used in geosciences for the reconstruction of Quaternary palaeoenvironments. Due to local geographic conditions, only soils and fluvial sediments can be used as palaeoenvironmental archives in the study area. Consequently, the first part of this thesis deals with soil distribution and soil development in the foreland of the Serra dos Órgãos Mountains. Standard field descriptions and physicochemical laboratory methods were applied to characterize the regional soils. The results show that these soils have great similarities with other tropical regions of the world. In the study area a standard soil profile contains of a strongly weathered, (yellowish)brown soil horizon or hillwash sediment, covering a fossil reddish soil horizon and/or a heterogeneous weathering mantel. Additionally, relatively young colluvial soils can be observed in many footslope positions. To identify phases of geomorphic activity, the temporal evolution of hillslope deposition is of great importance. A combination of Feo/Fed- and Mno/Mnd-ratios as well as the assessment of the geomorphic position of the sites allowed a relative distinction of older from younger hillslope deposits in the region. In detail, whereas youngest colluvial layers developed during the modern period of land use intensification, could be identified by embedded modern pottery as well as high amounts of charcoal, a further distinction of older hillslope deposits was not possible with the applied methods. Furthermore, often their preservation state is not sufficient so that their potential as archives for palaeoenvironmental research is very limited. However, future luminescence dating would be an option to establish a late Quaternary chronology of hillslope deposits. In the second part of this thesis, investigations of fluvial sediments of the region will be presented. They are exposed over longer distances of the river courses in the Guapi-Macau catchment so that they could easily be studied. Comparable works on the architecture of fluvial sediments are very rare in SE-Brazil, and furthermore their palaeoenvironmental interpretation often remains doubtful due to insufficient age control. Based on chronostratigraphical investigations of 13 fluvial exposures a latest Pleistocene and Holocene standard profile for the Guapi-Macau catchment were developed. The investigations revealed four different facies units that are clearly distinguishable from each other. 44 14C-datings provide a reliable time frame for the reconstruction of the Guapi-Macacu river system during the last approx. 13.000 cal. years BP. Although the fluvial sediments are discontinuous and thus do not offer high resolution proxy data, important findings concerning geomorphodynamic processes could be extracted from them. The results point on multiple changes of the overall geomorphodynamic conditions, very likely triggered by large-scale climate changes. Disturbances in the thermohaline circulation of the northern Atlantic caused a southwards shift of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) at the Pleistocene/Holocene boundary as well as at the transition from the Mid- to the Late Holocene. Consequently, the South Atlantic Convergence Zone (SACZ) was connected with the South American Monsoon System (SAMS) during summer, producing periods of intense precipitation over large parts of southeastern South America where the study area is located. Especially at steep slopes and below larger areas of bare bedrock phases of geomorphic activity periodically appeared. Significant amount of soil were eroded, and older hillwash sediments were deposited on the footslopes. In the floodplains, coarse grained gravels (Unit I, approx. 12.800 cal. BP) and several meters of planar or cross-bedded sands to fine gravels (Unit III, after approx. 4.700 cal. BP) document periods of natural geomorphodynamic instability. Due to a more northerly position of the ITCZ, the study area was obviously drier and geomorphologically more stable during the Early and Mid-Holocene. This is documented by a hiatus or fine-grained deposits (Unit II, from approx. 6.600 to 4.300 cal. BP), respectively. On the slopes probably (yellowish)brown cambisols developed simultaneously. Since the European colonization starting from the early 16th century large areas of valuable Atlantic rainforest were destroyed. Instead, sugar cane and coffee plantations were established, and slash-and-burn agriculture became a common land use practice. Soils were exposed and prevailing strong rains led to high rates of soil erosion again. Correlate sediments of this man-made soil erosion are preserved as charcoal-containing hillslope colluvium and fine-grained floodplain sediments (Unit IV). Radiocarbon ages from the fluvial loams point on increased human impact for the last max. 250 years. The present doctoral thesis demonstrates that climatic changes and human impact strongly affected geomorphodynamic processes of SE-Brazil during the past. There are predictions of a larger frequency of intense rainfall events and increased land use pressure for the future. The presented results from the geological history suggest that landscape destabilization and large-scale landslides could be direct consequences of such changes. As seen already today, especially in highly populated regions this could be serious natural hazards which can affect human health.

Das entwickelte Verfahrenskonzept stellt eine abfallarme Sanierungsmethode zur simultanen Behandlung schwermetallkontaminierter und organisch belasteter Böden dar. Die vom Boden abgetrennten Schadstoffe - Schwermetalle und Organika - werden in den entsprechenden Phasen der Mikroemulsion solubilisiert. Die entwickelte Formulierung der Mikroemulsion ist dadurch charakterisiert, insbesondere polare Schadstoffe respektive Schwermetalle aus kontaminierten Bodenmaterialien zu extrahieren. Der Einsatz der entwickelten bikontinuierlichen Mikroemulsion bewirkt bereits im ersten Extraktionsschritt die nahezu vollständige Entfernung sowohl der Schwermetalle als auch der organischen Schadstoffe. Durch eine mehrstufige Extraktion ist es möglich, auch hochkontaminierte Materialien einschließlich der Feinkornfraktionen zu reinigen und somit die Menge des zu deponierenden Bodenmaterials deutlich zu reduzieren.

The thesis was conducted to investigate soil fertility changes and assess the sustainability of agroecological management in different land-use systems of the southern Ecuadorian Andes using quantitative and qualitative methods. Ecuador still holds the highest deforestation rate of all Latin American countries which also has a large impact in the research area by forest conversion into agricultural land. Agricultural land-use systems in the research area are multifaceted due to heterogeneous biophysical and socio-economic conditions. To map this diversity, land-use systems were investigated in Yantzaza (low-external-input), El Tambo (irrigated cash crops) and San Lucas (integrated nutrient management). Yet, management effects on soil fertility have not been assessed systematically in Ecuadorian farming systems which hampers the evaluation whether agroecological management is sustainable. Therefore, the present study used a set of quantitative and qualitative approaches to assess soil fertility changes at plot and farm scale with a nutrient balance/chronosequence approach and local expert knowledge. Nutrient balances were modeled with Nutmon after adaptation of difficult-to-quantify flows to the local conditions facilitating area and land-use specific calculation. Soil nutrient balances in the research area were diverse and varied between −151 to 66 kg ha-1 a-1, −4 to 33 kg ha-1 a-1 and −346 to 39 kg ha-1 a-1 for NPK, respectively. The evaluation of socio-economic and soil fertility explanatory variables revealed that up to 70% of the balances’ variability could be explained. Land-uses with a strong market orientation such as annual crops in El Tambo received large amounts of external inputs which were often focused on mineral N fertilization causing strongly negative PK balances. In contrast, P balances were mainly positive after the application of organic fertilizers and nutrient recycling as was found in perennial crops of San Lucas. NP balances in annual crops of Yantzaza were most negative due to the low-external-input system with nonexistent fertilization as well as leaching and burning of crop residues. Highest soil nutrient stocks were found in land-uses benefiting from a surplus of within-farm flows. The quantification of soil nutrient stocks and their temporal changes were carried out with a chronosequence approach in Yantzaza. SOC stocks in annual/perennial crops and pastures decreased between 14% and 19% after forest conversion by slash-and-burn. Annual sites were abandoned not later than five years after forest conversion due to a shortage of available N and P closely linked to low-external-input management. Stocks for TN, TP, TS and exchangeable bases increased above forest level in perennial crops and pastures 6-20 years after forest conversion. Yet a strong decrease in SOC and soil nutrient stocks was found in oldest perennial and pasture sites compared to medium aged sites. This was traced back to adverse site processes such as the decay of clay humus complexes, leaching as well as poor pasture management. To assess sustainability of the agroecological management, a set of sustainability indicators was implemented including N balances, yearly N stock change and SOC stocks as well as total (TN) and available (PO4-P) soil nutrient stocks. Sustainability assessment took place based on individual land-uses and nutrients within each pilot study since soil fertility change did not show a consistent trend within one research area. Despite mainly negative soil nutrient balances, the impact on the yearly soil nutrient stock change was often negligible due to large soil nutrient pools. Annual and perennial crops of Yantzaza and pastures of San Lucas exceeded the threshold value of 1% for yearly TN stock losses. Yet, only annual crops in Yantzaza, having the highest yearly TN stock losses of 4.9%, also showed severe TN and SOC losses between 15-25% below those of the forest reference area. Therefore, the present agroecological management of annuals in Yantzaza is not sustainable which was also indicated by the abandonment of these sites not later than 5 years after forest conversion due to soil fertility decline. Hence, it is proposed to install an integrated agricultural management in annual crops of Yantzaza using nutrient recycling and fertilization for the replenishment of soil nutrient stocks. Nutrient balance studies indicated an average N-fertilizer application of more than 200 kg ha-1 a-1 for annual crops in El Tambo and low SOC stocks in soils of the colluvial foot slopes. Therefore, a laboratory incubation experiment was conducted to investigate fertilization effects of urea and newly introduced guinea pig manure on the microbial activity in colluvial and eroded soils of El Tambo. While urea fertilization induced an acceleration of SOM mineralization, a combined fertilization (urea + GPM) increased the amount of microbial biomass and provided mineral nitrogen for immediate plant uptake. SOM stocks in colluvial soils were 40% below those of eroded soils which was partly due to the positive priming effect after urea fertilization. A participatory appraisal with local farmers resulted in the adaptation of the present harvest residue management aiming at SOM maintenance in colluvial soils. Yet, the calculation of the potential for SOM replenishment indicated that only the maize residue biomass had the potential to compensate for SOM mineralization losses. Therefore, it is recommended to support SOM replenishment by additional organic inputs since SOM has to be maintained in the long-term to enable agricultural productivity.

In der vorliegenden Arbeit werden die Möglichkeiten einer Nutzung thermal-infraroter Wellenlängen zur fernerkundlichen Erfassung/Quantifizierung von Bodenparametern vorgestellt. Die Studie basiert auf Bodenproben des Untersuchungsgebietes Mullewa, welches sich in einer semiariden Agrarregion im West-Australischen Weizengürtel befindet. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Bewertung des langwelligen Infrarots (LWIR), innerhalb des atmosphärischen Fensters zwischen 8 und 14 Mikrometer, bezüglich seines spektralen Potentials für die quantitative Ableitung des Ton- und Sandgehaltes sowie des Gehaltes an organischem Kohlenstoff (SOC). Zur Abschätzung der Effizienz wurden die Ergebnisse des LWIR einer Quantifizierung aus dem herkömmlich gebrauchten solar-reflektiven Wellenlängenbereichs zwischen 0,4 und 2,5 Mikrometer (VNIR-SWIR) gegenübergestellt. Mit verschiedenen Methoden der Laborspektroskopie wurden Bodenproben aus dem Untersuchungsgebiet im thermalen (Emissions-FTIR-Spektroskopie und direktional-hemisphärische Reflexions- (DHR) Spektroskopie)und im solar-reflektiven (Diffuse Reflexions-Spektroskopie) Wellenlängenbereich eingemessen und anschließend auf ihren Informationsgehalt hin untersucht. Die quantitative Modellierung der pedologischen Parameter aus den gemessenen spektralen Signaturen wurde mithilfe einer multivariaten Regressionsanalyse (Partial Least Squares Regression – PLSR) realisiert. Diese Grundlagenstudie konnte zeigen, dass die spektralen Voraussetzungen im LWIR für ein mögliches Monitoring der Bodenparameter mit thermalen Fernerkundungsdaten gegeben sind. Die Arbeit demonstriert darüber hinaus, dass für die Erfassung/Quantifizierung der Textur-Parameter (Sand- und Tongehalt) der relevante spektrale Informationsgehalt im LWIR deutlich höher ist als im VNIR-SWIR. / This study embraces the feasibility of using the thermal infrared wavelength region for future remote sensing applications to detect/quantify soil parameters. The research is based on soil samples from the semiarid agricultural area of Mullewa, located within the wheat belt of Western Australia. The main focus of this study is to assess the potential of the longwave infrared (LWIR), within the atmospheric window between 8 and 14 micrometer, to predict the content of sand, clay and organic carbon (SOC) in soils. The results are compared with predictions made with the traditionally used solar-reflective wavelength region (visible, VIS: 0.4 - 0.7 micrometer; near infrared, NIR: 0.7 - 1.1 micrometer; shortwave infrared, SWIR: 1.1 - 2.5 micrometer). Using laboratory spectroscopy, the Mullewa soil samples were measured, both in the thermal infrared (emission FTIR spectroscopy and directional hemispherical reflection (DHR) spectroscopy) and in the solar-reflective (diffuse reflection spectroscopy) wavelength region. This data was analyzed to determine the relevant content of information for the soil parameters. Multivariate regression analyses (partial least squares regression - PLSR) were used to quantitatively model the soil parameters from the spectral signatures. This basic research demonstrated that the spectral requirements in the LWIR are met for monitoring these soil parameters with thermal remote sensing instruments. Furthermore the study found that the relevant spectral information for the detection/quantification of the sand- and the clay content (textural parameters) is explicitly higher in the LWIR than in the VNIR-SWIR.