In vielen Städten erfordern fortschreitende Urbanisierung und Klimaerwärmung ein besseres Verständnis des urbanen Wasserkreislaufes zur Entwicklung nachhaltiger Wassernutzungskonzepte. Jedoch erschwert die Komplexität urbaner Wasserflüsse die Nutzung hydrologischer Tracer. In dieser Arbeit werden stabile Isotope des Wassers, hydrochemische und -klimatische Daten genutzt, um die Wasserverteilung und -speicherung in Berlin in den Trockenjahren 2018–2020 zu untersuchen. Auf kleinräumiger Skala wurden Unterschiede bei Evapotranspiration, unterirdischen Fließwegen und Wasserspeicherung unter urbanen Grasflächen, Sträuchern und Bäumen deutlich. Im peri-urbanen Fluss Erpe erschwerte die geringe Variabilität von Abfluss- und Isotopendynamiken die Bestimmung von Verweilzeiten und Mischprozessen. Während warmer, trockener Sommer führte ein hoher Klarwasseranteil zu einer Verschlechterung der Wasserqualität. Auf der stadtweiten Skala wurde der Einfluss von Grundwasser, Niederschlag und Abwasser auf verschiedene Flüsse untersucht. Große Variabilität der Isotopendynamiken wurde in Einzugsgebieten mit Flächenversiegelung und Regenwassereinleitung beobachtet. Die Anreicherung schwerer Isotope in Spree und Havel im Sommer und Herbst verdeutlichte den Einfluss von großskaligen Klimadynamiken und Verdunstung im stromaufwärts gelegenen Einzugsgebiet. Ein nachhaltiges Management urbaner Grünflächen sowie die Speicherung von Regenwasser können dazu beitragen, den Einfluss von Klimaänderungen auf Berlins Wasserressourcen auf lokaler Ebene abzumindern. Jedoch werden großskalige Nutzungskonzepte in den Einzugsgebieten der Spree und Havel benötigt, um Wasserverluste zu minimieren und Abflussraten aufrecht zu erhalten. Weiterführende isotopenbasierte Studien haben großes Potential, das Verständnis von Wasseralter, Abflussentstehung, Verdunstung und langfristigen Dürrefolgen, sowie der Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf andere Metropolenregionen, weiter zu verbessern. / In urban areas, progressing urbanisation and climate warming call for a comprehensive understanding of urban water cycling to establish sustainable water management strategies. However, the complexity of urban water fluxes complicates the application of hydrological tracers. This thesis used stable isotopes of water, combined with hydrochemical and climatic data, to characterise water partitioning and storage in Berlin, Germany, during the exceptionally warm and dry 2018–2020 period. At the plot-scale, differences in evapotranspiration, subsurface flow paths and storage under urban grassland, shrub and trees were evident. In the peri-urban river Erpe, low variability in discharge and isotopic dynamics limited the applicability of transit time and end member mixing approaches. During warm and dry summers, high contributions of treated wastewater effluents caused a deterioration of water quality. At the city-scale, contributions of groundwater, storm runoff and effluents to different local streams were studied. Isotope dynamics were most variable in catchments with high levels of imperviousness and connectivity to storm drains. In the Spree and Havel rivers, the isotopic enrichment in summer and autumn reflected the impact of large-scale climate dynamics and evaporative losses in the upstream catchment. To mitigate climate change impacts on Berlin’s water resources in the future, the sustainable management of urban green spaces and better capturing of urban rainfall may limit water consumption at the local scale. However, maintaining discharge in the Spree and Havel rivers during warm and dry periods will require catchment-scale management practices that limit water consumption and losses in upstream areas. Future isotope-based research in urban areas has great potential to improve the understanding of urban water ages, source contributions to urban streamflow, evaporation and long-term drought recovery, as well as upscaling the results to other metropolitan areas.

Die Arbeit besteht aus mehreren Studien zur Quantifizierung des Grundwasserstroms in Seen (Exfiltration; engl.: lacustrine groundwater discharge, LGD) und damit verbundener Nährstoffeinträge. In zwei einleitenden Kapiteln dieser Arbeit werden eine Gründe für die Vernachlässigung der Grundwasserexfiltration (LGD) in Seen und der daran gekoppelten Nährstoffeinträge identifiziert. Diese Literaturstudien fassen den aktuellen Kenntnisstand zum Einfluss des Grundwassers auf die Hydrologie von Seen und ihre Nährstoffhaushalte zusammen. Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden zwei empirische Studien, die sich mit der Quantifizierung der grundwasserbürtigen Phosphor (P)-Fracht in den Arendsee in Deutschland befassen. Das Gesamtvolumen des Grundwasserzustroms wird basierend auf der Grundwasserneubildung im Einzugsgebiet des Sees ermittelt. Lokale Muster der Grundwasserexfiltration werden anhand von Temperaturtiefenprofilen des Seesediments bestimmt. Eine Kombination der Ergebnisse ermöglicht es, die quantitativen Daten mit lokalen Informationen zu unterstützen. Die Untersuchung der Grundwasserqualität zeigt, dass die P-Konzentrationen im Grundwasser im besiedelten Bereich teilweise stark erhöht sind. Als Konsequenz daraus haben die grundwasserbürtigen P-Frachten einen Anteil von mehr als 50% an der gesamten externen P-Last des Arendsees. Das Grundwasser ist damit eine maßgebliche Ursache für die Eutrophierung des Gewässers. Drei weitere Studien widmen sich der Entwicklung und Optimierung von Ansätzen zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der Grundwasserexfiltration in Seen. Die kritische Auseinandersetzung mit den Ergebnissen der Studien zeigt die Notwendigkeit weiterer Forschung zur Verbesserung und Standardisierung der Methoden zur Bestimmung von LGD und damit verbundenen Stofftransporten auf. Der Fall des Arendsees sollte alle, Wissenschaftler und Praktiker, dazu motivieren, das Grundwasser als relevante Eutrophierungsquelle in Betracht zu ziehen. / The present work is a collection of studies on lacustrine groundwater discharge (LGD) and groundwater-borne phosphorus (P) loads. For a number of reasons, groundwater exfiltration (i.e., LGD) is often not considered in water and nutrient budgets of lakes. This is also and especially true for P which was often regarded to be immobile in groundwater until recently. Two chapters review the scientific literature regarding the impacts of groundwater on hydrology and nutrient budgets of lakes, respectively. They present mechanisms and processes of LGD as well as techniques and methods to measure LGD and related nutrient transports. Moreover, numbers of LGD volumes and loads reported in literature are presented. The core of the present work is represented by two case studies dealing with the quantification of P loads from LGD to a lake in Germany. A combination of different methods is applied to overcome the problem of quantitative large scale LGD determination without losing local spatial information. P concentrations in groundwater and LGD are investigated by detailed spatial water sampling. The results reveal that P is actually present in concentrations far above natural background concentrations in the urban groundwater. LGD-derived P loads account for more than 50% of the overall external P loads to the lake and by that contribute significantly to lake eutrophication. Three further studies are devoted to the development and improvement of approaches to determine LGD. Critical reviews of the above mentioned studies reveal the need for further research in order to standardize and improve methods for LGD and mass load determination. It is found that the appropriate method for LGD determination depends on the spatial scale of interest. The identification of P introduced by LGD as a main driver of lake eutrophication is an important finding which should encourage scientists, policy makers, and lake managers to consider groundwater as a relevant P source for lakes.

Diffuse Phosphor (P)-Austräge aus der Landwirtschaft tragen zur Gewässereutrophierung bei. Der Phosphorsättigungsgrad (DPS) ist ein etablierter Parameter, um das P-Austragsrisiko aus Böden zu erfassen. Ein bodentypunabhängiger Ansatz, der die Abschätzung des DPS durch eine einfache Standardmethode wasserlöslichen P (WSP) ermöglicht (WSP-DPS-Ansatz), wurde an europäischen Böden entwickelt. In der Dissertation wurde dieser Ansatz erstmalig: i) an tropischen Böden getestet und ii) dazu verwendet P-Austragsrisiken von Boden-P-Monitoringdaten und von landwirtschaftlichen Institutionen empfohlenen P-Gehalten abzuleiten. Neben dem DPS wurde der Einfluss der in Brasilien gängigen anorganischen Oberflächendüngung auf das Austragsrisiko mittels Laboranalysen und Feldstudien erfasst. Die Bodentypunabhängigkeit des WSP-DPS-Ansatzes wurde für Böden Brasiliens bestätigt. Infrarotspektroskopische Analysen lieferten eine Erklärung für relativ niedrige gelöste P-Konzentrationen im Oberflächenabfluss von Oxisols. Pedotransferfunktionen zwischen WSP und Methoden, die in Brasilien und Deutschland zur Abschätzung pflanzenverfügbaren P verwendet werden, ermöglichten die Berechnung von DPS-Werten aus Monitoringdaten. Erste DPS-Karten zeigten relative geringe Austragsrisiken für das Untersuchungsgebiet in Brasilien und hohe Risiken für Deutschland, die teilweise durch unterschiedliche empfohlene Boden-P-Gehalte erklärbar waren. Um mit einer einfachen und kosteneffizienten Methode sowohl die landwirtschaftliche Produktion als auch den Gewässerschutz zu berücksichtigen, wurden die Wasser- und CaCl2-Methode zur Abschätzung von pflanzenverfügbarem P mit dem WSP-DPS-Ansatz kombiniert. Dieser Ansatz könnte helfen die Herausforderungen zu lösen mit denen die Menschheit in den nächsten Jahrzehnten bezüglich P in der Landwirtschaft konfrontiert sein wird: Einer effizienten Nutzung der limitierten Ressource P und dem Schutz der Gewässer vor diffusen P-Einträgen. / Diffuse phosphorus (P) losses from agriculture contribute to the eutrophication of surface waters. The degree of P saturation (DPS) is an established parameter for assessing the risk of P loss from agricultural soils. A soil type-independent approach for estimating the DPS by a simple standard method of water-soluble phosphorus (WSP; the WSP-DPS approach) was developed on European soils. In the thesis, the WSP-DPS approach was for the first time: i) tested on tropical soils and ii) used to derive P loss risks from soil P monitoring data and from recommended soil P levels by agricultural institutions. In addition to DPS, laboratory analyses and field studies were combined to assess the risk of P loss associated with the superficial application of inorganic fertilizer, which is commonly used in Brazil. The soil type-independency of the WSP-DPS approach was confirmed for soils of Brazil. Infrared spectroscopic analyses provided an explanation for the relatively low dissolved P concentrations in the surface runoff of Oxisols. Pedotransfer functions were determined between WSP and methods used to estimate plant-available P in Brazil and Germany and allowed for the transformation of soil P monitoring data into DPS values. The first DPS maps revealed relatively low P loss risks for the investigation area in Brazil and high risks for Germany. This difference was partly explainable by the recommended soil P levels in the two countries. To consider both agricultural production and the protection of surface waters in soil P management with a simple and cost-effective method, the soil test methods of using water and CaCl2 to estimate plant-available P and the WSP-DPS approach were combined. This approach could help to solve the challenges humanity faces regarding P in agriculture in the coming decades: An efficient use of the limited resource P and the protection of surface waters from diffuse P losses.