Schwermetalle in Waldböden des Schönbuchs: Bestandsaufnahme - ökologische Verhältnisse - Umweltrelevanz ; 34 Tabellen
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Tübingen
Selbstverl. des Geographischen Inst. der Univ.
1998
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| adam_text | Titel: Schwermetalle in Waldböden des Schönbuchs
Autor: Beck, Rolf Karl
Jahr: 1998
Inhaltsverzeichnis
INHALTSVERZEICHNIS
Seite
Inhalt...........................................I
Verzeichnis der Abbildungen ...........................III
Verzeichnis der Tabellen ..............................VI
1. Einleitung und Zielsetzung.............................1
2. Arbeitsgebiet und geogene Grundlagen ....................3
2.1 Relief, Geologie, Hydrographie..........................6
2.2 Klima ...........................................9
2.3 Waldbau und Vegetation..............................9
2.4 Böden...........................................11
2.5 Periglaziallagenproblem und Schwermetalle .................13
3. Auswahl der Profilstandorte auf Grundlage der
forstlichen Standortskarte.............................15
4. Methodische Hinweise ...............................19
4.1 Analytische Basismethoden............................20
4.2 Beprobung und Feldansprache der Profile...................21
5. Ergebnisse - Bestandsaufnahme.........................22
5.1 Schwermetall-Quantitäten und Belastungssituation ............22
5.1.1 Schwermetall-Quantitäten und Bodensubstrat................24
5.2 Schwermetall-Quantitäten und geologische Profilposition........27
5.3 Bodenprofile - Kennzeichnung und SM-Verhältnisse............31
5.3.1 Methodisches Vorgehen ..............................31
5.3.2 Böden über Lias a ..................................32
5.3.3 Böden über Stubensandstein (km4).......................36
5.3.4 Böden auf Decklehm (dl)..............................44
5.3.5 Böden auf Knollenmergel (km5) .........................47
5.3.6 Böden auf Rhät (ko) .................................50
5.3.8 Varianz der SM-Verhältnisse und Steuerfaktoren..............54
5.3.8.1 Anthropogener und geogener Einfluß .....................54
Inhaltsverzeichnis
5.3.8.2 Bestandeseinfluß ...................................59
5.3.8.3 Der Einfluß von Löß und Periglaziallagen ...................61
6. Ergebnisse - ökologische Verhältnisse.....................64
6.1 Methodischer Ansatz zur Schwermetall-Bilanzierung ...........64
6.2 Anteil und Bedeutung der SM-Fraktionen von Böden in
unterschiedlicher geologischer Profilposition.................67
6.2.1 Bilanzierung geologisch und periglazial bedingter
SM-Charakteristika..................................69
6.3 Bilanzierung der SM-Fraktionen im Profiltiefenverlauf...........71
6.3.1 SM-Gewinne und -Verluste, km4-Sand-Profile................71
6.3.2 SM-Gewinne und -Verluste, Profil aus Alluvien (a).............72
6.3.3 SM-Gewinne und -Verluste, Profile über Lias a ...............73
6.3.4 SM-Gewinne und -Verluste, Profile über Decklehm (dl)..........75
6.3.5 SM-Gewinne und -Verluste, Profile über Knollenmergel (km5) .....76
6.3.6 SM-Gewinne und -Verluste, Profile über km4- Ton/Schutt........77
6.3.7 SM-Gewinne und -Verluste, Rhät-Profile (ko) ................78
6.3.8 SM-Gewinne und -Verluste - Zusammenfassung ..............79
6.4 Wechselwirkungen zwischen Interflow- und SM-Verhältnissen .... 82
6.5 Ausmaß der Bleianreicherung auf den verschiedenen
Standortseinheiten..................................88
6.5.1 Methodik - Relativer Bleianreicherungsgradient...............88
6.5.2 Blei-Anreicherungsverhalten und Steuerparameter.............89
6.6 Ausmaß der Zinkauswaschung auf den verschiedenen
Standortseinheiten..................................94
6.6.1 Anhaltspunkte einer verstärkten Zinkabfuhr.................94
6.6.2 Merkmale und Ausmaß der verstärkten Abfuhr von Zink
gegenüber Blei.....................................96
7. Ergebnisse - Umweltrelevanz...........................103
7.1 Methodik zur Ermittlung des Boden-Sorptionsvermögens
gegenüber Schwermetallen ............................103
7.1.1 Begriffsbestimmung - Sorption..........................103
7.1.2 Grundsätzliches zur Ermittlung des Sorptionsvermögens.........104
7.1.3 Beschreibung der Labormethodik ........................106
7.2 Sorptionsverhältnisse der Böden auf unterschiedlichen
Standortseinheiten..................................107
Abbildungsverzeichnis III
7.2.1 Merkmale der Sorptionsverhältnisse interflowloser,
sandreicher Böden ..................................110
7.2.2 Merkmale der Sorptionsverhältnisse von Böden
mit Interflowbedingungen .............................114
7.2.3 Bindungsstärken der SM-Fraktionen in Abhängigkeit der
allgemeinen Sorptionsleistung des Bodensubstrats ............115
7.2.4 Aspekte zur Bewertung der Sorptionsverhältnisse im Profil-
Tiefenverlauf unter Berücksichtigung der Interflowverhältnisse .... 117
7.3 Bewertung des Sorptionsvermögens der Böden auf
den verschiedenen Standortseinheiten.....................119
7.3.1 Bewertungsschematische Umsetzung der Meßergebnisse........124
7.4 Mathematische Beziehungen zur quantitativen Ableitung
des Schwermetall-Sorptionsvermögens von Böden ............129
7.4.1 Berechnungsgrundlagen und -methodik....................130
8. Zusammenfassung ..................................1 35
9. Literaturverzeichnis .................................138
10. Anhang .........................................A1
Verzeichnis der Abbildungen
(SM = Schwermetall)
Abb.1 Der Naturpark Schönbuch im süddeutschen Schichtstufenland .... 3
Abb.2 Lage des Arbeitsgebiets im Naturpark Schönbuch.............4
Abb.3 Geländemodell des Arbeitsgebiets........................5
Abb.4 Geologische Ausstattung des Arbeitsgebiets ................7
Abb.5 Geologische Schichtfolge im Untersuchungsgebiet ............8
Abb.6 Karte der standörtlichen Einheiten im Arbeitsgebiet............16
Abb.7 Kompartimentmodell eines Waldökosystems nach Mayer........22
Abb.8 SM-Gehaltsspannen der Böden im Arbeitsgebiet - Einstufung
nach gesetzlichen Prüf- und Grenzwertverordnungen...........23
Abb.9 Zuordnung der Profile im Arbeitsgebiet zur geologischen Lage .... 28
Abb. 10 Mittlere SM-Gehalte der Böden auf unterschiedlicher Geologie .... 29
Abb. 11 SM-Tiefenverteilung von Böden aus Penglaziallagen über Liasar .... 32
Abb. 12 Idealisiertes Boden- und SM-Tiefenprofil über Liaso............34
Abb. 13 SM-Tiefenverteilung von Böden über Stubensandstein (km4) .....36
Abb. 14 Idealisiertes Boden- und SM-Tiefenprofil über km4-Sand.........38
IV Abbildungsverzeichnis
Abb. 15 SM-Tiefenverteilung von Böden über km4-Ton und -Schuttlagen ... 40
Abb. 16 Idealisiertes Boden- und SM-Tiefenprofil über km4-Ton -Schuttl. ... 42
Abb. 17 SM-Tiefenverteilung von Böden auf Decklehm (dl).............44
Abb. 18 Idealisiertes Boden- und SM-Tiefenprofil (dl).................45
Abb. 19 SM-Tiefenverteilung von Böden aus Periglaziallagen über
Knollenmergel (km5).................................47
Abb.20 Idealisiertes Boden- und SM-Tiefenprofil (km5)...............48
Abb.21 SM-Tiefenverteilung von Böden aus Periglaziallagen
über Rhätsandstein (ko) ..............................50
Abb.22 SM-Tiefenverteilung eines Alluvialbodens (a) ................52
Abb.23 Mittlere Anteile der SM-Fraktionen von Böden auf
unterschiedlicher Geologie.............................67
Abb.24 Vergleich der SM-Fraktionsmuster von Haupt- und Basislagen
differenziert nach geologischen Profilstandorten ..............69
Mittlere SM-Gehalte aus der Gesamtprobenzahl differenziert
nach zunehmender Profiltiefe im Vergleich mit deren
%-Anteil am Gesamt-SM-Gehalt für die Profile:
Abb.25 Stubensandstein (km4-Sand) ...........................71
Abb.26 Alluvium (a).......................................72
Abb.27 Liaso ...........................................73
Abb.29 Decklehm (dl) .....................................75
Abb.30 Knollenmergel (km5).................................76
Abb.31 km4-Ton /-Schuttlagen ...............................77
Abb.32 Rhätsandstein (ko) ..................................78
Abb.33 Gesamtproben ohne Berücksichtigung der Geologie............79
Abb.34 Vergleich - Mittiere Bleiverhältnisse Oberböden - Unterböden
in verschiedener geologischer Position.....................81
Abb.35 Abflußbilanz eines Mehrschichtprofils unter künstl. Beregnung .... 83
Abb.36 Schematisierte Interflowtypen in Abhängigkeit von
Bodensubstrat- und Schichtung .........................84
Abb.37 Wirkungsbeispiel von Oberflächen- und grundnahen Interflow-
verhältnissen auf die Bleiverteilung im Profiltiefenverlauf ........85
Abb.38 Wirkungsbeispiel oberflächennaher Interflow-Verhältnisse
auf die Bleiverteilung im Profiltiefenverlauf..................86
Abb.39 Wirkungsbeispiel ausschließlich grundnahen Interflows auf
die Bleiverteilung im Profiltiefenverlauf ....................87
Abb.40 Relative Blei-Anreicherungs-Gradienten der Bodenprofile auf
den untersuchten Standortseinheiten......................90
Abbildungsverzeichnis V
Abb.41 Gegenüberstellung - Relative Blei-Anreicherungs-Gradienten
und mittlere Bleianteile der Bodenprofile ...................91
Abb.42 Absoluter Vergleich von Zink- und Bleigehalten im
Profiltiefenverlauf...................................95
Abb.43 Situation der Zinkverlagerung im Spiegel des Zn/Pb-Quotienten .... 97
Abb.44 Größenordnung der Zinkverlagerung und -auswaschung in
Abhängigkeit ihrer Hauptsteuerfaktoren....................100
Abb.45 Sorptionsstärken verschiedener SM im Profil-Tiefenverlauf.......105
Abb.46 Sorptionsverhältnisse im Profiltiefenverlauf von interflowlosen
bis Böden mit sandreicher Bodenart und extrem saurer bis neutraler
Abb. 53 Bodenreaktion .....................................108
Abb. 54 Sorptionsverhältnisse im Profiltiefenverlauf von Interflow-
bis Böden mit tonreicher Stauschicht und extrem bis stark saurer
Abb.58 Bodenreaktion im Wasserleiter..........................111
Abb.59 Sorptionsverhältnisse im Profiltiefenverlauf von Interflow-Böden
bis mit weniger tonreicher Stauschicht und sehr stark saurer Boden-
Abb.62 reaktion im Wasserleiter ..............................112
Abb.63 Sorptionsverhältnisse im Profiltiefenverlauf von Interflow-Böden
bis mit tonreicher Stauschicht und nur mäßig saurer Bodenreaktion
Abb.66 im Wasserleiter ....................................113
Abb.67 Vergleich: mittlere generelle und selektive SM-Mobilität in
Abhängigkeit vom Gesamtsorptionsvermögen des Bodenmaterials ..116
Abb.68 SM-Sorptionsvermögen der Böden auf den untersuchten Standorts-
einheiten bis zum Anstehenden oder max. 1m Profiltiefe ........120
Abb.69 SM-Sorptionsvermögen der Böden auf den untersuchten Standorts-
einheiten bis zum oberflächennahen Interflow auslösenden Horizont 121
Abb.70 Übersicht: Quantifizierte Haupt-Steuerfaktoren und Bewertung der
Böden nach ihrem Filter- und Puffervermögen für SM ..........126
Abb.71 Bodenarten- und Sorptionsunterschiede der Mineralboden-Horizonte
unter Zuordnung der jeweiligen Profil-Interflowverhältnisse.......128
Abb.72 Beziehungen zur quantitativen Abschätzung des SM-
Sorptionsvermögens verschiedener Kontrollsektionen
unter Berücks. der Umweltrelevanz.......................132
VI Tabellenverzeichnis
Verzeichnis der Tabellen
Tab.1 Erläuterungen zur Karte der standörtlichen Einheiten im
Arbeitsgebiet......................................17
Tab.2 Vergleich natürlicher Hintergrundwerte mit den Werten im
Arbeitsgebiet differenziert nach Tongehaltsgruppen............25
Tab.3 Geogene SM-Gehalte von Böden auf/aus verschiedenen
(Ausgangs-)Gesteinen................................26
Tab.4 Mittlere SM-Gehalte der Böden auf untersch. Geologie..........29
Schwermetallrelevante Profilparameter Profile über:
Tab. 5 Liasff ...........................................33
Tab.7 km4-Sand........................................37
Tab.9 Km4-Ton und -Schuttlagen ............................41
Tab.11 Decklehm (dl) .....................................44
Tab. 13 Knollenmergel (km5).................................47
Tab. 15 Rhätsandstein (ko) ..................................50
Tab. 17 Alluvien (a) .......................................52
Korrelationsmatrizen SM Bodenparameter für:
Tab.6 Liascr ...........................................35
Tab.8 km4-Sand........................................39
Tab. 10 Km4-Ton und -Schuttlagen ............................43
Tab. 12 Decklehm (dl) .....................................46
Tab. 14 Knollenmergel (km5).................................49
Tab. 16 Rhätsandstein (ko) ..................................52
Tab. 18 Alluvien (a) .......................................53
Tab. 19 aller Proben ohne Berücks. der Geologie ...................55
Tab.20 Geogener und anthropogener Einfluß auf die SM-Verhältnisse
im Spiegel statistischer Betrachtung bei untersch.
Substratbedingungen ................................56
Tab.21 SM-Einträge im Freiland und Kronendurchlaß ................59
Tab.22 Bestandeseinfluß im Spiegel statistischer Betrachtung ..........60
Tab.23 pH-SM-Beziehungen bei unterschiedlichem Bestandeseinfluß......61
Tab. 24 Statistischer Vergleich schluffreiche Hauptlagen -
tonreiche Basislagen.................................62
Tab.25 Gesamtüberblick - Vergleich absolute und
transformierte SM-Quantitäten..........................65
Tab.26 Mittlere SM-Anteile der SM-Fraktionen auf untersch. Geologie .... 67
Tab.27 Schwermetallgehalte von Gesteinen des Lias a2..............74
Tab. 28 Berechnungsbeispiele relativer Blei-Anreicherungsgradient .......88
Tab.29 Haupt-Steuerfaktoren und Qualität der Blei-Anreicherungs-
gradienten, Auswirkung auf die Bleiverteilung................92
Tab.30 Vergleich Blei- und Zink-Anreicherungsgradienten.............94
Tab.31 Durchschnittliche Intensität der Physio- und Chemosorption
von Metallen in gut durchlüfteten Böden mäßig saurer Reaktion
und pH-Bereichen starker Bindung .......................115
Tabellenverzeichnis VII
Tab.32 Daten-Übersicht zum vergleichenden SM-Sorptionsvermögen
unter Beachtung und Nichtbeachtung der Interflowverhältnisse .... 123
Tab.33 Berechnungsgrundlagen zur Bestimmung der substratbezogenen
Ableitgrößen ......................................125
Tab. Ableitgrößen und Sorptionsfaktoren - Interflowprofile
34a (Kontrollsektion: oberflächennaher Wasserleiter ..............131
Tab. Vergleich: gemessene und berechnete Sorptionsleistungen -
34b Interflowprofile (Kontr.-Sekt.: oberflächennaher Wasserleiter .....133
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