Einfluß humoser Substrate auf sandige Kippenböden am Beispiel der Bergbaufolgelandschaft Reichwalde:
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Cottbus
Brandenburgische Techn. Univ.
2000
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| Schriftenreihe: | Cottbuser Schriften zu Bodenschutz und Rekultivierung
13 |
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| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
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| adam_text | Titel: Einfluß humoser Substrate auf sandige Kippenböden am Beispiel der Bergbaufolgelandschaft Reichwald
Autor: Wüstrich, Diana
Jahr: 2000
Inhaltsverzeichnis
Verzeichnis der Abbildungen
Verzeichnis der Tabellen
Verzeichnis der Abkürzungen und physikalischen Größen
Zusammenfassung / Summary
1. Problemstellung und Zielsetzung l
2. Material und Methoden 5
2.1 Standortkennzeichnung 5
2.1.1 Tagebau und Bergbaufolgelandschaft Reichwalde 5
2.1.2 Standortbeschreibung der Versuchsflächen 7
2.2 Untersuchungsmethoden 8
2.2.1 Bodenchemische Untersuchungen 9
2.2.2 Bodenphysikalische Untersuchungen 12
2.2.3 Bodenmechanische Untersuchungen 16
2.2.4 Erfassung von Klimaparametern und Bodenfeuchte 19
2.2.4.1 Klimaparameter 19
2.2.4.2 Bodenfeuchtemessungen 19
2.2.5 Wurzelinventur 23
2.3 Statistische Ausweitung 25
3. Ergebnisse 26
3.1 Morphologische Kennzeichnung der Bodenprofile 26
3.2 Chemische Kennzeichnung der Bodenprofile 33
3.3 Physikalische Kennzeichnung der Bodenprofile 37
3.3.1 Korngrößenverteilung 37
3.3.2 Lagerungsdichte 39
3.3.3 Dichte der Festubstanz 41
3.3.4 Porengrößenverteilung 42
3.3.5 Hydraulische und pneumatische Leitfähigkeit 47
3.4 Bodenmechanische Kennzeichnung der Bodenprofile 49
3.4.1 Aggregatstabilität 49
3.4.2 Optimaler Wassergehalt und Proctordichte 53
3.4.3 Druck- und Zeitsetzungsverhalten 54
3.4.4 Scherverhalten 63
3.4.5 Eindringwiderstand 65
3.5 Witterungs- und Bodenfeuchteverlauf 68
3.5.1 Witterungsverhältnisse der Bergbaufolgelandschaft Reichwalde 68
3.5.2 Bodenfeuchteregime der Kippböden 70
3.5.2.1 Bodenfeuchte einzelner Standorte 70
3.5.2.2 Bodenwassergehalte der Versuchsflächen SI und HI 73
3.6 Durchwurzelungscharakteristika 77
3.6.1 Durchwurzelungstiefe 77
3.6.2 Vertikale Wurzelverteilung 78
3.6.3 Beschreibung der Wurzelsysteme 83
4. Beziehungen zwischen den Einzelergebnissen und Diskussion 87
4.1 Zeitliche und räumliche Variablität 87
4.2 Textur und Gefüge der Böden 87
4.3 Bodenwasser 94
4.4 Organische Substanz, Nährstoffhaushalt und Bodenacidität 97
4.5 Durchwurzelung 99
4.6 Zusammenfassende Diskussion 103
Literaturverzeichnis 107
Anhang 120
Danksagung
III
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. 1 Schematische Darstellung der Braunkohlenforderung im Tagebau Reichwalde
(Geräteeinsatzschema nach Drebenstedt 1994) 6
Abb. 2 Geographische Lage der Versuchsflächen (Standort: AS 1078; Kippscheiben 1993
[SI, HI] und 1994 [SU, SIII, HII, Hill ] (vgl. LAUBAG 1995) 8
Abb. 3 Regression der in wässriger Bodensuspension gemessenen pH-Werte;
und der in Salzlösungen gemessenen pH-Werte; Angabe der Einzelwerte
a) des Kippsandes (SI, SII, SIII) und b) des Bodenauftrages (HI, HII, Hill) 10
Abb. 4 Beziehungen zwischen der Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante
(e)0-5 und dem Bodenwassergehalt (Q) des Kippreinsandes (SI) und des
stark humosen Bodensubstrates (HI); Ve = ao + a,(6) 22
Abb. 5 Beispiel eines eingescanntes Wurzelbildes; Fläche Hill, 1. Teilprobe, Teil b der
Gesamtwurzeln dieser Teilprobe; Maßstab 1 : 1,50; Auflösung 79 Pixel cm1;
Datentyp: Schwarzweiß [1-Bit]; Größe 193 KB;
Format: Tagged Image File Format [TIFF] 24
Abb. 6 Stark humoses Gemengesubstrat der Versuchsfläche HI (Aufnahme: 24.02.1998) 26
Abb. 7 Profilbeschreibung und Substratklassifikation der Versuchsfläche SI 27
Abb. 8 Profilbeschreibung und Substratklassifikation der Versuchsfläche HI 28
Abb. 9 Profilbeschreibung und Substratklassifikation der Versuchsfläche SII 29
Abb. 10 Profilbeschreibung und Substratklassifikation der Versuchsfläche HII 30
Abb. 11 Profilbeschreibung und Substratklassifikation der Versuchsfläche SIII 31
Abb. 12 Profilbeschreibung und Substratklassifikation der Versuchsfläche Hill 32
Abb. 13 Bodenchemische Kennwerte als Funktion der Tiefe der Variante I a) Kippsubstrat (SI)
b) Kippsubstrat mit stark humoser Deckschicht (HI) links: pH-Wert, elektrische
Leitfähigkeit, organische Substanz
rechts: Gesamtstickstoff, Gesamtkohlenstoff, Gesamtschwefel 34
Abb. 14 Bodenchemische Kennwerte als Funktion der Tiefe der Variante II
a) Kippsubstrat (SII) b) Kippsubstrat mit stark humoser Deckschicht (HII)
links: pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, organische Substanz
rechts: Gesamtstickstoff, Gesamtkohlenstoff, Gesamtschweiei 35
IV
Abb. 15 Bodenchemische Kennwerte als Funktion der Tiefe der Variante III
a) Kippsubstrat (SIII) b) Kippsubstrat mit stark humoser Deckschicht (Hill)
links: pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, organische Substanz
rechts: Gesamtstickstoff, Gesamtkohlenstoff, Gesamtschwefel 36
Abb. 16 Mittlere Korngrößenverteilung der Versuchsstandorte in 0 - 50 cm Bodentiefe;
Angabe des arithmetischen Mittels und der Standardabweichung in Gew.-%
des Feinbodens (n = 6) 38
Abb. 17 Mittlere Kornverteilungskurven (Summenkurven) aller Versuchsstandorte
in 0-50 cm Bodentiefe 39
Abb. 18 Mittlere Lagerungsdichte aller Versuchsstandorte als Funktion der Bodentiefe;
n = 10; Aufnahme: Mai 1996 40
Abb. 19 Mittlere Lagerungsdichten der Versuchsflächen HI im Untersuchungszeitraum
als Funktion der Bodentiefe; n = 10 41
Abb. 20 Unimodale Retentionsfunktion (Linien) nach Van Genuchten (1980) und
gemessene Wasserspannung- Wassergehalt-Daten (Punkte) aller Versuchsflächen
in 10 - 15 cm Bodentiefe; Angabe arithmetischer Mittelwerte; n = 10 42
Abb. 21 Gesamtporenvolumina aller Versuchsstandorte als Funktion der Tiefe;
arithmetische Mittelwerte; n = 10; Aufnahme Mai 1996 43
Abb. 22 Gesamtporenvolumina der Versuchsfläche HI als Funktion der Tiefe
im Untersuchungszeitraum; arithmetische Mittelwerte; n = 10 44
Abb. 23 Anteil weiter Grobporen ( 50 (im) aller Versuchsstandorte als Funktion
der Bodentiefe; Angabe arithmetischer Mittelwerte; n = 10; Aufnahme Mai 1996 45
Abb. 24 Anteil der Mittelporen und engen Grobporen (0,2 - 50 um) aller Standorte
als Funktion der Bodentiefe; Angabe arithmetischer Mittelwerte; n = 10;
Aufnahme Mai 1996 46
Abb. 25 Anteil der Feinporen ( 0,2 um) aller Versuchsstandorte als Funktion der
Bodentiefe; Angabe arithmetischer Mittelwerte; n = 10; Aufnahme Mai 1996 47
Abb. 26 Differenz der prozentualen Anteile unbehandelter und mit Natriumpyrophosphat
dispergierter Proben a) der stark humosen Substrate der Versuchsfläche HI und
b) der Kippreinsande der Versuchsfläche Sl 5
Abb. 27 Proctorkurven der Kippreinsandfläche SI und des stark humosen Bodenauttrages
der Fläche HI; 35 cm Bodentiefe; Aufnahme 1998 54
Abb. 28 Drucksetzungskurven aller Versuchsstandorte; pF 1,8; Probenahme 1998 55
Abb. 29 Gesamtsetzungen aller Versuchsflächen in Abhängigkeit von der Bodentiefe
und der Auflast; pF 1,8; Probenahme 1998 56
Abb. 30 Zeitsetzungskurven a) der Variante SI und b) der Variante HI
in Abhängigkeit von der Bodentiefe und der Auflast 58
Abb. 31 Zeitsetzungskurven a) der Variante SII und b) der Variante HII
in Abhängigkeit von der Bodentiefe und der Auflast 59
Abb. 32 Zeitsetzungskurven a) der Variante SIII und b) der Variante Hill
in Abhängigkeit von der Bodentiefe und der Auflast 60
Abb. 33 Sofortsetzungen aller Versuchsflächen in Abhängigkeit von der Bodentiefe
und der Auflast; Angabe in % der Gesamtsetzung bei dieser Auflast; pF 1,8;
Probenahme 1998 61
Abb. 34 Vorbelastung; grafisch ermittelt nach Casagrande (1936); pF 1,8 62
Abb. 35 Verdichtungsverhältnis; pF 1,8 63
Abb. 36 Scherspannungs-Verschiebungs-Diagramm sandiger Substrate (SI),
mittel humoser Substrate (Hill) und stark humoser Substrate (HI)
der Bodentiefe 35 cm bei einem Wassergehalt von 8,3 Gew.-% und
bei einer Normalspannung von 200 kN nr: A = 40 cm: 64
Abb. 37 Lineare Schergeraden sandiger Substrate (SI), humoser Substrate (Hill) und
stark humoser Substrate (HI) der Bodentiefe 35 cm bei einem Wassergehalt
von 8,3 Gew.-% 65
Abb. 38 Bodenprofil der Versuchsfläche HI quer zur Aufforsrungs- bzw.
Befahrungsrichtung; Aufnahme 19.05.1996 66
Abb. 39 Eindringwiderstände in Abhängigkeit von der Bodentiefe; Mittelwerte; n = 20 66
Abb. 40 Eindringwiderstände der Kippreinsandfläche SI quer zur Aufforstungsrichtung;
Angabe in N mnr2; Mittelwerte; n = 20 67
Abb. 41 Eindringwiderstände der stark humosen Flächen HI; Mittelwerte; n = 20 67
Abb. 42 Klimadiagramme der Bergbaufolgelandschaft Reichwalde
(Standort: AS 1078 /Kippscheibe 1994) vom 01.01.1996 bis 31.12.1998;
Angabe von Tagesmittelwerten bzw. Tagessummenwerten 69
VI
Abb. 43 Tiefenabhängige Interpolationsfunktionen der mittleren gravimetrischen
Wassergehalte (n =• 3, 27.06.1996) bis in 200 cm Bodentiefe
a) der Kippsubstrat-Kontrollflächen und
b) der Kippsubstratflächen mit humosem Bodenauftrag 72
Abb. 44 Tagesmittelwerte volumetrischer Bodenwassergehalte in 3 Tiefen und
Tagessummenwerten der Niederschläge der Versuchsfläche SI
vom 29.04.1997 bis 31.12.1998 75
Abb. 45 Tagesmittelwerte volumetrischer Bodenwassergehalte in 3 Tiefen und
Tagessummenwerten der Niederschläge der Versuchsfläche HI
vom 29.04.1997 bis 31.12.1998 76
Abb. 46 Durchwurzelungsparameter als Funktion der Bodentiefe der Variante I
a) Kippreinsand (SI)
b) Kippsubstrate mit stark humoser Deckschicht (HI) 79
Abb. 47 Durchwurzelungsparameter als Funktion der Bodentiefe der Variante II
a) Kippreinsand (SII)
b) Kippsubstrate mit stark humoser Deckschicht (HII) 80
Abb. 48 Durchwurzelungsparameter als Funktion der Bodentiefe der Variante III
a) Kippreinsand (SI1I)
b) Kippsubstrate mit stark humoser Deckschicht (Hill) 81
Abb. 49 Prozentualer Anteil der Wurzeldurchmesserklassen der 6 Varianten an
a) der Gesamtwurzellänge und
b) dem Gesamtwurzelvolumen in 0-10 cm Bodentiefe 82
Abb. 50 Mittlerer Wurzelparameterquotient aus Wurzelvolumen und Wurzelbiomasse 84
Abb. 51 Aufnahmen der Versuchsvarianten ohne humose Deckschicht (links) und
der angrenzenden Varianten mit humoser Deckschicht (rechts); Aufnahmen 8/98 85
Abb. 52 Graswurzelindizes
a) der Kippreinsandvariante SI und
b) der Variante mit humoser Deckschicht HI in 0-10 cm Bodentiefe 86
Abb. 53 Lagerungsdichten symmetrisch angeordneter Sandpartikel
eines Korndurchmessers von d = 0,5 mm; aV = 2,64 g cnr3 89
Verzeichnis der Tabellen
Tab. 1 Flächenbilanz des Lausitzer Reviers; Angabe der Summe aller gegenwärtig
aktiv betriebenen Tagebaue im Vergleich zum Tagebau Reichwalde
im Jahr 1998 (Stand 31.12.98; LAUBAG 1999) 5
Tab. 2 Kennzeichnung der Versuchsvarianten 8
Tab. 3 Mittlere pH-Werte gleicher Bodenproben, ermittelt in Bodensuspensionen
mit H2Odcst, CaCl2 und KC1 9
Tab. 4 Angabe untersuchter Wasserspannungsstufen, entsprechender
Äquivalenzporendurchmesser, Porenbezeichnung und Speicherkapazität 14
Tab. 5 Vergleich arithmetischer Mittelwerte hinsichtlich errechneter und durch
Wassersättigung ermittelter Gesamtporenvolumina; n = 10; V = 100 cm ;
Bodentiefe: 10-15 cm; Probenahme 1996 15
Tab. 6 Meteorologische Geräte und Geräteparameter der Wetterstation Reichwalde
und deren Meßbereiche; Angabe von Fa. UP 19
Tab. 7 Koeffizienten einzelner Bodensubstrate (s. auch Abb. 4) 23
Tab. 8 Gleichförmigkeitsindex (Iu) und Krümmungsindex (Ic) der mittleren
Korngrößenverteilung in 0-50 cm Bodentiefe 39
Tab. 9 Mittlere Dichten der Festsubstanzen aller Versuchsstandorte
in 0 - 50 cm Bodentiefe; Angabe von arithmetischen Mittelwerten (x) und
Standardabweichungen (sd) in g cm3; n = 16; Aufnahme: Mai 1996 41
Tab. 10 Gesättigte hydraulische Leitfähigkeiten aller Versuchsflächen;
geometrische Mittelwerte; Angabe in cm d~ ; Aufnahme 1996 48
Tab. 11 Pneumatische Leitfähigkeiten der Versuchsstandorte; Angabe geometrischer
Mittelwerte in cm s1; n = 8; Aufnahme 6/98 48
Tab. 12 Komgrößenfraktionierung stark humoser Substrate der Versuchsfläche HI
(in Gew.-% zum Gesamtboden) und prozentualer Anteil organischer Substanz
innerhalb der Fraktionen in Abhängigkeit von der zugefuhrten Dispergierungsenergie 50
Tab. 13 Korngrößenfraktionierung stark humoser Substrate der Versuchsfläche HI
(in Gew.-% zum Gesamtboden) und prozentualer Anteil organischer Substanz
der Dispersionslösung in Abhängigkeit von der zugefuhrten Dispergierungsenergie 50
VIII
Tab. 14 Sichtbare und separat ermittelbare Anteile der Kornfraktion 2 mm im Vergleich
zum Gesamtanteil dieser Fraktion; Angabe in Gew.-% zum Gesamtboden 52
Tab. 15 Korngrößenfraktionierung der Kippreinsande der Versuchsfläche SI
(in Gew.-% zum Gesamtboden) und prozentualer Anteil organischer Substanz
innerhalb der Fraktionen in Abhängigkeit von der zugeführten Dispergierungsenergie
52
Tab. 16 Korngrößenfraktionierung der Kippreinsande der Versuchsfläche SI
(in Gew.-% zum Gesamtboden) und prozentualer Anteil organischer Substanz der
Dispersionslösung in Abhängigkeit von der zugeführten Dispergierungsenergie 52
Tab. 17 Kumulative Niederschläge der Jahre 1996, 1997, 1998. Angabe von
Monatssummenwerten und Tagesmaxima innerhalb des Monats in mm 70
Tab. 18 Arithmetische Mittelwerte, Standardabweichungen sowie Minima und Maxima
volumetrischer Bodenwassergehalte in m3 m3 für das Jahr 1998 74
Tab. 19 Einzelwerte volumetrischer Wassergehalte in Vol.-% bei minimaler und
maximaler Bodenfeuchte in 15 cm Bodentiefe 74
Tab. 20 Durchwurzelungstiefe und mittlere Durchwurzelungsparameter in
0-100 cm Bodentiefe 78
Tab. 21 Porenanteile bei lockerster Lagerung (n^^l-df^/df) und bei
dichtester Lagerung (nmin=l-dBmax/dF); 0 - 50 cm Bodentiefe 88
Tab. 22 Unterteilung des Spannungsabbaues im Boden in drei Phasen 91
Tab. 23 Vergleich mittlerer Durchwurzelungsparameter (Wurzelbiomasse, -länge,
-volumen) mit mittleren Ton- und Schiuffgehalten, pH-Werten sowie
elektrischen Leitfähigkeiten der identisch behandelten Versuchsstandorte HII
und Hill bis in 90 cm Bodentiefe 102
Tab. 24 Vergleich mittlerer Durchwurzelungsparameter (Wurzelbiomasse, -länge,
-volumen) mit mittleren Ton- und Schiuffgehalten, pH-Werten sowie
elektrischen Leitfähigkeiten der identisch behandelten Versuchsstandorte SII
und SIII bis in 90 cm Bodentiefe 102
Tab. 25 Ausgewählte mittlere Parameter in 0 - 50 cm Bodentiefe 106
Anhang
Tab. 1 Mittlere pH-Werte aller Versuchsstandorte (n = 2); Probenahme 19.05.1996 120
Tab. 2 Mittlere elektrische Leitfähigkeiten aller Versuchsstandorte (n = 2);
Probenahme 19.05.1996; Angabe in uS cm1 120
Tab. 3 Mittlere organische Substanz aller Versuchsstandorte (n = 2);
Probenahme 19.05.1996; Angabe in Gew.-% des Feinbodens 120
Tab. 4 Gesamtschwefelgehalte aller Versuchsstandorte; Probenahme 19.05.1996;
Angabe in Gew.-% des Feinbodens 121
Tab. 5 Gesamtkohlenstoffgehalte aller Versuchsstandorte; Probenahme 19.05.1996;
Angabe in Gew.-% des Feinbodens 121
Tab. 6 Gesamtstickstoffgehalte aller Versuchsstandorte; Probenahme 19.05.1996;
Angabe in Gew.-% des Feinbodens 121
Tab. 7 Korngrößenverteilung der Versuchsfläche SI in Gew.-% des Feinbodens und
Anteil des Bodenskeletts in Gew.-% des Gesamtbodens 122
Tab. 8 Korngrößenverteilung der Versuchsfläche HI in Gew.-% des Feinbodens und
Anteil des Bodenskeletts in Gew.-% des Gesamtbodens 122
Tab. 9 Korngrößenverteilung der Versuchsfläche SII in Gew.-% des Feinbodens und
Anteil des Bodenskeletts in Gew.-% des Gesamtbodens 123
Tab. 10 Korngrößenverteilung der Versuchsfläche HII in Gew.-% des Feinbodens und
Anteil des Bodenskeletts in Gew.-% des Gesamtbodens 123
Tab. 11 Korngrößenverteilung der Versuchsfläche SIII in Gew.-% des Feinbodens und
Anteil des Bodenskeletts in Gew.-% des Gesamtbodens 124
Tab. 12 Korngrößenverteilung der Versuchsfläche Hill in Gew.-% des Feinbodens und
Anteil des Bodenskeletts in Gew.-% des Gesamtbodens 124
Tab. 13 Lagerungsdichte aller Versuchsstandorte; Angabe arithmetischer Mittelwerte
aus n = 10; Mai 1996 125
Tab. 14 Wassergehalte bei verschiedenen Entwässerungsstufen der Versuchsfläche SI;
Angabe von arithmetischen Mittelwerten (x) und Standardabweichungen (sd)
bei n = 10 in Vol.-%; Aufnahme: Mai 1996 125
Tab. 15 Wassergehalte bei verschiedenen Entwässerungsstufen der Versuchsfläche HI;
Angabe von arithmetischen Mittelwerten (x) und Standardabweichungen (sd)
bei n = 10 in Vol.-%; Aufnahme: Mai 1996 125
Tab. 16 Wassergehalte bei verschiedenen Entwässerungsstufen der Versuchsfläche SII;
Angabe von arithmetischen Mittelwerten (x) und Standardabweichungen (sd)
bei n = 10 in Vol.-%; Aufnahme: Mai 1996 126
Tab. 17 Wassergehalte bei verschiedenen Entwässerungsstufen der Versuchsfläche HII;
Angabe von arithmetischen Mittelwerten (x) und Standardabweichungen (sd)
bei n = 10 in Vol.-%; Aufnahme: Mai 1996 126
Tab. 18 Wassergehalte bei verschiedenen Entwässerungsstufen der Versuchsfläche SIII;
Angabe von arithmetischen Mittelwerten (x) und Standardabweichungen (sd)
bei n = 10 in Vol.-%; Aufnahme: Mai 1996 127
Tab. 19 Wassergehalte bei verschiedenen Entwässerungsstufen der Versuchsfläche Hill;
Angabe von arithmetischen Mittelwerten (x) und Standardabweichungen (sd)
bei n = 10 in Vol.-%; Aufnahme: Mai 1996 127
Tab. 20 Gesättigte Wasserleitfähigkeit aller Versuchsflächen; arithmetische Mittelwerte (x)
und Standardabweichungen (sd); n = 10; Angabe in crad-1; Aufnahme 1996 128
Tab. 21 Eindringwiderstände aller Versuchsstandorte; Angabe von arithmetischen
Mittelwerten (x) und Standardabweichungen (sd) in N mm2; n = 20 129
Tab. 22 Meteorologische Parameter für das Jahr 1996 131
Tab. 23 Meteorologische Parameter für das Jahr 1997 131
Tab. 24 Meteorologische Parameter für das Jahr 1998 131
Tab. 25 Arithmetische Mittelwerte und Standardabweichungen der gravimetrischen
Wassergehalte in Gew.-% bis in 200 cm Bodentiefe; n = 2;
Probenahmedatum 27.06.1996 132
Tab. 26 Durchwurzelungsparameter der Versuchsflächen SI;
Angabe der Wurzelbiomasse als Mittelwert (n = 3) 133
Tab. 27 Durchwurzelungsparameter der Versuchsflächen HI;
Angabe der Wurzelbiomasse als Mittelwert (n=3) 134
Tab. 28 Durchwurzelungsparameter der Versuchsflächen SII;
Angabe der Wurzelbiomasse als Mittelwert (n=3) 135
XI
Tab. 29 Durchwurzelungsparameter der Versuchsflächen HII;
Angabe der Wurzelbiomasse als Mittelwert (n=3) 136
Tab. 30 Durchwurzelungsparameter der Versuchsflächen SIII;
Angabe der Wurzelbiomasse als Mittelwert (n=3) 137
Tab. 31 Durchwurzelungsparameter der Versuchsflächen Hill;
Angabe der Wurzelbiomasse als Mittelwert (n=3) 138
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