Entwicklung des Stoffhaushalts von Kiefernökosystemen auf kohle- und pyrithaltigen Kippsubstraten des Lausitzer Braunkohlereviers:
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Cottbus
Brandenburgische Techn. Univ. Cottbus
2003
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| Series: | Cottbuser Schriften zu Bodenschutz und Rekultivierung
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Autor: Gast, Martin
Jahr: 2003
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichni s
Tabellenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abkürzungen
Indizes
1. Einleitung l
1.1 Kippböden 2
1.1.1 Geologie 2
1.1.2 Abbau, Verkippung und Rekultivierung 3
1.1.3 Pedogenese schwefelhaltiger Kippböden 5
1.2 Ziel und Konzept 7
2. Material und Methoden 9
2.1 Geländemessungen 9
2.2 Probenahme und Aufbereitung 10
2.2.1 Niederschlag und Bodenlösung 10
2.2.2 Klima- und Bodenwasserhaushaltsdaten 11
2.2.3 Festphase 11
2.3 Analytik 11
2.3.1 Festphase 11
2.3.2 Niederschlag und Bodenlösung 12
2.4 Wasserhaushaltsmodellierung 13
2.5 Hydrochemische Modellierung 13
2.6 Stoffilussberechnung 14
2.7 Statistik 14
3. Untersuchungsflächen 16
3.1 Lage, Klima, Substrat, Bestand 16
3.2 Substratchemie 18
3.2.1 Reaktionsverhältnisse 18
3.2.2 Gesamtelementgehalte 20
3.2.3 Kationenaustauschkapazität 21
3.2.4 Pedogene Oxide 23
4. Ergebnisse und Diskussion 26
4.1 Lösungschemie 26
4.1.1 Freiland- und Bestandesniederschlag 26
4.1.2 Bodenlösung 28
4.1.2.1 Ionenspeziierung 37
4.1.2.2 Sekundäre Minerale 40
Inhaltsverzeichnis
4.2 Wasserhaushalt 45
4.3 Stoffflüsse 47
4.3.1 Freiland-und Bestandesdeposition 47
4.3.2 Stoffflüsse im Boden 51
4.3.3 Vorräte und Austräge der Bodenfestphase 57
4.4 Stoffflussbilanzen 59
4.4.1 Eintrags-Austragsbilanzen 59
4.5 Nährelementumsatz 61
5. Zusammenfassung 66
6. Summary 72
7. Literatur 76
8. Anhang 97
8.1 Niederschlag 97
8.2 Bodenlösung 106
8.3 Stofffluss 120
8.3.1 Deposition 120
8.3.2 Boden 121
Danksagung 123
Tabellenverzeichnis III
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Instrumentierung der Versuchsflächen. 10
Tabelle 2: An der Festphase bestimmte Parameter, analytische Methoden. 12
Tabelle 3: In Niederschlag und Bodenlösung bestimmte Parameter, analytische Methoden. 12
Tabelle 4: Verwendete Löslichkeitsprodukte und -konstanten, aus PhreeqC 1.6,
Datensatz Wateq4f.dat. 14
Tabelle 5: Charakterisierung der Untersuchungsflächen. 17
Tabelle 6: pH-Werte in der Festphase an den Chronosequenzstandorten;
x = pH-Wert entsprechend dem arithmetischen Mittel der Protonenkonzentration. 19
Tabelle 7: Zusammensetzung der Bodenfestphase (Elementgesamtgehalte). 20
Tabelle 8: Austauscherbelegung, effektive Kationenaustauschkapazität und
Basensättigung (BS) an den Chronosequenzstandorten BB, MR und DD. 22
Tabelle 9: Zusammensetzung der Vorspüllösung zur Eluierung leicht löslicher Salze. 23
Tabelle 10: AI-, Fe- und Mn-Gehalte im Dithionit- und Oxalatextrakt, Gesamtgehalte
sowie Verhältnis der Gehalte in Dithionit- und Oxalatextrakt. 24
Tabelle 11: Anzahl Beprobungen (n), Mediän pH-Werte, elektrische Leitfähigkeiten
und Stoffkonzentrationen in Freiland- und Bestandesniederschlag der
Untersuchungsflächen für den Zeitraum 1/96—12/98 im Vergleich mit
den Standorten Doberlug und Neuglobsow. 26
Tabelle 12: Anzahl Beprobungen (n), Mediän pH-Werte, elektrische Leitfähigkeiten
und Stoffkonzentrationen in Bodenlösungen der Untersuchungsstandorte;
Zeitraum 1/96-12/98. 29
Tabelle 13: Zusammensetzung (Gesamtgehalte) der am Standort WB applizierten Asche
aus dem Kraftwerk Jänschwalde (nach VEAG in Wilden 2000), sowie von Aschen
anderer Kraftwerke der Lausitz (nach IFK in Neumann 1999); Angaben in %. 32
Tabelle 14: Aktueller Ca-Vorrat bis 100 cm Bodentiefe und mit den Meliorationsmitteln
Asche bzw. Kalk applizierte Ca-Menge. 33
Tabelle 15: Mittlere Bilanzgrößen des Wasserhaushaltes für den Zeitraum 01/96-12/98;
Tiefensickerung und Speicheränderung beziehen sich auf 230 cm Bodentiefe;
Speicheränderung nicht gemittelt; Daten nach Scherzer (2001) verändert. 46
IV Tabellenverzeichnis
Tabelle 16: Mittlere Wasser- und Stoffflüsse mit Freiland- und Bestandesniederschlag
(FN, BN) auf den Untersuchungsflächen; Zeitraum 1/96-12/98. 48
Tabelle 17: Elementgehalte in 1- und 2-jährigen Kiefernnadeln; Versorgungsstufen
(I-IV) nach Heinsdorf (1999). 49
Tabelle 18: Mittlere Wasser- und Stoffflüsse an den Untersuchungsstandorten in
unterschiedlichen Bodentiefen; Zeitraum 1/96-12/98. 52
Tabelle 19: Gesamtvorräte der Bodenfestphase, Verhältnis Vorrat zu Austrag;
Angaben bezogen auf 100 cm Tiefe. 58
Tabelle 20: Einträge (Freilanddeposition) und Austräge (in 100 cm Tiefe;
WB in 130 cm Tiefe) sowie sich daraus ergebende Eintrags-Austragsbilanzen. 60
Tabelle 21: Jährliche Nährelementaufnahme des Bestandes DD über die Wurzeln,
Teilkomponenten zu deren Kalkulation. 62
Tabelle 22: pH, EC und Stoffkonzentrationen im Freilandniederschlag der
Untersuchungsfläche BB, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 97
Tabelle 23: pH, EC und Stoffkonzentrationen im Freilandniederschlag der
Untersuchungsfläche MR, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 98
Tabelle 24: pH, EC und Stoffkonzentrationen im Freilandniederschlag der
Untersuchungsfläche SD, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 99
Tabelle 25: pH, EC und Stoffkonzentrationen im Bestandesniederschlag der
Untersuchungsfläche BB, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 101
Tabelle 26: pH, EC und Stoffkonzentrationen im Bestandesniederschlag der
Untersuchungsfläche MR, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 102
Tabelle 27: pH, EC und Stoffkonzentrationen im Bestandesniederschlag der
Untersuchungsfläche DD, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 103
Tabelle 28: pH, EC und Stoffkonzentrationen im Bestandesniederschlag der
Untersuchungsfläche SD, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 104
Tabelle 29: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 20 cm Tiefe
des Standorts BB, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 106
Tabelle 30: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 40 cm Tiefe
des Standorts BB, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 107
Tabellenverzeichnis
Tabelle 31: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 70 cm Tiefe
des Standorts BB, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 107
Tabelle 32: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 100 cm Tiefe
des Standorts BB, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 108
Tabelle 33: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 20 cm Tiefe
des Standorts MR, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 109
Tabelle 34: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 40 cm Tiefe
des Standorts MR, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 110
Tabelle 35: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 70 cm Tiefe
des Standorts MR, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 111
Tabelle 36: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 100 cm Tiefe
des Standorts MR, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 112
Tabelle 37: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 20 cm Tiefe
des Standorts DD, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 114
Tabelle 38: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 40 cm Tiefe
des Standorts DD, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 115
Tabelle 39: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 70 cm Tiefe
des Standorts DD, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 115
Tabelle 40: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 100 cm Tiefe
des Standorts DD, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 116
Tabelle 41: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 20 cm Tiefe
des Standorts SD, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 117
Tabelle 42: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 40 cm Tiefe
des Standorts SD, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 118
Tabelle 43: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 70 cm Tiefe
des Standorts SD, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 119
Tabelle 44: pH, EC und Stoffkonzentrationen der Bodenlösung in 100 cm Tiefe
des Standorts SD, Mittelwerte zum Beprobungstermin. 119
Tabelle 45: Wasser- und Stoffflüsse mit Freiland- und Bestandesniederschlag in
verschiedenen Untersuchungsjahren. 120
VI Tabellenverzeichnis
Tabelle 46: Wasser- und Stoffflüsse verschiedener Untersuchungsjahre,
-Standorte und -tiefen. 121
Abbildungsverzeichnis
VII
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Mittlere Kationen- und Anionenäquivalentkonzentrationen
in Freiland- und Bestandesniederschlag.
Abbildung 2: Zeitliche und tiefenabhängige Variabilität der pH-Werte
in Bodenlösungen aus jeweils drei Saugkerzen in 20 und
100 cm Tiefe am Standort BB.
27
30
Abbildung 3: pH- und EC-Werte in Bodenlösungen unterschiedlicher
Beobachtungstiefen am 17-jährigen Standort BB.
Abbildung 4: pH- und EC-Werte in Bodenlösungen unterschiedlicher
Beobachtungstiefen am 35-jährigen Standort DD.
Abbildung 5a-d: lonenspeziierung ausgewählter Elemente in Bodenlösungen
der Chronosequenzstandorte, jeweils unterste Beobachtungstiefe.
Abbildung 6: Verhältnis der Ca2+/Al3+-Aktivitäten [a] in Bodenlösungen
ausgewählter Untersuchungsstandorte; SD: 20 und 40 cm Tiefe
nicht bestimmt.
30
31
38
39
Abbildung 7: Sättigungsindizes (SI) für Gips (CaSO4:2H,O) in Bodenlösungen
unterschiedlicher Tiefenstufen und Standorte.
40
Abbildung 8: Sättigungsindizes (SI) der Al-haltigen Mineralphasen Alunit
(KA13(SO4)2(OH)6) Jurbanit (AlOHSO,), Basaluminit
(AL,(OH)|0SO4), Kaolinit (Al2Si2O5(OH)4) und Gibbsit
(A1(OH)3) in den Bodenlösungen. 41
Abbildung 9: Sättigungsindizes (SI) der Fe-haltigen Mineralphasen Fe(OH)3 amorph,
Goethit (FeOOH) und K-Jarosit (KFe3(SO4),(OH)6) in den Bodenlösungen. 43
Abbildung 10: Mittlere Fe3+-Aktivitäten und pH-Werte der Bodenlösungen an den
Standorten WB, BB, MR und DD. 44
Abbildung 11: Mittlere Basen- und Säuredeposition mit Freiland-
und Bestandesniederschlag.
Abbildung 12: NH4-N- und NO3-N-Flüsse [kg/(ha a)] mit Freiland- und
Bestandesniederschlag sowie in verschiedenen Bodentiefen an den
Standorten BB und DD, Mediän der pH-Werte.
Abbildung 13: Korrelationkoeffizienten (r) der Ca- und SO4-Flüsse, berechnet
auf Basis täglicher Flussraten.
50
54
57
VIII_____________________________Abbildungsverzeichni s
Abbildung 14: Nährelementumsatz und -Vorräte am Standort DD; Stofffluss
mit Niederschlag, Sickerwasser und Streufall, Freisetzung aus
der organischen Auflage, Zuwachs von ober- und unterirdischem
Bestand sowie der organischen Auflage, Elementaufnahme
über Wurzelpassage, jeweils in kg/(ha a); ober- und unterirdischer
Elementvorrat in kg/ha. 64
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