Zur Abschätzung der Wirkungen von Klimaveränderungen auf den Nährstoffhaushalt in Gewässern wurden die Ergebnisse aus den Modellansätzen der Projekte »KliWES« und »Nährstoffatlas Sachsen« gekoppelt. Szenarienrechnungen bis 2100 zeigen, dass Nährstoffkonzentrationen in Gewässern infolge abnehmender Sickerwasser- und Durchflussmengen ohne Bewirtschaftungsanpassung tendenziell zunehmen würden. Die Veröffentlichung richtet sich an Verwaltungen, Planungsbüros, Verbände und Forschungseinrichtungen im Aufgabenbereich von Landwirtschaft und Gewässerschutz im Klimawandel.

Im Zuge der zunehmenden energetischen Holznutzung fällt vermehrt Holzasche als Abfallprodukt an. Obwohl die Asche potenziell für die Nährstoffrückführung in Wälder genutzt werden könnte, findet dies in Deutschland aktuell kaum statt, da negative ökologische Auswirkungen befürchtet werden, die Handhabbarkeit von Holzasche schwierig ist und hinsichtlich des Nährstoffhaushalts der Wälder keine Notwendigkeit gesehen wird. Durch eine Verarbeitung der Asche zu Rinde-Asche-Pellets (RIA-Pellets) sollte die ökologische Verträglichkeit erhöht und die Handhabbarkeit verbessert werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie RIA-Pellets auf bodenchemische Parameter sowie den Ernährungszustand der Bäume wirken. Dazu wurden zwei Versuchsflächen in der Oberlausitz (Ostsachsen) etabliert: ein 38-jähriger Kiefernbestand auf einem Braunerde-Podsol aus eiszeitlichem Elbschotter im Tiefland sowie drei Fichtenbestände im Alter von 36 bis 49 Jahren auf einer Braunerde aus Lösslehm über Granodioritzersatz im Hügelland. Im Jahr 2011 wurde eine Behandlung mit 4 t ha-1 RIA-Pellets durchgeführt und auf dem Hügellandsstandort zusätzlich eine Vergleichsvariante mit 3,5 t ha-1 Dolomitkalk angelegt. Daraufhin wurden bodenchemische Parameter (pH-Wert, AKe, Nährstoff-Gesamtgehalte, C/N-Verhältnis) sowie Nadelspiegelwerte der Bäume untersucht. Außerdem wurde der zu erwartende Nährstoffverlust mittelalter Nadelholzbestände im Rahmen der Durchforstungen in den kommenden 20 Jahren abschätzend quantifiziert und den sonstigen Stoffflüssen der untersuchten Standorte gegenübergestellt. Auf dem sorptionsschwachen Tieflandsstandort mit Kiefer führten RIA-Pellets in einer Dosis von 4 t ha-1 innerhalb von zwei Jahren zu einer moderaten Erhöhung des pH-Werts um 0,6 Einheiten, einer Zunahme der Kationenaustauschkapazität von 267 auf 338 mmolc kg-1 sowie einer Erhöhung der Basensättigung von 45 auf 90 %. Zudem war eine signifikante Erhöhung der Gesamtgehalte von Ca, Mg und Mn zu verzeichnen. Auf dem sorptionsstarken Boden des Hügellandsstandort mit mittelalten Fichtenbeständen hatte die gleiche Dosis von RIA-Pellets ebenfalls zwei Jahre nach der Ausbringung zu wesentlich geringeren Effekten geführt. Zwar war auch hier ein pH-Anstieg um 0,3 Einheiten zu verzeichnen. Die RIA-Pellets beeinflussten jedoch die AKe und die Basensättigung nicht und die Nährstoff-Gesamtgehalte nur bei Ca und Mn. Alle Effekte waren auf beiden Versuchsflächen auf die Humusauflage begrenzt. Im Vergleich zu einer Kalkung trat die Wirkung der RIA-Pellets langsamer ein und fiel geringer aus. Die Behandlung mit RIA-Pellets führte nach zwei Jahren zu keiner Veränderung der Nadelspiegelwerte auf beiden Versuchsflächen. Die Untersuchung der oberirdischen Bestandesbiomasse zeigte, dass bereits mittelalte Nadelbaumbestände im Rahmen von Durchforstungen bei intensiven Aushaltungsszenarien erhebliche Nährstoffentzüge zu verkraften haben. So stieg die Biomasseentnahme bei Vollbaumnutzung gegenüber konventioneller Nutzung nur um den Faktor 1,3, während die Nährstoffentzüge um den Faktor 1,8 (Ca) bis 4,0 (P, Kiefer) stiegen. Die Nährstoffzusammensetzung der RIA-Pellets unterschied sich aufgrund der Herkunft der Asche (Verbrennung von Rinde und Holz in einem Sägewerk) von der eines Vollbaums. Daher läge der Kompensationsbedarf für die Nährstoffentzüge in den nächsten 20 Jahren bei Vollbaumnutzung im Kie-fernbestand bei 0,7 (Ca) bis 2,0 t ha-1 (P) und im mittelalten Fichtenbestand bei 1,3 (Ca) bis 12,8 t ha-1 (P). Der Vergleich der drei untersuchten unterschiedlich alten Fichtenbestände hat gezeigt, dass der Waldrestholzanteil und somit auch die zusätzliche Biomasse- und Nährstoffentnahme umso höher ist, je jünger bzw. geringer dimensioniert der Bestand ist. Die Betrachtung von Kiefern- und Fichtenbestände zeigte baumartenspezifische Unterschiede bei der Verteilung der oberirdischen Bestandesbiomasse auf die einzelnen Biomassekompartimente sowie der Nährstoffgehalte in den jeweiligen Kompartimenten. Die überschlägigen Nährstoffbilanzen für beide Versuchsflächen haben gezeigt, dass die Nährstoffentzüge mit der geernteten Biomasse bei Vollbaumnutzung in einer ähnlichen Größenordnung lagen, wie die Verluste mit dem Sickerwasser und die Festlegung im Biomassezuwachs. Auch ohne die Berücksichtigung von Nährstoffentzügen mit der Biomassenutzung wiesen die Standorte aufgrund des Nachwirkens historischer Säureeinträge bereits negative Stoffbilanzen für Ca und Mg auf. Die vorliegende Arbeit verdeutlicht, dass die Holzascherückführung in Wälder keinen drastischen Eingriff in die Stoffflüsse natürlicher Ökosysteme darstellt. Vielmehr handelt es sich um den Versuch, die Folgen der aktuellen menschlichen Aktivitäten im Bereich intensiver Biomassenutzung zumindest hinsichtlich der Nährstoffnachhaltigkeit abzumildern. Die intensive Biomassenutzung reiht sich dabei als eine weitere Form menschlichen Eingreifens in die Stoffflüsse des Ökosystems Wald in eine seit Jahrhunderten stattfindende Nutzungs- und damit Störungsgeschichte durch Streunutzung, Waldumbau zu Nadelholzforsten und atmosphärische Säure- und Stoffeinträge ein.

The conceptual subject of this study was to investigate the effects of microbial biofilms of the hyporheic zone of the river Elbe on nutrient dynamics and elimination. This resulted in four aspects, which were carried out separately. One aspect was the investigation of the dynamics of inorganic nitrogen compounds in the upper sediment layers, as highest microbial activity could be expected due to increased import of nutrients. Dissolved oxygen is suggested to control the nitrogen dynamics in the hyporheic zone, as dissolved oxygen in the flowing water varied seasonally and diurnally due to the photosynthetic activity of the algae and infiltrated in the hyporheic zone. The second aspect was the investigation of advective transport of algal cells through porous media. In laboratory columns the retention and retardation of morphological different algae was estimated. In the year 2001, it was possible to use the diving bell of the Office of Water and Navigation Magdeburg. Samples of the river bed at two different sites (Dresden-Übigau and Coswig near Lutherstadt-Wittenberg) were taken. Microbial activity rates, detrital and grain size parameters were detected. This sample material was also used for the detection of the microbial biocoenosis at the two sites. The microorganisms of the flowing water, the interstitial water and associated to the sediment were characterized by means of the fluorescence in situ hybridization (FISH) technique. Multivariate statistical analysis was performed on the FISH data at different spatial and phylogenetic scales. / Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung von mikrobiellen Biofilmen in hyporheischen Sedimenten der Elbe sowie deren Auswirkungen auf die Stoffdynamik und die Nährstoffelimination. Daraus ergaben sich vier Teilaspekte, die separat bearbeitet wurden. Ein Aspekt war die Untersuchung der Stickstoffdynamik in den obersten Sedimentschichten, da hier aufgrund des erhöhten Importes von Nährstoffen die höchste mikrobielle Aktivität zu erwarten ist. Wesentliche biologische Steuergröße ist hierbei vermutlich der Gelöstsauerstoff, der saisonal sowie diurnal durch die photosynthische Aktivität der Algen auch die biochemischen Umsätze im hyporheischen Interstitial beeinflußt. Der zweite Aspekt war die Untersuchung des advektiven Transportes von Algen durch poröse Medien. In Laborversuchen wurde die Retention und die Retardation von morphologisch unterschiedlichen Algen untersucht. Im Jahr 2001 konnte der Taucherschacht des Wasser- und Schiffahrtsamtes Magdeburg genutzt werden. Dadurch konnte Probenmaterial aus der Flußmitte an zwei unterschiedlichen Standorten (Dresden-Übigau und Coswig bei Lutherstadt-Wittenberg) entnommen werden. Es wurden mikrobielle Umsatzraten, Detritus- und Korngrößen- Kenngrößen bestimmt. Ebenfalls am Probenmaterial der Taucherschachtaktion wurde die Fluoreszenz in situ Hybridisierung angewendet. Dies ermöglichte eine Bestandsaufnahme der Bakterien sowohl im Freiwasser der beiden Standorte, als auch im Interstitialwasser und den Bakterien assoziiert ans Sediment. Die Ergebnisse wurden auf unterschiedlichen räumlichen und phylogenetischen Ebenen mit multivariaten statistischen Methoden ausgewertet.

The conceptual subject of this study was to investigate the effects of microbial biofilms of the hyporheic zone of the river Elbe on nutrient dynamics and elimination. This resulted in four aspects, which were carried out separately. One aspect was the investigation of the dynamics of inorganic nitrogen compounds in the upper sediment layers, as highest microbial activity could be expected due to increased import of nutrients. Dissolved oxygen is suggested to control the nitrogen dynamics in the hyporheic zone, as dissolved oxygen in the flowing water varied seasonally and diurnally due to the photosynthetic activity of the algae and infiltrated in the hyporheic zone. The second aspect was the investigation of advective transport of algal cells through porous media. In laboratory columns the retention and retardation of morphological different algae was estimated. In the year 2001, it was possible to use the diving bell of the Office of Water and Navigation Magdeburg. Samples of the river bed at two different sites (Dresden-Übigau and Coswig near Lutherstadt-Wittenberg) were taken. Microbial activity rates, detrital and grain size parameters were detected. This sample material was also used for the detection of the microbial biocoenosis at the two sites. The microorganisms of the flowing water, the interstitial water and associated to the sediment were characterized by means of the fluorescence in situ hybridization (FISH) technique. Multivariate statistical analysis was performed on the FISH data at different spatial and phylogenetic scales. / Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung von mikrobiellen Biofilmen in hyporheischen Sedimenten der Elbe sowie deren Auswirkungen auf die Stoffdynamik und die Nährstoffelimination. Daraus ergaben sich vier Teilaspekte, die separat bearbeitet wurden. Ein Aspekt war die Untersuchung der Stickstoffdynamik in den obersten Sedimentschichten, da hier aufgrund des erhöhten Importes von Nährstoffen die höchste mikrobielle Aktivität zu erwarten ist. Wesentliche biologische Steuergröße ist hierbei vermutlich der Gelöstsauerstoff, der saisonal sowie diurnal durch die photosynthische Aktivität der Algen auch die biochemischen Umsätze im hyporheischen Interstitial beeinflußt. Der zweite Aspekt war die Untersuchung des advektiven Transportes von Algen durch poröse Medien. In Laborversuchen wurde die Retention und die Retardation von morphologisch unterschiedlichen Algen untersucht. Im Jahr 2001 konnte der Taucherschacht des Wasser- und Schiffahrtsamtes Magdeburg genutzt werden. Dadurch konnte Probenmaterial aus der Flußmitte an zwei unterschiedlichen Standorten (Dresden-Übigau und Coswig bei Lutherstadt-Wittenberg) entnommen werden. Es wurden mikrobielle Umsatzraten, Detritus- und Korngrößen- Kenngrößen bestimmt. Ebenfalls am Probenmaterial der Taucherschachtaktion wurde die Fluoreszenz in situ Hybridisierung angewendet. Dies ermöglichte eine Bestandsaufnahme der Bakterien sowohl im Freiwasser der beiden Standorte, als auch im Interstitialwasser und den Bakterien assoziiert ans Sediment. Die Ergebnisse wurden auf unterschiedlichen räumlichen und phylogenetischen Ebenen mit multivariaten statistischen Methoden ausgewertet.

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Im Zuge der zunehmenden energetischen Holznutzung fällt vermehrt Holzasche als Abfallprodukt an. Obwohl die Asche potenziell für die Nährstoffrückführung in Wälder genutzt werden könnte, findet dies in Deutschland aktuell kaum statt, da negative ökologische Auswirkungen befürchtet werden, die Handhabbarkeit von Holzasche schwierig ist und hinsichtlich des Nährstoffhaushalts der Wälder keine Notwendigkeit gesehen wird. Durch eine Verarbeitung der Asche zu Rinde-Asche-Pellets (RIA-Pellets) sollte die ökologische Verträglichkeit erhöht und die Handhabbarkeit verbessert werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie RIA-Pellets auf bodenchemische Parameter sowie den Ernährungszustand der Bäume wirken. Dazu wurden zwei Versuchsflächen in der Oberlausitz (Ostsachsen) etabliert: ein 38-jähriger Kiefernbestand auf einem Braunerde-Podsol aus eiszeitlichem Elbschotter im Tiefland sowie drei Fichtenbestände im Alter von 36 bis 49 Jahren auf einer Braunerde aus Lösslehm über Granodioritzersatz im Hügelland. Im Jahr 2011 wurde eine Behandlung mit 4 t ha-1 RIA-Pellets durchgeführt und auf dem Hügellandsstandort zusätzlich eine Vergleichsvariante mit 3,5 t ha-1 Dolomitkalk angelegt. Daraufhin wurden bodenchemische Parameter (pH-Wert, AKe, Nährstoff-Gesamtgehalte, C/N-Verhältnis) sowie Nadelspiegelwerte der Bäume untersucht. Außerdem wurde der zu erwartende Nährstoffverlust mittelalter Nadelholzbestände im Rahmen der Durchforstungen in den kommenden 20 Jahren abschätzend quantifiziert und den sonstigen Stoffflüssen der untersuchten Standorte gegenübergestellt. Auf dem sorptionsschwachen Tieflandsstandort mit Kiefer führten RIA-Pellets in einer Dosis von 4 t ha-1 innerhalb von zwei Jahren zu einer moderaten Erhöhung des pH-Werts um 0,6 Einheiten, einer Zunahme der Kationenaustauschkapazität von 267 auf 338 mmolc kg-1 sowie einer Erhöhung der Basensättigung von 45 auf 90 %. Zudem war eine signifikante Erhöhung der Gesamtgehalte von Ca, Mg und Mn zu verzeichnen. Auf dem sorptionsstarken Boden des Hügellandsstandort mit mittelalten Fichtenbeständen hatte die gleiche Dosis von RIA-Pellets ebenfalls zwei Jahre nach der Ausbringung zu wesentlich geringeren Effekten geführt. Zwar war auch hier ein pH-Anstieg um 0,3 Einheiten zu verzeichnen. Die RIA-Pellets beeinflussten jedoch die AKe und die Basensättigung nicht und die Nährstoff-Gesamtgehalte nur bei Ca und Mn. Alle Effekte waren auf beiden Versuchsflächen auf die Humusauflage begrenzt. Im Vergleich zu einer Kalkung trat die Wirkung der RIA-Pellets langsamer ein und fiel geringer aus. Die Behandlung mit RIA-Pellets führte nach zwei Jahren zu keiner Veränderung der Nadelspiegelwerte auf beiden Versuchsflächen. Die Untersuchung der oberirdischen Bestandesbiomasse zeigte, dass bereits mittelalte Nadelbaumbestände im Rahmen von Durchforstungen bei intensiven Aushaltungsszenarien erhebliche Nährstoffentzüge zu verkraften haben. So stieg die Biomasseentnahme bei Vollbaumnutzung gegenüber konventioneller Nutzung nur um den Faktor 1,3, während die Nährstoffentzüge um den Faktor 1,8 (Ca) bis 4,0 (P, Kiefer) stiegen. Die Nährstoffzusammensetzung der RIA-Pellets unterschied sich aufgrund der Herkunft der Asche (Verbrennung von Rinde und Holz in einem Sägewerk) von der eines Vollbaums. Daher läge der Kompensationsbedarf für die Nährstoffentzüge in den nächsten 20 Jahren bei Vollbaumnutzung im Kie-fernbestand bei 0,7 (Ca) bis 2,0 t ha-1 (P) und im mittelalten Fichtenbestand bei 1,3 (Ca) bis 12,8 t ha-1 (P). Der Vergleich der drei untersuchten unterschiedlich alten Fichtenbestände hat gezeigt, dass der Waldrestholzanteil und somit auch die zusätzliche Biomasse- und Nährstoffentnahme umso höher ist, je jünger bzw. geringer dimensioniert der Bestand ist. Die Betrachtung von Kiefern- und Fichtenbestände zeigte baumartenspezifische Unterschiede bei der Verteilung der oberirdischen Bestandesbiomasse auf die einzelnen Biomassekompartimente sowie der Nährstoffgehalte in den jeweiligen Kompartimenten. Die überschlägigen Nährstoffbilanzen für beide Versuchsflächen haben gezeigt, dass die Nährstoffentzüge mit der geernteten Biomasse bei Vollbaumnutzung in einer ähnlichen Größenordnung lagen, wie die Verluste mit dem Sickerwasser und die Festlegung im Biomassezuwachs. Auch ohne die Berücksichtigung von Nährstoffentzügen mit der Biomassenutzung wiesen die Standorte aufgrund des Nachwirkens historischer Säureeinträge bereits negative Stoffbilanzen für Ca und Mg auf. Die vorliegende Arbeit verdeutlicht, dass die Holzascherückführung in Wälder keinen drastischen Eingriff in die Stoffflüsse natürlicher Ökosysteme darstellt. Vielmehr handelt es sich um den Versuch, die Folgen der aktuellen menschlichen Aktivitäten im Bereich intensiver Biomassenutzung zumindest hinsichtlich der Nährstoffnachhaltigkeit abzumildern. Die intensive Biomassenutzung reiht sich dabei als eine weitere Form menschlichen Eingreifens in die Stoffflüsse des Ökosystems Wald in eine seit Jahrhunderten stattfindende Nutzungs- und damit Störungsgeschichte durch Streunutzung, Waldumbau zu Nadelholzforsten und atmosphärische Säure- und Stoffeinträge ein.:Inhalt 1 Einleitung 1 2 Stand des Wissens 3 2.1 Entwicklung der energetischen Holznutzung in Deutschland 3 2.2 Waldrestholznutzung in Deutschland und Auswirkungen auf die Bodenfruchtbarkeit 5 2.2.1 Waldrestholznutzung in Deutschland 5 2.2.2 Auswirkungen der Walrestholznutzung auf das Waldökosystem 6 2.3 Bodenmelioration mit Holzasche 7 2.3.1 Eigenschaften von Holzasche 7 2.3.2 Gesetzliche Bestimmungen zur Verwendung von Holzasche als Dünger 10 2.3.3 Erfahrungen mit der Holzascheverwendung im Wald 11 2.3.4 Aktuelles Holzascheaufkommen in Deutschland 12 2.3.5 Veredelung von Holzasche 16 3 Forschungsrahmen und Hypothesen 20 4 Material und Methoden 22 4.1 Untersuchungsgebiet Oberlausitz 22 4.2 Versuchsflächen 22 4.2.1 Laußnitz 22 4.2.2 Neusalza-Spremberg 25 4.3 Versuchsanlage 28 4.3.1 Laußnitz 28 4.3.2 Neusalza-Spremberg 29 4.3.3 Eigenschaften der RIA-Pellets und des Dolomit-Kalkes 30 4.4 Bodenuntersuchungen 32 4.4.1 Probenvorbereitung 32 4.4.2 Chemische Analysen der Bodenproben 33 4.5 Nadeluntersuchungen 34 4.5.1 Probenvorbereitung 34 4.5.2 50- und 100-Nadelgewicht 34 4.5.3 Elementgehalte der Nadeln 34 4.6 Untersuchung der oberirdischen Bestandesbiomasse 35 4.6.1 Waldwachstumskundliche Charakterisierung 35 4.6.2 Oberirdische Bestandesbiomasse und ihre Verteilung auf Baumkompartimente 35 4.6.3 Bestimmung der Elementgehalte in den Kompartimenten 37 4.6.4 Biomassefunktionen 38 4.6.5 Nährstoffbilanz 38 4.7 Statistische Auswertung 40 4.7.1 Boden- und Nadelanalysen 40 4.7.2 Ausreißeridentifikation bei den AKe-Daten 41 5 Ergebnisse 42 5.1 Veränderung bodenchemischer Parameter durch RIA-Pellets und Kalk 42 5.1.1 Laußnitz 42 5.1.2 Neusalza-Spremberg 53 5.2 Veränderung der Nadelspiegelwerte durch RIA-Pellets und Kalkung 65 5.2.1 Auswirkungen der RIA-Behandlung auf die Kiefernnadeln in Laußnitz 65 5.2.2 Auswirkungen der Behandlungen auf die Fichtennadeln in Neusalza-Spremberg 70 5.3 Biomasse- und Nährstoffentzug durch intensive Biomassenutzung 74 5.3.1 Oberirdische Bestandesbiomasse 74 5.3.2 Nährstoffgehalte in den Kompartimenten 83 5.3.3 Biomasse- und Nährstoffentzug bei unterschiedlichen Nutzungsszenarien 86 5.3.4 Entzugsbedingter kompensatorischer Nährstoffbedarf 92 5.3.5 Nährstoffbilanz zur Abschätzung des Nährstoffkompensationsbedarfs auf ökosystemarer Ebene 95 6 Diskussion 99 6.1 Einfluss von RIA-Pellets auf bodenchemische Eigenschaften 99 6.1.1 Prüfung von Hypothese 1 99 6.1.2 Prüfung von Hypothese 2 103 6.1.3 Vergleich der Wirkung von RIA-Pellets auf bodenchemische Eigenschaften auf den beiden Versuchsflächen 105 6.1.4 Methodenkritik zur Untersuchung des Einflusses von RIA-Pellets auf bodenökologische Parameter 107 6.1.5 Nährstofffreisetzung aus den RIA-Pellets 108 6.2 Einfluss der Behandlung mit RIA-Pellets auf den Ernährungszustand 109 6.2.1 Prüfung von Hypothese 3 109 6.2.2 Methodenkritik zur Untersuchung des Einflusses von RIA-Pellets auf den Ernährungszustand 110 6.3 Nährstoffentzug durch intensive Biomassenutzung 111 6.3.1 Prüfung von Hypothese 4 111 6.3.2 Methodenkritik zu Biomasseschätzung und Nährstoffbilanz 117 7 Synthese und Schlussfolgerungen 120 8 Zusammenfassung 123 9 Summary 125 10 Literaturverzeichnis 127 11 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 135 12 Abbildungsverzeichnis 136 13 Tabellenverzeichnis 140 14 Abkürzungsverzeichnis 143 15 Anhang 145

The process based soil erosion simulation model EROSION 3D is applied on regional scale for the federal state of Saxony/Germany. This survey is aimed on modeling soil loss, sediment transport, deposition resp. the input of particle attached nutrient and pollutant input into surface water bodies for 10years storm event and three land use scenarios. The available region-wide geo-data were preprocessed to be used in the parameterization interface DPROC. This software has been extended to parameterize large areas as well as small catchments. The basis of parameterization is a relational data base consisting of measured or estimated specific model soil parameters. These values have been derived by heavy rainfall simulation experiments below field conditions. The data base has been extended by the new results, which cover different soil tillage practices. The new experiments were conducted with a newly developed methodology. The experimental results show a significant relation of soil loss from the mechanical impact due to soil tillage. Only the non-tillage practice is able to protect soils efficiently from erosional soil losses. In order to describe particle attached nutrient and pollutant transport, soil samples were analyzed determining the element content of different particle fractions. The regional scale simulations identify the Saxonian Loess Belt as hotspot of soil erosion. However considerable amounts can also be expected in certain areas of the low mountain range. Particle attached element inputs into surface water bodies correspond to main sediment delivery areas. The amounts of erosional soil losses could be reduced to 90 % in case of consequently and area-wide transformation to conservation tillage practices. The calculated phosphorous inputs into surface waters on catchment scale are proofed to be valid. Compared to empirical based phosphorous and heavy metal yields the results in this study exceed this findings by a wide range. The differences are caused by lacking an event based consideration, which disregards system maximal impacts. Since erosion is an exclusive non continuous process, those maximal impacts are highly relevant and have to be considered in case of planning and execution of erosion and water protection concepts. / In der vorliegenden Arbeit wird das prozessbasierte Erosionsprognosemodell EROSION 3D flächendeckend auf regionaler Ebene für den Freistaat Sachsen angewendet. Ziel der Untersuchungen ist es, Bodenabtrag, Sedimenttransport und -deposition bzw. den Eintrag partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe in Oberflächengewässer für ein 10jähriges Starkniederschlagsereignis und drei verschiedene Landnutzungsszenarien zu beschreiben. Dazu wurden im Vorfeld verfügbare Geo-Basisdaten so aufbereitet, dass sie für die semiautomatische Parametrisierung mit der Software DPROC verwendet werden können. Diese Software wurde so erweitert, dass sowohl größere Einzugsgebiete als auch einzelne Teileinzugsgebiete parametrisiert werden können. Grundlage der Parametrisierung bildet eine relationale Datenbank, die auf Messwerten bzw. davon abgeleiteten Schätzwerten aus Starkregenexperimenten unter Feldbedingungen basiert. Der vorhandene Datenfundus wurde durch neue Ergebnisse zu verschiedenen Verfahren der ackerbaulichen Bodenbearbeitung mittels neu entwickelter Methodik korrigiert und erweitert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit des Feststoffaustrages von der Eingriffsintensität bei der Bodenbearbeitung. Dabei ist die Direktsaat die einzige Bewirtschaftungsform, die den Boden effektiv vor Erosion schützt. Um den selektiven partikelgebundenen Nähr- und Schadstofftransport prozessbasiert abzuschätzen, wurden die Stoffgehalte für die Partikelfraktionen Sand, Schluff und Ton an Bodenproben bestimmt. Die regionalskalierten Simulationen identifizieren die sächsische Lössregion als Schwerpunkt der Bodenerosion in Sachsen. Beträchtliche Bodenabträge sind darüber hinaus in den sächsischen Mittelgebirgen zu erwarten. Partikelgebundene Stoffeinträge in Oberflächengewässer verteilen sich in Abhängigkeit von den Sedimentliefergebieten. Die Bodenumlagerungsprozesse einschließlich der damit verbundenen partikelgebundenen Stoffeinträge lassen sich bei konsequenter Umstellung auf konservierende Bewirtschaftungsmethoden entsprechend den Modellergebnissen um mehr als 90 % reduzieren. Im Rahmen der Modellvalidierung konnte die Zuverlässigkeit der berechneten Phosphorausträge auf Einzugsgebietsebene belegt werden. Verglichen mit empirisch basierten mittleren jährlichen Abschätzungen sind die in dieser Arbeit berechneten ereignisbezogenen Phosphor- und Schwermetallausträge um ein Vielfaches höher. Zurückzuführen sind diese Unterschiede vor allem darauf, dass bei den rein empirischen Ansätzen, die maximale Belastungsspitzen unberücksichtigt bleiben. Da Erosion stets ein diskontinuierlicher Prozess ist, sind diese Belastungsspitzen im höchsten Maße relevant und bei der Planung und Durchführung von Erosions- und Gewässerschutzkonzepten unbedingt zu berücksichtigen.

The process based soil erosion simulation model EROSION 3D is applied on regional scale for the federal state of Saxony/Germany. This survey is aimed on modeling soil loss, sediment transport, deposition resp. the input of particle attached nutrient and pollutant input into surface water bodies for 10years storm event and three land use scenarios. The available region-wide geo-data were preprocessed to be used in the parameterization interface DPROC. This software has been extended to parameterize large areas as well as small catchments. The basis of parameterization is a relational data base consisting of measured or estimated specific model soil parameters. These values have been derived by heavy rainfall simulation experiments below field conditions. The data base has been extended by the new results, which cover different soil tillage practices. The new experiments were conducted with a newly developed methodology. The experimental results show a significant relation of soil loss from the mechanical impact due to soil tillage. Only the non-tillage practice is able to protect soils efficiently from erosional soil losses. In order to describe particle attached nutrient and pollutant transport, soil samples were analyzed determining the element content of different particle fractions. The regional scale simulations identify the Saxonian Loess Belt as hotspot of soil erosion. However considerable amounts can also be expected in certain areas of the low mountain range. Particle attached element inputs into surface water bodies correspond to main sediment delivery areas. The amounts of erosional soil losses could be reduced to 90 % in case of consequently and area-wide transformation to conservation tillage practices. The calculated phosphorous inputs into surface waters on catchment scale are proofed to be valid. Compared to empirical based phosphorous and heavy metal yields the results in this study exceed this findings by a wide range. The differences are caused by lacking an event based consideration, which disregards system maximal impacts. Since erosion is an exclusive non continuous process, those maximal impacts are highly relevant and have to be considered in case of planning and execution of erosion and water protection concepts.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI Symbole und Einheiten XIII Zusammenfassung XV Abstract XVI 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufbau der Arbeit 4 1.3 Stand der Forschung 6 1.3.1 Prozesse und Skalen der Bodenerosion 6 1.3.2 Einflussgrößen der Bodenerosion 8 1.3.3 Erosionsschäden 13 1.3.4 Gesetzliche Regelungen zum Erosionsschutz 15 1.3.5 Erosionsmodellierung 16 1.3.6 Niederschlagssimulationen zur Parametererfassung 25 1.3.7 Kornfraktionsspezifische Verteilung partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe 27 2 Material und Methoden 30 2.1 Untersuchungsgebiet 30 2.1.1 Allgemeine Charakteristik 30 2.1.2 Flächennutzung 31 2.1.3 Boden und Relief 31 2.1.4 Gewässer 33 2.1.5 Klima 34 2.1.6 Planungsebenen 34 2.2 Simulationsmodell EROSION 3D 36 2.2.1 Modellgrundlagen 36 2.2.2 Modellalgorithmen 39 2.2.3 Modellparameter 48 2.3 Parametrisierungsinterface DPROC 50 2.3.1 Programmgrundlagen 50 2.3.2 Datenbank 51 2.3.3 Flächenauswahl und Datenzuschnitt 53 2.4 Experimentelle Untersuchungen 56 2.4.1 Untersuchungsstandorte 56 2.4.2 Durchführung von Erosionsexperimenten mit Starkregensimulation 59 2.4.3 Parameterableitung 62 2.4.4 Korrektur- und Erweiterung der DPROC-Datenbank 65 2.5 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer 68 2.5.1 Regionalisierung und Validierung amtlicher Datenquellen 68 2.5.2 Probenahmen und Laboranalysen 68 2.5.3 Bestimmung der kornfraktionsspezifischen Phosphor- und Schwermetallgehalte 70 2.5.4 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer unter Verwendung der Simulationsergebnisse 71 2.6 Statistische Auswertung der experimentellen Daten 73 2.7 GIS-Daten und Datenaufbereitung 74 2.7.1 Reliefdaten 74 2.7.2 Bodendaten 75 2.7.3 Landnutzung und Bodenbearbeitung 75 2.7.4 Niederschlagsdaten 77 2.7.5 Andere Flächendaten 78 2.8 Simulationsrechnungen 79 2.8.1 Aufteilung in Untereinheiten 79 2.8.2 Szenarien 79 2.9 Risikoabschätzung 81 2.9.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 81 2.9.2 Oberflächengewässer 82 2.10 Modellvalidierung 84 2.10.1 Gebietsauswahl und Gebietscharakteristik 84 2.10.2 Datengrundlagen der Modellvalidierung 85 2.10.3 Modellparametrisierung 86 3 Ergebnisse 90 3.1 Experimentelle Ergebnisse 90 3.1.1 Starkregensimulationen 90 3.1.2 Ableitung sachsenweiter kornfraktionsspezifischer Stoffgehalte 91 3.2 Ergebnisse aus GIS-Operationen 98 3.2.1 Reliefdaten 98 3.2.2 Landnutzungsdaten 98 3.2.3 Andere GIS-Daten 99 3.3 Ergebnisse aus Simulationsrechnungen 105 3.3.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 105 3.3.2 Oberflächengewässer 112 3.4 Ergebnisse zur Modellvalidierung 126 3.4.1 Aus Messdaten abgeleitete Ergebnisse 126 3.4.2 Simulationsrechnungen zur Modellvalidierung 130 4 Diskussion 132 4.1 Experimentelle Ergebnisse 132 4.1.1 Messdaten 132 4.1.2 Abgeleitete Daten 135 4.1.3 Zusammenfassende Bewertung der experimentellen Daten 141 4.1.4 Kornfraktionsspezifische Stoffgehalte und -verteilungen 142 4.2 GIS-Daten 145 4.2.1 Reliefdaten 145 4.2.2 Bodendaten 145 4.2.3 Landnutzungsdaten 146 4.2.4 Regionalisierte Stoffgehalte 147 4.3 Weiterentwicklung und Korrektur der DPROC-Datenbank 149 4.4 Modellvalidierung 153 4.5 Simulationsrechnungen 156 4.5.1 Bodenabtrag und Deposition 156 4.5.2 Sediment- und partikelgebundener Stofftransport 163 5 Schlussfolgerung 170 6 Literatur 176 Anhang II A I Erosionsmodelle i A II DPROC-Übersetzungstabellen ii A III GIS-Daten viii A IV Interpolierte Oberboden-Schwermetallgehalte xii A V Daten der Starkregensimulationen xix A VI Elementgehalte der Bodenproben lxi A VII Simulationsrechnungen lxxi / In der vorliegenden Arbeit wird das prozessbasierte Erosionsprognosemodell EROSION 3D flächendeckend auf regionaler Ebene für den Freistaat Sachsen angewendet. Ziel der Untersuchungen ist es, Bodenabtrag, Sedimenttransport und -deposition bzw. den Eintrag partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe in Oberflächengewässer für ein 10jähriges Starkniederschlagsereignis und drei verschiedene Landnutzungsszenarien zu beschreiben. Dazu wurden im Vorfeld verfügbare Geo-Basisdaten so aufbereitet, dass sie für die semiautomatische Parametrisierung mit der Software DPROC verwendet werden können. Diese Software wurde so erweitert, dass sowohl größere Einzugsgebiete als auch einzelne Teileinzugsgebiete parametrisiert werden können. Grundlage der Parametrisierung bildet eine relationale Datenbank, die auf Messwerten bzw. davon abgeleiteten Schätzwerten aus Starkregenexperimenten unter Feldbedingungen basiert. Der vorhandene Datenfundus wurde durch neue Ergebnisse zu verschiedenen Verfahren der ackerbaulichen Bodenbearbeitung mittels neu entwickelter Methodik korrigiert und erweitert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit des Feststoffaustrages von der Eingriffsintensität bei der Bodenbearbeitung. Dabei ist die Direktsaat die einzige Bewirtschaftungsform, die den Boden effektiv vor Erosion schützt. Um den selektiven partikelgebundenen Nähr- und Schadstofftransport prozessbasiert abzuschätzen, wurden die Stoffgehalte für die Partikelfraktionen Sand, Schluff und Ton an Bodenproben bestimmt. Die regionalskalierten Simulationen identifizieren die sächsische Lössregion als Schwerpunkt der Bodenerosion in Sachsen. Beträchtliche Bodenabträge sind darüber hinaus in den sächsischen Mittelgebirgen zu erwarten. Partikelgebundene Stoffeinträge in Oberflächengewässer verteilen sich in Abhängigkeit von den Sedimentliefergebieten. Die Bodenumlagerungsprozesse einschließlich der damit verbundenen partikelgebundenen Stoffeinträge lassen sich bei konsequenter Umstellung auf konservierende Bewirtschaftungsmethoden entsprechend den Modellergebnissen um mehr als 90 % reduzieren. Im Rahmen der Modellvalidierung konnte die Zuverlässigkeit der berechneten Phosphorausträge auf Einzugsgebietsebene belegt werden. Verglichen mit empirisch basierten mittleren jährlichen Abschätzungen sind die in dieser Arbeit berechneten ereignisbezogenen Phosphor- und Schwermetallausträge um ein Vielfaches höher. Zurückzuführen sind diese Unterschiede vor allem darauf, dass bei den rein empirischen Ansätzen, die maximale Belastungsspitzen unberücksichtigt bleiben. Da Erosion stets ein diskontinuierlicher Prozess ist, sind diese Belastungsspitzen im höchsten Maße relevant und bei der Planung und Durchführung von Erosions- und Gewässerschutzkonzepten unbedingt zu berücksichtigen.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI Symbole und Einheiten XIII Zusammenfassung XV Abstract XVI 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufbau der Arbeit 4 1.3 Stand der Forschung 6 1.3.1 Prozesse und Skalen der Bodenerosion 6 1.3.2 Einflussgrößen der Bodenerosion 8 1.3.3 Erosionsschäden 13 1.3.4 Gesetzliche Regelungen zum Erosionsschutz 15 1.3.5 Erosionsmodellierung 16 1.3.6 Niederschlagssimulationen zur Parametererfassung 25 1.3.7 Kornfraktionsspezifische Verteilung partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe 27 2 Material und Methoden 30 2.1 Untersuchungsgebiet 30 2.1.1 Allgemeine Charakteristik 30 2.1.2 Flächennutzung 31 2.1.3 Boden und Relief 31 2.1.4 Gewässer 33 2.1.5 Klima 34 2.1.6 Planungsebenen 34 2.2 Simulationsmodell EROSION 3D 36 2.2.1 Modellgrundlagen 36 2.2.2 Modellalgorithmen 39 2.2.3 Modellparameter 48 2.3 Parametrisierungsinterface DPROC 50 2.3.1 Programmgrundlagen 50 2.3.2 Datenbank 51 2.3.3 Flächenauswahl und Datenzuschnitt 53 2.4 Experimentelle Untersuchungen 56 2.4.1 Untersuchungsstandorte 56 2.4.2 Durchführung von Erosionsexperimenten mit Starkregensimulation 59 2.4.3 Parameterableitung 62 2.4.4 Korrektur- und Erweiterung der DPROC-Datenbank 65 2.5 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer 68 2.5.1 Regionalisierung und Validierung amtlicher Datenquellen 68 2.5.2 Probenahmen und Laboranalysen 68 2.5.3 Bestimmung der kornfraktionsspezifischen Phosphor- und Schwermetallgehalte 70 2.5.4 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer unter Verwendung der Simulationsergebnisse 71 2.6 Statistische Auswertung der experimentellen Daten 73 2.7 GIS-Daten und Datenaufbereitung 74 2.7.1 Reliefdaten 74 2.7.2 Bodendaten 75 2.7.3 Landnutzung und Bodenbearbeitung 75 2.7.4 Niederschlagsdaten 77 2.7.5 Andere Flächendaten 78 2.8 Simulationsrechnungen 79 2.8.1 Aufteilung in Untereinheiten 79 2.8.2 Szenarien 79 2.9 Risikoabschätzung 81 2.9.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 81 2.9.2 Oberflächengewässer 82 2.10 Modellvalidierung 84 2.10.1 Gebietsauswahl und Gebietscharakteristik 84 2.10.2 Datengrundlagen der Modellvalidierung 85 2.10.3 Modellparametrisierung 86 3 Ergebnisse 90 3.1 Experimentelle Ergebnisse 90 3.1.1 Starkregensimulationen 90 3.1.2 Ableitung sachsenweiter kornfraktionsspezifischer Stoffgehalte 91 3.2 Ergebnisse aus GIS-Operationen 98 3.2.1 Reliefdaten 98 3.2.2 Landnutzungsdaten 98 3.2.3 Andere GIS-Daten 99 3.3 Ergebnisse aus Simulationsrechnungen 105 3.3.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 105 3.3.2 Oberflächengewässer 112 3.4 Ergebnisse zur Modellvalidierung 126 3.4.1 Aus Messdaten abgeleitete Ergebnisse 126 3.4.2 Simulationsrechnungen zur Modellvalidierung 130 4 Diskussion 132 4.1 Experimentelle Ergebnisse 132 4.1.1 Messdaten 132 4.1.2 Abgeleitete Daten 135 4.1.3 Zusammenfassende Bewertung der experimentellen Daten 141 4.1.4 Kornfraktionsspezifische Stoffgehalte und -verteilungen 142 4.2 GIS-Daten 145 4.2.1 Reliefdaten 145 4.2.2 Bodendaten 145 4.2.3 Landnutzungsdaten 146 4.2.4 Regionalisierte Stoffgehalte 147 4.3 Weiterentwicklung und Korrektur der DPROC-Datenbank 149 4.4 Modellvalidierung 153 4.5 Simulationsrechnungen 156 4.5.1 Bodenabtrag und Deposition 156 4.5.2 Sediment- und partikelgebundener Stofftransport 163 5 Schlussfolgerung 170 6 Literatur 176 Anhang II A I Erosionsmodelle i A II DPROC-Übersetzungstabellen ii A III GIS-Daten viii A IV Interpolierte Oberboden-Schwermetallgehalte xii A V Daten der Starkregensimulationen xix A VI Elementgehalte der Bodenproben lxi A VII Simulationsrechnungen lxxi