In der vorliegenden Arbeit wurde die Nähr- und Schadstoffdynamik flugaschebeeinflusster Waldböden der Dübener Heide bezüglich ihres aktuellen Zustandes und der zu erwartenden zukünftigen Entwicklung untersucht.
In der Dübener Heide wurden jahrzehntelang große Mengen an Flugasche abgelagert, die die Eigenschaften des Bodens entscheidend und nachhaltig prägten. Selbst 15 Jahre nach dem abrupten Ende der Einträge kann eine Flugaschebeeinflussung noch immer deutlich nachgewiesen werden.
Das Ökosystem hat sich an die durch die Flugasche veränderten Umweltbedingungen angepasst. Nach Wegfall der Einträge unterliegt das System nun allerdings wieder neuen Veränderungen, deren Auswirkungen auf die Bestände noch unklar sind. Als Grundlage für nachhaltige forstliche Planungen und ein angepasstes Naturparkmanagement wurden deshalb im Rahmen des ENFORCHANGE-Teilprojektes Bodenprozesse der aktuelle bodenchemische Zustand der Dübener Heide untersucht und Prognosen über die zukünftige Entwicklung abgeleitet.
Für die Ermittlung des Ist-Zustandes wurden 12 Kernversuchsflächen ausgewählt, die entlang eines Entfernungsgradienten ausgehend vom angenommenen Hauptemittenten, Kraftwerk Zschornewitz, gelegen sind und die typischen Bodentypen und Bestände der Dübener Heide repräsentieren. 2 m tiefe Bodenprofile wurden angelegt und in Tiefenstufen beprobt. Die Bodenproben wurden mit Standardmethoden auf verschiedene bodenchemische Parameter untersucht.
Die Ergebnisse wurden sowohl hinsichtlich der Überschreitung von Mittel-, Vorsorge- und Grenzwerten als auch bezüglich der Ausbildung von Tiefen- und Entfernungsabhängigkeiten beurteilt. Darüber wurden die eindeutig flugaschebeeinflussten Parameter und die am stärksten beeinflussten Tiefenstufen identifiziert.
Diese Informationen wurden anschließend genutzt, um die Standorte statistisch in unterschiedlich stark flugaschebeeinflusste Gruppen einzuteilen.
Weiterhin wurden aktuelle Potentiale und Risiken abgeschätzt und über den Vergleich mit Literaturdaten die vergangene Entwicklung beurteilt.
Die Ergebnisse zum derzeitigen bodenchemischen Ist-Zustand der Dübener Heide können wie folgt zusammengefasst werden:
Als eindeutig flugaschebeeinflusst sind der pH-Wert, die Basensättigung sowie die Gesamtgehalte der Metalle Aluminium, Eisen, Calcium, Magnesium, Cadmium, Cobalt, Nickel und Zink identifiziert worden. Für diese bodenchemischen Parameter liegen klare, abnehmende Gradienten mit zunehmender Entfernung vom Hauptemittenten vor. So sind die pH-Werte im Mittel in den emittentennahen Auflagen um 1,5 pH-Einheiten höher als bei den emittentenfernen Auflagen. Während die emittentenfernen Auflagen dabei bereits etwa über den standorttypischen pH-Wert verfügen, sind die der nahen Standorte noch deutlich durch die Flugasche angehoben. Ebenso liegen in den Auflagen der emittentennahen Standorte sehr hohe Basensättigungen um 90 % und gegenüber den fernen Standorten um etwa 20 - 400 % höhere Metall-Gesamtgehalte vor.
Der pH-Gradient ist außerdem die Ursache dafür, dass Metalle mit pH-abhängigen Mobilitäten sehr deutlich ausgebildete Entfernungsgradienten in ihren verfügbaren Gehalten aufweisen, wobei die verfügbaren Gehalte im Gegensatz zu den Gesamtgehalten mit zunehmender Entfernung zum Emittenten ansteigen.
Anhand der Gesamtgehalte lässt sich nachweisen, dass die Flugaschebeeinflussung vor allem die Auflagen betrifft. Der Transport ganzer Flugaschepartikel in den Mineralboden wird anhand der vorliegenden Ergebnisse als unbedeutend angesehen. Dagegen erfolgt aber eine Verlagerung gelöster Flugaschebestandteile mit dem Sickerwasser. Diese führt dazu, dass ein flugaschebedingter Einfluss auf die pH-Werte, die Basensättigungen und die verfügbaren Gehalte der Basenkationen teilweise noch in 30 cm Tiefe feststellbar ist. Im tieferen Mineralboden überwiegen dann aber andere Standortfaktoren.
Für die Analyse des Flugascheeinflusses ist der Oh-Horizont am besten geeignet. Hier liegen die eindeutigsten und stärksten Gradienten von allen beeinflussten bodenchemischen Parametern vor. Der Of-Horizont ist dagegen bereits durch den Einfluss der Vegetation (Basenpumpe) teilweise überprägt.
Entsprechend der aktuellen Werte der eindeutig flugaschebeeinflussten Parameter lassen sich die Standorte zu drei unterschiedlich stark beeinflussten Gruppen zusammenfassen. Diese Gruppen spiegeln den Entfernungsgradienten wider und wurden deshalb als nahe, mittlere und ferne Standorte bezeichnet.
Die in der vorliegenden Arbeit gefundene Gruppierung weist aber Veränderungen gegenüber der anhand der Rauchschäden der Bestände vorgenommenen Einteilung der Dübener Heide in vier Rauchschadenszonen auf [LUX 1965b]. So wird heute der ehemals stark beeinflusste Standort Ochsenkopf-BDF (RSZ 1) nicht mehr den nahen, sondern den mittleren Standorten zugeordnet, während ein Teil ehemals mäßig beeinflusster Standorte (RSZ 3) mit früher gering geschädigten Standorten (RSZ 4) zu einer Gruppe zusammengefasst werden.
Ein Vergleich mit vorhandenen Literaturdaten zur Dübener Heide zeigt, dass die Unterschiede zwischen den Zonen (z. B. im pH-Wert) mit der Zeit mehr und mehr abnehmen und Nährstoffe (wie Calcium) langsam ausgewaschen werden. Bezüglich der Potentiale und Risiken kann angegeben werden, dass abgesehen von Cadmium, welches in der gesamten Dübener Heide erhöhte Werte aufweist, der Großteil der untersuchten Standorte über standorttypische mittlere Werte und Gehalte verfügt.
Nur an den nahen Standorten treten überdurchschnittlich hohe pH-Werte, Basensättigungen, Calcium-Gesamtgehalte und Vorsorgewertüberschreitungen bei den Gesamtgehalten von Cadmium und Zink auf. Die hohen pH-Werte dieser Standorte führen aber dazu, dass die mobilen Schwermetall-Gehalte derzeit noch niedrige Werte aufweisen und die positive Wirkung der verbesserten Nährstoffsituation überwiegt. Dabei nimmt der Standort Burgkemnitz eine Sonderrolle ein, da er selbst gegenüber dem ebenfalls nahen Standort Buchholz über extrem hohe Calcium-Gehalte und in Verbindung mit seiner sehr mächtigen Auflage auch über sehr hohe Elementvorräte verfügt.
Aufgrund der bereits zu beobachtenden Wiederversauerung und Abnahme der Calcium-Gehalte sind besonders für die nahen Standorte eine Verschlechterung der Nährstoffsituation und eine zunehmende Mobilisierung der Schwermetalle zu erwarten. Als Grundlage für die Abschätzung der Wirkung zukünftiger Veränderungen auf das Waldökosystem und die Bestände wurden deshalb Prognosen über die Entwicklung der relevanten flugaschebeeinflussten Parameter in den Auflagen der Dübener Heide aufgestellt. Mit Hilfe dieser Prognosen sollten sowohl das zu erwartende Ausmaß der Veränderung als auch deren zeitlicher Rahmen besser einschätzbar werden.
Für die Prognosen wurden Altdaten, aktuelle Messwerte und die Ergebnisse eines Freisetzungsexperimentes genutzt, um daraus Trends über die mittlere Entwicklung in den beim Ist-Zustand gefundenen Entfernungsgruppen ableiten zu können. Zusätzlich wurden die Einflüsse verschiedener, in der Prognose nicht berücksichtigter Faktoren diskutiert. Mit der vorliegenden Arbeit steht damit aus bodenchemischer Sicht erstmals ein umfassendes Werkzeug für die Bewertung zukünftiger Entwicklungen in der Dübener Heide zur Verfügung.
Die aufgestellten Prognosen lassen für die Auflagen der Dübener Heide die folgenden Aussagen zu:
Die pH-Werte werden weiter fallen, so dass sich bereits in wenigen Jahrzehnten signifikante pH-Unterschiede zwischen den mittleren und fernen Standorten nicht mehr feststellen lassen werden. Die nahen Standorte werden sich zwar noch am längsten durch erhöhte pH-Werte auszeichnen, aber in etwa 150 Jahren wird in der gesamten Dübener Heide wieder der standorttypische pH-Wert von etwa 3,0 vorliegen.
Verbunden mit der Abnahme der pH-Werte werden auch die Basensättigungen zurückgehen. Etwa 50 Jahre lang können die nahen Standorte noch als mindestens basenreich (> 50 % Basensättigung [AG-BODEN 2005]) angesehen werden. Gegen Ende des betrachteten Zeitraums von 150 Jahren ist dann mit einem einheitlichen Niveau der Basensättigung von ca. 20 % (Grenze zwischen mittelbasisch und basenarm [AG-BODEN 2005]) in den Auflagen der Dübener Heide zu rechnen.
Die Vorräte von Calcium und Magnesium werden nach und nach ausgetragen, wobei die Hauptursache dafür bei Calcium die Auswaschung aufgrund der Wirkung saurer Niederschläge, bei Magnesium der Ernteentzug ist. Mindestens 50 Jahre kann aber an den nahen Standorten noch von einer überdurchschnittlich guten Calciumversorgung ausgegangen werden. Stellenweise kann aber trotz der hohen Vorräte bereits in 30 Jahren die Magnesiumversorgung zum wachstumsbegrenzenden Faktor werden, da nur ein relativ kleiner Teil des Magnesiums freisetzbar zu sein scheint.
Bezüglich des Risikos nachteiliger Wirkungen aufgrund zu hoher verfügbarer Schwermetall-Gehalte sind nur Cadmium und Zink von Bedeutung. Die verfügbaren Gehalte dieser Schwermetalle werden im Zuge der Wiederversauerung ansteigen. Gleichzeitig erfolgt aber auch eine Auswaschung der Gehalte, die dem Anstieg der verfügbaren Gehalte und damit dem Überschreiten der Vorsorgewerte entgegenwirkt. Eine Gefährdung der Waldbestände ist demnach kaum zu erwarten. Die Toleranz der Bäume gegenüber Cadmium und Zink sollte aber trotzdem für langfristige waldbauliche Planungen berücksichtigt werden.:Danksagung 5
Erklärung 6
1 Einleitung und Zielsetzung 7
2 Das Untersuchungsgebiet Dübener Heide 10
2.1 Lage 10
2.2 Klima 11
2.3 Geologie und naturräumliche Gliederung 11
2.4 Boden 13
2.5 Emissionsgeschichte 13
2.6 Flugasche 17
2.6.1 Morphologische, physikalische und chemische Eigenschaften 18
2.6.2 Auswirkungen auf Boden und Pflanze 20
3 Material und Methoden 24
3.1 Charakterisierung der Standorte 24
3.1.1 Standortauswahl 24
3.1.2 Standort- und Profilbeschreibung 25
3.2 Probenahme, Probenvorbereitung 38
3.3 Standardlabormethoden zur Beurteilung des Ist-Zustandes 38
3.3.1 pH-Wert 38
3.3.2 Gesamtgehalte 39
3.3.3 NH4Cl-extrahierbare Gehalte 39
3.3.4 NH4NO3-extrahierbare Gehalte 39
3.4 Modelle und Experimente zur Ableitung von Prognosen 40
3.4.1 Extrapolation der zeitlichen pH-Wert-Entwicklung 40
3.4.2 Quantifizierung der pH-Abhängigkeit der Basensättigung 42
3.4.3 Quantifizierung der pH-Abhängigkeit der Mobilität 42
3.4.4 Berechnung der Säurefracht im Niederschlag 43
3.4.5 Experiment zur Prognose der Gesamtgehalte 44
3.4.6 Modell zur Prognose der verfügbaren Gehalte 50
3.5 Statistische Datenauswertung 52
3.5.1 Clusteranalyse 53
3.5.2 Diskriminanzanalyse 54
4 Ist-Zustand 57
4.1 Zielsetzung 57
4.2 Ergebnisse und Diskussion 57
4.2.1 pH-Wert 57
4.2.2 Makroelemente 62
4.2.3 Spurenelemente 75
4.2.4 Zusammenfassende Statistik 81
4.3 Schlussfolgerung 87
5 Prognosen 89
5.1 Zielsetzung 89
5.2 Ergebnisse und Diskussion 90
5.2.1 Zeitliche Entwicklung des pH-Wertes 90
5.2.2 Zeitliche Entwicklung der Basensättigung 96
5.2.3 Zeitliche Entwicklung der verfügbaren Gehalte (bei konstantem Gesamtgehalt) 99
5.2.4 Zeitliche Entwicklung der Gesamtgehalte 108
5.2.5 Zeitliche Entwicklung der verfügbaren Gehalte (bei abnehmendem Gesamtgehalt) 125
5.3 Schlussfolgerung 129
6 Zusammenfassung 132
7 Summary 136
8 Verzeichnisse 140
8.1 Literaturverzeichnis 140
8.2 Abbildungsverzeichnis 150
8.3 Tabellenverzeichnis 154
9 Anhang 156
9.1 Ist-Zustand 158
9.2 Prognosen 168 / In this study the dynamics of nutrients and pollutants within fly ash-affected forest soils of the Dübener Heide, Germany, were examined concerning their current state and the future development to be expected.
In the Dübener Heide large amounts of fly ash were deposited over decades, which had a crucial and lasting impact on the soil properties. Even 15 years after the abrupt end of the immissions this influence can still be proven.
The ecosystem has adapted itself to the environmental conditions changed by the fly ash. However, after the loss of further immissions the system is subject to changes once again with yet unknown consequences for the forest. As a basis for sustainable forest planning and an adapted nature park management the current soil-chemical state of the Dübener Heide was examined and prognoses for the future development were derived within the ENFORCHANGE subproject of soil processes.
For the determination of the current state 12 sites, that are representative for the typical soil types and stands of the Dübener Heide, were selected which have increasing distances to the coal-fired power plant Zschornewitz, regarded as the main emitter. Soil profiles, two meters in depth, were set up and sampled in depth stages. The soil samples were analyzed for different soil-chemical parameters by means of standard methods.
The results were judged regarding the exceeding of mean, critical and limiting values as well as the occurrence of dependencies on depth or distance. By that means parameters which are definitely influenced by the fly ash as well as the most strongly affected depth stages were identified.
These information were used afterwards in order to statistically divide the sites into groups of different grade of fly ash-affection.
Furthermore current potentials and risks were estimated, and the previous development was judged by comparison with literature data.
The results for the current soil-chemical state of the Dübener Heide can be summarized as follows:
The pH value, the base saturation and the total contents of the metals aluminium, iron, calcium, magnesium, cadmium, cobalt, nickel and zinc were identified as definitely fly ash-affected. Decreasing values of these soil-chemical parameters are clearly observable with increasing distance from the main emitter. So on average, the pH values of the forest floor horizons close to the emitter are greater by about 1.5 pH units than that of sites far from the emitter. Thereby the forest floor horizons far from the emitter already have approximately the typical pH value while pH values are sill raised by the fly ash at the closed-by sites. Very high base saturations around 90 % and total metal contents, that are higher by approximately 20 400 % compared with more distant sites are present in the forest floor horizons of sites close to the emitter, too.
In addition, the pH gradient is the cause for the fact that the available contents of metals with pH-dependent mobility exhibit very clearly formed distance gradients, with the available contents rising with the distance to the emitter contrary to the total contents of the metals.
By means of the total contents it can be proven, that the influence of the fly ash mainly concerns the forest floor horizons. The transport of whole fly ash particles into the mineral soil is regarded as insignificant on the basis of the available results. However, a displacement of solved fly ash components with seepage water takes place. This leads to the fact, that a fly ash-induced influence on the pH value, the base saturation, and the available contents of the base cations is partly detectable as far as 30 cm in depth. However, in still deeper mineral horizons different location factors predominate.
For the analysis of the fly ash influence the Oa-horizon is the most suitable. Here the clearest and strongest gradients of all affected soil-chemical parameters are present. The Oe-horizon is additionally marked in parts by the influence of the vegetation (base pump)
According to the current values of the definitely fly ash-affected parameters the sites can be divided into three groups with different grade of fly ash-affection. The distance gradients are reflected in these groups, and that is why the groups were termed closed-by, intermediate and distant sites.
However, the grouping found in the current study exhibits changes compared with the grouping of the Dübener Heide into the four smoke damage zones [LUX 1965b] according to the damage done to the stands by the smoke. Thus, today the formerly strongly affected site Ochsenkopf-BDF (RSZ 1) is no longer assigned to the closed-by but instead to the intermediate sites, while a part of the formerly moderately affected sites (RSZ 3) is now combined into one group together with formerly only slightly damaged site (RSZ 4).
A comparison with existing literature data from the Dübener Heide shows, that the differences between the zones (e.g. in pH value) decrease more and more with time, and that nutrients (like calcium) are slowly washed out. Concerning the potentials and risks it can be indicated that apart from cadmium, which exhibits increased values over the entire Dübener Heide, the majority of the examined sites has averaged values and contents typical for the location.
Only at the closed-by sites pH values, base saturations, total contents of calcium above the average and violations of limits of precaution of cadmium and zinc occur. But the high pH values at these sites lead to the fact, that the mobile heavy metal contents exhibit still low values at present, and that the positive effect of the improved nutrient situation predominates. The site Burgkemnitz takes a special position, since it has extremely high calcium contents and in connection with its very thick forest floor horizon also very high element stocks even in comparison with the likewise closed-by site Buchholz.
Due to the already observable acidification and the decrease in calcium contents a degradation of the nutrient situation and an increasing mobilization of the heavy metals are to be expected particularly for the closed-by sites. Therefore, as a basis for the estimation of the effect of future changes on the forest ecosystem and the stands prognoses for the development of the relevant fly ash-affected parameters in the forest floor horizons of the Dübener Heide were derived. With the help of these prognoses both the extent of the change to be expected and its time frame should become better assessable.
For the prognoses literature data, measured values of the current study and the results of a release experiment were used in order to be able to derive from it trends for the averaged development within the different groups of sites found for the current state. Additionally the influences of different factors not considered for the prognoses were discussed. So with this, for the first time there is available a comprehensive tool for the evaluation of future developments in the Dübener Heide from soil-chemical point of view.
The set up prognoses allow the following statements for the forest floor horizons of the Dübener Heide:
The pH values will continue to fall, so that already in a few decades significant pH differences between the intermediate and the distant sites will not be determinable any more. The longest time the closed-by sites will be characterised by increased pH values, but in approximately 150 years a location typical pH value of about 3.0 will be present over the entire Dübener Heide again.
Connected with the reduction of the pH values the base saturation will decrease, too. About 50 more years the closed-by sites can still be regarded as at least base rich (> 50 % base saturation [AG-BODEN 2005]). But towards the end of the considered time of 150 years it has to be reckoned on a uniform level of the base saturation of approximately 20 % (threshold between medium-basic and base-poor [AG-BODEN 2005]) in the forest floor horizons of the Dübener Heide.
The stocks of calcium and magnesium will be gradually decreased, for what the main cause is leaching due to the effect of acid precipitations for calcium and harvest removal for magnesium. At least for 50 more years it can be assumed that the closed-by sites will have a calcium supply good above average. In parts, however, despite the high stocks the magnesium supply can already become the growth-limiting factor in 30 years, since only a relative small part of magnesium seems to be available for leaching.
Only cadmium and zinc are of importance concerning the risk of unfavourable effects caused by too high contents of mobile heavy metals. The available contents of these heavy metals will rise as the result of increasing acidification. But at the same time leaching of the metals takes place what counteracts the rise of the available contents and thus the violation of the limits of precaution. According to this an endangerment of the forest stands is hardly to be expected. However, for long-term forest-structural planning the tolerance of the trees with respect to cadmium and zinc should be considered nevertheless.:Danksagung 5
Erklärung 6
1 Einleitung und Zielsetzung 7
2 Das Untersuchungsgebiet Dübener Heide 10
2.1 Lage 10
2.2 Klima 11
2.3 Geologie und naturräumliche Gliederung 11
2.4 Boden 13
2.5 Emissionsgeschichte 13
2.6 Flugasche 17
2.6.1 Morphologische, physikalische und chemische Eigenschaften 18
2.6.2 Auswirkungen auf Boden und Pflanze 20
3 Material und Methoden 24
3.1 Charakterisierung der Standorte 24
3.1.1 Standortauswahl 24
3.1.2 Standort- und Profilbeschreibung 25
3.2 Probenahme, Probenvorbereitung 38
3.3 Standardlabormethoden zur Beurteilung des Ist-Zustandes 38
3.3.1 pH-Wert 38
3.3.2 Gesamtgehalte 39
3.3.3 NH4Cl-extrahierbare Gehalte 39
3.3.4 NH4NO3-extrahierbare Gehalte 39
3.4 Modelle und Experimente zur Ableitung von Prognosen 40
3.4.1 Extrapolation der zeitlichen pH-Wert-Entwicklung 40
3.4.2 Quantifizierung der pH-Abhängigkeit der Basensättigung 42
3.4.3 Quantifizierung der pH-Abhängigkeit der Mobilität 42
3.4.4 Berechnung der Säurefracht im Niederschlag 43
3.4.5 Experiment zur Prognose der Gesamtgehalte 44
3.4.6 Modell zur Prognose der verfügbaren Gehalte 50
3.5 Statistische Datenauswertung 52
3.5.1 Clusteranalyse 53
3.5.2 Diskriminanzanalyse 54
4 Ist-Zustand 57
4.1 Zielsetzung 57
4.2 Ergebnisse und Diskussion 57
4.2.1 pH-Wert 57
4.2.2 Makroelemente 62
4.2.3 Spurenelemente 75
4.2.4 Zusammenfassende Statistik 81
4.3 Schlussfolgerung 87
5 Prognosen 89
5.1 Zielsetzung 89
5.2 Ergebnisse und Diskussion 90
5.2.1 Zeitliche Entwicklung des pH-Wertes 90
5.2.2 Zeitliche Entwicklung der Basensättigung 96
5.2.3 Zeitliche Entwicklung der verfügbaren Gehalte (bei konstantem Gesamtgehalt) 99
5.2.4 Zeitliche Entwicklung der Gesamtgehalte 108
5.2.5 Zeitliche Entwicklung der verfügbaren Gehalte (bei abnehmendem Gesamtgehalt) 125
5.3 Schlussfolgerung 129
6 Zusammenfassung 132
7 Summary 136
8 Verzeichnisse 140
8.1 Literaturverzeichnis 140
8.2 Abbildungsverzeichnis 150
8.3 Tabellenverzeichnis 154
9 Anhang 156
9.1 Ist-Zustand 158
9.2 Prognosen 168
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:25415 |
| Date | 18 October 2010 |
| Creators | Fritz, Heiko |
| Contributors | Makeschin, Franz, Horn, Rainer, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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