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Zusammenfassung Heft 23


Freiburger Bodenkundliche Abhandlungen

Schriftenreihe des

Institut für Bodenkunde und Waldernährungslehre
der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg i.Br.
Schriftleitung: F. Hädrich


Heft 23


Bodo Heyn

Elementflüsse und Elementbilanzen in Waldökosystemen der Bärhalde - Südschwarzwald


Freiburg im Breisgau 1989

ISSN 0344-2691


Zusammenfassung:

Im Rahmen des DFG-Schwerpunkprogramms "Geochemie umweltrelevanter Spurenstoffe" sind in den Jahren 1976 bis 1979 vom Institut für Bodenkunde und Waldernähungslehre der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg i. Br., Messungen von verschiedenen Flüssen in einer Kleinlandschaft durchgeführt worden. Gemessen wurden der Freilandniederschlag, die Kronentraufe, der Bestandesabfall , das Sickerwasser aus dem Oberboden und dem Unterboden sowie der Gebietsabfluß im Vorfluter. Aus den Flüssen sind 16 Haupt- und Spurenelemente (AI, Ca, Mg, K, Na, P, Si, Fe, Mn, Be, Cd, Co, Cu, Ni, Pb, Zn) analysiert worden. Für die Untersuchungen sind 6 typische Ökosysteme aus dem Bärhaldegebiet ausgewählt worden. Die Untersuchungsstandorte unterscheiden sich im Bodentyp, der Vegetation und der Höhenlage am Hang.

Mit dem Freilandniederschlag werden am Oberhang (Kammnähe) erhöhte Mengen bei den Hauptelementen deponiert. Der Zusammenhang von größeren Partikeln, geringer Transportentfernung und verstärktem Ausregnen wird für diesen Standort nachgewiesen (Kap. 4.2). Die nur über den Ferntransport eingetragenen Elemente (überwiegend Spurenelemente, gebunden an Aerosole < 2 µm werden mit dem Freilandniederschlag am Oberhang in geringen Mengen als im unteren Hangteil eingetragen.

In den sechs untersuchten Ökosystemen der Bärhalde unterscheiden sich die Bodeneinträqe der einzelnen Elemente zum Teil recht deutlich. Verantwortlich dafür sind vor allem die standortlichen Unterschiede wie Bewuchs und Höhenlage bzw. Position am Hang. Elementspezifische Einflüsse während des atmosphärischen Transports (Kap. 4.3.), der Deposition (Kap. 4.5) und der Einbeziehung in den Biokreislauf (Kap. 4.6. u. 7.) beeinflussen die Bodeneinträge der nassen und trockenen Deposition sowie den biogenen Elementeinträgen (Kap. 7.).

Die statistische Prüfung des Stichprobenumfangs zeigt schief bis schwach normal verteilte Datenmatrizen. Die zeitliche und räumliche Variabilität in und zwischen den Ökosystemen ist elementspezifisch verschieden groß. Die deponierten Elementmengen unterscheiden sich zwischen den Ökosystemen fast immer signifikant (Kap. 4.4.).

Der Niederschlaqseintraq variiert zwischen Oberhang und Unterhang bei den einzelnen Elementen von 2 bis 220 %: Für die Spurenelemente Zn, Cu, Co und Pb sind kaum Eintragsunterschiede nachweisbar. Hingegen werden für K, Be und vor allem P die größten Abweichungen festgestellt (Kap. 4.2.1). Die übrigen neun untersuchten Elemente zeigen Abweichungen von ungefähr 30 bis 40 %. Da die Variabilität über die Untersuchungszeitspanne an den einzelnen Meßstationen für alle Elemente zusätzlich um 10 bis 25 % schwankt, ist kein genereller Höhenlageneinfluß bei der nassen Deposition nachweisbar. Insgesamt ist der Spurenelementeintrag mit der nassen Deposition im Bärhaldegebiet vergleichbar mit anderen gering belasteten Gebieten (NÜRNBERG et al., 1984; MIES, 1987). Einige der Spurenelemente (Cd, Zn) zeigen eine für unbelastete Gebiete erhöhte Immissionsbelastung. Auch für Blei werden in anderen Gebieten des Südschwarzwaldes geringere Belastungen gemessen. Für die Bilanzrechnung wird ein mittlerer Gebietsniederschlag und -elementeintrag (Kap. 4.1.) zugrunde gelegt.

Aus den Ergebnissen der Umsatzmessungen in den Ökosystemen der Bärhalde können Elementgruppen mit unterschiedlichen Flüssen in den Kompartimenten abgegrenzt werden. Durch die Interzeptionsdeposition werden am Oberhang (Kap.7), mit ausschließlich älteren Fichtenbeständen für alle Elemente zusätzliche Elementmengen deponiert. Der Mehreintrag für die Spurenelemente bleibt jedoch auch hier deutlich unter dem der Hauptelemente. Die Interzeptionsdeposition ist in der Bärhalde nicht gemessen worden, jedoch wird aufgrund der höheren Elementfracht (Ausnahme Ni und auch Be) in der Kronentraufe der älteren, exponierten Bestände am Oberhang auf zusätzliche Einträge mit der trockenen Deposition bzw. Interzeption geschlossen. Berechnungen aus den Differenzen zwischen Niederschlagseintrag und Kronentraufen (Leaching "+" oder Adsorption "-" ) zeigen, daß bei der Mehrzahl der untersuchten Elemente eine Interzeptionsdeposition vorhanden ist.

Für Nickel kann kein Interzeptionsanteil errechnet werden, bei Pb ist der Einfluß fragwürdig. Für Be, Cu, Co und AI ist die Menge der Interzeptionsdeposition nur gering. Bei Kalium wird durch die Interzeptionsdeposition am Kamm ein 5fach höherer Eintrag als mit dem Niederschlag festgestellt. Für den gesamten Bodeneintrag ist der Anteil jedoch mit ungefähr 40 % ähnlich hoch wie bei den Elementen Ca und Mg. Deutlich über dem Niederschlagseintrag liegt auch die errechnete Interzeptionsdeposition anderer Elemente. Danach werden für Na, Si und Cd doppelt so hohe Mengen durch die Interzeption deponiert. Für Na ist diese gegenüber dem Niederschlagseintrag 4fach höher und bei den Elementen Mg 5fach bzw. sogar 8fach höher beim Mangan. Die Veränderungen der Elementeinträge im Kronenraum sind durch Leaching- bzw. Adsorptionseffekte für die einzelnen Elemente sehr unterschiedlich. Im Kronenraum der Fichtenbestände werden die Elemente AI, Na, P, Fe, Zn, Cu, Pb, Ni und Co adsorbiert. Dagegen sind Leachingprozesse für die Elemente Ca, K, Mn, Mg, Si und Cd nachweisbar.

Am Beispiel des Mangan (Kap. 7.9.) wird nachgewiesen, daß die Leachingmengen von der Gesamtheit der Biomasse im Kronenraum abhängig ist. Die Höhe der Mn-Gehalte in den Kronenkompartimenten und das Baumalter zeigen dagegen keinen Einfluß. Der Kronenablauf wird jedoch durch die Interzeptionsdeposition zusätzlich angereichert. Dem hohen Umsatz in den Biosystemen steht ein verhältnismäßig geringer Pflanzenvorrat gegenüber. Auch beim Kalium werden höhere Umsätze festgestellt. Durch Leaching sind in den Kronentraufen eindeutige Elementanreicherungen für K, Mn, Cd und Ca nachweisbar. Für Si und Mg müssen sie angenommen werden. Beim hohen Aciditätspotential der Niederschläge kann der verstärkte Leachingeffekt besonders bei der angespannten Mg-Versorgung im Bärhaldegebiet die Versorgungslage der Fichten verschlechtern. Für Natrium, wird aufgrund der Eintragsverhältnisse am Bärhaldehang eine geringe Tendenz zur Adsorption festgestellt. Erhöhte Na-Gehalte in älteren Organen korrespondieren mit dieser Beobachtung. Gegenüber dem geringen Na-Eintrag mit dem Niederschlag werden am Oberhang sehr viel höhere Na-Einträge mit der Kronentraufe festgestellt. Die zusätzliche Deposit.ion muß auf den Interzeptionseinfluß zurückgeführt werden. Daraus muß geschlossen werden, daß der Anteil kleiner Partikel, die über den Ferntransport ins Gebiet gelangen, für Natrium sehr hoch ist, (Kap. 4.3). Der Bodeneintrag im Ökosystem Podsol wird dadurch für Natrium um 70 % erhöht. Sehr niedrige Na,-Gehalte in der Vegetation und geringe Na-Einträge mit dem Biomassenfluß (Tab. 24) zeigen die minimale Einbeziehung in den Biokreislauf. Das leicht lösliche Natrium wird in allen Ökosystemen mit dem Sickerwasser und dem lateralen Hangwasserfluß sehr schnell aus dem Gebiet ausgetragen.

Adsorption im Kronenraum wird auch für die Elemente Aluminium und Phosphor und die Spurenelemente Fe, Zn, Cu, Pb, Ni und Co festgestellt. Nicht immer ist dabei feststellbar, ob und in welcher Höhe eine Pflanzenaufnahme über die Vegetationsoberflächen erfolgt. Für Cu kann aufgrund höherer Gehalte im Kronenraum des Altbestandes (P130) bei sonst geringer Pflanzenversorgung auf eine Pflanzenaufnahme geschlossen werden. Die Annahme von RAISCH (1983), daß aufgrund der höheren Acidität in diesem Profil die Cu-Umsetzungen größer sind und die Pflanzenaufnahme durch die Wurzeln erhöht ist, kann ebenfalls als Ursache für die erhöhten Pflanzengehalte zutreffen. Die erhöhte Mobilität von Cu in diesem Profil wird durch den hohen Kupferaustrag mit dem Sickerwasser angezeigt.

Von den anderen Elementen werden nur geringe Mengen über die Vegetationsorgane aufgenommen. Die Elemente AI, Fe, Pb und Cu haben eine recht ähnliche Verteilung in den Baumkompartimenten, so daß für diese auch ähnliche Depositionspfade zutreffen können. Die Gehalte für Fe und Pb sind allerdings in der Vegetation gering. In der Fichtenstreu werden jedoch 4- bis lOfach höhere Elementmengen, als in den Kronenkompartimenten ermittelt. Deshalb kann, ähnlich wie im Solling (MAYER, 1981), mit einem an die Streu gebundenen Aerosoleintrag für diese Elemente gerechnet werden. Die Mehreinträge von Aluminium und Phosphor mit der Streu müssen neben den anhaftenden Aerosolen auch auf die erhöhten Pflanzengehalte zurückgeführt werden. Beim Phosphor ist der interne Umsatz im Biokreislauf die entscheidende Größe. In den Sickerwässern werden nur noch minimale Phosphormengen transportiert. Die Bodeneinträge aus der Biomasse und dem atmosphärischen Eintrag sind stark in den Biokreislauf einbezogen. Die Wurzel aufnähme scheint in den Ökosystemen mit durchweg sauren Böden und hohem Anteil mobiler Ionen leichter möglich.

Vergleicht man die Elementeinträge aus der Atmosphäre und der Biomasse (ohne Leachinganteil) und berücksichtigt den Versorgungsgrad der Vegetation, wird der Elementumsatz im Biokreislauf recht anschaulich wiedergegeben. Bei den Nährelementen P, K, Ca, Mg, Mn und Fe resultiert mehr als die Hälfte der Bodeneinträge aus den Pflanzenbestandteilen. Für AI mit hohen Pflanzengehalten ist der Anteil am Bodeneintrag mit der Biomasse ebenfalls höher als der atmosphärische Eintrag. Vergleicht man die real gemessenen Inputflüsse, also mit den Leaching- und Adsorptionanteilen, wird am Oberhang auch für Blei mit den Bestandesabfall ein höherer Eintrag als durch den Niederschlag oder die Kronentraufe festgestellt. Die an die Biomasse gebundenen Einträge von Eisen und Phosphor steigen durch die Aerosolbindung sogar auf Anteile von > 80 % des Bodeneintrags.

Bei den nachweislich von Leaching beeinflußten Elementen K, Mn, Ca und Mg verschiebt sich in den bewaldeten Oberhangstandorten das Eintragsverhältnis der Elemente zwischen Biomasse und nasser Deposition zugunsten der nassen Einträge. Die höhere Äcidität im Kronenraum der Altbestände kann durch den um 0.3 niedrigeren pH-Wert (Anhang Tab. 49, 5!, 53, 55) den Leachingeffekt im Kronenraum dieser Bestände verstärken. In den Altbeständen weisen etwas niedrigere Gehalte dieser Elemente in den Nadeln auf stärkeres Leaching hin. Eine zusätzliche Elementanreicherung im Kronenablauf erfolgt durch das Abwaschen der im Kronenraum abgefangenen Aerosole. Bei den Spurenelementen Zn, Cd, Ni und Co ist aufgrund der geringen Pflanzengehalte der Umsatz im Biokreislauf gering. Der Anteil des atmosphärischen Eintrags überwiegt entsprechend. Für Blei verschieben sich die atmosphärischen und biogenen Eintragsverhältnisse in den Ökosystemen in Abhängigkeit des Interzeptionseinflusses (Kap. 7.14.), sind aber eindeutig atmosphärisch geprägt. Für Cu und Be sind die Eintragsmengen durch die Streu der Fichten und der Bodenvegetation mit den atmosphärischen Eintragsmengen etwa im Gleichgewicht. Höhere Be-Umsatzmengen im Biokreislauf der Fichtenbestände werden auf das hohe Be-Angebot im Boden zurückgeführt (Kap. 7.17). Die Bodenvegetation an den Freiflächen kann nicht annähernd so hohe Be-Mengen umsetzen. Der Eintrag in den Boden ist für die Mehrzahl der Elemente in den Ökosystemen sehr unterschiedlich. Trotzdem wird der mengenmäßige Elementumsatz eindeutig durch den Biokreislauf geprägt. Relativ unabhängig von den Elementmengenumsetzungen werden in den Sickerwässern der Oberbodenkompartimente für die Nähr- und Spurenelemente deutliche Abnahmen gegenüber dem Eintrag festgestellt (Kap. 7.). Die korrelativen Beziehungen der transportierten Elementmengen in den Oberbodensickerwässern deuten auf ein relativ einheitliches Lösungsverhalten hin (Kap. 6.). Die meisten Elemente sind bei dem sauren Oberbodenmilieu hoch mobil. Die Elementmengen, die nicht durch die Pflanzenaufnahme in den Biokreislauf einbezogen werden, unterliegen bei den hohen Niederschlägen der Auswaschung. Die unterschiedlichen Milieubedingungen der einzelnen Ökosysteme werden dadurch überprägt. Bei den für die Pflanzenversorgung unbedeutenden Hauptelementen Si, AI und Na und den Spurenelementen Co und Be werden die standortspezifischen Substrat- und Milieubedingungen deutlich. Durch hohe Silizium- und Aluminium-Austräge wird die intensive Verwitterung vor allem in den Oberböden der Podsol-Standorte angezeigt. Die aus der Verwitterung freigesetzten Ionen sind im sauren Milieu sehr mobil. Bei sehr niedrigen pH-Werten (< 3.8) ist die Mineral -neubildung stark eingeschränkt, zumal durch die sehr hohe Durchfeuchtung freie Ionen weggeführt werden. In 'den Podsolen wird Silizium und Aluminium lateral mit dem Hangzugwasser ausgetragen. Die Transportmengen im Oberboden des Stagnogley zeigen den sehr starken Hangwasserfluß an (Kap. 7.2. und 7.3.). Auch die schon weit fortgeschrittene Fe-Verlagerung im Podsol Zweiseenblick (KEILEN, 1978) zeigt die hohe Acidität dieser Böden. Ein Ver-sauerungsschub durch die hohen Umsetzungen der organischen Substanz wird aufgrund der sehr hohen Fe-Einträge der Kahlschlagfläche deutlich (Kap. 7.10). Der starke Hangwasserstrom führt recht oberflächennah die gesamte Fe-Fracht bis in den Unterhang. Die hohen Durchflußraten im Stagnogley und die Anreicherung im Go der Ockererde (Kap. 2.3.3.) zeigen dies deutlich. In den Braunerdeprofilen ist die Versauerung noch nicht soweit fortgeschritten. Eine AI-Verlagerung im Waldstandort Erstaufforstung zeigt aber auch hier die beginnende Podsolierung (KEILEN, 1978). Bei allen Standorten ist die Austauschkapazität im Mineralboden niedrig (Kap. 2.). Günstige Sorptionsbedingungen finden sich nur in den humosen Oberböden oder den Anreicherungshorizonten.

Das Problem der Beurteilung von Elementumsätzen bei unterschiedlichen Einflußgrößen wird auch in dem Teilsystem Boden deutlich. Im gesamtem Bärhaldegebiet sind sehr unterschiedliche Bodentypen feststellbar. Trotz des sehr homogenen granitischen Ausgangsgesteins wechseln die Bodentypen auf engstem Raum. Dieses kleinflächige Mosaik verschiedener Bodentypen zeigt am Hang jedoch eine gewisse Zonierung. Rohböden und Podsole am Oberhang gehen in saure Braunerden über. Am Unterhang sind hydromorph geprägte Böden (Stagno-gleye, Moore, Ockererden) ausgebildet, im Tal selbst befinden sich Gleye. Es ist klar, daß bei einem so heterogenen Bodenbestand, kein allgemeingültiges Verhalten der Elemente im Gesamtgebiet abgeleitet werden kann. Neben den Verhältnissen in den einzelnen Ökosystemen ist jedoch der Transport zwischen den Systemen, d.h. durch den hangabwärts qerichteten Wasserfluß und den Einfluß auf den Gebietsaustrag von Bedeutung.

Bei den niedrigen pH-Werten wird in allen Oberböden eine verstärkte Verwitterungsfreisetzung erkennbar. Außerdem erhöht sich in dem sauren Milieu die Mobilität aller Elemente, so daß ein deutlich vertikaler und mit dem Hangzugwasser auch ein lateraler Ionentransport erfolgt. Aluminium und Kobalt werden in den Sickerwässern in hohen Mengen transportiert. Eine Verlagerung in die Unterböden und Anreicherung im Unterhang wird festgestellt. In den Unterböden verändern die Standorts- bzw. bodentypischen Eigenschaften das Umsatzverhalten der Elemente. Die korrelativen Zusammenhänge der Elemente gliedern sich stärker. Aluminium, die Alkalien (K, Na) und Erdalkalien (Ca, Mg, Be) zeigen bei den erhöhten pH-Werten 4 - 4,6^0) im Unterboden recht enge Beziehungen. In allen Ökosystemen steigen aufgrund der hohen Mobilität und dem fehlenden Pflanzenentzug die Austragsmengen dieser Elemente gegenüber dem Oberboden weiter an. Abweichungen werden nur im Stagnogleyprofil bei reduzierendem Milieu und hohen Durchflußmengen festgestellt. Hier ist der Aluminiumtransport im Unterboden deutlich geringer (Kap. 7.3.). Der höhere pH-Wert (in 10 cm Bodentiefe bereits auf 4,2 gestiegen) verringert die Mobilität des Aluminium. Eine AI-Anreicherung in dieser Profiltiefe verdeutlicht den Einfluß des pH auf die Mobilität. Dagegen werden für Mangan keine Anreicherungshorizonte festgestellt. Der 100 %ige Anteil des silikatisch gebundenen Mangan zeigt jedoch, daß das mobile Mangan bei den niedrigen pH-Werten und der hohen Wasserdurchflußmenge schnell ausgetragen wird. In der Ockererde herrschen bei verringerter Abflußmenge (höheres Porenvolumen und vergrößerter Fließquerschnitt) und oxidativen Bedingungen Elementanreicherungen vor. Die starke Rotfärbung zeigt schon im Gelände den hohen Anteil der Fe-Oxide in den GQ-Horizonten. Hohe Gehalte pyrophosphat-löslichen Eisens machen den hohen Anteil organischer Fe-Komplexe deutlich. Die Immobilisierung der Schwermetalle und Spurenstoffe im Unterhang wird mit der Verringerung der Transportmengen und den deutlichen Minderausträgen im Gebietsabfluß angezeigt. Neben den Waldmooren ist die Ockererde mit dem sehr humosen Oberboden und der hohen Sorptionskapazität im Unterboden als Senke anzusehen. Eine verringerte Festlegung wird für die Elemente Cadmium, Nickel und Kobalt erkennbar. Gegenüber den Sickerwässern in den Unterhangprofilen nehmen die transportierten Mengen dieser Elemente im Vorfluter nicht so stark ab wie bei den anderen Spurenelementen. Eine geringe Konkurrenzfähigkeit um die freien Sorptionsplätze von Nickel und Cadmium wird in der Literatur beschrieben vor allem dann, wenn die Gesamtionenkonzentration sehr hoch ist (u.a. HERMS & BRUMMER, 1984). Das Austragsverhalten der Spurenstoffe aus der Bärhalde entspricht diesen Feststellungen. Beryllium wird in Bärhaldegranit durch die Verwitterung freigesetzt. Eine Immobilisierung in den Unterhangböden ist nicht erkennbar. Ähnlich wie die anderen Alkalien und Erdalkalien ist Beryllium in allen Profilen sehr mobil und wird in hohem Maße im Gebietsaustrag angereichert.



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