Räumliche Variabilität und zeitliche Dynamik von Stoffflüssen und Stoffausträgen bei grundwasserbeeinflussten sauren Sandböden unter depositionsbelastetem Nadelwald

Land / Region: Deutschland

Projektanfang: 01.01.1996

Projektende: 31.12.2002

Projektstand: 31.12.2002

Prinzip der räumlichen Variabilität von Stoffausträgen aus dem Boden ins Grundwasser Quelle: BGR

Ziele:

Zur Prognose der Grundwasserversauerung bei Porengrundwasserleitern aus Sanden und Kiesen im norddeutschen Flachland sind Modelle nötig, die die zeitliche Dynamik von Stoffausträgen (Azidität, Metalle) aus sauren Waldböden im Gebietsmaßstab simulieren können. Die bisherigen Kenntnisse und Modelle zur zeitlichen Entwicklung von Bodenversauerung und Stoffausträgen unter Wald sind nur punktförmig und unter Annahme homogener Bodenverhältnisse und Randbedingungen anwendbar. Die Vernachlässigung der Variabilität von Eingangsgrößen in solchen Modellen kann zu ökologisch falschen Schlussfolgerungen führen. Zudem bleiben Einflüsse von Redoxprozessen auf Azidität und Mobilität von Metallen bisher weitgehend unberücksichtigt. Um die Gefahr der Grundwasserversauerung flächenhaft beurteilen und modellieren zu können, sollen räumliche Variabilität und zeitliche Dynamik von Stoffflüssen und Stoffausträgen bei sauren Sandböden unter depositionsbelastetem Nadelwald unter Berücksichtigung von Redoxprozessen intensiv in einem norddeutschen Einzugsgebiet gemessen werden. Darauf aufbauend sollen Prognosemodelle zur Simulation von Bodenazidität und Stoffausträgen unter Standortverhältnissen getestet bzw. weiterentwickelt werden.

Die Untersuchungen sollen u.a. zur Klärung folgender offener Fragen beitragen:

• Welche kleinräumigen Unterschiede treten bei bodenphysikalischen Eigenschaften der Sandböden unter Nadelwald auf, und wie lassen sie sich erkennbaren Strukturmerkmalen im Profil zuordnen?
• Welchen Einfluss hat die Variabilität bodenphysikalischer Eigenschaften auf die räumliche Differenzierung von Wasserflüssen im Boden?
• Wie räumlich heterogen ist die Stoffverlagerung (konservativer Tracer) unter natürlichen Niederschlags- und Flurabstandsbedingungen in Gley-Podsolen aus Sand unter Nadelwald, und mit welchen physikalischen Modellansätzen lassen sich Wasserflüsse und Stofftransport simulieren und prognostizieren?
• Welche räumlichen und zeitlichen Strukturen und Korrelationen weisen die Bodenlösungszusammensetzung und Stoffflüsse in verschiedenen Bodentiefen und Stoffausträge in das Grundwasser auf, und erfolgen Stoffflüsse im chemischen Gleichgewicht mit der Bodenmatrix?
• Welche Auswirkungen auf diese Messgrößen haben räumliche Variabilität und saisonale Unterschiede der Stoffdeposition?
• Welche Mechansimen der Speicherung bzw. Mobilisierung von Azidität und Metallen (Fällung/Lösung von Al-Hydroxo-Sulfaten, Sorption) steuern die Bodenlösungszusammensetzung in räumlicher und zeitlicher Hinsicht, und welche Festphasen sind dabei ggf. konzentrationsbestimmend?
• Welche Redoxprozesse werden durch saisonalen Grundwasseranstieg und damit verbundene anoxische Verhältnisse im Unterboden ausgelöst, und wie wirken sich variierende Redoxpotentiale auf Stoffflüsse mit der Bodenlösung (Azidität, Metalle) aus?
• Können Stoffkonzentrationen in der Bodenlösung und Stoffausträge ins Grundwasser (Azidität, Metalle) mit einem Modellansatz, der für Gleichgewichtsbedingungen in Laborversuchen erarbeitet wurde, simuliert und ggf. prognostiziert werden?
• Welche Bedeutung hat die Variabilität von Eingangsgrößen für die ökologische Interpretation von Modellergebnissen bei flächenrepräsentativen Simulationen?

Messungen im Vorhaben:

Die räumliche Variabilität und zeitliche Dynamik von Stoffflüssen und Stoffausträgen (Azidität, Metalle) bei grundwasserbeeinflussten sauren Sandböden wird unter depositionsbelastetem Nadelwald in einem Einzugsgebiet im norddeutschen Flachland untersucht:

• Für das Waldökosystem wird die räumliche und zeitliche Variabilität der Stoffdeposition mit den Bestandesniederschlägen am Transekt gemessen. Weiterhin wird die räumliche Variabilität von Wasserflüssen und Stofftransport im Boden am Transekt untersucht
• Die aufwendigen Messungen erfolgen im Gelände an einem intensiv mit Messgeräten bestücktem Transekt in einem Gley-Podsol aus Sand unter Kiefernwald räumlich (horizontal, vertikal) und zeitlich hoch aufgelöst. Der Messzeitraum beträgt 3 Jahre, um übliche klimatische Jahresschwankungen zu erfassen.

Intensiv-Messstelle Quelle: BGR

Die Messstelle (Standortbeschreibung)

Auf der Intensivmessstelle werden folgende Beprobungen und Messungen durchgeführt:

• An drei Profilwänden (jeweils 2 m breit und 1,5 m tief) wurden Stechzylinderproben zur Bestimmung von Lagerungsdichten und Wassercharakteristiken in hoher räumlicher Auflösung (Gitter mit 0,15 m) an den Profilen entnommen und im Labor untersucht.
• Die Verteilung der Bestandesniederschläge am Messtransekt (20 Niederschlagsmesser) wird wöchentlich bestimmt und entsprechend den Daten eines kontinuierlich registrierenden Niederschlagsmessgerätes zeitlich höher aufgelöst.
• Matrixpotentiale mit Druckaufnehmertensiometern und volumetrische Wassergehalte mit TDR-Sonden: Zeitliche Auflösung: 1 Stunde; Räumliche Auflösung: an 19 Positionen (horizontaler Abstand 0,5 m) entlang eines Transektes in bis zu 7 Tiefen.
• Außerdem werden in einem Tracerversuch mit Hilfe von Saugsonden Durchbruchskurven an 19 Positionen in 3 Tiefen (40, 80 und 120 cm unter der Bodenoberfläche) bestimmt.

Ergebnisse:

• Wassercharakteristiken wurden in hoher räumlicher Auflösung (Gitter mit 0,15 m) an Profilen bestimmt und die Heterogenität wurde mit dem Verfahren der Skalierung dargestellt. Die Skalierungsfaktoren zeigen in der Horizontalen 0,1-0,2 m lange Strukturen und in der Vertikalen keine bis 0,2 m lange Strukturen. Gleichzeitig wurden Wassercharakteristiken aus in situ Messungen am Messtransekt abgeleitet und skaliert. Die Auflösung der Messpunkte am Messtransekt (0,5 m horizontal und 0,3 m vertikal) war zu grob, um Korrelationslängen ableiten zu können.
• Die hydrophoben Eigenschaften wurden mit hoher räumlicher Auflösung an einem Transekt bestimmt. Die Auflage (O) sowie der Aeh- und der Bsh-Horizont zeigen eine sehr hohe bis extrem hohe Hydrophobizität; die Variabilität entlang des Transekts war beträchtlich, räumliche Korrelationen wurden nicht gefunden.
• Aus dem Tracerversuch am Messtransekt wurde abgeleitet, dass etwa 40 % des wassergefüllten Porenraums umflossen wurden. Der Stofftransport bis in 0,7 m zeigte mit 0,28 m die höchste effektive Dispersivität. Der Tracerversuch hatte drei wichtige Kennzeichen: Der Tracer wurde im Oberboden unregelmäßig umverteilt (distribution flow), der effektive Dispersionskoeffizient wächst linear mit der Tiefe (stochastisch-konvektiver Transport) und im Übergang vom Bsh- in den Go-Horizont werden die Stoffe preferentiell in einem stark reduzierten Transportvolumen verlagert.
• Der Vergleich zwischen Messungen am Transekt und Ergebnissen der Modellrechnungen zeigte, dass der Stofftransport mit dem gewählten Modellansatz nicht wiedergegeben werde konnte. Hier sind noch weitere Prozesse zu berücksichtigen.

Projektbeiträge:

• Der Standort: Gley-Podsol unter Kiefernwald

Literatur:

• Deurer, M., W.H.M. Duijnisveld, J. Böttcher und H. Evermann (1997): Die Struktur der räumlichen Variabilität der Wassercharakteristik als transportrelevante Eigenschaft. Mitteilgn. Dtsch. Bodenkdl. Ges., 85, 75-79
• Teichert, A., W.H.M. Duijnisveld und J. Böttcher (1997): Räumliche Variabilität bodenchemischer Eigenschaften am Beispiel eines Gley-Podsols aus Sand unter Kiefernwald. Mitteilgn. Dtsch. Bodenkdl. Ges., 85, 369-372
• Duijnisveld, W.H.M., J. Böttcher und W. Schneider (1998): Räumliche Variabilität der Verlagerung nicht-reaktiver Stoffe in Sandböden auf der Feldskala: Wieviel Saugsonden sind zur Bestimmung der Auswaschungsmenge erforderlich? Mitteilgn. Dtsch. Bodenkdl. Ges., 87, 409-412
• Teichert, A., J. Böttcher und W.H.M. Duijnisveld (1998): Bedeutung der räumlichen Variabilitätsstruktur chemischer Bodeneigenschaften für Stoffkonzentrationen im Sickerwasser eines Sandbodens. Mitteilgn. Dtsch. Bodenkdl. Ges., 88, 459-462
• Böttcher, J., A. Teichert, G. Springob, W. H. M. Duijnisveld (1999): Variabilität von pH-Werten in Sandböden unter Kiefern in Raum und Zeit: Ergebnisse von Langzeitmessungen (24 Monate) auf der 10-m-Skala. Mitteilgn. Dtsch. Bodenkdl. Ges., 91, 302-305
• Deurer, M., W.H.M. Duijnisveld, J. Böttcher (2000): Spatial analysis of water characteristic functions in a sandy Podsol under pine forest. Water Resources Res. 36, 2925-2935)
• Deurer, M. (2000): The dynamics of water and solute flow in the unsaturated zone of a coniferous forest: Measurement and numerical simulation. Diss. Universität Hannover. Horizonte- Herrenhäuser Forschungsbeiträge zur Bodenkunde-, Band 2, Der Andere Verl., Osnabrück, 160 S.
• Teichert, A., J. Böttcher and W.H.M. Duijnisveld (2000): Redox measurements as a qualitative indication of spatial and temporal variability of redox state in a sandy forest soil. In: Schüring et al. (Eds.): Redox - Fundamentals, Processes and Applications. Springer Verlag Berlin/Heidelberg, 95-11
• Deurer, M., W.H.M. Duijnisveld, J. Böttcher und G. Klump (2001): Heterogeneous solute flow in a sandy soil under pine forest: Evaluation of a modelling concept. J. Plant Nutr. Soil Sci., 164(6), 601-610.

Partner:

• Forschungsvorhaben im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms "Geochemische Prozesse mit Langzeitfolgen im anthropogen beeinflussten Sickerwasser und Grundwasser"