Das Monitoringprogramm im künstlichen Wassereinzugsgebiet „Hühnerwasser“ umfasst u.a. relevante Parameter zur Erfassung der initialen Bodenentwicklung. 

Aufbau und erste Ergebnisse der initialen Zustandserfassung werden gezeig

Biemelt, Detelf

Schaaf, Wolfgang

Veste, Maik

German

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Tagungsbeitrag zu: Jahrestagung der DBG Kom.IV  Titel der Tagung:  Böden - eine endliche Ressource Veranstalter: DBG, September 2009, Bonn Berichte der DBG (nicht begutachtete online Publikation) http://www.dbges.de  Monitoring der initialen Bodenentwick-lung im künstlichen Wassereinzugs-gebiet „Hühnerwasser“ W. Schaaf1, D. Biemelt2, M. Veste3  Zusammenfassung Das Monitoringprogramm im künstlichen Wassereinzugsgebiet „Hühnerwasser“ um-fasst u.a. relevante Parameter zur Erfas-sung der initialen Bodenentwicklung. Auf-bau und erste Ergebnisse der initialen Zustandserfassung werden gezeigt.  Schlüsselworte: Initiale Bodenbildung, Instrumentierung, Bodenlösung, Rasterkartierung  Einleitung Im Rahmen des SFB/TRR 38 „Strukturen und Prozesse der initialen Ökosystement-wicklung in einem künstlichen Wasserein-zugsgebiet“ wird in einem umfangreichen Monitoringprogramm u.a. die Bodenent-wicklung untersucht. Ziel des Programms ist neben der Flächenkoordination die regelmäßige Erhebung von Grunddaten für den Verbund durch kontinuierliche Mes-sungen, Beprobungen und Luftbilddoku-mentation. Das Einzugsgebiet „Hühnerwasser“ als zentraler Untersuchungsstandort wurde 2005 durch die Vattenfall Europe Mining AG im Tagebau Welzow-Süd südlich von Cottbus hergestellt. Es umfasst eine Fläche von 6 ha, die nach unten durch eine 1-2 m mächtige Schicht aus tertiären Flaschentonen abgedichtet ist (Gerwin et al. 2009). Mittels Absetzertechnologie wurden darauf ca. 120.000 m³ Substrat aus dem Vorschnitt  aufgebracht (Kendzia   1) Lehrstuhl für Bodenschutz und Rekultivierung, BTU Cottbus, Konrad-Wachsmann-Allee 6, 03046 Cottbus. schaaf@tu-cottbus.de 2) Lehrstuhl für Hydrologie und Wasserwirtschaft, BTU Cottbus, Konrad-Wachsmann-Allee 6, 03046 Cottbus 3) Forschungszentrum Landschaftsentwicklung und Bergbaulandschaften (FZLB), BTU Cottbus, Konrad-Wachsmann-Allee 6, 03046 Cottbus et al. 2008). Dabei handelt es sich um saalezeitliche Sedimente der oberen 20 m. Nach der Verkippung erfolgte eine Planierung und Ausformung der Ober-fläche als leicht geneigte (ca. 3%) Schüssel (Abb. 1). Nach Abschluss der Bauarbeiten im September 2005 wurden keinerlei weitere Rekultivierungsmaß-nahmen wie Düngung, Kalkung oder Pflanzungen durchgeführt.  Abb. 1: Luftbild des Einzugsgebiets „Hühnerwasser“ im Jahr 2007  Material und Methoden In einem ersten Schritt wurde das Einzugsgebiet in Sektoren mit einem fest eingemessenen Grundraster von 20 x 20 m unterteilt (Abb. 2). An den ca. 130 Rasterpunkten wurde das Substrat in verschiedenen Tiefenstufen bis zur Tonschicht beprobt und charakterisiert. Bestimmt wurden die Standardparameter Textur, pH, Gesamtgehalte an C, N und S, Karbonat- und Corg.-Gehalte. Die weitere Instrumentierung richtet sich am Grundraster aus und besteht im wesentlichen aus zwei Wetterstationen, 18 Depositionssammlern, 22 Grundwasser-beobachtungsrohren, zwei Messwehren und drei Flumen (Abb. 3). In vier begeh-baren Bodenschächten werden in drei Tiefen Wasserspannung und Wasserge-halte gemessen sowie die Bodenlösung über Borsilikat-Saugplatten gewonnen. Wassergehalte und Saugspannungen werden daneben noch an 14 Raster-punkten mittels PR2-Stabsonde (Delta-T-Devices) bzw. an 10 Punkten mit Einstich-tensiometern 14tägig gemessen (Abb.3). An den beiden Wehren und an einer der Flume werden die Abflüsse mittels eines automatischen Probensammlers täglich beprobt. Die gewonnenen Lösungen (Niederschläge, Bodenlösungen, Abflüsse) werden in 14tägigen Mischproben auf ihre chemische Zusam-mensetzung analysiert: pH (Beckmann pH34, WTW pH537), elektrische Leitfähig-keit (EC; Hanna HI 8733, WTW LF537), Konzentrationen an Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Fe3+, Al3+ (ICP-OES Unicam 701, Thermo Scientific iCAP 6000), NO3-, SO42-, Cl- (IC Dionex 5000), NH4+ (Rapid Flow Analyzer Alpkem), DOC, TOC, TIC und TN (Shimadzu TOC-5000, VCPH+TNM-1).  1370 100 mNinitial lake surfacsurface boundafencealtitude [m a.s.l.125.5 m a.s.l. 127129131133135backslope(with sectorsA-D)ABCDfootslopelake basin123 Abb. 2: Hauptsektoren des Einzugsgebiets   Abb. 3: Übersicht über die wichtigsten Installationen des Monitoringprogramms Um jedem Rasterpunkt wurden vier 1x1 m Dauerquadrate zum vegetationskundlichen Monitoring angelegt. Weiterhin werden regelmäßige Erhebungen zu ausgewählten Gruppen der Bodenfauna sowie ein limnologisches Monitoring des Standge-wässers durchgeführt.  Ergebnisse Die Daten der Rasterbeprobung zeigen insgesamt recht homogene horizontale und vertikale Verteilungen der Substrateigen-schaften an. (Abb. 4). Aufgrund des geogenen Kalkgehalts des Ausgangssub-strats liegen die pH-Werte mit wenigen Ausnahmen im neutralen bis schwach alkalischen Bereich. Bei der Textur sind signifikante Unterschiede zwischen der NW- und der SW-Hälfte des Einzugsge-biets festzustellen (Abb.5). Die NW-Hälfte ist deutlich sandiger und weist einen geringeren Tonanteil auf. Das Substrat wurde in zwei großen Frachten auf der Tonbasis verkippt, die zeitlich einige Monate auseinander lagen. In dieser Zeit ist der Tagebau entsprechend weiter fortgeschritten, so dass diese Unterschiede die Heterogenität des quartären Ausgangs-materials auf der Landschaftsskala wider-spiegeln. Mit dem höheren Feinanteil in den Sektoren A und C gehen auch leicht höhere Corg.-Gehalte einher. Die Zusammensetzung der Boden-lösungen variiert beträchtlich zwischen den vier Schächten. Im Vergleich zu dieser horizontalen Heterogenität sind die Unterschied in der Bodentiefe und in der Zeit geringer ausgeprägt. Hauptkompo-nenten aller Bodenlösungsproben sind Ca2+, Mg2+, HCO3- und SO42-. Aufgrund des Kalkgehalts im Ausgangssubstrat liegen die pH-Werte zwischen 6,0 und 8,5 (Abb.6). Die hohen Ca-Konzentrationen sind auf beginnende Kalklösung aus dem Ausgangssubstrat zurückzuführen. Die ebenfalls hohen Sulfatgehalte in der Lösung (Abb. 6) im Vergleich zu den sehr geringen ST-Gehalten deuten auf gut lösliches CaSO4 hin. Dies belegen auch rasterelektronenmikroskopische Unter-suchungen. Ausfällungen, die im Einzugs-gebiet beobachtet wurden und deren Zusammensetzung gut mit Ergebnissen von Dultz et al. (2005) übereinstimmen, sind offenbar auf die langjährige hohe Belastung durch Schwefel- und Staubde-positionen zurückzuführen (Schaaf und Hüttl, 2006). CaCO3 content [%](0 -30 cm)Gehalt C org contentC Gehalt(30-100 cm) CaCO content [%]3 Gehalt(30-100 cm) Corg content [%](0 -30 cm)C Gehalt Abb. 4: Verteilung der Substrateigenschaften pH, CaCO3-, Corg.- und Sandgehalte in zwei Tiefenstufen der Rasterbeprobung sector A0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100depth [cm]0-3030-100100-200gravel sand silt clay sector B%20 40 60 80 100sector C%0 20 40 60 80 100depth [cm]0-3030-100100-200sector D%20 40 60 80 100a ba ba ba ba ba ba ba ba ba ba ba ba ba b Abb. 5: Textur von Tiefenprofilen der vier Sektoren (vgl. Abb. 2) des Einzugsgebiets (Mittelwerte und Standardabweichungen; n=18 für die Tiefen 0-30 cm und 30-100 cm, n=6 für die Tiefe 100-200 cm), unterschiedliche Buchstaben (a, b) kennzeichnen statistisch signifikante Unterschiede (p>0,01) zwischen den Sektoren) Korrelationen zwischen den Lösungskon-zentrationen und Parametern der Fest-phase bestehen nicht, was nahelegt, dass sich bislang noch kein Gleichgewicht zwischen den Bodenphasen eingestellt hat. Die Grundwasserstände zeigen über  die ersten Jahre einen deutlichen steigenden Trend (Abb.7). Zusätzlich ist ein ausgeprägter saisonaler Verlauf mit höheren Grundwasserständen im Winter und abnehmenden Werten im Sommer-halbjahr zu beobachten.  Literatur Dultz, S. and Kühn, P., 2005: Occurrence, formation, and micromorphology of gyp-sum in soils from the Central-German   Chernozem region. Geoderma 129, 230-250. Gerwin, W., Schaaf, W., Biemelt, D., Fischer, A., Winter, S. and Hüttl, R. F., 2009: The artificial catchment “Chicken Creek” (Lusatia, Germany) - a landscape laboratory for interdisciplinary studies of initial ecosystem development. Ecol. Eng. doi:10.1016/j.ecoleng.2009.09.003. Kendzia, G., Reißmann, R., Neumann, T., 2008: Targeted development of wetland habitats for nature conservation fed by natural inflow in the post-mining landscape of Lusatia. World of Mining – Surface & Underground, 60 (2), 88-95. Schaaf, W. and Hüttl, R. F., 2006: Direct and indirect effects of soil pollution by lignite mining. Water, Air and Soil Pollution - Focus 6, 253-264. date11/07  01/08  03/08  05/08  07/08  09/08  11/08  01/09  pH56789date11/07  01/08  03/08  05/08  07/08  09/08  11/08  01/09  mmol Ca2+  L-10510152025C5C5F2F2I5I5L2L2date11/07  01/08  03/08  05/08  07/08  09/08  11/08  01/09  mmol SO42-  L-105101520date11/07  01/08  03/08  05/08  07/08  09/08  11/08  01/09  mmol DOC L-10,00,20,40,60,81,01,2 Abb. 6: pH-Werte und Konzentrationen von Ca2+, SO42- und DOC in den Bodenlösungen aus 30 cm Tiefe der vier Bodenschächte an den Rasterpunkten C5, F2, I5 und L2 09/05  11/05  01/06  03/06  05/06  07/06  09/06  11/06  01/07  03/07  05/07  07/07  09/07  11/07  01/08  03/08  05/08  07/08  09/08  11/08  01/09  groundwater table [m above clay layer]0,00,51,01,52,02,53,0mean value +/- semanual readingslogged data Abb. 7: Verlauf der Grundwasserstände über der Tonschicht 

Monitoring der initialen Bodenentwicklung im künstlichen Wassereinzugsgebiet „Hühnerwasser“

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Monitoring der initialen Bodenentwicklung im künstlichen Wassereinzugsgebiet „Hühnerwasser“

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