FG Bodenschutz und Rekultivierung
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Charakterisierung und Stabilität organo-mineralischer Bodenhilfsstoffe aus Eisenhydroxidschlämmen
(2023)
Die zurückliegenden trocken-heißen Sommer haben im Süden Brandenburgs zu zahlreichen Bränden in den dominierenden Kiefernwäldern geführt, einige davon mit katastrophalen Ausmaßen. Dazu gehören die extremen Brandereignisse 2018 bei Treuenbrietzen sowie 2019 bei Jüterbog und Lieberose, die zusammen weit über 1000 ha Waldfläche zerstört und dabei auch Veränderungen der betroffenen Waldböden verursacht haben.
Das seit Mai 2020 von der FNR geförderte Verbundvorhaben Pyrophob befasst sich mit den Auswirkungen von Waldbränden im Süden Brandenburgs auf die Waldökosysteme und mit waldbaulichen Maßnahmen, die mittelfristig zu einer Verringerung der Brandanfälligkeit der Wälder beitragen sollen. Im Rahmen des auf eine fünfjährige Laufzeit ausgelegten Verbundvorhabens finden bodenkundliche Untersuchungen auf zwölf Versuchsflächen bei Treuenbrietzen und Jüterbog statt. An beiden Standorten werden unverbrannte Referenzflächen mit einbezogen. Ergänzend konnten bei Lieberose bereits 2019 nur kurz nach dem Brandgeschehen erste Bodenuntersuchungen durchgeführt werden. Die untersuchten Brandflächen bei Jüterbog und Lieberose sind als Totalreservate ausgewiesen, auf denen auch nach dem Brand waldbauliche Maßnahmen vollständig unterbleiben. Auf den Flächen bei Treuenbrietzen wurden verschiedene Behandlungsvarianten durchgeführt, zu denen auf einem Teil der Flächen die vollständige Entfernung der abgestorbenen Bäume gehörte, während auf anderen Teilflächen Totholz auf der Fläche verblieb.
Ziel der bodenkundlichen Arbeiten in Pyrophob ist zum einen eine Charakterisierung der direkten Auswirkungen des Brandes auf Humus und Mineralboden hinsichtlich des Stoffbestandes und bodenbiologischer Prozesse. Zum anderen wird der Stoffaustrag aus dem Oberboden erfasst. Der etwaige Einfluss der unterschiedlichen waldbaulichen Vorgehensweise auf die Bodenverhältnisse wird dabei als ein Indikator für die Auswahl geeigneter Maßnahmen berücksichtigt.
In den verschiedenen Untersuchungsvarianten des Vorhabens wurden zu diesem Zweck Humus- und Mineralbodenprofile untersucht. Zudem wurden Mischproben aus dem Ober- und Unterboden entnommen und auf ihren Stoffhaushalt hin analysiert. Auf jeder Untersuchungsfläche wurden je drei frei dränende Kleinlysimeter in 10 cm Bodentiefe installiert, um die zeitlichen Veränderungen der Sickerwasserzusammensetzung und die durch den Brand initiierten Stoffausträge aus dem Oberboden zu quantifizieren. Ergänzend finden Untersuchungen zu möglichen Auswirkungen der Brände auf bodenbiologische Prozesse wie Streuabbau und Stickstoffmineralisation statt.
Die Lausitz zählt schon heute zu einer der niederschlagärmsten Regionen in Deutschland. Durch den Klimawandel wird diese Situation noch weiter verstärkt und die Wahrscheinlichkeit von extremen Trockenperioden während der Hauptvegetationsphase wird zunehmen. Einer der zentralen bodenkundlichen Herausforderungen wird es somit sein, die geringe Wasserhaltekapazität der vor allem sandigen Böden der Region zu steigern. In dem Verbundvorhaben StabilOrg wird daher die Entwicklung neuartiger Bodenhilfsstoffe auf der Basis regional in der Lausitz verfügbarer Ressourcen untersucht.
Durch die Tagebauaktivitäten in der Region fallen große Mengen an Eisenhydroxidschlämmen (EHS) an. Hierbei lassen sich 3 Herkunftsschwerpunkte definieren: I) natürliche Eisenhydroxidsedimente aus Fließen, II) EHS aus Grubenwasserbehandlungsanlagen, die durch Kalkung gefällt wurden und III) EHS aus Trinkwassergewinnungsstätten, die gekalkt und zusätzlich durch chemische Flockungsmittel behandelt wurden. Diese sollen mit verschiedenen Tonen und Lehmen als weitere anorganische Komponenten, sowie mit organischem Material (Kompost) gemischt werden. Ziel ist die Herstellung von anorganisch-organische Mischsubstraten, die die bodenphysikalischen Eigenschaften positiv beeinflussen.
Erste Untersuchungsergebnisse zeigen, dass sich die untersuchten EHS je nach Behandlung in ihrer mineralogischen Zusammensetzung, sowie den physikochemischen Parametern deutlich unterscheiden. In ersten Experimenten wird untersucht, wie sich diese Mischungen auf die Wasserhaltekapazität von sandigen Böden auswirken und ob sich dabei Unterschiede zwischen den EHS und in Kombination mit den anderen Ausgangssubstanzen aufzeigen lassen.
Nach extremen Störungen durch Brände, Vulkanausbrüchen und Hangrutschungen, aber auch menschlichen Eingriffen werden Böden mehr oder weniger zerstört und vegetationsarm. Es entstehen sogenannte initiale Rohböden, die durch Veränderung der Bodenstruktur, Minderung der Wasserhaltekapazität als auch durch Nährstoffarmut extrem beeinflusst werden. Dabei haben anfängliche und nährstoffarme Ökosysteme, wie Grasländer und Offenlandschaften, aus Sicht des Naturschutzes einen hohen Wert für die Landschaft und sind in der intensiv genutzten Kulturlandschaft Mitteleuropas selten geworden. Insbesondere bieten Binnendünen, wie sie in Norddeutschland häufig sind, Potenzial für die Entwicklung von initialen Lebensräumen mit ihren spezifisch angepassten Pflanzen. Neben den Pionierarten werden die Rohböden, wie sie nach Störungen entstehen, zuerst durch verschiedene blütenlose Pflanzen, den sogenannten Kryptogamen, besiedelt.
Biological soil crusts (BSCs) develop when various combinations of diminutive cyanobacteria, eukaryotic algae, non-lichenized fungi, lichens, and/or bryophytes occupy the upper few millimeters of the soil and raw material. They can be present in a wide range of ecological, including successional, and climatic conditions when and where disturbance and/or aridity have resulted in opportunities for colonization. However, they are most prevalent in arid, semiarid and polar ecosystems where vascular plant cover and diversity are characteristically low, leaving large areas available for colonization by some combination of the organismal groups mentioned above. The ecological roles of BSCs are numerous and diverse, and include the collection, accumulation and cycling of essential airborne and soil nutrients, redistribution of precipitated water, and soil formation and stabilization.
Land nachhaltig nutzen
(2019)
Initiale und nährstoffarme Ökosysteme wie Grasländer und Offenlandschaften haben aus Sicht des Naturschutzes einen hohen Wert für die Landschaft und sind in der intensiv genutzten Kulturlandschaft Mitteleuropas selten geworden. Gerade Bergbaufolgelandschaften, aber auch gestörte Binnendünen, bieten Potenzial für die Entwicklung von initialen Lebensräumen und Landschaften. Die obersten Millimeter der Bodenoberfläche dieser Ökosysteme werden durch Biokrusten besiedelt. Gebildet werden diese komplexen Lebensgemeinschaften aus einer Vielzahl von Cyanobakterien, Grünalgen, Moosen, Pilzen, Bakterien und Flechten. Diese Organismen „verkleben“ die Bodenoberfläche und beeinflussen als „Ökosystem en miniature“ maßgeblich die ökosystemaren Prozesse und die weitere Vegetationsentwicklung. Der Eintrag von C und N sowie die Akkumulation von organischem Material fördert die Bodenentwicklung in der initialen Phase.
Während der Sukzession der Biokrusten entwickeln sich die komplexen biotischen Prozesse des N-Kreislaufes mit Rückkopplungen auf die Nährstoffversorgung. Ausgeschiedene Exopolysaccharide, die eine Verbindung mit den Bodenpartikeln eingehen, verkleinern nach Regen den Porenraum der Bodenoberfläche und vermindern die Infiltration. Besonders Moos- und Flechten-Krusten unterbinden bei geringen Niederschlagsintensitäten die Infiltration in tiefere Bodenschichten. Konkurrenz und die großflächige Versiegelung der Bodenoberfläche haben zudem negative Auswirkungen auf die Keimung und Etablierung von höheren Pflanzen. Diese biotischen Interaktionen führen bei gesteuerten Sukzessionen auf Renaturierungsflächen zu Änderungen der Vegetationsentwicklung. Somit wird die Bedeutung der Biokrusten für die Renaturierungsökologie z.T. kontrovers diskutiert. Klein- und großräumige Störungen hingegen sind als integraler Bestandteil der Ökosystementwicklung einzuschließen.