Veränderungen bodenchemischer und –physikalischer
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Technische Universität Berlin Institut für Ökologie Fachgebiet Bodenkunde / Standortkunde und Bodenschutz Veränderungen bodenchemischer und –physikalischer Eigenschaften ehemaliger Rieselfeldflächen nach Sanierung mittels Mergeleintrag Diplomarbeit Vorgelegt der Fakultät VII Architektur Umwelt Gesellschaft der Technischen Universität Berlin März 2003 Von Dörte Diehl Matr. – Nr.: 172235 betreut von Prof. Dr. Gerd Wessolek Dr. Heiner Stoffregen 2 Eidesstattliche Erklärung Eidesstattliche Erklärung Hiermit versichere ich, Dörte Diehl, an Eidesstatt die selbstständig und eigenhändige Anfertigung dieser Diplomarbeit. 10115 Berlin, 14.03.2003 3 Danksagung Danksagung Für die Überlassung des Themas danke ich Herrn Prof. Dr. Wessolek. In Dr. Heiner Stoffregen hatte ich einen Betreuer, der immer Antworten auf meine Fragen und neue Anregungen parat hatte, wenn das Schreiben ins Stocken geriet. Für die vielen nützlichen Tipps, die Hilfe beim Einrichten der Meßstellen, das Korrekturlesen und natürlich für die gute Laune danke ich Karsten Täumer. Die anfangs unterschätzte Laborarbeit hätte ich nie bewältigt ohne die tatkräftige Unterstützung von Claudia Kuntze, Kotan Yildiz und Michael Facklam-Moniak sowie des Praktikanten Martin. Mein Dank gilt auch Dr. Christian Hoffmann, der mir freundlicherweise für meine Auswertung unerläßliche Daten überließ. Am Ende möchte ich mich bei meinen baby-sittern bedanken, die mir in den letzten Wochen den Rücken freihielten und natürlich auch bei meiner Tochter Saida, die so oft auf mich verzichten mußte. 4 Inhalt Inhalt 1. ZUSAMMENFASSUNG.............................................................................................................................. 6 2. EINLEITUNG .............................................................................................................................................. 8 3. UNTERSUCHUNGSGEBIET................................................................................................................... 10 3.1. 3.2. 3.3. 4. LAGE UND NATÜRLICHE BEDINGUNGEN ............................................................................................... 10 NUTZUNGSGESCHICHTE........................................................................................................................ 10 BISHERIGE UNTERSUCHUNGEN ............................................................................................................ 13 THEORETISCHE GRUNDLAGEN ........................................................................................................ 15 4.1. SCHWERMETALLE IM BODEN................................................................................................................ 15 4.1.1. Mobilität von Schwermetallen .................................................................................................... 15 4.1.2. Blei, Kupfer, Zink und Cadmium ................................................................................................ 19 4.1.3. Ermittlung der Bindungsformen von Schwermetallen im Boden ................................................ 21 4.2. WASSER IM BODEN .............................................................................................................................. 22 4.2.1. Einteilung des Bodenwassers...................................................................................................... 22 4.2.2. Kennwerte des Wasserhaushaltes eines Bodens ......................................................................... 23 4.2.3. Ökologische Bewertung des Bodenwasser- und Lufthaushaltes ................................................. 24 4.2.4. Ermittlung der Grundwasserneubildung .................................................................................... 26 5. METHODIK ............................................................................................................................................... 28 5.1. UNTERSUCHUNGSFLÄCHEN .................................................................................................................. 28 5.2. FELDMETHODEN ................................................................................................................................... 30 5.2.1. Aufbau der Meßflächen............................................................................................................... 30 5.2.2. Wassergehaltsmessung im Boden mittels TDR-Sonden .............................................................. 31 5.2.3. Sickerwasserbeprobung mittels keramischer Saugkerzen........................................................... 31 5.3. PROBENAHME ....................................................................................................................................... 32 5.3.1. Stechzylinderproben.................................................................................................................... 32 5.3.2. Raster- und Transektbeprobung.................................................................................................. 32 5.4. LABORMETHODEN ................................................................................................................................ 32 6. ERGEBNISSE ............................................................................................................................................ 36 6.1. BODENPHYSIK ...................................................................................................................................... 36 6.1.1. Bodenphysikalische Ergebnisse der Abteilung 704 c5................................................................ 36 6.1.2. Bodenphysikalische Ergebnisse der Abt. 708 b3 ........................................................................ 39 6.1.3. Zusammenfassung....................................................................................................................... 42 6.2. BODENCHEMIE ..................................................................................................................................... 43 6.2.1. Ergebnisse der Rasterbeprobung (704 c5) ................................................................................. 43 6.2.2. Ergebnisse der Transektbeprobung (705 b1).............................................................................. 49 6.2.3. Vergleich der Raster- und Transektbeprobung........................................................................... 57 6.2.4. Sickerwasserqualität................................................................................................................... 58 6.2.5. Vergleich Sickerwasser – Bodensättigungsextraktion ................................................................ 60 7. BEWERTUNG ........................................................................................................................................... 61 7.1. VERÄNDERUNGEN IM WASSERHAUSHALT ............................................................................................ 61 7.1.1. Standorteigenschaften................................................................................................................. 61 5 Inhalt 7.1.2. Grundwasserneubildung ............................................................................................................. 62 7.1.3. Zusammenfassung der bodenphysikalischen Ergebnisse............................................................ 64 7.2. VERÄNDERUNGEN DER BODENCHEMIE ................................................................................................ 64 7.2.1. Bewertung des IST-Zustandes des Transekt 705 b1.................................................................... 65 7.2.2. Veränderungen im Transekt 705 b1............................................................................................ 66 7.2.3. Bewertung des IST-Zustandes 704 c5 ......................................................................................... 68 7.2.4. Veränderung der pH-Werte und Humusgehalte 704 c5.............................................................. 70 7.2.5. Diskussion zu Veränderungen in der Abt. 704 c5 ....................................................................... 71 7.2.6. Zusammenfassung der bodenchemischen Ergebnisse................................................................. 73 8. ABBILDUNGSVERZEICHNIS................................................................................................................ 74 9. TABELLENVERZEICHNIS .................................................................................................................... 77 10. GLEICHUNGSVERZEICHNIS........................................................................................................... 79 11. LITERATURVERZEICHNIS .............................................................................................................. 80 12. ANHANG ...............................................................................................................................................I 12.1. 12.2. 12.3. 12.4. ANHANG A .............................................................................................................................................. I ANHANG B ........................................................................................................................................... IV ANHANG C ........................................................................................................................................... IX ANHANG D .............................................................................................................................................X 6 1. Zusammenfassung 1. Zusammenfassung Ziel dieser Arbeit war es, die Veränderungen bodenchemischer und bodenphysikalischer Eigenschaften in einem ehemaligen Rieselfeld nach einer Sanierung durch Eintrag von lehmigem Geschiebemergel zu dokumentieren. Zur Erfassung der bodenphysikalischen Eigenschaften wurden auf der im Jahr 2000 überlehmte Fläche 708 b3 und der im Jahr 2001 überlehmte Fläche 704 c5 mit Saugkerzen und TDRSonden bestückte Meßfläche aufgebaut und wöchentlich beprobt. Es wurden die Korn- und Porengrößenverteilung der Überlehmungshorizonte an Feldproben bestimmt und bei einer zweiten Aufgrabung zum Zeitpunkt der stärksten Austrocknung am 16.09.02 die niedrigsten volumetrischen Wassergehalte der Vegetationsperiode ermittelt. Die 60 - 80 cm mächtigen Überlehmungshorizonte waren mit durchschnittlich 4 Gew.% Ton und 2 - 3 Gew.% Humusgehalt durch schwach schluffige bis schwach lehmige Sande gekennzeichnet Sie verfügten über ein mittleres Gesamtporenvolumen und eine hohe bis sehr hohe Luftkapazität. Die Feldkapazität der überlehmten Flächen war mit 170 – 190 mm etwa doppelt so hoch wie die der nicht überlehmten Vergleichsfläche mit 90 mm. Die als mittel zu bewertende nutzbare Feldkapazität in 1 m Tiefe von 114 - 123 mm gegenüber 72 mm in der unsanierten Vergleichsfläche zeigte eine deutliche Verbesserung der Böden als Pflanzenstandorte. Die Wassergehaltsmessungen durch TDR-Sonden bestätigten weitestgehend diese Ergebnisse. Eine Simulation der Grundwasserneubildungen mit Klimadaten der letzten 20 Jahre und den hier ermittelten bodenphysikalischen Ergebnissen zeigte bei gleichbleibender Vegetation (Wiesenstandort) eine Verringerung der Grundwasserneubildung um ca.40 – 50 mm pro Jahr. Durch eine Begründung gesunder Waldbestände könnte diese Verringerung auf 150 – 180 mm gegenüber der jährlichen Grundwasserneubildung unsanierter Wiesenstandorte erhöht werden. Dies hat einen geringeren Schadstoffaustrag über das Sickerwasser in den ersten Grundwasserleiter und die Vorfluter zur Folge. Andererseits muß mit einer weiteren Absenkung des Grundwassrpiegels, dem Trockenfallen der aus der Rieselbewirtschaftung stammenden Grabensysteme, einer weiteren Verringerung der Abflußmenge des ausschließlich durch das Grundwasser gespeisten Lietzengrabens und damit einhergehenden ökologischen Folgen gerechnet werden. Zur Erfassung der bodenchemischen Veränderungen durch die Überlehmung wurden eine Raster- und eine Transektbeprobung durchgeführt und neben pH-Werten und Humusgehalten SchwermetallGesamtgehalte sowie verschiedenen Bindungsfraktionen bestimmt. Sowohl die Gesamtgehalte als auch die Bindungsfraktionen der beiden Flächen unterschieden sich nicht wesentlich. Auffällig waren mittlere Cd-Gesamtgehalte von 3 mk/kg, die den Grenzwert für Boden der KlärschlammVO von 1,5 mg/kg weit überschritten und ausschlaggebend für eine Bewertung als hoch belastete Flächen nach dem Belastungsschema von Metz et al. 1991 waren. Die leicht mobilisierbaren Schwermetallgehalte waren bei neutraler Bodenreaktion erwartungsgemäß sehr gering. Cu war mit 1,2 %, Cd mit 1,4 %, Zn mit 0,2 % und Pb mit <0,1 % des Gesamtgehaltes mobilisierbar. Die Sickerwasser- und Bodensättigungskonzentrationen wiesen mit Mittel- und Medianwerten Cu-Konzentrationen über dem Prüfwert der BBodSchVO für den Wirkungspfad Boden-Grundwasser auf. Über das Transekt lagen bereits Daten aus Probenahmen von 1998 vor der Überlehmung und 1999 nach der Überlehmung vor. Bei gleichbleibenden Schwermetallgesamtgehalten konnte eine Verringerung der Zn- und Cd-Mobilität in den letzten 3 Jahren nach der Überlehmung nachgewiesen werden. Für Cu war im Transekt keine Auswertung der Mobilitätsveränderung möglich. 7 1. Zusammenfassung Über die Rasterfläche waren aus der Zeit vor der Überlehmung lediglich Humusgehalte und pH-Werte bekannt. Ein direkter Vergleich war nicht möglich, aber die Schwermetallextraktionen eines wahrscheinlich ähnlich stark vorbelasteten aber nicht sanierten Profils am Auslaß einer Rieselgalerie aus SCHLENTHER et al. 1992 zeigte ebenso wie im Transekt vor der Überlehmung eine höhere Znund Cd-Mobilität. Die Cu-Mobilität war etwa gleich hoch. Die leicht mobilisierbaren Pb –Anteile am Gesamtgehalt waren so gering, dass sie praktisch Null zu setzen waren. 8 2. Einleitung 2. Einleitung Durch fast 100 Jahre Abwasserverrieselung wurden in Berlins größtem zusammenhängenden Rieselfeldgebiet Buch 15 - 60 cm mächtige humose Horizonte mit hoher Schwermetall- und Organikabelastung aufgebaut. Mit dem Ende der Verrieselung zwischen 1984 und 1985 wurden die Dämme der ehemaligen Rieseltafeln eingeebnet. Diese Bodenlockerung sowie das Absinken des Grundwasserspiegels führten im Oberboden zur Mineralisation und einer damit einhergehenden Bodenversauerung. Der Abbau der organischen Substanz als bis dahin wichtigster Sorptionsträger der Schwermetalle sowie dem durch Versauerung auf pH-Werte von 4,5 bis 5,5 veränderten Bindungsverhalten von Schwermetallen förderte deren Freisetzung und Verlagerung bis in den ersten Grundwasserleiter. Aufforstungsversuche scheiterten vorrangig an unzureichenden Wasserhaushaltseigenschaften der sandigen Böden und einer ungenügenden und Nährstoffversorgung. Die Berliner Forsten führen daher als Besitzer des Berliner Teils der Rieselfelder Buch ein Pilotprojekt zur Sanierung der Altlastenflächen durch. Dabei wird auf Berliner Baustellen als Bauaushub anfallender unbelasteter lehmiger Geschiebemergel in einer Schicht von etwa 35 - 40 cm auf die belasteten Flächen aufgetragen. Mit einer Verzögerung von einigen Monaten zum Ausfaulen der auf den Rieselfeldern dominanten Quecke wird der Geschiebemergel etwa im Verhältnis 1:1 vermischt. In HOFFMANN et al. 2001 werden als Ziele der Sanierung mittels Mergeleintrag folgende Kriterien genannt: • Bildung von stabileren Bindungsformen der Schwermetalle im Boden und Reduzierung der Schwermetallauswaschung in die Oberflächengewässer und das Grundwasser • Verringerung des öko-toxischen Potentials der Bodenlösung und des Grundwassers, mit der Folge der Minderung von schädlichen Auswirkungen auf Pflanzen und deren Wurzeln, auf Mikroorganismen und auf die Meso- und Makrofauna • Düngung der Baumbestände und langfristige Erhöhung der Nährstoffspeicherfähigkeit • Verbesserung der Wasserspeicherfähigkeit durch Erhöhung des Tongehaltes der sandigen Böden und damit Verbesserung des Aufforstungserfolges, da Wasser auf diesen Standorten den limitierenden Faktor für das Pflanzenwachstum darstellt • schnelle Begründung gesunder Waldbestände zur Reduzierung der Grundwasserneubildung durch steigende Transpiration, sowie zur Verlangsamung der Schadstoffverlagerung durch die Aufnahme mobiler Schwermetalle aus der Bodenlösung • Verdünnung der Schadstoffkonzentrationen In der vorliegenden Arbeit sollen ausgewählte bodenchemische und bodenphysikalische Eigenschaften bereits durch Mergeleintrag sanierter Flächen mit denen unsanierter Flächen bzw. mit dem Zustand vor dem Mergeleintrag verglichen werden. Die Veränderung bodenchemischer Eigenschaften sollte durch die Bestimmung der pH-Werte, des Humusgehaltes und am Beispiel von Blei, Kupfer, Cadmium und Zink der Gehalte an löslichen, leicht, mäßig und schwer mobilisierbaren Schwermetallfraktionen ermittelt werden. Die Ergebnisse einer Raster- und einer Transektbeprobung zweier zu unterschiedlichen Zeitpunkten sanierten Untersuchungsflächen sollen miteinander und mit Untersuchungsergebnissen aus der Zeit vor der Sanierung verglichen werden. Der Einfluß der Sanierung auf die Bodenlösung soll durch die Untersuchung von mittels Saugkerzen erfaßtem Sickerwasser auf pH-Werte und Schwermetallgehalte aufgezeigt werden. 9 2. Einleitung Zur Erfassung der Veränderung bodenphysikalischer Eigenschaften durch die Mergeleinmischung wurden neben der Erstellung von pF-Kurven und Korngrößenverteilung die Wassergehalte auf zwei Untersuchungsflächen mittels TDR-Sonden wöchentlich erfaßt und mit Untersuchungen auf unsanierten Flächen verglichen. Mithilfe langjähriger Klimadaten und unter Berücksichtigung der obengenannten ermittelten bodenphysikalischen Eigenschaften wurde eine Abschätzung der Grundwasserneubildung sowie deren Vergleich mit früheren Untersuchungen gemacht. In Kapitel 3 wird das Untersuchungsgebiet und seine Nutzungsgeschichte vorgestellt. Kapitel 4 erläutert wesentliche theoretische Grundlagen zu den beiden wichtigsten diese Arbeit betreffenden Themen: Wasser im Boden und Schwermetalle im Boden. Hier werden neben grundsätzlichen Zusammenhängen auch die Bewertungskriterien von Wasserhaushaltsgrößen nach der AG Bodenkunde und die theoretischen Hintergründe für das angewandte SchwermetallExtraktionsverfahren nach BRÜMMER & WELP 2001 sowie zur Regressionsgleichung zur Grundwasser-neubildungsabschätzung gegeben. Kapitel 5 behandelt die im Rahmen dieser Arbeit angewandten Untersuchungsmethoden. Als erstes werden die beprobten Untersuchungsflächen mit ihren Besonderheiten vorgestellt und im weiteren Probenahme, Meßfeldaufbau und Feld- und Labormethoden erläutert. Die Ergebnisse werden in Kapitel 6 unterteilt nach bodenphysikalischen und bodenchemischen dargestellt und im Kapitel 7 einerseits hinsichtlich des Ist-Zustandes der Untersuchungsflächen 704 c5 und 705 b1 als auch im Vergleich mit dem Zustand vor der Überlehmung (705 b1) bewertet. Da für die Fläche 704 c5 keine Untersuchungen über Schwermetallgehalte vorlagen, wurde eine Abschätzung der Vorbelastung mit Korrelationsgleichungen zum Verhältnis Humusgehalt – Schwermetalle aus HOFFMANN 2002.2 und dem an zwei nicht überlehmten Profilen erfaßten Bindungsfraktionen von Schwermetallen vorgenommen. Um diese mit vielen Unsicherheiten belastete Abschätzung von den gesicherten Bewertungen zu trennen, wurden sie als Diskussion bezeichnet. 3.1. Lage und natürliche Bedingungen 10 3. Untersuchungsgebiet 3. Untersuchungsgebiet 3.1. Lage und natürliche Bedingungen Die ehemaligen Rieselfelder im Nordosten Berlins erstrecken sich zwischen den Ortschaften Zepernick, Schildow-Blankenfelde, Buchholz, Karow, und Blankenburg über eine Fläche von 1370 ha wovon 770 ha im Land Berlin und 600 ha im Land Brandenburg im Kreis Bernau liegen (SCHLENTHER et al. 1996, HOFFMANN et al. 2001). Die untersuchten Teilflächen des nordöstlich gelegenen Rieselfeldgebietes Hobrechtsfelde befinden sich im Besitz der Berliner Forsten und werden vom Forstamtsbereich Buch verwaltet. Das Untersuchungsgebiet ist Teil der pleistozänen Hochfläche des sogenannten Westbarnims. Diese aus der Saaleeiszeit stammende Grundmoräne aus Geschiebemergel mit einer Mächtigkeit von bis zu 50 m ist zwar teilweise durch eingelagerte saalekaltzeitliche Schmelzwassersande gekennzeichnet, trennt jedoch den darunter liegenden saale- bis elsterkaltzeitlichen Hauptgrundwasserleiter vollständig vom darüberliegenden unbedeckten Grundwasserleiter ab. Der oberflächennahe unbedeckte 2-10 m mächtige Grundwasserleiter wurde durch Erosion des Geschiebemergels durch Schmelzwässer während der Weichseleiszeit und spätere Auffüllung der entstandenen Hohlräume mit glazifluviatilen und fluviatilen Sedimenten (vorwiegend Mittel- bis Feinsande) gebildet (HOFFMANN et al. 2001). Die Entwässerung des Untersuchungsgebietes erfolgt mithilfe des Lietzengrabens als natürlichen Vorfluter sowie der für die Rieselfeldwirtschaft künstlich angelegten Grabensysteme vollständig über die Panke zur Spree und Havel (GINZEL et al. 1998). Laut HOFFMANN et al. 2001 erhält der unbedeckte Grundwasserleiter einen unterirdische Zufluß aus Norden. Mit einem langjährigen Niederschlagsmittel von 580 mm, einer mittleren Jahrestemperatur von 9,3°C und anhaltenden Kälteperioden mit bis zu 90 Frosttagen in den Wintermonaten liegt das Gebiet im Übergangsbereich der maritimen zur kontinental geprägten Klimazone. Durch eine mittlere potentielle Verdunstung nach HAUDE in den Jahren 1953-1993 von 654 mm wird in den Sommermonaten eine negative klimatische Wasserbilanz bewirkt (HOFFMANN et al. 2001). Laut GRENZIUS 1987 (aus SCHLENTHER et al. 1996) sind unter vergleichbaren natürlichen Bedingungen im Berliner Raum Bodentypen der Entwicklungsreihe Regosol – Braunerde – Rostbraunerde / Bänder-Parabraunerde – Podsol zu finden. So treten im nahe gelegenen und nie zur Verrieselung von Abwässern genutzten Bucher Forst vorwiegend Rostbraunerden mit unterschiedlich starkem Grundwassereinfluß auf (SCHLENTHER et al. 1992). 3.2. Nutzungsgeschichte Informationen über die folgende Nutzungsgeschichte bis zur Einstellung des Rieselbetriebes stammen aus HOFFMANN et al. 2002.1 Die dort aufgeführten Quellen wurden hier mit angegeben, sind aber nicht selbst recherchiert. Aufbau der Rieselfelder Unter dem Druck der raschen Bevölkerungszunahme und der immer größeren Zahl an Typhusfällen in Berlin, wurde 1873 unter Leitung von Virchow und Hobrecht mit dem Ausbau einer Kanalisation begonnen. Der „Wiebe – Plan“, die Abwässer direkt in die Spree zu leiten, wurde zugunsten des Vorschlages von Hobrecht, der eine Verrieselung der Abwässer befürwortete, verworfen. So wurden 3.1. Lage und natürliche Bedingungen 11 3. Untersuchungsgebiet nach und nach um Berlin Verrieselungsflächen von der Stadt angekauft. 1878 konnten schon die ersten Teile der geplanten 12 Entwässerungsgebiete eines Radialsystems in Betrieb genommen werden. Das Rieselgut Buch wurde 1898 angekauft und das Rieselgut Hobrechtsfelde ging 1908 in Betrieb. Die Umgestaltung der Flächen zur Verrieselung beinhaltete ein eventuelles Einebnen der Flächen und die Anlage der Rieselgalerien bestehend aus einem Absetzbecken und 6 - 10 hinter- oder nebeneinander gelegenen Rieseltafeln. Hierzu wurden 50 bis 100 cm hohe Erddämme errichtet, die die ca. 2500 m2 großen Rieseltafeln voneinander trennten. Innerhalb der Rieseltafeln wurde ein Gefälle von 0,5% angelegt. Um ein schnelleres Ablaufen des durch die Bodenpassage filtrierten Abwassers zu gewährleisten, wurden teilweise unter die Rieseltafeln in einer Tiefe von 150 bis 200 cm in 4 bis 6 m Abständen Drainagerohre verlegt. Die einzelnen Rieselgalerien wurden durch ein Netz aus Gräben oder Rohrleitungen miteinander verbunden und waren über Wirtschaftswege zu erreichen. Die Beschickung mehrerer Rieselgalerien erfolgte über ein Standrohr, das über Druckleitungen aus den Berliner Pumpwerken gespeist wurde. Das Abwasser gelangte jeweils als erstes in das Absetzbecken, in dem gröbere Schwebstoffe sedimentierten, wurde dann über Gräben oder Rohrleitungen in das Einleiterbecken geleitet und verteilte sich nach dessen Auffüllen durch Überläufe auf die übrigen Rieseltafeln. Landwirtschaftliche Nutzung der Rieselfelder Die Menge der Beschickung hing zum einen von der anfallenden Abwassermenge, zum anderen von der Durchlässigkeit der Böden sowie der Art der auf den Rieselflächen betriebenen Landwirtschaft ab. Der Gemüseanbau erfolgte auf ca. 1m breiten von Bewässerungsfurchen umgebenen Dämmen und konnte bis zu 6 mal jährlich mit insgesamt nur einigen hundert Litern Abwasser / m2 beschickt werden. Es wurden vor allem Kohl, Bohnen, Erbsen, Gurken, Spinat, Rüben, Schwarzwurzeln, Sellerie und Porree angepflanzt. Die Grünlandnutzung ermöglichte hingegen eine ganzjährige Berieselung, so daß Abwassergaben von 1000 – 4500 l / m2 erreicht werden konnten. Auf den Dämmen und Wegen wurde Obstanbau betrieben, wodurch der Berliner Markt vor allem mit Äpfeln und Birnen, aber auch mit Kirschen, Pflaumen, Erdbeeren, Himbeeren und Kürbissen versorgt wurde. (HAHN & LANGBEIN 1928; MEINICKE & BERNITZ 1996). Auf dem Rieselgebiet Buch und Hobrechtsfelde wurde bis Kriegsende hauptsächlich Gemüse angebaut. Ab den 50er Jahren konnte die gestiegene Abwassermenge nur noch durch Versickerung auf Grünlandflächen erfaßt werden. Die Landwirtschaftlichen Erträge überstiegen in den meisten Fällen die auf nicht berieselten Böden, da das Verrieseln von 100 mm/a Abwasser mit einem Eintrag von 340 kg / ha vorrangig schwerlöslichem Stickstoff, 240 kg / ha Kalium und 80 kg/ha Phosphorsäure einherging (HAHN & LANGBEIN 1928). Oft wurde zusätzlich mit Ammonium, Stallmist oder Superphosphat gedüngt, um mit besser verfügbaren Nährstoffen die Erträge zu steigern. (HAHN & LANGBEIN 1928). Die Reinigungswirkung von Rieselfeldböden und ihre Grenzen Die Reinigungswirkung eines Bodens auf das ihn passierende Abwasser beruht auf seiner mechanischen und chemischen Filterleistung. Die sandigen Böden Berlins besitzen mit ihrem hohen Anteil an Grobporen eine hohe Wasserleitfähigkeit und können dadurch große Wassermengen in kurzer Zeit passieren lassen, wobei sie grobe Schwebstoffe und Partikel an ihrer Oberfläche und in den Zwischenräumen zurückhalten. Diese Schwebstoffe bildeten nach einiger Zeit mächtige humose 3.2. Nutzungsgeschichte 12 3. Untersuchungsgebiet Oberböden mit erhöhter Wasserspeicherfähigkeit aber auch geringerer Wasserleitfähigkeit aus. Wurde der Oberboden wie beim Gemüseanbau regelmäßig bearbeitet und damit aufgelockert, konnte seine Infiltrierleistung für einige Jahre erhalten werden. Durch immer höhere Abwasserbeschickungen und/oder durch die fehlende Bodenbearbeitung bei der Grünlandbewirtschaftung kam es zu einer Verstopfung des Porenraumes in den oberen Bodenschichten und einer Versiegelung der Bodenoberfläche durch die partikulären Abwasserinhaltsstoffe. Diese als „rieselmüde“ bezeichneten Böden, deren Infiltrierleistung sich stark verringerte oder gänzlich zum Erliegen kam, konnten nur noch durch Abschieben der obersten cm des verschlammten Bodens wieder zur Verrieselung genutzt werden. Eine die Rieselmüdigkeit vorbeugende Maßnahme war neben regelmäßigem Tiefpflügen auch die im Abstand von 5 Jahren durchgeführte Einarbeitung von 2 t/ha Kalk oder Mergel, die auch in Hobrechtsfelde beim Rübenanbau zum Einsatz kam. (HAHN & LANGBEIN 1928) Neben der Erschöpfung der mechanischen Reinigungsleistung der Böden waren schon bald auch die Grenzen der chemischen Filterwirkung der Böden zu beobachten. Die chemische Reinigungsleistung beruht auf Austauschprozessen zwischen dem versickernden Wasser und den festen Bodenbestandteilen, bei denen im Wasser gelöst transportierte Stoffe an sorptionsstarken oder austauschaktiven Bodenpartikeln (Humus, Ton, Oxide) zurückgehalten werden. Sind alle Austauscherplätze belegt und/oder ändern sich wichtige Einflußgrößen wie Durchlüftungsverhältnisse und pH-Wert im Boden, können keine weiteren Wasserinhaltsstoffe festgehalten werden bzw. bereits sorbierte gehen wieder in Lösung und werden weiter verlagert. Da die Pflanzen durch die Überdüngung nicht mehr in der Lage waren alle Nährstoffe aufzunehmen, kam es nach Erschöpfung der natürlichen Speicherkapazität der Böden zu erheblichen Stickstoffausträgen aus den Rieselfeldern. Dies führte unter anderem zu starkem Algenwachstum z.B. im Teltower See (MÜLLER 1887), zur Verstopfung von Abwassergräben durch Massenwachstum von “Abwasserpilzen“ in Malchow und Blankenburg (KOLKWITZ & ZAHN 1919) und zu starker Geruchsbildung. Mit zunehmender Industrialisierung erhöhte sich der Anteil des industriellen Abwassers, der 1926 7,3% betrug (wovon 25% aus Gaswerken und der metallverarbeitenden Industrie stammten), und somit der Eintrag an Schwermetallen und anderen Schadstoffen in die Rieselfeldböden und über das Sickerwasser in das oberflächennahe Grundwasser und die Vorfluter. Die Umstellung auf Intensivfilterbetrieb Die bis 1920 errichteten Kläranlagen mit Kohlebrei-Fällung und Röckner-Rothe-Klärtürmen in Tegel, Spandau, Oberschöneweide und Reinickendorf sowie die erste biologische Tropfkörper-Kläranlage in Stahnsdorf mußten 1927 bei einer jährlichen Abwassermenge von 182 Mill. m³ aufgrund von Überlastung abgeschaltet werden, so daß die gesamte Abwasserentsorgung über Rieselfelder ablief. Trotz des Baus und der Inbetriebnahme des Klärwerkes Wassmannsdorf 1935 und des Klärwerkes Falkenberg 1963–68 reichte die vorhandene Kapazität nicht aus, um die weiter steigenden Abwassermassen zu bewältigen. Aus diesem Grund wurde ab 1967 fast die gesamte Fläche des Rieselgebietes Hobrechtsfelde und große Teile des Rieselgebietes Buch und Großbeeren für den Intensivfilterbetrieb umgewandelt. Hierzu wurden mehrere Rieseltafeln zu größeren Becken zusammengelegt und die Dämme bis auf 2 m erhöht (AUHAGEN et al. 1994). Die mit bis zu 10.000 mm / a beschickten Becken waren nun ganzjährig überstaut. 3.2. Nutzungsgeschichte 13 3. Untersuchungsgebiet Erst mit dem 1984 in Betrieb genommenen Klärwerk Nord bei Schönerlinde verloren die Rieselfelder im Nordosten Berlins ihre Bedeutung. 1986 wurde auch der letzte Rieselbetrieb in Buch endgültig eingestellt. Die Situation nach Einstellung des Rieselbetriebes Die erste Umgestaltung der ehemaligen Rieselfelder in Hobrechtsfelde erfolgte unter dem Planziel zur 750-Jahrfeier Berlins auf den am stärksten belasteten Flächen ein Naherholungsgebiet für die Einwohner Nordberlins zu schaffen. Schon 1984 wurde ohne detaillierte Informationen zu Bodeneigenschaften und -belastungen mit dem maschinelles Einebnen der Dämme und alten Beckenstrukturen und dem planlosen meist ebenfalls maschinellen Bepflanzen von mehr als 50 Baumund Straucharten (wie Pappeln, Ebereschen, Kiefern, Fichten, Birken, Erlen, Rotbuchen, Holunder und Sanddorn) teilweise direkt in die Klärschlammschicht begonnen (HOFFMANN et al. 2002.1). Als Resultat waren 1987 auf 60% der Flächen Schäden zu verzeichnen und es konnten großflächige Totalausfälle beobachtet werden. Nur die Kiefer war besser entwickelt, zeigte aber in einigen Fällen Wuchsanomalien und Gelbspitzigkeit (= Schädigung durch Schwermetalle und Nährstoffmangel). In SCHLENTHER et al. 1996 wird festgestellt, daß wischen 30 und 100 % der angepflanzten Bäume in den letzten Jahren abgestorben waren. Als rieselfeldtypische Vegetation hatte sich alles dominierende Quecke mit einem nahezu 100%igem Bedeckungsgrad etabliert. Die während der Verrieselung durch Grundwasserspiegelanhebung vorherrschenden anoxischen Verhältnisse im Boden hatten durch die eingeschränkte Mineralisierung zum Aufbau mächtiger humoser Schichten geführt. Die Grundwasserabsenkung nach Einstellung des Rieselbetriebes sorgte für oxische Verhältnisse und damit zu einer verstärkt einsetzenden mikrobiellen Aktivität. Die zunehmende Mineralisierung ging mit einem starken pH-Wertabfall einher. Die Veränderung der Lösungs- und Sorptions- / Desorptionsgleichgewichte durch pH-Wertabfall sowie der Verlust an Soptionsmaterial durch den Humusabbau verursachten einen enormen Mobilisierungsschub an Schadstoffen (Schwermetallen). Im Zeitraum von 1993 bis 1998 wurden im Kapillarsaum sowie in den oberen Dezimetern des Grundwasserleiters durchschnittliche Konzentrationen von bis zu 700 µg/l Cd, 30.030 µg/l Zn und 2.500 µg/l Cu gemessen (HOFFMANN et al. 2001). 1998 begannen die Berliner Forsten als Besitzer des Berliner Teils der Rieselfelder Buch ein Pilotprojekt zur Sanierung der Altlastenflächen. Dabei wurde auf Berliner Baustellen als Bauaushub anfallender unbelasteter lehmiger Geschiebemergel in einer Schicht von etwa 35 cm auf die belasteten Flächen aufgetragen und mit einer Verzögerung von einigen Monaten zum Ausfaulen der Quecke durch maschinelles Einfräsen etwa im Verhältnis 1:1 mit dem Rieselfeldboden vermischt. 3.3. Bisherige Untersuchungen Stellvertretend für alle anderen Untersuchungen sollen hier 3 große Forschungsprojekte vorgestellt werden, auf die im Verlaufe dieser Arbeit immer wieder Bezug genommen wurde. Ökologisches Sofortprogramm (ÖSP) Bodenökologische Untersuchungen auf den Rieselfeldflächen Buch Anhand von 13 repräsentativen Leitprofilen und Raster- und Transektuntersuchungen in einer Intensivuntersuchungsfläche (Abt. 709) wurde im Rahmen des ÖSP (SCHLENTHER et al. 1992) eine 3.2. Nutzungsgeschichte 14 3. Untersuchungsgebiet bodenkundliche Standortcharakterisierung sowie eine Belastungsanalyse erbracht. Dabei wurde festgestellt, daß das Pflanzenwachstum limitierende Faktoren in den Wasserhaushaltseigenschaften (sandige Böden mit sehr geringen Wasserspeicher- und sehr hohen Wasserleitfähigkeiten) und in der Nährstoffversorgung (sehr geringe Austauschkapazitäten, Basensättigung <50%, Kalium- und Magnesiummangel) zu finden waren. Die nach der Einstellung des Rieselbetriebes und dem Absinken des Grundwasserspiegels einsetzende Mineralisation der durch den Rieselbetrieb stark angereicherten organischen Substanz hatte zu starken pH-Wert Absenkungen und damit einhergehender Mobilisierung und Verlagerung bisher im Humus gebundener Schwermetalle geführt. Es wurden bereits erhebliche Cd-Konzentrationen im oberflächennahen Grundwasser gefunden. Die höchsten Belastungen waren in ehemaligen Dämmen und den ehemaligen Einlaßbereichen zu finden. Interdisziplinäres Forschungsprojekt (IFP 7/20) Bindung, Mobilität, Transport und Wirkung organischer und anorganischer Schadstoffe sowie Abbau von Organika in Rieselfeldökosystemen Im Rahmen des IFP (RENGER et al. 1998) wurde der Ist-Zustande zweier Rieselfeldstandorten (Buch und Gatow) hinsichtlich Stoffbelastung, -verteilung und –austragsverhalten dokumentiert. Es wurden verschiedene Szenarien künftiger Rieselfeldnutzung (Versauerung, Kalkung, Klarwasserverrieselung) im Gelände und an Bodensäulen untersucht. In Buch wurde ein gegenüber Gatow heterogenerer Bodenaufbau, verursacht durch massive anthropogene Veränderungen, und eine damit einhergehende hohe Belastungsvariabilität gefunden. Schwermetall- und organische Schadstoffkonzentrationen konnten in enge Korrelation zum Humusgehalt gebracht werden. Wasserlösliche organische Schadstoffe wurden teilweise in tiefere Schichten verfrachtet und dort wegen schlechterer Abbaubedingungen konserviert. Bodenbiologischen Untersuchungen zeigten keine Hinweise auf Belastungssituatuionen. Projekt 40208/1-ZÖW/O Immobilisierung von Schwermetallen auf Rieselfeldflächen der Berliner Forsten Im Rahmen dieses Projektes (HOFFMANN et al. 2002.2) wurde der Eintrag von unbelastetem lehmigen Geschiebemergel (Bauaushub z.B. beim U-Bahnbau) in Rieselfeldflächen in Berlin Buch wissenschaftlich begleitet. Es wurde eine flächige und punktuelle Standortkartierung, Oberflächenund Grundwassermonitoring, die Erfassung von Freilandbeständen sowie Untersuchungen zur biologischen Aktivität durchgeführt. In Gefäßversuchen wurde der Boden-Pflanzen-Transfer untersucht und die optimale Mischung aus Rieselfeldboden und Lehm ermittelt. Außerdem wurde eine Modellierung zur Schwermetallverlagerung in der ungesättigten Bodenzone und zur Ausbreitung im Grundwasser erstellt. Durch die Überlehmung konnte der mobile Schwermetallanteil gesenkt, die Verlagerung ins Grundwasser verringert und eine artenreichere Wildflora etabliert werden. Die Modellstudie bestätigte eine Verringerung der Austragsgeschwindigkeit der Schwermetalle. 4.1. Schwermetalle im Boden 15 4. Theoretische Grundlagen 4. Theoretische Grundlagen 4.1. Schwermetalle im Boden Zu den Schwermetallen zählen alle metallischen Elemente mit einer Dichte von mehr als 5 g/cm3. Sie sind natürliche Bestandteile des Muttergesteins und können sich, da sie im Gegensatz zu organischen Stoffen nicht abbaubar sind, durch biologische Kreisläufe im Oberboden anreichern (LEITSCHUH & LEWANDOWSKI 1995 ). Anthropogene Schwermetallemissionen entstehen bei der industriellen Produktion von Schwermetallen (Verhüttung), der Herstellung von schwermetallhaltigen Produkten (z.B. Automobile) und der Verwendung dieser Produkte und gelangen durch teilweise globale Verfrachtung nahezu flächendeckend mit Niederschlägen und atmosphärischem Staub in den Boden. In der Nähe von punktförmigen Quellen (Industriekomplexe, Müllverbrennungs-anlagen, Kraftwerken, Verkehrsknotenpunkten) kommt es zu verstärkten Anreicherungen (ALLOWAY 1999). Austräge an Schwermetallen aus einem Boden erfolgen durch Erosion, Verlagerung ins Grundwasser oder die Aufnahme durch Pflanzen. Während an naturbelassenen Standorten die durch die Pflanzen aufgenommenen Schwermetalle über die Streu dem Boden zurückgegeben werden, nehmen die durch landwirtschaftliche Produktion dem Boden entzogenen Schwermetalle größtenteils den Umweg über die Nahrungskette von Mensch und Tier und gelangen über Stallmist, Klärschlamm oder Kompost wieder in den Boden zurück (LEITSCHUH & LEWANDOWSKI 1995). So führte auch die fast 100jährige Verrieselung von ungeklärtem Abwasser im Untersuchungsgebiet zur Anreicherung von Schwermetallen im Oberboden. In Tabelle 4.1-1 sind durchschnittliche Schwermetallgesamtgehalte von Berliner Ausgangsgesteinen, die Hintergrundwerte der Berliner Liste sowie Schwermetallgrenzwerte nach der Klärschlammverordnung und Prüfwerte der Bundesbodenschutzverordnung typischen Schwermetallkonzentrationen im Oberboden und in der Bodenlösung des Untersuchungsgebietes vor der Überlehmung gegenübergestellt. 4.1.1. Mobilität von Schwermetallen Da sich die öko-toxikologische Wirkung von Schwermetallen wie die Verlagerung oder Auswaschung in Grund- oder Oberflächengewässer sowie die Aufnahme durch Pflanzen ausschließlich über das Medium Wasser entfaltet, erlauben Schwermetallgesamtgehalte in Böden allein keine Aussage über ihre ökologische Relevanz. Vielmehr muß ihre Löslichkeit bzw. ihre Mobilisierbarkeit betrachtet werden. Schwermetalle im Boden weisen ein breites Spektrum möglicher Bindungsformen auf, die zum Teil fließend ineinander übergehen. Die stabilste Festlegung von Schwermetallen im Boden ist durch ihren Einbau in Silikat- oder Tonmineral-Kristalle in Form von isomorphem Ersatz von Si4+ und als dadurch erforderlichem Ladungsausgleich im Kristallgitter gegeben. Prozesse, die zu einem solchen Einbau oder zur Freisetzung derartig eingebauter Schwermetallionen führen (Mineralbildung, Umbau, Verwitterung), laufen in geologischen Zeiträumen ab und sind für die Betrachtung anthropogener Schwermetalle nahezu bedeutungslos (LEITSCHUH & LEWANDOWSKI 1995). Ebenfalls zu einer stabilen Festlegung führt der Einbau in die Molekülstruktur von Huminstoffen und als Brückenatome in TonHumus-Komplexen. Diese können jedoch bei der unter aeroben Bedingungen verstärkt ablaufenden 4.1. Schwermetalle im Boden 16 4. Theoretische Grundlagen Tabelle 4.1-1: Literatur- und Vergleichswerte für Schwermetallgehalte in Böden und Bodenlösungen Schwermetallgesamtgehalte [mg/kg] Talsande Berliner Geschiebesand Ausgangsgestein (1) Geschiebemergel Sand, Kies, Mergel Hintergrundwerte (2) Humose Böden KlärschlammGrenzwert Klärschlamm Verordnung (3) Grenzwert Boden Kinderspielflächen BBodschVOWohngebiete Prüfwerte (4) Park-u. Freizeitanlagen Industrie / Gewerbegrundstücke Wirkungspfad Boden-Grundwasser [µg/l] 1 nicht belastet Bewertungsschema für 2 gering belastet Schwermetallkontami3 hoch belastet nationen nach METZ (5) 4 sehr hoch belastet Rieselfeldboden Minimum Buch (6) Maximum 0-10cm Mittelwert [mg/kg] Medianwert mittlere Konz. in der in 50cm Tiefe Bodenlösung [µg/l] im in 100cm Tiefe Rieselfeld Buch (7) in 180cm Tiefe (1) Durchschnittliche Schwermetallgehalte von Berliner Ausgangsgesteinen (BLUME 1985 aus HOFFMANN 2002.2) (2) Hintergrundwerte der Berliner Liste (SEN.STADT. UM. 1996 aus HOFFMANN 2002.2) (3) Schwermetallgrenzwerte nach der Klärschlammverordnung (KLÄRSCHLAMMVO 1992 aus SCHEFFER& SCHACHTSCHABEL 1998) Cd 0,11 0,11-0,13 0,12-0,22 0,1 0,5 10 (5)* 1,5 (1)* 10 20 50 60 Cu 2 2-5 10-20 25 30 800 60 k.A. k.A. k.A. k.A. Pb 9 10-15 12-32 20 40 900 100 200 400 1000 2000 Zn 10 11-20 40-50 50 75 2500 (2000)* 200 (150)* k.A. k.A. k.A. k.A. 5 < 0,5 <2 < 10 >=10 0,1 44,3 4,4 2,0 11 105 250 50 < 45 < 90 < 450 >=450 3 876 73 49 100-300 200 500- 25 < 45 < 90 < 450 >=450 6 452 74 59 / / / 500 < 120 < 240 < 800 >=800 13 3.584 225 153 1.000-10.00010.000-60.000 10.000-60.000 (4) Prüfwerte der Bodenschutzverordnung (BBODSCHVO 1999) (5) Aus METZ et al. 1991 (6) Typische Schwermetallkonzentrationen im Oberboden (0-10cm) des Berliner Bereichs des ehemaligen Rieselfeldes Buch (HOFFMANN 2002.1) (7) Gemessen 1993 – 1995 aus HOFFMANN et al.2002.2 * Bei sandigen Böden oder pH 5-6 Mineralisation des Humus in Form von löslichen organischen Komplexen freigesetzt werden. Die wichtigsten Vorgänge der Schwermetallfestlegung und –mobilisierung, die Ad- und Desorption, Komplexbildung und –zerfall und Fällungs- und Lösungsreaktionen, sind in Abbildung 4.1-1 dargestellt. Die Adsorption ist die Anlagerung gasförmiger und gelöster Stoffe (Sorbat) an geladenen oder ungeladenen Oberflächen fester Körper (Sorbent) und erfolgt durch chemische und / oder elektrostatische Kräfte (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1998). Bei gleichzeitiger Desorption eines adsorbierten Ions spricht man von Ionenaustausch. Das Modell der Konstanten Kapazität nach STUMM, das von einer starren Schicht aus an der Oberfläche der Bodenmatrix sorbierter Ionen und einer linear mit der Entfernung von der Oberfläche abnehmenden Konzentration dieser Ionen in der Lösung ausgeht, erklärt besonders gut die Bildung von Oberflächenkomplexen, die bei Schwermetallkationen häufig zu finden sind. Je nach Art der überwiegend wirksamen Wechselwirkungen unterscheidet man außersphärische Komplexe (unspezifische Adsorption) und 4.1. Schwermetalle im Boden gelöst als Me 2+ 17 4. Theoretische Grundlagen Komplexbildung gelöst als MeKomplex gefällt Desorption . Adsorption Adsorption Desorption Fällung . Lösung . Komplexzerfall adsorbiert Bodenlösung Bodenkörper . Abbildung 4.1-1: Festlegung und Mobilisierung von Schwermetallen im Boden (nach KOß 1993, S. 59 aus: LEITSCHUH & LEWANDOWSKI 1995) Teilchen mit negativer Oberfläche innersphärische Komplexe (spezifische oder selektive Adsorption) (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1998; ALLOWAY 1999). Während unspezifisch adsorbierte Ionen hydratisiert und durch reine elektrostatische Kräfte in den außersphärischen Komplexen gebunden vorliegen, wurden in den innersphärischen Komplexen Liganden der spezifisch adsorbierten Metallkationen gegen Liganden des Sorbents ausgetauscht. Die Sternrelativ hohe Stabilität der innersphärischen schicht Komplexe beruht auf ihrem hohen Anteil kovalenter Bindungen (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1998). Das verfeinerte Ionenkonzentration Diffuse Schicht Gleichgewichtslösung Kationen Anionen Entfernung von der Oberfläche Abbildung 4.1-2: Ionenverteilung (oben) und Konzentrationsverlauf (unten) in der elektrischen Doppelschicht nach dem Modell von GOUY und STERN (SCHEFFER & SCHACHT-SCHABEL 1998) Modell der Diffusen Doppelschicht nach GOUY-CHAPMAN (siehe Abbildung 4.1-2) beschreibt die für die negativ und permanent geladenen Schichtsilikate typische Anreicherung der austauschbar gebundenen Kationen in Form eines diffusen Kationenschwarms. An eine dicht mit durch die starke negative Ladung teilweise dehydratisierten Kationen besetzte nah an der Oberfläche liegende sogenannte Stern-Schicht schließt sich die diffuse Schicht an, in der die Konzentration der voll hydratisierten rein elektrostatisch gebundenen Kationen exponentiell ab- und die der Anionen zunimmt. Die diffuse Schicht endet dort, wo sich die Anionen- und Kationenkonzentration nicht mehr ändert und die Gleichgewichtslösung beginnt (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1998). 4.1. Schwermetalle im Boden 18 4. Theoretische Grundlagen Quantitativ läßt sich die Beziehung zwischen Sorbent und Sorbat in Form von Adsorptionsisothermen Mithilfe der Gleichungen von LANGMUIR und FREUNDLICH beschreiben (Gleichung 4.1-1). Im Gegensatz zum rein empirischen Ansatz der Freundlich-Isotherme, liegt das Modell der LangmuirIsotherme einem kinetischen zugrunde. Es wird eine maximal mögliche Beladung, eine der noch freien Oberfläche proportionalen Anlagerungsgeschwindigkeit, die Gleichwertigkeit aller Adsorptionsstellen und die Reversibilität aller Ad- und Desorptionsprozesse angenommen. x adsorbierte Menge [mg] FREUNDLICH m Gewicht des Sorbenten [kg] x/m = k*c1/ n c Gleichgewichtskonzentration [mg/l] b maximale Adsorbtion [mg/kg] LANGMUIR n; k Sorbat-Sorbent spezifische Affinitätsx/m = k*b*c /(1+k*c) konstanten Gleichung 4.1-1: Gleichungen Adsorptionsisothermen von FREUNDLICH und LANGMUIR zur Erstellung von Adsorptionsisothermen nach LANGMUIR und FREUNDLICH sind gut geeignet, das Adsorptionsverhalten verschiedener Böden miteinander zu vergleichen und die Wirkung zahlreicher Einflußfaktoren wie Art des sorbierten Stoffes, pH-Wert, Redoxpotential, Ton- und Humus- und Sesquioxidgehalt zu beschreiben. Im Gegensatz zur Adsorption ist bei der Fällung von Schwermetallionen der Bindungspartner ein gelöstes Ion. Spontane Fällungsreaktionen setzen ein, sobald das Löslichkeitsprodukt einer Verbindung überschritten wird. Nach Überschreitung des Löslichkeitsproduktes bleibt die Konzentration in der Bodenlösung auch bei Zugabe weiterer Schwermetallionen (solange die entsprechenden Fällungspartner wie Carbonate, Hydroxide etc. im Überschuß vorhanden sind) konstant, da jede weitere Schwermetallmenge ausgefällt wird. Im Boden findet Fällung jedoch fast ausschließlich an festen Oberflächen, an sogenannten Kristallisationskeimen, statt. Als Kristallisationskeime dienen meist Kristalle, die das gleiche Ion enthalten. Es können aber auch Ionen an anderen gerade ausfallenden Kristallen (unter Bildung von Mischkristallen) oder an Substanzen der Bodenmatrix angelagert werden, ohne daß das Löslichkeitsprodukt überschritten wurde. LEITSCHUH & LEWANDOWSKI (1995) Me-Konz. Übergangsbereich ungelöst erscheint es am plausibelsten, Adsorption und Konz der Ads.-Fällung ÜberschreiFällung als zwei sich ergänzende und fließend tung des Löslichkeitsineinander übergehende Mecha-nismen produktes aufzufassen, wobei es vom Schwermetall, der Zusammensetzung der Boden-lösung, pH, Redoxpotential und wie in Abbildung 4.1-3 4 1 2 3 Me-Konz. gelöst dargestellt von der Konzentration des Adsorption Mehrschichtadsorption Oberflächenfällung Fällung Abbildung 4.1-3: Übergang von der Adsorption zur Fällung (qualitativ) (nach KOß 1993, S.14 aus LEITSCHUH & LEWANDOWSKI 1995) Schwermetallions in der Bodenlösung abhängt, welcher Mechanis-mus überwiegt. Nach BRÜMMER et al. 1983 (aus HOFFMANN 2002.2) treten Lösungs- und Fällungsreaktionen meist in alkalischen Bereichen, die in Böden selten erreicht werden, auf und spielen daher eine eher untergeordnete Rolle. In gelöster Form treten Schwermetalle als freie Aquoionen oder organische oder anorganische Komplexe unterschiedlicher Stabilität auf. In freien Aquoionen ist ein Metallkation von 4.1. Schwermetalle im Boden 19 4. Theoretische Grundlagen Wassermolekülen als Liganden (Hydrathülle) umgeben. Diese Wassermoleküle können nach und nach durch andere Liganden, sogenannte Komplexbildner, verdrängt werden. Liganden sind Ionen oder Moleküle, die sich um ein Kation als Zentralatom gruppieren und dadurch geladene oder ungeladene Komplexe bilden (SCHINNER & SONNLEITNER 1997). Natürliche organische Komplexbildner sind Produkte gehemmten Streuabbaus wie niedermolekulare Fulvosäuren, Polyphenole oder Carbonsäuren. Künstliche organische Komplexbildner sind waschaktive Substanzen wie EDTA (Ethylendinitrilotetraessigsäure), NTA (Nitrilotriessigsäure) und HEDP (Hydroxyethandiphosphorsäure), die zunehmend eutrophierende Phosphate in Wasch- und Reinigungsmitteln ersetzen (HINTERMAIER-ERHARD & ZECH 1997). Den gleichen Effekt erzielen auch gelöste anorganische Komplexbildner wie Phosphate, Sulfate oder Chloride. Da die löslichen organischen und anorganischen Schwermetall-Komplexe nicht mehr in das Löslichkeitsprodukt von SchwermetallAquoionen eingehen, müssen an ihrer Stelle ausgefällte Schwermetallverbindungen in Lösung gehen, bis die Gleichgewichtskonzentration in der Bodenlösung wieder hergestellt ist. Auf diese Weise wirken lösliche Komplexbildner remobilisierend auf Schwermetalle im Boden (LEITSCHUH & LEWANDOWSKI 1995). 4.1.2. Blei, Kupfer, Zink und Cadmium Tabelle 4.1-2: Grenz-pH-Werte, häufige Bereiche der Transferkoeffizienten und relative Verfügbarkeit ausgewählter Schwermetalle (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1998). Grenz-pH-Wert Transferkoeffizient relative Verfügbarkeit Hauptbindungsträger Bindungsform Zn Cu Cd Pb 5,5-6,0 0,03-10 meist relativ hoch Tonminerale > Me-Oxide > org. Substanz spezifisch 4,5 0,01-2 meist mittel 6,5 0,03-10 meist relativ hoch org. Substanz > Me-Oxide org. Substanz komplex > sorptiv sorptiv > komplex 4,0 <0,5 meist gering Me-Oxide > org.Substanz > Tonminerale spezifisch Blei Von den vier untersuchten Elementen wird Blei durch seine geringe Löslichkeit am wenigsten stark verlagert bzw. ausgewaschen. Es wird von allen Schwermetallen mit am stärksten durch spezifische Adsorptionsprozesse gebunden (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1998). Die Festlegung durch organische Substanzen erfolgt durch unlösliche metallorganische Komplexe hoher Stabilität. Die Bindungskapazität und -spezifität von Blei sinkt für die verschiedenen Komponente des Bodens in der Reihenfolge Mn-Oxide > Fe-Oxide > Al-Oxide > Huminstoffe >>> Tonmineralien (SCHINNER & SONNLEITNER 1997). Bei pH-Werten < 4 - 4,5 nimmt mit sinkendem pH-Wert der Anteil unspezifisch adsorbierten und pflanzenverfügbaren Bleis zu und die Bindungskapazität der Huminstoffe übersteigt die der Oxide. Durch die bei pH < 4 einsetzende Blei-Freisetzung aus mineralischer Bindung kommt es zur Aufnahme durch die Pflanzen und zur Anreicherung mit den Vegetationsresten im A- und O-Horizont Die Verfügbarkeit und Verlagerbarkeit von Blei wird im sauren Bereich also wesentlich durch den Gehalt organischer Substanz im Boden begrenzt (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1998). 4.1. Schwermetalle im Boden 20 4. Theoretische Grundlagen Mit steigendem pH-Wert nehmen spezifische Adsorptionsprozesse vor allem an Mn-, Fe-, und AlOxiden zu. Im mäßig sauren bis alkalischen Bereich können 75–85% des gesamten Bleis in oxidischen Bindungen vorliegen (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1998). Eine beträchtliche Blei-Mobilisierung kann besonders unter reduzierenden Bedingungen durch lösliche organische Komplexbildner bewirkt werden. Lösliche Chelatbildner bestimmen die Löslichkeit von Blei vor allem bei pH > 6. Die Bildung schwerlöslicher Bleisalze, wie Phosphaten, Carbonaten oder unter reduzierenden Bedingungen von Sulfiden, ist in Böden mit hohen Bleigehalten bei gleichzeitigem ausreichendem Vorhandensein der entsprechenden Gegenionen zu finden (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1998). Kupfer Kupfer ordnet sich in seiner Mobilität zwischen dem relativ unmobilen Blei und den relativ mobilen Schwermetallen Zink und Cadmium ein (Tabelle 4.1-2). Ab pH <5 ist eine Zunahme der unspezifischen gegenüber der spezifischen Adsorption und eine damit einhergehende zunehmende Löslichkeit bei abnehmenden pH-Werten zu verzeichnen. Bei pH-Werten > 5 können lösliche organische Komplexbildner eine Kupfermobilisierung bewirken. Durch erhöhte Konzentration von Chlorid als lösliche anorganische Komplexbildner konnte auch eine Erhöhung der Löslichkeit jedoch in geringerem Ausmaß als bei Cadmium verzeichnet werden (SCHINNER & SONNLEITNER 1997). Zink und Cadmium Im Gegensatz zu Blei gehören Zink und Cadmium zu den relativ mobilen Schwermetallen (Tabelle 4.1-2). Unter aeroben Bedingungen ist ihre Löslichkeit im neuralen pH-Bereich am niedrigsten. Hier ist der spezifisch adsorbierte und nicht durch Erdalkaliionen austauschbare Anteil am höchsten. Mit abnehmendem pH steigt die Löslichkeit ab pH < 6,0-5,5 (Zn) / <6,5 (Cd) durch die Zunahme des unspezifisch adsorbierten, durch Erdalkaliionen austauschbaren und damit pflanzenverfügbaren Anteils exponentiell an. Bei pH 5 liegen bereits >30% des gesamten Cd unspezifisch adsorbiert vor (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1998). Obwohl Cadmium und Zink weniger starke Komplexierungseigenschaften als Blei und Kupfer besitzen, werden auch sie durch die organische Bodensubstanz in unlöslichen metallorganischen Komplexen gebunden, so daß die Löslichkeit im sauren Bereich stärker durch organische als mineralische Komponente erniedrigt wird. Eine Mobilisierung von Cadmium kann durch die Bildung löslicher organischer Komplexe (wenn auch deutlich geringer als bei anderen Schwermetallen), durch die Desorption aufgrund zunehmender Konzentration an Alkali- und Erdalkaliionen, oder verstärkt bei sinkendem pH-Wert durch die Bildung relativ stabiler löslicher anorganischer Komplexe wie Chloro-Cadmium-Komplexen durch erhöhte Konzentration an Chloriden oder Sulfaten auftreten (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1998). Nur in stark kontaminierten Böden bei hohen pH-Werten können schwerlösliche Phosphate oder Carbonate und ausschließlich unter reduzierenden Bedingungen auch Sulfide ausfallen. 4.1. Schwermetalle im Boden 21 4. Theoretische Grundlagen Eine irreversible Festlegung von Zink und Cadmium kann durch eine sehr langsam ablaufende Diffusion ins Innere von Kristallgittern von Fe- und Mn-Oxiden sowie z.T. auch in Tonmineralien erfolgen (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1998). 4.1.3. Ermittlung der Bindungsformen von Schwermetallen im Boden Grundlage der in dieser Arbeit angewandten Schwermetall - Extraktionsverfahren war ein Konzept zur Differenzierung verschiedener Schadstofffraktionen in Böden von BRÜMMER & WELP 2001 (Tabelle 4.1-3). Hierbei wird der Gesamtgehalt eines Schadstoffes unterteilt in eine schwer mobilisierbare Fraktion (vor allem an Silikaten oder pedogenen Oxiden gebundene Anteile), eine mäßig mobilisierbare Fraktion (sehr fest / spezifisch an Kolloidoberflächen adsorbierte Anteile), eine leicht mobilisierbare Fraktion (locker / unspezifisch an Kolloidoberflächen adsorbierte Anteile) und eine lösliche Fraktion (in der Bodenlösung vorliegender Anteil) (BRÜMMER & WELP 2001). Tabelle 4.1-3: Definition der Bindungsfraktionen nach BRÜMMER & WELP 2001 1. Konzentration in der Bodenlösung: = Konzentration im Bodensättigungsextrakt 2. leicht mobilisierbare Fraktion (unspezifisch adsorbierte und in leicht löslichen metallorganischen Komplexen gebunden): = durch NH4NO3-Extraktion extrahierbarer Schwermetallgehalt 3. mäßig mobilisierbare Fraktion (spezifisch adsorbierte, oberflächennah okkludierte, an CaCO3, Mn-Oxiden und organisch gebunden): = Differenz der durch NH4-EDTA-Extraktion und der durch NH4NO3-Extraktion extrahierbaren Schwermetallgehalte 4. schwer mobilisierbare (Residual-) Fraktion (an Silikaten und pedogenen Oxiden gebunden): = Differenz aus Gesamtgehalten (HNO3-Druckaufschluß) und durch NH4-EDTA-Extraktion extrahierbaren Schwermetallgehalten gesamter Schwermetall - Vorrat Residualfraktion mäßig mobilisierbare Fraktion leicht mobilisierbare Fraktion Konzentration in der Bodenlösung BSE NH4NO3-Extraktion (mobile Fraktion) EDTA-Cocktail-Extraktion (mobile + mobilisierbare Fraktion) Gesamtaufschluß Abbildung 4.1-4: In Böden vorliegende Schwermetall – Fraktionen und Verfahren zu deren Erfassung (BRÜMMER & WELP 2001) Diese in Abbildung 4.1-4 dargestellten Anteile lassen sich analytisch durch Bodensättigungsextraktion (BSE; DIN 19735), 1 M NH4NO3-Extraktion (ZEIEN & BRÜMMER 1989; DIN 19730), EDTA-Cocktail-Extraktion (LIEBE et al. 1997) und einen Gesamtaufschluß (HNO3-Druckaufschluß) bestimmen. Austauschvorgänge, die zu einer Gleichgewichtseinstellung zwischen diesen Fraktionen führen, laufen unterschiedlich schnell ab (angedeutet durch die Dicke der Pfeile in Abbildung 4.1-4). Während die 4.2. Wasser im Boden 22 4. Theoretische Grundlagen Gleichgewichtseinstellung zwischen Bodenlösungskonzentration und dem Gehalt der leicht mobilisierbaren Fraktion nur Minuten – Tage dauert, laufen Austauschprozesse zwischen leicht und mäßig mobilisierbarer Fraktion in mittleren Zeiträumen von Tagen – Monaten ab. Die auf Mineralbildung, -umwandlung und Verwitterung beruhenden Austauschprozesse zwischen der mäßig und schwer mobilisierbaren (Residual-) Fraktion benötigen dagegen Zeiträume von Jahrzehnten – Jahrtausenden (BRÜMMER & WELP 2001). 4.2. Wasser im Boden 4.2.1. Einteilung des Bodenwassers Dringt Wasser in den Boden, so wird ein Teil als Haftwasser in den oberen Schichten festgehalten und der Rest wandert als Sickerwasser in die Tiefe und speist den Grundwasservorrat (Abbildung 4.2-1 a). Nach der Art der zwischen den Wassermolekülen und den Bodenteilchen wirkenden Kräfte kann das Haftwasser in Adsorptions- (oder Schwarmwasser) und Kapillarwasser unterteilt werden (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1998). b) a) Niederschlag Niederschlag Niederschlag Verdunstung Verdunstung durch die Pflanzen Abfluß Sickerwasser Luftraum Bodenteilchen Bodenteilchen Schwarmwasserhülle Haftwasser Sickerwasser Grundwasser kapillares Haftwasser Grundwasser Abbildung 4.2-1: a) Niederschlagsverteilung und b)Wasserführung im Boden (nach LERCH 1991) Adsorptionswasser ist Wasser, das infolge seiner Dipolnatur von festen Oberflächen mit elektrischer Ladung angezogen wird und diese ohne Menisken zu bilden mit einer Schwarmwasserhülle (Hydratationshülle) überzieht (LERCH 1991). Wegen seiner starken Bindung kann es als unbeweglich und nicht pflanzenverfügbar angesehen werden. Als Kapillarwasser wird das in Hohlräumen (Kapillaren) durch das Zusammenwirken von Kohäsionskräften zwischen den Wassermoleküle und Adhäsionskräften zur festen Oberfläche gegen die Schwerkraft festgehaltene Wasser bezeichnet. Je enger die Poren, desto stärker ist die Bindung des Wassers (Wasserspannung) und desto höher ist die zur Freisetzung nötige Energie (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1998). 4.2. Wasser im Boden 23 4. Theoretische Grundlagen 4.2.2. Kennwerte des Wasserhaushaltes eines Bodens Wieviel Wasser in einem Boden gespeichert werden kann und wie groß der tatsächlich pflanzenverfügbare Anteil dieses Wassers ist, hängt im Wesentlichen von der Korngrößenverteilung, insbesondere vom Tongehalt, vom Humusgehalt und von der Lagerungsdichte ab. Ton- und Humuspartikel, auch als Bodenkolloide bezeichnet, sind zum einen durch ihre Oberflächenladungen quellungsfähig, das heißt, sie können Wasser adsorptiv an- bzw. einlagern und bilden zum anderen durch ihre geringe Teilchengröße (<2µm) eine größere innere Oberfläche und wesentlich feinere Poren als die nicht kolloidalen Sandkörner aus. Die Lagerungsdichte, das Verhältnis von Trockenmasse zum Volumen eines Bodenkörpers, läßt in Verbindung mit dem Humusgehalt Rückschlüsse auf das Gesamtporenvolumen zu (Gleichung 4.2-1). Abschätzung von dF nach HARTGE 1971: Ld = Trockengewicht / Volumen GPV = [1 – (Ld / dF)]*100% GPV Ld dF dF ~ 2,65 g/cm3 dF ~ 2,60 g/cm3 dF ~ 2,55 g/cm3 dF ~ 2,50 g/cm3 dF ~ 2,40 g/cm3 < 2 % org. Substanz 2 – 5 % org. Substanz 5 – 7 % org. Substanz 7 – 10 % org. Substanz 10 - 15 % org. Substanz Gesamtporenvolumen [Vol.%] Lagerungsdichte [g/cm3] Dichte der festen Bodensubstanz [g/cm3] Gleichung 4.2-1: Lagerungsdichte und Gesamtporenvolumen Zur Quantifizierung des Porenanteils, der das Wasser nicht gegen die Schwerkraft hält (der Luftkapazität LK mit einem Porendurchmesser dP > 50µm), des Porenanteils, der das für Pflanzen verfügbare Wasser enthält (der nutzbaren Feldkapazität nFK mit 0,2 µm < dP < 50 µm), und des Anteils, der das sogenannte Totwasser, das durch die Saugkraft der Pflanzen nicht erreichbar ist (dP < 0,2 µm), muß die pF-Kurve (Kap. 4.4: Labormethoden) eines Bodens erstellt werden. In Abbildung 4.2-2 sind schematisch die pF-Kurven für Böden unterschiedlichen Tongehalts und die wichtigsten Kennwerte zur Ermittlung und Bewertung des Bodenwasserhaushaltes dargestellt. Gleichung 4.2-2 zeigt die Zusammenhänge dieser Kennwerte. Tonboden 5 PWP 4 3 FK Lehmboden Feinporen 6 Haftwasser Totwasser Porendurchmesser 0,2 µm Mittelporen nFK 10 µm 2 LK Grobporen Sandboden 1 Sickerwasser Wasserspannung [log hPa bzw. pF] 7 50 µm 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Wassergehalt [Vol.%] Abbildung 4.2-2: pF-Kurven und Bodenwasserhaushaltsgrößen (aus HINTERMAIER-ERHARD 1997) 4.2. Wasser im Boden GPV = LK + FK nFK = FK – PWP 24 GPV LK FK PWP nFK 4. Theoretische Grundlagen Gesamtporenvolumen [Vol.%] Luftkapazität [Vol.%], Anteil der bei pF 1,8 luftgefüllten Poren Feldkapazität [Vol.%] = Wassergehalt bei Saugspannung von pF 1,8 Permanenter Welkepunkt [Vol.%] = Wassergehalt bei pF 4,2 (Totwasser) nutzbare Feldkapazität [Vol.%] = pflanzenverfügbarer Bodenwassergehalt Gleichung 4.2-2: Zusammenhänge der Bodenwasserhaushaltsgrößen 4.2.3. Ökologische Bewertung des Bodenwasser- und Lufthaushaltes Für die ökologische Bewertung der obengenannten Bodenwasserhaushaltsgrößen wurde in dieser Arbeit eine Kurzfassung der Bodenkundlichen Kartieranleitung (K3) der AG Bodenkunde herangezogen (KOFALK et al. 1999). Tabelle 4.2-1: Bewertung des Gesamtporenvolumens (KOFALK et al. 1999) GPV [Vol.%] Bewertung <30 1 sehr gering 30 – 40 2 gering 40 – 50 3 mittel 50 – 60 4 hoch >60 5 sehr hoch 12 – 18 4 hoch >18 5 sehr hoch Tabelle 4.2-2: Bewertung der Luftkapazität (KOFALK et al. 1999) LK [Vol.%] Bewertung <3 1 sehr gering 3–7 2 gering 7 – 12 3 mittel In Tabelle 4.2-1 und Tabelle 4.2-2 sind das Gesamtporenvolumen und die Luftkapazität in Bewertungsstufen eingeteilt. Je höher das Gesamtporenvolumen, desto besser ist ein Boden bearbeitbar und zur landwirtschaftlichen Nutzung geeignet. Die Luftkapazität kann bei geringen bis sehr geringen Werten die Gründigkeit oder Durchwurzelbarkeit eines Bodens begrenzen. Unter Gründigkeit versteht man die Tiefe, in die Pflanzenwurzeln unter den vorgefundenen Bedingungen tatsächlich in den Boden eindringen können. Begrenzungsfaktoren für die Gründigkeit können neben mangelnder Luftkapazität ein sprunghafter Wechsel chemischer Eigenschaften, ungünstige Gefügeformen oder eine erhöhte Lagerungsdichte sein (KOFALK et al. 1999). Mithilfe der Tabelle 4.2-3 und Tabelle 4.2-4 können die Feldkapazität und die nutzbare Feldkapazität nutzungsunabhängig bewertet werden. Dazu werden die FK- und nFK-Werte der gründigen Horizonte bis max. 1 m Tiefe von [Vol.%] in [l / m2] oder [mm] umgerechnet (Gleichung 4.2-3) und aufsummiert. Y [mm] = Y [l / m2] = t [dm] * X [Vol.%] X, Y t umzurechnende Größe Tiefe [dm] Gleichung 4.2-3: Umrechnung von [Vol.%] in [l / m2] oder [mm] Tabelle 4.2-3: Bewertung der Feldkapazität im gründigen Bereich (KOFALK et al. 1999) FK [mm] Bewertung <130 1 sehr gering 130 – 260 2 gering 260 – 390 3 mittel 390 – 520 4 hoch >520 5 sehr hoch 4.2. Wasser im Boden 25 4. Theoretische Grundlagen Tabelle 4.2-4: Bewertung der nFK im gründigen Bereich (KOFALK et al. 1999) <50 1 sehr gering nFK [mm]] Bewertung 50 – 90 2 gering 90 – 140 3 mittel 140 – 200 4 hoch >200 5 sehr hoch Je höher die Feldkapazität eines Bodens im gründigen Bereich, also je feuchter ein Boden ist, desto stärker können Temperaturänderungen gepuffert werden. Eine hohe Feldkapazität bewirkt einerseits eine langsamere Erwärmung des Bodens im Frühling und damit einen verspäteten Vegetationsbeginn und andererseits jedoch auch eine langsamere Abkühlung im Herbst, so daß feuchte Böden gegen Frühfröste resistenter sind (KOFALK et al. 1999). Die nFK eines Bodens ist für die Wasserversorgung der Pflanzen sowie die Grundwasserneubildung (siehe 4.2.4.) von Bedeutung. Während in Tabelle 4.2-4 die potentielle Wasserverfügbarkeit für Pflanzen nutzungsunabhängig bewertet wird, muß das tatsächlich pflanzenverfügbare Wasser nutzungsabhängig für den von den Pflanzen mit ihren Wurzeln erschlossenen Bereich, den effektiven Wurzelraum, bewertet werden. In Tabelle 4.2-5 sind die mittleren effektiven Wurzelräume als Durchwurzelungstiefen bei unterschiedlicher Nutzung und für die verschiedenen Bodenarten angegeben. Zur Deckung des Wasserbedarfs der Vegetation in der Hauptvegetationsperiode (Mai – August) von 300 – 400 mm stehen an grundwasserfernen Standorten nur die nFK und die Niederschläge in der Vegetationsperiode zur Verfügung. Nach Umrechnung der nFK-Werte der einzelnen Horizonte nach Gleichung 4-4 und Aufsummierung bis in die Tiefe des effektiven Wurzelraumes kann die nFK des effektiven Wurzelraumes nFKWe nach Tabelle 4.2-6 einem mittleren ökologischen Feuchtezustand während der Vegetationsperiode zugeordnet werden. Grundlage der Bewertung sind Erfahrungswerte für grundwasserferne ebene Standorte im Raum Berlin mit einem Jahresniederschlag von 580 mm (KOFALK et al. 1999). Tabelle 4.2-5: Mittlerer effektiver Wurzelraum (KOFALK et al. 1999) Mittlerer effektiver Wurzelraum [dm] Bodenart Acker (Getreide und Hackfrüchte) Gartenbau (Gemüse) Weide Wiese Sport-, Liege- und Campingwiesen Forst (abh. von Baumarten) mS fS lS sL, uS sU, U, sT, lT, U lU, uL, sL, tL 6 7 8 9 10 11 4 5 5–6 6 6–7 7 5 5–6 6 7 8 8–9 3 3–4 4 4–5 5 5–6 10 – 15 12- 16 14 – 18 15 – 20 15 – 25 20 – 30 Tabelle 4.2-6: Bewertung des ökologischen Feuchtezustandes für Berlin (KOFALK et al. 1999) nFKWe [mm] <50 1 50 – 100 2 100 – 150 3 150 – 200 4 200 – 250 5 > 250 6 Ökolog. Feuchtezustand sehr trocken trocken frisch mäßig feucht feucht sehr feucht 4.2. Wasser im Boden 26 4. Theoretische Grundlagen 4.2.4. Ermittlung der Grundwasserneubildung Zur Ermittlung der Grundwasserneubildung wurde das von WESSOLEK & TRINKS 2002 aktualisierte Verfahren nach RENGER &WESSOLEK (1990) herangezogen. Die Aktualisierung bestand im Wesentlichen in einer Umstellung von der potentiellen Evapotranspiration nach HAUDE auf die FAO-Grasreferenzverdunstung (DVWK 1996), einer Korrektur der vom DWD gemessenen Niederschlagshöhen sowie einer Erweiterung der Anwendbarkeit des Verfahrens für die verschiedenen Klimazonen der Bundesrepublik. GWneu = Nd Jahr − (Ereal + Ei ) Ereal + Ei = F (WV ) ET 0 WV = nFKWe + Vkap + Nd Som ET 0 = (RG + 39 * k ) / T + 22 165 * (T + 123)(1 + 0,00019 * h ) GWneu NdJahr Grundwasserneubildung [mm] Jahresniederschlag [mm] Ereal+ Ei Evaporation + Interzeption [mm] ET0 Jahresgrasreferenzverdunstung [mm] WV pflanzenverfügbares Wasser (1.4.-30.9.) [mm] nFKWe nutzbare Feldkapazität im Wurzelraum [mm] Vkap kapillarer Aufstieg [mm] NdSom Sommerniederschlag (1.4.-30.9.) [mm] RG Globalstrahlung [W/m2] T Monatsmittel der Lufttemperatur k Küstenfaktor (Küste: 0,5, Binnenland: 1) h Seehöhe (für h>600 wird h=600) Gleichung 4.2-4: Prinzipielle Zusammenhänge zwischen den Wasserhaushaltsgrößen zur Berechnung der Grundwasserneubildung (WESSOLEK & TRINKS 2002) Zur Berücksichtigung nichtlinearer Abhängigkeiten der Grundwasserneubildung von der Wasserverfügbarkeit und den klimatischen Bedingungen wurde neben der für die korrigierten Niederschläge und die FAO-Grasreferenzverdunstung neu abgeleiteten linearen Regressionsgleichung von Renger & Wessolek eine Powerfunktion für die reale Evapotranspiration zur Berechnung der Grundwasserneubildung entwickelt. Grundwasserneubildung ist die Wassermenge, die aus dem Wurzelraum nach unten versickert und das sich auf undurchlässigen Bodenschichten sammelnde Grundwasser speist. Die jährliche Grundwasserneubidung kann als Differenz aus den Jahresniederschlägen und der Verdunstung bilanziert werden (Gleichung 4.2-4). Die Verdunstung setzt sich zusammen aus der Evaporation (= Verdunstung von Boden- oder Wasseroberflächen), der Transpiration (= die Wasserabgabe von Pflanzen über die Stomataöffnungen) und der Interzeption (= die Verdunstung von Wasser von benetzten Pflanzenteilen) (WOHLRAB et al. 1992). Das Verhältnis der tatsächlichen Verdunstung zur potentiellen Grasreferenzverdunstung ist eine Funktion des pflanzenverfügbaren Wassers WV, das aus dem Sommerniederschlag, dem kapillaren Aufstieg (nur bei grundwassernahen Standorten) und der nutzbaren Feldkapazität des effektiven Wurzelraumes besteht (Gleichung 4.2-4). Ansatz der Powerfunktion ist die Tatsache, daß das Verhältnis von realer Evapotranspiration (Ereal+Ei) zur Grasreferenzverdunstung ET0 erst ab einer bestimmten kritischen Wasserverfügbarkeit WV konstant bleibt. Somit wurde eine übergreifende Powerfunktion entwickelt, die bei Unterschreitung der kritischen Wasserverfügbarkeit Pkrit um einen zusätzlichen Term erweitert werden muß (Gleichung 4.2-5 und Tabelle 4.2-7). 5.1. Untersuchungsflächen für 27 5. Methodik WV > Pkrit : g nFKWe + Vkap + e Ereal + Ei = a * ET 0 * d * log ET 0 für WV ≥ Pkrit : g nFKWe + Vkap + e Ereal + Ei = b * log nFKWe + Vkap + Nd Som + c * ET 0 * d * log ET 0 [ ) ] ( Gleichung 4.2-5: Powerfunktion zur Berechnung der realen Evapotranspiration (WESSOLEK & TRINKS 2002) Tabelle 4.2-7: Koeffizienten der Powerfunktion zur Berechnung der realen Evapotranspiration Acker Grünland Nadelwald Mischwald Laubwald • Pkrit 700 700 750 750 750 a 1,05 1,2 1,3 1,235 1,17 b 1,19 1,47 1,68 1,68 1,68 c -2,34 -2,98 -3,53 -3,53 -3,53 d (Vkap=0) 0,38 0,38 0,81 0,81 0,81 in der Berechnungsformel für Wald wird der Wurzelterm = 1 ( ∞ d (Vkap>0) 0,46 0,42 0,92 0,92 0,92 x = 1) e (Vkap=0) 1,72 1,56 3,2 3,2 3,2 e (Vkap>0) 0,19 1,56 3,52 3,52 3,52 g 3 2 ∞* ∞* ∞* 5.1. Untersuchungsflächen 28 5. Methodik 5. Methodik 5.1. Untersuchungsflächen Abbildung 5.1-1: Lage der Untersuchungsflächen (bearbeitet aus SEN.STADT.UM aus HOFFMANN et al. 2002.1) In Abbildung 5.1-1 ist die Lage der in dieser Arbeit untersuchten Flächen (dunkle Flächen) und die der Meßflächen (kleine weiße Quadrate) sowie des Transektes in der Fläche 705 b1 (weiße Linie) in einem Teilausschnitt des Rieselfeldgebietes Hobrechtsfelde dargestellt. Die Auswahl der Untersuchungsflächen erfolgte nach folgenden Kriterien: Die Flächen sollten zu unterschiedlichen Zeitpunkten überlehmt worden sein. Es sollten möglichst bereits Daten aus früheren Untersuchungen vorliegen. Jagen 705 b1 In der Abt.705 b1 wurde in einem Pilotprojekt (HOFFMANN et al. 1999) die erste Überlehmung durchgeführt. Dazu wurde ab April 1998 auf ca. 12 ha eine etwa 35 cm dicke Schicht Mergel aufgebracht und 4 - 6 Monate später bis in eine Tiefe von 90 cm eingefräst. Vor der Überlehmung 1998 und danach im Frühjahr 1999 wurde auf dieser Abteilung ein 180 m langes Transekt in 10 m Abständen beprobt, die im Bereich eines ehemaligen Einleiterbeckens auf 10 m verdichtet wurden. Die Beprobung vor der Überlehmung zeigte, daß es sich um eine hoch belastete Fläche handelte. Im Transekt wurden in 30 cm Tiefe durchschnittlich 5,5 Gew.% Humus, 124 mg/kg Cu mit einem mobilen Anteil 0,6 % Ca(NO3)2-extrahierbarem Cu, 380 mg/kg Zn mit 38 % mobilem Anteil, 17 mg/kg Cd mit 2,5 % mobilem Anteil und 135 mg/kg Pb mit 0,9 % mobilem Anteil. Spitzenwerte der 5.1. Untersuchungsflächen 29 5. Methodik Schwermetallbelastungen wurden im ehemaligen Einleiterbereich bei Humusgehalten zwischen 5 und 15 Gew.% gefunden. Nach der Überlehmung verringerten sich sowohl die SchwermetallGesamtgehalte als auch ihr mobiler Anteil beträchtlich. Der pH-Wert stieg auf durchschnittlich 7,2. Nach der Überlehmung und Einfräsung wurden von Hand verschiedene Baumarten gepflanzt (Winterlinde, Stieleiche, Rot- und Hainbuche) und eine Begrünung und Gründüngung (Lupine, Phacelia, Senf, Sonnenblumen) eingesät (HOFFMANN et al. 1999), um die in den Rieselfeldern übliche alles dominierende Quecke (Agropyrons repens) zu verdrängen. In dieser Arbeit wurde das Transekt erneut beprobt und pH-Werte, Humusgehalte, SchwermetallGesamtgehalte sowie verschiedene Schwermetall-Bindungsfraktionen bestimmt. Jagen 708 b3 Die Fläche 708 b3 wurde im Jahre 2000 überlehmt. Vor der Überlehmung wurden im Rahmen einer Rasterkartierung pH-Werte und Humusgehalte bestimmt (HOFFMANN et al. 2002.2). Es wurden auffällig tiefgründige Ah-Horizonte mit Humusvorräten zwischen 20 und 30 kg/m2 bezogen auf 1 m Tiefe gefunden. Die pH-Werte erreichten in Teilbereichen Werte zwischen 6 und 7, womit das Verlagerungsrisiko als gering eingestuft wurde (HOFFMANN et al. 2002.2). Die Vegetation setzte sich im Untersuchungszeitraum unter anderem aus Beifuß, Quecke, Brennessel und Diestelarten zusammen (Abbildung 5.1-2). Es waren nur einzelne Bäume vorhanden. Im Frühling wurden durch das Forstamt verschiedene Setzlinge gepflanzt. Im Jagen 708 b3 wurden in dieser Arbeit bodenphysikalische Parameter (Porengrößen- und Korngrößenverteilung) in 30, 60 und 80 cm Tiefe Mithilfe von Stechzylinderproben aufgenommen. Nach einer längeren Trockenperiode im Herbst (16.09.2002) wurden in 20, 40, 60, 80 und 100 cm Tiefe zur Erfassung der stärksten Austrocknung die volumetrischen Wassergehalte bestimmt. Außerdem wurde Anfang April ein Saugkerzen- und TDR-Sonden-Meßfeld (siehe Meßstellen) eingerichtet und wöchentlich beprobt. Im Sickerwasser wurden die pH-Werte, elektrische Leitfähigkeit und Schwermetallkonzentrationen bestimmt. Abbildung 5.1-2: Abt. 708 b3 Abbildung 5.1-3: Abt. 704 c5 5.2. Feldmethoden 30 5. Methodik Jagen 704 c5 Die Fläche 704 c5 wurde als jüngste Fläche im Jahr 2001 überlehmt, so daß der Untersuchungszeitraum die erste neue Vegetationsperiode darstellte. Wie in der Fläche 708 b3 wurden auch hier vor der Überlehmung im Rahmen einer Rasterkartierung pH-Werte und Humusgehalte bestimmt. Es wurden überwiegend tiefgründige Ah-Horizonte von 20 – 60 cm Tiefe gefunden. Die tiefsten befanden sich in Bereichen ehemaliger Dammkreuzungen. Der Einlaßbereich befand sich nicht in der Fläche 704 c5 sondern in der südlich angrenzenden 704 c3. Die Humusvorräte lagen in der Fläche 704 c5 zwischen 6 und 25 kg/m2 bezogen auf 1 m Tiefe. Die zwischen 3,9 und 5,6 liegenden pH-Werte wiesen ein hohes Verlagerungsrisiko aus (HOFFMANN et al. 2002.1). Die Fläche war geprägt durch einen losen, hauptsächlich aus Pappelarten und Eschen-Ahorn bestehenden Baumbestand. Im Frühling wurden durch das Forstamt zur Unterstützung der Wildpflanzenpopulation und zum Zurückdrängen der Quecke eine Samenmischung verschiedener Gräser aufgebracht. Bis zum Sommer war eine rasche Begrünung von 1 – 1,5 m Höhe erreicht (Abbildung 5.1-3) Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Rasterprobenahme im 25 m Gitter wiederholt und neben pHWerten und Humusgehalten auch die Schwermetall-Gesamtgehalte sowie einzelne SchwermetallBindungsfraktionen bestimmt. Es wurden ebenfalls bodenphysikalische Parameter (Porengrößen- und Korngrößenverteilung) in 20 und 60 cm Tiefe durch Stechzylinderproben aufgenommen. Nach einer längeren Trockenperiode im Herbst (16.09.2002) wurden in 20, 40, 60 und 80 cm Tiefe zur Erfassung der stärksten Austrocknung die volumetrischen Wassergehalte bestimmt. Außerdem wurde Anfang April ein Saugkerzen- und TDR-Sonden-Meßfeld (Aufbau siehe Kap. 5.2.1) eingerichtet und wöchentlich beprobt. Im Sickerwasser wurden die pH-Werte, elektrische Leitfähigkeit und Schwermetallkonzentrationen bestimmt. 5.2. Feldmethoden 5.2.1. Aufbau der Meßflächen Bei der Wahl der Tiefen der Saugkerzen und der TDR-Sonden wurde davon ausgegangen, daß das in den Dellen fehlende Bodenmaterial beim Einfräsen als Kuppen angehäufelt wurde. Da die Höhendifferenz zwischen Kuppen und Dellen etwa 20 cm betrug, wurden die tieferen Sonden in den Kuppen 20 cm tiefer gesetzt als die Parallelen in den Dellen, um etwa die gleichen Positionen im Überlehmungshorizont zu erreichen. Die Meßfläche 704 c5 besaß 3 Saugkerzen, 2 in Dellen in 50 cm Tiefe und eine in einer Kuppe in 70 cm Tiefe. Sie sollten den unteren Bereich des Überlehmungshorizontes beproben. Die um 1,50 m verschobenen 12 TDR- Sonden ermöglichten je 2 Wassergehaltsmessungen in 20, 60 und 80 cm Tiefe unter Dellen sowie 2 Messungen in 20, 80 und 100 cm unter Kuppen (Abbildung 5.2-1). Während in den oberen Schichten des Überlehmungshorizontes kaum unterschiedliche Wasserghalte vermutet wurden, sollten die Wassergehalte im Übergang zum C-Horizont in 60 – 80 cm Tiefe genauer beobachtet werden. Das Meßfeld der Fläche 708 b3 besaß wahrscheinlich wegen einer anderen Einfräse-Technik wesentlich schmalere Dellen. Hier wurden alle Sonden in Kuppen eingebaut. Es wurden wie in Abbildung 1-2 dargestellt je 4 Saugkerzen in 70 und 90 cm Tiefe und je 4 TDR-Sonden in 20, 80 und 5.2. Feldmethoden 31 5. Methodik 100 cm Tiefe eingebaut. Auch hier wurde vermutet, daß die stärksten Änderungen am unteren Rand des Auftragshorizontes zu finden wäre. Meßfläche 704 c5 A1 Meßfläche 708 b3 GOK A1 Längsschnitt Delle A2 Längsschnitt Kuppe B Querschnitt C Draufsicht 0 20 50 60 80 cm B A 0 C 0 20 Geländeoberkante 20 70 80 100 cm TDR-Sonde A Längsschnitt B Querschnitt C Draufsicht A2 Geländeoberkante (GOK) Saugkerze B 70 80 90 100 cm C 0 Kuppe 2.2 0 Kuppe 2 200 Kuppe 2.1 150 Delle 1 400 Kuppe 1.2 200 Kuppe 1 600 cm Kuppe 1.1 350 cm Delle 2 0 50 70 150 170 210 230 250 cm 0 70 90 200 220 280 300 cm Abbildung 5.2-1: Aufbau der Meßfläche 704 c5 5.2.2. Wassergehaltsmessung im Boden mittels TDR-Sonden Die Wassergehaltsbestimmung nach dem TDR-Verfahren (Time Domain Reflectrometry) beruht auf der Abhängigkeit der Laufzeit elektromagnetischer Wellen im Boden von der maßgeblich vom volumetrischen Wassergehalt beeinflußten Dielektrizitätskonstante ε des Boden-Wasser-LuftGemisches. Ein durch einen Pulsgenerator erzeugtes Meßsignal wird in einen fest im Boden installierten Wellenleiter geleitet, ein Teil des Signals wird reflektiert und ruft Spannungsänderungen im Meßgerät hervor, die als Reflektionsbilder sichtbar gemacht werden (BOHL 1996). Es wurden Sonden und Meßgerät der Firma Easy Test Ltd. Lublin eingesetzt. Es wurde eine vereinfachte Eichung der Sonden durchgeführt. Sie wurden in mit einem Wassergehalt von 11,1 Vol.% definiertem trockenem Sand und in Wasser (100 Vol.% ) gemessen. Aus den beiden Meßwerten wurde für jede Sonde eine lineare Gleichung entwickelt, die dann auf alle Meßergebnisse dieser Sonde angewandt wurde. Im Feld wurden wöchentlich pro Sonde mindestens 2 Messungen durchgeführt, bis der Unterschied zwischen 2 Meßwerten < 0,3 Vol.% betrug. Auffällige Reflektionsbilder wurden abgezeichnet und bei auffälligen Meßwerten zur Einschätzung über Fehlmessungen zu Rate gezogen. 5.2.3. Sickerwasserbeprobung mittels keramischer Saugkerzen Die zur Sickerwasserbeprobung eingesetzten Saugkerzen besaßen Keramik-Saugköpfen aus Al2O3Sinter (SKA 100 FF, Firma Haldenwanger). Sie hatten eine offene Porosität von 40 – 45 % und einen mittleren Porendurchmesser von 0,45 µm. Der Schaft der Saugkerzen bestand aus Plexiglasrohr und wurde mit einem doppelt durchbohrten Silikonstopfen verschlossen. Darin waren ein Glashahn zum Anlegen des Unterdruckes und ein bis zum Keramikkopf reichender PE-Schlauch zum Absaugen der 5.3. Probenahme 32 5. Methodik Wasserproben eingelassen. Es wurden Unterdrücke zwischen -0,5 und –0,7 bar angelegt. In den ersten Wochen wurde das aus den Saugkerzen gewonnene Sickerwasser verworfen. Nach einer Adaptionszeit von 4 Wochen, in der sich ein Gleichgewicht zwischen den Keramikkerzen und der Bodenlösung einstellen konnte wurde das wöchentlich gewonnene Sickerwasser im Labor auf pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit und Schwermetallgehalte untersucht. 5.3. Probenahme 5.3.1. Stechzylinderproben Die Entnahme der Stechzylinderproben zur Bestimmung der pF-Kurven am 27.05 02 und zur Bestimmung des niedrigsten Wassergehaltes der Vegetationsperiode am 16.09.02 wurde in den Flächen 704 c5 und 708 b3 jeweils in ca. 5 m Entfernung zu den Meßflächen durchgeführt. Die Probenahme erfolgte vertikal in einer Fläche von ca. 1 m2. Es wurden je Tiefe 10 100 cm3 fassende Stechzylinder genommen. Das Bodenmaterial der Beprobung im Mai wurde nach Bestimmung der pFKurven zur Korngrößenanalyse verwandt. 5.3.2. Raster- und Transektbeprobung Zur Probenahme in der Rasterfläche 704 c5 wurden an jedem mit GPS eingemessenen Probenahmepunkt (Abbildung 5.3-1) in 30 cm Tiefe etwa 500 g Boden in PE-Beutel entnommen. Im Labor wurden die Proben intensiv homogenisiert, bevor sie weiter untersucht wurden. Die Transektbprobung in der Fläche 705 b1 erfolgte ebenfalls in 30 cm Tiefe. Die Probenahmepunkte sind in Abbildung 5.3-2 dargestellt. Der mit 0 m bezeichnete Transektpunkt befand sich am nördlichen, die mit 170 m am südlichen Ende der Fläche 705 b1. Aufgrund der hohen Inhomogenität mußten die Proben wie die der Fläche 704 einer intensiven Homogenisierung unterzogen werden, bevor sie weiter untersucht werden konnten. Probenahmeraster 704 c5 Probenahmetransekt 705 b1 0m 170 m Abbildung 5.3-1: Wege und Probenahmepunkte in der Fläche 704 c5 5.4. Abbildung 5.3-2: Lage der Wege und des Transektes auf der Fläche 705 b1 Labormethoden Bestimmung des gravimetrischen Wassergehaltes Der gravimetrische Wassergehalt wurde über den Gewichtsverlust von ca. 10 g feldfrischem Boden durch Trocknen bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz (24 h) nach Gleichung 5.4-1 bestimmt. 5.4. Labormethoden 33 5. Methodik WG [Gew.%] = [Einwaage (feucht) – Auswaage (trocken)] / Auswaage (trocken) Gleichung 5.4-1: Berechnung des gravimetrischen Wassergehaltes Bestimmung des Humusgehaltes Der Humusgehalt wurde nach DIN 18128 über den Glühverlust von ca. 10 g Feinboden (< 2mm) durch 4 stündiges Erhitzen bei 400°C nach Gleichung 5.4-2 bestimmt. Humusgehalt [%] = [Einwaage (unverglüht) – Auswaage (verglüht)] / Einwaage (unverglüht) Gleichung 5.4-2: Berechnung des Humusgehaltes Bestimmung des pH-Wertes im Boden Die Messung des pH-Wertes im Boden erfolgte nach ca. 14 h Gleichgewichtseinstellzeit (über Nacht) in einer Suspension aus. 10 g feldfrischem Boden in 25 ml 0,01 M CaCl2-Lösung Mithilfe eines pH Meter (761 Calimatic, Fa. Knick). Bestimmung der löslichen Schwermetallfraktion im Boden (Bodensättigungsextraktion) Die lösliche Schwermetall-Fraktion im Boden wurde in einem Bodensättigungsextrakt bestimmt. Dazu wurden 125 g feldfrischer Boden bis zur Fließgrenze mit bidest-Wasser versetzt, so daß die entstandene Paste eine feucht glänzende Oberfläche erhielt und beim Rühren leicht vom Spatel abfloß. Nach einer Gleichgewichtseinstellzeit von 24 h bei 20°C wurde die Lösung über Cellulose-Acetat Filter (0,45µm) mit einem Unterdruck von ca. 500 mbar mit von Filtergefäßen der Firma Satorius abgesaugt. Das Filtrat wurde durch Ansäuerung mit HNO3 suprapur (65%) auf pH 3 haltbar gemacht, in säuregespülten PE-Flaschen aufbewahrt und später die Schwermetallkonzentration am Flammen- / bzw. Graphitrohr-AAS bestimmt. Bestimmung der leicht mobilisierbaren Schwermetallfraktion im Boden (NH4NO3Extraktion) Zur Bestimmung der leicht mobilisierbaren Schwermetallfraktion nach DIN 19730 wurden 20 g Feinboden mit 50 ml 0,1 M NH4NO3-Lösung als Extraktionsmittel versetzt. Nach 2 stündigem Überkopfschütteln bei ca. 20 Upm wurde die Lösung über Cellulose-Acetat Filter (0,45µm) mit einem Unterdruck von ca. 500 mbar Mithilfe von Filtergefäßen der Firma Satorius abgesaugt. Das Filtrat wurde durch Ansäuerung mit HNO3 suprapur (65%) auf pH 3 haltbar gemacht, in säuregespülten PEFlaschen aufbewahrt und später die Schwermetallkonzentration am Flammen- / bzw. GraphitrohrAAS bestimmt. Bestimmung der mäßig mobilisierbaren Schwermetallfraktion im Boden (EDTACocktail-Extraktion) Zur Bestimmung der mäßig mobilisierbaren Schwermetallfraktion nach Liebe et al. 1997 wurden 5 g Feinboden mit 50 ml 0,025 M NH4-EDTA-Lösung (pH 4,6) als Extraktionsmittel versetzt. Nach 90 minütigem Überkopfschütteln bei ca. 20 Upm wurde die Lösung über Cellulose-Acetat Filter (0,45µm) mit einem Unterdruck von ca. 500 mbar Mithilfe von Filtergefäßen der Firma Satorius 5.4. Labormethoden 34 5. Methodik abgesaugt. Das Filtrat wurde durch Ansäuerung mit HNO3 suprapur (65%) auf pH 3 haltbar gemacht, in säuregespülten PE-Flaschen aufbewahrt und später die Schwermetallkonzentration am Flammen- / bzw. Graphitrohr-AAS bestimmt. Bestimmung der Residual-Schwermetallfraktion im Boden (HNO3-Druckaufschluß) Zur Bestimmung der Residual-Schwermetallfraktion im Boden durch einen HNO3-Druckaufschluß (nach AG Bodenanalytik 1999) wurden 0,5 g Feinboden in Achatbechern mit einer Planetenschwingmühle auf < 80 µm gemahlen, bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und mit 10 ml HNO3 suprapur (65%) in Teflontiegeln in Druckaufschlußblöcken (PDS-6 Firma Loffild) für 6 h (mit 2 h Aufheizzeit) bei 185°C aufgeschlossen. Nach dem Abkühlen wurde der gesamte Tiegelinhalt über Papier-Faltenfilter 790 ½ (Firma Schleicher & Schüll) filtriert, das Filtrat quantitativ mit bidest-Wasser auf 50 ml aufgefüllt und bis zur Messung der Schwermetallkonzentration am Flammen- / bzw. Graphitrohr-AAS in säuregespülten PE-Flaschen aufbewahrt. Bestimmung der Wasserspannungskurve Zur Bestimmung der Wasserspannungskurve wurden ungestörte Bodenproben in Form von Stechzylindern à 100 cm3 nach der Probenahme gewogen, auf eine poröse keramische Platte gestellt, mit Wasser gesättigt und durch stufenweises Anlegen immer höherer Unterdrücke (von pF 1,5 / 1,8 / 2,0 / 2,5 / 3,0 / 4,2 [log cm WS]) an diese keramische Platte bis zur Gleichgewichtseinstellung entwässert. Nach jeder Gleichgewichtseinstellung und vor Anlegen des jeweils nächst höheren Unterdrucks wurden die Stechzylinderproben erneut gewogen. Nach dem Auswiegen der mit pF 4,2 entwässerten Stechzylinder wurden diese bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet, erneut ausgewogen und die Fehlstellen bestimmt.. Die Wasserspannungskurve (pF-Kurve) wurde durch Auftragen der nach Gleichung 5.4-3 berechneten Wassergehalte über die dazugehörigen Drücke konstruiert. WG [Vol.%] (pF=x) = [Auswaage (feucht) (pF=x) – Auswaage (trocken bei 105°C)] / [100cm3 –Fehlstellen] Gleichung 5.4-3: Berechnung der Wassergehalte für die pF-Kurve Bestimmung des volumetrischen Wassergehaltes Zur Bestimmung des volumetrischen Wassergehaltes wurden ungestörte Bodenproben in Form von Stechzylindern mit einem Volumen von 100 cm3 feldfrisch und nach Trocknung bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz gewogen. Die Berechnung erfolgte nach Gleichung 5.4-4. WG [Vol.%] = [Einwaage (feldfrisch) - Auswaage (trocken)] / [100 cm3 –Fehlstellen] Gleichung 5.4-4: Berechnung des volumetrischen Wassergehaltes Bestimmung der Lagerungsdichte Zur Bestimmung der Lagerungsdichte wurde laut Gleichung 5.4-5 das Gewicht der bei 105 °C bis zur Gewichtskonstanz getrockneten ungestörten Stechzylinderproben auf ihr Volumen von 100 cm3 bezogen. Ld [g/cm3] = [Auswaage (trocken)] / 100 cm3 Gleichung 5.4-5: Berechnung der Lagerungsdichte 5.4. Labormethoden 35 5. Methodik Bestimmung des Porenvolumens Das Porenvolumen wurde nach Gleichung 5.4-6 aus Lagerungsdichte und der vom Humusgehalt abhängigen Dichte der festen Bodensubstanz berechnet. PV Ld dF PV = 1 – (Ld / dF) dF = 397,5 / (1,15 * Humusgehalt + 150) Porenvolumen Lagerungsdichte Dichte der festen Bodensubstanz Gleichung 5.4-6: Berechnung des Porenvolumens Bestimmung der Korngrößenverteilung 0 10 90 20 80 T 30 nd Sa % Tl Tu Lts 4 3 4 St Sl Ls 2 3 4 Ltu Lu Lsu Slu 50 40 3 Lt n To 2 Ts 3 % 80 2 60 50 70 90 70 40 60 Zur Bestimmung der Korngrößenverteilung wurden 20 g luftgetrockneter Feinboden (< 2 mm) mit 50 ml 0,21 n Na4P2O7 zu einer Suspension verrührt und kurz aufgekocht. Die abgekühlte Suspension wurde vollständig auf die übereinandergestellten Siebe mit 630, 200 und 63 µm Durchmesser überführt 100 Uls Ul 30 4 3 20 10 und durch Spritzen mit Wasser in die einzelnen Fraktionen getrennt. Der Inhalt 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % Schluff der einzelnen Siebe wurde vollständig in Abdampfschalen überführt, nach dem Abbildung 5.4-1: Körnungsdreieck zur Bestimmung der Bodenart (aus BLUME 1985) Absetzen der Körner der Überstand S Sand s sandig U Schluff u schluffig dekantiert und bei 105°C bis zur L Lehm l lehmig U Ton t tonig Gewichtskonstanz getrocknet. Die 2 schwach 3 mittel 4 stark Fraktionen < 63 µm wurden mittels Pipettmethode (DIN 19683 Blatt 2, 1973) getrennt und ebenfalls bei 105°C getrocknet. Anschließend wurden die einzelnen Fraktionen gewogen. Der prozentuale Anteil der einzelnen Fraktionen ermöglichte mit dem Körnungsdreiecks (Abbildung 5.4-1) die Zuordnung des Bodens zu einer Bodenart. 100 S 2 2 3 3 Su 4 Us 2 U 0 36 6.1. Bodenphysik 6. Ergebnisse 6. Ergebnisse 6.1. Bodenphysik 6.1.1. Bodenphysikalische Ergebnisse der Abteilung 704 c5 Der Überlehmungshorizont konnte mit dem Körnungsdreiecks und den Ergebnissen der Texturanalyse (Abbildung 6.1-1 und Tabelle 6.1-1) in 20 cm Tiefe als schwach bis mittel lehmiger Sand und in 60 cm Tiefe als Sand bis schwach schluffiger / schwach lehmiger Sand angesprochen werden, wobei der Sand der Bodenunterart feinsandiger Mittelsand zuzuordnen war. 704 60 cm Tiefe 100 80 80 Probenanteil [%] Probenanteil [%] 704 20 cm Tiefe 100 60 40 20 60 40 20 0 < 2 < 6,3 < 20 < 63 < 200 < 630 0 < 2000 < 2 Korngrößendurchmesser [µm] < 6,3 < 20 < 63 < 200 < 630 < 2000 Korngrößendurchmesser [µm] Abbildung 6.1-1: Summenkurve der Korngrößenverteilung der Abt. 704 c5 in 20 und 60 cm Tiefe Tabelle 6.1-1: Ergebnisse der Korngrößenanalyse der Abt. 704 c5 Abt. Tiefe Grobsand Mittelsand Feinsand Sand Schluff Ton Humus Bodenart Sand- [cm] [Gew.%] [Gew.%] [Gew.%] [Gew.%] [Gew.%] [Gew.%] [Gew.%] 704 0-40 7,3 38,2 31,0 76,5 16,1 7,5 2,0 Sl2-Sl3 fsmS 704 40-80 5,0 48,4 32,2 85,7 9,8 4,6 2,8 S-Su2/Sl2 fsmS 709* 80-110 k.A. k.A k.A 93,0 6,5 0,5 0,3 S fsmS 709* 110-150 k.A k.A k.A 98,7 1,1 0,2 0,1 S fsmS unterart * Die grau unterlegten Werte wurden aus BOWO 1997 übernommen In Abbildung 6.1-2 sind die in der Abteilung 704 c5 ermittelten Porengrößenverteilungen in 20 und 60 cm Tiefe dargestellt und in Tabelle 6.1-2 einige daraus resultierende bodenphysikalische Kenngrößen aufgelistet. Die als gering bis mäßig dicht einzustufende Lagerungsdichte von 1,4 in 60 cm Tiefe stand einer als mäßig dicht bis dicht zu bewertenden Lagerungsdichte von 1,6 in 20 cm Tiefe gegenüber. Dementsprechend war auch das Gesamtporenvolumen in 60 cm Tiefe höher als in 20 cm Tiefe, was sich wiederum vor allem in einer als sehr hoch zu bewertenden Luftkapazität niederschlug. Es ist zu vermuten, daß dies auf die Auflockerung beim Einfräsen des Geschiebemergels zurückzuführen ist und der Boden sich in den nächsten Jahren weiter setzen und damit Luftkapazität verlieren wird. Die erhöhte Lagerungsdichte und geringere Luftkpazität in 20 cm Tiefe ist auf den wesentlich höheren Ton- und Schluffgehalt zurückzuführen (Tabelle 6.1-1). Die stark vom Tongehalt abhängige Feldkapazität nimmt jedoch von 23 Vol.% in 20 cm zu 21 Vol.% in 60 cm Tiefen nur leicht ab, da der 37 6.1. Bodenphysik 6. Ergebnisse 704 20 cm Tiefe 704 60 cm Tiefe 4 Streuungsbereich log Saugspannung [cm WS] log Saugspannung [cm WS] 4 Mittelwert 3 2 1 Streuungsbereich Mittelwert 3 2 1 0 0 0 10 20 30 40 50 0 10 20 Wassergehalt [Vol%] 30 40 50 60 Wassergehalt [Vol%] Abbildung 6.1-2: Mittelwerte und Streuung der pF-Kurven der Abt.704 c5 in 20 und 60 cm Tiefe Tabelle 6.1-2: Kenngrößen des Boden-Wasserhaushaltes der Abt. 704 c5 Tiefe [cm] Mächtigk. [dm] 704 0-40 4 704 40-80 4 709* 80-110 3 709* 110-150 4 Abt. Ld GPV [Vol.%] [g/cm³] 1,60 (1,4–1,8) 38,7 (30-47) 45,23 1,42 gering - mäßig dicht (1,3-1,8) (34-50) 1,62 mäßig dicht - dicht 38,5 1,56 mäßig dicht - dicht mäßig dicht 41,0 LK [Vol.%] FK [Vol.%] gering 15,8 (5,4-26) mittel 24,2 sehr hoch 21,1 (11-30) (20-23) 33,0 sehr hoch 5,6 gering mittel 35,4 hoch sehr hoch 22,8 (22-24) 5,6 Tiefe [cm] Mächtigk [dm] 0-40 4 91,3 10,4 12,4 49,8 (86,8-97,6) (8,3-12,7) (11,7-13,4) (46,8-53,6) Wiese 6 40-80 4 Forst 10 114,2 frisch (103-121) 709* 80-110 3 84,3 7,4 13,7 54,6 (78,8-92,4) (5,4-11,5) (11,6-14,2) (46,4-56,8) 16,8 4,9 14,7 709* 110-150 4 22,4 4,8 19,2 Forst 15 138,3 mäßig (127-145) feucht gering 186,8 mittel 114,2 Abt. 704 Σ * 100 FK [mm] PWP [Vol.%] nFK [Vol.%] [mm] We Nutzung [dm] nFKWe [mm] 77,1 trocken (70-82) Die grau unterlegten Werte wurden aus BOWO 1997 übernommen niedrigere Tongehalt in 60 cm teilweise durch einen erhöhten Humusgehalt kompensiert wurde. Die Feldkapazität ist mit für 1 m Tiefe abgeschätzten 187 mm, wobei ab einer Tiefe von 80 cm die von BOWO 1997 ermittelte nutzbare Feldkapazität der C-Horizonte herangezogen wurde, als gering einzustufen. Die nutzbare Feldkapazität kann dagegen mit für 1 m Tiefe abgeschätzten 114 mm als mittel bewertet werden. Mit der Annahme der Ausdehnung des effektiven Wurzelraumes bei einer Nutzung als Wiese bis in eine Tiefe von 60 cm muß dieser Standort mit einer nutzbaren Feldkapazität des effektiven Wurzelraumes von 77 mm als trocken eingestuft werden. Für eine forstwirtschaftliche Nutzung mit einem effektiven Wurzelraum von 100-150 cm Tiefe ergab die Abschätzung eine nutzbare Feldkapazität im effektiven Wurzelraum von 114-138 mm, was diesen Standort als frisch bis mäßig feucht kennzeichnet. 38 6.1. Bodenphysik 6. Ergebnisse Niederschläge und Wassergehalte Kuppe 704 Wassergehalt [Vol.%] NS (mm) WG 20 cm WG 80 cm Niederschlag [mm] WG 100 cm 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 4.4 25.4 16.5 6.6 27.6 18.7 8.8 29.8 19.9 10.10 31.10 21.11 20 Tiefe [cm] 40 60 80 4.4 3.5 21.5 3.6 Wassergehalt [Vol.%] 17.6 1.7 15.7 7,5-10 5.8 19.8 10-12,5 4.9 17.9 12,5-15 2.10 14.10 28.10 11.11 25.11 15-17,5 17,5-20 100 20-22,5 Niederschläge und Wassergehalte Delle 704 Wassergehalt [Vol.%] NS (mm) WG 20 cm WG 60 cm WG 80 cm Niederschlag [mm] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 4.4 25.4 16.5 6.6 27.6 18.7 8.8 29.8 19.9 10.10 31.10 21.11 20 Tiefe [cm] 40 60 4.4 3.5 21.5 Wassergehalt [Vol.%] 3.6 17.6 1.7 7,5-10 15.7 10-12,5 5.8 19.8 12,5-15 4.9 15-17,5 17.9 2.10 14.10 28.10 11.11 25.11 17,5-20 20-22,5 22,5-25 80 25-27,5 Abbildung 6.1-3: Gegenüberstellung der Wassergehaltsdynamik von Kuppe und Delle in der Abt. 704 c5 (Fehlende Niederschlagsdaten aus dem Untersuchungsgebiet wurden als graue negative Balken dargestellt.) In Abbildung 6.1-3 ist die Dynamik der Bodenwassergehalte der Abt. 704 c5 von Kuppe und Delle dargestellt. Wie vermutet hat das Profil einen Einfluß auf die Bodenfeuchte. In den Dellen steht das von den Kuppen als Oberflächenabfluß ankommende Wasser zusätzlich zur Versickerung und Auffüllung des Porenraumes des Bodens zur Verfügung. So erhöhte sich die Bodenfeuchte nach Niederschlägen in 20 cm Tiefe unter Dellen stärker als unter Kuppen und erreichte auch in den Sommermonaten teilweise noch die Feldkapazität von 22 Vol.%. Unter den Kuppen sank dagegen die Bodenfeuchte nach ausbleibenden Niederschlägen aufgrund des geringeren Wasserspeichers stärker ab 39 6.1. Bodenphysik 6. Ergebnisse Tiefe [cm] (in 100 cm Tiefe bis < 10 Vol.%) und die Auffüllung des Porenraumes in 80 und 100 cm Tiefe bis auf Feldkapaziät erfolgte verzögert gegenüber der unter Dellen. Im Frühling begannen die TDRMessungen bei Feldkapazität in allen Horizonten. Diese lagen in 20 cm Tiefe bei 23 –24 Vol.%, in 60 cm unter den Dellen und 80 cm unter den Kuppen bei 18 -20 Vol.% und in 80 cm (Dellen) bzw. 100 cm (Kuppen) bei 14 Vol.%. Die Feldkapazitäten in 20 und 60 cm unterschieden sich kaum von den in diesen Tiefen aus den pF-Kurven ermittelten. Die Feldkapazitäten in 80 bzw. 100 cm Tiefe lagen höher als die in Tabelle 6.1-2 aus der nicht überlehmten Abt. 709 von BOWO 1997 übernommenen. Die stärkste Austrocknung war Mitte Wassergehalt [Vol.%] 704 0 5 10 15 20 25 September (17.09.02) nach einer längeren 0 20 Trockenphase erreicht. Die Kuppen trockneten 40 in 100 cm bis auf einen Wassergehalt von 9 60 Vol.% und in 80 und 20 cm auf 10 Vol.% aus. 80 Unter den Dellen verblieben in 20 cm Tiefen etwa 13 Vol.% und in 60 und 80 cm 11 und 12 Vol.%. Damit wurde der über die pF-Kurven ermittelte Permanente Welkepunkt von 10 Vol.% in 20 cm unter den Kuppen erreicht. Unter den Dellen lag der Wassergehalt noch etwas darüber. In 60 bzw. 80 cm Tiefe lag der Wassergehalt unter Kuppen und Dellen noch 3 – 4 Vol.% über dem PWP von 7 Vol.%. Etwas 100 120 140 Mergelhorizont WG (min) TDR FK (TDR) PWP WG (min) Lab. FK (Lab.) Abbildung 6.1-4: Vergleich Permanenter Welkepunkt PWP, niedrigster Wassergehalt WG(min) und Feldkapazität FK im Labor und im Gelände mit TDR der Abt. 704 c5 niedrigere Werte zeigte die Bestimmung der volumetrischen Wassergehalte am 16.09 02 durch Stechzylinderprobenahme. Hier lagen die Wassergehalte in 20 cm Tiefe mit 8,5 Vol.% unter dem PWP und in 60 cm mit 9,4 Vol.% darüber (Abbildung 6.1-4). Im November pegelten sich die Bodenwassergehalte in 20 cm Tiefe auf unter Kuppen und Dellen vergleichbare Werte von 21 - 22 Vol.% ein. 17-18 Vol.% in 60 cm Tiefe (80 cm unter Kuppen) und 15 Vol. % in 80 cm Tiefe (100 cm unter Kuppen) ein, die wiederum etwa den im Labor ermittelten Feldkapazitäten entsprachen. 6.1.2. Bodenphysikalische Ergebnisse der Abt. 708 b3 Der Überlehmungshorizont der Abteilung 708 b3 kann mit dem Körnungsdreiecks und den Ergebnissen der Texturanalyse (Abbildung 6.1-5 und Tabelle 6.1-3 )in 30 und 60 cm Tiefe der Bodenart Sand bis schwach schluffiger / schwach lehmiger Sand der Bodenunterart feinsandiger Mittelsand und in 80 cm Tiefe aufgrund des geringeren Schluff- und Tongehaltes der Bodenart Sand und der Bodenunterart mittelsandiger Feinsand zugeordnet werden. Tabelle 6.1-3: Ergebnisse der Texturanalyse der Abt. 708 b3 Abt. Tiefe Grobsand Mittelsand Feinsand Sand [cm] [Gew.%] [Gew.%] [Gew.%] [Gew.%] 708 0-50 6,6 38,0 42,1 6,1 37,7 42,7 3,9 4,3 2,2 2,2 fsmS 50-70 9,5 9,3 S-Su2/Sl2 708 86,6 86,5 S-Su2/Sl2 fsmS 708 70-90 4,4 36,2 54,5 95,0 3,1 1,9 1,6 S fsmS 709* 90-110 k.A. k.A k.A fsmS 6,5 0,5 0,26 S fsmS 709* 110-150 k.A k.A k.A fsmS 1,1 0,2 0,10 S fsmS * Die grau unterlegten Werte wurden aus BOWO 1997 übernommen Schluff Ton Humus Bodenart [Gew.%] [Gew.%] [Gew.%] Sandunterart 40 6.1. Bodenphysik 708 60 cm Tiefe 708 80 cm Tiefe 100 100 80 80 80 60 40 20 Probenanteil [%] 100 Probenanteil [%] Probenanteil [%] 708 30 cm Tiefe 6. Ergebnisse 60 40 20 0 60 40 20 0 < 2 < 6,3 < 20 < 63 0 < 200 < 630 < 2000 < 2 Korngrößendurchmesser [µm] < 6,3 < 20 < 63 < 200 < 630 < 2000 < 2 Korngrößendurchmesser [µm] < 6,3 < 20 < 63 < 200 < 630 < 2000 Korngrößendurchmesser [µm] Abbildung 6.1-5: Summenkurven der Korngrößenverteilung der Abt. 708 b 3 in 30, 60 und 80 cm Tiefe In Abbildung 6.1-6 sind die in der Abteilung 708 b3 ermittelten Porengrößenverteilungen in 20, 60 und 80 cm Tiefe dargestellt und in Tabelle 6.1-4 einige daraus resultierende bodenphysikalische Kenngrößen aufgelistet. Die als gering bis mäßig dicht einzustufende Lagerungsdichte schlägt sich vor allem in einer sehr hohen Luftkapazität nieder, während das Gesamtporenvolumen als mittel einzustufen ist. Auch hier ist zu vermuten, daß dies auf die Auflockerung beim Einfräsen des Geschiebemergels zurückzuführen ist. Allerdings wurde diese Abteilung bereits 2000 überlehmt und gefräst und hatte im Gegensatz zur Abteilung 704 c5 bereits die zweite Vegetationsperiode nach der Überlehmung. Die intensive Durchwurzelung durch Gras- und Staudengewächse sorgte dafür, daß der Boden locker blieb und nicht zu stark nachsackte. Ein weiterer Grund für die geringere Lagerungsdichte ist sicherlich in einem bis mindestens 60 cm Tiefe wesentlich ausgeglichenerem Tongehalt von ca. 4 Gew.% zu finden. In der oberen Bodenschicht der Abteilung 704 c5 mit einer erhöhten Lagerungsdichte waren dagegen 7,5 Gew.% Ton zu finden. Auffällig war eine Feldkapazität in 80 cm, die höher als die in den darüberliegenden Horizonten war. In dieser Tiefe war die größte Streuung der Meßwerte bei der Erstellung pF-Kurve zu finden. 708 30 cm Tiefe 708 60 cm Tiefe 4 Mittelwert 3 2 1 0 708 80 cm Tiefe 4 Streuungsbereich log Saugspannung [cm WS] Streuungsbereich log Saugspannung [cm WS] log Saugspannung [cm WS] 4 Mittelwert 3 2 1 0 0 10 20 30 40 Wassergehalt [Vol%] 50 60 Streuungsbereich Mittelwert 3 2 1 0 0 10 20 30 Wassergehalt [Vol%] 40 50 0 10 20 30 40 50 60 Wassergehalt [Vol%] Abbildung 6.1-6: Mittelwerte der pF-Kurven der Abt. 708 b3 in 30, 60 und 80 cm Tiefe Die Feldkapazität ist mit für 1 m Tiefe abgeschätzten 176 mm, wobei ab einer Tiefe von 90 cm die von BOWO 1997 ermittelte nutzbare Feldkapazität der C-Horizonte herangezogen wurde, als gering einzustufen. Die nutzbare Feldkapazität kann dagegen mit für 1 m Tiefe abgeschätzten ca.124 mm als mittel bewertet werden Über die Abschätzung des effektiven Wurzelraumes bei einer Nutzung als Wiese mit einer Tiefe von 60 cm muß dieser Standort mit einer nutzbaren Feldkapazität des effektiven Wurzelraumes von ca. 70 mm als trocken eingestuft werden. Für eine forstwirtschaftliche Nutzung mit einem effektiven Wurzelraum von 100-150 cm Tiefe ergab die Abschätzung eine nutzbare Feldkapazität im effektiven Wurzelraum von ca. 124–148 mm, was diesen Standort als frisch kennzeichnet. 41 6.1. Bodenphysik 6. Ergebnisse Tabelle 6.1-4: Kenngrößen des Boden-Wasserhaushaltes der Abt. 708 b3 Tiefe [cm] Mächtigk. [dm] 708 0-50 5 708 50-70 2 708 70-90 2 709* 90-110 2 1,62 mäßig dicht - dicht 38,5 gering 33,0 sehr hoch 5,6 709* 110-150 4 1,56 mäßig dicht 41,0 mittel 35,4 sehr hoch 5,6 Abt. Ld GPV [g/cm³] [Vol.%] 1,43 45,7 mittel gering - mäßig dicht (1,3–1,5) (43-50) 44,1 1,48 mittel gering - mäßig dicht (1,3–1,5) (42-48) 1,47 (1,3–1,5) gering - mäßig dicht 44,8 (41-50) Abt. Tiefe [cm] Mächtigk. [dm] 708 0-50 5 708 50-70 2 708 70-90 2 709* 90-110 3 16,8 4,9 14,7 709* 110-150 4 22,4 4,8 19,2 gering 170,0 mittel 123,2 Σ 100 mittel FK [mm] 85,6 PWP [Vol.%] 6,0 nFK [Vol.%] [mm] 11,1 55,6 (73,3-97,2) (4,8-7,2) (9,9-12,2) (49,3-61,1) 34,0 6,3 10,7 21,4 (31,8-38,1) (5,2-8,0) (10-11) (21,3-22,2) 44,7 4,2 18,2 36,3 (30,9-68,1) (1,6-6,6) (13,9-27,4) (27,7-54,9) (142-209) LK [Vol.%] 28,6 sehr hoch (24-36) 27,1 sehr hoch (23-32) 22,5 (7-34) We Nutzung [dm] Wiese 6 Forst 10 Forst 15 sehr hoch FK [Vol.%] 17,1 (15-19) 17 (16-19) 22,4 (16-34) nFKWe [mm] 66,4 trocken (60-72) 118,3 (103-143) 147,3 (132-172) frisch mäßig feucht * Die grau unterlegten Werte wurden aus BOWO 1997 übernommen In Abbildung 6.1-8 ist die Dynamik der mittleren Bodenwassergehalte in der Abt. 708 b3 dargestellt. Die Wassergehalte wurden hier nur unter den Kuppen gemessen und sind im Vergleich mit den Wassergehalten unter den Kuppen in der Abt. 704 c5 deutlich niedriger als diese. Von Ende Juni bis Mitte Oktober lagen die Wassergehalte in der Abt. 708 b3 in 80 und 100 cm Tiefe mit 2 Ausnahmen ständig unter 10 Vol.% während die in der Abt. 704 c5 in diesem Zeitraum in 80 cm Tiefe nur einmal und in 100 cm Tiefe nur etwa die Hälfte der Zeit unter 10 Vol.% lagen. Auch im Überlehmungshorizont (20cmTiefe) lagen die Wassergehalte in der Abt. 708 b3 etwa 10 Vol.% unter denen der Abt. 704 c5 (vergleiche Abbildung 6.1-3). Die Wassergehalte am Beginn der Messungen im Frühling und am Ende im Herbst stimmten nicht so gut wie in der Abt. 704 c5 mit den über pF-Kurven ermittelte Feldkapazitäten überein. Ende April lagen die Wassergehalte in 20 cm bei 21 Vol.%, in 60 cm bei 15 Vol.% und in 80 cm mit 19 Vol.% noch über dem Wassergehalt in 60 cm. Eine erhöhte Feldkapazität in 80 cm Tiefe wurde auch durch die pF- Kurven gefunden, allerdings mit 22 noch über der in 20 cm von nur 17 Vol.%. Mit zunehmender Austrocknung näherten sich die Wassergehalte in 60 und 80 cm einander und unterschieden sich ab Mitte Juli kaum noch voneinander. Bis Ende November lagen die Wassergehalte mit 18 Vol.% in 20 cm Tiefe und 15 Vol.% in 60 und 80 cm noch unter den im Frühling gemessenen Werten. Die Feldkapazität war vermutlich noch nicht erreicht. 42 6.1. Bodenphysik Im Sommer wurden dreimal Wassergehalte unter 10 Vol.% über die gesamte erfaßte Tiefe erreicht. Die höchste Austrocknung war am 17.09.02 zu verzeichnen mit Wassergehalten von 7,5 Vol.% in 20 cm, 7 Vol.% in 60 cm und 8 Vol.% in 80 cm Tiefe. Der an Stechzylinderproben bestimmte Wassergehalt vom 16.09.02 ergab mit ca. 7 Vol.% bis in 80 cm Tiefe und 5 Vol.% in 100 m Tiefe ein ähnliches Bild. Der über die pF-Kurve bestimmte Permanente Welkepunkt lag mit 6 Vol.% bis in 60 cm und nur noch 4 Vol.% in 80 Wassergehalt [Vol.%] 708 0 5 10 15 20 25 0 20 Tiefe [cm] 40 60 80 100 120 140 Mergelhorizont WG (min) TDR FK (TDR) PWP WG (min) Lab. FK (Lab.) 6. Ergebnisse Abbildung 6.1-7: Vergleich Permanenter Welkepunkt PWP, geringster Wassergehalt WG(min) und Feldkapazität FK an Stechzylindern (Labor) und im Gelände (TDR) der Abt. 708 b3 cm etwas darunter (Abbildung 6.1-7). Niederschläge und mittlere Wassergehalte 708 Wassergehalt [Vol.%] NS (mm) WG 20 cm WG 80 cm Niederschlag [mm] WG 100 cm 25 80 20 70 15 60 10 50 5 40 0 30 -5 20 -10 10 -15 0 -10 -20 4.4 25.4 16.5 6.6 27.6 18.7 8.8 29.8 19.9 10.10 31.10 21.11 20 40 Tiefe [cm] 60 80 4.4 3.5 21.5 Wassergehalt [Vol.%] 3.6 17.6 1.7 15.7 7,5-10 5.8 19.8 10-12,5 4.9 17.9 12,5-15 2.10 14.10 5.11 18.11 2.12 15-17,5 17,5-20 100 20-22,5 Abbildung 6.1-8: Wassergehaltsdynamik in der Abt.708 b3 (Fehlende Niederschlagsdaten aus dem Untersuchungs-gebiet wurden als graue negative Balken dargestellt.) 6.1.3. Zusammenfassung Die 60 – 80 cm mächtigen Überlehmungshorizonte sind gekennzeichnet durch schwach lehmige – schwach schluffige feinsandige Mittelsande. Das Gesamtporenvolumen ist als mittel und die Luftkapazität als sehr hoch einzuordnen. Die nutzbare Feldkapazität konnte an beiden Standorten mit 100 - 150 mm für 1 m Tiefe als mittel bewertet werden. Ein mit 7,5 Gew.% gegenüber ca. 4 Gew.% erhöhter Tongehalt in 20 cm Tiefe in der Abt. 704 führte zu einer erhöhten Lagerungsdichte, erhöhten Totwasseranteilen und einer geringeren nutzbaren Feldkapazität. 43 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse Die Auswertung der Wassergehaltsdynamik ergab eine schnellere Austrocknung der Abt. 708 b3. Hier war vom davorliegenden Jahr ein höheres Samenpotential vorhanden, so daß sich die Vegetation im Frühling wesentlich schneller etablierte. Die Wassergehalte der Abt. 704 c5 lagen meist etwa 5 Vol.% höher. Hier begann die erste Vegetationsperiode nach der Überlehmung. Im Frühling wurde eine Grasmischung ausgesät, die eine schnelle Begrünung unterstützte. Ein Vergleich der pF-Daten mit den Wassergehalten zeigte in der Abt. 704 c5 gute Übereinstimmungen. Allerdings wurden die Wasservorräte in den bereits als C-Horizonte angenommenen 80 cm durch Übernahme der Feldkapazität von 5,6 Vol.% aus BOWO 1997 wahrscheinlich unterschätzt. Die TDR-Messungen zeigten hier im Frühling und Herbst maximale Wassergehalte von ca. 14 - 15 Vol.% an. Die pF-Daten der Abt. 708 b3 wiesen in 20 cm und 80 cm Tiefe Differenzen zu den TDR-Messungen auf. Im Frühling und im Spätherbst wurden in 20 cm höhere und in 80 cm niedrigere maximale Wassergehalte als die Feldkapazität der pF-Kurven gemessen. Bestätigt wurde eine Zunahme der Feldkapazität in 80 gegenüber der in 60 cm Tiefe. Die stärkste Austrocknung im Sommer zeigte in der Abt. 704 c5 bis in eine Tiefe von 40 cm und in der Abt. 708 b3 bis in eine Tiefe von 60 cm Wassergehalte in der Nähe oder unter dem Permanenten Welkepunkt. Hierbei lagen die durch Aufgrabung und Stechzylinderprobenahme ermittelten Wassergehalte näher am PWP als die TDR-Messungen. 6.2. Bodenchemie 6.2.1. Ergebnisse der Rasterbeprobung (704 c5) pH-Wert, Humusgehalt und Wassergehalt In Abbildung 6.2-1 sind die Ergebnisse der in CaCl2 bestimmten pH-Werte und der gravimetrisch bestimmten Humusgehalte dargestellt. Die statistische Auswertung der H-Ionenaktivität ergab eine links steile Verteilung und ließ sich durch logarithmische Transformation annähernd normalisieren (Anhang A). Der Mittelwert der logarithmisch transformierten H-Ionenaktivitäten (also der pH-Werte an sich) betrug 7,12. Der pH-Wert liegt in der Abt. 704 c5 im Bereich von 6,42 und 7,73. Abbildung 6.2-1 zeigt, daß der größte Teil der Fläche im pH-Wert-Bereich von 6,75-7,25 liegt und nur punktuell von 5 Probenahmepunkten unterschritten (dunkle Flächen) und am rechten oberen und linken unteren Rand Humusgehalt [Gew.%] 704 pH-Werte 704 25 50 75 6,25-6,50 7,00-7,25 100 125 150 6,50-6,75 7,25-7,50 175 200 6,75-7,00 7,50-7,75 25 25 50 50 75 75 100 100 125 125 150 225 [m] 25 50 75 100 1-1,5 2,5-3 125 1,5-2 3-3,5 150 175 2-2,5 3,5-4 Abbildung 6.2-1: Flächenhafte Darstellung der pH-Werte und Humusgehalte der Abt. 704 c5 200 150 225 [m] 44 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse der Abbildung sowie an 3 Probenahmepunkten im mittleren Bereich überschritten wird (helle Flächen). Die Humusgehalte waren annähernd normal verteilt und hatten einen arithmetischen Mittelwert von 2,3 Gew.% (Anhang A). Der größte Teil der beprobten Fläche hat einen Humusgehalt von 2 – 3 Gew.%. Ähnlich dem pH-Wert sind punktuell höhere (dunklere Flächen in Abbildung 6.2-1 Mitte) bzw. niedrigere Werte (hellere Flächen) zu finden. Hierbei scheinen niedrigere pH-Werte mit höheren Humusgehalten zusammenzufallen. 4 der 5 Proben mit pH-Werten <6,75 haben einen Humusgehalt von > 3 Gew.% und die Proben mit einem Humusgehalt von < 2 Gew.% besitzen in 12 von 15 Fällen einen pH-Wert > 7,25, so daß in der graphischen Darstellung ähnlich dem pH-Wert rechts oben, links unten und im mittleren Bereich hellere Flächen für geringere Humusgehalte auftauchen. Die Wassergehalte der Proben zum Zeitpunkt der Probenahme lagen zwischen 3,7 und 14,2 Gew.% und hatten einen logarithmischen Mittelwert von 7,3 Gew.%. Die Verteilung der Wassergehalte in der Fläche lassen nicht die zwischen pH-Wert und Humusgehalt bestehenden Parallelen erkennen. Der größte Teil der Proben (> 50%) hatten einen Wassergehalt zwischen 6 und 9 Gew.% (Anhang A). Schwermetallkonzentrationen im Bodensättigungsextrakt (BSE) In Tabelle 6.2-1 sind die Ergebnisse der Bodensättigungsextraktion zusammengefaßt und in Abbildung 6.2-2 ihre Verteilung in der Fläche dargestellt. Alle 4 Schwermetallkonzentrationen wiesen links steile Verteilungen auf und wurden durch logarithmische Transformation gemittelt (Anhang A). Die Zinkkonzentrationen bewegten sich zu 63 % unter der Bestimmungsgrenze von ca. 20 µg/l, so daß auch der Median- und Mittelwert darunter liegen, und erreichen ein Maximum von 90 µg/l. In Abbildung 6.2-2 sind die unter der Bestimmungsgrenze liegenden Konzentrationen als weiße Fläche dargestellt. Punktuell sind in der Fläche 7 Meßwerte von > 50 µg/l gefunden worden. Diese fallen in 4 Fällen mit pH-Werten < 7 und in 2 Fällen mit Humusgehalten > 3 Gew.% zusammen. Zn im BSE [µg/l] 704 25 50 5-20 75 100 20-35 125 35-50 150 Cu im BSE [µg/l] 704 175 50-65 200 65-80 25 25 50 50 75 75 100 100 125 125 150 225 [m] 25 80-95 50 0-30 75 30-60 Cd im BSE [µg/l] 704 25 50 0,0-0,4 75 100 0,4-0,8 125 0,8-1,2 150 60-90 125 150 90-120 175 200 120-150 150 225 [m] 150-180 Pb im BSE [µg/l] 704 175 1,2-1,6 100 200 1,6-2,0 25 25 50 50 75 75 100 100 125 125 150 225 [m] 2,0-2,4 150 25 50 0-2 75 2-4 100 4-6 125 150 6-8 175 8-10 200 225 [m] 10-12 Abbildung 6.2-2: Flächenhafte Darstellung der Schwermetallkonzentrationen im Bodensättigungs-extrakt in der Abt. 704 45 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse Tabelle 6.2-1: Ergebnisse der Bodensättigungsextraktionen (BSE) der Abt.704 Konzentration im BSE [µg/l] Anzahl Mittelwert (log)* Minimum - Maximum Median Standardabweichung Zn 52 < 20 < 20 – 90,5 < 20 21,2 Cu 52 65,4 13,6 – 218,4 70,4 67,8 Cd 52 1,5 < 0,1 – 6,8 0,8 1,7 Pb 52 3,3 < 1 – 24,6 4,3 6,0 *Mittelwert aus logarithmiertem Datensatz Der größte Teil der beprobten Fläche weist Kupferkonzentrationen im Bodensättigungsextrakt zwischen 60 und 120 µg/l auf. Der Mittelwert beträgt 65,4 µg/l. Wesentlich stärker als bei den Zinkkonzentrationen ist ein Zusammenhang zwischen pH-Wert und Humusgehalt zur Kupferkonzentration im Bodensättigungs-extrakt zu beobachten. Alle pH-Werte < 6,75 und 6 der 7 Humusgehalte von > 3 Gew.% überschneiden sich mit Kupferkonzentrationen im Bodensättigungsextrakt von > 120 µg/l. Umgekehrt werden die Kupferkonzentrationen < 60 µg/l in Abbildung 6.2-2 auch als hellere Flächen am oberen rechten und unteren linken Rand sowie in der Mitte der Darstellung ähnlich der hellen Flächen der pH-Wert- und Humusgehalt-Verteilung in der Fläche sichtbar (Vergleiche Abbildung 6.2-1). Unter den Cadmiumkonzentrationen im BSE liegen 5 Werte unter der Bestimmungsgrenze von 0,1 µg/l. Das Verteilungsbild der Cadmiumkonzentrationen in der Fläche (Abbildung 6.2-2) ähnelt stark dem der Kupferkonzentrationen und weist auf eine ähnliche Beziehung zu pH-Wert und Humusgehalt hin. 5 Meßwerte der Bleikonzentrationen liegen unter der Bestimmungsgrenze von 1 µg/l. In der Fläche zeigen die Bleikonzentrationen ein von den anderen Schwermetallen abweichendes Verteilungsmuster. Mit den anderen Schwermetallen übereinstimmende erhöhte Konzentrationen im BSE sind nur an 3 Probenahmepunkten für Pb erkennbar. Die Regionen mit geringeren Konzentrationen links unten, rechts oben und im mittleren Bereich sind auch für Pb durch hellere Flächen in der Graphik (Abbildung 6.2-2) gegeben. Abweichend von der Konzentration der anderen Schwermetalle erstreckt sich jedoch in der rechten unteren Ecke der Graphik eine größere zusammenhängende Fläche mit geringen Konzentrationen (weiße Fläche) und am linken Rand eine mit erhöhten Konzentrationen, die keine Übereinstimmung mit den anderen Schwermetallen erkennen läßt. Abschließend ist festzustellen, daß die Konzentrationen aller 4 Schwermetalle starken Streuungen unterlagen und Varianzkoeffizienten von über 100%, für Cd sogar über 200% aufwiesen (Anhang A). Gesamtschwermetallgehalte In Tabelle 6.2-2 sind die Ergebnisse der durch HNO3 –Druckaufschluß ermittelten SchwermetallGesamtgehalte zusammengefaßt und in Abbildung 6.2-3 ihre Verteilung in der Fläche dargestellt. Tabelle 6.2-2: Ergebnisse der Schwermetall-Gesamtgehalte der Abt.704 Gesamtgehalt [mg/kg] Anzahl Mittelwert (log)* Zn 52 93,4 Cu 52 26,4 Cd 52 3,3 Pb 52 37,0 Minimum - Maximum 31,3 – 420,1 8,9 – 61,3 0,77 – 8,6 9,5 – 118,3 Median 93,7 27,7 3,9 42,9 Standardabweichung 68,6 17,9 2,7 31,2 *Mittelwert aus logarithmiertem Datensatz 46 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse Die Meßwerte aller 4 Schwermetalle weisen links steile Verteilungen auf, die durch logarithmische Transformation einer Normalverteilung gut angenähert werden konnten (Anhang A). Die Verteilung in der Fläche zeigt übereinstimmend für alle Metalle einen Bereich mit geringeren Schwermetallgehalten in der Mitte der Beprobungsfläche und sich darum lagernde unterschiedlich stark ausgeprägte Flächen mit höheren Konzentrationen (Abbildung 6.2-3). Zum linken und rechten Rand hin nehmen die Konzentrationen wiederum ab. Ausnahmen hiervon bilden stark erhöhte ZnGehalte am linken Rand unten sowie am oberen Rand rechts und erhöhte Pb-Gehalte am linken Rand oben, die keine Wiederspiegelung bei den Gehalten der anderen Schwermetalle in diesen Bereichen finden. Zn-Gesamtgehalt [mg/kg] 25 50 30-60 75 100 60-90 125 90-120 150 120-150 175 150-180 Cu-Gesamtgehalt [mg/kg] 25 25 50 50 75 75 100 100 125 125 150 225 [m] 200 25 180-210 50 0-10 Cd-Gesamtgehalt [mg/kg] 25 50 0-2 75 100 2-3 125 3-5 150 5-6 175 100 10-20 125 20-30 150 30-40 175 200 40-50 150 225 [m] 50-60 Pb-Gesamtgehalt [mg/kg] 200 6-8 75 25 25 50 50 75 75 100 100 125 125 150 225 [m] 8-9 25 50 10-25 75 25-40 100 125 40-55 150 55-70 175 200 70-85 150 225 [m] 85-100 Abbildung 6.2-3: Flächenhafte Darstellung der Schwermetall-Gesamtgehalte in der Abt. 704 c5 Konzentrationen der Bindungsfraktionen der Schwermetalle Zur Bestimmung der Bindungsformen der untersuchten Schwermetalle wurde das in Kap. Theorie beschriebenes Extraktionsverfahren nach BRÜMMER & WELP 2001 durchgeführt. In Tabelle 6.2-3 sind die Ergebnisse der durch die Extraktionsverfahren ermittelten Schwermetallfraktionen zusammengefaßt. Auch die leicht, mäßig und schwer mobilisierbaren Schwermetallgehalte können als logarithmisch verteilt angesehen werden und wurden entsprechend gemittelt (Anhang A). Die unterschiedlich gut mobilisierbaren Schwermetallgehalte-Gehalte verteilen sich erwartungsgemäß ähnlich den Gesamtgehalten in der Fläche. Je höher die Schwermetallgesamtgehalte, desto höher sind auch die mobilisierbaren Gehalte. Im Vergleich der Schwermetall-Fraktionen untereinander sowie zu den Gesamtgehalten zeigt sich ein näherungsweise übereinstimmendes Verteilungsmuster über die Probenahmefläche. Um einen Bereich geringerer Gehalte in der Mitte der Fläche herum gruppieren 47 6.2. Bodenchemie Leicht mobilisierb. Zn [µg/kg] 25 50 0-75 75 100 75-150 125 150-225 150 225-300 175 300-375 50 100-200 75 100 200-300 125 300-400 150 400-500 175 50 50 75 75 100 100 100 125 125 125 150 225[m] 150 225[m] 25 50 0-20 50 0-25 75 25-50 100 125 50-75 150 75-100 175 200 100-125 20-40 50 0-9 75 9-18 100 125 18-27 150 27-36 175 200 36-45 100 125 40-60 150 60-80 175 200 80-100 25 100-120 50 0-20 75 100 20-40 125 40-60 150 175 60-80 200 80-100 100-120 Schwer mobilisierb. Cu [mg/kg] 25 150 225[m] 25 50 50 50 75 75 75 100 100 100 125 125 125 150 225[m] 25 600-700 50 0-7 75 7-14 100 125 14-21 150 21-28 175 200 28-35 Mäßig mobilisierb. Cd [mg/kg] 150 225[m] 25 50 35-42 0-5 75 100 5-9 125 9-14 150 175 14-18 200 18-23 Schwer mobilisierb. Cd [mg/kg] 150 225 [m] 23-27 25 25 25 50 50 50 75 75 75 100 100 100 125 125 125 150 225 [m] 25 125-150 50 75 0-1 Leicht mobilisierb. Pb [µg/kg] 25 75 Mäßig mobilisierb. Cu [mg/kg] Leicht mobilisierb. Cd [µg/kg] 25 25 75 25 200 500-600 Schwer mobilisierb. Zn [mg/kg] 25 50 375-450 Leicht mobilisierb. Cu [µg/kg] 25 Mäßig mobilisierb. Zn [mg/kg] 25 200 6. Ergebnisse 100 1-2 125 2-3 150 175 3-4 200 4-5 Mäßig mobilisierb. Pb [mg/kg] 150 225 [m] 25 50 5-6 75 0-1 100 1-2 125 2-3 150 175 3-4 200 4-5 Schwer mobilisierb. Pb [mg/kg] 150 225 [m] 5-5 25 25 50 50 50 75 75 75 100 100 100 125 125 125 150 225 [m] 45-54 25 50 0-7 75 7-14 Abbildung 6.2-4: Flächenhafte Darstellung Schwermetallkonzentrationen in der Abt. 704 c5 100 125 14-21 der 150 21-28 175 200 28-35 leicht, 150 225 [m] 35-42 25 50 0-7 mäßig 75 100 7-14 und 125 14-21 150 175 21-28 schwer 200 28-35 25 150 225 [m] 35-42 mobilisierbaren sich Bereiche höherer Konzentrationen. Zum rechten und linken Rand der Graphik hin nehmen die Gehalte wiederum ab (Vergleiche Abbildung 6.2-3 und Abbildung 6.2-4). Deutliche Abweichungen von diesem Muster waren in einigen Fraktionen von Pb und Zn zu erkennen (Abbildung 6.2-4.) In der leicht und schwer mobilisierbaren Zn-Fraktion sowie bei den ZnGesamtgehalten waren am linken Rand unten und am oberen Rand rechts stark erhöhte Gehalte zu finden. Unter den leicht mobilisierbaren Pb-Gehalten lagen 3 Meßwerte unter der Bestimmungsgrenze von 1 µg/l Pb-Lösungskonzentration oder umgerechnet 2,5 µg/kg leicht mobilisierbarer Pb-Gehalt im Boden. Parallelen der Verteilung leicht mobilisierbarer Pb-Gehalte in der Fläche ließen sich nur in der Mitte des unteren Drittels der graphischen Darstellung mit der Pb-Konzentration im BSE erkennen. Die anderen Bereiche lieferten eher gegenläufige Pb-Konzentrationsänderungen in der Fläche im Vergleich zum Pb-Gesamtgehalt oder der Pb-Konzentration im BSE. Die mäßig mobilisierbaren sowie die Pb-Gesamtgehalte wiesen abweichend von den anderen Schwermetallen stark erhöhte Gehalte am linken Rand oben auf. 48 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse Tabelle 6.2-3: Ergebnisse der Schwermetall-Extraktionen der Abt.704 (Anzahl n = 52) leicht mobil. Fraktion [µg/kg] Mittelwert (log)* Minimum - Maximum Median Standardabweichung Zn 158,7 47,5 – 530 158,8 130,8 Cu 291,2 85 – 823,8 316,9 220,5 Cd 39,6 3,22 – 177,4 45,3 66,0 Pb 12,4 <2,5 – 73,2 11,9 19,7 mäßig mobil. Fraktion [mg/kg] Mittelwert (log)* Minimum - Maximum Median Standardabweichung Zn 30,9 4,9 – 141,8 33,6 34,8 Cu 12,4 2,4 – 43,9 14,2 12,1 Cd 1,3 0,1 – 5,9 1,4 1,8 Pb 15,0 4,1 – 43,0 16,3 11,7 schwer mob. Fraktion [mg/kg] Mittelwert (log)* Minimum - Maximum Median Standardabweichung Zn 58,0 20,0-379,8 58,2 41,0 Cu 12,8 3,0 – 35,6 12,1 8,0 Cd 1,8 0,3 – 5,8 1,8 1,4 Pb 21,4 4,7 – 107,5 25,2 21,6 *Mittelwert aus logarithmiertem Datensatz Anteile der Schwermetallfraktionen am Gesamtgehalt Für eine Bewertung der Veränderung von Schwermetallbindungsverhalten sind nach der Betrachtung der absoluten Gehalte auch die Anteile der einzelnen unterschiedlich mobilen Fraktionen am Gesamtgehalt von entscheidender Bedeutung. In Tabelle 6.2-4 sind die mittleren prozentualen Anteile der einzelnen Schwermetallfraktionen am Gesamtgehalt aufgelistet und in Abbildung 6.2-5 graphisch dargestellt. Wie bei einem mittleren pH-Wert von 7,12 zu erwarten, war der Anteil der leicht mobilisierbaren untersuchten Schwermetallgehalte sehr gering. Am besten waren Cd und Cu mit ca. 1% des Gesamtgehaltes mobilisierbar. Zn war dagegen mit nur 0,2% seines Gesamtgehaltes leicht mobilisierbar. Die leicht mobilisierbare Fraktion des Pb hat erwartungsgemäß den geringsten Anteil am Gesamtgehalt. Alle 4 Schwermetalle weisen einen hohen Anteil der schwer mobilisierbaren in pedogenen Oxiden und silikatisch gebundenen Residualfraktion auf. Er reicht von 50% des Cu- über Cd und Pb bis zu >60% des Zn-Gesamtgehaltes. Dementsprechend hat Cu gegenüber den anderen Schwermetallen den höchsten (49%) und Zn den niedrigsten Anteil (36%) der mäßig mobilisierbaren (spezifisch adsorbierten oder organisch gebundenen) Fraktion. Schwermetallbindungsfraktionen 704 Pb Cd Cu Zn 0% 20% leicht mobilisierbar 40% mäßig mobilisierbar 60% schwer mobilisierbar 80% 100% Anteil am Gesamtgehalt Abbildung 6.2-5: Mittlere Anteile der unterschiedlich gut mobilisierbaren Schwermetallfraktionen am Gesamtgehalt der Abt.704 c5 49 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse Tabelle 6.2-4: Prozentuale Anteile der Schwermetallfraktionen am Gesamtgehalt der Abt. 704 Gesamtgehalt [mg/kg] 1. leicht mobilisierbar [%] MW (a)* Min - Max 2. mäßig mobilisierbar [%] MW (a)* Min - Max 3. schwer mobilisierbar [%] MW (a)* Min - Max Zn 93,36 0,2 0,1 - 0,4 35,8 9,5 - 79,6 64,0 20,1 - 90,4 Cu 26,40 1,1 0,6 - 1,8 48,6 20,6 – 77,0 50,3 21,9 – 79,0 Cd 3,34 1,4 0,1 - 6,1 42,9 6,1 - 81,4 55,8 16,6 – 94,0 Pb 37,01 0,1 0,004 - 0,8 42,2 9,1 – 61,8 57,7 38,2 - 90,9 * arithmetischer Mittelwert Ergebnisse von Korrelationsanalysen Die höchsten Pearsonschen Korrelationskoeffizienten gegenüber den pH-Werten und dem Humusgehalt konnten für Cu in der löslichen, der leicht und der mäßig mobilisierbaren und für Cd in der leicht und mäßig mobilisierbaren Fraktion ermittelt werden (Tabelle 6.2-5). Da Cu eine verstärkte Affinität zur organischen Substanz hat und die Korrelation zum Humusgehalt höher als zum pH ist, wird vermutet, daß das Cu der leicht und mäßig mobilisierbaren Fraktion zu einem großen Teil aus organischen Bindungen stammt. Dafür spricht auch, daß diese Fraktionen eine höhere Korrelation zum Humusgehalt als die Cu-Gesamtgehalte haben. Die leicht und mäßig mobilisierbaren Cd-Fraktionen wiesen eine höhere Korrelation gegenüber dem pH-Wert als gegenüber dem Humusgehalt aus. Weitere Pearsonsche Korrelationskoeffizienten und eine Darstellung der Einzelergebnisse der prozentualen Anteile der Bindungsfraktionen sortiert nach Humusgehalten sind im Anhang A zu finden. Tabelle 6.2-5: Korrelationskoeffizienten der Schwermetallfraktionen zu pH und Humusgehalt Pb -0,16 -0,21 -0,38 -0,53 -0,48 log (Konzentration d. SM-Fraktion) - log (Corg) SM-Fraktion Zn Cu Cd Pb löslich (BSE) 0,48 0,81 0,52 0,02 leicht mobilisierbar 0,60 0,86 0,67 0,10 mäßig mobilisierbar 0,71 0,84 0,79 0,57 schwer mobilisierbar 0,27 0,60 0,23 0,57 gesamt 0,53 0,81 0,61 0,58 Proz. Anteil d. SM-Fraktion am Gesamtgehalt- pH SM-Fraktion Zn Cu Cd Pb leicht mobilisierbar -0,24 -0,18 -0,59 0,21 mäßig mobilisierbar -0,65 -0,62 -0,59 0,32 schwer mobilisierbar 0,65 0,62 0,59 -0,32 Proz. Anteil d. SM-Fraktion am Gesamtgehalt - Corg SM-Fraktion Zn Cu Cd Pb leicht mobilisierbar 0,16 0,25 0,45 -0,26 mäßig mobilisierbar 0,58 0,52 0,67 -0,17 schwer mobilisierbar -0,58 -0,52 -0,67 0,17 log (Konzentration d. SM-Fraktion) - pH SM-Fraktion Zn Cu Cd löslich (BSE) -0,51 -0,78 -0,53 leicht mobilisierbar -0,53 -0,77 -0,80 mäßig mobilisierbar -0,67 -0,84 -0,81 schwer mobilisierbar -0,13 -0,43 -0,26 gesamt -0,41 -0,72 -0,63 6.2.2. Ergebnisse der Transektbeprobung (705 b1) pH-Wert, Humusgehalt und Wassergehalt In Abbildung 6.2-6 sind der pH (CaCl2), der Humusgehalt sowie der Wassergehalt zum Zeitpunkt der Probenahme entlang des Transektes der Abteilung 705 b1 dargestellt. Ohne Berücksichtigung der Daten der Probe am Transektpunkt 10 m, die aus einem nicht überlehmten Dammbereich stammt, 50 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse können pH-Werte, Humusgehalte und Wassergehalte als annähernd logarithmisch verteilt betrachtet werden (Anhang B). Die in Tabelle 6.2-6 aufgeführte Auswertung der Ergebnisse wurde durch logarithmische Transformation und ohne Berücksichtigung der Daten der Probe in 10 m berechnet. Diese wurden zum Vergleich als Einzelwerte ans Ende der Tabelle gesetzt. Während der Wassergehalt besonders im hinteren Bereich des Transektes stark streut, liegen alle pH-Werte im überlehmten Bereich zwischen 6,9 und 7,4 und die Tabelle 6.2-6: pH-Werte (CaCl2), Humus- und Humusgehalte mit einer Ausnahme Wassergehalte im Transekt der Abt. 705 b1 zwischen 1,5 und 3 Gew.%. Am Transekt 705 pH Humus WG Transektpunkt 10 m ist ein stark Einheit [Gew.%] [Gew.%] erniedrigter pH-Wert sowie eine stark Anzahl 21 21 21 * erhöhte Humuskonzentration gegenüber Mittelwert (log) 7,05 2,2 4,3 der überlehmten Umgebung zu Minimum - Maximum 6,9 - 7,4 1,5-4,2 3,0-7,9 Standardabweichung Median 0,2 7,08 0,6 2,2 1,5 3,8 Einzelwert Transektpunkt 10m (nicht überlehmt) 4,43 6,6 6,8 beobachten. Die erhöhte Humuskonzentration am Transektpunkt 170 m ist ein Indiz dafür, daß hier ein ehemaliges Einleiterbecken gekreuzt wurde. *Mittelwert aus logarithmiertem Datensatz pH 705 8 7 6 5 4 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 [m] 120 140 160 180 [m] 120 140 160 180 [m] Humusgehalt 705 [Gew. %] 8 6 4 2 0 0 20 40 60 80 100 Wassergehalt 705 [Gew. %] 8 6 4 2 0 20 40 60 80 100 Abbildung 6.2-6: pH-Werte (CaCl2), Humus- und Wassergehalte im Transekt der Abt. 705 b1 Lösliche Schwermetallkonzentrationen Die durch Bodensättigungsextraktion gewonnenen Daten zur löslichen Schwermetallkonzentration entlang des Transektes konnten mit Ausnahme von Zn durch logarithmische Transformation einer Normalverteilung angenähert werden (Anhang B). Die Zn-Konzentrationen wurden arithmetisch gemittelt, da die logarithmisch Verteilung stärker links steil war als die untransformierte. Um einen Eindruck der Qualität des überlehmten Bodens zu erhalten, wurden die Ergebnisse der nicht überlehmten Probe bei 10 m nicht in die statistische Auswertung einbezogen und als Vergleich in Tabelle 6.2-7 getrennt aufgeführt. Unter den Messungen der löslichen Zn-Konzentrationen lag ein Wert unter der Bestimmungsgrenze von 20 µg/l. Die löslichen Zn-Konzentrationen wiesen die geringste Streuung entlang des Transektes auf, so daß der stark erhöhte Wert der nicht überlehmten Probe in Abbildung 6.2-7 als ein etwa eine 51 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse Zehnerpotenz erhöhter Peak sichtbar wurde. Anders als die löslichen Konzentrationen der anderen Schwermetalle, nimmt die des Zn im hinteren Bereich (> 135 m) ab. Tabelle 6.2-7: Ergebnisse der Bodensättigungsextraktionen (BSE) der Abt. 705 b1 Konzentration im BSE [µg/l] Anzahl Mittelwert Minimum - Maximum Median Standardabweichung Zn 21 56,2 (a)* < 20 – 80,5 65,5 20,3 Cu 21 35,0 (log)* 9,8 - 127,43 35,3 26,5 Cd 21 0,6 (log)* 0,13 – 4,6 0,5 0,8 Pb 21 6,5 (log)* < 1 – 37,3 7,3 16,7 Einzelwert Transektpunkt 10m (nicht überlehmt) 1140 156 38,0 23,0 * (log) Mittelwert aus logarithmiertem Datensatz (a) arithmetischer Mittelwert Die Streuung der Cd-Konzentrationen reichte über etwa eine Zehnerpotenz. Ebenfalls als ein um etwa 1,5 Zehnerpotenzen gegenüber den anderen Konzentrationen erhöhter Peak wurde die lösliche CdKonzentration der nicht überlehmten Probe sichtbar. Ein zweites Konzentrationsmaximum, das sich mit ähnlichen Maxima der Cu- und Pb-Konzentrationen in dieser Entfernung deckt, wurde in 170 m Entfernung gemessen, wo auch aufgrund erhöhter Humusgehalte ein ehemaliger Einlaßbereich vermutet wird. Ein dritter Cd-Konzentrationspeak in 130 m Entfernung deckt sich weder mit einer erhöhten löslichen Konzentration der anderen Schwermetalle noch mit einem wesentlich erhöhten Humusgehalt. Der höchste Wert von 4,55 µg/l trat im ehemaligen Einlaßbereich in 170 m Entfernung auf. Der Mittelwert lag im überlehmten Bereich bei 0,6 µg/l. Die löslichen Cu-Konzentrationen wiesen entlang des Transektes Streuungen um etwa eine Zehnerpotenz auf. Die Cu-Meßwerte von 127 µg/l bei 170 m (ehemaliger Einlaßbereich) und 156 µg/l in 10 m Entfernung (nicht überlehmte Probe) lagen eindeutig über denen des restlichen Transektes mit einem Mittelwert von 35 µg/l. Unter den Messungen der löslichen Pb-Konzentrationen lag ein Wert unter der Bestimmungsgrenze von ca. 1 µg/l. Die Pb-Konzentrationen wiesen die stärkste Streuung auf, so daß die ebenfalls erkennbare Konzentrationserhöhung bei 10 m und 170 m von ähnlich hohen Konzentrationen bei 30 m und zwischen 60 und 80 m überschattet wurde. Zn im BSE 10000 Konz. [µg/l] 100 1 Konz. [µg/l] 0 20 60 80 100 120 140 160 180 [m] 100 120 140 160 180 [m] 100 120 140 160 180 [m] 140 160 180 [m] Cu im BSE 1000 100 10 1 0 Konz. [µg/l] 40 20 40 60 80 Cd im BSE 100,0 10,0 1,0 0,1 0 20 40 60 80 Pb im BSE Konz. [µg/l] 100,0 10,0 1,0 0,1 0 20 40 60 80 100 120 Abbildung 6.2-7: Konzentrationen im Bodensättigungsextrakt entlang des Transektes der Abt. 705 b1 52 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse Schwermetall-Gesamtgehalte Die Stichprobenverteilung der Schwermetall-Gesamtgehalte waren für die einzelnen Schwermetalle unterschiedlich (Anhang B). Die Pb-Gehalte und Zn-Gehalte waren annähernd normalverteilt. Für die links steilen Verteilungen der Cd- und Cu-Gehalte konnten logarithmische Verteilungen angenommen werden. Entsprechend wurden die Zn- und Pb-Gehalte arithmetisch und die Cd- und Cu-Gehalte logarithmisch gemittelt (Tabelle 6.2-8). In der graphischen Darstellung der SchwermetallGesamtgehalte (Abbildung 6.2-8) wird eine hohe Parallelität der Gehaltsänderung entlang des Transektes zwischen den einzelnen Schwermetallen deutlich. Die Gehalte aller 4 Schwermetalle sind bei 10 m (nicht überlehmter Bereich) und 170 m (ehemaliger Einlaßbereich) gegenüber den anderen Meßwerten erhöht. Bei 90 m und 125 m sind ebenfalls für alle 4 untersuchten Schwermetallgehalte je ein Minimum zu finden. Diese Minima überschneiden sich mit einem geringeren Humusgehalt sowie einem leicht erhöhten pH-Wert (Abbildung 6.2-6) so daß die Vermutung eines geringeren Humusvorrates schon vor der Überlehmung oder eines erhöhten Mergelanteils bei der Einfräsung in diesen Bereichen naheliegt. Die Maxima der Zn-, Cu- und Cd-Gesamtgehalte wurden nicht wie beim Pb am nicht überlehmten Transektpunkt bei 10 m sondern am ehemaligen Einlaßbereich bei 170 m gefunden. Zn Gesamtgehalt Konz. [mg/kg] 1000 100 10 0 20 40 60 [m] 120 140 160 180 120 140 160 180 [m] Konz. [mg/kg] 100 10 1 0 20 40 60 80 100 Cd Gesamtgehalt 100,0 Konz. [mg/kg] 100 Cu Gesamtgehalt 1000 10,0 1,0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 120 140 160 180 [m] Pb Gesamtgehalt 1000 Konz. [mg/kg] 80 100 10 1 0 20 40 60 80 100 180 [m] Abbildung 6.2-8: Schwermetall-Gesamtgehalte entlang des Transektes Abt.705 b1 Tabelle 6.2-8: Ergebnisse der Schwermetall-Gesamtgehalte der Abt.705 b1 Gesamtgehalt [mg/kg]] Anzahl Mittelwert Minimum - Maximum Median Standardabweichung Einzelwert Transektpunkt 10 m * (log) Mittelwert aus logarithmiertem Datensatz Zn 21 124,0 (a)* 23,0 - 265,1 120,4 49,1 Cu 21 26,3 (log)* 8,68 – 119,0 24,6 17,9 Cd 21 2,7 (log)* 1,1 - 17,5 2,7 2,1 Pb 21 39,7 (a)* 9,2 - 66,4 44,2 14,1 240,2 104,3 12,7 127,6 (a) arithmetischer Mittelwert 53 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse Konzentrationen der Bindungsfraktionen der Schwermetalle Die Verteilungen der Konzentrationen der Schwermetall-Bindungsfraktionen waren unterschiedlich einige annähernd normal- andere eher logarithmisch - verteilt (siehe Anhang B), so daß sie (ohne Berücksichtigung des nicht überlehmten Bereiches in 10 m Entfernung) entsprechend unterschiedlich gemittelt wurden. In Tabelle 6.2-9 sind deshalb jeweils die Arten der Mittelwertbildung angegeben. In Abbildung 6.2-9 sind die Konzentrationsverläufe der leicht, mäßig und schwer mobilisierbaren Schwermetallgehalte entlang des Transektes dargestellt. Für alle 4 Schwermetalle sind wie schon bei den Gesamtgehalten unterschiedlich stark ausgeprägte Maxima in 10 und 170 m und Minima in 90 und 125 m gefunden worden. Besonders stark erhöht war die leicht mobilisierbare Konzentration in 10 m am nicht überlehmten Transektpunkt. Die mäßig und schwer mobilisierbaren Konzentrationen bewegten sich etwa in gleicher Größenordnung. Die Konzentrationen des leicht mobilisierbaren Zn lagen ca. 2,5 Zehnerpotenzen unter den mäßig und schwer mobilisierbaren Fraktionen. Sie zeigten in 10 m am nicht überlehmten Transektpunkt gegenüber den anderen Metallen die stärkste Konzentrationserhöhung. Die Cu-Konzentrationen wiesen die geringsten Streuungen auf. Sie verliefen im logarithmischen Maßstab ausgesprochen parallel zueinander. Zn 1.000.000 leicht mobilisierbar mäßig mobilisierbar schwer mobilisierbar Konz. [µg/kg] 100.000 10.000 1.000 100 10 0 20 40 Cu 100.000 60 80 leicht mobilisierbar 100 120 mäßig mobilisierbar 140 160 180 [m] schwer mobilisierbar Konz. [µg/kg] 10.000 1.000 100 10 0 20 40 Cd 10000 60 80 leicht mobilisierbar 100 120 mäßig mobilisierbar 140 160 180 [m] schwer mobilisierbar Konz. [µg/kg] 1000 100 10 1 0,1 0 20 40 Pb 100000 60 80 leicht mobilisierbar 100 120 mäßig mobilisierbar 140 160 180 [m] schwer mobilisierbar Konz. [µg/kg] 10000 1000 100 10 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 [m] Abbildung 6.2-9: Konzentrationen der leicht, mäßig und schwer mobilisierbaren Schwermetall-Fraktionen entlang des Transektes 705 b1 54 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse Tabelle 6.2-9: Ergebnisse der leicht mobilisierbaren Schwermetallgehalte des Transektes 705 b1 (n = 21) leicht mobil. Fraktion [µg/kg] Mittelwert Minimum - Maximum Median Standardabweichung Einzelwert Transektpunkt 10 m Zn 0,23 (log)* 0,04 - 0,98 0,26 0,25 67,50 Cu 0,32 (log)* 0,07 - 1,4 0,35 0,28 1,41 Cd 0,03 (log)* 0,001 - 0,23 0,05 0,09 2,06 Pb 0,02 (log)* 0,004 - 0,09 0,02 0,03 0,34 mäßig mobil. Fraktion [mg/kg] Mittelwert Minimum - Maximum Median Standardabweichung Zn 50,8 (a)* 4,2 - 95,5 51,7 22,3 Cu 11,6 (a)* 2,7 - 20,8 11,7 5,2 Cd 1,4 (log)* 0,3 - 10,1 1,4 1,3 Pb 16,1 (a)* 4,7 - 23,3 17,6 5,7 Einzelwert Transektpunkt 10 m Residualfraktion [mg/kg] Mittelwert Minimum - Maximum Median Standardabweichung 45,0 Zn 66,3 (log)* 18,7 - 168,6 67,4 39,2 48,9 Cu 14,2 (log)* 5,9 - 78,5 13,9 9,4 4,6 Cd 1,2 (log)* 0,3 - 7,3 1,2 1,0 24,8 Pb 23,5 (a)* 4,6 - 48,3 24,0 9,4 Einzelwert Transektpunkt 10 m 127,7 53,9 6,1 102,5 * (log) Mittelwert aus logarithmiertem Datensatz (a) arithmetischer Mittelwert Während das Maximum der leicht mobilisierbaren Konzentrationen in 10 m (nicht überlehmter Transektpunkt) der anderen Schwermetalle deutlich über dem in 170 m (ehemaliger Einlaßbereich) lag, waren diese für Cu etwa gleich hoch. Die leicht mobilisierbaren Cu-Konzentrationen lagen ca. 1,5 Zehnerpotenzen unter den mäßig und schwer mobilisierbaren. Die leicht mobilisierbaren Cd-Konzentrationen lagen mit ca. 1 Zehnerpotenz Differenz am dichtesten an den mäßig und schwer mobilisierbaren Konzentrationen. Im mittleren Teil des Transektes, besonders an den stark ausgeprägten Minima bei 90 und 125 m erhöhte sich diese Differenz allerdings auf 1,5 bis 2 Zehnerpotenzen. Die leicht mobilisierbare Pb-Konzentrationen lagen mit größtenteils 3 Zehnerpotenzen Differenz am weitesten unter den zugehörigen mäßig und schwer mobilisierbaren Konzentrationen. Die mäßig mobilisierbaren Pb-Konzentrationen schwankten im ersten Teil des Transektes kaum und wiesen keine Konzentrationserhöhung in 10 m auf. Anteile der Schwermetallfraktionen am Gesamtgehalt Die prozentualen Anteile der Schwermetallfraktionen am Gesamtgehalt wurden (ohne Berücksichtigung des nicht überlehmten Bereiches in 10 m Entfernung) arithmetisch gemittelt. Die Ergebnisse des Transektpunktes 10 m wurden zum Vergleich als Einzelwert am Ende der Tabelle 6.2-10 aufgeführt. Bei einem mittleren pH-Wert von 7,05 und einem mittleren Humusgehalt von 2,24 Gew.% waren erwartungsgemäß nur sehr kleine Anteile der leicht mobilisierbaren Fraktion zu finden (Abbildung 6.2-10 oben). Dabei waren Cd und Cu mit 1,23 bzw. 1,5 % besser leicht mobilisierbar als die kaum leicht mobilisierbaren Metalle Zn mit 0,2% und Pb mit 0,05%. Für die mäßig mobilisierbaren Fraktionen war die gleiche Reihenfolge zunehmender Anteile am Gesamtgehalt von Pb und Zn mit etwa gleichen Anteilen (40 %) über Cu mit 44 % zum Cd mit 54 % erkennbar. Dementsprechend Tabelle 6.2-10: Mittlere Anteile der Schwermetallfraktionen am Gesamtgehalt im Transekt der Abt.705 b1 55 6.2. Bodenchemie Transektpunkt 10 m Anteile am Gesamtgehalt [%] 1. leicht mobilisierbar MW (a)* Min - Max 2. mäßig mobilisierbar MW (a)* Min - Max 3. schwer mobilisierbar MW (a)* Min - Max 1. leicht mobilisierbar 2. mäßig mobilisierbar 3. schwer mobilisierbar 6. Ergebnisse Zn 0,2 0,1 - 0,4 40 17 - 57 60 43 - 82 Cu 1,3 0,8 - 1,8 44 30 -55 54 44 - 69 Cd 1,5 0,1 - 2,8 54 28 - 76 45 22 - 71 Pb 0,07 0,02 - 0,32 41 27 -52 59 48 - 73 28 19 53 1,4 47 52 16 36 48 0,3 19 80 * arithmetischer Mittelwert hatten Pb und Zn den höchsten (ca. 60%) und Cd den geringsten (ca. 45 %) schwer mobilisierbaren Anteil am Gesamtgehalt. Am nicht überlehmten Transektpunkt mit einem pH-Wert von 4,43 und einem Humusgehalt von 6,64 Gew.% waren die Anteile der schwer mobilisierbaren Fraktionen für Zn, Cu und Cd vergleichbar mit den Mittelwerten des überlehmten Bereiches (Abbildung 6.2-10 unten). Das schwer mobilisierbare Pb hatte dagegen mit 80% im nicht überlehmten Bereich einen wesentlich höheren Anteil am Gesamtgehalt. Während der Anteil der leicht mobilisierbaren Fraktion des Cu am nicht überlehmten Punkt etwa dem Mittelwert des Anteils im überlehmten Bereich entsprach, war der des Pb etwas höher als der Mittelwert des überlehmten Bereiches. Den größten Unterschied zum überlehmten Bereich zeigte die leicht mobilisierbare Fraktion des Zn mit 28 % gegenüber einem Mittelwert von 0,2 % im überlehmtem Bereich und die des Cd mit 16 % gegenüber einem Mittelwert von 1,5 % im überlehmten Bereich. Schwermetallbindungsfraktionen 705 Pb Cd Cu Zn 0% 20% leicht mobilisierbar 40% mäßig mobilisierbar 60% 80% 100% Anteil am Gesamtgehalt schwer mobilisierbar Schwermetallbindungsfraktionen Transektpunkt 10 m 705 Pb Cd Cu Zn 0% 20% leicht mobilisierbar 40% mäßig mobilisierbar 60% 80% schwer mobilisierbar Abbildung 6.2-10: Mittlere Anteile der Schwermetallfraktionen am Gesamtgehalt Abt. 705 100% Anteil am Gesamtgehalt 56 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse Ergebnisse von Korrelationsanalysen Die höchsten Korrelationskoeffizienten wurden zwischen den Anteilen leicht mobilisierbarer Gehalte am Zn- und Cd-Gesamtgehalt zum pH-Wert gefunden (Tabelle 6.2-11). Cu wies dagegen bessere Korrelationen zwischen den absoluten Konzentrationen der leicht und mäßig mobilisierbaren Fraktionen und dem pH-Wert auf. Erhöhte Korrelationen zum Humusgehalt konnten nur für die absoluten Konzentrationen der mäßig mobilisierbaren Cu- und Cd-Fraktionen gefunden werden. Mit einer Stichprobenzahl von lediglich 21 haben diese Koeffizienten allerdings eine eingeschränkte Aussagekraft. Weitere Pearsonsche Korrelationskoeffizienten und eine Darstellung der Einzelergebnisse der prozentualen Anteile der Bindungsfraktionen sortiert nach Humusgehalten sind im Anhang B zu finden. Tabelle 6.2-11: Pearsonsche Korrelationskoeffizienten der Schwermetallfraktionen zu pH und Humusgehalt (Anzahl n = 21) log (Konzentration d. SM-Fraktion) - pH SM-Fraktion Zn Cu Cd -0,79 -0,48 0,08 löslich (BSE) leicht mobilisierbar -0,88 -0,89 -0,80 mäßig mobilisierbar -0,85 -0,87 -0,78 schwer mobilisierbar -0,64 -0,69 -0,54 -0,79 -0,81 -0,72 gesamt Pb -0,11 -0,66 -0,78 -0,83 -0,84 log (Konzentration d. SM-Fraktion) - log (Humusgeh.) SM-Fraktion Zn Cu Cd Pb -0,10 0,54 0,63 0,33 löslich (BSE) 0,57 0,69 0,48 0,32 leicht mobilisierbar 0,60 0,77 0,79 0,47 mäßig mobilisierbar 0,46 0,73 0,63 0,55 schwer mobilisierbar 0,56 0,79 0,77 0,55 gesamt Proz. Anteil d. SM-Fraktion am Gesamtgehalt- pH SM-Fraktion Zn Cu Cd Pb leicht mobilisierbar -0,97 -0,19 -0,97 -0,51 mäßig mobilisierbar 0,24 -0,19 0,24 0,65 schwer mobilisierbar 0,29 0,20 0,06 -0,65 Proz. Anteil d. SM-Fraktion am Gesamtgehalt - Corg SM-Fraktion Zn Cu Cd Pb 0,86 0,03 0,83 0,41 leicht mobilisierbar -0,2 0,1 -0,2 -0,7 mäßig mobilisierbar schwer mobilisierbar -0,3 -0,14 -0,09 0,65 Semi-Variogramme Um eventuell bestehende räumliche Abhängigkeiten der in diesem Kapitel vorgestellten Ergebnissen der Transektbeprobung aufzuzeigen wurden Semi-Variogramme dieser Daten über die Transektlänge von 180 m erstellt. In Abbildung 6.2-11 sind die Semi-Variogramme für den pH-Wert, den Humusgehalt und den Cu-Gesamtgehalt dargestellt. Die Semi-Variogramme der anderen Daten sind im Anhang B zu finden. Die meisten Semi-Variogramme zeigen mit zunehmenden Probenahmeabständen eine zunehmende Varianz, die ein Maximum in einem Probenahmeabstand von 80 m hat. Bei 90 m, dem größten pH 705 0,5 log (Cu gesamt) 705 log (Humus) 705 0,04 0,15 0,3 0,2 0,1 0 0,03 semi-variance semi-variance semi-variance 0,4 0,02 0,01 0 0 40 80 lag 0,1 0,05 0 0 40 80 lag 0 40 80 Abbildung 6.2-11: Semi-Variogramme der pH-Werte, Humus- und Cu-Gesamtgehalte im Transekt 705 b1 lag 57 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse auswertbaren Probenahmeabstand fällt sie wieder ab. Es ist kein Einpendeln auf einen Schwellenwert zu verzeichnen. Einige Semi-Variogramme (mäßig mobilisierbares Zn und Pb, schwer mobilisierbares Cd sowie gelöstes Cu und Cd) zeigen keine Abhängigkeit der Varianzen von den Probenahmeabständen. Über die beprobte Transektlänge sind räumliche Abhängigkeiten zwischen den Probenahmepunkten statistisch nicht zu erfassen. 6.2.3. Vergleich der Raster- und Transektbeprobung Die Humusgehalte und pH-Werte der beiden Beprobungen hatten etwa den gleichen Mittelwert, aber die Ergebnisse der Rasterbeprobung der Abt. 704 c5 wiesen eine wesentlich höhere Streuung auf. Das Verhältnis der absoluten Schwermetallfraktionen zueinander entsprach für die mäßig und schwer mobilisierbaren Fraktionen in beiden Beprobungen dem der Gesamtgehalte (Anhang B). In der leicht mobilisierbaren Fraktion sind die Cu- und Cd-Konzentrationen im Verhältnis zu den Znund Pb-Konzentrationen höher als im Gesamtgehalt (Abbildung 6.2-12). Dies spiegelte sich für beide Beprobungen im prozentualen Anteil des leicht mobilisierbarem Cu und Cd am Gesamtgehalt von jeweils etwa 1 bis 1,5% wieder. Im Bodensättigungsextrakt war bei beiden Beprobungen die Cd-Konzentration niedriger als die PbKonzentration. Das Zn / Cu- Verhältnis im BSE war in beiden Beprobungen entgegengesetzt. Bei der Transektbeprobung der Abt. 705 b1 waren die Cu-Konzentrationen im BSE niedriger als die ZnKonzentrationen, bei der Rasterbeprobung der Abt. 704 c5 dagegen höher. Der direkte Vergleich der Konzentrationen zeigte höhere Zn- und Pb-Konzentration im BSE der Abt. 705 b1 und höhere Cu-Konzentration im BSE der Abt.704 c5 (Abbildung 6.2-12), die mit der einfaktoriellen Varianzanalyse mit einer Fehlerwahrscheinlichkeit von p < 0,1% als relevante Unterschiede bestätigt werden konnten. Die leicht mobilisierbare Zn-Konzentrationen der Beprobung der Abt. 705 b1 konnte mit p < 5% ebenfalls als erhöht gegenüber der Abt. 704 c5 bestätigt werden. Für die anderen untersuchten Parameter war eine Trennung der Daten mit der gleichen Signifikanz nicht möglich. 1000 10000 704 leicht mobilisierb. SM-Konz. [µg/l] 705 10 1 0,1 Cu Cd Gesamtgehalt 704 705 1000 100 100 10 1 Zn 1000 704 100 SM-Konz im BSE [µg/l] leicht mobilisierbar Gesamt - SM-Konz [mg/l] BSE Pb 705 10 1 0,1 Zn Cu Cd Pb Zn Cu Cd Pb Abbildung 6.2-12: Vergleich der löslichen (BSE), der leicht mobilisierbaren und der GesamtSchwermetallgehalte der Abt. 704 c5 mit der Abt. 705 b1 58 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse 6.2.4. Sickerwasserqualität Abteilung 704 c5 pH Die Ergebnisse der Sickerwasseruntersuchungen in der Abteilung 704 sind für den gesamten Untersuchungszeitraum in Tabelle 6.2-12 zusammengefaßt. Die Mittelwerte wurden durch logarithmische Transformation berechnet. Die in Abbildung 6.2-13 dargestellten Zeitreihen der pHWerte, Leitfähigkeiten und Cu- KonzenSickerwasser 704 c5 pH 8,0 trationen zeigen eine Erhöhung dieser 3 7,6 Parameter in den Sommermonaten, die für 7,2 die Zn-, Cd- und Pb-Konzentrationen nicht 6,8 erkennbar waren (Anhang C). Allerdings 6,4 konnte in den Sommermonaten unter der 6,0 14.4 14.5 13.6 13.7 12.8 11.9 11.10 Kuppe kein Sickerwasser gewonnen werden. S 1 Delle 50cm tief S 2 Kuppe 70cm tief S 3 Delle 50cm tief Zeitweise blieben auch die Saugkerzen unter den Dellen leer, so daß für diesen Zeitraum Sickerwasser 704 c5 el. Leitfähigkeit el. Leitf. [µS/cm] 1000 100 10 14.4 14.5 S 1 Delle 50cm tief 13.6 13.7 12.8 S 2 Kuppe 70cm tief 11.9 11.10 S3 Delle 50cm tief Cu-Konz. Sickerwasser 704 c5 Cu-Konz.. [mg/l] 1,00 0,10 Prüfwert: 50 µg/l 0,01 14.4 14.5 S 1 Delle 50cm tief 13.6 13.7 12.8 S 2 Kuppe 70cm tief 11.9 11.10 S3 Delle 50cm tief Abbildung 6.2-13: Zeitreihen der pH-Werte, elektrischen Leitfähigkeiten und Cu-Konzen-trationen im Sickerwasser der Abt.704 c5 nur wenige Ergebnisse vorliegen. Die Cu-Konzentrationen im Sickerwasser wiesen eine geringere Streuung als die der 3 anderen untersuchten Schwermetalle auf.. 3 Proben hatten Pb-Konzentrationen unter der Bestimmungsgrenze von 1µg/l. Die gegenüber den Dellen niedrigeren Mittelwerte der Zn-, Cu- und CdKonzentrationen und der höhere Mittelwert der pH- Werte unter der Kuppe (Abbildung 6.2-13) konnten Mithilfe der einfaktoriellen Varianzanalyse für die Zn- und CuKonzentrationen belegt werden. Aufgrund der geringen Anzahl von Proben und nur einer Saugkerze unter einer Kuppe als Vergleich besitzen sie jedoch eine eingeschränkte Aussagekraft. Tabelle 6.2-12: Ergebnisse der Sickerwasseruntersuchungen vom 24.04. - 21.10.02 in der Abt. 704 c5 704 Einheit pH el. Leitfähigeit. µS/cm Zn mg/l Cu mg/l Cd µg/l Pb µg/l Anzahl Mittelwert (log)* 50 7,19 25 175 39 0,22 48 0,14 45 4,3 43 4 Min. – Max. 6,49 – 7,83 28 - 919 0,05 – 2,41 0,04 – 0,28 0,9 – 93,3 < 1 - 68 Stand.-abw. 0,40 429 0,31 0,07 6,1 9 Median 7,16 196 0,21 0,10 3,9 3 * (log) Mittelwert aus logarithmiertem Datensatz 59 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse Abteilung 708 b3 el. Leitf. [µS/cm] pH Die Ergebnisse der Sickerwasseruntersuchungen in der Abteilung 708 b3 sind für den gesamten Untersuchungszeitraum in Tabelle 6.2-13 zusammengefaßt. Die Mittelwerte wurden aus den logarithmisch transformierten Daten ermittelt. pH Sickerwasser 708 Die Zeitreihen der pH-Werte, der 8,0 elektrischen Leitfähigkeiten sowie der Cu7,6 7,2 Konzentrationen (Abbildung 6.2-13) zeigen 6,8 eine deutliche Zunahme der Cu6,4 Konzentrationen bei gleichzeitiger 6,0 14.4 14.5 13.6 13.7 12.8 11.9 11.10 Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit 80 cm tief 100 cm tief zwischen dem 03.05. und dem 03.06.02 Während die Cu-Konzentrationen zwischen el. Leitf. Sickerwasser 708 dem 26.08. und dem Ende des 1000 100 10 14.4 14.5 13.6 13.7 12.8 11.9 80 cm tief 11.10 100 cm tief Cu-Konz. Sickerwasser 708 Cu-Konz. [mg/l] 1 0,1 Prüfwert: 50 µg/l 0,01 14.4 14.5 13.6 13.7 12.8 80 cm tief 11.9 11.10 100 cm tief Abbildung 6.2-14: Zeitreihen der pH-Werte, el. Leitfähigkeiten und Cu-Konzentrationen im Sickerwasser der Abt.708 b3 Untersuchungszeitraumes am 21.10.02 abnahmen war die elektrische Leitfähigkeit wesentlich höher als am Beginn der Untersuchungen im Frühling. Die pH-Werte, die Zn-, Cd- und PbKonzentrationen ließen aufgrund ihrer großen Streuung keine deutlichen zeitlichen Tendenzen erkennen. Zwischen dem 10.06. und dem 19.08.02 waren mit Ausnahme einer Kerze an 2 Terminen alle 8 Saugkerzen trocken (Anhang C). 23% der Proben hatten Pb-Konzentrationen unter der Bestimmungsgrenze von 1 µg/l. Eine höhere Konzentration in 80 gegenüber der in 100 cm Tiefe (Abbildung 6.2-14) konnte nur für Zn statistisch belegt werden. Tabelle 6.2-13: Ergebnisse der Sickerwasseruntersuchungen vom 24.04. - 21.10.02 in der Abt. 708 b3 704 pH el. Leitfähigkeit. Zn Cu Cd Pb µS/cm mg/l mg/l µg/l µg/l 77 34 72 75 66 66 Mittelwert (log) 7,66 146 0,07 0,089 0,8 2 Min. – Max. 7,10 – 8,20 33 - 543 0,02 – 0,58 0,03 – 0,26 0,2 – 4,1 <1 - 22 Stand.-abw. 0,26 249 0,09 0,06 0,81 3,80 Median 7,71 130 0,06 0,09 1 2 Einheit Anzahl * * (log) Mittelwert aus logarithmiertem Datensatz 60 6.2. Bodenchemie 6. Ergebnisse 6.2.5. Vergleich Sickerwasser – Bodensättigungsextraktion 1000 MW BSE am Meßfeld BSE 704 Sickerwasser 704 Konzentration [µg/l] 100 10 1 0,1 0,01 Zn Cu Cd Pb Abbildung 6.2-15: Mittelwerte der Sickerwasserund BSE-Konzentrationen der Abt. 704 Die Mittelwerte der Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser lagen für Zn und Cd deutlich über denen im Bodensättigungsextrakt BSE. Für Pb erreichten die Konzentrationen etwa die gleiche Höhe. Legt man dem Vergleich nicht die Mittelwerte der gesamten Rasterfläche, sondern nur die der 4 Probenahmepunkte, die die SaugkerzenMeßfläche umgaben (Abbildung 6.2-15: MW BSE am Meßfeld), so verringert sich für Zn, Cu und Cd der Konzentrationsunterschied. Für Pb sind in der Umgebung der Saugkerzenmeßfläche allerdings höhere Konzentrationen im BSE als im Sickerwasser gefunden worden. 61 7.1. Veränderungen im Wasserhaushalt 7. Bewertung 7. Bewertung 7.1. Veränderungen im Wasserhaushalt 7.1.1. Standorteigenschaften Um die Auswirkungen der Überlehmung auf den Bodenwasserhaushalt zu zeigen, wurden die eigenen Untersuchungen mit bodenphysikalischen Daten der nicht überlehmten Rieselfeldabteilung 709 aus BOWO 97 verglichen. Es war eine deutliche Verbesserung der überlehmten gegenüber der unsanierten Fläche als Pflanzenstandorte zu verzeichnen. Die nutzbare Feldkapazität der überlehmten Flächen beträgt etwa das 1,6- 1,8-fache der Feldkapazität der nicht überlehmten Flächen (Tabelle 7.1-1). In den oberen Bodenschichten sind an allen 3 Standorten hohe Totwasseranteilen von 5 - 6 Vol.% (in der Abt. 704 c5 sogar 10 Vol.%) und eine hohe nutzbare Feldkapazität von 10 -14 Vol.% gefunden worden. Die relativ hohe Feldkapazität der Abt. 709 ist auf den hohen Humusgehalt von 6,3 Gew.% zurückzuführen. Ab einer Tiefe von 25 cm (der Untergrenze des Ah-Horizontes) mit einem Humusgehalt von 0,1 –0,3 Gew.% bleibt nur noch eine Feldkapazität von ca. 5 Vol% (Abbildung 7.11). In den Abt. 704 c5 und 708 b3 sind Humus- und Tongehalt durch die Überlehmung und anschließende Einfräsung bis in eine Tiefe von 60 - 80 cm relativ ausgeglichen und ermöglichen so nutzbare Feldkapazitäten von 12 - 18 Vol% in diesen Tiefen. 708: 0-50 cm 50-70 cm 70-90 cm 704: 0-40cm 40-80 cm 709: 0-25 cm 25-110 cm >110 cm 0 Totwasser 10 nutzbares Wasser 20 Luft 30 40 50 60 Porenanteil [Vol.%] Abbildung 7.1-1: Anteile von Totwasser, nutzbarem Wasser und Luft am Gesamtporenvolumen in den Abt. 709, 708 und 704 Die Wirkung des Tonanteils auf die Porenverteilung zeigt sich gut im Vergleich der Abt. 704 c5 und 708 b3 (Abbildung 7.1-1). Die Abt. 704 c5 hat einen wesentlich höheren Tonanteil, der von den oberen Bodenschichten (20 cm) mit 7,5 Gew.% auf 4,6 Gew.% in 60 cm zurückgeht. Entsprechend hoch und mit der Tiefe abnehmend ist der Totwasseranteil der Abt. 704 c5. Die wahrscheinlich intensiver und tiefer gefräste Abt. 708 hat bis in eine Tiefe von 60 cm einen ausgeglichenen Tongehalt von 4 Gew.%. In 80 cm Tiefe waren noch 2 Gew.% Ton zu finden. Hier wurde auch der geringste Totwasseranteil und die höchste nutzbare Feldkapazität der untersuchten Proben gefunden. Dies weist darauf hin, daß mit einem Tongehalt von 2 – 4 Gew.% und einer intensiven Einfräsung die stärksten Verbesserungen des Boden-Wasserhaushaltes erreicht werden können. Ein zu hoher Tongehalt wie in den oberen 62 7.1. Veränderungen im Wasserhaushalt 7. Bewertung Bodenschichten der Abt. 704 (7,5 Gew.%) führt lediglich zur Erhöhung des nicht pflanzenverfügbaren Totwassers und durch Verbacken der Grobporen zu einer Abnahme der Luftkapazität und einer erhöhten Lagerungsdichte. Tabelle 7.1-1: Gegenüberstellung bodenphysikalischer Parameter der Abt. 709 (unsaniert) und der Abt. 708 b3 und 704 c5 (überlehmt) GPV 709 704 708 0-25 nFK LK PWP Ton Humus [Vol.%] [Vol.%] [Vol.%] [Vol.%] [Gew.% [Gew.% ] ] 44,8 14,0 25,5 5,3 0,3 6,1 nFKwe [mm] Wiese Nadelwald Laubwald 42,4 71,8 95,9 trocken trocken trocken 25-110 38,5 4,9 33,0 0,7 0,5 0,3 >110 41,0 4,8 35,4 0,8 0,4 0,1 0-40 38,7 12,4 15,8 10,4 7,5 2,0 77,1 114,2 138,3 40-80 45,2 13,7 24,1 7,4 4,6 2,8 (70-82) (103-121) (127-145) 0-50 45,7 11,1 28,6 6,0 3,9 2,2 66,4 118,3 147,3 50-70 44,1 13,9 23,8 6,3 4,3 2,2 (60-72) (103-143) (132-172) 70-90 44,8 17,9 22,5 4,5 1,9 1,6 trocken frisch mäßig feucht. 7.1.2. Grundwasserneubildung Neben der Verbesserung der Flächen als Pflanzenstandort sollte durch die Überlehmung auch die Verringerung der Grundwasserneubildung erreicht werden, um den Schadstoffaustrag mit dem Sickerwasser zu minimieren. Die Grundwasserneubildung Gwneu wird neben den Bodeneigenschaften stark von der Vegetation, dem effektiven Wurzelraum und den klimatischen Gegebenheiten beeinflußt. Anhand einer 20-jährigen Klimareihe von Berlin? wurden die jährlichen Grundwasserneubildungsraten für die zwei bodenphysikalisch untersuchten Abteilungen 704 und 708 sowie die von BOWO 97 untersuchte unsanierte Abt. 709 abgeschätzt. Mithilfe der in Kap.4.2.4 vorgestellten Regressionsgleichungen von WESSOLEK & TRINKS 2002 konnte die Grundwasserneubildung für eine Nutzung der Flächen als Grünland, Nadelwald und Laubwald simuliert werden. Es wurden für die Maximierung bzw. die Minimierung der GWneu durch Bodeneigenschaften jeweils die Mittel- als auch die Maximal- und Minimalwerte der ermittelten nutzbaren Feldkapazitäten heranTabelle 7.1-2: Mit unterschiedlicher Nutzung und Klimadaten von ´82 - ´02 simulierte jährliche Grundwasserneubildung der Abt. 704, 708 und 709 AbschätGwneu [mm] unter Grünland zung der Min Max GWneu mit nFKwe MW Powerfkt. [mm] 82-02 ´96 ´88 Gwneu [mm] unter Nadelwald Gwneu [mm] unter Laubwald nFKwe MW Min Max nFKwe MW Min Max [mm] 82-02 ´96 ´88 [mm] 82-02 ´96 ´88 709 42,4 290,8 144,3 483,5 71,8 154,1 -2,2 323,5 95,9 180,7 30,7 361,1 708 MW 77,1 237,5 87,3 439,4 114,2 111,6 -43,7 293,9 138,3 144,6 -4,7 335,7 Min 82,2 230,6 80,1 433,9 120,5 105,6 -49,5 289,7 144,6 139,5 -9,7 332,1 Max 69,9 247,4 97,8 447,4 102,9 122,4 -33,0 301,5 127,0 153,8 4,4 342,3 704 MW 66,4 252,5 103,2 451,5 118,3 107,7 -47,5 291,2 147,3 137,3 -11,8 330,5 Min 72,2 244,2 94,4 444,8 143,1 85,0 -69,8 275,1 172,1 119,7 -30,8 316,7 Max 60,0 261,9 113,3 459,3 103,3 122,1 -33,4 301,3 132,3 149,5 0,1 339,2 63 7.1. Veränderungen im Wasserhaushalt 20 10 0 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Jahresniederschlag [mm] Jahresniederschläge 1982-2002 30 Häufigkeit [%] 7. Bewertung 1200 Jahresniederschlag 1000 Grasreferenzverdunstung 800 600 400 200 0 Niederschlagshöhe [mm] 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 Abbildung 7.1-2: Niederschläge und Grasreferenzverdunstung von 1982-2002 gezogen. Die so ermittelten GWneu –Raten hatten ihr Maximum im Jahr 1988 und ihr Minimum im Jahr 1996. Die Ergebnisse in Tabelle 7.1-2 weisen somit klimatisch und bodenphysikalisch bedingte Minimal- und Maximalwerte auf. Da die mittleren Niederschläge in Berlin nur ca. 580 mm betragen, müssen die Jahre 1988 – 2002 mit einem Mittelwert von 642 mm als niederschlagsreich betrachtet werden. Die Häufigkeitsverteilung der genutzten Niederschlagsdaten (Abbildung 7.1-2) zeigen einen Nebenpeak für hohe Niederschläge, der von der Normalverteilung abweicht. Dem entsprechend hoch fällt auch die mittlere GWneu aus. Die in Abbildung 7.1-3 klimatisch bedingten Mittel-, Maximal- und Minimalwerte der unterschiedlichen simulierten Nutzungen zeigen einen merklichen Rückgang der GWneu der Flächen 704 c5 und 708 b3 gegenüber der Fläche 709. Bezogen auf die klimatischen Bedingungen der Jahre 1982 bis 2002 hätte durch die Überlehmung gegenüber nicht überlehmten Flächen die jährliche Grundwasserneubildung durchschnittlich um 40 – 50 mm verringert werden können. Eine Aufforstung würde diese Verringerung sogar noch auf 150 180 mm erhöhen (Tabelle 7.1-3). GWneu Mittelwerte 1982-2002 GWneu Minimum 2000 Grünland 350 Nadelwald GWneu Maximum 1988 Laubwald 600 709 200 708 709 300 708 708 150 100 GWneu [mm] 150 100 300 200 50 50 704 400 704 200 GWneu [mm] GWneu [mm] 709 704 250 500 100 0 0 Grünland Nadelwald Laubwald Grünland 0 Nadelwald Laubwald Abbildung 7.1-3: Vergleich der jährlichen mittleren Grundwasserneubildungs der Abteilungen 709, 708 und 704 Tabelle 7.1-3: Verringerung der Grundwasserneubildung GWneu der überlehmten Abt. 704 und 708 gegenüber der nicht überlehmten Abt. 709 bei deren Nutzung als Grünland. Verringerung der jährlichen GWneu unter Grünland [mm] Verringerung der jährlichen Gwneu unter Nadelwald [mm] Verringerung der jährlichen Gwneu unter Laubwald [mm] MW Max Min MW Max Min MW Max Min 708 53,3 78,1 36,1 180,7 217,7 144,3 152,9 188,4 134,3 704 38,3 60,0 24,1 170,5 200,6 144,3 146,0 157,3 130,0 7.2. Veränderungen in der Bodenchemie 64 7. Bewertung 7.1.3. Zusammenfassung der bodenphysikalischen Ergebnisse Die 60 - 80 cm mächtigen Überlehmungshorizont waren durch schwach schluffige bis schwach lehmige Sande gekennzeichnet. Mit durchschnittlich 4 Gew.% Ton und 2 - 3 Gew.% Humusgehalt verfügten sie über ein mittleres Gesamtporenvolumen und eine hohe bis sehr hohe Luftkapazität. Die Feldkapazität und nutzbare Feldkapazität der hier untersuchten Flächen konnten in ihrer ökologischen Bewertung um jeweils eine Stufe höher als die der nicht sanierten Vergleichsfläche 709 aus BOWO 1997 eingeordnet werden. Die als gering bewertete Feldkapazität im gründigen Bereich (hier auf 1 m Tiefe) war mit 170 und 190 mm etwa doppelt so hoch wie die als sehr gering zu bewertende Feldkapazität von 90 mm in der Vergleichsfläche. Genauso verbesserte sich die als gering eingestufte nutzbare Feldkapazität bei BOWO 1997 von 72 mm auf eine als mittel einzustufende nutzbare Feldkapazität von 114 und 123 mm auf 1 m Tiefe bezogen. Damit konnte erstmals an Feldproben eine Verbesserung der Böden als Pflanzenstandorte durch die Überlehmung gezeigt werden. Die Wassergehaltsmessungen durch TDR-Sonden bestätigten weitestgehend diese Ergebnisse. Sie zeigten in ihrer Dynamik eine schnellere und tiefere Austrocknung bis zum Permanenten Welkepunkt in der 2000 überlehmten Fläche gegenüber der erst 2001 überlehmten Fläche. Dies war auf eine sich schneller etablierende Vegetation durch bereits im Vorjahr angelegtes Samenpotential der früher überlehmten Fläche zurückzuführen. Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden untersuchten Flächen bestand in einem wesentlich ausgeglichenerem Ton- und Humusgehalt im Überlehmungsprofil der Fläche 708 b3 gegenüber der Fläche 704 c5. Eine wahrscheinlich weniger intensive und flachere Einfräsetechnik hinterließ einen erhöhten Tongehalt in der oberen Schicht der Fläche 704 c5, der dort durch geringere Luftkapazität und erhöhten Totwasseranteil zu erhöhter Lagerungsdichte und verringerter nutzbarer Feldkapazität führte. Eine Simulation der Grundwasserneubildungen mit Klimadaten der letzten 20 Jahre und den hier ermittelten bodenphysikalischen Ergebnissen zeigte bei gleichbleibender Vegetation (Wiesenstandort) eine Verringerung der Grundwasserneubildung um ca.40 – 50 mm pro Jahr. Durch eine Begründung gesunder Waldbestände könnte diese Verringerung auf 150 – 180 mm gegenüber der jährlichen Grundwasserneubildung unsanierter Wiesenstandorte erhöht werden. Dies hat einen geringeren Schadstoffaustrag über das Sickerwasser in den ersten Grundwasserleiter und die Vorfluter zur Folge. Andererseits muß mit einer weiteren Absenkung des Grundwassrpiegels, dem Trockenfallen der aus der Rieselbewirtschaftung stammenden Grabensysteme, einer weiteren Verringerung der Abflußmenge des ausschließlich durch das Grundwasser gespeisten Lietzengrabens und damit einhergehenden ökologischen Folgen gerechnet werden. 7.2. Veränderungen der Bodenchemie In den folgenden Kapiteln werden die Ergebnisse mit verschiedenen Grenz- und Prüfwerten aus Tabelle 4.1-1 verglichen. Während die Grenz- und Prüfwerte eher politischer Herkunft sind, wurden für das Belastungsschema von METZ et al. 1991 konzentrationsabhängige Planzentransferfaktoren und Lebensmittelgrenzwerte berücksichtigt. Auch wenn auf den ehemaligen Rieseleldern keine Pflanzenproduktion geplant ist, sollen diese Kriterien helfen, einen Eindruck über die Höhe der Belastung zu gewinnen. 65 7.2. Veränderungen in der Bodenchemie 7. Bewertung 7.2.1. Bewertung des IST-Zustandes des Transekt 705 b1 In Tabelle 7.2-3 sind die Anzahl der Überschreitungen der Grenzwerte für Böden der KlärschlammVO und der Prüfwerte der BBodSchVO für Kinderspielplätze durch die Einzelmeßwerte der Schwermetall-Gesamtgehalte sowie der Anteil der Proben, die durch ihre SchwermetallGesamtgehalte einer bestimmten Belastungsstufe nach METZ et al. 1991 zugeordnet werden müssen, aufgelistet. Die Überschreitung des Grenzwertes für Boden der KlärschlammVO der Zn- und CuGesamtgehalte durch jeweils einem Meßwert war auf den ehemaligen Einlaßbereich zurückzuführen. Während die Pb-Gehalte den Grenzwert nicht überschritten, traf dies für etwa 80% der Cd-Gehalte zu. Sie überschritten außerdem in einem Fall (ehemaliger Einlaßbereich) den Prüfwert für Kinderspielplätze der BBodschVO. Eine ähnliche Einschätzung liefert das Bewertungsschema von Metz, wonach die Cd-Gehalte für 80 % der Proben eine Einschätzung als hoch belasteten Boden erfordern. Der nicht überlehmte und der ehemalige Dammbereich besaßen Cd-Gesamtgehalte, die einen sehr hoch belasteten Boden kennzeichnen. Die Mittelwerte der Schwermetallkonzentrationen legt aufgrund der Cd-Gehalte eine Einordnung des Transektes als hoch belastet nahe. Tabelle 7.2-1: Einordnung der Schwermetall-Gesamtgehalte der Abt. 705 b1 nach Grenzwerten der KlärschlammVO, Prüfwerten der BBodSchVO und dem Belastungsschema nach METZ Zn Cu Cd Pb Anzahl der Überschreitungen (ohne 10 m) KlärschlammVO Grenzwert Boden 1 1 18 0 BBodschVO-Prüfwerte Kinderspielplätze k.A. k.A. 1 0 Belastungsschema v. Metz Anteil der Meßwerte innerhalb der Belastungsstufe 1 nicht belastet 45% 91% 0% 50% 2 gering belastet 45% 0% 14% 45% 3 hoch belastet 9% 9% 77% 5% 4 sehr hoch belastet 0% 0% 9% 0% Tabelle 7.2-2: Überschreitungen der Prüfwerte der BBodSchVO (Wirkungspfad Boden – Grundwasser) durch Konzentrationen im BSE der Abt. 705 b1 Prüfwerte BBodSchVO (Wirkungspfad Boden – Zn Cu Cd Pb Anzahl der Überschreitungen (ohne 10 m) von 21 Proben 0 5 0 4 In Tabelle 7.2-4 sind die Überschreitungen der Prüfwerte der BBodSchVO für den Wirkungspfad Boden – Grundwasser durch Konzentrationen im BSE der Abt. 705 b1 aufgeführt. Die Zn- und CdKonzentrationen lagen im überlehmten Bereich unter dem Prüfwert. Die Cu-Konzentrationen überschritten ihn in 5 und die Pb-Konzentrationen in 4 der 21 Proben. Die Konzentrationen im BSE der nicht überlehmten Probe in 10 m wurden in Tabelle 7.2-4 nicht berücksichtigt. Sie überschritten mit Ausnahme der Pb-Konzentrationen die jeweiligen Prüfwerte um ein Mehrfaches. Die Pb-Konzentration lag dagegen mit 23 µg/l knapp unter dem Prüfwert von 25 µg/l. Mit einem mittleren Humusgehalt von 2,2 Gew.% und einem mittleren Boden-pH-Wert von 7,1 kann der überlehmte Bereich des Transektes als humos (Stufe h3 nach KOFALK et al. 1999 ) und neutral – 7.2. Veränderungen in der Bodenchemie 66 7. Bewertung schwach alkalisch eingeordnet werden. Der nicht überlehmte Transektpunkt zeigte dagegen bei einem Humusgehalt von 6,6 Gew.% (humusreich Stufe h4 nach KOFALK et al. 1999) eine stark saure Bodenreaktion mit einem Boden-pH-Wert von 4,4. 7.2.2. Veränderungen im Transekt 705 b1 Zur Beurteilung von Veränderungen im Transekt der Abt. 705 b1 standen die Daten der von HOFFMANN et al. 1999 durchgeführten Beprobung im Sommer 1998 vor der Überlehmung und im Frühjahr 1999 nach der Überlehmung zu Verfügung. Im Bereich eines ehemaligen Einleiterbeckens wurden die sonst in 10 m Abständen genommenen Proben auf 1m Abstände verdichtet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde versucht erneut etwa das gleiche Transekt zu beproben. Anhand der erhöhten Humusgehalte in 170 m wurde dort der bei HOFFMANN et al. 1999 etwa bei 150 m liegende Bereich des Einleiterbeckens identifiziert. Für den folgenden Vergleich mußten die Transektpunkte den Daten von HOFFMANN et al. 1999 angeglichen und um 20 m verschoben werden (Abbildung 7.2-4). Die bisherigen Transektpunkte bei 0 und 10 m wurden weggelassen und gingen nicht in die folgende Bewertung ein. 7 Die durch die Überlehmung angehobenen 6 pH-Werte blieben auch nach 4 Jahren stabil 5 und lagen bei etwa 7. 4 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 In Abbildung 7.2-5 sind die Mittelwerte der pH 98 pH 99 pH 02 [m] Schwermetallgesamtgehalte der 3 Beprobun20 gen des gesamten Transektes dargestellt. Die 15 10 Schwermetallgesamtgehalte wurden durch 5 die Überlehmung von 1998 bis 1999 um etwa 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 60 – 70% verdünnt (HOFFMANN et al. [m] Humus 98 Humus 99 Humus 02 1999). Nach Ablauf von 3 Jahren konnten nicht mit Sicherheit die gleichen TransektAbbildung 7.2-1: Entwicklung der pH-Werte und des Humusgehaltes im Transekt 705 punkte gefunden und erneut beprobt werden. Um statistisch zu prüfen, ob die Stichproben des Jahres 1999 und die des Jahres 2002 aus Grundgesamtheiten mit unterschiedlichen Mittelwerten stammten, wurde die einfaktorielle Varianzanalyse für die pH-Werte, die Humusgehalte und die Schwermetall-Gesamtgehalte durchgeführt. In Tabelle 7.2-5 sind die Ergebnisse der Analyse der Glühverlust [Gew.%] pH 8 Humusgehalte aufgeführt. Die Analyse wurde mit einem Signifikanzniveau α von 0,05 im Hinblick auf die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Fehler 1. Art (Verwerfen einer wahren Hypothese) auftritt, geführt. Da der Prüfwert noch unter dem Kritischen Wert lag, konnte die Hypothese, daß die Humusgehalte aus einer Grundgesamtheit mit dem gleichen Mittelwert stammten nicht verworfen werden. Das gleiche Resultat erbrachten die Analysen der pH-Werte und der Zn-, Cu- und Cd-Gesamtgehalte. Die Analyse der Pb-Gesamtgehalte dagegen erbrachte einen Prüfwert über dem kritischen Wert. Der Verdacht einer Ver-ringerung der Pb-Gesamtgehalte konnte erst durch getrennte Analyse der Bereiche < 130 m und > 130 m ausgeräumt werden. Hier kam eine Überschätzung des Pb-Mittelwertes für das gesamte Transekt von 1999 aufgrund einer höheren Probenanzahl im stärker belasteten Bereich zum tragen. 67 7.2. Veränderungen in der Bodenchemie Cu 705 1000 10000 leicht mobiliierb. Gehalt Gesamtgehalt mobilisierbarer Gehalt 7. Bewertung Zn 705 Cd 705 leicht mobilisierb.Gehalt Gesamtgehalt mobilisierbarer Gehalt leicht mobilisierb. Gehalt Gesamtgehalt mobilisierbarer Gehalt Pb 705 1000 10 100 10 10 1 0,1 10 0,6% 1,3% 33,4% 0,2% 0,7% 0,01 1999 2002 14,6% 1999 2002 0,7% 1,6% 0,01 1998 1 0,1 2,3% 0,2% 0,1 1998 1 0,1 1 Konzentration [mg/kg] 100 Konzentration [mg/kg] 100 Konzentration [mg/kg] 1000 Konzentration [mg/kg] 100 leicht mobilisierb. Gehalt Gesamtgehalt mobilisierbarer Gehalt n.n. 0,1% 0,01 1998 1999 2002 1998 1999 2002 Abbildung 7.2-2: Mittlere Schwermetallgesamtgehalte und der mobile bzw. der leicht mobilisierbare Fraktionen im Transekt der Abt. 705 vor der Überlehmung 1998 und danach 1999 / 2002 Tabelle 7.2-3: Ergebnisse der Einfaktoriellen Varianzanalyse der Humusgehalte von 1999 und 2002 Gruppen Anzahl Summe Mittelwert Varianz Humus 99 37 79,54 2,15 Humus 02 20 45,81 2,29 0,35 Streuungsursache Quadratsummen (SS) Unterschiede zwischen den Gruppen 0,26 Innerhalb der Gruppen 34,5 Gesamt 34,8 Signifikanzniveau α Prüfgröße (F) P-Wert kritischer F-Wert 0,05 0,41 0,52 4,02 0,78 Freiheitsgrade (df) Mittlere Quadratsumme (MS) 1 0,26 55 0,63 56 Neben der Bestimmung der Schwermetallgesamtgehalte wurden bei HOFFMANN et al. 1999 auch Ca(NO3)2-Extraktionen zur Bestimmung der mobilen Fraktion durchgeführt. Das im Rahmen dieser Arbeit zur Erfassung der leicht mobilisierbaren Fraktion genutzte NH4NO3 ist ein stärkeres Extraktionsmittel. Damit waren eindeutige Aussagen über eine Veränderung der Mobilität nur bei einer geringeren Extraktionsmenge im stärkeren Extraktionsmittel möglich. Abbildung 7.2-5 zeigt einen eindeutigen Rückgang der Mobilität von Zn, Cd, und Pb gegenüber dem Zustand vor der Überlehmung. Für Zn und Cd setzte sich dieser Trend auch über die folgenden 3 Jahre hin fort. In Tabelle 7.2-6 sind die Ergebnisse der Einfaktoriellen Varianzanalyse der Anteile mobilen bzw. leicht mobilisierbaren Cd am Gesamtgehalt der Beprobungen von 1999 und 2002 zu finden. Sie zeigen mit einem Prüfwert, der über dem Kritischen Wert liegt, daß die Anteile mobilen Cd am Gesamtgehalt aus Grundgesamtheiten mit unterschiedlichen Mittelwerten stammen. Da aber oben gezeigt wurde, daß sich die Gesamtgehalte nicht verändert hatten, ist dies der Nachweis dafür, daß sich die Mobilität des Cd verringert hat. Der gleiche Nachweis konnte für Zn erbracht werden (Anhang D). Über die Veränderung der Mobilität von Pb zwischen 1999 und 2002 konnten keine Rückschlüsse gezogen werden, da die Ca(NO3)2-Extraktion nach der Überlehmung (1999) Konzentrationen unter der Nachweisgrenze erbrachte.Cu verringerte seine Mobilität durch die Überlehmung zwischen 1998 und 1999 von einem Anteil der mobilen Fraktion von 0,8 % auf 0,2 % des Gesamtgehaltes. Der Anteil der leicht mobilisierbaren Fraktion am Gesamtgehalt von 1,3% im Jahr 2002 könnte auf eine zunehmende 68 7.2. Veränderungen in der Bodenchemie 7. Bewertung Mobilisierung von Cu zwischen 1999 und 2002 hinweisen und damit ein weiteres Indiz für eine zunehmende Bildung mobiler Cu-organischer-Komplexe bei steigendem pH-Wert in den Rieselfeldern sein, wie bereits bei HOFFMANN et al. 2002.1 vermutet wurde. Es ist aber auch nicht auszuschließen, daß die höhere Konzentration allein auf die Verwendung des stärkeren Extraktionsmittels zurückzuführen war. Tabelle 7.2-4: Ergebnisse der Einfaktoriellen Varianzanalyse der Anteile mobilen bzw. leicht mobilisierbaren Cd am Gesamtgehalt von 1999 und 2002 Gruppen Anzahl Summe Mittelwert Varianz Signifikanzniveau α Prüfgröße (F) P-Wert kritischer F-Wert % Cd mob. 99 % Cd leicht .mob. 02 35 20 114 29,2 3,26 1,46 0,7 Streuungsursache Quadratsummen (SS) Unterschiede zwischen den Gruppen 41,3 Innerhalb der Gruppen 316 Gesamt 357 0,05 6,94 0,01 4,02 8,89 Freiheitsgrade (df) Mittlere Quadratsumme (MS) 1 41,3 53 5,95 54 7.2.3. Bewertung des IST-Zustandes 704 c5 In Tabelle 7.2-1 sind die Anzahl der Überschreitungen der Grenzwerte der KlärschlammVO durch die Einzelmeßwerte der Schwermetall-Gesamtgehalte sowie der Anteil der Proben, die durch ihre Schwermetall-Gesamtgehalte einer bestimmten Belastungsstufe nach METZ et al. 1991 zugeordnet werden müssen, aufgelistet. Die Prüfwerte der BBodSchVO für Kinderspielplätze wurden durch die Cd- und Pb-Gesamtgehalte nicht überschritten. Anders die auch für Zn und Cu festgelegten Grenzwerte der KlärschlammVO): 15% der Zn-, und sogar 98% der Cd-Gehalte lagen über den für sandige Böden geltenden Grenzwerten. Die Cu-Gehalte überschritten diesen nur in einem, die Pb-Gehalte in 2 Fällen. 31% der Cd-Gehalte überschritten weiterhin sogar den für Klärschlamm geltenden Grenzwert. Nach dem Belastungsschema von Metz muß das beprobte Gelände aufgrund der CdGesamtkonzentrationen weiterhin als hoch belastet eingeordnet werden, was laut METZ et al. 1991 Minderwuchs, Mindererträge und Überschreitung von Lebensmittelgrenzwerten in der Pflanzenproduktion hervorrufen kann. Tabelle 7.2-5: Einordnung der Schwermetall-Gesamtgehalte der Abt. 704 c5 nach Grenzwerten der KlärschlammVO und dem Belastungsschema nach METZ Zn KlärschlammVO Cu Cd Pb Anzahl der Überschreitungen Grenzwert Boden 8 1 51 2 Grenzwert Klärschlamm 0 0 16 0 Belastungsschema v. Metz Anteil der Meßwerte innerhalb der Belastungsstufe 1 nicht belastet 63% 87% 0% 56% 2 gering belastet 33% 13% 23% 40% 3 hoch belastet 4% 0% 77% 4% 4 sehr hoch belastet 0% 0% 0% 0% 69 7.2. Veränderungen in der Bodenchemie 7. Bewertung In Tabelle 7.2-2 sind die Anzahl der Überschreitungen der Konzentrationen im Bodensättigungsextrakt BSE und der Sickerwasserkonzentrationen aufgeführt. Die CuKonzentrationen im BSE überschritten in 67 % der Meßwerte den Prüfwert der BBodschVO für den Wirkungspfad Boden – Grundwasser. Auch der Mittel- und Medianwert lagen darüber. Die CuKonzentrationen im Sickerwasser lagen sogar in 94% der Proben über dem Prüfwert (n=48). Während 3 Werte der Cd-Konzentrationen im BSE den Prüfwerte der BBodschVO für den Wirkungspfad Boden – Grundwasser überschritten, lag der Mittelwert mit 0,70 µg/l und dessen 95%Konfidenzintervall von 0,34 – 1,04 µg/l eindeutig unter dem Prüfwert. Die Cd-Konzentrationen im Sickerwasser überschritten den Prüfwert in 40% der Proben (n=45). Die Zn- und Pb-Konzentrationen im BSE überschritten den Prüfwert nicht, die Zn-Konzentrationen im Sickerwasser überschritten den Prüfwert allerdings noch in 7 (n=39), die Pb-Konzentrationen in nur 3 Fällen (n=43). Tabelle 7.2-6: Einordnung der BSE und des Sickerwassers der Abt. 704 c5 und 708 b3 nach Prüfwerten der BBodSchVO (Wirkungspfad Boden – Grundwasser) Zn Prüfwerte BBodSchVO Cu (Wirkungspfad Boden – Grundwasser) Cd Pb Anzahl der Überschreitungen BSE 704 c5 (n=52) 0 35 3 0 Sickerwasser 704 c5 (n=39-48) 7 45 18 4 Sickerwasser 708 b3 (n=66-75) 1 65 0 0 Vergleich Sickerwasser 704 c5 und 708 b3 In Tabelle 7.2-2 sind ebenfalls die Überschreitungen der Prüfwerte der BBodSchVO für den Wirkungspfad Boden-Grundwasser des Sickerwassers der Abt. 708 b3 zu finden. Der Cu-Prüfwert wurde von 87% der Meßwerte der Cu-Konzentrationen (n=75) überschritten. Der Zn-Prüfwert wurde nur in einem Fall (n=72), der Cd- und Pb-Prüfwert in keinem Fall überschritten. Der Vergleich der Sickerwasserqualitäten der beiden Untersuchungsflächen (Abbildung 7.2-1) zeigt eine höhere Schwermetallbelastung des Sickerwassers in der Abteilung 704 c5. Die beiden Flächen unterscheiden sich im Ton- und Humusgehalt, dem Zeitpunkt der Überlehmung und dem Zustand vor der Überlehmung. Der Ton- und Schluffgehalt der Abt. 704 ist zwar höher als der der Abt. 708 b3 jedoch innerhalb des Überlehmungshorizontes nicht so ausgeglichen wie der Tonund Schluffgehalt der Abt. 708 b3 (siehe Kap. 6.1.1 und 6.1.2). pH Zn 8,5 Cu 1 1 Cd 100 Pb 100 0,1 Pb-Konz. [µg/l] 7 0,1 Cd-Konz. [µg/l] 7,5 Cu-Konz. [mg/l] Zn-Konz. [mg/l] pH (CaCl2) 8 10 1 10 1 6,5 0,01 0,01 704 c5 6 704 c5 708 b3 MW 708 b3 Prüfwert 0,1 704 c5 MW 708 b3 Prüfwert Abbildung 7.2-3: Box-plots der untersuchten Sickerwasserparameter 0,1 704 c5 MW 708 b3 Prüfwert 704 c5 MW 708 b3 Prüfwert 70 7.2. Veränderungen in der Bodenchemie 7. Bewertung Eine auch kleinräumig feinere Verteilung des Tons im Boden, wie sie in der Abt. 708 b3 gefunden wurde, bietet den Schwermetallen eine wesentlich größere und besser zugängliche Adsorbtionsoberfläche. Der Zustand der beiden Flächen vor der Überlehmung kann durch die Humusgehalte und die BodenpH-Werte, die vor der Überlehmung in einem Raster untersucht worden sind (HOFFMANN et al. 2002.2), nachvollzogen werden. In Abbildung 7.2-2 sind die Humusgehalte beider Flächen vor der Überlehmung in 20, 40 und 60 cm Tiefe dargestellt. Während die mittleren Humusgehalte in der Abt. 704 c5 mit der Tiefe schnell abnahmen, waren in der Abt. 708 b3 bis in eine Tiefe von 60 cm immer noch mittlere Humusgehalte von ca. 3 Gew.% zu finden. Die 708 b3 hatte also wesentlich tiefgründigere Ah-Horizonte und damit größere Humusvorräte als die Abt. 704 c5. Die pH-Werte der Abt. 708 b3 lagen trotz höherer Humusvorräte etwa 0,2 Einheiten höher als die der Abt. 704 c5 (Abbildung 7.2-2). Auch das Sickerwasser der Abt. 708 b3 hatte um durchschnittlich 0,5 Einheiten höhere pH-Werte als das der Abt. 704 c5 (Abbildung 7.2-1). Humusgehalt pH 6,5 Humusgehalt [Gew.%] Humusgehalt [Gew.%] 10 8 6 4 2 6 5,5 5 4,5 4 3,5 0 20 cm 40 cm 60 cm 20 cm 704 c5 40 cm 60 cm 20 cm 40 cm 60 cm 704 c5 708 b3 20 cm 40 cm 60 cm 708 b3 Abbildung 7.2-4: Humusgehalte und pH (CaCl2) der Abt. 704 c5 und 708 b3 vor der Überlehmung 7.2.4. Veränderung der pH-Werte und Humusgehalte 704 c5 Die Abt. 704 c5 wurde bereits im Jahr 2000 also vor ihrer Überlehmung im Rahmen eines Forschungsvorhabens (HOFFMANN et al. 2001) ebenfalls in einem 25 m Raster in 3 Tiefen beprobt und Humusgehalt und pH (CaCl2) bestimmt. In Abbildung 7.2-3 wurden diese im Jahr 2000 erhobenen Daten den eigenen Daten aus dem Jahr pH Humus 704 c5 pH 704 c5 8 14 7,5 Humusgehalt [Gew.%] 12 7 10 6,5 8 6 6 5,5 5 4 4,5 2 4 0 3,5 20 cm (2000) 40 cm (2000) 60 cm (2000) 30 cm (2002) 20 cm (2000) 40 cm (2000) 60 cm (2000) 30 cm (2002) Abbildung 7.2-5: Vergleich von Humusgehalt und pH-Wert der Abt.704 vor (2000) und nach der Überlehmung 2002 gegenübergestellt. Die Überlehmung und Einfräsung im Jahr 2001 verursachte eine pH-WertAnhebung um ca. 2,5 Einheiten vom stark sauren in den neutralen Bereich. Der Mittelwert der Humusgehalte nach der Überlehmung lag mit 2,3 Gew.% etwa im Bereich der mittleren Humusgehalte vor der Überlehmung in 40 cm Tiefe. 71 7.2. Veränderungen in der Bodenchemie 7. Bewertung 7.2.5. Diskussion zu Veränderungen in der Abt. 704 c5 Abschätzung der Schwermetallgesamtgehalte der Abt. 704 c5 vor der Überlehmung In HOFFMANN 2002.2 wurden aus eigenen Daten und Datensätzen aus SCHLENTHER et al. 1992 Regressionsgleichungen (Gleichung 8.1-1 ) berechnet, die es ermöglichen sollen, Schwermetallgehalte anhand des Humusgehaltes abzuschätzen. log Zn = 1,05 * (log (Humus) + 1,85) r = 0,92 log Cu = 1,01 * (log (Humus) + 1,35) r = 0,92 log Cd = 1,45 * (log (Humus) + 0,07) r = 0,93 log Pb = 1,28 * (log (Humus) + 1,30) r = 0,96 ( n = 575) Gleichung 7.2-1: Regressionsgleichungen zur Abschätzung der Schwermetall-Belastung in den Rieselfeldern Berlin Buch (HOFFMANN 2002.2) Anhand dieser Regressionsgleichungen wurde die Schwermetallgesamtbelastung vor der Überlehmung für die Abt. 704 abgeschätzt und mit den eigenen Gesamtgehalten nach der Überlehmung verglichen. Theoretisch sollten die Gesamtgehalte nach einer Vermischung des Rieselfeldbodens mit dem Mergel von 1:1 etwa 50% der ursprünglichen Gehalte betragen. Für Cd traf dies mit 48% in etwa zu (Tabelle Tabelle 7.2-7: Abnahme der Schwermetall8.1-1). Zn und Cu blieben mit 34% und 37% gesamtgehalte durch die Überlehmung etwas unter den erwarteten Gehalten. Die PbÄnderung d. Konz. Konz. Rückgang Gehalte fielen jedoch mit nur noch 19% der Gesamtgehalte durch vorher nachher auf (geschätzt) Überlehmung ursprünglichen Gehalte aus der Reihe. Da Pb Humus [Gew.%] 3,4 2,3 67% jedoch sowohl im Bodensättigungsextrakt als Zn [mg/kg] 323,2 108,5 34% auch in der leicht mobilisierbaren Fraktion die Cu [mg/kg] 80,7 29,8 37% geringsten Anteile am Gesamtgehalt aufwies (Kap.6.2.2) und auch im Sickerwasser die Cd [mg/kg] 8,2 3,9 48% Bodensättigungskonzentration nicht überschritt Pb [mg/kg] 233,7 43,5 19% ist nicht von einer Verringerung der Pb-Gesamtgehalte durch Auswaschung auszu-gehen. Die Gründe für den geringen abgeschätzten PbAnteil könnten z.B. in einer zu geringen Korrelation der Humusgehalte und Schwermetalle insbesondere des Pb zu finden sein.. Der mit 67% gegenüber den Schwermetallen erhöhte Humusgehalt könnte durch den erhöhten Kristallwasseranteil in tonhaltigeren Böden, der den Glühverlust erhöht, sowie ebenfalls auf von der Korrelationsgleichung abweichende reale Situationen zurückzuführen sein. Außerdem wurde in dieser Untersuchung nur eine Tiefe beprobt, so daß eventuell vorhandene Tiefengradienten z.B. im Humusgehalt unberücksichtigt blieben.Eine quantitative Abschätzung des Verdünnungseffektes war jedoch durch diese Abschätzung nicht zu leisten. Bindungsformen der Schwermetalle Um eine Veränderung der Bindungsformen der Schwermetalle darzulegen, konnte auf Daten aus SCHLENTHER et al. 1992 zurückgegriffen werden. Im Rahmen dieses Forschungsgutachtens wurden unter anderem an 2 Profilen der Abt. 709 Schwermetallextraktionen für alle Horizonte durchgeführt. Neben den auch in dieser Arbeit angewandten Extraktionsschritten wurde bei SCHLENTHER et al. 72 7.2. Veränderungen in der Bodenchemie 7. Bewertung 1992 zusätzlich eine NH4OAc-Extraktion durchgeführt. Die hier als mäßig nachlieferbar bezeichnete Fraktion wurde so noch einmal in eine leicht nachlieferbare (NH4OAc-Extrakt – NH4NO3-Extrakt) und eine an Mn-Oxide und organisch gebundene Fraktion (NH4-EDTA-Extrakt - NH4OAc-Extrakt) unterteilt. Für den folgenden Vergleich wurden diese beiden Fraktionen zusammengefaßt und weiterhin wie in den vorangegangenen Kapiteln als mäßig mobilisierbare Fraktion bezeichnet. Die beiden bei SCHLENTHER et al. 1992 untersuchten Profile befanden sich im Einlaß- und Auslaßbereich einer Rieselfeldtafel der Abt. 709. 100 19% 10 65% 65,1% 59,8% 32% 34,7% 40% 1 0,1 3% 13% 709 Einlaß 45cm 0- 709 Auslaß 046cm leicht mäßig 0,2% 704 30cm (2002) Cu-Konzentration [mg/kg] 10 75%% 24% 1 1% 1% leicht 0- 709 Auslaß 046cm mäßig Cd 34% 2% 1 94% 54,5% 48,5% 44,2% 1,1% 1,3% 704 30cm (2002) schwer 705 30cm (2002) 57,1% 44,5% 41,7% 54,0% 1,3% 1,5% 704 30cm (2002) 705 30cm (2002) 0,1 4% 0,01 4% 709 Einlaß 45cm 0- 709 Auslaß 046cm leicht 50,4% 0,1 709 Einlaß 45cm 10 705 30cm (2002) Cu 72% 100 62% schwer 1000 27% 0,2% 100 mäßig schwer 10000 Pb-Konzentration [mg/kg] Zn-Konzentration [mg/kg] 1000 Zn 68% Cd-Konzentration [mg/kg] 10000 1000 Pb 76,2% 50% 100 10 23,4% 50% 1 0,1 59% 58% 0% 0,4% 709 Einlaß 45cm 0- 709 Auslaß 046cm leicht mäßig 42% 41% 0% 0% 704 30cm (2002) 705 30cm (2002) schwer Abbildung 7.2-6: Gegenüberstellung der Schwermetall-Bindungsformen nicht überlehmter (Abt.709) und sanierter Rieselfeldstandorte (Abt. 704 c4und 705 b1) In Abbildung 8.1-1 sind die unterschiedlich mobilen Schwermetallfraktionen Fraktionen der Profile der unsanierten Abt. 709 denen der Abt. 704 c5und 705 b1 nach der Überlehmung gegenübergestellt. Der logarithmische Maßstab läßt einen direkten Vergleich der Konzentrationen anhand der Höhe der Balken nur für die leicht mobilisierbarer Fraktion und die Gesamtgehalte zu. Die Veränderung der mäßig und schwer mobilisierbaren Fraktionen sind an den im Diagramm für alle 3 Fraktionen angegebenen prozentualen Anteilen am Gesamtgehalt ersichtlich. Da die Überlehmung eine Verdünnung von etwa 50 % bewirkt haben muß kann davon ausgegangen werden, daß die Schwermetallgesamtgehalte der Abt. 704 c5 vor der Überlehmung etwa doppelt so hoch waren. Somit waren die Flächen704 c5 und 705 b1 in ihrer Vorbelastung vergleichbar bzw. etwas stärker belastet als die des Auslasses der Abt. 709. Der Anteil der leicht mobilisierbaren Bindungsfraktion am Gesamtgehalt war für Zn und Cd in den sanierten Flächen niedriger als am Auslaß der unsanierten Fläche709. Der Anteil der leicht mobilisierbaren Cu-und Pb-Fraktion war vergleichbar hoch. Auffällig waren die höheren mäßig und geringeren schwer mobilisierbaren Anteile am Cu-Gesamtgehalt. 7.2. Veränderungen in der Bodenchemie 73 7. Bewertung 7.2.6. Zusammenfassung der bodenchemischen Ergebnisse Die Schwermetallgesamtgehalte der Raster- und Transektbeprobung unterschieden sich nicht wesentlich voneinander. Hinsichtlich einer Bewertung nach Grenz- und Prüfwerten waren die CdGesamtgehalte unter den anderen Schwermetallen am auffälligsten. Sie überschritten bei einem Mittelwert von ca. 3 mg/kg den Grenzwert für Boden der KlärschlammVO von 1,5 mg/kg. Nach dem Belastungsschema nach METZ et al. 1991 müssen beide Flächen aufgrund der Cd-Gesamtgehalte als hoch belastet, der durch das Transekt gekreuzte ehemalige Einlaßbereich sogar als sehr hoch belastet betrachtet werden. Das Extraktionsverfahren nach BRÜMMER & WELP 2001 ließ ein ähnliches Bindungsverhalten der Schwermetalle in den beiden untersuchten Flächen erkennen. Cu und Cd hatten mit 1,2 % und 1,4 % des Gesamtgehaltes die höchsten Anteile leicht mobilisierbarer Bindungsfraktionen. Sie besaßen weiterhin eine mäßig mobilisierbare Fraktion von 40 – 50 % und eine schwer mobilisierbare Fraktion von 50 – 60 % des Gesamtgehaltes. Zn und Pb waren fast ausschließlich mäßig (mit 40 %) und schwer mobilisierbar (mit 60%) und Zn mit nur 0,2 % und Pb mit < 0,1 % des Gesamtgehaltes leicht mobilisierbar gebunden. Die Untersuchung der löslichen Schwermetallfraktionen durch Bodensättigungsextraktion sowie die Analyse des Sickerwassers lenkten die Aufmerksamkeit stärker auf das Cu. Die Cu-Konzentrationen im BSE als auch im Sickerwasser lagen mit Mittel- und Medianwerten über dem Prüfwert der BBodSchVO für den Wirkungspfad Boden-Grundwasser. Die Cd-Prüfwerte wurden in 6% der BSEKonzentrationen und 40% der Sickerwasserkonzentrationen überschritten. Durch Vergleich der eigenen Ergebnisse im Transekt mit den Ergebnissen aus HOFFMANN et al. 1999 konnte, da sich die Schwermetallgesamtgehalte nach einer 60 – 70 %igen Verdünnung durch die Überlehmung auch 3 Jahre später nicht verändert hatten, konkret eine Abnahme der Mobilität von Zn und Cd aufgezeigt werden. Die Verdünnung der Schwermetallgesamtgehalte der Rasterfläche 704 c5 konnte nicht eindeutig bestimmt werden, da in der Zeit vor der Überlehmung keine Daten über Schwermetallgehalte erhoben wurden. Ein Vergleich der Schwermetallbindungsfraktionen mit Ergebnissen aus SCHLENTHER et al. 1992 an einem wahrscheinlich ähnlich stark vorbelasteten aber nicht sanierten Profil am Auslaß einer Rieselgalerie bestätigte durch eine geringere Mobilität von Zn und Cd die im Transekt ermittelten Ergebnisse. Der leicht mobilisierbare Cu- Anteil unterschied sich nicht war in der überlehmten Fläche etwa genauso hoch, wie im unsanierten Profil. 74 8. Abbildungsverzeichnis 8. Abbildungsverzeichnis Abbildung 4.1-1: Festlegung und Mobilisierung von Schwermetallen im Boden (nach KOß 1993, S. 59 aus: LEITSCHUH & LEWANDOWSKI 1995) .................................................................................................. 17 Abbildung 4.1-2: Ionenverteilung (oben) und Konzentrationsverlauf (unten) in der elektrischen Doppelschicht nach dem Modell von GOUY und STERN (SCHEFFER & SCHACHT-SCHABEL 1998)....................... 17 Abbildung 4.1-3: Übergang von der Adsorption zur Fällung (qualitativ) (nach KOß 1993, S.14 aus LEITSCHUH & LEWANDOWSKI 1995) .................................................................................................. 18 Abbildung 4.1-4: In Böden vorliegende Schwermetall – Fraktionen und Verfahren zu deren Erfassung (BRÜMMER & WELP 2001) ...................................................................................................................... 21 Abbildung 4.2-1: a) Niederschlagsverteilung und b)Wasserführung im Boden (nach LERCH 1991) ................ 22 Abbildung 4.2-2: pF-Kurven und Bodenwasserhaushaltsgrößen (aus HINTERMAIER-ERHARD 1997)......... 23 Abbildung 5.1-1: Lage der Untersuchungsflächen (bearbeitet aus SEN.STADT.UM aus HOFFMANN et al. 2002.1) ......................................................................................................................................................... 28 Abbildung 5.1-2: Abt. 708 b3.............................................................................................................................. 29 Abbildung 5.1-3: Abt. 704 c5 .............................................................................................................................. 29 Abbildung 5.2-1: Aufbau der Meßfläche 704 c5 ................................................................................................. 31 Abbildung 5.3-1: Wege und Probenahmepunkte in der Fläche 704 c5................................................................ 32 Abbildung 5.3-2: Lage der Wege und des Transektes auf der Fläche 705 b1 ..................................................... 32 Abbildung 5.4-1: Körnungsdreieck zur Bestimmung der Bodenart (aus BLUME 1985).................................... 35 Abbildung 6.1-1: Summenkurve der Korngrößenverteilung der Abt. 704 c5 in 20 und 60 cm Tiefe ................ 36 Abbildung 6.1-2: Mittelwerte und Streuung der pF-Kurven der Abt.704 c5 in 20 und 60 cm Tiefe................... 37 Abbildung 6.1-3: Gegenüberstellung der Wassergehaltsdynamik von Kuppe und Delle in der Abt. 704 c5 (Fehlende Niederschlagsdaten aus dem Untersuchungsgebiet wurden als graue negative Balken dargestellt.) ...................................................................................................................................................................... 38 Abbildung 6.1-4: Vergleich Permanenter Welkepunkt PWP, niedrigster Wassergehalt WG(min) und Feldkapazität FK im Labor und im Gelände mit TDR der Abt. 704 c5 ....................................................... 39 Abbildung 6.1-5: Summenkurven der Korngrößenverteilung der Abt. 708 b 3 in 30, 60 und 80 cm Tiefe ........ 40 Abbildung 6.1-6: Mittelwerte der pF-Kurven der Abt. 708 b3 in 30, 60 und 80 cm Tiefe.................................. 40 Abbildung 6.1-7: Vergleich Permanenter Welkepunkt PWP, geringster Wassergehalt WG(min) und Feldkapazität FK an Stechzylindern (Labor) und im Gelände (TDR) der Abt. 708 b3................................ 42 Abbildung 6.1-8: Wassergehaltsdynamik in der Abt.708 b3 (Fehlende Niederschlagsdaten aus dem Untersuchungs-gebiet wurden als graue negative Balken dargestellt.) ........................................................ 42 Abbildung 6.2-1: Flächenhafte Darstellung der pH-Werte und Humusgehalte der Abt. 704 c5 ......................... 43 Abbildung 6.2-2: Flächenhafte Darstellung der Schwermetallkonzentrationen im Bodensättigungs-extrakt in der Abt. 704........................................................................................................................................................ 44 Abbildung 6.2-3: Flächenhafte Darstellung der Schwermetall-Gesamtgehalte in der Abt. 704 c5 ..................... 46 Abbildung 6.2-4: Flächenhafte Darstellung der leicht, mäßig und schwer mobilisierbaren Schwermetallkonzentrationen in der Abt. 704 c5......................................................................................... 47 Abbildung 6.2-5: Mittlere Anteile der unterschiedlich gut mobilisierbaren Schwermetallfraktionen am Gesamtgehalt der Abt.704 c5 ....................................................................................................................... 48 Abbildung 6.2-6: pH-Werte (CaCl2), Humus- und Wassergehalte im Transekt der Abt. 705 b1 ........................ 50 Abbildung 6.2-7: Konzentrationen im Bodensättigungsextrakt entlang des Transektes der Abt. 705 b1............ 51 Abbildung 6.2-8: Schwermetall-Gesamtgehalte entlang des Transektes Abt.705 b1 .......................................... 52 Abbildung 6.2-9: Konzentrationen der leicht, mäßig und schwer mobilisierbaren Schwermetall-Fraktionen entlang des Transektes 705 b1...................................................................................................................... 53 Abbildung 6.2-10: Mittlere Anteile der Schwermetallfraktionen am Gesamtgehalt Abt. 705............................. 55 75 8. Abbildungsverzeichnis Abbildung 6.2-11: Semi-Variogramme der pH-Werte, Humus- und Cu-Gesamtgehalte im Transekt 705 b1 .... 56 Abbildung 6.2-12: Vergleich der löslichen (BSE), der leicht mobilisierbaren und der GesamtSchwermetallgehalte der Abt. 704 c5 mit der Abt. 705 b1........................................................................... 57 Abbildung 6.2-13: Zeitreihen der pH-Werte, elektrischen Leitfähigkeiten und Cu-Konzen-trationen im Sickerwasser der Abt.704 c5 ........................................................................................................................ 58 Abbildung 6.2-14: Zeitreihen der pH-Werte, el. Leit-fähigkeiten und Cu-Konzentrationen im Sickerwasser der Abt.708 b3.................................................................................................................................................... 59 Abbildung 6.2-15: Mittelwerte der Sickerwasser- und BSE-Konzentrationen der Abt. 704 ............................... 60 Abbildung 7.1-1: Anteile von Totwasser, nutzbarem Wasser und Luft am Gesamtporenvolumen in den Abt. 709, 708 und 704.......................................................................................................................................... 61 Abbildung 7.1-2: Niederschläge und Grasreferenzverdunstung von 1982-2002................................................. 63 Abbildung 7.1-3: Vergleich der jährlichen mittleren Grundwasserneubildungs der Abteilungen 709, 708 und 704................................................................................................................................................................ 63 Abbildung 7.2-1: Entwicklung der pH-Werte und des Humusgehaltes im Transekt 705.................................... 66 Abbildung 7.2-2: Mittlere Schwermetallgesamtgehalte und der mobile bzw. der leicht mobilisierbare Fraktionen im Transekt der Abt. 705 vor der Überlehmung 1998 und danach 1999 / 2002 ......................................... 67 Abbildung 7.2-3: Box-plots der untersuchten Sickerwasserparameter ................................................................ 69 Abbildung 7.2-4: Humusgehalte und pH (CaCl2) der Abt. 704 c5 und 708 b3 vor der Überlehmung ................ 70 Abbildung 7.2-5: Vergleich von Humusgehalt und pH-Wert der Abt.704 vor (2000) und nach der Überlehmung ...................................................................................................................................................................... 70 Abbildung 7.2-6: Gegenüberstellung der Schwermetall-Bindungsformen nicht überlehmter (Abt.709) und sanierter Rieselfeldstandorte (Abt. 704 c4und 705 b1) ................................................................................ 72 Abbildung 12.1-1: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen der pH-Werte, der Humus- und der Wassergehalte der Rasterprobenahme der Abteilung 704...............................................................................I Abbildung 12.1-2: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen Schwermetallgehalte im Bodensättigungsextrakt (BSE) der Rasterprobenahme der Abteilung 704......................................................I Abbildung 12.1-3: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen leicht mobilisierbaren Schwermetallgehalte (NH4NO3-Extrakt) der Rasterprobenahme der Abteilung 704..................................................................... II Abbildung 12.1-4: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen mäßig mobilisierbaren Schwermetallgehalte (EDTA- - NH4NO3-Extrakt) der Rasterprobenahme der Abteilung 704 ....................................................... II Abbildung 12.1-5: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen schwer mobilisierbaren Schwermetallgehalte (Gesamt - EDTA-Extrakt) der Rasterprobenahme der Abteilung 704 .........................................................III Abbildung 12.1-6: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen der Schwermetall-Gesamtgehalte (HNO3Druckaufschluß) der Rasterprobenahme der Abteilung 704 ........................................................................III Abbildung 12.1-7:Verteilung in der Fläche 704 c5 der Wassergehalte N ........................................................... IV Abbildung 12.1-8: Prozentualer Anteil der Schwermetall-Bindungsfraktionen am Gesamtgehalt der Abt. 704 sortiert nach dazugehörigen Humusgehalten................................................................................................ IV Abbildung 12.2-1: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen der pH-Werte, der Humus- und der Wassergehalte der Rasterprobenahme der Abteilung 705..............................................................................V Abbildung 12.2-2: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen Schwermetallgehalte im Bodensättigungsextrakt (BSE) der Rasterprobenahme der Abteilung 705.....................................................V Abbildung 12.2-3: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen leicht mobilisierbaren Schwermetallgehalte (NH4NO3-Extrakt) der Rasterprobenahme der Abteilung 705.................................................................... VI Abbildung 12.2-4: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen mäßig mobilisierbaren Schwermetallgehalte (EDTA- - NH4NO3-Extrakt) der Rasterprobenahme der Abteilung 704 ...................................................... VI Abbildung 12.2-5: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen schwer mobilisierbaren Schwermetallgehalte (Gesamt - EDTA-Extrakt) der Rasterprobenahme der Abteilung 704 ....................................................... VII 76 8. Abbildungsverzeichnis Abbildung 12.2-6: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen der Schwermetall-Gesamtgehalte (HNO3Druckaufschluß) der Rasterprobenahme der Abteilung 704 ...................................................................... VII Abbildung 12.2-7: Prozentualer Anteil der Schwermetall-Bindungsfraktionen am Gesamtgehalt der Abt. 705 sortiert nach dazugehörigen Humusgehalten............................................................................................. VIII Abbildung 12.2-8: Semi-Variogramme der Schwermetallbindungsfraktionen der Abt. 705............................ VIII Abbildung 12.2-9: Vergleich der mäßig und schwer mobilisierbaren Fraktionen und der SchwermetallGesamtgehalte der Abt. 704 c5 und 708 b3.................................................................................................. IX Abbildung 12.3-1: Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser der Abt. 704 c5........................................... IX Abbildung 12.3-2: Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser der Abt. 708 b3 .......................................... IX Abbildung 12.4-1: Schwermetall-Gesamtgehalte im Transekt derAbt.705 b1 vor der Überlehmung 1998 und nach der Überlehmung 1999 und 2002 ..........................................................................................................X Abbildung 12.4-2: Mobile und leicht mobilisierbare Schwermetall-Fraktionen im Transekt der Abt. 705 b1 vor der Überlehmung 1998 und nach der Überlehmung 1999 und 2002..............................................................X Abbildung 12.4-3: Anteile Mobiler und leicht mobilisierbarer Schwermetall-Fraktionen am Gesamtgehalt im Transekt der Abt. 705 b1 vor der Überlehmung 1998 und nach der Überlehmung 1999 und 2002............. XI 77 9. Tabellenverzeichnis 9. Tabellenverzeichnis Tabelle 4.1-1: Literatur- und Vergleichswerte für Schwermetallgehalte in Böden und Bodenlösungen ............. 16 Tabelle 4.1-2: Grenz-pH-Werte, häufige Bereiche der Transferkoeffizienten und relative Verfügbarkeit ausgewählter Schwermetalle (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1998). ............................................. 19 Tabelle 4.1-3: Definition der Bindungsfraktionen nach BRÜMMER & WELP 2001......................................... 21 Tabelle 4.2-1: Bewertung des Gesamtporenvolumens (KOFALK et al. 1999).................................................... 24 Tabelle 4.2-2: Bewertung der Luftkapazität (KOFALK et al. 1999) ................................................................... 24 Tabelle 4.2-3: Bewertung der Feldkapazität im gründigen Bereich (KOFALK et al. 1999) ............................... 24 Tabelle 4.2-4: Bewertung der nFK im gründigen Bereich (KOFALK et al. 1999).............................................. 25 Tabelle 4.2-5: Mittlerer effektiver Wurzelraum (KOFALK et al. 1999).............................................................. 25 Tabelle 4.2-6: Bewertung des ökologischen Feuchtezustandes für Berlin (KOFALK et al. 1999)...................... 25 Tabelle 4.2-7: Koeffizienten der Powerfunktion zur Berechnung der realen Evapotranspiration........................ 27 Tabelle 6.1-1: Ergebnisse der Korngrößenanalyse der Abt. 704 c5 ..................................................................... 36 Tabelle 6.1-2: Kenngrößen des Boden-Wasserhaushaltes der Abt. 704 c5.......................................................... 37 Tabelle 6.1-3: Ergebnisse der Texturanalyse der Abt. 708 b3 ............................................................................. 39 Tabelle 6.1-4: Kenngrößen des Boden-Wasserhaushaltes der Abt. 708 b3.......................................................... 41 Tabelle 6.2-1: Ergebnisse der Bodensättigungsextraktionen (BSE) der Abt.704................................................. 45 Tabelle 6.2-2: Ergebnisse der Schwermetall-Gesamtgehalte der Abt.704 ........................................................... 45 Tabelle 6.2-3: Ergebnisse der Schwermetall-Extraktionen der Abt.704 (Anzahl n = 52) .................................... 48 Tabelle 6.2-4: Prozentuale Anteile der Schwermetallfraktionen am Gesamtgehalt der Abt. 704 ........................ 49 Tabelle 6.2-5: Korrelationskoeffizienten der Schwermetallfraktionen zu pH und Humusgehalt......................... 49 Tabelle 6.2-6: pH-Werte (CaCl2), Humus- und Wassergehalte im Transekt der Abt. 705 b1.............................. 50 Tabelle 6.2-7: Ergebnisse der Bodensättigungsextraktionen (BSE) der Abt. 705 b1........................................... 51 Tabelle 6.2-8: Ergebnisse der Schwermetall-Gesamtgehalte der Abt.705 b1 ...................................................... 52 Tabelle 6.2-9: Ergebnisse der leicht mobilisierbaren Schwermetallgehalte des Transektes 705 b1 (n = 21)....... 54 Tabelle 6.2-10: Mittlere Anteile der Schwermetallfraktionen am Gesamtgehalt im Transekt der Abt.705 b1 .... 54 Tabelle 6.2-11: Pearsonsche Korrelationskoeffizienten der Schwermetallfraktionen zu pH und Humusgehalt (Anzahl n = 21) ............................................................................................................................................ 56 Tabelle 6.2-12: Ergebnisse der Sickerwasseruntersuchungen vom 24.04. - 21.10.02 in der Abt. 704 c5............ 58 Tabelle 6.2-13: Ergebnisse der Sickerwasseruntersuchungen vom 24.04. - 21.10.02 in der Abt. 708 b3............ 59 Tabelle 7.1-1: Gegenüberstellung bodenphysikalischer Parameter der Abt. 709 (unsaniert) und der Abt. 708 b3 und 704 c5 (überlehmt) ................................................................................................................................ 62 Tabelle 7.1-2: Mit unterschiedlicher Nutzung und Klimadaten von ´82 - ´02 simulierte jährliche Grundwasserneubildung der Abt. 704, 708 und 709 .................................................................................... 62 Tabelle 7.1-3: Verringerung der Grundwasserneubildung GWneu der überlehmten Abt. 704 und 708 gegenüber der nicht überlehmten Abt. 709 bei deren Nutzung als Grünland. ............................................................... 63 Tabelle 7.2-1: Einordnung der Schwermetall-Gesamtgehalte der Abt. 705 b1 nach Grenzwerten der KlärschlammVO, Prüfwerten der BBodSchVO und dem Belastungsschema nach METZ.......................... 65 Tabelle 7.2-2: Überschreitungen der Prüfwerte der BBodSchVO (Wirkungspfad Boden – Grundwasser) durch Konzentrationen im BSE der Abt. 705 b1.................................................................................................... 65 Tabelle 7.2-3: Ergebnisse der Einfaktoriellen Varianzanalyse der Humusgehalte von 1999 und 2002............... 67 Tabelle 7.2-4: Ergebnisse der Einfaktoriellen Varianzanalyse der Anteile mobilen bzw. leicht mobilisierbaren Cd am Gesamtgehalt von 1999 und 2002..................................................................................................... 68 Tabelle 7.2-5: Einordnung der Schwermetall-Gesamtgehalte der Abt. 704 c5 nach Grenzwerten der KlärschlammVO und dem Belastungsschema nach METZ ......................................................................... 68 78 9. Tabellenverzeichnis Tabelle 7.2-6: Einordnung der BSE und des Sickerwassers der Abt. 704 c5 und 708 b3 nach Prüfwerten der BBodSchVO (Wirkungspfad Boden – Grundwasser) .................................................................................. 69 Tabelle 7.2-7: Abnahme der Schwermetall-gesamtgehalte durch die Überlehmung ........................................... 71 Tabelle 12.1-1: Pearsonsche Korrelationskoeffizienten der Schwermetallfraktionen der Abteilung 704 untereinander und zu pH (CaCl2) und Humusgehalt .................................................................................... IV Tabelle 12.2-1: Korrelationskoeffizienten der Schwermetallfraktionen der Abteilung 704 untereinander und zu pH (CaCl2) und Humusgehalt....................................................................................................................... IX Tabelle 12.4-1:Ergebnisse der einfaktoriellen Varianzanalyse der pH-Werte und der SchwermetallGesamtgehalte der Transektbeproungen der Abt. 705 b1 von 1999 und 2002............................................. XI Tabelle 12.4-2: Ergebnisse der einfaktoriellen Varianzanalyse der Pb-Gesamtgehalte der Transekt-beproungen der Abt. 705 b1 von 1999 und 2002 in 0 - 130 m (schwächer belasteter Bereich) und > 130 m (ehemaliger Einlaßbereich) ............................................................................................................................................ XII Tabelle 12.4-3: Ergebnisse der einfaktoriellen Varianzanalyse der Anteile der mobilen bzw. leicht mobilisierbaren Zn-Fraktion am Gesamtgehalt der Transektbeproungen der Abt. 705 b1 von 1999 und 2002 .................................................................................................................................................................... XII 79 10. Gleichungsverzeichnis 10. Gleichungsverzeichnis Gleichung 4.1-1: Gleichungen von FREUNDLICH und LANGMUIR zur Erstellung von Adsorptionsisothermen ...................................................................................................................................................................... 18 Gleichung 4.2-1: Lagerungsdichte und Gesamtporenvolumen ............................................................................ 23 Gleichung 4.2-2: Zusammenhänge der Bodenwasserhaushaltsgrößen ................................................................ 24 Gleichung 4.2-3: Umrechnung von [Vol.%] in [l / m2] oder [mm]...................................................................... 24 Gleichung 4.2-4: Prinzipielle Zusammenhänge zwischen den Wasserhaushaltsgrößen zur Berechnung der Grundwasserneubildung (WESSOLEK & TRINKS 2002).......................................................................... 26 Gleichung 4.2-5: Powerfunktion zur Berechnung der realen Evapotranspiration (WESSOLEK & TRINKS 2002) ...................................................................................................................................................................... 27 Gleichung 5.4-1: Berechnung des gravimetrischen Wassergehaltes.................................................................... 33 Gleichung 5.4-2: Berechnung des Humusgehaltes .............................................................................................. 33 Gleichung 5.4-3: Berechnung der Wassergehalte für die pF-Kurve .................................................................... 34 Gleichung 5.4-4: Berechnung des volumetrischen Wassergehaltes..................................................................... 34 Gleichung 5.4-5: Berechnung der Lagerungsdichte............................................................................................. 34 Gleichung 5.4-6: Berechnung des Porenvolumens .............................................................................................. 35 Gleichung 7.2-1: Regressionsgleichungen zur Abschätzung der Schwermetall-Belastung in den Rieselfeldern Berlin Buch (HOFFMANN 2002.2)............................................................................................................. 71 80 11. Literaturverzeichnis 11. Literaturverzeichnis ALLOWAY, B. J. (1999): Schwermetalle in Böden. Analytik, Konzentrationen, Wechselweirkung. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 540 S. AUHAGEN; A., R. CORNELIUS, E. KILZ, S. KOHL, M. KRAUSS, K. LAKENBERG, B. MARSCHNER, W. SCHILLING, H.J. SCHLOSSER, A. SCHMIDT (1994): Sanierungsund Gestaltungskonzeptionfür die ehemaligen Rieselfelder im Bereich des Forstamtes Buch. Phase 1:1991 –1993. Kultirbuch Verlag Berlin. 237 S., 25 Karten. BLUME, H. P. (1985): Schwermetallbelastung Berliner Böden. in: SENATOR FÜR STADTENTWICKLUNG UND UMWELTSCHUTZ BERLIN (Hrsg.): Umwelt und Naturschutz für Berliner Gewässer - Dokumentation zum Symposium „Bodenschutzprogramm Berlin“ 10./11.6.1985 Berlin. Arbeitsheft 2: S. 47-54. BOHL, H. (1996): Eichung von TDR zur Wassergehaltsbestimmung in Böden auf Basis gemischtdielektrischer Modelle. Bodenökologie und Bodengenese 22, 136 S. BOWO, C. (1997): Wasserhaushalt eines ehemaligen Rieselfeldstandortes in Berlin-Buch. Dissertation am FB 7 der TU Berlin. 90 S. BRÜMMER, G.W.; TILLER, K.G.; HERMS, U.; CLAYTON, P.M. (1983): Adsorption – Desorption and / or Precioition – Dissolution processes of Zinc in Soils. Geoderma 31, S.337-354. BRÜMMER, G.W.; WELP, G. (2001): Mobile und mobilisierbare Fraktionen anorganischer Schadstoffe in Böden: Konzeptionelle Grundlagen und Analysenbefunde. Mitteilungen Deutsche Bodenkundliche Gesellschaft, 96 / I, S.163 – 164. BBODSCHVO (1999): Bundes- Bodenschutz- und Altlastenverordnung. Bundesgesetzblatt vom 16.07.99 Teil I, 36: S.1554-1582. GINZEL, G; NÜTZMANN, G. (1998): Veränderungen ökohydrologischer und hydrologischer Verhältnisse in einem ehemaligen Rieselfeldareal im Nordosten Berlins. Bodenökologie und Bodengenese 26: 73-85. GRENZIUS, R. (1987): Die Böden Berlins (West) – Klassifizierung, Vergesellschaftung, ökologische Eigenschaften. Dissertation am FB 14 der TU-Berlin. 522 S.Fünfzig Jahre Berliner Stadtentwässerung. Verlag Alfred Metzner Berlin. 586 S. 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(2002.2): Schwermetallmobilität und Risikopotentiale der Rieselfeldböden Berlin Buch. Bodenökologie und Bodengenese 35, 226 S. 81 11. Literaturverzeichnis HOFFMANN, C.; BÖKEN, H.; METZ, R.; PIEPER, S.; FLEISCHMANN, S.; WILKE, B.-M.; ERTL, Ch.; GINZEL, G.; WESSOLEK, G. (2001): Immobilisierung von Schwermetallen auf Rieselfeldflächen der Berliner Forsten. Abschlußbericht der Unterauftragnehmer zur wissenschaftlichen Begleitung des Forschungsvorhabens. KLÄRSCHLAMMVERORDNUNG (1992): Bundesgesetzblatt, Jg.1992, Teil I, S. 912-934. KOFALK, U.; KRÖHN, U.; MARSCHNER, B.; PERSCHON, A.; ROTH, CH.; RENGER, M.; RÜSCH, R.; WESSOLEK, G. (1999): Anleitung zur Beschreibung, Deutung und ökologischen Bewertung von Böden, TU-Berlin, Institut für Ökologie, Fachgebiet Bodenkunde und Regionale Bodenkunde. KOß, V.(1993): Zur Modellierung der Metalladsorption im natürlichen Sediment-GrundwasserSystem. Berlin: Köster 1993, Wissentschaftliche Schriftenreihe Umwelttechnik; Bd.1 LEITSCHUH, S.; LEWANDOWSKI, J. 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SENATSVERWALTUNG FÜR STADTENTWICKLUNG UND UMWELTSCHUTZ [SEN.STADT.UM.] (Internet): Auszug aus dem digitalen Umweltatlas Berlin: Karten der ehemaligen Rieselfelder. http://www.stadtentwicklung.berlin.de /umwelt/umweltatlas/i110.htm ZEIEN, H.; BRÜMMER, G.W. (1989): Chemische Extraktion zur Bestimmung von Schwermetallbindungsformen in Böden. Mitteilungen Deutsche Bodenkundliche Gesellschaft, 59 / I, 505 – 510. 82 11. Literaturverzeichnis ZEIEN, H.; BRÜMMER, G.W. (1991): Ermittlung der Mobilität und Bindungsformen von Schwermetallen in Böden mittels sequentieller Extraktion. Mitteilungen Deutsche Bodenkundliche Gesellschaft, 66 / I, 439 – 442. WESSOLEK, G.; TRINKS, S. (2002): Entwicklung von boden- und nutzungsspezifischen Regressionsgleichungen zur Ermittlung der Gundwasserneubildung. Teil: Sickerwasserrate aus dem Boden. Bericht an die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe. (unveröffentlicht) WOHLRAB, B.; ERNSTBERGER, H.; MEUSER, A.; SOKOLLEK, V. (1992): Landschaftswasserhaushalt. Verlag Paul Parey, Hamburg und Berlin Anhang A Anhang I Histogramm Zn im BSE [µg/l] 0 12. Anhang 10 20 Häufigkeit [%] 30 40 50 0 70 65 Histogramm pH 704 Häufigkeit [%] 10 15 20 25 5 Histogramm pH 704 Box-plot pH 704 30 pH 0 35 0,0E+00 6,2 9,0E-08 6,6 1,8E-07 7,0 2,7E-07 c(H) 9,7E-08 5,9E-15 7,7E-08 2,18 5,79 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. Histogramm Corg 704 30 Häufigkeit [%] 10 15 20 5 0,30 2,2 0,60 3,0 0,90 3,8 1,20 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm WG 704 10 15 20 25 30 0 6,42 6,91 7,09 7,35 7,73 0,09 Box-plot Corgb 704 25 Corg Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß log Corg 0,79 0,08 0,29 -0,19 -0,85 Häufigkeit [%] 5 10 15 20 25 30 35 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. Corg 2,21 0,55 0,74 0,21 0,33 Box-plot log WG 704 1,4 8,0 1,8 2,2 14,0 2,6 52 7,57 4,32 2,08 0,85 1,28 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Abbildung 12.1-1: 3,71 6,15 7,41 8,48 14,21 0,65 Häufigkeit [%] 10 15 20 5 log WG 1,99 0,07 0,27 -0,06 0,38 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen der pH-Werte, der Humus- und der Wassergehalte der Rasterprobenahme der Abteilung 704 logc 1,20 0,14 0,37 0,35 -0,76 Häufigkeit [%] 10 20 0 30 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 15,84 449 21,18 4,78 1,34 Box-plot log Cu im BSE 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 52 81,70 2723 52,19 0,85 0,19 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 10 Häufigkeit [%] 20 30 40 50 13,65 41,56 70,42 112,80 218,35 16,22 0 0,0 1,6 3,2 4,8 6,4 Cu Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß logc 1,82 0,10 0,31 -0,35 -0,73 Histogramm log Cd im BSE 704 Box-plot Cd im BSE 60 10 20 Häufigkeit [%] 30 40 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 65,38 4590 67,75 16,17 1,04 Box-plot log Cd im BSE -3,0 -2,0 -1,0 0,0 1,0 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 51 1,34 2,60 1,61 2,05 4,00 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Pb im BSE WG 7,30 5,16 2,27 0,64 0,31 Zn Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Histogramm log Cu im BSE 704 Box-plot Cu im BSE 10 Häufigkeit [%] 20 30 40 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 0,06 0,29 0,75 1,75 6,82 0,51 Cd Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß logc -0,18 0,36 0,60 -0,98 2,66 Histogramm log Pb im BSE 704 Box-plot Pb im BSE 0 50 10 Häufigkeit [%] 20 30 40 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 0,66 4 1,98 0,36 2,99 Box-plot log Pb im BSE -0,9 -0,3 0,3 0,9 1,5 0 6 12 18 24 WG Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 3,50 8,88 14,25 26,25 90,50 6,64 25 0 60 120 180 240 [µg/l] 0 1,0 11,0 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 20 Histogramm log WG 704 5,0 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Cd im BSE 1,19 1,75 2,16 2,79 3,86 0,20 35 2,0 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 0 [µg/l] 0 Box-plot WG 704 Häufigkeit [%] 5 Häufigkeit [%] 5 10 15 0 0,00 52 2,30 0,42 0,65 0,29 -0,76 52 7,12 0,09 0,30 -0,18 -0,18 Histogramm log Corg 704 30 1,4 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß pH 7,01 0,06 0,25 0,10 0,04 Box-plot Corg 704 25 52 22,84 457 21,37 1,58 1,68 Histogramm Cu im BSE [µg/l] 0,6 0 Box-plot pH 704 25 7,8 Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß [Gew.%] 0 Häufigkeit [%] 10 15 20 5 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 7,4 3,6E-07 Box-plot log Zn im BSE 40 95 12.1. Anhang A 0 Häufigkeit [%] 20 30 10 0,0 0,6 1,2 1,8 5 35 c(H) [mol/l] Histogramm log Zn im BSE 704 Box-plot Zn im BSE 60 51 5,04 22,24 4,72 2,32 6,93 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 0,32 2,17 4,27 5,33 24,64 1,48 Pb Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß logc 0,52 0,20 0,45 -0,75 0,37 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. Abbildung 12.1-2: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen Bodensättigungsextrakt (BSE) der Rasterprobenahme der Abteilung 704 c 3,31 36 6,01 1,27 1,81 Schwermetallgehalte im Anhang A Histogramm Zn-leicht mob. 704 [µg/kg] 0 Häufigkeit [%] 20 30 10 Anhang II Histogramm log Zn-leicht mob. Box-plot Zn leicht mob. 40 0 10 Häufigkeit [%] 20 30 Box-plot log Zn leicht mob. 40 Histogramm Zn-mäßig mob. 704 Häufigkeit [%] [mg/kg] 0 10 20 30 Histogramm log Zn-mäßig mob. Box-plot Zn mäßig mob. 40 0 0 1,4 140 1,8 0 0,0 280 2,2 40 0,6 2,6 420 560 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 52 189,4 14045,4 118,5 1,29 1,19 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Cu-leicht mob. 704 [µg/kg] 0 10 Häufigkeit [%] 20 logc 2,20 0,07 0,26 0,08 -0,59 Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Histogramm log Cu-leicht mob. Box-plot Cu leicht mob. 30 0 0 n 10 Häufigkeit [%] 20 30 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 158,70 17116 130,83 32,61 0,82 Box-plot log Cu leicht mob. 40 200 600 800 2,4 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 52 39,7 822,9 28,7 1,57 2,93 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Cu-mäßig mob. 704 10 Häufigkeit [%] 20 20 2,8 30 0 52 335,4 28992,5 170,3 0,61 -0,01 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Cd-leicht mob. 704 [µg/kg] 0 10 Häufigkeit [%] 20 30 85,00 201,25 316,88 438,13 823,75 52,92 0 0 0,0 40 0,6 120 160 logc 2,46 0,06 0,24 -0,46 -0,51 Histogramm log Cd-leicht mob. Box-plot Cd leicht mob. 80 Cu Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 10 Häufigkeit [%] 20 30 40 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 291,17 48597 220,45 55,76 0,76 Box-plot log Cd leicht mob. logc 1,49 0,11 0,33 -0,44 0,13 10 Häufigkeit [%] 20 30 40 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 30,88 1212 34,81 8,17 1,13 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 12,35 146,19 12,09 2,92 0,98 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 1,29 3,29 1,81 0,40 1,41 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 14,98 138,62 11,77 2,96 0,79 Box-plot log Cu mäßig mob. 0,0 0,5 1,0 1,5 40 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Zn Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Histogramm log Cu-mäßig mob. Box-plot Cu mäßig mob. 10 2,4 4,94 20,21 33,63 51,33 141,84 8,92 30 0 2,0 400 Box-plot log Zn mäßig mob. 160 [mg/kg] 0 1,6 40 1,8 120 47,50 100,00 158,75 217,81 530,00 36,84 Häufigkeit [%] 20 30 1,2 80 3,0 10 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 52 15,2 93,2 9,7 0,93 0,44 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Cd-mäßig mob. 704 [mg/kg] 0 Häufigkeit [%] 20 30 10 40 2,43 7,53 14,19 21,05 43,93 3,00 Cu Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß logc 1,09 0,09 0,30 -0,26 -0,70 Histogramm log Cd-mäßig mob. Box-plot Cd mäßigt mob. 0 0,0 -1,2 1,6 -0,6 1,2 3,2 0,0 1,8 4,8 10 Häufigkeit [%] 20 30 40 Box-plot log Cd mäßig mob. 0,6 6,4 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 51 1,34 2,60 1,61 2,05 4,00 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm log Pb-leicht mob. [µg/kg] 0 Häufigkeit [%] 10 20 30 40 0,06 0,29 0,75 1,75 6,82 0,51 Cd Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß logc -0,18 0,36 0,60 -0,98 2,66 Histogramm log Pb-leicht mob. Box-plot Pb leicht mob. 0 Häufigkeit [%] 10 20 30 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 0,66 4 1,98 0,36 2,99 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Box-plot log Pb leicht mob. Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm log Pb-mäßig mob. [mg/kg] 0 0,0 0 18 36 54 72 52 1,8 1,9 1,4 1,01 0,60 Häufigkeit [%] 10 20 30 40 0,14 0,66 1,41 2,56 5,85 0,43 logc 0,11 0,15 0,38 -0,37 -0,59 Histogramm log Pb-mäßig mob. Box-plot Pb mäßig mob. Häufigkeit [%] 0 0,5 0 0,4 1,0 16 0,8 1,5 32 1,2 48 1,6 2,0 Cd Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 10 20 30 40 Box-plot log Pb mäßig mob. 2,0 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 52 18,5 295,7 17,2 1,79 3,25 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 1,40 7,08 11,88 26,17 73,18 5,35 Pb Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß logc 1,09 0,17 0,41 -0,25 -0,32 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 12,37 389,12 19,73 4,27 1,60 Abbildung 12.1-3: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen leicht Schwermetallgehalte (NH4NO3-Extrakt) der Rasterprobenahme der Abteilung 704 mobilisierbaren Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 52 17,4 91,8 9,6 1,20 2,54 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 4,08 10,64 16,44 22,31 53,04 2,98 Pb Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß logc 1,18 0,06 0,25 -0,40 -0,20 Abbildung 12.1-4: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen mäßig mobilisierbaren Schwermetallgehalte (EDTA- - NH4NO3-Extrakt) der Rasterprobenahme der Abteilung 704 Anhang A Histogramm Zn-schwer mob. [mg/kg] Häufigkeit [%] 20 40 0 Anhang III 60 Histogramm log Zn-schwer mob. Box-plot Zn schwer mob. Häufigkeit [%] 0 20 40 60 Histogramm Zn-gesamt 704 Box-plot log Zn schwer mob. [mg/kg] 0 Häufigkeit [%] 20 30 10 40 Histogramm log Zn-gesamt Box-plot Zn gesamt 50 0 0 1,0 0 1,0 100 1,4 100 1,5 200 1,8 200 2,0 2,2 300 2,5 2,6 400 3,0 300 400 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 52 68,6 3053,1 55,3 4,07 20,52 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Cu-schwer mob. [mg/kg] 0 Häufigkeit [%] 40 20 60 20,03 43,99 58,21 76,23 379,77 17,17 Zn Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Histogramm log Cu-schwer mob. Box-plot Cu schwer mob. 0 Häufigkeit [%] 40 60 20 logc 1,76 0,05 0,23 0,83 2,48 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 57,98 1682,37 41,02 10,49 0,71 Box-plot log Cu schwer mob. Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 52 189,4 14045,4 118,5 1,29 1,19 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 0 10 Häufigkeit [%] 20 47,50 100,00 158,75 217,81 530,00 36,84 0 30 0 0,0 0 0,75 10 0,5 14 1,05 1,0 28 20 30 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 52 14,2 42,2 6,5 1,14 2,45 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Cd schwer mob. [mg/kg] 0 10 Häufigkeit [%] 20 30 40 Histogramm log Cd-schwer mob. Box-plot Cd schwer mob. 0,0 1,6 3,2 Cu Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 0 10 20 30 Häufigkeit [%] 40 50 logc 1,11 0,04 0,21 -0,65 1,14 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 12,83 63,51 7,97 2,08 0,62 Box-plot log Cd schwer mob. 0 0,0 -0,6 2,0 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 52 2,1 1,4 1,2 1,14 1,20 0 Häufigkeit [%] 10 20 30 40 Cd Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Histogramm log Pb-schwer mob. Häufigkeit [%] 0 10 20 30 40 50 logc 0,25 0,07 0,26 -0,40 0,63 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 1,76 2,00 1,41 0,35 0,80 Box-plot log Pb schwer mob. 0 0,9 60 1,5 90 2,1 logc 2,20 0,07 0,26 0,08 -0,59 10 Häufigkeit [%] 20 30 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 158,70 17116 130,83 32,61 0,82 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 291,17 48597 220,45 55,76 0,76 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 39,60 4349,44 65,95 14,11 1,67 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 12,37 389,12 19,73 4,27 1,60 Box-plot log Cu gesamt 40 85,00 201,25 316,88 438,13 823,75 52,92 Cu Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß logc 2,46 0,06 0,24 -0,46 -0,51 Histogramm log Cd-gesamt Box-plot Cd gesamt 25 0 10 Häufigkeit [%] 20 30 40 Box-plot log Cd gesamt 50 -0,4 0,0 0,4 0,8 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 52 57,8 2036,4 45,1 0,94 0,29 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm log Pb-gesamt [mg/kg] 0 0,3 30 20 8,0 0,28 1,19 1,83 2,56 5,79 0,37 Box-plot Pb schwer mob. Häufigkeit [%] 10 15 5 6,0 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Pb-schwer mob. [mg/kg] Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 4,0 0,6 6,4 52 335,4 28992,5 170,3 0,61 -0,01 Histogramm Cd-gesamt 704 [mg/kg] 0,0 4,8 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß -1,2 Zn Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 1,65 56 2,97 10,47 12,70 18,15 35,60 2,02 Box-plot log Zn gesamt 40 1,35 42 1,5 40 Häufigkeit [%] 20 30 Histogramm log Cu-gesamt Box-plot Cu gesamt Histogramm Cu-gesamt 704 [mg/kg] 10 20 0 30 0 0,6 28 1,0 56 Cd Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß logc 1,60 0,18 0,43 -0,62 -0,27 Histogramm log Pb-gesamt Box-plot Pb gesamt Häufigkeit [%] 10 3,22 21,61 45,25 82,23 177,40 14,03 10 Häufigkeit [%] 20 30 Box-plot log Pb gesamt 40 1,4 84 1,8 112 2,2 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 52 26,1 309,3 17,6 1,94 7,68 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 2,43 13,02 25,52 33,37 107,52 5,47 Pb Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß logc 1,33 0,09 0,30 -0,47 -0,20 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 21,50 458,97 21,42 5,21 1,00 Abbildung 12.1-5: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen schwer mobilisierbaren Schwermetallgehalte (Gesamt - EDTA-Extrakt) der Rasterprobenahme der Abteilung 704 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 52 18,5 295,7 17,2 1,79 3,25 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 1,40 7,08 11,88 26,17 73,18 5,35 Pb Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß logc 1,09 0,17 0,41 -0,25 -0,32 Abbildung 12.1-6: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen der Schwermetall-Gesamtgehalte (HNO3-Druckaufschluß) der Rasterprobenahme der Abteilung 704 Anhang A Anhang IV Tabelle 12.1-1: Pearsonsche Korrelationskoeffizienten der Schwermetallfraktionen der Abteilung 704 untereinander und zu pH (CaCl2) und Humusgehalt mäßig mobilisierbar Zn Cu Cd Pb -0,7 -0,8 -0,8 -0,4 0,7 0,8 0,8 0,5 0,4 0,5 0,4 0,3 0,6 0,9 0,7 0,5 0,2 0,5 0,4 0,2 0,0 0,1 0,0 0,2 0,8 0,7 0,5 0,5 schwer mobilisierbar Zn Cu Cd Pb -0,1 -0,4 -0,3 -0,5 0,3 0,6 0,2 0,5 0,0 0,2 -0,2 0,4 0,2 0,6 0,1 0,7 0,0 0,2 0,1 0,3 0,0 0,1 -0,2 0,2 0,7 0,6 0,2 0,6 Zn -0,4 0,5 0,2 0,4 0,1 0,0 0,8 10 80% 8 60% 6 40% 4 20% 2 mäßig mobilisierbar schwer mobilisierbar Corg 8 60% 6 Anteil am Gesamtgehalt 10 80% Wassergehalt [Gew.%] 704 40% 4 25 20% 2 50 0% leicht mobilisierbar mäßig mobilisierbar schwer mobilisierbar Corg 0,7 0,4 -0,1 0,6 0,6 0,5 0,6 0,7 1,0 0,3 0,7 0,6 0,4 0,4 0,5 0,3 -0,2 0,0 0,2 0,5 0,8 0,2 0,6 0,6 0,4 0,4 0,5 0,0 0,8 0,6 0,2 0,5 0,9 0,4 0,7 0,7 1,0 0,0 0,2 1,0 0,6 1,0 8 6 125 40% 4 75 100 125 150 175 200 150 225 2 [m] 0 5,5-7leicht mobilisierbar 7-8,5 8,5-10 mäßig10-11,5 mobilisierbar 11,5-13schwer mobilisierbar Corg pH 100% 10 80% 8 60% 6 40% 4 20% 2 0% 0 leicht mobilisierbar mäßig mobilisierbar 0 5 Häufigkeit [%] 10 15 20 25 30 35 40 schwer mobilisierbar Corg Histogramm pH 705 Box-plot pH 705 pH 0 0,000E+00 5 Häufigkeit [%] 10 15 20 25 30 Box-plot pH 705 35 40 6,5 6,9 9,000E-08 7,3 12.2. Anhang B pH / Corg [Gew.%] 60% c(H) [mol/l] 7,7 pH pH / Corg [Gew.%] Anteil am Gesamtgehalt Anteil am Gesamtgehalt 0,8 0,6 0,4 0,9 0,3 0,2 0,2 -0,1 -0,1 0,8 0,5 0,5 0,9 0,5 0,3 1,0 0,3 0,2 1,0 0,6 1,0 1,800E-07 10 0% Pb 0,9 0,8 0,1 0,8 1,0 pH 100 80% 4-5,5 0,8 0,7 0,1 1,0 0,9 0,7 0,0 0,8 0,9 0,8 0,6 0,6 0,9 0,3 0,7 0,8 1,0 0,7 0,7 0,8 0,4 0,3 -0,2 0,6 0,6 0,7 0,7 0,8 0,4 0,2 0,7 0,2 0,5 0,5 0,7 0,8 0,0 0,2 1,0 0,4 0,6 0,7 0,7 1,0 0,2 1,0 Abbildung 12.1-8: Prozentualer Anteil der Schwermetall-Bindungsfraktionen am Gesamtgehalt der Abt. 704 sortiert nach dazugehörigen Humusgehalten 0 100% 50 0,1 0,2 1,0 Abbildung 12.1-7:Verteilung in der Fläche 704 c5 der Wassergehalte N Histogramm pH 705 75 25 0,8 1,0 pH 100% 20% 1,0 0 leicht mobilisierbar Cd Pb -0,5 0,6 0,4 0,7 0,3 0,2 0,6 pH / Corg [Gew.%] 100% 0% Cu gesamt Cu Cd -0,7 -0,6 0,8 0,6 0,4 0,1 0,8 0,5 0,4 0,3 0,1 -0,1 0,7 0,4 mäßig mobilisi erbar leicht mobilisierbar Zn Cu Cd Pb -0,5 -0,8 -0,8 -0,2 0,6 0,9 0,7 0,1 0,4 0,4 0,3 -0,1 0,5 0,8 0,7 -0,1 0,4 0,5 0,3 0,1 0,0 0,1 0,0 0,0 1,0 0,7 0,6 0,2 pH / Corg [Gew.%] Anteil am Gesamtgehalt löslich (BSE) Zn Cu Cd Pb -0,5 -0,8 -0,5 -0,2 0,5 0,8 0,5 0,0 1,0 0,7 0,7 0,4 1,0 0,6 0,3 1,0 0,2 1,0 schwer mobilisi erbar löslich (BSE) o b i l Zn log (Schwermetall-Fraktion in µg/kg) log (Konz. in µg/l) gesamt Korrell.-koeffizient log (Corg in Gew.%) pH Corg pH 1,0 -0,8 Corg 1,0 Zn Cu Cd Pb Zn Cu Cd Pb Zn Cu Cd Pb Zn Cu Cd Pb Zn Cu Cd Pb Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß c(H) 9,E-08 9,E-16 3,E-08 0,19 -0,99 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. pH 7,05 0,02 0,13 0,06 0,02 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 21 7,08 0,02 0,16 0,40 -0,53 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 6,86 6,96 7,08 7,18 7,40 0,07 Anhang B Histogramm Corg 705 [Gew.%] 0 5 10 Häufigkeit [%] 15 20 25 30 35 40 45 Box-plot Corg 705 Histogramm log Corg 705 0 0,8 0,04 1,6 0,20 2,4 0,36 3,2 0,52 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 21 2,30 0,33 0,57 2,04 5,83 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm WG 705 [Gew.%] 0 10 15 20 25 30 1,54 1,99 2,15 2,43 4,24 0,25 Häufigkeit [%] 10 15 20 25 30 35 40 45 5 log Corg 0,35 0,01 0,10 1,16 2,48 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. Histogramm log WG 705 Häufigkeit [%] 0 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 21 40,75 651,98 25,53 2,09 5,97 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Cd-BSE 705 Corg Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 35 Box-plot Corgb 705 [µg/l] 0 Box-plot WG 705 Häufigkeit [%] 5 Anhang V 5 10 15 20 25 30 35 40 Corg 2,24 0,30 0,55 0,22 0,24 Box-plot log WG 705 20 Häufigkeit [%] 40 60 9,77 25,69 35,30 48,11 127,43 12,49 0 -1,6 1,4 -0,8 2,8 0,0 4,2 0,8 21 0,91 1,41 1,19 2,66 6,35 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 0,2 3,5 0,4 5,5 0,6 0,0 -0,80 7,5 0,8 12,0 0,00 24,0 0,80 36,0 1,60 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 21 4,48 2,19 1,48 1,15 0,29 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 2,96 3,42 3,82 5,16 7,89 0,63 Histogramm Pb-BSE 705 Häufigkeit [%] 20 40 0 WG Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß log WG 0,63 0,02 0,13 0,77 -0,54 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. WG 4,28 2,25 1,50 0,59 0,35 Abbildung 12.2-1: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen der pH-Werte, der Humus- und der Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 21 12,32 154,15 12,42 0,93 -0,58 Abbildung [µg/l] 0 Histogramm log Zn-BSE Box-plot Zn-BSE Histogramm Zn-BSE 705 Häufigkeit [%] 20 40 Box-plot log ZnBSE Häufigkeit [%] 60 0 20 40 60 0,8 24 1,2 48 1,6 0 72 2,0 0,3 0 Wassergehalte der Rasterprobenahme der Abteilung 705 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 21 56,24 413,39 20,33 -0,94 -0,60 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 0 Häufigkeit [%] 20 40 15,50 42,00 65,50 70,00 80,50 9,94 Zn Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß log c 1,71 0,05 0,21 -1,32 0,46 Histogramm log Cu-BSE Box-plot Cu-BSE Histogramm Cu-BSE 705 [µg/l] Häufigkeit [%] 0 60 0 40 0,6 80 120 1,8 1,2 2,4 Häufigkeit [%] 20 40 60 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. Box-plot log CuBSE c 51,27 1042,47 32,29 13,83 0,63 20 40 0,61 2,73 7,26 22,66 37,28 6,07 Histogramme, Histogramm Zn-leicht mob. 705 [mg/kg] 0 60 Box-plot Zn-leicht mob. Cd Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß log c -0,25 0,15 0,39 0,85 1,13 und 0 Häufigkeit [%] 20 40 -1,75 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. log c 0,81 0,30 0,55 -0,19 -1,15 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. Ergebnistabellen Histogramm log Zn-leicht mob. 60 c 34,96 700,79 26,47 11,10 0,76 c 0,57 0,68 0,82 0,31 1,45 Box-plot log PbBSE 30 Pb Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß box-plots Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. Box-plot log CdBSE 40 Häufigkeit [%] 10 20 0 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Häufigkeit [%] 20 30 Histogramm log Pb-BSE Box-plot Pb-BSE 60 12.2-2: 10 0,13 0,35 0,49 0,88 4,55 0,58 1,5 [µg/l] log c 1,54 0,06 0,24 0,02 0,90 Histogramm log Cd-BSE Box-plot Cd-BSE 80 0,0 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Cu Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß c 6,53 278,52 16,69 5,61 2,56 Schwermetallgehalte Box-plot log Znleicht mob. -1,25 0,6 -0,75 0,9 -0,25 Bodensättigungsextrakt (BSE) der Rasterprobenahme der Abteilung 705 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 21 0,28 0,04 0,20 2,29 7,63 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 0,04 0,18 0,26 0,32 0,98 0,10 Zn Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß log c -0,64 0,10 0,32 -1,08 2,55 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 0,23 0,06 0,25 0,10 1,09 im Anhang B Histogramm Cu-leicht mob. 705 Häufigkeit [%] [mg/kg] 0 20 40 60 Histogramm log Cu-leicht mob. Box-plot Cu-leicht mob. 20 40 60 -1,5 0 -1 1 -0,5 1,5 0 21 0,39 0,07 0,27 2,77 10,27 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Cd-leicht mob. 705 [mg/kg] 0 10 Häufigkeit [%] 20 30 40 50 -4 -3 0,16 -2 0,24 -1 21 0,05 0,002 0,05 2,19 7,18 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Pb-leicht mob. 705 [mg/kg] 0 Häufigkeit [%] 10 20 30 40 50 log c -0,49 0,07 0,27 -0,23 1,78 Histogramm log Cd-leicht mob. Box-plot log Pbleicht mob. Häufigkeit [%] 0 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Cu Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 0 0,08 20 40 60 80 0,00 0,02 0,05 0,07 0,23 0,02 Cd Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß log c -1,54 0,38 0,62 -1,28 1,24 Histogramm log Pb-leicht mob. 0 0,03 -2,25 0,06 -1,75 0,09 -1,25 21 0,03 0,001 0,03 1,04 -0,23 Abbildung Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 12.2-3: Häufigkeit [%] 10 20 Histogramme, Histogramm Zn-mäßig mob. 705 [mg/kg] 0 10 Häufigkeit [%] 20 30 40 50 24 1,24 40 1,48 56 1,72 20 30 40 50 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 0,03 0,01 0,09 0,03 3,16 Pb Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß box-plots und log c -1,75 0,20 0,45 0,10 -1,34 20 40 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. Ergebnistabellen 60 c 0,02 0,00 0,03 0,01 1,81 leicht Box-plot log Znmäßig mob. Schwermetallgehalte (NH4NO3-Extrakt) der Rasterprobenahme der Abteilung 705 mobilisierbaren Box-plot Cu-mäßig mob. Zn Mittelwert Varianz Stand.-abw. log c 1,58 0,02 0,14 Histogramm log Cu-mäßig mob. Häufigkeit [%] 0 1,36 30 1,48 40 1,6 50 1,72 20 40 60 Mittelwert Varianz Stand.-abw. c 38,287 223,37 14,95 Box-plot log Cumäßig mob. Schiefe Exzeß -1,02 0,31 Maximum 95% Konf.-int. 56,657 5,199 Schiefe Exzeß -1,49 1,28 95% Konf.-int. Varianzkoeff. 6,70 0,39 Anzahl Mittelwert Varianz 21 44,24 66,20 Minimum 25%-Quantil Median 29,621 39,390 48,402 Cu Mittelwert Varianz log c 1,64 0,01 Mittelwert Varianz c 43,442 94,79 Häufigkeit [%] 20 40 60 80 Box-plot Cd-mäßig mob. Histogramm log Cd-mäßig mob. Häufigkeit [%] 0 0 1,3 30 1,5 60 1,7 90 1,9 20 40 60 80 Box-plot log Cdmäßig mob. Stand.-abw. Schiefe Exzeß 8,14 -0,82 -0,76 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 49,049 54,667 3,980 Stand.-abw. Schiefe Exzeß 0,09 -0,98 -0,54 Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. 9,74 4,52 0,22 Anzahl Mittelwert 21 53,95 Minimum 25%-Quantil 28,486 50,828 Cd Mittelwert log c 1,72 Mittelwert c 52,931 Histogramm Pb-mäßig mob. 705 Häufigkeit [%] 1 Häufigkeit [%] 17,432 36,035 44,184 46,317 20 Box-plot log Pbleicht mob. 30 Histogramm logZn-mäßig mob. 0 8 c 0,32 0,08 0,28 0,11 0,85 [mg/kg] 0 0,00 0,01 0,02 0,05 0,08 0,01 Box-plot Zn-mäßig mob. Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Histogramm Cd-mäßig mob. 705 -2,75 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. [mg/kg] 0 Box-plot Pb-leicht mob. 0 21 40,03 112,98 10,63 Histogramm Cu-mäßig mob. 705 [mg/kg] 0 10 0,07 0,24 0,35 0,47 1,41 0,13 Box-plot Cd-leicht mob. Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Box-plot log Culeicht mob. Häufigkeit [%] 0 0,5 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Anhang VI Häufigkeit [%] 10 20 30 40 Histogramm log Pb-mäßig mob. Box-plot Pb-mäßig mob. Häufigkeit [%] 0 20 1,34 30 1,46 40 1,58 50 1,7 10 20 30 40 Box-plot log Pbmäßig mob. Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 102,32 10,12 -0,50 1,60 Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 55,531 59,810 75,865 4,948 Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 0,01 0,09 -1,36 3,14 Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. 151,084 12,292 5,69 0,23 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 21 41,32 38,72 6,22 -0,38 0,08 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. 27,135 37,695 41,996 45,137 52,114 3,043 Pb Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß log c 1,61 0,00 0,07 -0,81 0,86 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 40,844 49,418 7,030 3,299 0,17 Abbildung 12.2-4: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen mäßig mobilisierbaren Schwermetallgehalte (EDTA- - NH4NO3-Extrakt) der Rasterprobenahme der Abteilung 704 Anhang B Histogramm Zn-schwer mob. 705 Häufigkeit [%] 20 40 [mg/kg] 0 Anhang VII 60 Histogramm log Zn-schwer mob. Box-plot Zn-schwer mob. Häufigkeit [%] 0 20 40 60 Histogramm Zn-gesamt705 Box-plot log Znschwer mob. [mg/kg] Histogramm log Zn-gesamt Box-plot Zn-gesamt Häu705[%] 20 40 0 60 0 1 0 1,1 50 1,4 90 1,5 100 1,8 180 1,9 150 2,2 270 2,3 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 21 72,95 1095,65 33,10 1,48 3,48 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Cu-schwer mob. 705 [mg/kg] Häufigkeit [%] 20 40 0 60 18,73 62,05 67,34 82,07 168,59 16,19 Zn Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß log c 1,82 0,04 0,20 -0,70 2,50 Histogramm log Cu-schwer mob. Box-plot Cu-schwer mob. 0 10 Häufigkeit [%] 20 30 40 50 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 66,32 1536,35 39,20 16,91 0,59 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 21 124,03 2413,13 49,12 0,62 3,02 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. [mg/kg] Häufigkeit [%] 20 40 0 22,97 107,69 120,35 146,59 265,09 24,03 60 0,5 0,9 30 1,1 60 1,3 60 1,5 90 1,7 90 1,9 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Cd-schwer mob. 705 [mg/kg] 0 Häufigkeit [%] 20 30 10 40 50 0 5,92 11,33 13,94 17,93 78,48 7,20 0 -0,75 2,4 -0,25 4,8 0,25 7,2 0,75 21 1,45 1,93 1,39 3,97 17,13 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Pb-schwer mob. 705 [mg/kg] 0 Häufigkeit [%] 20 40 60 log c 1,15 0,05 0,22 1,69 5,88 Histogramm log Cd-schwer mob. Box-plot Cd-schwer mob. 0 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Cu Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 10 Häufigkeit [%] 20 30 40 50 c 14,16 88,96 9,43 4,02 0,67 Box-plot log Cdschwer mob. Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 21 30,45 484,90 22,02 3,47 14,26 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Cd Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß log c 0,07 0,07 0,26 0,75 5,00 Histogramm Cd-gesamt705 Häufigkeit [%] 20 40 [mg/kg] 0 Histogramm log Pb-schwer mob. 0 10 Häufigkeit [%] 20 30 40 50 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 1,18 0,91 0,95 0,40 0,81 Box-plot log Pbschwer mob. 60 0,4 10 0,8 15 1,2 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß [mg/kg] 0 21 3,34 11,34 3,37 4,09 17,87 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Histogramm Pb-gesamt 705 10 Häufigkeit [%] 20 30 40 1,10 2,15 2,67 3,36 17,54 1,65 0 0,8 0 0,7 1,2 20 1,1 42 1,6 40 1,5 60 1,9 Pb Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß log c 1,33 0,05 0,23 -1,56 2,93 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 21,20 211,46 14,54 6,17 0,69 Abbildung 12.2-5: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen schwer mobilisierbaren Schwermetallgehalte (Gesamt - EDTA-Extrakt) der Rasterprobenahme der Abteilung 704 log c 1,42 0,05 0,23 0,62 3,25 c 112,55 5520,15 74,30 31,67 0,66 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 26,26 321,28 17,92 7,61 0,68 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 2,71 4,23 2,06 0,86 0,76 Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. c 36,36 492,69 22,20 9,54 0,61 Box-plot log Cdgesamt 60 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 21 39,65 197,27 14,05 -0,57 0,16 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Cd Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß log c 0,43 0,06 0,24 1,57 5,50 Histogramm log Pb-gesamt Box-plot Pbgesamt 28 4,54 22,11 24,02 27,53 48,29 4,59 Cu Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. 0 5 14 Minimum 25%-Quantil Median 75%-Quantil Maximum 95% Konf.-int. Box-plot log Cugesamt Häufigkeit [%] 20 40 0 0,4 21 23,51 88,25 9,39 0,20 1,77 60 40 Histogramm log Cd-gesamt Box-plot Cdgesamt 0 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 20 8,68 22,44 24,62 35,86 118,97 10,77 0 0,28 0,88 1,22 1,50 7,25 0,68 Box-plot Pb-schwer mob. Mittelwert Varianz Stand.-abw. 95% Konf.-int. Varianzkoeff. log c 2,05 0,05 0,22 -1,75 4,58 0,7 0 21 16,75 216,73 14,72 4,01 17,41 Zn Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Häufigkeit [%] 0 30 Anzahl Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß Box-plot log Zngesamt 60 Histogramm log Cu-gesamt Box-plot Cugesamt Histogramm Cu-gesamt705 Box-plot log Cuschwer mob. Häufigkeit [%] 20 40 0 9,24 33,46 44,17 46,58 66,39 6,87 20 Häufigkeit [%] 40 60 Pb Mittelwert Varianz Stand.-abw. Schiefe Exzeß 80 Box-plot log Pbgesamt log c 1,56 0,04 0,21 -1,61 2,49 Abbildung 12.2-6: Histogramme, box-plots und Ergebnistabellen der Schwermetall-Gesamtgehalte (HNO3-Druckaufschluß) der Rasterprobenahme der Abteilung 704 Anhang B 40 80 40 180 125 30 120 Cu 705 50 80 60 [µg/l] 20 160 110 70 [µg/l] 150 0 140 [µg/l] 135 115 130 Corg 170 [m] 10 pH 8 0,4 0,2 0,0 100% 7 60% 4 40% 3 2 20% 1 0 90 100 40 180 125 30 120 50 Cd 705 80 60 20 [µg/l] 160 110 70 [µg/l] 150 0 140 135 115 130 170 [µg/l] Corg 4,E+08 40 80 40% 2 180 125 30 120 Pb 705 50 80 60 [µg/l] 20 160 110 70 [µg/l] 150 0 140 [µg/l] 135 Corg 115 130 170 10 [m] pH 100% 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1,E+08 5,E+07 40 80 semi-variance 0 lag 40 Anteil am Gesamtgehalt pH / Corg [Gew.%] 60% 40% 20% 0% 100 40 180 125 30 120 50 80 60 20 160 110 70 150 0 140 135 115 130 170 10 lag log (Pb leicht mob.) 705 0,4 0,8 0,2 0,4 0,1 40 80 0,0 0 lag log (Cd mäßig mob.) 705 0,2 5,E+07 0,15 4,E+07 80 lag 3,E+07 0,1 2,E+07 0,05 1,E+07 0 lag 40 Pb mäßig mobilisierbar 705 40 80 0,E+00 0 lag 40 80 lag Pb schwer mobilisierb. 705 6,E+08 log (Cd schwer mob.) 705 semi-variance 0,05 0 40 80 0 lag 40 80 4,E+09 2,E+09 40 80 0 0 lag 40 80 0,E+00 log (Cd gesamt) 705 0,1 0,05 40 80 lag 40 [m] Abbildung 12.2-7: Prozentualer Anteil der Schwermetall-Bindungsfraktionen am Gesamtgehalt der Abt. 705 sortiert nach dazugehörigen Humusgehalten 80 lag Pb gesamt 705 1,E+09 8,E+08 0,1 6,E+08 4,E+08 0,05 2,E+08 0 0 0 lag 0,15 0 0,E+00 2,E+08 0,05 log (Cu gesamt) 705 6,E+09 4,E+08 0,1 lag 0,15 0 0,15 0 40 80 0,E+00 lag 0 80% 90 80 0,3 0 0,1 Zn gesamt 705 semi-variance 40 0,03 8,E+09 0% 100 0,06 0 20% 90 80 log (Cd leicht mob.) 705 0 lag log (Cu schwer mob.) 705 0,00 1 0 80 2,E+08 lag semi-variance 3 semi-variance Anteil am Gesamtgehalt 60% 40 0,2 0,15 80% 4 40 0,0 0 100% 5 0,05 0,E+00 0 7 6 1,2 0,4 0,0 0 Cu mäßig mobilisierbar 705 2,E+08 0,E+00 pH 0,1 0 log (Zn schwer mob.) 705 8 0,15 lag 8,E+08 0% [m] 10 80 Zn mäßig mobilisierbar 705 semi-variance 5 40 0,1 lag 0 0 80% 6 semi-variance 100 80 log (Cu leicht mob.) 705 semi-variance 90 semi-variance 0% 40 0,2 0,6 0 0,2 0 0 lag log (Zn leicht mob.) 705 20% 1 pH / Corg [Gew.%] 0 0,3 semi-variance 2 0,05 0 0,E+00 0,4 semi-variance 40% 3 2,E+04 0,1 semi-variance 4 4,E+04 0,6 0,5 semi-variance 60% 6,E+04 log (Pb gelöst) 705 log (Cd gelöst) 705 0,15 8,E+04 semi-variance 5 Anteil am Gesamtgehalt 80% 6 Anteil am Gesamtgehalt pH / Corg [Gew.%] 7 log (Cu gelöst) 705 Zn gelöst 705 1,E+05 100% semi-variance pH semi-variance Corg semi-variance [µg/l] semi-variance [µg/l] semi-variance [µg/l] semi-variance Zn 705 8 pH / Corg [Gew.%] Anhang VIII Abbildung 12.2-8: Semi-Variogramme der Schwermetallbindungsfraktionen der Abt. 705 40 80 lag Anhang C Anhang IX Tabelle 12.2-1: Korrelationskoeffizienten der Schwermetallfraktionen der Abteilung 704 untereinander und zu pH (CaCl2) und Humusgehalt mäßig mobilisierbar schwer mobilisierbar Zn Zn Cd Pb gesamt Zn Cu 0,8 0,8 0,7 0,6 0,4 0,8 0,8 0,5 0,5 0,8 0,7 0,7 0,6 0,8 0,8 0,7 0,6 0,3 0,3 0,2 0,0 0,3 0,1 0,3 0,1 0,2 0,3 0,5 0,2 0,3 0,3 0,4 1,0 0,7 0,3 0,8 0,8 0,7 0,7 0,5 0,8 0,8 0,6 0,5 0,8 0,7 0,7 0,6 0,8 0,8 0,7 1,0 0,2 0,8 0,7 0,7 0,6 0,3 0,7 0,7 0,4 0,4 0,8 0,8 0,6 0,5 0,8 0,8 0,6 1,0 0,3 0,2 0,2 0,3 0,1 0,3 0,3 -0,1 0,1 0,4 0,4 0,1 0,1 0,4 0,3 0,1 1,0 0,8 0,8 0,8 0,5 0,8 0,7 0,6 0,7 0,8 0,7 0,8 0,7 0,8 0,8 0,8 1,0 0,9 0,8 0,8 0,9 0,9 0,8 0,8 0,9 0,7 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 Cd 1,0 Pb 0,8 0,7 0,9 0,9 0,7 0,8 0,8 0,6 0,9 0,7 0,9 0,8 0,8 1,0 0,4 0,7 0,7 0,4 0,6 0,8 0,7 0,7 0,6 0,8 0,7 0,6 1,0 0,8 0,7 0,9 0,7 0,5 0,3 0,8 0,9 0,7 0,6 0,8 Cu 1,0 Cd 0,9 0,8 0,7 0,9 0,7 0,9 0,8 1,0 0,9 0,9 1,0 0,7 0,8 0,9 0,8 0,8 0,8 1,0 0,9 0,8 1,0 0,6 0,5 0,4 0,8 0,8 0,6 0,5 0,9 1,0 0,7 0,4 0,8 0,9 0,7 0,6 0,8 1,0 0,9 0,8 0,7 1,0 1,0 0,7 1,0 0,6 0,4 0,9 0,9 0,6 1,0 0,9 0,9 0,8 1,0 1,0 0,8 0,7 0,9 Cu Cd Pb Zn Cu 1,0 Cd Pb 1000 mäßig mobilisierbar 0,8 0,7 1 100 14.5 13.6 S 1 Delle 50cm tief 13.7 Cu Cd Pb 11.10 10 1 Cd 12.8 11.9 11.10 S3 Delle 50cm tief 1,0 Prüfwert:5µg/l 14.5 13.6 S 1 Delle 50cm tief 13.7 12.8 11.9 S 2 Kuppe 70cm tief 10,0 1,0 0,1 14.4 11.10 S3 Delle 50cm tief 14.5 13.6 S 1 Delle 50cm tief 13.7 12.8 S 2 Kuppe 70cm tief 11.9 11.10 S3 Delle 50cm tief Abbildung 12.3-1: Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser der Abt. 704 c5 Zn-Konz. Sickerwasser 708 Cu-Konz. Sickerwasser 708 1,00 1,0 Prüfwert: 500 µg/l 0,10 14.5 13.6 13.7 12.8 80 cm tief 11.9 0,1 Prüfwert: 50 µg/l 0,0 14.4 11.10 100 cm tief 14.5 13.6 13.7 12.8 80 cm tief Cd-Konz. Sickerwasser 708 705 11.9 11.10 100 cm tief Pb-Konz. Sickerwasser 708 100,0 Prüfwert: 5 µg/l 10 Prüfwert: 25 µg/l 1,00 10,0 1,0 1 0,10 14.4 14.5 13.6 13.7 12.8 11.9 11.10 0,1 14.4 14.5 100 cm tief Pb Zn Cu Cd 13.6 13.7 12.8 80 cm tief 0,1 Cu 13.7 S 2 Kuppe 70cm tief Pb-Konz. Sickerwasser 704 c5 10,00 Zn 13.6 100,0 10,0 0,1 14.4 14.5 S 1 Delle 50cm tief S3 Delle 50cm tief 704 100 705 0,1 Zn 11.9 Prüfwert: 50 µg/l Cd-Konz. Sickerwasser 704 c5 80 cm tief 0,1 12.8 S 2 Kuppe 70cm tief 0,10 0,01 14.4 100,0 Cd-Konz. [mg/l] schwer mobolisierb. SM-Konz [mg/l] 10 0,01 14.4 0,01 14.4 704 705 Prüfwert: 500 µg/l Gesamtgehalt Gesamt - SM-Konz [mg/l] 100 Cu-Konz. Sickerwasser 704 c5 1,00 0,10 1000 schwer mobilisierbar 704 mäßig mobolisierb. SM-Konz [mg/l] 1,0 1,0 1,0 1000 Zn-Konz. Sickerwasser 704 c5 1,00 Pb 0,4 Cu gesamt Cd 0,1 Pb sierbar Pb 0,8 Pb schwer Cd 0,5 Zn mobili- Cu 0,7 Cd sierbar Pb 0,3 Zn mäßig Cd 0,6 Zn mobili- Cu 1,0 Cu sierbar Cu Cu-Konz.. [mg/l] leicht mobilisierbar Zn Pb-Konz.. [µg/l] 1,0 Zn löslich (BSE) Pb 1,0 -0,8 -0,8 -0,7 -0,8 -0,2 -0,9 -0,7 -0,7 -0,7 -0,2 -0,7 -0,5 -0,4 -0,4 -0,6 -0,6 -0,7 -0,5 -0,7 -0,7 -0,7 Corg leicht mobili- Cd Cu-Konz. [mg/l] pH Cu Pb-Konz. [µg/l] löslich (BSE) pH Corg Zn Zn-Konz.. [mg/l] log (Corg in Gew.%) 12.3. Anhang C log (Schwermetall-Fraktion in µg/kg) Cd-Konz.. [µg/l] log (Konz. in µg/l) Zn-Konz. [mg/l] Korrell.koeffizient 11.9 11.10 100 cm tief Pb Abbildung 12.2-9: Vergleich der mäßig und schwer mobilisierbaren Fraktionen und der SchwermetallGesamtgehalte der Abt. 704 c5 und 708 b3 Abbildung 12.3-2: Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser der Abt. 708 b3 Anhang D Anhang X 12.4. Anhang D Cu Cu mobil 98 Cu mobil 99 Cu leicht mobilisierbar 02 Cu Ges.98 Cu Ges.99 Konz.[mg/kg ] 10 Cu Cu Ges.02 Konz.[mg/kg] 1000 100 1 0,1 0,01 10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 [m] 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 [m] Zn Zn mobil 98 Zn Ges.98 Zn Ges.99 Zn Ges.02 Konz.[mg/kg] Zn Konz.[mg/kg] 10000 1000 100 10 1 0,1 0,01 10 0 20 40 60 Cd 80 100 Cd Ges.98 120 140 Cd Ges.99 160 180 [m] 20 Cd 40 60 Cd mobil 98 80 100 Cd mobil 99 120 140 160 180 [m] Cd leicht mobilisierbar 02 100 Cd Ges.02 Konz.[mg/kg] 0 1000 Konz.[mg/kg] Zn leicht mobilisierbar 02 100 1 100 10 10 1 0,1 0,01 1 0 0,1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 20 Pb Ges.98 Pb Ges.99 40 60 80 100 120 140 160 180 [m] 180 [m] Pb Pb Pb Ges.02 Pb mobil 98 Pb leicht mobilisierbar 02 10 Konz.[mg/kg] 1000 Konz.[mg/kg] Zn mobil 99 1000 100 10 1 0,1 0,01 0,001 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 [m] Abbildung 12.4-1: Schwermetall-Gesamtgehalte im Transekt derAbt.705 b1 vor der Überlehmung 1998 und nach der Überlehmung 1999 und 2002 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 [m] Abbildung 12.4-2: Mobile und leicht mobilisierbare Schwermetall-Fraktionen im Transekt der Abt. 705 b1 vor der Überlehmung 1998 und nach der Überlehmung 1999 und 2002 Anhang D Cu Cu mobil 98 Cu mobil 99 Tabelle 12.4-1:Ergebnisse der einfaktoriellen Varianzanalyse der pH-Werte und der SchwermetallGesamtgehalte der Transektbeproungen der Abt. 705 b1 von 1999 und 2002 Cu leicht mobilisierbar 02 10 [%] 1 0,1 0,01 0 20 Zn 40 60 Zn mobil 98 80 100 Zn mobil 99 120 140 160 180 [m] Zn leicht mobilisierbar 02 100 [%] 10 1 0,1 0,01 0 20 Cd 40 60 Cd mobil 98 80 100 Cd mobil 99 120 140 160 180 [m] Cd leicht mobilisierbar 02 100 [%] 10 1 0,1 0,01 0 20 Pb 40 60 80 100 Pb mobil 98 120 140 160 180 [m] Pb leicht mobilisierbar 02 10 1 [%] Anhang XI 0,1 0,01 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 [m] Abbildung 12.4-3: Anteile Mobiler und leicht mobilisierbarer Schwermetall-Fraktionen am Gesamtgehalt im Transekt der Abt. 705 b1 vor der Überlehmung 1998 und nach der Überlehmung 1999 und 2002 Gruppen pH 99 Anzahl 37 Summe 265,21 Mittelwert 7,17 Varianz 0,06 Streuungsursache Unterschiede zwischen den Gruppen Innerhalb der Gruppen Gesamt pH 02 20 141,40 7,07 0,03 Quadratsummen (SS) 0,12 2,55 2,67 Signifikanzniveau Prüfgröße (F) P-Wert kritischer F-Wert 0,05 2,67 0,11 4,02 Freiheitsgrade (df) 1 55 56 Mittlere Quadratsumme (MS) 0,12 0,05 Gruppen Cu Ges.99 Anzahl 37 Summe 1437,55 Mittelwert 38,85 Varianz 1079,54 Streuungsursache Unterschiede zwischen den Gruppen Innerhalb der Gruppen Gesamt Cu Ges.02 20 614,83 30,74 508,54 Quadratsummen (SS) 854,12 48526 49380 Signifikanzniveau α Prüfgröße (F) P-Wert kritischer F-Wert 0,05 0,97 0,33 4,02 Freiheitsgrade (df) 1 55 56 Mittlere Quadratsumme (MS) 854,12 882,29 Zn Ges.02 20 2484,34 124,22 Signifikanzniveau α Prüfgröße (F) P-Wert kritischer F-Wert 0,05 1,44 0,24 4,02 Varianz 16244 Streuungsursache Unterschiede zwischen den Gruppen Innerhalb der Gruppen Gesamt 2539,38 Quadratsummen (SS) 16568 633018 649586 Freiheitsgrade (df) 1 55 56 Mittlere Quadratsumme (MS) 16568 11509 Gruppen Cd Ges.99 Anzahl 37 Summe 184,06 Mittelwert 4,97 Varianz 41,34 Streuungsursache Unterschiede zwischen den Gruppen Innerhalb der Gruppen Gesamt Cd Ges.02 20 68,00 3,40 11,86 Quadratsummen (SS) 32,18 1713,56 1745,74 Signifikanzniveau α Prüfgröße (F) P-Wert kritischer F-Wert 0,05 1,03 0,31 4,02 Freiheitsgrade (df) 1 55 56 Mittlere Quadratsumme (MS) 32,18 31,16 Pb Ges.02 20 801,01 40,05 Signifikanzniveau α Prüfgröße (F) P-Wert kritischer F-Wert 0,05 8,41 0,01 4,02 204,11 Quadratsummen (SS) 3213,86 21015 24229 Freiheitsgrade (df) 1 55 56 Mittlere Quadratsumme (MS) 3213,86 382,09 Gruppen Anzahl Summe Mittelwert Gruppen Anzahl Summe Mittelwert Zn Ges.99 37 5917,80 159,94 Pb Ges.99 37 2064,02 55,78 Varianz 476,03 Streuungsursache Unterschiede zwischen den Gruppen Innerhalb der Gruppen Gesamt Anhang D XII Tabelle 12.4-2: Ergebnisse der einfaktoriellen Varianzanalyse der Pb-Gesamtgehalte der Transektbeproungen der Abt. 705 b1 von 1999 und 2002 in 0 - 130 m (schwächer belasteter Bereich) und > 130 m (ehemaliger Einlaßbereich) 0 - 130 m: Gruppen Anzahl Summe Mittelwert Pb Ges.99 14 647,56 46,25 Varianz 339,79 Streuungsursache Unterschiede zwischen den Gruppen Innerhalb der Gruppen Gesamt Pb Ges.02 17 668,17 39,30 Signifikanzniveau Prüfgröße (F) P-Wert kritischer F-Wert 0,05 1,51 0,23 4,18 170,33 Quadratsummen (SS) 370,88 7142,42 7513,30 Freiheitsgrade (df) 1 29 30 Mittlere Quadratsumme (MS) 370,88 246,29 Pb Ges.02 Signifikanzniveau 0,05 3 132,84 44,28 544,91 Quadratsummen (SS) 794,68 11764 12559 Prüfgröße (F) P-Wert kritischer F-Wert 1,62 0,22 4,26 Freiheitsgrade (df) 1 24 25 Mittlere Quadratsumme (MS) 794,68 490,17 > 130 m: Gruppen Pb Ges.99 Anzahl 23 Summe 1416,46 Mittelwert 61,59 Varianz 485,19 Streuungsursache Unterschiede zwischen den Gruppen Innerhalb der Gruppen Gesamt Tabelle 12.4-3: Ergebnisse der einfaktoriellen Varianzanalyse der Anteile der mobilen bzw. leicht mobilisierbaren Zn-Fraktion am Gesamtgehalt der Transektbeproungen der Abt. 705 b1 von 1999 und 2002 Gruppen Zn mobil 99 Anzahl 35 Summe 22,35 Mittelwert 0,64 Varianz 0,23 Streuungsursache Unterschiede zwischen den Gruppen Innerhalb der Gruppen Gesamt Zn leicht mobilisierbar 20 4,35 0,22 0,01 Quadratsummen (SS) 2,26 8,06 10,32 Signifikanzniveau Prüfgröße (F) P-Wert kritischer F-Wert 0,05 14,85 0,00 4,02 Freiheitsgrade (df) 1 53 54 Mittlere Quadratsumme (MS) 2,26 0,15 Anhang