Reduktive Prozesse in anmoorigen Böden eines bewaldeten Einzugsgebietes

Reduktive Prozesse in Böden erzeugen Alkalinität und beeinflussen damit sowohl den Austrag von Nährstoffkationen als auch die Bodenversauerung. Gleichzeitig werden Eigenschaften von angrenzenden Systemen beeinflusst, wie die Qualität des Trink- und Oberflächenwassers durch Änderung des pH-Wertes, Mobilisierung bzw. Festlegung von Sulfat, Nitrat, Phosphat und Aluminium.

Bodenlösung

Zeitreihen: Die Gewinnung der Bodenlösung erfolgte 2-wöchentlich an 10 Messstellen mit Saugkerzen und wurde auf Hauptkationen und –anionen analysiert.

• Betrachtet von der Mesoskala (Bodenlösung, Suagkerze) finden gleichzeitig Nitrat-, Eisen- und Sulfatreduktion sowie Methanogenese statt. Die reduktiven Prozesse variieren allerdings räumlich und zeitlich sehr stark. Mikroskalig (Dialysekammer) ist die „klassische Abfolge der reduktiven Prozesse zu beobachten.

• Orte mit wechselnden Redoxbedingungen und geringerer Schwefelspeicherung unterscheiden sich von Orten mit relativ konstanten reduktiven Bedingungen und hoher Schwefelspeicherung. Der Schwefel wird hauptsächlich in organischer Form gespeichert.

• Anmoorige Bereiche stellen eine wirkungsvolle Senke für Nitrat dar

• Alkalinitätsproduktion in den Mooren führt zu höheren pH-Werten und niedrigen Aluminiumkonzentrationen

• Nur eine Kombination der Methoden erlaubt Aussagen der Prozessabläufe über verschiedenen Zeitskalen

Kombination der Methoden

Schlussfolgerungen

• gegenläufige H2S- und SO42- Kurven

• steile Zunahme der CH4-Konzentration mit der Tiefe

• Nitratkonzentrationen nur vereinzelt oberhalb der Nachweisgrenze

• red.anorg. Schwefelverbindungen: 2-12% von Stot (Daten nicht dargestellt)

• stark heterogene Schwefelfestlegung

• stark unterschiedliche Eisengehalte

Dieses Projekt wurde vom Bundesminesterium für Bildung und Forschung (BMBF) Vorhaben-Nr. PT BEO 51-0339476 unterstützt. Die zentrale Analytik des BITÖKs führte die Analysen der Bodenlösung durch.

Fragestellung:

Untersuchung der räumlichen und zeitlichen Heterogenität der reduktiven Bedingungen, insbesondere der Sulfatreduktion und die daraus resultierende Schwefelfestlegung in den anmoorigen Bereichen des Einzugsgebietes.

Untersuchungsgebiet Lehstenbach, Fichtelgebierge:

Größe: 4,2 ha davon 30% vermoort Böden: Podsole, podsolige Braunerden, Niedermoorgley , Anmoorgley Höhe: 877 m ü NN Jahresniederschlag: 1156 mm durch. Jahrestemperatur: 5°C Bestockung: 95% Fichte (Picea abies, (L.(Karst.))

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

5

NO3

- SO4

2-, H2S, [µmol l-1]

Tief

e [c

m]

CH4 [µmol l-1]

Abbildung 4.a) FeS-Agarmasse nach Geländeeinsatz b) Aufnahme der anoxischen Bedingungen (=schwarz) an Messsstelle 4 ( Mai

bis September 2002)

-100

-80

-60

-40

-20

0Mai Jun Jul Aug Sep

Tie

fe (

cm)

1 cm

Abbildung 1. Untersuchungsfläche im Einzugsgebiet des Lehstenbachs.

Tabelle 1. a) Gesmtschwefelgehalt ( Stot) b) oxalatlösliches Eisen der Bodenfestphase [g kg –1 TG-1]

Festphase

• Untersuchung auf CNS, oxalatlösliches Eisen, red. anorg. Schwefelverbindungen

Monitoring anoxischer Bedingungen: FeS-Oxidationsstäbe

In Stäbe mit einer Einkerbung wurde Eisensulfid haltiges Agar (schwarz) gegossen, welches unter oxischen Bedingungen zu gelben Eisenhydroxiden oxidiert wird1. Nach 2 Wochen im Gelände wurde die Farbveränderung aufgenommen.

• ab 10 cm konstant anoxische Bedingungen an den Messstellen 3-5 (Ausnahme August: oxisch bis 1 m),

• stärker oxische Verhältnisse an Messstellen 1,2, 6,7,9 (Daten nicht dargestellt)

Probekammer

Kanal zur Probenentnahme

Silikonstreifen

Membran zur Diffusion

Stahlrahmen

Abbildung 3. a) Funktionsprinzip einer Dialysekammer . b) geochemisches Tiefenprofil

• Nitrat- und Aluminiumkonzentrationen lagen bis auf Ausnahmen unterhalb der Nachweisgrenze (Daten nicht dargestellt).

• starke räumliche + zeitliche Variabilität der Eisenkonzentrationen

• Sulfatkonzentration: hohe räumliche Heterogenität bei zeitlicher Konstanz der Messstellen

Tiefenprofile: Mittels Dialysekammern wurden hochaufgelöst Tiefenprofile redoxsensitiver Spezies wie NO3

-, Fe, SO42-, H2S, CH4 gemessen.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 BN

Abbildung 2. a) Eisenkonzentration und pH, b) Sulfatkonzentrationen der verschiedenen Messstellen (1-10) und Bestandesniederschlag (BN) von April bis August 2002.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

a b

a b

Methode nach Edenborn H.M. & Brickett L.A., 2001. Journal of Microbial Methods, 46, 52-62.

Tiefe Standort

(cm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

05-10 4 2 6 10 8 3 1 4 5 4

10-20 < < 6 7 8 2 2 2 3 6

75-90 < < 4 4 2 < < < < <

05-10 4 5 1 0,2 0,3 2 7 27 6 12

10-20 1 0,5 1 0,1 0,5 11 12 0,4 1 3

75-90 5 3 1 0,4 0,4 0,2 0,1 0,8 1 1

a) Schwefel

b) Eisen

Sonja Paul1, Christine Alewell2, Kirsten Küsel1

1 Bayreuther Institut für Terrestrische Ökosystemforschung (BITÖK) Universität Bayreuth, 2 Institut für Geowissenschaften, Universität Basel

a b