Boden-Untersuchungen

Tagesmaximum Tagesminimum

Luftdruck hPa

Niederschlagshöhe Tagessumme mm

Windrichtung Grad

Windgeschwindigkeit Tagesmittel Tagesmaximum m/s Globalstrahlung

(Bestrahlungsstärke) W/m²

2.2. Boden-Untersuchungen

Sämtliche im Folgenden beschriebenen Bodenuntersuchungen bezogen sich auf die oberste Bodenschicht (0-15 cm), da die bei Versuchsanlage zweijährigen Pflanzen zunächst vor allem in diesem Bereich ihren Wurzelraum hatten. Es handelte sich jedoch nicht um einen Oberboden im Sinne der meist humusreichen obersten Bodenschicht, wie sie bei durch Bodenbildung und Streuzersetzung entstandenen Bodenprofilen zu finden ist. Vielmehr bestehen die Kippenböden aus geschüttetem Mineralboden, der teilweise aus großen Tiefen stammt (s. ab S. 11). In weiten, vegetationsfreien Bereichen haben bislang keine Bodenbildungsprozesse wie etwa Humusakkumulation stattgefunden. Kleinflächig entwickelte sich im Versuchsverlauf Spontanvegetation (Moose, Gras; s. S. 37).

Die Entnahme, Behandlung, Vorbereitung und Analyse der im Folgenden genannten Bodenproben entsprach der „Bundesweite Bodenzustandserhebung im Wald (BZE) II – Arbeitsanleitung“ (BMELV 2006) sowie dem „Handbuch forstliche Analytik“

(Gutachterausschuss Forstliche Analytik 2005).

Erforderte die jeweilige Untersuchungsmethodik eine volumengerechte Probennahme, so wurden die Proben durch das Einschlagen und Herauslösen von Stechzylindern mit 250 ccm Inhalt genommen.

MATERIAL & METHODIK

2.2.1. Physikalische Bodenparameter Skelettgehalt

Der Skelettgehalt des Haldenbodens wurde durch Sieben (2 mm) und Wägen an insgesamt 12 Proben (je Versuchsfläche in Bereichen mit und ohne Bodenvegetation und in zwei Tiefenstufen, 0-5 cm und 10-15 cm) bestimmt.

Textur

Um die Bodenartenuntergruppen zu bestimmen, wurden von den drei Versuchsflächen insgesamt acht Bodenproben auf ihre Korngrößenzusammensetzung analysiert. Darunter befanden sich jeweils Proben aus vegetationsfreien und im Verlauf des Versuchs mit Spontanvegetation besiedelten Teilbereichen. Die Proben wurden Anfang Oktober 2006 aus der obersten Bodenschicht (0-5 cm) entnommen. Die Analyse der Korngrößenzusammensetzung wurde nach der Arbeitsvorschrift für Texturanalysen der Abteilung Ökopedologie der gemäßigten Zonen der Universität Göttingen unter Anleitung von F. Sippel-Klemp (CTA) durchgeführt.

Die Bodenproben wurden luftgetrocknet und auf 2 mm gesiebt. Als Vorbehandlung erfolgte standardmäßig die Zerstörung des (in diesem Fall kaum enthaltenen) Humus durch Oxidation mit Wasserstoffperoxyd. Bei der Schlämmanalyse wurden zunächst der Tongehalt bestimmt und anschließend die suspendierbaren Feinbestandteile (die Fraktionen 2-20 µg; Ton, Fein- und Mittelschluff) abgeschlämmt. Die zurückbleibenden Fraktionen Grobschluff, Feinsand, Mittelsand und Grobsand wurden getrocknet und durch eine Siebanalyse voneinander getrennt.

Ihre Gewichte sowie das Gewicht der Tonfraktion wurden summiert und diese Summe vom ursprünglichen Gesamtgewicht der Probe abgezogen. Die Differenz entsprach dem Anteil der noch fehlenden Fraktionen Fein- und Mittelschluff.

Trockenraumdichte, Gesamtporenvolumen und Wassergehalt

Um die Trockenraumdichte (TRD), das Gesamtporenvolumen (GPV) und den volumetrischen Wassergehalt (WG) des Haldenbodens zu bestimmen, wurden auf jeder Versuchsfläche zufällig (entlang eines Transekts, der diagonal über die Fläche gelegt wurde) je 5-6 volumengerechte Proben (250 cm³) aus der obersten Bodenschicht (0-5 cm) entnommen. Die Probenahme fand Anfang Oktober 2005 nach 2 - 3 Tagen niederschlagsfreier Zeit nach mehreren Regentagen mit je 4-8 l/m² statt.

Die Proben wurden unmittelbar vor Ort gewogen, im Labor (Trockenschrank) bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und erneut gewogen. Das jeweilige Trockengewicht und das bekannte Volumen jeder Probe erlaubten die Errechnung der Trockenraumdichte. Die Differenz zwischen Feucht- und Trockengewicht einer Probe ergab den zum Zeitpunkt der Probennahme im Boden enthaltenen gravimetrischen Wassergehalt (g/g bzw. Gewichts- oder Massenprozent).

Die Multiplikation dieses Wertes mit der jeweiligen TRD führte zum volumetrischen Wassergehalt der Probe (cm³/cm³ bzw. Volumenprozent) (Ehlers 1996). Die Ermittlung der Gesamtporenvolumina erfolgte nach der Formel

[%]

Für Mineralböden wird die Dichte der festen Bodensubstanz mit 2,65 g/cm³ angegeben (spezifisches Gewicht von Quarz, dem häufigsten Mineral in Böden) (Scheffer & Schachtschabel 2010).

Bei der Entnahme der Bodenproben wurde versucht, jeweils auch die aktuelle Bodenfeuchte in den beprobten Tiefenstufen mit einer Theta-Sonde zu messen. Die starke Verhärtung des Haldenbodens bei Austrocknung sowie seine teilweise sehr hohen Skelettanteile (s. S. 39) machten es jedoch unmöglich, aussagefähige Theta-Messungen durchzuführen (diese Probleme bestanden sowohl im Freiland- als auch im Topf-Versuch, s. S. 32). Laut Rupp (o. J.) kann zudem ein skelettreicher Boden die Theta-Probe sehr erschweren, da sich aufgrund punktuell großer Porenvolumina keine ausreichende Verbindung zwischen den Elektroden der Theta-Sonde und dem umgebenden Boden herstellen lässt.

Wassergehalt-Wasserspannungsbeziehungen (pF-Kurven), Gesamtporenvolumen, Porengrößenverteilung, Luftkapazität, (nutzbare) Feldkapazität und Totwasser Die Beziehung zwischen Wasserspannung (= Matrixpotential = Energie oder Bindungskraft, die das Wasser entgegen der Schwerkraft in der Bodenmatrix hält) und volumetrischem Wassergehalt eines Bodens ist eine wichtige Größe des Bodenwasserhaushaltes. Sie ist von der Korngrößenverteilung, dem Gefüge und dem Gehalt an organischer Substanz abhängig, da die Wasserspannung eine Funktion der Porenverteilung eines Bodens ist.

Für diese Untersuchung wurden insgesamt 12 volumengerechte Proben genommen, auf jeder Versuchsfläche jeweils in Bereichen mit und ohne Bodenvegetation und in zwei Tiefenstufen (0-5 cm und 10-1(0-5 cm). Im Labor wurden die Proben zunächst vollständig wassergesättigt und dann im Überdruckverfahren schrittweise wieder entwässert. Dazu wurden die Proben auf einer keramischen Platte Luftdrücken [hPa] ausgesetzt, die bestimmten Wasserspannungen in Zentimeter Wassersäule [cm WS] entsprechen. Die jeweils aus dem Boden verdrängte bzw. im Boden verbleibende Wassermenge wurde gemessen.

Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft 2001:

„… Die Methode beruht auf einem Porenmodell, das das Porensystem als Bündel von Kapillaren mit unterschiedlichen Durchmessern ansieht. Die Kapillaren entwickeln Meniskenkräfte, die von ihrem Durchmesser abhängen. Durch Anlegen eines Druckes oder Unterdruckes, der den Meniskenkräften eines gesuchten Porendurchmessers entspricht, werden alle Poren mit größerem als dem gesuchten Durchmesser entwässert. Die Methode wird an ungestörten Bodenproben durchgeführt. Die Proben werden wassergesättigt und anschließend mit dem vom gesuchten Porendurchmesser abhängigen Druck bzw. Unterdruck entwässert. Das ausgepresste Volumen an Wasser (Masse des Wassers multipliziert mit der Dichte des Wassers) entspricht dem Volumen der Poren oberhalb des gesuchten Durchmessers. …“

MATERIAL & METHODIK

Die Beziehung von Wasserspannung und zugehörigem Wassergehalt wird mit einer Wasserspannungskurve dargestellt. Dazu werden meist die natürlichen Logarithmen (log10) der Wasserspannungswerte verwendet, die sogenannten pF-Werte (p = Potenz, F = „Freie Energie“

des Wassers; Schroeder 1992), weshalb Wasserspannungskurven auch als pF-Kurven bezeichnet werden.

Tab. 7: Einteilung der Porengrößenbereiche nach dem Äquivalentdurchmesser und der Wasserspannung [pF] als Grenzwert zur Entwässerung kreiskapillarer Poren (aus: Scheffer & Schachtschabel 2010, verändert)

Porengrößenbereiche Porendurchmesser [µm]

Wasserspannung [pF]

Grobporen weite > 50 < 1,8

enge 50-10 1,8-2,5

Mittelporen 10-0,2 2,5-4,2

Feinporen < 0,2 > 4,2

Anhand des Verlaufs dieser Kurve können die Porengrößenverteilung (die Anteile der Porengrößenbereiche) eines Bodens (s. Tab. 7) in Volumenprozent und damit u. a. die Menge des pflanzenverfügbaren Wassers (nutzbare Feldkapazität) ermittelt werden. Dabei handelt es sich um den Wasseranteil, der in den Mittelporen gehalten wird, während das in den Feinporen gespeicherte Wasser (Totwasser) für Pflanzen nicht nutzbar ist, da es zu stark gebunden ist (pF

> 4,2, sog. Permanenter Welkepunkt). Oft wird das zunächst in den engen Grobporen gehaltene langsam bewegliche Sickerwasser dem pflanzenverfügbaren Wasser hinzugerechnet, da wachsende Pflanzenwurzeln auch dieses teilweise erreichen können, so dass dann der Bereich der nutzbaren Feldkapazität bereits bei pF 1,8 beginnt (Schroeder 1992). In den weiten Grobporen kann Wasser nicht gegen die Schwerkraft gehalten werden, sie sind bereits kurz nach einer Vollsättigung des Bodens (im Freiland nach 1-2 Tagen, sog. Feldkapazität, pF < 2,5) wieder luftgefüllt. Der Anteil dieser weiten Grobporen am Gesamtporenvolumen wird deshalb auch als Luftkapazität bezeichnet. Sie sind von besonderer Bedeutung für den Luft- und Wassertransport und bestimmen somit die Infiltrationsfähigkeit und Wasserdurchlässigkeit eines Bodens (Zwölfer et al. 1994, TLL Thüringen 2001, Scheffer & Schachtschabel 2010, BMVEL 2003).

2.2.2. Chemische Bodenparameter

Um chemische Parameter wie pH-Wert, Nährstoffversorgung und Schadstoffbelastung (u.a.

durch Schwermetalle) des Bodens zu ermitteln und eventuelle Unterschiede festzustellen, wurden insgesamt 12 Proben entnommen, pro Versuchsfläche jeweils in vegetationsfreien und spontan besiedelten Bereichen und in zwei Tiefenstufen (0-5 cm, 10-15 cm). Die untersuchten bodenchemischen Parameter sowie die Methodik der chemischen Analyse sind in Tab. 8 aufgelistet. Zur Ermittlung von pH-Werten und effektiver Basen-Austauschkapazität (Ake) wurde lufttrockener Boden verwendet, für die übrigen Analysen wurden die Proben vorbereitend bei 50-60°C getrocknet, auf 2 mm gesiebt und anschließend mit einer Achat-Mühle fein gemahlen.

Tab. 8: Methoden der chemischen Analyse verschiedener Parameter in den Boden- und Pflanzenproben beider Aufnahmejahre (2005 und 2006)

Parameter Methode

pH-Wert d. Bodens (Protonenaktivität Bodenlösung)

Messung mit elektronischem pH-Meter (Glaselektrode) in H2O und in 1M KCl-Lösung; Verhältnis Boden:Lösung jeweils 1: 2,5

Effektive

Kationen-Austauschkapazität (Ake) d.

Bodens (mit Einzelwerten)

NH4Cl-Perkolation (2,5g lufttrockener Boden + 1M NH4 Cl-Lsg.); Messung der Kationen am Graphitrohr-Atom-Absorptions-Spektrometer (AAS) (Varian)

C*, N* Trockene Verbrennung

C-N-Analysator (Carlo Erba; Elementar "Vario EL”)

P*

Druckaufschluss mit HNO3 (0,25g Boden + 1ml HNO3) (Salpetersäure-Aufschluß)

Messung am ICP-OES (Optisches Emissions-Spektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma) (Spectro „ciros

ccd/flame“)

S Druckaufschluss mit HNO3 (Salpetersäure-Aufschluß)

Messung am ICP

Na, K*, Ca*, Mg*, Mn, Fe, Al Druckaufschluss mit HNO3 (Salpetersäure-Aufschluß) Messung am AAS / ICP

Zn*, Cu*, Cr*, Co*, Ni*, Cd*, Pb* Druckaufschluss mit HNO3 (Salpetersäure-Aufschluß) Messung am ICP

* in den Pflanzenproben des Aufnahmejahrs 2005 wurden nur diese Gehalte bestimmt