Reduktive Prozesse in anmoorigen Böden eines bewaldeten Einzugsgebietes Sonja Paul1, Christine Alewell2, Kirsten Küsel1 1 Bayreuther Institut für Terrestrische Ökosystemforschung (BITÖK) Universität Bayreuth, 2 Institut für Geowissenschaften, Universität Basel 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. 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.)) Fragestellung: Untersuchung der räumlichen und zeitlichen Heterogenität der reduktiven Bedingungen, insbesondere der Sulfatreduktion und die daraus resultierende Schwefelfestlegung in den anmoorigen Bereichen des Einzugsgebietes. Abbildung 1. Untersuchungsfläche im Einzugsgebiet des Lehstenbachs. Kombination der Methoden Bodenlösung Zeitreihen: Die Gewinnung der Bodenlösung erfolgte 2-wöchentlich an 10 Messstellen mit Saugkerzen und wurde auf Hauptkationen und –anionen analysiert. 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. a b Abbildung 4.a) FeS-Agarmasse nach Geländeeinsatz b) Aufnahme der anoxischen Bedingungen (=schwarz) an Messsstelle 4 ( Mai bis September 2002) 1 cm a b 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 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. 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 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) Festphase Untersuchung auf CNS, oxalatlösliches Eisen, red. anorg. Schwefelverbindungen Tiefenprofile: Mittels Dialysekammern wurden hochaufgelöst Tiefenprofile redoxsensitiver Spezies wie NO3-, Fe, SO42-, H2S, CH4 gemessen. Probekammer Kanal zur Probenentnahme Silikonstreifen Membran zur Diffusion Stahlrahmen a b Tabelle 1. a) Gesmtschwefelgehalt ( Stot) b) oxalatlösliches Eisen der Bodenfestphase [g kg –1 TG-1] Tiefe Standort 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 Abbildung 3. a) Funktionsprinzip einer Dialysekammer . b) geochemisches Tiefenprofil 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 Schlussfolgerungen 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 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. Methode nach Edenborn H.M. & Brickett L.A., 2001. Journal of Microbial Methods, 46, 52-62.