Landschaftsanalyse "Einzugsgebiet der Stör"

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E. Untersuchungen zu Kennfeldern und Austragsmechanismen

E.1. Kennfelder zur Zönosenkernstruktur

Mit Hilfe von Kennfeldern werden strukturelle und funktionale Eigenschaften (z.B. Organismen-Zusammensetzung oder Energieflußdichteabsenkung) der unterschiedlichen Zönosenkernstruk­turen dargestellt. Dies erfolgt sowohl auf räumlicher als auch auf zeitlicher Basis. Für die zeitliche Betrachtung ist es notwendig, Kennfelder über den Tages- und Jahreszyklus zu beschreiben, da der Sonnenenergiepuls alle wesentlichen Prozesse in der Natur bestimmt.

Über einen bestimmten Zeitraum und/oder für eine bestimmte Größenordnung von ZKSen kön­nen mittlere Muster erstellt (z.B. der Tagesgang im Juli oder die Temperatur in Abhängigkeit des Ökotonenabstandes als Größenmaß der ZKSen) und die Abweichung einzelner ZKSen von die­sem Gebietsmittel aufgezeigt werden. Neu hinzukommende Meßergebnisse können so schnell in einen größeren Zusammenhang eingeordnet und in ihrer Bedeutung für die Veränderung der mittleren Verteilung und der Schwankung eingeschätzt werden.

Die Beschreibung der funktionalen Eigenschaften über Kennfelder ermöglicht eine Abschätzung darüber, ob in dem betrachteten Raum stoffliche Kreis- oder Verlustprozesse vorherrschen (Wirkungsgrad der ZKSen, vgl. Kap. B.2.2):

• In einer Landschaft mit überwiegend hohem Wirkungsgrad der ZKSen kann der Energiepuls nahezu vollständig durch die ZKSen gedämpft werden. Wichtigster dissipativer Prozeß ist die Verdunstung. Durch die darüber verbesserte Kühlung der Fläche sind Kondensationspro­zesse begünstigt. Rückgekoppelt daran treten längere Trockenphasen des Bodens seltener auf. Diese werden weitgehend durch die Transpiration der Vegetation bestimmt. Als steuern­der Prozessor koppelt sie Mineralisation und Stoffaufnahme optimal aneinander. Das Stoffan­gebot des Standortes bleibt so weitgehendst erhalten. Der Wirkungsgrad wird durch die Pro­duktivität der Organismen und die thermische Dämpfung abgebildet.

• Menschliche Eingriffe haben in die Kopplung der ZKSen eingegriffen, den verlustarmen, kurz­geschlossenen Wasserkreislauf geöffnet und dadurch den Wirkungsgrad der ZKSen gesenkt. Der Detritusspeicher der Wälder wurde u.a. durch Rodung und Streunutzung abgebaut, Feuchtgebiete drainiert. Verbunden damit haben sich die wechselfeuchten Phasen im Boden erhöht. Dies führt zu einer nicht an die pflanzliche Produktion rückgekoppelten Mineralisation. Durch die dabei entstehenden Starksäuren (z.B. HNO₃, H₂SO₄) gehen puffernde Basen am Standort oder an anderer Stelle in Lösung und werden mit dem abfließenden Wasser in Richtung der Fließgewässer verlagert.

Die Energieflußdichte wird im wesentlichen durch den Verdunstungsprozeß abgesenkt (Kap. B.2.1, Abb. 4). Die in der Literatur angegebenen Werte für die Verdunstung¹ (vgl. z.B. Kirchner 1986)

• weisen zumeist keine jahreszeitliche Differenzierung auf,

• berücksichtigen methodisch nicht die mögliche mehrfache Verdunstung des Wassers in kurzge­schlossenen Verdunstungs-Taubildungszyklen (nur längerfristige Bilanzierungen) und
• lassen die Rückkopplung zwischen dem Regionalklima und dem landschaftlichen Wirkungs­grad (Kap. B.3) außer Acht.

Die Temperaturdifferenzen unterschiedlicher Standorte lassen jedoch Rückschlüsse auf die Ver­dunstung zu: Eine geringere Temperatur ist im wesentlichen auf eine höhere Verdunstung zu­rückzuführen. So deutet die geringere Temperaturschwankung im Buchenbestand (Abb. 30) dar­auf hin, daß Buchen in den Sommermonaten Juni bis September eine höhere Verdunstung auf­weisen als Fichten- oder Kiefernbestände.

Abb. 30: Die "Charakterkurven der Holzarten";von Müttrich (1890, zit. in Geiger 1961).

Ein Teil der nicht von der ZKS in Kreisprozessen umgesetzten Energie wird über die Bodener­wärmung und zeitverzögerte -abkühlung dissipiert (Bodenwärmestrom). Ein hoher Bodenwärme­strom, einhergehend mit einer großen wechselfeuchten Zone, führt bis in tiefere Bodenschichten zur Mineralisation² (Respiration organischer Substanz). Die löslichen Stoffe werden mit dem ein­setzenden gerichteten Wasserfluß als Stoffverluste ausgetragen.

Die Stoffverluste sind nicht ausschließlich vom Wirkungsgrad einzelner ZKSen abhängig, sondern auch von der räumlichen Verteilung der unterschiedlichen ZKSen und deren raum-zeitlicher Kopplung über den Wasserfluß. So kann das Basen transportierende Wasser beim Eintritt in Feuchtgebiete abgebremst und ein Teil der Fracht durch die Vegetation festgelegt wer­den. Die­ser Effekt ist auch an Ökotonen (Grenzlinien) beim Wasserfluß in ZKSen mit höherem Wir­kungsgrad, z.B. von einem Acker in einen Wald, zu erwarten. Hingegen können beim Abfluß in Richtung von Flächen mit geringerem Wirkungsgrad, z.B. von einem Wald auf einen Acker, diese Stofftransporte durch die dort erhöhten Temperatur- und Feuchtigkeitsgradienten beschleunigt sein.

Anhand der Kennfelder können die im Gebiet vorgefundenen bzw. unterschiedenen ZKSen ver­gleichend dargestellt und beschrieben werden. Veränderungen der schon beobachteten ZKSen und noch nicht beschriebene ZKSen lassen sich anhand der Kennfelder rasch einordnen und bewerten. Ziel der Kennfelder ist eine Konkretisierung der Regionalstudie, da an die direkt ge­messene Information (z.B. mit Hilfe eines Satellitenbildes) die Erkenntnisse der Kennfelder gekop­pelt werden können.

E.1.1. Temperatursonden

Einen Hinweis auf den unterschiedlichen Wirkungsgrad verschiedener ZKSen geben kontinuierli­che Temperaturmessungen. ZKSen mit geringem Wirkungsgrad weisen gegenüber solchen mit hohem Wirkungsgrad weite Temperaturamplituden (hohe Maxima, niedrige Minima) und hohe Standardabweichungen über die Tageswerte auf. Umfangreiche Temperaturmessungen, wie sie bereits Ende des letzten Jahrhun­derts mit Hilfe forstlicher Doppelstationen durchgeführt wurden (z.B. Müttrich 1890, Lorenz 1878, Geiger 1961:383), zeigen bereits den oft geringeren Wirkungsgrad landwirtschaftlicher Flä­chen gegenüber Wald­flächen sowie Differenzierungen zwi­schen Waldflächen mit verschiedenen Holzarten (vgl. Abb. 30).

Abb. 31: Muster der täglichen Temperaturdifferenzen zwischen einem Acker und einem Kiefernbestand in Eberswalde in 2 m Höhe; (nach Daten in Müttrich 1890).

Die zeitlich hochauf­lösenden Temperaturmessungen (20 Minuten-Intervalle) im Rahmen des Zu­satzprojektes (Stör II) zeigen zum Teil große Unterschiede zwischen den verschiedenen ZKSen auf (vgl. Abb. 32 und Anhang 2, E.1.1). Die exemplarisch bereits Ende des 19. Jahrhunderts ge­messenen Temperaturdifferenzen zwischen Waldbestand und Freiland auf halbstündiger Basis (Müttrich 1890) (Abb. 31) werden durch die Ergebnisse der Sondenmessung (Abb. 32) bestä­tigt.

Deutlich wird, daß eine vernetzte, d.h. hoch vergesellschaftete ZKS (z.B. ein Wald), den Energie­puls über das ganze Jahr räumlich und zeitlich besser ausgleichen kann, als eine weniger gut vergesellschaftete (z.B. eine Wiese). Die Unterschiede sind im Winter erheblich geringer als im Sommer (vgl. Temperaturdifferenzen zwischen unterschiedlichen Vegetationstypen und einem Buchenwald, Anhang 2). Eine bessere Temperaturdämpfung verringert den Anteil stofflicher Verluste gegenüber den Kreisprozessen und bedingt damit eine höhere Stabilität des Standortes - die Nachhaltigkeit ist größer.

Das nachfolgende Temperatur-Kennfeld (Abb. 33, 34) für die untersuchten ZKSen gibt Aufschluß über die Dämpfungsei­genschaften (Wirkungsgrad) der ZKS und über den Einfluß der umgeben­den ZKSen.

Vergleich Wald-ZKSen mit anderen ZKSen:

• Die Unterschiede in 200 cm Höhe sind im Verhältnis zu denen im Boden und an der Boden­oberfläche sehr viel geringer, was auf den Einfluß der umgebenden ZKSen hindeutet.

• Das Produkt von Mittelwert und Standardabweichung ist hier in allen Höhen geringer.

• Die Energiemenge, die über den Bodenwärmestrom umgesetzt wird, ist in den Wäldern erheb­lich geringer.

Abb. 32: Muster der täglichen Temperaturdifferenzen zwischen einem Ackerrand- und einem Buchenwald-Standort im Stör-Einzugsgebiet in 2 m Höhe.

Abb. 33: Temperatur-Kennfeld für die untersuchten ZKSen. Das Kennfeld wurde aus dem Tagesgang der Temperatur im Juli 1995 berechnet.

Abb. 34: Temperatur-Kennfeld: Abweichung vom Mittel der Meßhöhe in Prozent.

E.1.2. Temperaturdaten vom Satelliten

Verschiedene räumliche Betrachtungsebenen können über Kennfelder miteinander verglichen wer­den. So kann eine einzelne ZKS mit einer größeren Anzahl ähnlicher ZKSen hinsichtlich ihrer energiedissipativen Eigenschaften ebenso verglichen werden (z.B. Temperaturverteilung in Ab­hängigkeit des Ökotonenabstandes) wie verschiedene ZKSen untereinander (z.B. Buchenwald und Acker).

Die einzelnen Nutzungsklassen weisen in ihrer Verteilung teilweise deutliche Unterschiede auf (vgl. Abb. 35). Am stärksten überwärmt sind die Siedlungsbereiche, am kühlsten der Wald und die Wasserflächen. Grünland und Acker weisen ähnliche Mittelwerte auf der Variationskoef­fizient des Ackers ist jedoch deutlich höher als der des Grünlandes. Dies deutet einerseits auf den Ein­fluß der Äcker mit besserem Wasserspeichervermögen in der Schwale und andererseits der offe­nen Böden hin. Die Moorflächen ähneln in Mittelwert und Verteilung dem Grünland. Ohnehin wird ein Teil der Moorflächen als Grünland genutzt.

Abb. 35: Verteilung der Temperatur über die Flächennutzung; im Einzugsgebiet der Stör. Datengrundlage: Temperaturkanal des Landsat 5 TM vom 07.07.1987, ca. 11 Uhr.

Bemerkenswert ist die hohe durchschnittliche Temperatur einzelner Moorflächen wie dem Dosenmoor oder dem Großen Moor (s. Karte der Oberflächentemperatur), die noch über der mittleren Temperatur der Wiesen- und Ackerflächen liegt. Für Moore, bei denen die multitempo­rale Auswertung diese Aussage bestätigt, heißt dies, daß sie ihre dissipative Funktion verloren haben. Die oberflächennahe Austrocknung und damit der Mineralisationsprozeß müssen hier sehr hoch sein. Verschiedene Autoren (Succow 1986, Lütt 1992) weisen zwar darauf hin, daß zu bestimmten Zeitpunkten die Temperatur eines Moores höher ist als die anderer Flächen. Dies kann jedoch bei einem intakten Moor nicht die Regel sein, da es sich sonst aufgrund der Mine­ralisationsprozesse schon in der Abbauphase befände.

Der erwartete hohe Wert für Siedlungsflächen und Sonstige Flächen und damit deren Be­deutung als "hot-spots" (Heizflächen) der Landschaft wird bestätigt.

Durch die geringe räumliche Auflösung des Thermalkanals (120 m * 120 m) ist das empfangene Temperatur­signal teilweise nicht das Signal nur einer Flächennutzung, sondern ein Mischsignal zweier oder mehrerer Nutzungsklassen. So entstehen in der Abbildung des Randbereiches zwi­schen Wald und Acker im Satellitenbild aus den Oberflächentemperaturen der angrenzenden Flächen gemittelte Zwischenwerte. Werden diese Randbereiche von der Auswertung ausge­schlossen, so wird die Differenzierung zwischen den Nutzungsklassen deutlicher.

Bei der Klassifizierung der Nutzungen mit Hilfe des Satellitenbildes wurden auch verschiedene Baumarten unterschieden (vgl. Kap. D.4.1). Darauf aufbauend wurden die Temperaturverteilun­gen für Laub-, Misch- und Nadelwald ermittelt. Die im Gebiet vorhandenen Laubwaldbestände sind jedoch nicht nur relativ kleinflächig, sondern zumeist auch isoliert in landwirtschaftlicher Flä­che gelegen. Dies dürfte das wenig plausible und den Sondenmessungen widersprechende Er­gebnis erklären, nachdem sowohl im Mai als auch im September der Nadelwald kühler als der Laubwald gewesen ist.

Die in der topographischen Karte als Acker ausgewiesenen Flächen sind bewirtschaftungsbedingt phasenweise als offener Boden anzusprechen. Über einen Schwellenwert zweier Kanäle (Rot und nahes Infrarot, "Normalized Vegetation Index", NDVI) konnte innerhalb der Nutzungsklassen Acker/Grünland jeweils der offene Boden kartiert und der Temperatur gegenübergestellt werden. Danach ist der offene Boden erwartungsgemäß deutlich wärmer als der Acker (im Mai 1992 um 5.5°C, im Juli 1987 um 3.0°C, im September 1991 um 2.6°C).

E.2. Mechanismen der Stofffestlegung und des Stoffaustrags

Um den Stoffverlustprozeß als Grundlage für eine nachhaltige Bewirtschaftung besser zu verste­hen, wurden die Stoffestlegungs- bzw. Stoffaustragsprozesse bezüglich ihrer Mechanismen, aber auch bezüglich ihrer räumlichen Verteilung untersucht. Dabei erfolgte sowohl eine Betrachtung der Transport- und Reaktionsprozesse im Einzugsgebiet als auch der Prozesse im Gewässer. Die räumlich und jahreszeitlich differenzierten Stoffausträge aus den einzelnen Teileinzugsgebieten (Berechnungsabschnitten) der Stör sind in Kap. F.7.2 dargestellt. Eine differenzierte Abfluß- und Stoffaustragsbetrachtung der einzelnen Orte eines Flußlaufs erfordert jedoch vorab eine weitge­hende Kenntnis der dynamischen Prozesse im Einzugsgebiet. Sie ist daher meist erst nach län­gerer Beobachtung der Prozesse und nach Identifizierung der Quellen ihrer Varianz mit größerer Sicherheit möglich. Bei ungehinderter Entwicklung natürlicher Systeme werden die irreversiblen Stoffausträge minimiert, d.h. die Differenzen zwischen Abfluß und den Frachten einzelner Stoffe maximiert. Störeinflüsse (wie zum Beispiel eine nicht an die Landschaftsdynamik angepaßte Be­wirtschaftung oder auch Katastrophen) setzen diesen Optimierungsprozeß teilweise zurück. Die dabei auftretenden irreversiblen stofflichen Verluste weisen räumliche und - bei hinreichender Beobachtungsfrequenz - zeitliche Muster auf. Die Muster ermöglichen Aussagen über Frequenz und Umfang (Amplitude) der Störeinflüsse.

Eine Verlangsamung des Stoffaustragsprozesses erfolgt durch den sich kürzer schließenden Wasserkreislauf in sich ungehindert entwickelnden Landschaften (Selbstoptimierungsprozeß, Kap. B).

Darüber hinaus bestimmen die Transporte aus den Böden der Einzugsgebiete die Frequenzen der stoffspezifischen Lösungs- und Festlegungszyklen. Diese Zyklen ergeben sich aus der Wechsel­wirkung zwischen Bodenwasser und fester Bodenmatrix. Rückgekoppelt ist diese Wechselwir­kung an den Fluß des Wassers, seine Zusammensetzung sowie an die Größe des vom Wasser in einem bestimmten Zeitraum passierten Bodenprofils. Auch in den Gewässern erfolgen durch die Interaktion zwischen Wasser und den festen Strukturelementen (z.B. lebende und abgestorbene Pflanzen, Sand, Steine) Stofflösungs- und Festlegungsprozesse, über die es netto zu einer Frachtminimierung kommt. Die wahrnehmbaren Ergebnisse der Interaktion sind Aufwuchsbildung sowie Partikelwachstum im Seston oder in den Sedimenten (z.B. Kristallisation von Karbonaten oder Phosphaten an den Partikeloberflächen). Dabei sind anorganische Lösungs- und Fällungs­prozesse sowie biologische Stoffrückhaltemechanismen in ihrer raum-zeitlichen Kopplung von größter Bedeutung. Diese Prozesse sind zwar in Laboratorien nachzuvollziehen, aber aufgrund ihrer unbekannten raum-zeitlich diskreten Verteilung und der vielfachen Rückkopplung kaum mo­dellierbar, geschweige denn in die Natur übertragbar. Die wichtigsten chemischen Mechanismen stellen dabei die an biologische Produktions- und Respirationsprozesse gekoppelten Reaktionen des organischen Kohlenstoffs und der Kohlensäure dar. Diese Reaktionen sind ihrerseits im Wasser stark an die Transport- bzw. Verteilungsprozesse der chemischen Potentiale mit dem Wasserfluß rückgekoppelt.

E.2.1. Transport- und Reaktionsprozesse im Einzugsgebiet

E.2.1.1 Anorganische Lösungs-/Fällungsprozesse und biologische Prozesse

Die Triebfeder für die Lösungsprozesse ist die ständige Erneuerung von chemischen Potentialen. Sie erfolgt zum einem durch den Transport von Wasser, der an der Bodenoberfläche vorrangig Niederschlagswasser umfaßt. Über den Wassertransport werden Reaktanten (z.B. Elektronen­aktzeptoren und/oder Protonen) zugeführt und Reaktionsprodukte (Ionenlösungen, CO₂ und an­dere Metabolite) abgeführt. Zum anderen werden die Potentiale durch die fortwährende Bereit­stellung abbaufähigen organischen Materials als Kohlenstoffquelle in den Böden erneuert:

Versickernde Niederschläge, die beim Auftreffen auf die Bodenoberfläche noch sehr wenig gelö­ste Stoffe enthalten (vgl. Kap. F.1.1.1), werden bereits in den obersten Schichten der Böden durch Auflösung von Karbonaten, Sulfaten und Chloriden stark mit Ionen angereichert. Auch Sili­kate werden vielfach gelöst, doch legen sie sich durch Polymerisation relativ rasch an anderer Stelle wieder fest. Bereits in etwa 100 cm Tiefe sind durch Auflösung von leicht verwitterbarem oder bereits teilweise verwittertem Bodenmaterial die Lösungen des Bodenwassers meist von einer elektrischen Leitfähigkeit von < 5mS/m auf mehrere 10 mS/m angestiegen. Ihre chemische Zusammensetzung weist oft schon Eigenschaften von Bodenwasser bzw. - bei thermodynami­schem Gleichgewicht - von Grundwasser auf.

Respiratorische Abbauprozesse durch Bakterien und Pilze, die in wechselfeuchten Boden­schichten im unmittelbaren Pflanzenwurzelbereich ausgeprägter als in feuchten Phasen sind, er­höhen den Partialdruck der Kohlensäure. Diese verschieben die Gleichgewichtsbedingungen für die Lösung von Basen (z.B. Karbonaten) stark in Richtung höherer Löslichkeit.

Auch durch respiratorische Abbauprozesse mit dem Luftsauerstoff, bei der organische Stickstoff- und Schwefelverbindungen zu Starksäuren (wie Salpetersäure oder Schwefelsäure) oxidieren, wird anorganisches Bodenmaterial zusätzlich verwittert bzw. werden Basen als Nitrate und Sul­fate transportfähig gemacht. Als Beispiel sollen hier die Reaktionen im belüfteten Boden bei der Gülledüngung betrachtet werden:

Harnstoff wird durch hydrolytische Desaminierung mittels Ureaseenzym gespalten:

1) NH₂-CO-NH₂ + H₂O --> 2 NH₃ + CO₂
2) NH₃ + H₂O --> NH₄⁺ + OH^-

Unter Sauerstoffzutritt wird Ammonium zu Nitrit und Nitrat bakteriell nitrifiziert:

3) NH₄⁺ + 1,5 O₂ -> NO₂^- + 2 H⁺ + H₂O durch Nitrosomonas
4) NO₂^- + 0,5 O₂ -> NO₃^- durch Nitrobacter

Die dabei gebildeten 2 Salpetersäuremoleküle lösen Kalk als Calciumnitrat auf:

5) CaCO₃ + 2 HNO₃ -> Ca(NO₃)₂ + H₂O + CO₂

Schwefelsäurebildung aus reduzierten Schwefelverbindungen geschieht analog und resultiert in einer erhöhten Basenauswaschung durch Bildung von relativ leichtlöslichem Gips.

Die Kopplung der Austragsmuster an die Trocken- und Naßphasen des Bodens wurde anhand von Aus­waschungs-Versuchen (Leaching-Versuche) aufgezeigt. Dazu wurden zwei Standzylinder aus Plexiglas mit einer an organischer Substanz reichen Sand-Gewässersedimentmischung ge­füllt. Während der eine Zylinder kontinuierlich feucht gehalten wurde, unterlag der andere durch einen intermittie­renden Wasserfluß ständig wechselfeuchten Phasen (Abb. 36). Die Menge des durch die beiden Ver­suchsanlagen geflossenen Wassers war etwa gleich.

Im Vergleich zum kontinuierlichen Wasserfluß wurden bei dem intermittierenden eine deutlich hö­here Säurebildung und daran gekoppelt auch höhere Stoffausträge beobachtet (Abb. 37).

Abb. 36: Aufbau des Leaching-Versuches.

Abb. 37: Calcium und Sulfataustrag aus den Versuchszylindern.

Bei bereits sauren Bodenbedingungen (wie sie z.B. in Nadelwäldern meist auf Grenzertragsflä­chen vorkommen) werden auch die aufgrund ihrer geringeren Löslichkeit oberflächlich angerei­cherten Schwermetalle sowie Aluminium gelöst, transportiert und verlagert.

Die respiratorischen Abbauprozesse erfordern einen vertikalen Wassertransport, um die Reaktions­potentiale aufrechtzuerhalten. Wird dieser Wasserstrom über die Wurzeln von den Pflanzen und ihrer Transpiration gesteuert, erfolgt der Abbau durch diese kontrolliert. Es wird nur soviel organisches Material mineralisiert, wie von den Pflanzen zur Aufrechterhaltung ihrer Pro­duktivität benötigt wird. Meliorative Eingriffe in den Bodenwasserhaushalt zur Steigerung der Nettoproduktivität haben jedoch auf land- und forstwirtschaftlich genutzten Flächen diesen Re­gelkreis erheblich gestört.

Die bessere Durchlüftung des Oberbodens durch die Absenkung des Bodenwasserspiegels so­wie die Vergrößerung der reaktiven Partikeloberfläche durch Pflügen haben zum Anstieg der Mineralisierung organischer Substanz, der damit verbundenen Starksäurebildung und einer stark gesteigerten Verwitterung basenhaltiger Mineralstoffe geführt. Der Wasserfluß im Boden wurde dynamisiert und die Böden trockneten allmählich zunehmend aus. Von besonderer Bedeutung ist die dabei eingetretene Veränderung der Porenverteilung des Oberbodens in Richtung eines ge­ringeren Anteils wasserhaltender Kapillarporen, da die kleineren Partikel zuerst ausgewaschen werden. Ursprünglich wurden mit der Entwicklung wasserhaltender Strukturen mit nur geringem Wasserdurchfluß die o.g. oxidierenden, versauernden und damit basenlösenden Prozesse durch reduzierende und neutralisierende Festlegungsprozesse (wie Denitrifikations-, und Desulfuri­kationsprozesse) abgelöst. Mit der Beschleunigung des Wassertransports nahm die organogene Prägung des Bodens ab. Dadurch wurden die Festlegungsprozesse verringert und der Stofffluß im Boden beschleunigt.

E.2.1.2 Bodenprozesse bei unterschiedlichem landschaftlichen Wirkungsgrad

Über den Zusammenhang zwischen Bodenwasserhaushalt und dem stoffspezifischen Austrag (z.B. an Anionen) kann in vielen Fällen die Phasenlage der Landschaft in den Teileinzugsgebie­ten bestimmt werden (Kap. F.2.4.2). Die Fließgewässer in einer strukturoptimierten Landschaft weisen relativ gedämpfte Abflußamplituden auf. Die Abflüsse sind chemisch durch Calcium- bzw. Magnesiumbikarbonat geprägt und enthalten kaum Nitrate, Sulfate und Chloride. Letztere neh­men durch anthropogen bedingte Störeingriffe stark zu (s.u.). Durch sie werden die Respirations­prozesse im Boden gesteigert und damit auch die Konzentration der abfließenden Basenbikarbo­natlösungen. Mit Zunahme der Respirationsprozesse erhöht sich der Kohlensäurepartialdruck im Boden gegenüber der Atmosphäre. Durch die höhere Kohlensäurekonzentration sinkt der pH-Wert und im sauren lösliche Stoffe werden verstärkt aufgelöst.

Bei hohem landschaftlichen Wirkungsgrad unterliegt das Wasser im Boden vorwiegend einem sehr langsamen vertikalen Transport. Anreicherungsschichten mit einem hohen Anteil an organi­scher Substanz begünstigen eine horizontale Ablenkung des Wasserflusses. Dabei wird der ge­ringlösliche Sauerstoff rasch gezehrt. Die sauerstofftragenden Anionen werden mittels anaerober Atmung von spezialisierten Bakterien zur Endoxidierung von geeigneten Kohlenstoffquellen ver­wendet. Nitrat und Sulfat dienen unter den sauerstofffreien Bedingungen wassergesättigter orga­nischer Böden als Elektronenakzeptoren: Nitrat wird unter Abgabe von molekularem Stickstoff denitrifiziert, Sulfat zu Schwefelwasserstoff reduziert und meist als Eisensulfid oder molekularer Schwefel festgelegt. In beiden Fällen entstehen Kohlendioxid aus der Oxidation von Kohlenstoff und Hydroxylionen aus der Reduktion von Anionen. Die Reduktion der Anionen fördert somit durch den damit verbundenen pH-Anstieg wieder eine Festlegung von zweiwertigen Basen, wie Calcium und Magnesium, als Karbonate. Diese werden aus den transportierten Lösungen unter Protonen- bzw. Kohlensäureabgabe wieder ausgefällt³. Die gelöste Basenmenge wird über die aus den Reaktionen resultierenden pH-Werte und den aktuellen Kohlensäurepartialdruck be­stimmt.

Die leichtlöslichen Chloride sind meist schon seit langer Zeit aus den Böden herausgelaugt und werden heute nur durch Immissionen von Salzstäuben aus dem Meer und durch anthropogene Emissionen in die Landschaft eingebracht. Ihr erhöhtes Auftreten ist daher meist auf einen un­mittelbaren Einfluß des Menschen zurückzuführen.

Auf bereits veränderte Bodenprozesse deuten Sulfate und Nitrate hin. Das zunehmende Vor­kommen dieser Anionen ist ursprünglich kaum auf Überdüngung zurückzuführen, sondern auf massive Eingriffe in den Wasserhaushalt der Böden. Beispiel dafür bildet die Absenkung des Bo­denwasserspiegels. Die Eingriffe bewirkten eine "biochemische Erosion" ursprünglich akkumulati­ver, reduzierender Bodenstrukturen. Einher gingen sie zunächst mit Austrägen von Sulfaten. Später, als auch die denitrifizierenden Bodenhorizonte stark durchlässig für Wasser wurden, ka­men die Nitrate hinzu. Dies hat zu einer zunehmenden Bodendegradierung und damit zur Not­wendigkeit geführt, immer höhere Stickstoffmengen zum Erhalt der Bodenfruchtbarkeit aufzubrin­gen. Durch Düngung wurden auch die zunehmenden Verluste von Stickstoff durch das immer ra­scher abfließende Bodenwasser kompensiert. Ein zunehmender Basenaustrag war die Folge.

Zusammenfassend betrachtet ist das Nitratproblem der Böden und des Grundwassers wasser­wirtschaftlich bedingt. Zugrundezulegen ist ihm der beschleunigte Wassertransport und die da­durch induzierte Bodenzerstörung durch erhöhte Mineralisierung. Ausgelöst wurde dieser Prozeß durch die Aufhebung der niedrigen Redoxverhältnisse, welche bei geringem Wasserfluß im Bo­den vorherrschen. Die sich daraus ergebenden negativen Rückkopplungen auf den Abbauprozeß müssen heute vielfach durch Anhebung der Düngegaben kompensiert werden. Erhöhte Sulfat- und Nitratkonzentrationen der Fließgewässer in Teileinzugsgebieten der Stör (vgl. Fließschemata in Kap. F.6.2) deuten auf nicht mehr funktionierende Denitrifikations- und Schwefelfestlegungs­mechanismen (Desulfurikation) in den Böden bzw. einen sehr starken Oxidationsprozeß orga­nischer Substanz hin.

E.2.1.3. Einfluß der Partikeloberfläche auf den Stoffaustausch zwischen Wasser und Sub­strat

Die größeren Oberflächen der feineren Fraktion der Bodenteilchen (Ton, Schluff) wirken bei der Stoffbindung selektiv auf die Stofflöslichkeit. Dies zeigen chemische Analy­sen zweier Größen­fraktionen von Boden- und Sedimentproben aus dem Störgebiet.

Für die Untersuchung wurden in mehreren Fließgewässern der Stör (Himmelreichbach, Buer­wischbek, Osterau, Höllenau und Schwale) (vgl. Anhang 1) insgesamt 17 Sedimentproben und an 28 Standorten der Bodenwasserpegel Mischproben des Bodens getrennt nach verschiedenen Tiefen (insgesamt 69 Proben) genommen. Die Proben wurden gesiebt und in zwei Fraktionen getrennt analysiert. Die feinere Fraktion umfaßte Korngrößen unter 0.02 mm, die gröbere die Korngrößen zwischen 0.02 mm und 0.071 mm.

In den Sedimenten ist das Verhältnis von Alkali- zu Erdalkalimetallen⁴ in der feinsten Fraktion (<0.02 mm) am geringsten, in den Bodenprofilen dagegen in der grö­beren Fraktion. Im Sediment herrschen wassergesättigte Bedingungen vor, so daß die leichter löslichen Salze schneller gelöst und wegtransportiert werden. Im Boden da­gegen erfolgt ein ständiger Wechsel feuchter und nas­ser Phasen. Dabei konzentrieren sich die leichter löslichen Salze in den Austrocknungs­phasen an den feineren Partikeln, an denen das Wasser zuletzt verdunstet.

Abb. 38: Vergleich von Boden- und Sedimentproben aus dem Störgebiet anhand der Schwermetall-Basen- und Alkali-Erdalkali-Verhältnisse.

Ein analoges Erscheinungsbild zeigt das Verhältnis von Schwermetallen zu Basen. Im Bo­den ist dies in der feinen Fraktion geringer als in der göberen, in den Sedimenten ist es ge­nau umge­kehrt. Der Schwermetall- und Basengehalt dagegen ist fast an allen Stellen jeweils in der feinen Fraktion höher. Auch hier kann die größere Oberfläche der feineren Fraktion als Erklärung die­nen. Die Basen und Schwerme­talle werden in dieser Fraktion schwerer gelöst als in der gröberen. Da die Schwerme­talle schwerer löslich sind als die Ba­sen, erfolgt auch ihre Auswaschung aus dem Bo­den vergleichsweise langsamer. Dieser Un­terschied ist in der feinen Fraktion von geringe­rer Be­deutung als bei der gröberen, wo der Anteil an gebundenen Basen von vornherein niedri­ger ist.

Die Analysen zeigen außerdem, daß der Basengehalt der tieferen Bodenschichten höher als in den oberen Schichten ist. Durch den von der Oberfläche her wirkenden Auswaschungsprozeß ist das Verhältnis der Schwermetalle zu den Basen in den oberen Bo­denschichten für die Vegetation ungünstiger als in den unteren.

E.2.1.4. Jahreszeitliche Differenzierung des Austragsprozesses

Die erhöhten Anionenkonzentrationen treten vorerst in jahreszeitlichen Mustern auf, welche durch den phasenverschobenen Reaktions- und Transportprozeß des Wassers geprägt sind: Bei absin­kendem Bodenwasserspiegel von etwa April bis September wird bei jedem Regenereignis der Boden bei relativ hohen Temperaturen befeuchtet, wodurch beschleunigte Mineralisationspro­zesse im wasserungesättigten Boden begünstigt sind. Zeitverschoben dazu werden bei anstei­gendem Bodenwasserspiegel und zunehmendem Abfluß die Reaktionsprodukte in die Oberflä­chengewässer transportiert. Aus den sich daraus ergebenden Mustern des Nitrat- und Sulfataus­trags lassen sich Rückschlüsse auf die zeitliche und räumliche Prozeßverteilung in den Teilein­zugsgebieten ziehen. Die Konzentrationsmuster sind im Zusammenhang mit der Abflußdynamik zu betrachten. Mit ansteigendem Wasserfluß im Oktober - November gehen so Konzentrationsanstiege einher. Eine Verschiebung dieser Konzentrationsanstiege in den Som­mer ist anzunehmen, aber aufgrund des zu kurzen Untersuchungszeitraumes nicht zu belegen. Zugrunde liegt dem die verringerte Verdunstung auf den versickerungsgeprägten Böden. Sie führt zu hohen Schwankungen der Bodentemperatur (vgl. Kap. E.1) und zu vermehrten wechsel­feuchten Phasen. Der Abbauprozeß der organischen Substanz ist begünstigt. Niederschlagsab­hängig werden somit durch den hohen Sickerwasseranteil große Mengen der freigesetzten Stoffe ausgewaschen.

Ein wassergesättigtes Bodensystem wiese dagegen nur an der Bodenoberfläche solche Reaktio­nen auf. Transporte träten nur in geringfügigem Ausmaß auf. Auch Produkthemmung und verrin­gerter Transport von Elektronenaktzeptoren (negative Rückkopplung) minimierten die Bodenaus­träge. In ungestörten, natürlichen Böden sorgen schwellende, meist organische, Bodenkolloide für eine hohe Wasserhaltekapazität und demzufolge für eine geringe Versickerung. Ein in erster Linie über die Wasseraufnahme durch Pflanzenwurzeln bewirkter Wassertransport könnte die Mi­neralisierung steuern.

Im Störgebiet weisen selbst viele der untersuchten Moore relativ hohe Konzentrationen an Basen im Abfluß auf. Dabei ist zu vermuten, daß die Frachten aus an Calcium reicher Mudde bzw. Sedi­ment unter der Torfauflage stammen. Die hohen Konzentrationen im Sommer sind durch einen höheren Sickerwasseranteil zu erklären. Im Winter hingegen fließt das Nie­derschlagswasser bei Wassersättigung der oberen Schichten zu einem größeren Teil oberflächennah ab (geringere Perkolation). Dadurch wird das Wasser stärker verdünnt. Dies schlägt sich in geringeren Konzen­trationen nieder. Dies konnte z.B. an den Meßstellen im Gebiet der oberen Dosenbek beobachtet werden (vgl. Anhang 2, F.2.1.3).

E.2.1.5. Bedeutung des Abflusses in seiner raum-zeitlichen Verteilung auf den Stoffaustrag

Im Abflußgeschehen ist das räumliche und zeitliche Verhalten der einzelnen Abflußkomponenten von Bedeutung. Gibt es sehr rasche, oberflächlich abfließende Anteile und geringe Schichten- oder Grundwasserabflüsse, wird das abfließende Wasser eine höhere Varianz der Konzentratio­nen bei geringeren Mittelwerten aufweisen. Die relativ hohen Abflußwerte von ca. 20 m³/ha/a und damit auch die sehr hohen Frachten des Himmelreichbaches sind vor allem auf ungewöhnlich hohe Abflußwerte im Jahr 1993 zurückzuführen, die von der Entwicklung in den anderen Ein­zugsgebieten im Zeitraum 1992-1994 abweichen. Aufgrund der geringen Größe des Einzugsge­bietes von 0,92 km² müssen lokale Besonderheiten dafür verantwortlich sein. Die Fuhlenau wei­ter unterhalb weist im Mittel einen Abfluß von etwa 16 m³/ha/d auf; die Entwicklung über die Jahre 1992-1994 entspricht aber der der anderen Einzugsgebiete.

In der Schwale dagegen beträgt der mittlere Abfluß nur etwa 7 m³/ha/d und die mittleren Konzen­trationen der Basen sind gegenüber dem Himmelreichbach stark erhöht (vgl. Anhang 2, F.2.1.3).

Für die Analyse der Nachhaltigkeit der Landschaft sind somit die lokalen Abflußbedingungen von höchster Bedeutung. Eine durch perenne Vegetation geprägte Fläche mit einem über das ge­samte Jahr maximierten und weitgehendst vergleichmäßigten Verdunstungs-Kondensationspro­zeß kann neben der Temperatur auch den Abfluß stark vergleichmäßigen. Gleichzeitig senkt die Vegetation mit der Entwicklung einer wasserhaltenden organischen Auflage die Prozeßdichte im Boden ab. Dies geht mit niedrigen Stoffkonzentrationen in den Gewässern einher, was am Ge­hege Himmelreich nachvollzogen werden kann. Ein geringer mittlerer Flurabstand mit geringer Varianz ist dafür eine notwendige Voraussetzung. Jedoch können trotz geringer Lösungs- und Respirationsprozesse durch vergleichsweise höhere Abflüsse größere Stofffrachten auftreten, als es der oberflächlich betrachtete Landschaftszustand vermuten läßt. Auch hierfür bildet das Ge­hege Himmelreich ein Beispiel.

Im gesamten Störeinzugsgebiet sind die aus der Landschaft in die Gewässer eingetragenen Lö­sungen stark durch die landwirtschaftlichen, forstwirtschaftlichen und siedlungswasserwirtschaftli­chen Aktivitäten geprägt (vgl. Kap. E.3). Die Rückhaltemechanismen der Landschaft für die ver­schiedenen Stoffe sind infolge des gesteigerten Wasserabflusses durch die Böden und der ein­geschränkten Verdunstung stark gestört. Hohe Nitratflüsse bei geringen Bikarbonatgehalten, wie sie in der Dreckau festgestellt wurden, deuten auf eine weitgehende Basenerschöpfung hin (Abb. Anhang 2, F.2.1.3).

Auch in den Gewässern wird durch Ausbau und Unterhaltung der Selbststrukturierungsprozeß, z.B. durch die Unterhaltung von Sandfängen, verhindert und damit die Rückhaltefähigkeit für ein­getragene Stoffe verringert.

E.2.2. Stoffestlegung im Gewässer

Mit dem vom Niederschlag abhängigen Wasserfluß im Boden findet ein Stofftransport in Richtung der Gewässer statt. Die Reaktionspotentiale für respiratorische Abbauprozesse werden erneuert (s.o.) sowie Stoffe in gelöster Form aus dem Oberboden den Gewässern zugeführt. Der Stoffein­trag in die Gewässer umfaßt vorrangig Bikarbonate, Sulfate, Nitrate sowie in gewissem Ausmaß auch Silikate der pflanzennotwendigen Basen. Aber auch Metalle, wie Eisen und in geringen An­teilen auch Mangan und Aluminium gehören dazu. Die gemessenen erhöhten Chloridkonzentra­tionen stammen überwiegend aus anthropogenen Quellen, wie z.B. punktuellen Abwasserein­leitungen (erkennbar an dem ständigen Auftreten höherer Chloridkonzentrationen) oder Gülle­düngung (erkennbar an dem kurzfristigen Auftreten von hohen Nitratkonzentrationen). Sie sind daher kaum aus Bodenprozessen abzuleiten.

Im Stofftransportprozeß der Gewässer spielen für die divalenten (zweiwertigen) Basen, wie z.B. Calcium oder Magnesium, die chemischen Gleichgewichtsreaktionen der Stoffübergangs-, Lö­sungs- und Fällungskinetik eine entscheidende Rolle. In den Gewässern erfolgt der Abbau einer Stoffübersättigung, z. B. mit Calcium, kurz nach dem Eintritt des Bodenwassers. Mit dem Aus­gleich des Kohlensäurepartialdrucks zu dem der Atmosphäre kommt es zur Kalkausfällung, z.B. als Tuffe oder Seekreiden. Folglich kann eine permanente Calciumübersättigung in intakten Ge­wässern nur in Quellbereichen auftreten. Weiter abgesenkt wird die Calciumübersättigung, sobald sich eine Vegetation im Gewässer ausbildet. Durch die Produktionsprozesse wird dem Wasser zusätzlich Kohlensäure entzogen. Mit der dadurch bedingten pH-Erhöhung kommt es zur bioge­nen Kalkausfällung. Die Leitfähigkeit solcher Wässer weist etwa 6 - 10 mS/m auf. Dies bestätigen eigene Messungen an einem unbewirtschafteten Gleichgewichtssystem in den Kalkalpen.

Fließgewässer mit einem zu geringen Breiten-Tiefen-Verhältnis, einer unmittelbar am Ufer stark nettoproduktiven Vegetation oder mit einem durch Abwässer bedingten hohen Sauerstoffbedarf (BSB) sind durch die Dominanz von Abbauprozessen stark heterotroph geprägt. Stoffestlegungs­prozesse sind in ihnen herabgesetzt: Die geringe Grenzschicht Wasser-Atmosphäre und die hohe Geschwindigkeit des Wasserflusses verhindern einen Ausgleich des Kohlensäurepartialdrucks im Wasser mit dem der Atmosphäre. Dieser Stoffübergang ist bezüglich seiner Kinetik wesentlich träger als der Sauerstoffübergang. Hinzu kommt der intensive Respirationsprozeß an den trans­portierten organischen Partikeln. Die Partikel tragen oberflächlich meist eine reichliche Bakterien­flora. Deren Abbauprozesse begünstigen während des gesamten Jahres, insbesondere bezogen auf das Calcium, den Transport von wesentlich höheren Konzentrationen, als es dem bei chemi­schen Gleichgewichtsbedingungen entspräche. Ferner steigen die Transporte gelöster Stoffe mit der Verringerung der Breiten-Tiefen-Varianz des Fließgewässers. Aufgrund der dann verkleiner­ten festen Phasengrenzflächen sind die turbulenten Anteile des Wassers, an denen ein Kohlen­säure-Ausgleich mit der Atmosphäre stattfinden könnte, herabgesetzt. Natürliche Gewässer wei­sen durch die hohen Ausfällungen von Kalk und Kieselsäure, aber auch von Eisenockern in Ver­gesellschaftung mit Phosphaten, meist eine hohe Dynamik an der Partikeloberfläche auf. Sie optimieren damit den Stoffrückhalt. Die Entstehung abdichtender Konglomerate bzw. Breccien im Umfeld der Gewässer sind die Folge.

Abb. 39: Calcium-Übersättigung bezogen auf das Gleichgewicht mit dem CO₂ in der Atmosphäre.

In den betrachteten Fließgewässern in Teileinzugsgebieten der Stör lagen fast zu allen Zeit­punkten an fast allen Stellen die Calciumkonzentrationen über den chemischen Gleichgewichts­bedingungen (Abb. 39). Die Denitrifikation sowie die Desulfurikation, die besonders in Feuchtge­bieten und Niedermoorstrukturen auftritt, war nur in äußerst bescheidenem Maß vorhanden. Die fehlende Möglichkeit der Gewässer, eine natürliche Dynamik in der Altarmbildung und Lauf­änderung auszubilden, ist aus diesen Gründen auch eine Ursache für die viel zu hohen irreversi­blen Stoffverluste des gesamten Einzugsgebiets.

Wenn Flüsse zur Retention von Stoffen in der Landschaft signifikant beitragen sollen, müßten sie die ihnen eigene Abflußdynamik auf einer sehr viel größeren Fläche ausbilden können. Doch müßten diese Flächen zur Erfüllung dieser Funktion frei von jeglicher Nutzungskonkurrenz durch die herkömmliche Land-, Forst- und Wasserwirtschaft sein (vgl. Kap. G.). Ausgehen müßte der Prozeß der Wiederherstellung einer dynamischen Gewässerstruktur mit einer optimalen Stoffretention (Selbstreinigungsprozeß im weiteren Sinne) von den oberen Einzugsgebietslagen. Nur unter dieser Randbedingung können sich in den nachgeschalteten Gewässerabschnitten durch die Verringerung der Abflußschwankung und der Stoffzufuhr effiziente Rückhaltestrukturen ausbilden.

E.3. Konzentrationsmuster

Hinsichtlich ihres Jahres­ganges in der Konzentration können folgende drei Stoffklassen unter­schieden werden:

1. Säurebildner wie Schwefel oder Stickstoff. Die Sulfat- oder Nitrat-Konzentration zeigt zeitlich verschoben die Abbaupro­zesse organischer Substanz an. Bei sinkendem Bodenwasserstand im Frühjahr/Sommer, d.h. einem abneh­menden Abfluß, dominiert der Stoffabbau in den obe­ren Bodenschichten gegenüber der Stofflösung und -verlagerung. Bei steigendem Was­serstand, d.h. bei zunehmenden Abfluß, erfolgt dagegen die vermehrte Lösung und die Aus­waschung der freigesetzten Stoffe. Bei dem ersten stärkeren Anstieg des Abflusses am Jahres­ende nach einer längeren abflußarmen Zeit sind daher Konzen­trations-Maxima im Ge­wässer zu beobachten (vgl. Abb. 39, 40; Anstieg im November 1992).
2. Durch die Löslichkeit bestimmte Stoffe, wie z.B. Calcium, Kalium oder Magnesium. Ihre Kon­zentration ist neben ihrer Löslichkeit zeitweise auch vom Wasserfluß abhängig. Ein "Einbrechen" der Werte ist nur bei sehr hohem Abfluß meßbar. Insgesamt ist die Schwankung (Standardabweichung) im Verhältnis zum Mittelwert daher sehr gering (Abb. 43 und Anhang 2, F.2.1.3).
3. Die überwiegend partikulär gebunden Stoffe, wie z.B. die Schwer­metalle oder partikulärer Phosphor. Ihre Konzentration ist an den oberflächlichen Erosionsprozeß gekoppelt (Abb. 44). Der Quo­tient aus Mittelwert und Standardabweichung liegt bei diesen Stoffen nahe oder über eins (vgl. Fließschemata Schwermetalle oder Ges.-P). Dies zeigt an, daß ihr Austrag von kurzzeitigen Prozessen, wie z.B. Starkregenereignissen mit Oberflächenerosion, bestimmt wird.

Bei der Betrachtung der Konzentrationsmuster in den untersuchten Fließgewässern zeigt sich das für die 1. Stoffklasse beschriebene Phänomen des Konzentrationsmaximums bei dem ersten stärkeren Anstieg des Abflusses. Dies verdeutlichen die Abbildungen 41 und 43, die dies für drei Variationsklassen⁵ für Sulfat und Nitrat aufzeigen. Dort tritt der November 1993 mit einem deut­lichen Anstieg der Kon­zentrationen gegenüber dem Ortsmittel hervor, was mit einem sehr star­ken Anstieg des Abflusses nach einer ausgeprägten Trockenphase zusammenfällt (vgl. Abb. 40).

Abb. 40: Mittlerer flächenspezifischer Abfluß für 1992-1994 für 36 Meßpegel.

Abb. 41: Prozentuale Abweichung der Sulfatkonzentration vom Ortsmittel für die drei Variationsklassen; (Zeitraum 1992-1993).

Abb. 42: Prozentuale Abweichung der Nitratkonzentration vom Ortsmittel für die drei Variationsklassen; (Zeitraum 1992-1993).

Für Calcium wird deutlich, daß die Schwankung in allen drei Variationsklassen sehr gering ist und sich die Werte nur in Monaten mit sehr hohen Abflüssen (März, November 1992, Januar, Februar, Dezember 1993) eine höhere Abweichung aufweisen (-30% in der dritten Variationsklasse im De­zember 1993). Ansonsten liegt sie zwischen -10% und +10% (Abb. 43).

Abb. 43: Prozentuale Abweichung der Calciumkonzentration vom Ortsmittel für die drei Variationsklassen
(Zeitraum 1992-1993).

Die Abhängigkeit des Gesamt-Phosphor-Gehaltes vom Abfluß zeigt sich vor allem in den Variations­klassen eins und zwei (Abb. 44). Mit den höheren Abflüssen im Herbst/Winter steigen auch die Konzentrationen an. In der dritten Klasse wird der Einfluß von Abwassereinleitungen deutlich, die das "normale" Muster (niedrige Werte im Frühjahr/Sommer, hohe Werte vor allem während des herbstlichen Anstieges) stören. Dies zeigen die durchgängig sehr hohen Stan­dardabweichungen dieser Klasse in den Sommer- und Herbstmonaten.

Abb. 44: Prozentuale Abweichung der Gesamt-Phosphorkonzentration vom Ortsmittel für die drei Variationsklassen; (Zeitraum 1992-1993).

1Kirchner (1986) grenzt die Variation der spe­zifischen Verdunstung (V) wie folgt ein (Vergleichswert Wiesen = 1.0):

Versiegelte Fläche 0.40 ? V ? 0.50

Acker 0.50 ? V ? 1.10

Wiese 1.00 = V

Wald 1.00 ? V ? 1.50

Wasserfläche 1.20 ? V ? 1.40

2Dieser Prozeß wird sehr anschaulich von Breuer (1994) für die Tundra als Folge einer stärkeren Erwärmung beschrie­ben: "Die längere Tauwetterperiode bringt eine stärkere Entwässerung der Böden, einen sinkenden Grund­wasserspiegel und damit bessere Durchlüftung der Böden mit verstärkter Verwesung und Oxidation der im Boden ge­speicherten Koh­lenstoffverbindungen".

3Z.B. Ca²⁺ + HCO₃^- -> CaCO₃ + H⁺ oder H⁺ + HCO₃^- -> CO₂ + H₂O.

4Alkali-Metalle: Natrium, Kalium, Lithium; Erdalkali-Metalle: Magnesium, Calcium.

5Die Variationsklassen wurden folgendermaßen ermittelt: Für 12 chemische Parameter (Leitfähigkeit, Alkalinität, Chlo­rid, Sulfat, Ca, Mg, K, Ges.N, Ges.P, NO₃-N, Fe und Al) wurde die Schwankung an der jeweiligen Meßstelle nach der Formel 1+(SD_{Ort.1991-1994}/MW_{Ort.1991-1994}) ermittelt (SD: Standardabweichung, MW: Mittelwert). Danach wurde den einzelnen Meßstellen das geometrische Mittel aus den 12 Werten zugeordnet und diese nach zunehmender Höhe des Wertes sortiert. Nach der Sortierung wurden drei gleichgroße Klassen gebildet. Die erste Klasse weist nied­rige, die zweite Klasse mittlere und die dritte Klasse hohe Variationen auf.