Heterogenität und Dynamik der Bodenlösungschemie am Beispiel verschiedener Nährelemente im Freiland und Tracer-Transport an Bodensäulen

Göttingen

1997

163 S.

zahlr. Lit. Ang.

Bandaufführung

104309

Aspekte der zeitlichen und räumlichen Heterogenität der Bodenlösungschemie wurden an drei unterschiedlichen Themenschwerpunkten untersucht: 1. Zeitreihenanalyse der Langzeitmeßreihen einzelner Elemente auf drei Versuchsflächen im Solling. 2. Vergleichende Untersuchungen der Standard- und Mikrolysimetrie zum Schwerpunkt Nitrifikation im Solling-Dachprojekt. 3. Tracer-Transport und Tomographie natürlich gelagerter Pelosol-Bodensäulen. Bei der Zeitreihenanalyse wurden die Langzeitmeßreihen einzelner Elementkonzentrationen in Ökosystemkompartimenten charakerisiert, indem die der Zeitreihe zugrundeliegenden Prozesse (Autokorrelation der Zeitreihen- oder Fehlerterme sowie daraus gemischte Prozesse) und Komponenten (Saisonalität, Trend) beschrieben wurden. Die hierbei benutzten Verfahren der Zeitreihenanalyse sind u.a. aus der Betriebswirtschaft und Hydrologie bekannt, wurden abererstmalig auf die Zeitreihen der Bodenlösungschemie des Solling angewendet. Es wurden Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen einem Buchenstandort (B1) und zwei Fichtenflächen (F1 und Dachprojekt) erarbeitet. Bei B1 und F1 standen etwa 300 Beobachtungen in monatlichen Abständen zur Verfügung, etwa 70 monatliche Meßwerte waren es bei den drei Einzelflächen des Dachprojekts (D0, D1 und D2). D2 und D0 sind Kontrollflächen mit und ohne Dach, D1 wird zur experimentellen Manipulation vorindustrieller Niederschläge mit einer speziellen Lösung beregnet. Da keine durchgehenden, eindeutig identifizierbaren Zeitreihen einzelner Meßorte der B1- und F1-Fläche vorhanden waren, wurden in der Regel Mediane mehrerer Meßwiederholungen betrachtet. Um eine räumliche Zuordnung zu erhalten, wurden alle Zeitreihen in Ökosystemkompartimente untergliedert. Mit Spektralanalysen wurden alle Zeitreihen auf Saisonalitäten geprüft. Die Kronentraufe der Fichte zeigt für einige Stoffe Jahres-, für andere Halbjahressaisonalitäten, während der Freilandniederschlag nur ausgeprägte Jahressaisonalitäten aufweist. Die meisten der untersuchten Zeitreihen der Bodenlösung zeigen Jahressaisonalitäten in 0cm Bodentiefe, die vermutlich von den ebenfalls stark saisonalen Eintragen über Bestandes- und Freilandniederschläge beeinflußt werden. Im Mineralboden werden die saisonalen Signale abgedämpft. Die nicht manipulierten Ökosysteme (B1- und F1-Fläche) können daher in drei räumlich übereinander gelagerte Oberkompartimente unterteilt werden: Den atmosphärischen Input (Lufttemperatur, Niederschlagsmenge, Elementkonzentrationen im Freilandniederschlag, Luftfeuchte und Windstärke) und Bestandesniederschlag, sowie eine Schnittstelle bei 0cm Bodentiefe und als drittes den Mineralboden. Bei Kalium wurde eine auffällige Jahressaisonalität in 100cm Bodentiefe unter Fichte gefunden, auf die kein bisher bekanntes Erklärungsmodell zutreffend scheint. Es wird ein Zusammenhang mit dem Wurzelumsatz vermutet. Durch eine Modellierung nach dem Ansatz von Box-Jenkins wurden die Meßreihen auf zeitreihenanalytische Prozesse untersucht. Bei den Modellierungen zeigten sich kaum Gemeinsamkeiten zwischen B1 und F1, dafür eineige Ähnlichkeiten zwischen den Untersuchungsflächen im Dachprojekt. Der lanjährige Bewuchs (Buche oder Fichte) oder die Manipulation eines Untersuchungsgebietes haben einen großen Einfluß auf das Ökosystem. Die stärksten Saisonalitäten wurden wiederum bei Kronentraufe und Freilandniederschlag (B1 und F1) gefunden. Nur wenige der untersuchten Zeitreihen konnten als "weißes Rauschen" charakterisiert werden, d.h. die überwiegende Anzahl ist in irgendeiner Form autokorreliert und zeigt typische Komponenten wie Saisonalität und Trend. Der Sonderfall von "Random Walk", einem autoregressiven Prozeß bei lag 1 mit einem Schätzwert von 1, trat nur je einmal auf der B1-, F1- und der unüberdachten D0-Fläcche auf, jedoch häufiger bei den Zeitreihen der überdachten Flächen D1 und D2 des Dachprojekts. Die Manipulation zeigt damit möglicherweise einen Einfluß auf die Struktur dieser zeitreihen. Mit den Ergebnissen der Modellierung wurden Kreuzkorrelationen mit Transferfunktionen durchgeführt, um den Einfluß unabhängiger Zeitreihen (z.B. der atmosphärischen Daten oder räumlich übereinander liegender Bodentiefen) zu testen. Die stärksten Kreuzkorrelationen traten auf alle untersuchten Flächen jeweils zwischen Niederschlagsmengen und Konzentrationen des Bestandesniederschlags (Stammabfluß und Kronentraufen) bzw. Konzentrationen des Feilandniederschlags sowie zwischen Bestandesniederschlag und Bodenlösungskonzentration in 0cm auf. Für Sulfat wurde eine Korrelation zwischen Stammabfluß und der Bodenlösung in 0cm Bodentiefe festgestellt. Es wurde festgestellt, daß die mit Transferfunktionen beobachteten Zusammenhänge im Boden häufig bei "lag 0" oder "lag 0 und 1" lagen, d.h. der Transport zwischen benachbarten Bodenkompartimenten im Solling findet innerhalb eines oder zwei Meßintervallen (Monate) statt. Aus den Erkenntnissen des Tracer-Versuchs zum Lösungstransport an ungestörten Pelosol-Bodensäulen (S. Punkt 3) kann geschlossen werden, daß mit großer Wahrscheinlichkeit die Transportprozesse im Solling nicht mit einem oder zwei Durchbrüchen der Elementkonzentrationen charakterisierbar sind, sondern mit mehreren. Sie laufen möglicherweise zu einem Teil über Makroporentransport in täglichen bis stündlichen Abständen ab. Das bedeutet zum einen, daß man auch mit deutlich höherer zeitlicher Meßauflösung vermutlich zu keinen endgültigen Ergebnissen käme über die minimale Zeitdauer des Stofftransports zwischen benachbarten Ökosystemkompartimenten. Der zeitliche Rahmen dieser Vorgänge könnte jedoch vermutlich besser eingegrenzt werden, wenn hochaufgelöste Lysimetermessungen für Transferfunktionen benutzt würden. Zum anderen können für die im Freiland beobachteten Zusammenhänge möglicherweise Modellvorstellungen verschiedener Autoren über schnelle und langsame Transportvorgänge in Makro- und Mikrostrukturen angewendet werden. Ausgehend von konvektivem Eintrag in das System und langsamen, diffusivem Austrag aus wenig mobilen Zonen könnten aus den Durchbruchskurven eines Tracers Zeitverschiebungen von einem Meßintervall bei den Transferfunktionen erklärt werden, auch wenn es sich bei beiden versuchen um unterschiedliche Bodentypen handelt. Da im Freiland ein erheblich längerer Zeitausschnitt betrachtet wird unter ständig wechselnden Bedingungen, kann kein direkter Vergleich zwischen den Versuchen gezogen werden. Durch die Komprimierung der Zeitachse auf sich wiederholende Vorgänge wird jedoch die Voraussetzung geschaffen, nicht ins Detail gehende Vorstellungen über Funktionszusammenhänge zu verfolgen.