Dynamik bodenchemischer Kennwerte aufgrund veränderter Stoffeinträge und Bodenschutzkalkung in Sachsen

Indikatoren der Bodenversauerung

Die Lebensbedingungen der Bodenorganismen sowie die Nährstoffverfügbarkeit und das Wachstum der Pflanzen hängen vom chemischen Zustand der Waldböden ab. Anhand der Säurekonzentration, gewöhnlich in der logarithmierten Form als pH-Wert ausgedrückt, wird das Reaktionsmilieu der Bodenlösung beschrieben. Dieses bestimmt vor allem welche Nährstoffe als Ionen in der Bodenlösung verfügbar sind.

Neben diesem Maß für die Intensität der Säure existieren noch weitere Indikatoren, die helfen, die Wirkung der Bodenversauerung zu beurteilen. Die an den Oberflächen der organischen und mineralischen Bodenpartikel austauschbaren basischen Kationen (Ca, Mg, K und Na) sind wichtige Pflanzennährstoffe. Durch anhaltende Säureeinträge werden diese schrittweise saure Kationen (H, Al, Fe und Mn) ersetzt. Die Basensättigung gibt den prozentualen Anteil basischer Kationen an der Austauschkapazität an. Insofern sind Böden mit einer hohen effektiven Kationenaustauschkapazität (AKe) und einer hohen Basensättigung gegenüber weiteren Säureeinträgen sehr elastisch. Die Böden können diese bis zu einem gewissen Grad kompensieren.

Dynamiken werden sichtbar

Im 8 x 8 km Raster der deutschlandweit einheitlich durchgeführten Bodenzustandserhebung liegen 77 Messpunkte im Freistaat Sachsen. Ausgehend von der Erstinventur (BZE I) in den Jahren 1992 und 1993 werden durch die Wiederholungsinventur 2006-2008 (BZE II) die Dynamiken bodenchemischer Parameter sichtbar.

Als Ergebnis der oftmals immensen atmosphärischen Stoffeinträge war zum Zeitpunkt der Erstinventur eine großflächige Bodenversauerung zu verzeichnen. Die durchschnittlichen pH-Werte der Oberböden lagen nicht selten im sehr stark bis sogar extrem sauren Bereich. Zudem bewegte sich die Basensättigung im Oberboden auf einem Großteil der Standorte unterhalb von 15 %. Lediglich in den tieferen Bodenbereichen waren mäßige Elastizitäten zu verzeichnen.

Seither ist vor allem die Deposition von Schwefeloxiden und damit verbunden der Eintrag von Säure zurückgegangen. Gleichzeitig wurden intensive Sanierungsmaßnahmen, wie Bodenschutzkalkungen und die Erhöhung des Laubbaumanteils in den von Fichte dominierten Bestockungen, durchgeführt.

Fraglich ist demnach, ob sich unter den veränderten Rahmenbedingungen und infolge der Sanierungsmaßnahmen der bodenchemische Zustand bereits nach 15 Jahren nachhaltig positiv entwickelt hat?

Verbesserung des Säurezustandes im Oberboden

Die meisten Böden in Sachsen kennzeichnet noch immer ein sehr stark bis stark saures Milieu. Die Erhebungen zeigen jedoch auch einen signifikanten Trend steigender pH-Werte im Auflagehumus sowie im Mineralboden. Besonders im Oberboden (bis ca. 10 cm Tiefe) ist die Säurekonzentration am stärksten zurückgegangen. Mit zunehmender Bodentiefe nehmen die Änderungsraten jedoch ab (siehe Abbildung 2).

Basensättigungen belegen anhaltend kritischen Zustand

Die effektive Kationenaustauschkapazität zeigt kaum Veränderungen. Im Oberboden sind nur leichte Zunahmen, im Unterboden leichte Abnahmen zu erkennen.

Auf nahezu allen Standorten sind die Anteile basischer Kationen an den Austauschplätzen jedoch signifikant zurückgegangen (siehe Abbildung 3). Alle Substratgruppen weisen derzeit im Schnitt Basensättigungen zwischen 5 und 15 % auf. Hinsichtlich der Elastizität der Böden gegenüber den aktuellen Säureeinträgen belegt dies den anhaltend kritischen Zustand der Waldböden.

Substratabhängige regionale Unterschiede

Entsprechend den geologischen Ausgangsbedingungen der Bodenbildung unterscheiden sich die Bodensubstrate hinsichtlich ihrer Mineralienzusammensetzung. Diese wiederum bestimmt die Kapazität der potentiellen Säureneutralisation eines Bodens. Für folgende in Sachsen dominierende Substratgruppen liegen die ersten Auswertungen vor (siehe Abbildung 4):

(1) Arme (pleistozäne) Sande

(2) Intermediäre und saure Magmatite oder Metamorphite

(3) Umgelagerte kalkfreie Lockersedimente

Geringes Pufferpotenzial der Sandböden

Wie bereits anfangs der 90er Jahre weisen die Sandstandorte (Gruppe 1) noch immer die höchsten pH-Werte im Mineralboden auf. In der Vergangenheit bewirkten basische Staubeinträge der ehemaligen Kohlekraftwerke in der Region Halle-Bitterfeld sekundäre Aufbasungen im nordwestsächsichen Tiefland. Ihr Wegfall ist wahrscheinliche Ursache für den starken Rückgang der Basensättigung. Entgegen dem generellen Trend nahmen auch die pH-Werte in der Humusauflage der Sandböden ab. Und auch im Mineralboden ist im Vergleich zu den anderen Substratgruppen die geringste Abnahme der Säurekonzentration zu beobachten.

Wirkung von Bodenschutzkalkungen

Der Rückgang der Säurekonzentration im Auflagehumus sowie im oberen Mineralboden bis ca. 5 cm Tiefe erfolgte vor allem auf den Standorten der sauren Magmatite oder Metamorphite. Aufgrund ihrer oftmals ungünstigen Mineralzusammensetzung und den tendenziell höheren Säureeinträgen in den Berglagen erfolgten auf vielen Probepunkten dieser Substratgruppe Kompensationskalkungen. Die Kalkungen führten auf den betroffenen Standorten zu den stärksten Anstiegen des pH-Wertes im Mineralboden bis 30 cm Tiefe.

Auch die Basensättigung hat sich durch die Kalkung im obersten Bereich des Mineralbodens deutlich verbessert. Während die tieferen Bodenstufen der gekalkten Standorte sachsenweit die geringsten Basensättigungen aufweisen, liegen die Oberböden im Bereich mäßige Elastizitäten.

Bodenphysik bei Lockersedimenten bestimmend

Die Abnahme der Basensättigung ist auf den Lockersedimenten (Lößböden) und der Substratgruppe saure Magmatite oder Metamorphite, im Vergleich zu den Verlusten auf den Sanden, weniger prägnant.
Bis 60 cm ist bei den Lockersedimenten der Rückgang der Basensättigung den Magmatiten oder Metamorphiten ähnlich. Unterhalb davon fällt auf, dass auf den Lockersedimenten weitaus geringere Verluste erfolgten. Fast alle zugehörigen Standorte dieser Gruppe sind Staugleye, die einen wasserstauenden und dichten Horizont im Abschnitt zwischen ca. 60 und 90 cm aufweisen. In diesem Bereich sind die Basensättigungen (ca. 30 %) deutlich höher und der Schwund durch Basenauswaschung mit dem Sickerwasser geringer.

Fazit

Die zeitliche Veränderung des chemischen Bodenzustandes entspricht den Erwartungen der BZE-Begleitstudie (siehe MELLERT et al., 2007). Ursachen der Dynamiken sind die Abnahme der atmosphärischen Säureeinträge und die auf einem Teil der Probepunkte durchgeführten Kalkungsmaßnahmen.

Ungeachtet der gekalkten Messpunkte ereigneten sich die stärksten Veränderungen der pH-Werte auf Standorten beziehungsweise in Bereichen des Bodens, welche am stärksten säurebelastet waren. Auf Standorten und in Tiefenstufen mit ehemals hoher Basensättigung erfolgte in der Regel auch ihre stärkste Abnahme.

Trotz der gestiegenen pH-Werte ist der Zustand der Waldböden mit Blick auf die überwiegend geringen Basensättigungen weiterhin kritisch einzustufen.

Quellen

[1] BECKER, R. (2004): Erfassung und Kartierung von ökologischen Belastungsgrenzen - Critical Loads - für die BZE-Standorte Sachsens, Abschlußbericht zum Werkvertrag des Landesforstpräsidiums Sachsen

[2] RABEN, G.; ANDREAE, H.; KARST, H.; SYMMOSEK, F.; LEUBE, F. (2004): Bodenzustandserhebung (BZE) in den sächsischen Wäldern (1992-1997), Schriftenreihe des Landesforstpräsidiums, Graupa, Heft 28

[3] ULRICH, B.; MEIWES, K.J.; KÖNIG, N.; u. KHANNA, P.K. (1984): Untersuchungsverfahren und Kriterien zur Bewertung der Versauerung und ihrer Folgen in Waldböden, Der Forst- und Holzwirt, Heft 39, S. 278-286

[4] WOLFF, B.; RIEK, W. (1997): Deutscher Waldbodenbericht 1996 - Ergebnisse der bundesweiten Bodenzustandserhebung in Wald (BZE) 1987 – 1993, Hrsg.: Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten, Bonn, Band 1 u. 2

[5] MELLERT, K.-H.; WEIS, W.; RÜCKER, G. (2007): Ermittlung der (potentiell) zu erwartenden Signalstärke von Bodenveränderungen, Hrsg.: Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten, Bonn

[6] VEERHOFF, M.; ROSCHER, S.; BRÜMMER, G. (1996): Ausmaß und ökologische Gefahren der Versauerung von Böden unter Wald, UBA-Berichte 1/96, Berlin

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