Abschlussbericht Auswertung BDF in Schleswig-Holstein. Abschlussbericht

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1 Abschlussbericht Boden-Dauerbeobachtung Schleswig-Holstein: Auswertung der Projektergebnisse im Hinblick auf Aussagen zu Veränderungen von Böden, Aussagefähigkeit und Optimierung der eingesetzten Untersuchungsverfahren Auftragsbearbeitung: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Ökologie-Zentrum Institut für Natur- und Ressourcenschutz Abteilung: Hydrologie und Wasserwirtschaft Professur: Prof. Dr. Nicola Fohrer Fachliche Beratung: Dr. Claus-Georg Schimming Sachbearbeitung: Dipl.-Geogr. Projektlaufzeit: 01. Oktober 2007 bis 30. September 2010 i

2 Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis II Tabellenverzeichnis III Begriffserklärungen/Glossar IV Datenbankbezeichnungen und sonstige Abkürzungen 1 Einleitung Einleitung und Veranlassung Zielsetzung und Gliederung der Arbeitsschritte Schwerpunkte der Datenauswertung Konzeption und Umsetzung des Programms der Boden-Dauerbeobachtung in Deutschland und Schleswig-Holstein Material und Methoden Standortauswahl und -charakterisierung der BDF Messkampagnen, Probennahmezeitpunkte und Datenhaltung Flächendesign und Probennahmemethodiken Umfang und Messmethodik der erhobenen Daten Anorganische Bodenchemie Untersuchungen auf organische Schadstoffe Bodenphysikalische Methoden und Parameter Bodenbiologische Verfahren Bewirtschaftungsdaten Datengrundlagen zur Berechnung von Stoffflüssen und bilanzen Datenauswahl und -verarbeitung für die Auswertung Allgemeines Probennahmezeiträume Beprobungstiefen Stoff- und Humusbilanzen Bodenbiologische Daten Ermittlung der Bodenvariabilität und Statistik Bewertungsschema für zukünftige Eignung der Einzel-BDF Ergebnisse der Datenauswertung Abgleich mit den Vorgaben der LABO Veränderungen stofflicher und struktureller Eigenschaften unter Acker- und Grünlandnutzung Stoffeinträge Stoffbilanzen Zeitliche Veränderungen von Bodeneigenschaften Stickstoffgehalte Gehalte weiterer Nährstoffe Kohlenstoff und Humusbilanzen Funktionalitätsindikatoren (C/N, ph, Basensättigung) Bodenzoologie ii

3 3.2.9 Bodenmikrobiologie Vegetations- und lichenologische Untersuchungen Schwermetall- und Hauptelementgehalte Intensiv-BDF Bodenstruktur Verhältnis zwischen Königswasser- und Totalgehalten Korrelations- und Regressionsuntersuchungen Flächenvariabilität Fachliche Ableitungen und Vorschläge zur Verfahrensoptimierung Möglichkeiten und Grenzen der Auswertung Diskussion der Veränderungen stofflicher und struktureller Bodeneigenschaften Stickstoff K 2 O P 2 O Kohlenstoff Bodenbiologie Schwermetalle Indikatoren auf Basis der Boden-Dauerbeobachtung Prüfung von Prognosemöglichkeiten für die zukünftige Entwicklung von Böden Prüfung von Nutzungsmöglichkeiten des schleswig-holsteinischen BDF-Programms auf nationaler und EU-Ebene Beurteilung der Einzel-BDF hinsichtlich ihrer Eignung des Aufbaus von Zeitreihen Vorschläge zur Verfahrensoptimierung Allgemeines Beprobungen im Standardschema Beprobungen an den Intensiv-BDF Bewirtschaftungsdatenerhebung Mikrobiologische Untersuchungen Bodenzoologische Untersuchungen Vegetationsuntersuchungen Lichenologische Untersuchungen Datenhaltung Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassende Beurteilungen der Ergebnisdiskussion Beurteilung von Standortverhältnissen aus den Ergebnissen Zeitliche Veränderungen von Bodeneigenschaften auf Nutzungsgruppen- und Einzelflächenebene Bewirtschaftungseinflüsse auf Bodeneigenschaften Beurteilung der Eignung der Einzelverfahren und Gesamtfazit der Vorschläge zur Verfahrensoptimierung Beurteilung des Gesamtverfahrens zur Erfassung von Bodenveränderungen Ausblick Literaturverzeichnis iii

4 I Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Landschaftsräumliche Gliederung Schleswig-Holsteins mit Namen der Teillandschaften Abb. 2: Landschaftsräumliche Gliederung Schleswig-Holsteins mit BDF-Standorten (BDF 3 ersetzt durch BDF 38) Abb. 3: Bodengroßlandschaften Schleswig-Holsteins mit BDF-Standorten (BDF 3 ersetzt durch BDF 38). 14 Abb. 4: Lindhöft, Intensiv-BDF 35 (Grünland) im Hintergrund; Foto: R. Nerger, Oktober Abb. 5: Intensiv-BDF 06 (Sönke-Nissen-Koog); Foto: R. Nerger, Oktober Abb. 6: Foto des Leitprofils der BDF 39 (Hevenbruch); Foto: M. Filipinski (LLUR, Dezernat 62) Abb. 7: Probennahmedesign Basis-BDF ohne biologische Untersuchungen Abb. 8: Probennahmedesign Basis-BDF Abb. 9: Probennahmedesign Intensiv-BDF Abb. 10: Flächenskizze der BDF 38 (Föhr); Quelle: LLUR Dezernat Abb. 11: Rammkernsondierung auf BDF 39; Foto: R. Nerger, April Abb. 12: Feldbeschrieb des 1-m-Pürckhauer-Bohrstocks Abb. 13: 2-m-Bohrstock für die Tiefe von 1,0-2,0 m; Fotos: R. Nerger, April Abb. 14: Probennahme L-Horizont-Humusauflage auf BDF 39; Foto: R. Nerger, April Abb. 15: Humusauflage-Untersuchung auf BDF 39; Foto: R. Nerger, Dezember Abb. 16: Vorbereitung der Grundinventur im Rahmen der Standardbeprobung an BDF 39 (Hevenbruch) im Frühjahr 2008, Foto: R. Nerger Abb. 17: Übersicht aller in der Boden-Dauerbeobachtung Schleswig-Holsteins gemessenen Parameter bzw. Kenngrößen Abb. 18: Ökogramm mit dem Vorkommen von Lebensformentypen der Regenwürmer in Abhängigkeit von der Bodenreaktion und der Bodenkundlichen Feuchtestufe (aus: SOMMER et al. 2002) Abb. 19: Bodenzoologische Untersuchungen auf BDF 30 im November 2007, Abb. 20: Bodenzoologische Untersuchungen auf BDF 30 im November 2007, Foto: R. Nerger Abb. 21: Grundwasserbrunnen auf BDF 6 (Sönke-Nissen-Koog), Oktober 2007, Foto: R. Nerger Abb. 22: Einrichtung der Sickerwasseranlage der BDF 06 (Sönke-Nissen-Koog) mit sichtbarem Saugkerzennest; Foto: D. Elsner (LLUR, Dez. 62), September Abb. 23: Oberflächennahe Sammelflaschen von saisonalen Saugkerzen (35-40 cm Tiefe) auf der BDF 06 (Sönke-Nissen-Koog); Foto: R. Nerger, Oktober Abb. 24: Sammelflaschenkoffer mit Pumpe der BDF 35 (Lindhöft Grünland) Abb. 25: Depositions-Messstation in Lindhöft; Mai 2008, Foto: R. Nerger Abb. 26: Wet-only-Sammler der Depositions-Messstation in Lindhöft der CAU; Oktober 2007, Foto: R. Nerger Abb. 27: Grafische Darstellung zu erweiterter Unsicherheit, Mittelwertänderung und Grenzdifferenz Abb. 28: Mittlere jährliche N netto -Gesamteinträge der Acker-BDF der Wirtschaftsjahre Abb. 29: Mittlere jährliche P 2 O 5 -Gesamteinträge der Acker-BDF der Wirtschaftsjahre Abb. 30: Mittlere jährliche Cd-Gesamteinträge der Acker-BDF der Wirtschaftsjahre Abb. 31: Mittlere jährliche Pb-Gesamteinträge der Acker-BDF der Wirtschaftsjahre Abb. 32: Mittlere jährliche As-Gesamteinträge der Grünland-BDF der Wirtschaftsjahre Abb. 33: Mittlere jährliche N netto -Bilanzsalden der Acker-BDF der Wirtschaftsjahre Abb. 34: Mittlere jährliche P 2 O 5 -Bilanzsalden der Acker-BDF der Wirtschaftsjahre Abb. 35: Boxplotdarstellung N ges -Gehalte im Nutzungsgruppenvergleich (aus Mikrobiologie-Programm) iv

5 Abb. 36: N ges -Gehalte der Acker-BDF aus den Standardbeprobungen Abb. 37: Boxplotdarstellung P 2 O 5 -Gehalte im Nutzungsgruppenvergleich (Standardbeprobung) Abb. 38: Boxplotdarstellung K 2 O-Gehalte im Nutzungsgruppenvergleich (Standardbeprobung) Abb. 39: K 2 O-Gehalte der Grünland-BDF aus den Standardbeprobungen Abb. 40: Boxplotdarstellung Humusgehalte im Nutzungsgruppenvergleich (mikrobiologische Beprobungen) Abb. 41: Boxplotdarstellung Humusgehalte im Nutzungsgruppenvergleich (Standardbeprobung) Abb. 42: Humusgehalte der Acker-BDF aus den Standardbeprobungen Abb. 43: Mittlere ausgebrachte Frischmassemengen organischer Dünger der BDF nach Nutzungsgruppen (Wirtschaftsjahre) Abb. 44: Bodenbearbeitungscharakteristika der Acker-BDF Abb. 45: Boxplot-Darstellung der C org /N ges -Verhältnisse im Nutzungsgruppenvergleich der Standardbeprobungen Abb. 46: ph-werte der Acker-BDF aus den Standardbeprobungen Abb. 47: KAK eff (T-Wert) der Acker-BDF aus den Standardbeprobungen Abb. 48: Basensättigung (S-Wert) der BDF sonstiger Nutzungen aus den Standardbeprobungen Abb. 49: Abundanzen/Individuendichten der Lumbriciden der BDF sonstiger Nutzungen Abb. 50: Prozentuale Anteile der Biomasse der verschiedenen Lebensformentypen der Lumbriciden der Acker-BDF Abb. 51: Prozentuale Anteile der Strategietypen der Enchyträen der Acker-BDF Abb. 52: Nutzungsgruppenvergleich der mikrobiellen Biomasse (CFE) für Acker- und Grünlandflächen Abb. 53: C mic /C org -Quotienten der Acker-BDF aus den mikrobiologischen Untersuchungen Abb. 54: Basalatmung der Acker-BDF aus den mikrobiologischen Untersuchungen Abb. 55: Histogrammdarstellung Cr-Totalgehalte der Acker-BDF aus den Standardbeprobungen Abb. 56: Histogrammdarstellung Ni-Totalgehalte der Acker-BDF aus den Standardbeprobungen Abb. 57: Boxplotdarstellung As-Totalgehalte aus den Standardbeprobungen für Acker und Grünlandflächen Abb. 58: Boxplotdarstellung Cr-Totalgehalte aus den Standardbeprobungen für Acker und Grünlandflächen Abb. 59: Ni-Totalgehalte der Grünland-BDF aus den Standardbeprobungen Abb. 60: Boxplotdarstellung Na-Totalgehalte aus den Standardbeprobungen für Acker und Grünlandflächen Abb. 61: K-Totalgehalte aus den Standardbeprobungen für Acker und Grünlandflächen Abb. 62: Histogrammdarstellung Ca-Totalgehalte der Acker-BDF aus den Standardbeprobungen Abb. 63: Histogrammdarstellung Mg-Totalgehalte der Acker-BDF aus den Standardbeprobungen Abb. 64: Pb-Königswassergehalte der Intensiv-BDF Abb. 65: Boxplot-Darstellung der Trockenrohdichten im Nutzungsgruppenvergleich Abb. 66: Trockenrohdichten der Acker-BDF aus Leitprofil- und Standardbeprobung Abb. 67: Korngrößenverteilung der Acker-BDF aus den Standardbeprobungen Abb. 68: Korngrößenverteilung der BDF sonstiger Nutzungen aus den Standardbeprobungen Abb. 69: Charakteristika der Porengrößenverteilung der Acker-BDF aus Leitprofiluntersuchung und Standardbeprobung Abb. 70: Wasserleitfähigkeit der Grünland-BDF aus Leitprofiluntersuchung und Standardbeprobung v

6 Abb. 71: Cd-Königswassergehalte der Intensiv-BDF Abb. 72: QQ-Plots der Messgrößen K 2 O, Zn, Humus und Ntot Abb. 73: Beispiele von Regressionsbeziehungen zwischen verschiedenen Messgrößen Abb. 74: Regressionsbeziehungen zwischen der mikrobiellen Biomasse (SIR) mit Ton- bzw. Sandgehalt 147 Abb. 75: Gemittelte Flächen-Variationskoeffizienten der allgemeinen anorganisch-chemischen Messgrößen auf Nutzungsgruppenebene Abb. 76: Gemittelte Flächenvariationskoeffizienten der Schwermetall-Totalgehalte auf Nutzungsgruppenebene Abb. 77: Gemittelte Flächen-Variationskoeffizienten der Hauptelement-Totalgehalte auf Nutzungsgruppenebene Abb. 78: Gemittelte Flächen-Variationskoeffizienten der allgemeinen anorganisch-chemischen Messgrößen der Intensiv-BDF, Teil Abb. 79: Gemittelte Flächen-Variationskoeffizienten der allgemeinen anorganisch-chemischen Messgrößen der Intensiv-BDF, Teil Abb. 80: Flächen-Variationskoeffizienten der Schwermetall-Königswassergehalte der Einzelbeprobungen der Intensiv-BDF Abb. 81: Gemittelte Flächen-Variationskoeffizienten der Schwermetall-Königswassergehalte der Intensiv- BDF - Vergleich von Standard- und Einzelbeprobung Abb. 82: Gemittelte Flächen-Variationskoeffizienten der allgemeinen anorganisch-chemischen Messgrößen der Intensiv-BDF - Vergleich von Standard- und Einzelbeprobung II Tabellenverzeichnis Tab. 1: Anzahl der BDF nach Hauptnutzungsgruppen und Typ der einzelnen Bundesländer (Bremen und Berlin: keine) nach GLANTE et al Tab. 2: Auflistung der BDF in SH mit Einrichtungsdatum... 9 Tab. 3: Auflistung der Zugehörigkeit einzelner BDF zu anderen Messnetzen und Erhebungen aus der Bodendatenbank des LLUR Tab. 4: Naturräumliche Einheiten, geopedologische und Nutzungsbezüge der BDF in Schleswig-Holstein Tab. 5: Funktion und Verfahren der Bodendauerbeobachtung nach BARTH et al. (2000) Tab. 6: Messkampagnen mit zugehörigen Probennahmezeitpunkten aller BDF in Schleswig-Holstein Tab. 7: Untersuchungszeiträume Mikrobiologie und Bodenzoologie Tab. 8: Vorliegende Teilauswertungen der Boden-Dauerbeobachtung in Schleswig-Holstein Tab. 9: Beteiligte Labore zur Untersuchung organischer Schadstoffe im Rahmen der Boden-Dauerbeobachtung in Schleswig-Holstein Tab. 10: Datenbankübersicht 1 Anorganisch-chemische Elementanalytik Tab. 11: Datenbankübersicht 2 Anorganisch-chemische Elementanalytik Tab. 12: Kurzzusammenfassung der angewandten Methoden der Elementanalytik Tab. 13: Angewandte Methoden der Elementanalytik innerhalb der verschiedenen Messkampagnen der BDF Tab. 14: Elementspezifische Bestimmungsgrenzen in mg/kg der angewandten Methoden der Elementanalytik in der Boden-Dauerbeobachtung Schleswig-Holsteins (Datenbankwerte) Tab. 15: Prozentuale Anteile der Messwerte unter der Bestimmungsgrenze bei den verschiedenen Analytikmethoden (Stoffgruppen der Datenbank) vi

7 Tab. 16: Gemessene Parametergruppen und Einzelparameteranzahl der organischen Bodenchemie in der Boden-Dauerbeobachtung Schleswig-Holsteins Tab. 17: Datenbankübersicht der gemessenen bodenphysikalischen Parameter Tab. 18: Flächenbezogene Datenauswertung der bodenzoologischen Untersuchungen (aus GRAEFE et al. 2001) Tab. 19: Ökologisches Verhalten der Bodenfauna (nach GRAEFE & SCHMELZ 1999, in Anlehnung an ELLENBERG et al. 1992) Tab. 20: Wertebereiche der Regenwurmbiomasse nach Untersuchungen auf Boden-Dauerbeobachtungsflächen in Nordwestdeutschland (aus: GRAEFE 2005 b) Tab. 21: Bewertung der Parameter mikrobieller Biomasse-C (C mic) und mikrobieller Biomasse-N (N mic) für Ackerund Grünlandstandorte in Schleswig-Holstein (nach BODE 1997) Tab. 22: Wertebereiche (C mic-klassen) der mikrobiellen Biomasse im Oberboden (aus: HÖPER & KLEEFISCH 2001) Tab. 23: Sollwertbereiche für die mikrobielle Biomasse in der Krume gepflügter Ackerböden (aus: HÖPER & KLEEFISCH 2001) Tab. 24: Verteilung der Probenanzahlen auf den Untersuchungsflächen im Rahmen der Erstbeprobung Tab. 25: In die Auswertungen einbezogene bodenzoologische Untersuchungsgrößen Tab. 26: Bodenmikrobiologische Untersuchungsgrößen Tab. 27: Legende der Beurteilungskriterien nach Punkten zur Einschätzung der BDF hinsichtlich ihrer Weiterführungseignung Tab. 28: Vergleich der Vorgaben der LABO und Realisierung in Schleswig-Holstein bezüglich Durchführung, Messort, Messintervall und Messmethoden (anorganisch-chemische Bodenparameter) 1. Teil Tab. 29: Vergleich der Vorgaben der LABO und Realisierung in Schleswig-Holstein bezüglich Durchführung, Messort, Messintervall und Messmethoden (anorganisch-chemische Bodenparameter) Fortsetzung Tab. 30: Vergleich der Vorgaben der LABO und Realisierung in Schleswig-Holstein bezüglich Durchführung, Messort, Messintervall und Messmethoden der organisch-chemischen Bodenparameter Tab. 31: Vergleich der gemessenen bodenphysikalischen Parameter und Methoden mit den Vorgaben der LABO Tab. 32: Vergleich der gemessenen Vegetationsparameter und methoden mit den Vorgaben der LABO Tab. 33: Vergleich der gemessenen bodenzoologischen Parameter und Methoden mit den Vorgaben der LABO 83 Tab. 34: Vergleich der gemessenen Flechtenparameter und methoden mit den Vorgaben der LABO Tab. 35: Vergleich der gemessenen mikrobiologischen Parameter und Methoden mit den Vorgaben der LABO. 85 Tab. 36: Vergleich der gemessenen Bewirtschaftungsparameter bzw. Kenngrößen mit den Vorgaben der LABO86 Tab. 37: Vergleich der gemessenen Sickerwasserparameter und methoden mit den Vorgaben der LABO Tab. 38: Vergleich der gemessenen Depositionsparameter und methoden mit den Vorgaben der LABO Tab. 39: N ges-bilanzen [kg/ha] der Acker-BDF der Wirtschaftsjahre (grau: unzureichende Daten) Tab. 40: P 2O 5-Bilanzen der Acker-BDF der Wirtschaftsjahre (grau: unzureichende Daten) Tab. 41: K 2O-Bilanzen ausgewählter Acker-BDF der Wirtschaftsjahre (grau: unzureichende Daten). 98 Tab. 42: Cd-Bilanzen [g/ha] der Acker-BDF, Wirtschaftsjahre (grau: unzureichende Daten) Tab. 43: Pb-Bilanzen [g/ha] der Acker-BDF, Wirtschaftsjahre (grau: unzureichende Daten) Tab. 44: BDF und Messgrößen für die signifikante zeitliche Veränderungen von Messgrößen festgestellt wurden; Programm Standardbeprobung; rote Ziffern = Fälle unterschiedlicher Messmethoden zwischen Erst- und Zweituntersuchung Tab. 45: BDF und Messgrößen für die signifikante zeitliche Veränderungen von Messgrößen festgestellt wurden; Programm Mikrobiologie (Veränderungen von Dritt- zur Vieruntersuchung) vii

8 Tab. 46: Humusbilanzen [kg Humus-C/ha] der Acker-BDF für die Wirtschaftsjahre (grau: unzureichende Daten) Tab. 47: Prozentuale Anteile von Königswassergehalten an Totalgehalten an sieben BDF (Parallelmessungen) Tab. 48: Vorsorgewerte für Schwermetalle in Böden verschiedener Bodenarten aus der BBodSchV (1999) Tab. 49: Überschreitung oder Erreichung der Vorsorgewerte (Königswasser) durch Totalgehalte (BDF- Nummerierung) Tab. 50: Korrelationskoeffizienten (Pearson) der anorganisch-chemischen und mikrobiologischen Parameter (grün: signifikant nach T-Test; orange: hochsignifikant > 0,8) Tab. 51: Eliminierte Werte des Median-5-Interquartilstest der Flächenvariationskoeffizienten (Methodenbezeichnungen aus Bodendatenbank des LLUR; graue Unterlegung: entfernte Werte; x = Wert < Bestimmungsgrenze) Tab. 53: Humusbilanzen [kg Humus-C/ha] der BDF 9 (Schuby) für die Wirtschaftsjahre Tab. 52: Ausgebrachte Trockenmassemengen organischer Dünger auf Acker-BDF in den Wirtschaftsjahren Tab. 54: Ni-Bilanzen [g/ha] für BDF 10 der Wirtschaftsjahre (grau: unzureichende Daten) Tab. 55: Flächenvariationskoeffizienten [%] der Stoffgruppen C,N; KAK eff und Schwermetall-Totalgehalte aus der Zweitbeprobung; Werte >= 30 %: gelb, 20 <30 %: grün unterlegt Tab. 56: Flächenvariationskoeffizienten [%] der Stoffgruppen Hauptelement-Totalgehalte, Bodenphysik und Mikrobiologie aus der Zweitbeprobung bzw. Dritt- und Viertbeprobung (Mikrobiologie); Werte >= 30 %: gelb, 20 <30 %: grün unterlegt Tab. 57: Einfaches Beurteilungsschema nach Punkten (Legende: Tab. 50) der BDF 01-39; Ausschlusskriterium: Gesamtsumme von 10 Punkten Tab. 58: Liste der durchgeführten Fachgespräche Tab. 59: Vorschläge für die Beprobungen im Standardschema Tab. 60: Vorschläge für die Beprobungen an den Intensiv-BDF Tab. 61: Vorschläge zur Bewirtschaftungsdatenerhebung Tab. 62: Vorschläge zu den mikrobiologischen Untersuchungen Tab. 63: Vorschläge zu den bodenzoologischen Untersuchungen Tab. 64: Vorschläge zu den Vegetationsuntersuchungen Tab. 65: Vorschläge zu den lichenologischen Untersuchungen viii

9 III Begriffsklärungen/Glossar BDF BDF, BBKSH BBKSH, BDF BBKSH Grundinventur Intensiv-BDF LFDNR Messkampagne Merkmalsdokumentation MK1 MK2 MP* OB1*, OB2* Prozessdokumentation Standardbeprobung Wiederholungsinventur Boden-Dauerbeobachtungsfläche mit Mischproben- oder Einzelprobenuntersuchung BDF mit Gesamtmischprobenuntersuchung (1 Mischprobe aus 18 Einzelproben) BBKSH-Flächen am selben Ort wie BDF-Flächen Bodenbelastungskataster Schleswig-Holsteins Erstuntersuchung der Standardbeprobung, die über das gesamte Bodenprofil erfolgte, in Datenbank MP* BDF mit jährlichen Messungen der chemisch-physikalischen Bodeneigenschaften (als Einzelbeprobung) sowie Sickerwasseruntersuchungen und Depositionsmessungen Laufende Nummer --> Datenbankfeld für alle Beprobungsarten (z.b. Leitprofilbeprobung, Standardbeprobung etc.) Nicht-Datenbankbezeichnungssynonym für Laufende Nummer (LFDNR) Untersuchungen auf den Basis-BDF Erstuntersuchung der Standardbeprobung Zweituntersuchung der Standardbeprobung steht stellvertretend für Mischprobe 1, 2 oder 3 (in der Datenbank MP1, MP2, MP3) in der Standardbeprobung Datenbankbezeichnung Oberbodenbeprobung Organika (teilweise auch Anorganika) Anfang 90er Jahre Untersuchungen auf den Intensiv-BDF Beprobung von 18 Einzelpunkten einer BDF, die sich in zwei sich kreuzenden Diagonalen befinden bisher bestehend aus Erstuntersuchung (Grundinventur; MK1) und Zweituntersuchung (erste Wiederholungsinventur; MK2) bei Basis-BDF verbunden mit der Erstellung von 3 Mischproben aus diesen 18 Einzelproben zugehörige Datenbankbezeichnung ist MP* (Mischbeprobung) Zweituntersuchung der Standardbeprobung, die nur im Oberboden erfolgte, in Datenbank MP*-Wiederholung ix

10 IV Datenbankbezeichnungen und sonstige Abkürzungen Datenbankfeld "Projekt" im Bericht verwendete Kürzel Bedeutung BDF01-39 BDF* Beprobungen im Rahmen des BDF-Programms BDF01-39, BBKSH BDF*,BBKSH Beprobungen im Rahmen des BDF-Programms nach BBKSH-Methodik (nur Oberboden) BBKSH, BDF01-39 BBKSH, BDF* Beprobungen im Rahmen des BBKSH-Programms deren Standorte sich mit BDF-Standorten decken (nur Oberboden) Datenbankfeld "LFDNR" im Bericht verwendete Kürzel Bedeutung MP1-3 MP* MP1-3-Wiederholung MP*-Wdhlg OB-DB01-18 OB-DB* OB-DB-MP OB-DB-MP LP LP LP II LP II LP, 05 LP, 05 LP-Wdhlg LP-Wdhlg LP-Wdhlg OB LP-Wdhlg OB Wdhlg-LP Wdhlg-LP OB1,[Nummer] OB1* OB2,[Nummer] OB2* OB1 OB1 OB1+OB2 OB1+OB2 Sonstige Abkürzungen SG KF MF RF MF-BoWa MF-Depo Standardbeprobung Grundinventur (Mischprobenherstellung), gesamtes Profil Standardbeprobung Wiederholungsinventur (Mischprobenherstellung), nur Oberboden jährliche Standardbeprobung auf den Intensiv-BDF (Einzelbeprobung; Anorganika+Bodenphysik), nur Oberboden jährliche Standardbeprobung auf den Intensiv-BDF (Mischprobenherstellung; Anorganika+Bodenphysik), nur Oberboden Leitprofilaufnahme / Schürfgrube (Einzelbeprobung), gesamtes Profil Leitprofilaufnahme Wiederholungen an einzelnen BDF, gesamtes Profil Oberbodenbeprobung Organika (Gesamtmischprobe), an einigen BDF mit Anorganika und Bodenphysik, nur Oberboden Oberbodenbeprobung Organika Wiederholung (Gesamtmischprobe), an allen BDF mit Anorganika und Bodenphysik, nur Oberboden Organika 2006 (nur Organika-Messungen), nur Oberboden Schürfgrube (= Leitprofil) Kernfläche Messfeld Randfläche Messfeld Bodenwasser Messfeld Deposition x

11 1 Einleitung 1.1 Einleitung und Veranlassung Im Zeichen gesellschaftlich immer mehr präsenter Umweltprobleme wie des Sauren Regens, Schwermetallbelastungen etc. entwickelte sich in den 70er und 80er Jahren des 20. Jahrhunderts in Deutschland eine neue Qualität des Umweltbewusstseins. Dies betraf auch den Schutz der Böden, der durch das Phänomen des Sauren Regens, aber auch durch Probleme wie Bodenerosion oder des verstärkten Eintrages von Pflanzenschutzmitteln und organischen Schadstoffen in seiner Funktion u. a. als Grundlage der Land- und Forstwirtschaft sowie als Filter- und Puffersystem beeinträchtigt wurde (BBodSchG 1999). Jedoch war damals schnell ersichtlich, dass für eine genaue Beurteilung der Auswirkungen dieser Umweltschäden eine ungenügende bis gar keine belastbare Basis von Umweltdaten zur Verfügung stand. Daher wurden Konzepte für Monitoringsysteme entwickelt, die einerseits die einzelnen Umweltkompartimente (Luft, Biozönose, Böden etc.) überwachen sollten und andererseits zum Ziel hatten, hiermit die Grundlage für eine belastbare Datenbasis zu erstellen. Da sich Bodeneigenschaften oft nur langsam verändern, also systembedingte Eigenschaften des Bodenökosystems darstellen, werden Monitoringsysteme von langfristiger Dauer benötigt, an denen in niedriger zeitlicher Auflösung die relevanten Messgrößen erfasst werden. Um in Schleswig-Holstein Veränderungen von Bodeneigenschaften langfristig erfassen und dokumentieren zu können, wurde 1989 auf der Grundlage von Empfehlungen bundesweiter Arbeitskreise (s. Kap. 1.4) das Monitoringprogramm der Boden- Dauerbeobachtung initiiert, zeitlich annähernd parallel zur Etablierung ähnlicher Programme in den anderen deutschen Bundesländern. Dies betraf nicht nur die Boden- Dauerbeobachtung, sondern auch Programme wie das der Bodenzustandserhebung im Wald (BZE), das in allen Bundesländern eingerichtet wurde um Bodenveränderungen unter Waldnutzung zu beobachten. Nach nunmehr 20 Jahren Dauer des BDF-Programms in Schleswig-Holstein ist es erstmals sinnvoll die bisher gesammelten Daten einer übergreifenden Auswertung hinsichtlich der Veränderungen von Böden zu unterziehen, die dieser Bericht darstellt. Somit wird eine nähere Betrachtung möglich, welche festgestellten Veränderungen sich bereits in einem Ursache-Wirkungszusammenhang erklären lassen sowie zu eruieren, ob diese Veränderungen bereits Hinweise auf beobachtbare Trends darstellen und eine Differenzierung von Potenzialen ermöglichen. Damit werden Hypothesen zu möglichen Trends aufgestellt, die im weiteren Fortgang des Monitorings unter Einbeziehung von Optimierungsmaßnahmen beobachtet werden sollten. 1

12 Neben Aspekten, die sich auf eine Systembetrachtung beziehen, muss ein Bodenmonitoring ebenfalls Aussagen zu dynamischen Aspekten von Bodenökosystemen liefern können. Dazu gehören neben einigen biologischen Bodeneigenschaften in mittlerer zeitlicher Auflösung auch beispielsweise Sickerwasseruntersuchungen in hoher zeitlicher Auflösung, die vor allem die Funktion eines Frühwarnsystems für schädliche Bodenveränderungen erfüllen sollen. Es werden Hypothesen aufgestellt, inwiefern vor allem biologische Bodeneigenschaften behilflich sein können, Veränderungen chemischer und physikalischer Bodeneigenschaften näher zu beleuchten und zu indizieren. Die Diskussion um den Schutz des Bodens ist durch aktuelle Bodenbelastungen wie z. B. des verstärkten Eintrags von Nährstoffen, vermehrter Grünlandumbrüche und Energiepflanzenanbau, der Wassererosion sowie in der Funktion des Bodens als Kohlenstoffspeicher für Aussagen zum Klimawandel gegenwärtiger denn je. Hier müssen Antworten gefunden werden, wie Bodenmonitoringsysteme Parameter hinsichtlich dieser Aspekte sinnvoll erfassen können. Dies erfordert auch ein Nachdenken darüber, wie sich vorhandene Monitoringsysteme gegenseitig sinnvoll ergänzen, damit Synergieeffekte genutzt werden können und welche Harmonisierungsmaßnahmen dafür erforderlich sind. Dieser Bericht soll zu den genannten Punkten mögliche Aussagen zusammenfassen und das BDF-Monitoring in Schleswig-Holstein hinsichtlich seiner Eignung Bodenveränderungen zu erfassen beurteilen. Darauf aufbauend werden Anhaltspunkte gegeben, wie es möglich ist, mit zukünftigen Steuerungs- und Optimierungsmaßnahmen das Monitoring so weiter zu entwickeln, dass es die o. a. Aspekte auch zukünftig hinreichend beurteilen kann. 1.2 Zielsetzung und Gliederung der Arbeitsschritte Das Ziel des Abschlussberichts zur Auswertung der Daten der Boden- Dauerbeobachtung in Schleswig-Holstein war es, zu evaluieren, welche Aussagen hinsichtlich Zustand und Veränderung schleswig-holsteinischer Böden sowie zu den sie beeinflussenden Faktoren sich aus den bisher gewonnenen Erhebungsdaten ermitteln lassen, die Eignung des BDF-Monitoringsystems zur Erfassung von Bodenveränderungen zu beurteilen und Optimierungsvorschläge zur Fortführung der Boden-Dauerbeobachtung Schleswig-Holsteins zu unterbreiten. 2

13 Die Vorbereitungen dafür waren Ziel und Inhalt der ersten Projektphase. Deren Aufgabe war es, eine detaillierte Darstellung über den Stand der Aktivitäten der Boden- Dauerbeobachtung in Schleswig-Holstein zu geben. Dabei sollten alle wesentlichen Bereiche der Entwicklung sowie des Parameter- und Methodenspektrums der Bodendauerbeobachtung dieses Bundeslandes erfasst sowie Möglichkeiten und Grenzen für eine Weiterführung analysiert werden. In 20 Jahren Boden-Dauerbeobachtung wurde eine Vielzahl von Methoden verwendet, die nicht immer miteinander vergleichbar sind. Die hohe Diversität der angewandten Methoden, vor allem in Bereichen der Elementanalytik, ist dadurch begründet, dass es in zwei Jahrzehnten zu Fortschritten der apparativen Analytik hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit gekommen ist. Dazu mussten die bisherigen Feld- und Labormethoden auf ihre Vergleichbarkeit überprüft werden, um in späteren Auswertungsschritten die Messwerte miteinander in Beziehung setzen zu können. Ebenso wurden in der ersten Projektphase die Entwicklung der Boden-Dauerbeobachtung Schleswig-Holsteins, die Darstellung der Entscheidungsgründe für die Einrichtung der Messflächen, Auflistung der Probennahmezeiträume und erfassten Messgrößen sowie ein Vergleich mit den Vorgaben der LABO zum Betrieb von Boden-Dauerbeobachtungsflächen untersucht. Dies diente zur Vorbereitung der zweiten Projektphase, in der geprüft wurde, inwiefern es möglich ist, Veränderungen von bodenbezogenen Größen aus den bisherigen Ergebnissen der Boden-Dauerbeobachtung in Schleswig-Holstein festzustellen. Um Veränderungen ermitteln zu können, wird eine Zeitreihe von Messwerten der jeweiligen Untersuchungsgrößen benötigt. Die Grundlage der Zeitreihenerstellung der Boden- Dauerbeobachtung in Schleswig-Holstein sind die Untersuchungen des Standardbeprobungsschemas (Mischbeprobung auf den Diagonalen der BDF-Kernfläche mit räumlicher Wiederholung). Hier liegen bisher zwei Untersuchungen in der Zeit vor, die Erstbeprobung (Grundinventur, ) und die Zweitbeprobung (Erste Wiederholungsinventur, 1999). Zur Grundinventur gehört auch die Leitprofilbeprobung jeder Fläche, die jedoch kein Teil der im Bericht erfassten Erstbeprobung ist. Sowohl beim Standardbeprobungsschema, als auch bei der Beprobung der Leitprofile wurden chemische und physikalische Bodeneigenschaften gemessen. Im Rahmen der mikrobiologischen Untersuchungen wurden neben den bodenmikrobiologischen Größen ebenfalls anorganischchemische Standardmessgrößen aufgenommen. Bei diesen Untersuchungen liegen bereits Ergebnisse zu vier Untersuchungszeitpunkten vor, so dass sie als Ergänzung der Zeitreihe der Standardbeprobung dienen können. 3

14 Für festgestellte Änderungen bodenchemischer, bodenphysikalischer sowie bodenbiologischer Eigenschaften der Größen zwischen den einzelnen Beprobungen (Messkampagnen) wurde, auch mit statistischen Methoden, nach Ursachen unter Einbeziehung der Daten der Bewirtschaftung, der atmosphärischen Deposition, den Grundwasserständen sowie der Sickerwasseruntersuchungen gesucht. Hier wurde auf die Zusammenhänge zwischen Stoffeinträgen aus Düngung und Bewirtschaftungspraktiken einerseits und den Stoffgehalten sowie bodenchemischen und -physikalischen Standardgrößen andererseits eingegangen. Dies bezieht ebenso die Identifikation von Ursache-Wirkungszusammenhängen im Zusammenhang mit den Ergebnissen der bodenmikrobiologischen und -zoologischen Untersuchungen mit ein. Aus den Auswertungsergebnissen erfolgen im letzten Projektabschnitt fachliche Ableitungen, indem untersucht wurde ob es möglich ist, Auswertungen gemeinsam mit anderen Bundesländern durchzuführen, Kopplungen einzelner Aspekte hinsichtlich der Ergebnisse oder der Methodik zu landes- oder EU-weiten Monitoringsystemen zu etablieren, Prognosen zur Entwicklung der Böden zu erstellen, als auch die Prüfung ob es möglich ist, aussagekräftige Indikatoren zu erarbeiten. Mit diesen Ergebnissen ist es dann möglich, auf die Aussagefähigkeit des Untersuchungsverfahrens und der bisherigen Untersuchungsflächen bezüglich der Kennzeichnung von Veränderungen der Böden zu schließen. Es erfolgte einerseits eine Bewertung der einzelnen Verfahren und Flächen hinsichtlich ihrer Leistung zur Erreichung der Ziele der Boden-Dauerbeobachtung als auch des Gesamtverfahrens aller Untersuchungen. Dies schließt die Betrachtung ein, inwieweit sich die einzelnen Verfahren ergänzen und Hilfestellung zur Validierung von Erkenntnissen geben können, die in den jeweils anderen Untersuchungen gewonnen wurden. Für die einzelnen Erhebungsverfahren wurde somit überprüft, inwieweit hinsichtlich Probennahmeintervallen, Untersuchungsspektrum sowie Probennahmemethodik und -zeitpunkten Optimierungsbedarf besteht. Ebenso wurden die BDF hingehend ihrer Eignung für das weitere Monitoring überprüft. Diese Empfehlungen sollen dazu dienen, den bisherigen Aufbau der Zeitreihen zu sichern, ihre langfristige Nutzbarkeit und Belastbarkeit zu erhöhen, um relevante Aussagen für den Bodenschutz liefern zu können. 4

15 1.3 Schwerpunkte der Datenauswertung Im Rahmen der Datenauswertung werden ausgewählte wissenschaftliche Diskussionsschwerpunkte detaillierter bearbeitet. Eine zentrale Fragestellung ist die Erfassung des Einflusses der Bewirtschaftung auf Acker- und Grünlandflächen. Die Prüfung dessen und die Beschreibung der Auswirkungen des Stoffeintrags durch Düngung, der Bodenbearbeitung sowie der Fruchtfolgegestaltung auf anorganisch-chemische Messgrößen, wie Nährstoffe und Humusgehalt sowie bodenbiologische Eigenschaften bilden hier den Hauptdiskussionsansatz. Daran anschließend werden die diesbezüglichen Unterschiede zwischen Acker- und Grünlandflächen und den sonstigen Nutzungen dargestellt und beurteilt. Im Bereich der bodenbiologischen Untersuchungen wird vor allem auf Veränderungen und Tendenzen der bodenmikrobiologischen und bodenzoologischen Messwerte eingegangen und deren Funktion als Indikator von Bodenbelastungen durch Bewirtschaftungsmaßnahmen dargestellt. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Beurteilung des Vorhandenseins signifikanter Änderungen von Messgrößen im Rahmen der Standardbeprobungen. Diese Fragestellung ist eng verbunden mit der Diskussion der Erstellung von Zeitreihen und des Ausmaßes der Messunsicherheit. Alle Aussagen zu signifikanten Änderungen von Messgrößen bestehen vorbehaltlich der in Kap. 2.3 und 4.1 angeführten Beprobungsunterschiede zwischen der Erst- und der Zweituntersuchung der Standardbeprobung. Themenübergreifend werden sogenannte Standortausreißer dargestellt, Flächen mit standortsbedingten höheren oder niedrigeren Ausprägungen der Messwerte. Um die Zusammenhänge der Bodeneigenschaften und Messgrößen untereinander zu ermitteln, werden Korrelations- und Regressionsanalysen eingesetzt. Hier soll auch mit kleinen Datengruppen festgestellt werden, ob es zentrale Messgrößen gibt, die möglicherweise eine Reihe weiterer Messgrößen beeinflussen. Des Weiteren bildet die Beurteilung der Flächenvariabilität einen Diskussionsschwerpunkt. Es werden diesbezüglich Unterschiede zwischen den Nutzungsgruppen, als auch zwischen verschiedenen Beprobungsverfahren, vor allem Mischund Einzelbeprobung, herausgestellt. 5

16 1.4 Konzeption und Umsetzung des Programms der Boden-Dauerbeobachtung in Deutschland und Schleswig-Holstein In der Bodenschutzkonzeption der Bundesregierung vom ist die Einrichtung von repräsentativen Dauerbeobachtungsflächen festgelegt worden (BUNDESREGIERUNG 1985). Dies sollte in Zusammenarbeit mit den Ländern zur Erlangung von Informationsgrundlagen für den Bodenschutz geschehen. Die Umweltministerkonferenz (UMK) hat 1989 den Bundesländern die Einrichtung von Bodeninformationssystemen und Boden-Dauerbeobachtungsflächen (BDF) empfohlen, dies wurde mit Inkrafttreten des Bundesbodenschutzgesetzes (BBodSchG) 1999 im 21 umgesetzt (GLANTE et al. 2008). Im Bundesbodenschutzgesetz (BBodSchG) und der Bundesbodenschutzverordnung (BBodSchV) von 1999 sind lediglich Verweise zur Einrichtung von Bodeninformationssystemen unter Nutzung der Boden-Dauerbeobachtung verankert. Eine gesetzliche Verpflichtung der Länder zur Durchführung der Boden-Dauerbeobachtung gibt es jedoch nicht. Grundlage ist die Vereinbarung der LABO und die Empfehlung der Umweltministerkonferenz (UMK). Sie ist ebenfalls im Gesetz zur Ausführung und Ergänzung des Bundes- Bodenschutzgesetzes (Landesboden- und Altlastengesetz Schleswig-Holsteins - LBodSchG) verankert und ist ein Instrument zur langfristigen Überwachung der Veränderung von Bodenzuständen und Bodenfunktionen im Sinne des Bodenschutzrechts von Bund und Ländern (GLANTE et al. 2008). Die langfristigen Ziele und wesentlichen Fragestellungen der Boden- Dauerbeobachtung sowohl länderspezifisch als auch länderübergreifend sind (GLANTE et al. 2008): die Beschreibung des aktuellen Zustands der Böden die langfristige Überwachung der Veränderungen der Böden die Ableitung von Prognosen der zukünftigen Entwicklung et al. 2000): Die Boden-Dauerbeobachtung erfüllt hierbei folgende wesentliche Funktionen (BARTH Frühwarnsystem für schädliche Bodenveränderungen Kontrollinstrument für die Wirksamkeit umweltpolitischer Maßnahmen Umfeld-Überwachung Referenz für Bodenbelastungen 6

17 Versuchsplattform für Forschung Referenz für bodenkundliche Standortaufnahme Bisher wurden bundesweit 794 BDF eingerichtet (GLANTE et al. 2008), die sich wie folgt auf die einzelnen Bundesländer verteilen (s. Tab. 1). Tab. 1: Anzahl der BDF nach Hauptnutzungsgruppen und Typ der einzelnen Bundesländer (Bremen und Berlin: keine) nach GLANTE et al Anzahl Intensiv Grünland Sonderkulturen Siedlung / urban Basis Acker Forst Baden- Württemberg Bayern Brandenburg Hamburg Hessen Mecklenburg- Vorpommern Niedersachsen Nordrhein- Westfalen Rheinland- Pfalz * Saarland Sachsen- Anhalt Sachsen Schleswig- Holstein Thüringen Summe sonstige Die LABO (Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Bodenschutz) ist ein Arbeitsgremium der Umweltministerkonferenz, in dem die für den Bodenschutz zuständigen obersten Behörden der Länder und des Bundes zusammenarbeiten, um Fragen ihres Aufgabenkreises zu erörtern, Lösungen auszuarbeiten und Empfehlungen auszusprechen ( Sie begleitet die Entwicklung des Bodenschutzes und des Bodenschutzrechts und unterstützt den Erfahrungsaustausch zwischen dem Bund und den Ländern. Dabei strebt die LABO insbesondere einen einheitlichen Vollzug des Bodenschutzrechts an und unterbreitet Vorschläge für eine einheitliche Weiterentwicklung. Sie berät die UMK und die Konferenz der 7

18 Amtsleiters der Umweltministerien des Bundes und der Länder (ACK) und bearbeitet deren Aufträge. Der Ständige Ausschuss 2 Vorsorgender Bodenschutz (BOVA) der LABO ist zuständig für fachliche Grundlagen und Vollzugsfragen des vorsorgenden Bodenschutzes, dessen Informationsgrundlagen sowie für Planungen und Verfahren. Das BDF-Programm als eines von mehreren Messnetzen der Umweltbeobachtung und speziell des Bodenschutzes hat den Vorteil von gut untersuchten Standorten, die auch als Referenzflächen dienen können. An den BDF-Standorten wird außerdem ein breites Untersuchungsspektrum durchgeführt (GLANTE et al. 2008). Die ad-hoc-ag Referenz- bzw. Hintergrundwerte für Böden der LABO stellt zudem regelmäßig Hintergrundwerte für Schwermetalle in deutschen Böden auf. Nach einem Vorläuferbericht der Sonderarbeitsgruppe "Informationsgrundlagen Bodenschutz" (SAG 1991), erstellte die ad-hoc-arbeitsgruppe Boden-Dauerbeobachtung der LABO 1991 das Grundlagenpapier Konzeption zu Einrichtung und Betrieb von Boden- Dauerbeobachtungsflächen, das von BARTH et al. (2000) unter dem Titel Boden- Dauerbeobachtung Einrichtung und Betrieb von Boden-Dauerbeobachtungsflächen aktualisiert wurde. BARTH et al. (2000) beschreiben die Anforderungen zur Umsetzung des BDF- Programms in den Bundesländern. Sie geben Auskunft über die Einrichtung der Boden- Dauerbeobachtungsflächen, Umfang und Art der zu verwendenden Methoden sowie zu messenden Parametern. Es werden sowohl obligatorisch als auch ergänzend empfohlene chemische, physikalische und biologische Bodenparameter benannt. Für jeden dieser Parameter ist die empfohlene DIN-Norm oder eine sonstige anerkannte Methode aufgeführt mit denen die Messungen erfolgen sollten. Ebenso wird der Ort der Messung angegeben (Schürfgrube, Messfeld, etc.). Damit dient es als Vergleichsgrundlage der Vorgaben der LABO mit der tatsächlichen Realisierung der Messungen in Schleswig-Holstein. Die Boden-Dauerbeobachtung wird in Schleswig-Holstein seit 1989 durchgeführt. Das Ministerium für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig- Holsteins (MLUR) ist dabei das leitende, das Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig-Holsteins (LLUR), bzw. dessen Vorgänger das LANU und davor das GLA das ausführende und steuernde Organ. Leitlinie für die Durchführung ist das schon oben beschriebene Konzept Boden-Dauerbeobachtung. Einrichtung und Betrieb von Boden-Dauerbeobachtungsflächen der Bund/Länder- Arbeitsgemeinschaft Bodenschutz (LABO). 8

19 2 Material und Methoden 2.1 Standortauswahl und -charakterisierung der BDF In Tab. 2 sind alle derzeitigen Boden-Dauerbeobachtungsflächen in Schleswig- Holstein aufgeführt. Derzeit sind 38 BDF Bestandteil des Programms. Tab. 2: Auflistung der BDF in SH mit Einrichtungsdatum BDF BDF-NAME EINRICHTUNG Bemerkung 1 List/Sylt Süderlügum Hedehusum/Föhr aufgegeben 4 Goldelund Gintoft Sönke-Nissen-Koog Pobüller Bauernholz Havetoftloit Schuby Holzdorf Lehmsiek Vadersdorf/Fehmarn St.Peter-Ording Meggerdorf Achterwehr Schönberg/Schwartbuck Dannau Heringsdorf Mörel/Nindorf Wüstenfelde Speicherkoog Dithmarschen Hindorf Bokhorst Bornhöved Kudensee/Landscheide Bad Bramstedt Lebatz/Tankenrade Groß Offenseth-Aspern Lübeck/Niederbüssau Altendeich/Neuendorf Pinneberg Hahnheide Hellbachtal Kiel Lindhöft Lindhöft Hamburger Hallig Witsum/Föhr 2003 Ersatz für BDF 3 39 Hevenbruch

20 Die Boden-Dauerbeobachtungsflächen Schleswig-Holsteins sind teilweise in andere Messnetze und Erhebungen wie z.b. BBKSH und Integrierte Umweltbeobachtung eingebunden. Tab. 3 stellt die Verknüpfung der landesweiten BDF-Daten mit anderen regionalen und bundesweiten Messnetzen und Erhebungen dar. Tab. 3: Auflistung der Zugehörigkeit einzelner BDF zu anderen Messnetzen und Erhebungen aus der Bodendatenbank des LLUR BDF andere Projekte BDF andere Projekte BDF01 IDF01 BDF24 IDF08, UPB, BK 25 BDF02 BBKSH BDF26 IDF09 BDF05 BGR (Geochem.Atlas) BDF27 BGR (Geochem.Atlas) BDF06 BGR (Geochem.Atlas) BDF29 BBKSH BDF07 IDF02 BDF32 BBKSH BDF09 BGR (Geochem.Atlas) BDF32 IDF10 BDF10 IDF03 BDF34 BBKSH BDF12 IDF04 BDF35 BBKSH BDF12 BGR (Geochem.Atlas) BDF13 IDF05 BDF14 IDF06 Legende BDF17 BBKSH BBKSH Bodenbelastungskataster Schleswig- Holstein BDF21 BBKSH BGR Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe BDF21 IDF07 IDF Integrierte Dauer-Beobachtungsfläche BDF22 BBKSH BK25 Bodenkundliche Kartierung 1: BDF23 BGR (Geochem.Atlas) UPB Umweltprobenbank des Bundes Tab. 4 listet für jede BDF die wichtigsten naturräumlichen Lagebedingungen sowie die Nutzung auf. Veranschaulicht wird die räumliche Lage der BDF bezüglich der landschaftsräumlichen Gliederung und der Bodengroßlandschaften in den Abbildungen

21 Tab. 4: Naturräumliche Einheiten, geopedologische und Nutzungsbezüge der BDF in Schleswig- Holstein BDF BDF-NAME HAUPTNATURRAUM TEILLANDSCHAFT AUSGANGSGESTEIN BODEN KULTUR 1 List/Sylt Marschen (Nordsee) / Hohe Geest Nordfriesische Geestinseln holozäne Flugsande podsoliger Regosol Naturschutzgebiet, Düne, Schafweide holozäner, anthropogen umgelagerter, natürlicher Sand 2 Süderlügum Geest / Hohe Geest Lecker Geest über weichselzeitlichem Flugsand Podsol/Podsol Forst weichselzeitlicher Geschiebedecksand über 3 Hedehusum/Föhr Marschen (Nordsee) / Hohe Geest Nordfriesische Geestinseln saalezeitlichem Geschiebesand Podsol-Braunerde Grünland, Mähweide 4 Goldelund Geest / Vorgeest Schleswiger Vorgeest weichselzeitlicher Flug- über Sandersand Gley-Podsol Acker 5 Gintoft Östliches Hügelland Angeln weichselzeitlicher Geschiebelehm über -mergel Pseudogley-Parabraunerde Acker 6 Sönke-Nissen-Koog Marschen (Nordsee) Nordfriesische Marsch holozäne marine Schluffe und Sande Kalkmarsch Acker weichselzeitliche Sande über saalezeitlichem 7 Pobüller Bauernholz Geest / Hohe Geest Bredstedter Geest Geschiebelehm Pseudogley-Podsol Forst / Naturschutzgebiet weichselzeitliche Fließerde über weichselzeitlichem 8 Havetoftloit Östliches Hügelland Angeln Geschiebelehm und -mergel Parabraunerde Grünland, Weide 9 Schuby Geest / Vorgeest Schleswiger Vorgeest weichselzeitliche Sandersande Gley-Podsol Acker weichselzeitlicher periglazial umgelagerter Lehm über 10 Holzdorf Östliches Hügelland Schwansen weichselzeitlichem Geschiebemergel, sand Pseudogley-Parabraunerde Acker weichselzeitliche Fließerde über saalezeitlichem 11 Lehmsiek Geest / Hohe Geest Ostenfelder Geest Geschiebelehm Pseudogley Grünland (bis 2001 und ab 2010), Acker 12 Vadersdorf/Fehmarn Östliches Hügelland Fehmarn weichselzeitlicher Geschiebelehm über -mergel Pseudogley Acker Grünland, Mähweide, Grünlandumbruch 13 St.Peter-Ording Marschen (Nordsee) Eiderstedter und Untereidermarsch holozäne brackische Tone und Schluffe Knickmarsch Meggerdorf Geest / Niederung Eider-Treene-Niederung holozänes Niedermoor Mulmniedermoor Grünland, Mähweide holozän umgelagertes sandiges Bodenmaterial über 15 Achterwehr Östliches Hügelland Westensee-Endmoränengebiet weichselzeitlicher lehmiger Fließerde Kolluvisol über Pseudogley Acker 16 Schönberg/Schwartbuck Östliches Hügelland Probstei und Selenter Seengebiet weichselzeitlicher Geschiebelehm über -mergel Pseudogley-Parabraunerde Acker 17 Dannau Östliches Hügelland Bungsberggebiet weichselzeitlicher Geschiebelehm über -mergel Pseudogley-Parabraunerde Acker 18 Heringsdorf Östliches Hügelland Nord-Oldenburg weichselzeitlicher Geschiebelehm über -mergel Pseudogley-Parabraunerde Acker weichselzeitlicher Geschiebedecksand über 19 Mörel/Nindorf Geest / Hohe Geest Hohenwestedter Geest saalezeitlichem Geschiebelehm Pseudogley-Parabraunerde Acker weichselzeitliche Fließerde über weichselzeitlichem 20 Wüstenfelde Östliches Hügelland Holsteinische Schweiz Geschiebelehm und-mergel Parabraunerde-Pseudogley Forst 21 Speicherkoog Dithmarschen Marschen (Nordsee) Dithmarscher Marsch holozäne marine Sande, Schluffe und Tone Kalkmarsch Naturschutzgebiet, Sukzession 22 Hindorf Geest / Hohe Geest Dithmarscher Geest weichselzeitlicher Geschiebedecksand über Fließerde und saalezeitlichem Geschiebelehm vergleyter Pseudogley-Podsol Grünland, Weide weichselzeitlicher Geschiebedecksand über saalezeitlichem Schmelzwassersand Braunerde Grünland (bis 1993 sowie 1995), sonst Acker 23 Bokhorst Geest / Hohe Geest Hohenwestedter Geest weichselzeitlicher Geschiebedecksand über 24 Bornhöved Östliches Hügelland Holsteinische Schweiz weichselzeitlichem Schmelzwassersand Braunerde Acker 25 Kudensee/Landscheide Marschen (Elbe) Wilstermarsch holozänes Niedermoor über Mudden Mulmniedermoor Grünland, Mähweide 26 Bad Bramstedt Geest / Niederung Störniederung weichselzeitliche Sandersande Gley-Podsol Grünland, Weide weichselzeitlicher Geschiebelehm über 27 Lebatz/Tankenrade Östliches Hügelland Ahrensböker Endmoränengebiet weichselzeitlichem Geschiebemergel Pseudogley-Parabraunerde Acker weichselzeitliche Fließerde über periglazial umgelagertem Schluff und saalezeitlichem 28 Groß Offenseth-Aspern Geest / Hohe Geest Barmstedt-Pinneberger-Geest Geschiebemergel Pseudogley Grünland, Mähweide 29 Lübeck/Niederbüssau Östliches Hügelland Lübecker Becken weichselzeitliche Beckenablagerungen Braunerde-Pseudogley Acker 30 Altendeich/Neuendorf Marschen (Elbe) Kremper Marsch holozäne perimarine Tone und Schluffe Kleimarsch Grünland, Weide anthropogen umgelagerter, natürlicher Sand über weichselzeitlichem Geschiebedecksand und 31 Pinneberg Geest / Hohe Geest Barmstedt-Pinneberger Geest saalezeitlichem Schmelzwassersand Braunerde-Hortisol Baumschule 32 Hahnheide Östliches Hügelland Stormarner Endmoränengebiet weichselzeitliche Fließerde über Geschiebesand Podsol-Braunerde Forst 33 Hellbachtal Östliches Hügelland Ratzeburger Seenplatte 34 Kiel Östliches Hügelland Westensee-Endmoränengebiet 35 Lindhöft 1 Östliches Hügelland Schwansen, Dänischer Wohld 36 Lindhöft 2 Östliches Hügelland Schwansen, Dänischer Wohld 37 Hamburger Hallig Nordfriesische Marsch 38 Witsum/Föhr Nordfriesische Marsch anthropogen umgelagerter, natürlicher Sand über holozänem Niedermoortorf sandüberlagertes Erdniedermoor Grünland, Weide / Naturschutzgebiet anthropogen aufgetragenes Material natürlicher bzw. technogener Herkunft über weichselzeitlicher Fließerde sowie Geschiebelehm und -mergel Pararendzina langjährige Parknutzung im Innenstadtbereich weichselzeitliche periglaziale sandig-lehmige Deckschichten über weichselzeitlichem Geschiebemergel Parabraunerde Grünland weichselzeitliche periglaziale sandig-lehmige Deckschichten über weichselzeitlichem Geschiebesand und Schluff und Ton in der Moräne Parabraunerde Acker Nordfriesische Marschinseln und Halligen holozäne marine Tone, Schluffe und Sande Rohmarsch extensive Schafbeweidung Nordfriesische Marschinseln und Halligen 39 Hevenbruch Östliches Hügelland Ratzeburger Seenplatte weichselzeitlicher Flug- und Geschiebedecksand über saalezeitlichem Schmelzwassersand Podsol Grünland weichselzeitlicher Geschiebedecksand über weichselzeitlichem Geschiebelehm, -sand und -mergel Parabraunerde-Pseudogley- Braunerde Naturwald 11

22 Landschaftsräumliche Gliederung Schleswig-Holsteins List-Sand Sylt N Lecker Geest Nordfries. Marsch W E Foehr Schleswiger Vorgeest Angeln Amrum Langeness S Hooge Pellworm Suederoogsand Bredstedt-Husumer-Geest Fehmarn Schwansen Eiderstedter Marsch Dithmarscher Marsch Eider-Treene-Niederung Heide-Itzehoer-Geest Holsteinische Elbmarschen Ostholst. Huegelland (NW) Holsteinische Vorgeest Barmstedt-Kisdorfer Geest Grosser Segeberger See Ostholst. Huegelland (SE) Nordoldenburg u. Fehmarn Natur.shp Marschen Vorgeest Hohe Geest Östliches Hügelland Seen Hamburger Ring Westmecklenb. Seen-H uegelland Suedmecklenburg. N iederungen Lauenburger Geest Kilometer Elbe Abb. 1: Landschaftsräumliche Gliederung Schleswig-Holsteins mit Namen der Teillandschaften 12

23 Landschaftsräuml. Gliederung Schleswig-Holsteins mit BDF-Standorten #S BDF01 BDF38 #S BDF13 #S BDF02 #S BDF04 #S BDF06 BDF07 #S #S #S BDF37 BDF21 #S BDF11 #S BDF22 #S BDF09 #S BDF08 #S BDF05 #S BDF10 #S BDF14 #S BDF15 #S BDF23 #S BDF19 #S BDF25 BDF26 #S #S BDF30 #S BDF28 #S BDF35 #S#S BDF36 BDF34 #S BDF24 #S BDF16 #S BDF31 BDF32 #S #S BDF17 #S BDF20 #S BDF27 #S BDF29 #S BDF39 #S BDF33 #S BDF12 BDF18 #S #S W N S #S Bdf-lage.shp Natur.shp Marschen Vorgeest Hohe Geest Östliches Hügelland Seen E Kilometer Abb. 2: Landschaftsräumliche Gliederung Schleswig-Holsteins mit BDF-Standorten (BDF 3 ersetzt durch BDF 38) 13

24 Bodengroßlandschaften Schleswig-Holsteins mit BDF-Standorten #S BDF01 N BDF38 #S BDF37 BDF13 #S #S BDF02 BDF04 #S BDF06 #S #S #S BDF07 BDF21 #S BDF11 #S BDF22 #S BDF09 #S BDF08 #S BDF05 #S BDF10 #S BDF14 #S BDF15 #S BDF23 #S BDF19 #S BDF25 #S #S BDF26 BDF30 #S BDF28 #S BDF35 #S#S BDF36 BDF34 #S BDF24 #S BDF16 #S BDF31 BDF32 #S #S BDF17 BDF18 #S BDF20 #S BDF27 #S BDF29 #S BDF39 #S BDF33 #S BDF12 #S #S W #S Bdf-lage.shp Bgl.shp Binnensee Boeden der Aestuargebiete Boeden der Auen und Niederterrassen Boeden der Grundmoraenenplatten und Endmoraenen im Altmoraenengebiet Boeden der Grundmoraenenplatten und Endmoraenen im Jungmoraenengebiet Boeden der Marschen und Moore im Tideeinflussbereich Boeden der Niederungen und Urstromtaeler des Jungmoraenengebietes Boeden der Niederungen, Urstromtaeler, und weichselztl. Aussensandern Boeden der Nordseeinseln und Halligen Boeden der Sander und sandigen Endmoraenen im Altmoraenengebiet Boeden des Watts an der Nordseekueste S E Kilometer Abb. 3: Bodengroßlandschaften Schleswig-Holsteins mit BDF-Standorten (BDF 3 ersetzt durch BDF 38) 14

25 Kriterien zur Standortauswahl der BDF Bei der Standortauswahl der BDF 1-33 ging es vorrangig darum, die Naturräume und Nutzungen repräsentativ in das BDF-Messnetz einzubringen. Die Anteile der verschiedenen Hauptnutzungsgruppen Acker, Gründland, Forst und Naturschutzgebiete lassen sich in der Verteilung der BDF wieder finden. So gibt es bezüglich der ersten 33 eingerichteten Boden- Dauerbeobachtungsflächen 15 Acker-BDF, 9 Grünland-BDF, 2 Forst-BDF und 6 NSG-BDF, ergänzt durch eine BDF eines Sonderstandorts (Baumschule). Ebenso repräsentativ wurden die Hauptnaturräume (Östliches Hügelland (18 BDF), Vorgeest (4 BDF), Hohe Geest (10 BDF), Marschen (6 BDF)) berücksichtigt (s. Abb. 2). Die Auswahlkriterien wurden seitens der Abteilung Boden des damaligen Geologischen Landesamtes GLA, dem Vorgänger des LANU und des heutigen LLUR, im Februar 1989 festgelegt und gliedern sich in ihrer Reihenfolge nach Prioritäten: Bodengesellschaften und typen sowie Bodenart Nutzungsformen Acker Grünland Wald Sonderkulturen/-bewirtschaftung Stadtgebiete Belastungsgrad Intensive Bewirtschaftung (Düngung, Pflanzenschutz etc.) Extensive Bewirtschaftung ( unbelastete Standorte) Emittentenferne Standorte ( unbelastete Standorte) Immissionsbelastete Standorte (Leelagen etc.) Die Boden-Dauerbeobachtungsflächen 1-33 wurden in den Jahren eingerichtet (Tab. 2). Bei der Einrichtung der BDF kam ein anderes Auswahlverfahren zum Zuge. Hier ging es darum, Standorte mit besonderen Eigenschaften zu erfassen. Konkret waren dies ein Siedlungsstandort (BDF 34), zwei BDF mit ökologischem Landbau (Lindhöft), ein Salzwiesenstandort (Hamburger Hallig) und ein Wald- Naturschutzgebiet ohne Eingriffe (Hevenbruch). Die Boden-Dauerbeobachtungsflächen wurden in den Jahren 1996 sowie von eingerichtet. 15

26 2.2 Messkampagnen, Probennahmezeitpunkte und Datenhaltung Merkmals- und Prozessdokumentation Das Messprogramm der anorganisch-chemischen sowie physikalischen Bodenuntersuchungen der Boden-Dauerbeobachtung in Schleswig-Holstein besteht nach den Empfehlungen zur Einrichtung und zum Betrieb von Bodendauerbeobachtungsflächen aus der Merkmals- und der Prozessdokumentation (BARTH ET AL. 2000). Erstere hat zum Ziel auf den Basis-BDF die anorganisch-chemischen sowie physikalischen Bodeneigenschaften langfristig in einer zeitlichen Frequenz bzw. Intervallen von zehn Jahren zu dokumentieren. Die Merkmalsdokumentation schließt ebenso die Aufnahme biologischer Bodenparameter ein, die in Intervallen von drei bis acht Jahren beprobt werden. Die organisch-chemischen Bodenparameter wurden für die BDF 1-33 zweimalig von sowie für die BDF einmalig im Jahr 2006 beprobt. Die Prozessdokumentation betrachtet dagegen vorrangig den Stoffhaushalt sowie die Erfassung von Stoffflüssen an den BDF. Für diese Beobachtungen sind Messungen in hoher zeitlicher Auflösung notwendig. Dies betrifft Messungen des Niederschlags, der atmosphärischen Deposition sowie Menge und Konzentrationen von Nährstoffen im Sickerwassers. Sie finden in einem Rhythmus von ein bis vier Wochen statt (s. a. Kap ). Einen weiteren Aspekt der Prozessdokumentation bilden jährliche Probennahmen für die Analyse anorganisch-chemischer und physikalischer Parameter. Die Untersuchungen zum Stoffhaushalt werden in Schleswig-Holstein seit 2003 betrieben und umfassen bisher vier Boden-Dauerbeobachtungsflächen: BDF 35: Lindhöft 1 (Grünland, Östliches Hügelland; eingerichtet 2003) BDF 36: Lindhöft 2 (Acker, Östliches Hügelland; eingerichtet 2003,) BDF 09: Schuby (Acker, Vorgeest; eingerichtet 2005) BDF 06: Sönke-Nissen-Koog (Acker, Marschen; eingerichtet 2007) Die Einrichtung einer weiteren Intensiv-BDF im Naturraum Hohe Geest ist für 2011 geplant. Damit würde jeder der vier Hauptnaturräume Schleswig-Holsteins durch mindestens eine Intensiv-BDF repräsentiert sein. Aufgrund des höheren Flächenanteils des Östlichen Hügellands an der Gesamtlandesfläche befinden sich hier zwei Intensiv-BDF, die in Lindhöft räumlich eng beieinander liegen sowie unterschiedliche Hauptnutzungen aufweisen (BDF 35 Grünland, BDF 36 Acker). Diese räumliche Nähe der beiden Intensiv-BDF 35 und 36 kommt dort Kosten sparend zum Tragen, da für die Messung der atmosphärischen Deposition eine Messstation für beide Flächen ausreicht. 16

27 In Tab. 5 sind die Anwendungsmöglichkeiten der Merkmals- und der Prozessdokumentation sowie ihre jeweilige Eignung hinsichtlich zentraler Funktionen dargestellt. Durch ihre hohe zeitliche Auflösung eignet sich beispielsweise die Prozessdokumentation mehr als die Merkmalsdokumentation als Frühwarnsystem. Hier werden temporäre Belastungen erfasst (BARTH ET AL. 2000). Umgekehrt ist die Merkmalsdokumentation zweckmäßiger, um Veränderungen langsam reagierender Bodenparameter zu belegen und damit als Referenz für Bodenbelastungen und Standorte zu dienen. Tab. 5: Funktion und Verfahren der Bodendauerbeobachtung nach BARTH et al. (2000) Verfahren der Dauerbeobachtung Funktionen der BDF Merkmalsdokumentation Prozessdokumentation Frühwarnsystem + ++ Kontrollinstrument + + Beweissicherung ++ + Umfeld-Beobachtung Referenz für Bodenbelastungen ++ _ Versuchsplattform + + Referenz für Standortaufnahme ++ _ Legende: ++ gut geeignet, + geeignet, - nicht geeignet Abb. 4: Lindhöft, Intensiv-BDF 35 (Grünland) im Hintergrund; Foto: R. Nerger, Oktober

28 Abb. 5: Intensiv-BDF 06 (Sönke-Nissen-Koog); Foto: R. Nerger, Oktober 2007 Erst- und Zweitbeprobung der Merkmalsdokumentation Die jeweils erste gesamte Messkampagne im Rahmen der Merkmalsdokumentation einer BDF wird als Erstbeprobung (bzw. Grundinventur) bezeichnet, die folgende, zeitlich nachgeordnete, Untersuchung als Zweitbeprobung (bzw. erste Wiederholungsinventur). Hier wurden nach der Einrichtung einer Basis-BDF im Rahmen von Leitprofilnahmen sowie des Standardbeprobungsschemas (Beprobung in der Diagonale) Bodenprofile hinsichtlich chemischer und physikalischer Bodenparameter untersucht. Dies dient der grundlegenden Charakterisierung und Kennzeichnung der jeweiligen BDF. Nach der Auswahl und Einrichtung einer Boden-Dauerbeobachtungsfläche wurde ein Leitprofil am Nordost-Rand der Fläche angelegt, das eine Feldansprache erfuhr und bis in zwei Meter Tiefe horizont- oder tiefenstufenweise beprobt wurde. Eine Wiederholungsuntersuchung wurde in der Regel nicht durchgeführt (Tab. 6), da die Leitprofilaufnahme ausschließlich die Aufgabe hatte, die Fläche bezüglich der vorherrschenden Bodentypen und -formen zu charakterisieren. Die sich anschließende Standardbeprobung wurde im Rahmen der Erstbeprobung für alle zu messenden Bodenparameter bis in einem Meter Tiefe beprobt und bis zwei Meter Tiefe beschrieben. Dies betrifft sowohl die sich langsam als auch die sich schnell verändernden Messgrößen. Die Leitprofilbeprobung und die Erstuntersuchung der 18

29 Standardbeprobung sind bisher die einzigen Beprobungen, die sich auf das gesamte Bodenprofil beziehen. Die Einzelproben werden bei den Basis-BDF horizontbezogen zu Mischproben vereinigt, was durch die Erstellung BDF-spezifischer Mischpläne geschieht (s. Kap. 2.3). Bei Untersuchungen der Intensiv-BDF dagegen werden die Proben nicht gemischt, sondern einzeln im Labor analysiert. Im Rahmen der Wiederholungsbeprobungen, die regulär in Intervallen von zehn Jahren stattfinden, werden die sich sehr langsam verändernden Bodenparameter (z. B. Körnung) nicht mehr mit aufgenommen. Ebenso wird nur noch der Oberboden beprobt, da eventuelle Bodenveränderungen sich hauptsächlich hier abspielen und manifestieren. Unter Acker betrifft dies die obersten 30 cm, also den Pflughorizont. Unter Wald und Grünland und sonstigen Standorten die obersten fünf Zentimeter sowie im Wald auch die Humusauflage. Probennahmezeiträume und intervalle In Tab. 6 ist eine Übersicht der bisherigen Messkampagnen bzw. Probennahmezeiträume für die Standard- und Leitprofilbeprobungen sowie die Organikaund Intensiv-Messkampagnen jeder BDF mit Datum zusammengetragen. Das angegebene Datum ist der Probennahmezeitpunkt. Es unterscheidet sich oft um Monate, teilweise auch Jahre, vom Analysendatum im Labor. Bei der Auswertung der Ergebnisse ist dabei immer das Datum der Probennahme zu berücksichtigen, nicht das der Laboranalyse. Bei laborspezifischen Datenanalysen ist aber oft das Analysedatum hilfreicher, zum Beispiel im Rahmen der Dokumentation der Messmethoden und Messgeräte. In der Bodendatenbank des LLUR sind je Probe sowohl Probennahme- als auch Analysedatum vermerkt. An den BDF erfolgte aufgrund des späteren Einrichtungsdatums noch keine Wiederholung der Standardbeprobung. Die Probennahmezeiträume der biologischen Untersuchungen stellt Tab. 7 dar. 19

30 Tab. 6: Messkampagnen mit zugehörigen Probennahmezeitpunkten aller BDF in Schleswig-Holstein Projekt (BDF-Nr.) Leitprofilaufnahme Leitprofil- Wiederholung Erstuntersuchung (MK1) 1. Organika- Untersuchu ng (OB1) 2. Organika- Untersuchu ng (OB2) Zweituntersuchung (MK2) Organika 2006 Intensiv- BDF ; ; ; ; ; ; ; ;

31 Tab. 7: Untersuchungszeiträume Mikrobiologie und Bodenzoologie Projekt (BDF-Nr.) Mikrobiologie Zoologie

32 Abgeschlossene und laufende Auswertungen von BDF-Daten Die Auswertungsarbeiten der bisherigen Resultate der Boden-Dauerbeobachtung in Schleswig-Holstein stützen sich auf mehrere, bereits vorliegende, Auswertungen und Informationen. Zunächst ist die Leitprofildarstellung und -auswertung von FLEIGE & HORN (2004) zu nennen. Diese beinhaltet zum einen die tabellarische und graphische Darstellung der gemessenen chemischen und physikalischen Parameter sowie die bodenkundliche Feldansprache der BDF. DAHLHAUS & HORN (2003) bezogen ebenso die Auswertung von Schlagkarteien, u. a. mit der Berechnung von Nährstoff- und Schwermetalleinträge mit ein. Bei den biologischen Daten liegen regelmäßige Auswertungen der verschiedenen Auftragnehmer vor (Tab. 8). Für die Organika-Analysen nahm BUCHHOLTZ (1995) eine Auswertung der bis zu diesem Zeitpunkt stattgefundenen Analysen der Dioxine und Furane vor. Tab. 8: Vorliegende Teilauswertungen der Boden-Dauerbeobachtung in Schleswig-Holstein Untersuchungsbereich Auswertung vorhanden? Intervall Erhebung je BDF Auftragnehmer Intervall reguläre Auswertungen Autoren reguläre Auswertungen Zusammenfassende Auswertungen Autoren zusammenfassende Auswertungen Institution zusammenfassende Auswertungen Anorganik Organik ja (nur Leitprofile) ja 10 Jahre LLUR - - insg. 2 variabel (bisher zweimalig, BDF einmalig) LLUR - - insg. 1 (nur Dioxine und Furane) Bodenphysik ja 10 Jahre LLUR - - insg. 1 Biologie übergreifend (Veg., Zool., Mikro., Fle.) Vegetation Andrick; Fleige & Horn 2004 Buchholtz Fleige & Horn 2004 CAU; (Andrick: keine) ja insg. 1 (Endbericht) Bode 1997 CAU ja Acker: 7 Jahre; Grünland: 3-6 Jahre; Forst: 5 Jahre Laumer (BÖB); Dr.Mierwald (KIfL) jährlich Laumer (BÖB); Dr.Mierwald (KIfL) Zoologie ja 6-8 Jahre Dr. Graefe (IFAB) jährlich Dr. Graefe (IFAB) Mikrobiologie ja 3 Jahre Flechten ja 3-4 Jahre Probennahme: LLUR ; Analyse: s.autoren Abel&Zimmer GbR; Dr.Stapper (BföS) jährlich jährlich Dr.Beyer; Prof.Emmerling, Dr.Tischer Abel&Zimmer GbR; Dr.Stapper (BföS) insg. 1 (Zehn Jahre veg.-kundl. Untersuchungen) insg. 1 (Gesamtgutachten 92-04) insg. 1 (Gesamtgutachten 95-02) insg. 3 (Gesamtgutachten) Drückhammer, Laumer & Mierwald Klofat & Schrader Quirin & Emmerling Abel & Zimmer LANU CAU BÖB, KIfL FAL Uni Trier Sickerwasser ja 1 Woche CAU, Prof. Taube jährlich CAU Taube Deposition nein 2-4 Wochen Bewirtschaftungsdaten Horn 2003 Dahlhaus & ja jährlich LK-SH einmalig - insg. 1 CAU BföS 22

33 Beteiligte Labore Die Proben für die Messung von anorganisch-chemischen sowie bodenphysikalischen Parametern werden im Landeslabor Schleswig-Holstein in Neumünster analysiert. Bis 2001 war dieses Labor dem damaligen Geologischen Landesamt Schleswig- Holsteins angegliedert. Für die Organika-Analysen werden dagegen kommerzielle Labore (Tab. 9) mit geeigneter Ausstattung beauftragt. Die biologischen Untersuchungen sowie die Intensiv-Messungen (Deposition, Sickerwasser) werden von dazu beauftragten Firmen bzw. Universitätseinrichtungen durchgeführt. Tab. 9: Beteiligte Labore zur Untersuchung organischer Schadstoffe im Rahmen der Boden- Dauerbeobachtung in Schleswig-Holstein Analysejahr Labor Abkürzung Bereich 1990 Noell Umweltdienste GmbH NUD Organika 1991 ERGO Forschungsgesellschaft mbh ERGO Organika 1991 ERGO Forschungsgesellschaft mbh ERGO Anorganika 1991 NATEC Institut GmbH NATEC Organika 1992 NATEC Institut GmbH NATEC Organika 1993 NATEC Institut GmbH NATEC Organika 2006 Analytik Labor Nord GmbH ALN Organika Datenhaltung und speicherung in der Bodendatenbank Nach den Analysen im Labor werden die Analysenergebnisse seitens der zuständigen wissenschaftlichen Mitarbeiter des LLUR Qualitätssicherungsmaßnahmen hinsichtlich der Plausibilität der Messwerte unterzogen und danach in die Bodendatenbank des LLUR eingetragen. Das Datenhaltungssystem des LLUR ist ein Teil des Natur- und Umweltinformationssystems (NUIS). Der bodenkundliche Teil dieser Datenbank ist das Bodeninformationssystem (BODIS), das aus mehreren Fachinformationssystemen besteht, u. a. dem Fachinformationssystem Boden (FISBO). Die Bodendatenbank ist eine relationale Oracle-Datenbank. Der Datenabruf ist möglich über die Software Microsoft Access, die ein flexibles Zusammenstellen und Abfragen der Daten erlaubt, bzw. alternativ über die Abfragesoftware MeMaS, die in der Vorstrukturierung ausgeprägter ist. Die biologischen Methoden sowie Daten aus der Prozessdokumentation und die Bewirtschaftungsdaten sind nicht in der Bodendatenbank enthalten, sondern in separaten Datenbanken abgelegt. 23

34 2.3 Flächendesign und Probennahmemethodiken Leitprofilaufnahme Die Leitprofilaufnahme ist die erste Beprobung nach der Einrichtung einer BDF und hat den Zweck der Darstellung der am häufigsten auftretenden Böden der jeweiligen BDF. Hierbei wurde nach der Einrichtung der Fläche (s. Beschreibung in Kap. 2.1) am nordöstlichen Rand außerhalb der BDF-Kernfläche eine Schürfgrube angelegt, die bis auf zwei Meter Tiefe begehbar aufgegraben wurde. Die Breite der zu untersuchenden Profilwand beträgt dabei ebenfalls zwei Meter. An dieser Profilwand wurde zunächst die feldbodenkundliche Ansprache gemäß der jeweils aktuellen Ausgabe der Bodenkundlichen Kartieranleitung (z. Zt. AG BODEN, 2005) durchgeführt. Danach erfolgte die horizontweise Probenentnahme. Über 15 cm mächtige Horizonte erfuhren eine zusätzliche Beprobung der obersten sowie untersten 5 cm. Dabei wurden für die anorganisch-chemischen Analysen und die bodenphysikalischen Analysen unterschiedliche Probennahmeverfahren angewandt. Die Leitprofilaufnahme ist eine einmalige Aufnahme und wurde bisher nur in Ausnahmefällen wiederholt (BDF 31 komplett und BDF 34 im Oberbodenbereich). Abb. 6 zeigt beispielhaft das Leitprofil der BDF 39 (Hevenbruch). Für die bisherigen Ergebnisse der Leitprofilbeprobungen existiert eine Excel-basierte Auswertungsplattform, die als BDF-Info bezeichnet wird (FLEIGE & HORN 2004). Ein Teil dieser Plattform beinhaltet eine BDF-spezifische Ergebnis- und Methodendarstellung der anorganisch-chemischen und physikalischen Laboranalysen der Leitprofile (außer BDF 39) sowie eine Auswertung der bis zum Zeitpunkt der Fertigstellung verfügbaren Bewirtschaftungsdaten. 24

35 Abb. 6: Foto des Leitprofils der BDF 39 (Hevenbruch); Foto: M. Filipinski (LLUR, Dezernat 62) Standardbeprobung Die Standardbeprobung (Abb. 7) schließt sich zeitlich an die Leitprofilbeprobung an. Sie bildet das Hauptprogramm der Untersuchungen der Boden-Dauerbeobachtung und wird regelmäßig wiederholt. Sie findet auf den Diagonalen der BDF-Kernfläche statt (s. BDF- Einrichtung Kap. 2.1). Die Beprobungen im Standardschema umfassen Probennahmen für anorganischchemische, organisch-chemische sowie physikalische Bodenuntersuchungen (s. Kap. 2.4). Die Standardbeprobung beschränkte sich nicht nur auf die Basis-BDF, auf denen sie im 10- jährigen Rhythmus und als Mischprobennahme durchgeführt wird. Dasselbe Untersuchungsprogramm wurde ebenfalls bei der Prozessdokumentation angewandt, hier aber in jährlichen Intervallen und als Einzelbeprobung, d. h. ohne Mischprobenerstellung (außer OB-DB-MP auf BDF 09). Eine Gesamtübersicht der Parametergruppen und Einzelparameter, bezogen auf die Messkampagnen der Standardbeprobung (Grundinventur und Wiederholung) sowie der jährlichen Beprobung der Intensiv-BDF, sind in Anhang 3 dargestellt. 25

36 Mischprobenherstellung im Rahmen der Standardbeprobung Um Kosten zu sparen und die gesamte Variabilität der Bodenstruktur zu erfassen, werden nach BARTH et al. (2000) auf den Basis-BDF jeweils sechs der 18 Einzelproben zu je einer Mischprobe vereinigt, so dass pro Inventur und Standort drei Mischproben entstehen. Durch das Vorhandensein von drei Mischproben, die getrennt im Labor analysiert werden, sind die Bedingungen für das Vorhandensein einer räumlichen Wiederholung erfüllt. Bevor die Mischung stattfinden kann, muss dazu ein Mischplan erstellt werden, der von einem wissenschaftlichen Mitarbeiter des LLUR ausgearbeitet wird. Das Vorgehen der Mischplanerstellung hängt dabei im Rahmen der jeweils ersten Standardbeprobung in hohem Maße von der Homogenität der jeweiligen BDF-Fläche ab. Bei homogenen Flächen findet ein Mischsystem mit alternierender Charakteristik Anwendung. Hierbei werden jeweils folgende Proben in einem Mischplan zusammengemischt (Übersicht über die Lage der Einzelprobenstandorte in Abb. 7): Mischprobe 1: Einzelproben Mischprobe 2: Einzelproben Mischprobe 3: Einzelproben Die Beurteilung, ob eine Fläche homogen genug ist für diese Standardmischung, obliegt ebenfalls dem verantwortlichen wissenschaftlichen Mitarbeiter der Beprobung im Gelände. Dabei bildet die vorherige feldbodenkundliche Ansprache das wichtigste Kriterium. Entscheidend sind hier Bodenart, Humus- und Kalkgehalt. Bei Flächen mit heterogener Bodenstruktur ist es durchaus möglich, dass sich Bodeneigenschaften und Bodentyp schon in kurzen Entfernungen beträchtlich ändern. Daher wird in diesem Falle ein BDF-spezifischer Mischplan entwickelt. In einigen Fällen können so auf einer BDF-Fläche vier Mischproben entstehen, wenn sich einige Einzelproben keiner der drei vorhandenen Mischproben zuordnen lassen. In einem Fall (BDF 2) gibt es fünf Mischproben bei der jeweils ersten Standardbeprobung. Bei den Wiederholungen der Standardbeprobung, bei denen nur die Oberböden beprobt werden, wird dagegen immer das Standardmischschema verwendet, da in Oberböden geringere Heterogenitäten der Bodeneigenschaften auftreten. Es gibt daher bei allen bisher in der Wiederholungsinventur beprobten Basis-BDF nur jeweils drei Mischproben. Bei Organika-Messkampagnen werden zur Kostenersparnis die 18 Einzelproben zu einer einzigen Mischprobe vereinigt, die im Folgenden als Gesamtmischprobe bezeichnet wird. 26

37 Untersuchungen organischer Schadstoffe Gemäß den Empfehlungen der LABO (BARTH et al. 2000) gehört zur Merkmalsdokumentation der Boden-Dauerbeobachtung auch die Messung organischchemischer Parameter. Es gab bisher drei Organika-Messkampagnen (s. Tab. 6). Zwei davon fanden von auf allen 33 damals vorhandenen BDF statt. Diese Beprobungen auf den Basis-BDF erfolgten in relativ kurzen Abständen, danach wurden keine weiteren Beprobungen mehr durchgeführt. Ein Grund dafür ist, dass sich bei beiden Messkampagnen keine erhöhten Gehalte an organischen Schadstoffen nachweisen ließen und die Unterschiede zwischen den Gehalten beider Probennahmezeitpunkte geringfügig waren. Ein weiterer Grund liegt in der kostenintensiven Untersuchung der entnommenen Proben auf organische Schadstoffe. Zusätzlich ist die Organika-2006-Messkampagne zu erwähnen, die auf den Flächen durchgeführt wurde. Ferner fanden im Rahmen des BBKSH- Messnetzes im Jahr 1995 an den BDF 02, 17, 21, 22, 29 und 32 sowie im Jahr 2000 an den BDF 34 und 36 ebenfalls Organika-Messungen statt. Die angewandten Methoden dieser Untersuchungen sind in Kap. 2.4 beschrieben. Die Organika-Messkampagnen beinhalten an einigen BDF zusätzlich anorganischchemische sowie bodenphysikalische Untersuchungen. Eine Übersicht zu den untersuchten Parametergruppen und Einzelparameter, bezogen auf die Messkampagnen der Oberbodenbeprobungen Organika sowie der Organika 2006, sind im Anhang (3.9) dargestellt. Flächendesign der Boden-Dauerbeobachtungsflächen Abb. 7 zeigt eine schematische Skizze der Lage der verschiedenen Orientierungsund Beprobungspunkte einer BDF. Durch die Basismarkierungen (Granitsteine und Platten) als Markierungshilfen ist eine Wiederauffindung der BDF-Fläche jederzeit möglich. Zusätzlich sind unter den Platten alte Dränrohre angebracht, die ebenfalls der Wiederauffindung dienen. Über die koordinatenverorteten Granitsteine, die sich an den angrenzenden Knickbzw. Wegrändern befinden, ist es möglich, per Längenmessung und Fluchten die Standorte der Platten aufzufinden. Diese befinden sich bei Ackerflächen 80 cm, bei Grünlandflächen 50 cm unter Geländeoberkante (unter Wald an Bodenoberfläche) und besitzen meist einen Magneten an ihrer Oberseite, der mit einem Magnetdetektor sehr leicht lokalisiert werden 27

38 kann. Zusätzlich werden die Platten teilweise aufgegraben, bis eine weiße Plastikstange sichtbar wird, die sich auf der Platte befindet. Der Standort der Leitprofilnahme (Schürfgrube) befindet sich fünf Meter südlich der NO-Ecke außerhalb der Fläche. Die Standardbeprobungen finden an den in Abb. 7 dargestellten Distanzen statt. Die Intensiv-BDF werden ergänzt durch jeweils eine Sickerwasseranlage und eine Depositions-Messstation, deren Lage in Abb. 9 ersichtlich ist. Für jede BDF gibt es einen spezifischen Lageplan, der der Wiederauffindung der exakten Flächen-Eckpunkte dienen. Hier sind die BDF-spezifischen Distanzen zwischen Granitsteinen und Platten über Dränrohr verzeichnet, ebenso wie die Abstände zwischen den Eckpunkten und andere wichtige Lagedaten. Abb. 10 zeigt den Lageplan der BDF 38. Des Weiteren beinhaltet die Datenbank der biologischen BDF-Daten ArcView-Shapes mit den exakten Geometrien jeder BDF bezüglich der Probennahme-Orte der einzelnen biologischen Untersuchungen. 28

39 Abb. 7: Probennahmedesign Basis-BDF ohne biologische Untersuchungen 29

40 Abb. 8: Probennahmedesign Basis-BDF 30

41 Abb. 9: Probennahmedesign Intensiv-BDF 31

42 Abb. 10: Flächenskizze der BDF 38 (Föhr); Quelle: LLUR Dezernat 62 Probennahme Die Auswahl der zu beprobenden Punkte hängt von der Beprobungsart bzw. der Messkampagne ab. Bei der Leitprofilaufnahme wird eine Schürfgrube aufgegraben (2x2x1 m), die dann horizontweise beschrieben und beprobt wird. Im Rahmen der ersten beiden Organika-Messkampagnen OB1 und OB2 Anfang der 90er Jahre wurden, wie bei BBKSH- Untersuchungen, zehn Einzelpunkte beprobt, die danach zu einer Gesamtmischprobe vereinigt wurden. 32

43 Die Resultate der BBKSH-Messungen, die aus den Jahren 1995 und 2000 vorliegen, werden mit in die Darstellung der Ergebnisse im Anhang (Kap. 3) einbezogen um die gesamte Breite der Datenbasis der BDF-Messungen an den o. a. Flächen darzustellen. In den Tabellen der Vergleiche mit den Vorgaben der LABO, werden dagegen nur die tatsächlich im Rahmen des BDF-Programms gemessenen Daten behandelt. Ablauf der Standardbeprobung Aus den BDF-Flächenskizzen (Abb. 10) ergibt sich die genaue Lage der Diagonalen auf denen in den beschriebenen Distanzen die exakten Koordinaten der Einzelbohrungspunkte festgelegt sind. Auf jeder BDF-Fläche befinden sich 18 Probennahmepunkte, neun auf jeder der beiden Diagonalen. Zu beachten ist jedoch, dass bei Wiederholungsuntersuchungen die Probepunkte einen Meter versetzt sind gegenüber den Probepunkten der Grundinventur. Um nicht die gleiche Stelle zu beproben, erfolgt der Versatz bei jeder weiteren Inventur in einem anderen Winkel vom ursprünglichen Probepunkt aus. Dieser Winkel variiert mit 45 in Richtung der verschiedenen Himmelsrichtungen bei jeder weiteren Beprobung. Beginnend mit dem Probennahmepunkt 1 wird die Beprobung mit dem 1 m Pürckhauer-Bohrstock vorgenommen. Bei der Grundinventur wird dieser erste Meter dann erweitert mit dem 2-Meter-Bohrstock, um ein Tiefenprofil von bis zu zwei Metern zu erhalten. Die Teufung des Bohrstocks wird als motorisierte Rammkernsondierung durchgeführt (s. Abb. 11). 33

44 Abb. 11: Rammkernsondierung auf BDF 39; Foto: R. Nerger, April 2008 Nach der Bergung der Bohrkerne wird im Gelände die feldbodenkundliche Ansprache vorgenommen. Wie in Abb. 12 zu sehen ist, werden zwei Bohrstockkerne pro Messpunkt gesichert. Der Feldbeprober entscheidet dann welcher der beiden Kerne in die feldbodenkundliche Ansprache eingehen wird. Hierbei wird, wie bei der Leitprofilaufnahme, nach der jeweils aktuellen Ausgabe der Bodenkundlichen Kartieranleitung (AG BODEN, 2005) verfahren. Die Standortaufnahmeblätter entstammen ebenfalls der Kartieranleitung und sind standardisiert. Danach erfolgt die Probensicherung. Die Horizontabfolgen beider Bohrstockprofile werden durch die feldbodenkundliche Ansprache festgelegt und mit farbigen Stäbchen abgesteckt. Dabei wird, abhängig von der individuellen Tiefenabfolge der beiden Bohrstockkerne, den jeweils zueinander passenden Horizonten dieselbe Stäbchenfarbe zugeteilt. Danach werden die jeweils identischen Horizonte beider Bohrstöcke zusammen als Proben gesichert. Weist einer der Bohrkerne einen Horizont auf, der im anderen Kern nicht vorhanden ist, so wird er einzeln gesichert. Aus dem 2-m-Bohrstockprofil (s. Abb. 13) erfolgt keine Probennahme, hier wird nur die feldbodenkundliche Ansprache vorgenommen. 34

45 Abb. 12: Feldbeschrieb des 1-m-Pürckhauer-Bohrstocks Abb. 13: 2-m-Bohrstock für die Tiefe von 1,0-2,0 m; Fotos: R. Nerger, April 2008 Abb. 14: Probennahme L-Horizont-Humusauflage auf BDF 39; Foto: R. Nerger, April

46 Auf Wald-Standorten werden zusätzlich Proben organischer Auflagen entnommen. Hierbei wird unterschieden zwischen L-Lage (frische Streu) und Of- sowie Oh-Lage. Die Humusform, die sich aus dem Vorhandensein, der Ausprägung und der Konsistenz dieser Lagen ergibt, wird mit den Grundhumusformen Mull, Moder und Rohhumus beschrieben. Abb. 15: Humusauflage-Untersuchung auf BDF 39; Foto: R. Nerger, Dezember 2007 Im Frühjahr des laufenden Jahres 2008 fand auf der zuletzt eingerichteten BDF 39 (Hevenbruch) die Grundinventur der Standardbeprobung statt. Aufgrund der heterogenen Bodenstruktur dieser Fläche war das Material im Bohrstockprofil der einzelnen, in Abb. 16 dargestellten Messpunkte teilweise sehr unterschiedlich ausgeprägt. In wenigen Metern Entfernung wechselten sich Braunerde-Pseudogleye mit Pseudogley-Braunerden und teilweise typischen Pseudogleyen ab. Dies spricht für die starke Vernässungsanfälligkeit dieses Standorts, was sich dann teils auch in häufigen Bohrstockproben mit Kernverlust zeigte. Daher konnten einige Messpunkte statt im April, erst Anfang Juni beprobt werden. Die in Wäldern und Forsten zugehörige Auflagebeprobung wurde komplett im April durchgeführt. 36

47 Abb. 16: Vorbereitung der Grundinventur im Rahmen der Standardbeprobung an BDF 39 (Hevenbruch) im Frühjahr 2008, Foto: R. Nerger 2.4 Umfang und Messmethodik der erhobenen Daten Parameterübersicht Abb. 17 zeigt eine Übersichtsdarstellung von Einzelparametern und Parametergruppen, die in der Boden-Dauerbeobachtung gemessen wurden. Diese stellt einen Abriss der in den folgenden Teilkapiteln dokumentierten Parameter dar. Es wurden, entsprechend den Vorgaben der LABO (BARTH et al., 2000), die Kennwerte zur Bodenchemie (anorganische und organische), Bodenphysik, Bodenbiologie, Bewirtschaftung, Erosion, Grundwasser, Vegetation, Deposition und Bodenwasser gemessen. Bezüglich der Anzahl der Einzelparameter sind die chemischen Methoden dabei die am umfangreichsten gemessenen in der Boden-Dauerbeobachtung Schleswig-Holsteins. 37

48 Anorganische Bodenchemie Bodenphysik Bodenzoologie Vegetation ph-wert Korngrößen-verteilung Lumbriciden Handauslese Artenliste Aktuelle Gefäßpflanzen organischer Kohlenstoff C org Rohdichte Lumbriciden Formalin Deckungsgrad Gesamt-Stickstoff N ges pf-wert Kleinanneliden Schichtung Carbonat CaCO 3 Wasserleitfähigkeit kf Wald-Baumkartierung (Forst) KAK eff Wassergehalt (vol./ grav.) Mikrobiologie Moose (Forst) Schwermetalle (Total, Biotopausstattung Temperatur Mikrob. Biomasse (SIR) Köwa, löslich) Umland Hauptelemente (Total, Köwa) Sonstige Elemente (Total, Köwa) Oxalatlösliche Elemente Nährstoffe (pflanzenverfügbar) Gesamtporen-volumen Stoffeintrag Bewirtschaftung Schlagkartei/ Aufnahmeblatt Wald Mikrob. Biomasse (CFE) Basalatmung Metabolischer Quotient Zelluloseabbau Arginin-Ammonifikation Artenl Aktuelle Gefäßpflanzen Umland Flechten Individuenanzahl Deckung Organische Bodenchemie Erosion Arylsulfatase-Aktivität Artenliste Organochlorpestizide Chlorbenzole Chlorphenole PCB PCDD (Dioxine) PCDF (Furane) Triazine PAK Messung Erosion Grundwasser oberflächennahe Grundwasserstände Klima Niederschlag Beta-Glucosidase- Aktivität Vitalität Trägermedium Abb. 17: Übersicht aller in der Boden-Dauerbeobachtung Schleswig-Holsteins gemessenen Parameter bzw. Kenngrößen Anorganische Bodenchemie Folgende anorganisch-chemische Parametergruppen und zugehörige Einzelparameter wurden gemessen: allgemeine Parameter: ph-wert, N ges, C org, C ges CaCO 3, KAK eff (Ca 2+, Mg 2+, Na +, K +, Al 3+, Fe 2+, H +, Mn 2 + ), NaCl, Schwermetalle: As, Cd, Cr, Cu, Ni, Hg, Pb, Zn Hauptelemente (Makronährstoffe): Mg, Ca, S, K, P, Na Sonstige Elemente: Al, Fe, Mn, Ba, Mo Nährstoffe (pflanzenverfügbar): P 2 O 5, K 2 O, MgO Oxalat- und dithionitlösliche Gehalte (Al, Fe, Mn) Zu beachten ist dabei, dass nicht alle Parameter(-gruppen) auf allen BDF bzw. im Rahmen aller Beprobungsarten gemessen wurden. Ebenso wurden mit der Zeit einige Messverfahren eingestellt, andere sind neu hinzugekommen. In den nachstehenden Datenbankübersichten (Stand August 2010, Tab. 10, Tab. 11) sind die gemessenen 38

49 Parameter aufgelistet, denen jeweils Messverfahren, Aufschluss- und Messgerät, Elemente sowie Zeitraum zugeordnet sind. Zu beachten ist hierbei, dass die Anordnung der Parameter und Methoden der drei Tabellen nach der zurzeit im LLUR vorhandenen Struktur der Bodendatenbank angeordnet ist. Diese Datenbankübersichten werden in den folgenden Berichtsabschnitten auch für die organisch-chemischen und bodenphysikalischen Untersuchungen dargestellt werden. Tab. 10: Datenbankübersicht 1 Anorganisch-chemische Elementanalytik Allgemeine Parameter-, Kenngrößenoder Methodenbezeichnung Anwendungsjahre Stoffgruppe Datenbankbezeichnung Methode Stoff Meßverfahren / Meßgerät Methode Norm Aufschlußgerät Totalgehalte: Aufschluß A Totalgehalte: Aufschluß B Totalgehalte: Aufschluß C Gesamt HNO3 / HF / HClO3 Aufschluß A Aufschluß B Aufschluß C Al, As, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, Zn, Mn, Ba, Mo Ca, Na, K, Mg, Ba, Mo, P, P2O5 Al, As, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, Zn 3-HNO3 / 3- HF / 1-HClO3 - Aufschluß 4-HNO3 / 1- HF / 1-HClO3 - Aufschluß 4-HNO3 / 2- HF / 1-HClO3 - Aufschluß - Mikrowelle AAS Totalgehalte: Ruppert abgewandelt Gesamt Ruppert Gesamtgehalt Ruppert abgew ICP Gesamtgehalt Ruppert abgew Al, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, Zn K, P, Ca, Mg, Na Al, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, Zn K, P, Ca, Mg, Na 2-HNO3 / 0,5- HCl / 3-HF / 3- HClO4 - Auszug ab 2002: DIN ISO : Mikrowelle ICP-AES Totalgehalte: HNO3/HF (nach BZE) Gesamt HNO3 / HF Gesamt_HNO3/HF_AAS Gesamt_HNO3/HF_ICP Gesamt_HNO3/HF_ICP- AES Gesamt_HNO3/HF_ICP- MS Cd, As Al, As, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, Zn, Ca, P, Na, Mg, K 2-HNO3 / 2- HF - Auszug (nach BZE) BZE (HFA 3.3.2) Mikrowelle AAS mit Graphitrohr ICP-AES ICP-MS Totalgehalte: RFA Gesamt RFA RFA Al, Fe Ca, P, Na, Mg, K Di-Lithium- tetraborat- Schmelzaufschluß ab 2003: DIN ISO : Brenner Röntgenfluoreszenzspektroskopie wellenlängendispersiv Totalgehalte: AMA AMA Gesamtgehalt Hg Verbrennung im Sauerstoffstro m - Leco AMA (AAS) Gesamtgehalt Röhrenofen Königswasserextrahierbare Gehalte Königswasser Köwa_ICP-AES Köwa_ICP-MS Köwa_ICP-AES & MS_Mittel Königswasserauszug Al, As, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, Zn, K, P, Ca, Mg, Na As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn Königs-wasseraufschluß DIN ISO 11466:06.1 nach DIN ISO /97 - nach DIN (Heizblock) Königswasseraufschluß Mikrowelle ICP-AES ICP-MS ICP-AES, ICP- MS AAS Lösliche Anteile Lösliche Aufschluß 7n HNO3 Cd, Cr, Cu, Ni Pb, Zn 7n HNO3- Aufschluss (2x Abrauchen) - Heizplatte AAS; ICP-AES

50 Tab. 11: Datenbankübersicht 2 Anorganisch-chemische Elementanalytik Allgemeine Bezeichnung Organ. C- Gehalt Stoffgruppe Methode Stoff Nährstoffe Datenbankbezeichnung Leco Scheibler Leco Glühverlust Chromat Glühverlust Variomax Kjeldahl Variomax Canorg Corg C Cges Nges Salzgehalt SalzGehalt NaCl Methode Verbrennung im Sauerstoff nach Scheibler Verbrennung im Sauerstoff Verbrennung an Luft bei 550 C Glühverlust Nasse Veraschung und Aufschluß mit Kaliumdichromat (Walklay und Black) Verbrennung an Luft bei 550 C Glühverlust Verbrennung im Sauerstoffstrom / Helium (Dumas) Kjeldahlaufschluß mit Missouri-katalysator Verbrennung im Sauerstoffstrom / Helium (Dumas) Wasserauszug Salzgehalt Norm DIN ISO 10694: und DIN ISO 10694:1995 DIN : und ISO 10693:1995 DIN ISO 10694: und DIN ISO 10694:1995 DIN 19684, Teil 3 - DIN 19684, Teil 3 Aufschlußgerät Meßgerät Meßverfahren / Anwend-ungsjahre Röhrenofen Gasometer Röhrenofen Muffelofen Muffelofen wahrsch.: DIN ISO 10694: und Röhrenofe DIN ISO n 10694:1995 DIN : und DIN ISO 11261: DIN ISO 13878: DIN : und DIN ISO 11265: Heizblock Röhrenofen Überkopfschüttler Leco Infrarotabsorption RC 412 volumetrisch (CO2) Leco Infrarotabsorption RC 412 gravimetrisch (Waage) titrimetisch organischer Kohlenstoff gravimetrisch (Waage) Wärmeschrank Wärmeleitfähigkeitsdetektor Vario Max Wasserdampfdestilation - Titration mit Borsäure Wärmeleitfähigkeitsdetektor Vario Max AAS bis 1998, danach ICP-AES ; ; Dithionit Dithionit Dithionit-Auszug Al, Fe, Mn nach Mehra & Jackson - Mikrowelle AAS bis 1997, danach ICP-AES Oxalat ph-werte KAK(eff) mit ph-kak Oxalat ph-werte ph-wert KAK(eff) Carbonatgehalt C-Gesamtgehalt N-Gesamtgehalt As, Cd, Cr, Cu, Tamm Ni, Pb, Sb, Sn, Ammoniumoxalat- DIN :1977- Überkopfschüttler danach ICP-AES AAS bis 1997, 2000 Zn Auszug nach Tamm 02 Al, Fe, Mn Oxalat SiO ph-wert(h2o) ph-wert (H2O) ph-elektrode (bis DIN 19684, Teil 1 ph-wert (0,01M 2001: 2-PunktpH-Wert(0,01M CaCl2) ph DIN ISO CaCl2) Kalibration, 10390: ph-wert(0,1n KCl) ph-wert (0,1n KCl) danach 3-Punkt DIN ISO phvor KAK 10390: phnach KAK(eff) AK SummeAK Al, Ca, Fe, H, K, Mg, Mn, Na, SrCl2 statt BaCl2, nach Bach DIN ISO 11260: (SrCl2 statt BaCl2, Perkolator AAS bis 1997, danach ICP-AES nach Bach); HFA KAK(eff) phvor KAK(eff) phnach Nährstoffe (pflanzenverfügbar) Nährstoffe Egner P2O5 Calcium UV-Vis/AAS bis K2O Lactatauszug nach VDLUFA Überkopfschüttler , danach UV- CaCl2-Methode / Methodenbuch 1 MgO Vis/ICP-OES VDLUFA

51 Elementanalytik Total- bzw. Gesamtgehalte: Bei den meisten Elementen (außer Hg, Al, Fe) wurden im Wesentlichen zwei Methodengruppen der Schwermetallanalytik in Bezug auf Totalgehalte angewendet. Dies sind die Säureaufschlüsse und die Schmelzaufschlüsse (BLUME et al. 2000). Die Elemente Al und Fe wurden mittels Schmelzaufschlüssen mit Lithiumtetraborat und der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) gemessen. Säureaufschlüsse bezeichnen für die Totalgehalte HF-Druckaufschlüsse. Diese Aufschlüsse werden in unterschiedlicher Kombination mit anderen Aufschlusssäuren (Salpetersäure, Perchlorsäure etc.) eingesetzt. Königswasserextrahierbare Gehalte: Königswasseraufschlüsse sind Säureaufschlüsse die die zu analysierenden Elemente ohne Flusssäure aufschließen (BLUME et al. 2000). Im Unterschied zu Total- bzw. Gesamtgehalten werden bei diesen Verfahren nur beim Element Quecksilber annähernd die totalen Gehalte erfasst (HORNBURG & LÜER 1999). Andere Elemente, wie Cr und Ni, kommen zu hohen Anteilen im Kristallgitter von Mineralen vor, hier werden mit Königswasser nur geringe Anteile aufgeschlossen. Im Bereich der Elementanalytik (Schwermetalle, Hauptelemente und sonstige Elemente) wurden die folgenden Methodengruppen angewandt (s. Tab. 12): Tab. 12: Kurzzusammenfassung der angewandten Methoden der Elementanalytik Aufschlussgruppe Aufschluss Bemerkung Messgerät Einwaage Korndurchm. Säure Volumenlsg. Name chem. Zusammensetzung [mg] [µm] [ml] [ml] HF-Druckaufschlüsse Aufschluss A HNO 3 / HF / HClO 3 wenn Carbonatgehalt 0% Aufschluss B HNO 3 / HF / HClO 3 wenn Carbonatgehalt > 5% Aufschluss C HNO 3 / HF / HClO 3 wenn Carbonatgehalt 2-3% Ruppert abgewandelt HNO 3 / HCl / HF / HClO 4 abgewandelt wegen Salzsäure Total HNO 3 /HF HNO 3 / HF - AAS 250 < 65 AAS 250 < 65 AAS 250 < 65 AAS und ICP- AES AAS, ICP- AES und ICP- MS 200 < < 65 HNO 3 : 3 HF: 3 HClO 3 : 1 HNO 3 : 4 HF: 1 HClO 3 : 1 HNO 3 : 4 HF: 2 HClO 3 : 1 HNO 3 : 2 HCl: 0,5 HF: 3 HClO 4 : 3 HNO 3 : 2 HF: 2 Total AMA < Total RFA - - Schmelzaufschlüsse Röntgenfluoreszenzspektroskopie wellenlängendispersiv 1000 < Königswasseraufschlüsse Königswasseraufschluss mit Mikrowelle Königswasseraufschluss nach DIN HNO 3 / HCl - AAS 250 < 65 - ICP-AES und ICP-MS 2140 < 65 HNO 3 : 2,5 HCl: 7,5 HNO 3 : 5 HCl: Lösliche Anteile 7n HNO 3 -Aufschluss 7n HNO 3 - AAS und ICP- AES 5000 < n HNO 3 :

52 Wechsel der Beprobungsmethodik im Zeitverlauf Detaillierte Methodenbeschreibungen der elementanalytischen Methoden sind im Anhang (1.1, 1.2) hinterlegt. Das Element Quecksilber (Hg) wurde bei beiden Inventuren mit der gleichen Methode gemessen (Verbrennung im Sauerstoffstrom AMA-Gesamtgehalt). Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) mit Schmelzaufschluss wurde bei der Bestimmung der Elemente Fe und Al sowie Hauptelementen verwendet. Ammoniumnitrat- und EDTA- Aufschlüsse wurden bei der Erst- und Zweitbeprobung nicht verwendet, lediglich im Rahmen der jährlichen Untersuchungen der Intensiv-BDF wurden ab 2009 Ammoniumnitrataufschlüsse durchgeführt. Bei der Elementanalytik herrscht ein breites Methodenspektrum vor. Seit Beginn der Messungen 1989 wurden vor allem bei der Erstuntersuchung unterschiedliche Methoden angewandt, da es in diesem Zeitraum noch keine DIN-Normen für die Elementanalytik gab, ebenso wenig wie eine Bundes-Bodenschutzverordnung, die eine bestimmte Methode vorgeschrieben hätte. Daher ist es notwendig, eine genaue Zusammenstellung zu den verwendeten Aufschlussmethoden und Messgeräten zu haben (s. Tab. 13). Der Grund für die unterschiedlichen verwandten Methoden der Totalaufschlüsse ist in der Weiterentwicklung der einzelnen Methoden, vor allem hinsichtlich der Verschiebung bzw. Verringerung der Nachweis- und Bestimmungsgrenzen, zu sehen. Neuere Methoden mit zu erwartender qualitativ besserer Erfassungskapazität wurden daher bevorzugt angewandt. Die in Tab. 13 aufgelisteten Methoden zur Elementanalytik bei der Grundinventur der Standardbeprobung zeigen, dass bei der Mehrheit der BDF der HNO 3 -HF-Totalaufschluss verwendet wurde. Bei neun BDF wurde die Methode Ruppert abgewandelt durchgeführt sowie bei drei BDF die Methoden Aufschluss A, B und C. Im Rahmen der Wiederholungsinventur 1999 wurde ausschließlich der HNO3/HF-Totalaufschluss angewandt. Die Ergebnisse der betreffenden zwölf BDF müssen nun einer besonderen Betrachtung unterzogen werden, da die unterschiedlichen Arten und Mengen der Aufschluss-Säuren der verschiedenen Methoden unterschiedliche Schwermetallgehalte erfassen, wobei diese Erfassungskapazität wiederum je nach Element unterschiedlich ausgeprägt ist (UTERMANN 2000). Ziel ist es, die Analysenergebnisse dieser zwölf BDF mit denen der anderen BDF vergleichbar zu machen. NACK (2008) bezeichnet alle angewandten Totalaufschlussmethoden als miteinander vergleichbar. Trotzdem kann es sinnvoll sein, aufgrund der oben beschriebenen unterschiedlichen Erfassungskapazität der einzelnen Aufschlüsse, in Fällen signifikanter zeitlicher Veränderungen von Messwerten Nachanalysen der Rückstellproben durchzuführen, um nachzuprüfen, ob Unterschiede bestehen und wie hoch diese sind (s. a. 42

53 Kap ). NACK (2008) merkt außerdem an, dass die Ruppertanalysen beim Element Chrom nicht zuverlässig sind. Tab. 13: Angewandte Methoden der Elementanalytik innerhalb der verschiedenen Messkampagnen der BDF BDF Bemerkung Erstuntersuchung Zweituntersuchung OB1* OB2* regulär je 3 MP u. 3 MP-Wdhg HNO3/HF und Ruppert: ICP-AES: Al, As, Ca, Cd, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Na, Ni, P, Pb, Zn Aufschluß A-C (alle nur AAS): zuzüglich Ba, Mo, P2O5, aber ohne As, Fe, P HNO3/HF: auch AAS-Messungen bei As, Cd HNO3/HF: ICP-MS: nur BDF 38 KöWa und RFA: siehe OB1*/OB2*, ohne As-Messung HNO3/HF: AAS u. ICP-AES: As, Cd nur ICP- AES: Al, Ca, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Na, Ni, P, Pb, Zn Königswasser: nur AAS: As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn. RFA: Al, Ca, Fe, K, Mg, Na, P Mischproben bei Grundinventur 5 Mischproben bei Grundinventur KöWa + HNO3/HF HNO3/HF - KöWa + RFA Ruppert abgew HNO3/HF - KöWa + RFA 3 HNO3/HF HNO3/HF - KöWa + RFA 4 HNO3/HF HNO3/HF - KöWa + RFA 5 HNO3/HF und Aufschluss A+C HNO3/HF - KöWa + RFA 6 Ruppert abgew HNO3/HF - KöWa + RFA 7 Ruppert abgew HNO3/HF - KöWa + RFA 8 HNO3/HF HNO3/HF KöWa + RFA KöWa + RFA 9 HNO3/HF HNO3/HF - KöWa + RFA 10 HNO3/HF HNO3/HF KöWa + RFA KöWa + RFA 11 HNO3/HF HNO3/HF KöWa + RFA KöWa + RFA 12 HNO3/HF HNO3/HF - KöWa + RFA 13 HNO3/HF HNO3/HF KöWa + RFA KöWa + RFA 14 ohne As bei MP u. MP-Wdhg KöWa + RFA HNO3/HF - KöWa + RFA 15 4 Mischproben bei Grundinventur KöWa + HNO3/HF KöWa + HNO3/HF - KöWa + RFA 16 HNO3/HF HNO3/HF KöWa + RFA KöWa + RFA 17 HNO3/HF HNO3/HF KöWa + RFA KöWa + RFA 18 KöWa + HNO3/HF HNO3/HF - KöWa + RFA 19 HNO3/HF KöWa + HNO3/HF - KöWa + RFA 20 Ruppert abgew HNO3/HF - KöWa + RFA 21 Ruppert abgew HNO3/HF - KöWa + RFA 22 Ruppert abgew HNO3/HF KöWa + RFA KöWa + RFA 23 HNO3/HF HNO3/HF KöWa + RFA KöWa + RFA 24 HNO3/HF HNO3/HF - KöWa + RFA 25 ohne As bei MP u. MP-Wdhg KöWa + RFA HNO3/HF - KöWa + RFA 26 HNO3/HF HNO3/HF - KöWa + RFA 27 HNO3/HF HNO3/HF KöWa + RFA KöWa + RFA 28 Aufschluß A HNO3/HF - KöWa + RFA 29 nur 1 MP-Wdhg bei AAS HNO3/HF HNO3/HF - KöWa + RFA 30 HNO3/HF HNO3/HF KöWa + RFA KöWa + RFA 31 Ruppert abgew HNO3/HF KöWa + RFA KöWa + RFA 32 Ruppert abgew HNO3/HF - KöWa + RFA 33 Ruppert abgew HNO3/HF - KöWa + RFA 34 keine MP- Grundinventur - HNO3/HF Mischproben bei Grundinventur KöWa + HNO3/HF KöWa + HNO3/HF KöWa + HNO3/HF KöWa_ICP-AES und ICP-MS + HNO3/HF_ICP-AES und ICP-MS KöWa

54 Im Rahmen der Erstuntersuchung der Standardbeprobung wurden Totalgehaltsmessungen vorgenommen, deren Bestimmungsgrenzen teilweise über den 1999 durch die BBodSchV erlassenen Vorsorgewerten lagen. Dies war vor allem bei AAS- Messungen und einigen Aufschlussmethoden mit ICP-AES-Messungen der Fall. Hier bot es sich an Nachanalysen durchzuführen, da die jetzige Messtechnik ausgereifter ist, das heißt niedrigere Bestimmungsgrenzen analytisch möglich sind. Im Jahr 2010 wurden vorerst Nachanalysen für Schwermetall- und Hauptelementgehalte der BDF 28 vorgenommen, die in die Auswertung einbezogen wurden. Bei der Erstuntersuchung der Standardbeprobung, wurden Proben auf die verschiedenen Totalgehaltsaufschlüsse analysiert, davon 918 ohne gleichzeitige Parallelmessungen von königswasserextrahierbaren Gehalten. Im Gegensatz dazu wurden 400 Proben mit dem Königswasseraufschluss gemessen, diese jedoch fast immer parallel zu Totalgehaltsanalysen, nur bei zwei BDF (14 und 25) wurde nur Königswasser verwendet (42 Proben), was sich aber nur auf die Schwermetalle bezieht, da die anderen Elemente mit RFA gemessen wurden. Bei der Zweituntersuchung der Standardbeprobung im Jahr 1999 wurde ausschließlich der HNO3/HF-Totalaufschluss verwendet, dies betrifft 108 Proben. Die Probenanzahl hier ist geringer als bei der Erstuntersuchung, weil bei der Wiederholung nur die Oberböden (bei Wald-Standorten auch die Auflage) beprobt wurden, währenddessen bei der Erstuntersuchung über das gesamte Profil beprobt wurde. Bei den anorganisch-chemischen Analysen der Oberbodenbeprobungen OB1* und OB2* wurde je BDF nur eine Gesamtmischprobe genommen, d. h. die Herstellung einer einzigen Mischprobe von neun Standardbeprobungspunkten. Hier wurde durchgehend mit Königswasser-AAS (für Schwermetalle) und RFA (für die sonstigen Elemente) gemessen. Es lässt sich daher feststellen, dass im Rahmen aller Standardbeprobungen der Basis-BDF wesentlich mehr Totalgehaltsanalysen vorliegen als Königswasseranalysen. Die Unsicherheiten beim Vergleich von Schwermetall- und Hauptelementgehalten der Erst- und Zweitbeprobung betreffen, neben unterschiedlichen Aufschlussmethoden (s. Kap und 3.2.6) auch den Wechsel der eingesetzten Messgeräte (AAS, ICP-AES, ICP-MS). Von 1989 bis 1998 wurde ein AAS (Atomabsorptionsspektrometer) verwendet. Hier ist zu unterteilen in Flammen-AAS und Graphitrohr-AAS (bei Cd und As). Ab 1998 wurde eine ICP- AES (englischsprachige Benennung: ICP-OES: Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer) und ab 2004 eine ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer) verwendet. In Tab. 14 sind die Bestimmungsgrenzen der einzelnen Elemente 44

55 der angewandten Methoden, in Tab. 15 die prozentualen Anteile der Messwerte aller Gruppen, nach Aufschluss- und Messmethode, dargestellt. Tab. 14: Elementspezifische Bestimmungsgrenzen in mg/kg der angewandten Methoden der Elementanalytik in der Boden-Dauerbeobachtung Schleswig-Holsteins (Datenbankwerte) A-C HNO3/HF AAS Köwa AAS Ruppert HNO3/HF AES HNO3/HF AES-I Köwa_IC P-AES Köwa LL2002 HNO3/HF MS-I Köwa_IC P-MS RFA AMA Lösliche < < < < < < < < < < < < < Al 6,0 unbek. Al As 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,50 0,5 As Ba Ba Ca 40,0 40,0 40,0 unbek. Ca Cd 2,0 0,2 0,1 0,2 0,2 0,2 0,05 0,05 0,1 0,05 0,05-2 Cd Cr 2,0 35,0 7,0 7,0 7,0 3,0 3,0 unbek. 3,0 3,0 Cr Cu 2,0 7,0 10,0 10,0 10,0 1,0 1,0 5,0 1,0 1,0 Cu Fe 15,0 unbek. Fe Hg 0,001 Hg K 50,0 unbek. K Mg 2,0 unbek. 600,0 Mg Mn Mn Mo 2,0 Mo Na 10,00 10,00 unbek. Na Ni 15,00 5,00 5,00 5,00 1,50 1,50 5,00 1,50 1,5 Ni P 80,0 80,0 80,0 80,0 80,0 80,0 80,0 100,0 P Pb 2,0 30,0 4,0 4,0 4,0 3,0 3,0 4,0 3,0 3,0 Pb Zn 5,0 15,0 15,0 unbek. 0,5 Zn Tab. 15: Prozentuale Anteile der Messwerte unter der Bestimmungsgrenze bei den verschiedenen Analytikmethoden (Stoffgruppen der Datenbank). Legende: Gelb AAS-Messungen, Blau ICP-AES-Messungen, Pink: ICP-MS-Messungen, Grau Sonstige Messgeräte. Alle Anteile > 20% sind rotbraun unterlegt; Anteile mit n<25 grau unterlegt A-C HNO3/HF AAS Köwa AAS Ruppert HNO3/HF AES HNO3/HF AES-I Köwa_IC P-AES Köwa LL2002 HNO3/HF MS-I Köwa_IC P-MS RFA AMA Lösliche < < < < < < < < < < < < < Al Al As As Ba 0 Ba Ca Ca Cd Cd Cr Cr Cu Cu Fe Fe Hg 1 Hg K K Mg Mg Mn 0 Mn Mo 100 Mo Na Na Ni Ni P P P2O5 3 P2O5 Pb Pb Zn Zn 45

56 2.4.2 Untersuchungen auf organische Schadstoffe In Tab. 16 sind die organisch-chemischen Stoffgruppen mit Anzahl der Einzelstoffe aufgelistet, die bisher in der Boden-Dauerbeobachtung Schleswig-Holsteins gemessen wurden. Ebenso ist die Einzelparameteranzahl der BBKSH-Flächen eingefügt, die sich exakt am selben Ort wie die BDF-Flächen befinden. Tab. 16: Gemessene Parametergruppen und Einzelparameteranzahl der organischen Bodenchemie in der Boden-Dauerbeobachtung Schleswig-Holsteins Stoffgruppen - Organika Anzahl Einzelstoffe (inkl. Summenparameter) BDF, BBKSH BBKSH, BDF Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) Chlorbenzole Chlorphenole Organochlorpestizide Polychlorierte Biphenyle (PCB) Triazine 7 11 Polychlorierte Dibenzodioxine (PCDD) Polychlorierte Dibenzofurane (PCDF) PCDD/PCDF 3 0 Sonstige Kohlenwasserstoffe (AKW, CKW) 9 0 Sonstige 5 2 Eine vollständige Auflistung der gemessenen Stoffe und angewandten Methoden ist im Anhang (3.9) enthalten Bodenphysikalische Methoden und Parameter Im Rahmen der bodenphysikalischen Untersuchungen wurden folgende Einzelparameter gemessen: Korngrößenverteilung Bodenart Hauptfraktionen und Feinfraktionen Grobbodenanteil Trockenrohdichte Wasserleitfähigkeit Gesamtporenvolumen pf-kurve Bodenwassergehalt (Gewicht) 46

57 Die ungestörten Proben wurden mittels Stechzylindern mit einem Volumen von 100 cm³ genommen, und bei 105 C getrocknet. Bodenphysikalische Messungen wurden, abgesehen von den Untersuchungen zur Korngrößenverteilung, vorrangig im Zuge der Zweituntersuchung der Standardbeprobung, im Rahmen der Leitprofilbeprobung sowie später auf den nach 2000 eingerichteten BDF durchgeführt. In Tab. 17 sind alle angewandten bodenphysikalischen Parametergruppen und Einzelparameter dargestellt. Tab. 17: Datenbankübersicht der gemessenen bodenphysikalischen Parameter Allgemeine Bezeichnung Anwendungsjahre Stoffgruppe Datenbankbezeichnung Methode Stoff Methode Norm Meßverfahren / Meßgerät Probennahmegerät Durchlässigkeit / Wasserleitfähigkeit Durchlässigkeit kf-ki kf-wert Wasserleitfähigkeit / Durchlässigkeit DIN : Stechzylinder 100 cm³ Wasserdurchlässigkeit Gerät Kiel ; 2001 Dichte Lagerungsdichte LD-feucht 1999; 2001 E DIN ISO Stechzylinder gravimetrisch ; LD-Substanz 11272: (in HBU: DIN cm³ ; LD-trocken 12: ) 2001; 2006 pf>1,8(fk) Bodenphysik pf1,8 pf1,8rech2 pf1,8-4,2 pf1,8-messung pf1,8-2,5 DIN ISO 11274: Stechzylinder 100 cm³ pf-apparatur mit keramischen Platten 2001 pf-kurve Wägung Porenvolumen Wägung pf2,5-4,2 pf>4,2 H2O Wasservolumen (aus Wägung) LV Luftvolumen (aus Wägung) GPV-gesättigt GPV-Luft aus pf-kurve Stechzylinder 5 cm³ Stechzylinder 100 cm³ Überdrucktopf Luftpkyknometer Berechnung ; ; 1997; 2001 TRG Wägung in HBU: DIN ISO 11465: oder Waage 1990 H2O Wägung DIN ISO Waage 2006 Korngrößenverteilung Körnung Körnung Boart3 S U T TU TUS fs fu ms mu gs gu Grobboden Sedimentation nach Köhn mit Siebung Siebung DIN Teil 1 und 2; nicht: E DIN ISO 11277: genormte Laborsiebe Sedimentationszylinder und genormte Laborsiebe gravimetrisch (Waage) ;

58 2.4.4 Bodenbiologische Verfahren Vegetationsuntersuchungen Die vegetationskundlichen Untersuchungen im Rahmen der Boden- Dauerbeobachtung werden seit 1990 durchgeführt mit dem Ziel des Gewinns eines genaueren Überblicks der aktuellen Standortverhältnisse sowie der im und auf dem Boden ablaufenden Prozesse (MIERWALD et al. 2002). Durch die Untersuchung der Vegetation am Standort wird einerseits das Zusammenspiel der am Wuchsort wirkenden Standortbedingungen widergespiegelt, somit besitzt die Vegetation eine Indikatorfunktion, andererseits kann sie ihrerseits pedologische Prozesse beeinflussen. Den einzelnen Arten sind von ELLENBERG (1992) Zeigerwerte zugewiesen worden, die das ökologische Verhalten der Pflanzen charakterisieren. Diese beziehen sich auf die Standorte an denen die jeweilige Art schwerpunktmäßig im Gelände angetroffen wird, d. h. durch Konkurrenz bedingt oft auch außerhalb des physiologischen Optimums (MIERWALD 2002). Im Bereich der Vegetationsuntersuchungen wurden in nutzungsgruppenspezifischen Intervallen von 3-8 Jahren folgende Aufnahmen durchgeführt: Gesamtartenliste Gefäßpflanzen Bestandesstruktur und phänologischer Entwicklungszustand Dauerflächen (Deckungsgrad, Vitalität, Londo-Skala) Belegaufnahmen (Deckungsgrad, Homogenität, Wuchshöhe, Artenzahl, Artenmächtigkeit, Pflanzensoziologische Einordnung, Braun-Blanquet-Skala) Wald-Baumkartierung (nur Wald), Moose (nur Wald) Umlandkartierungen (Biotopausstattung, Artenliste Gefäßpflanzen) Im Rahmen der vegetationskundlichen Untersuchungen werden die mittleren Zeigerwerte jeder BDF qualitativ und quantitativ ermittelt. Im ersten Fall werden die Artenlisten mehrerer Wiederholungsuntersuchungen einer BDF mit Zeigerwerten der Feuchte-, Stickstoff- und Reaktionszahlen versehen, die dann über alle Wiederholungen gemittelt werden. Diese Mittlung erfolgt ungewichtet, d. h. die Zeigerwerte jeder vorhandenen Art gehen in gleichem Maß in die Wertung ein. Die quantitative Ermittlung bezieht den Deckungsgrad jeder Art auf den Dauerquadraten mit ein. Somit ergibt sich eine gewichtete Zeigerwertberechnung, die wichtig ist um zufällig auftretenden Arten keine zu große Bedeutung zu geben. Es erfolgt also sowohl eine ungewichtete als auch eine gewichtete Zeigerwertberechnung. 48

59 Bodenzoologische Untersuchungen Ziele der bodenzoologischen Untersuchung sind die Erfassung von Veränderungen des Bodenzustandes unter Nutzungseinflüssen sowie die Bewertung der Wahrnehmung der Bodenfunktion "Lebensraum für Tiere" nach dem Bundes-Bodenschutzgesetz (GRAEFE et al. 2006). Zur Kennzeichnung der verschiedenen Lebensformentypen der Regenwürmer (Streu bewohnend, Mineralboden bewohnend, tiefgrabend) werden mehrere Methoden kombiniert werden. Im Rahmen der Lumbriciden-Untersuchungen der BDF sind dies Handauslese, Kempson-Extraktion und Formalin-Extraktion (GRAEFE et al. 2006). Die Probennahme der Kleinringelwürmer erfolgt mit einem Stechzylinder, die Probe wird danach vertikal in vier Teilproben unterteilt. So können auch Umwelteinflüsse, die sich auf die Vertikalverteilung der Tiere auswirken, erfasst werden. Die bodenzoologischen Analysen umfassen ausschließlich Untersuchungen an Regenwürmern (Lumbriciden) und Kleinringelwürmern (Enchyträen), da diese die wichtigsten Zeiger der bodenökologischen Bedingungen der Bodenzoozönose sind (Tab. 18). Im Bereich der bodenzoologischen Untersuchungen wurden in Intervallen von 6-7 Jahren folgende Parameter aufgenommen: Lumbriciden Enchyträen Zu den einzelnen Arten wurden folgende Kenngrößen erhoben: Individuenanzahl Artenbestimmung Artenanzahl Gewicht Alter Vergesellschaftung 49

60 Tab. 18: Flächenbezogene Datenauswertung der bodenzoologischen Untersuchungen (aus GRAEFE et al. 2001) Größe Gesamtabundanz der Regenwürmer (Ind./m²), Gesamtbiomasse der Regenwürmer (g/m²), Gesamtabundanz der Kleinringelwürmer (Ind./m²) Artenzusammensetzung und Artenzahl, Abundanz, Dominanz und Frequenz der Arten Vertikalverteilung der Kleinringelwürmer: insgesamt sowie auf Gattungs- und Artebene Biomasse und Biomassedominanz der Regenwurmarten Qualitative und aggregierte Parameter: Lebensformtypen- und Strategietypen-Spektren, Zeigerwert-Spektren und mittlere Zeigerwerte, Zersetzergesellschaftstyp Indikatorfunktion Bodenzoologische Indikatoren der biologischen Aktivität im Boden Bodenzoologische Indikatoren der Biodiversität im Boden Zeiger für die vertikale Ausdehnung und Stärke der biologischen Aktivität Zeiger für die ökologische Bedeutung der Arten Indikatoren für die integrale Wirkung ökologischer Faktoren auf den biologischen Bodenzustand bzw. die Bodenbiozönose Im Rahmen der Auswertung der Regenwurmdaten wird die Einteilung in Lebensformentypen nach BOUCHÉ (1972) verwendet: - epigäisch: Streuschichtbewohner oder im Graswurzelfilz lebend. Als Nahrung dient vorzersetzte Streu auf der Bodenoberfläche, keine oder geringe Aufnahme von Mineralboden. - endogäisch: Mineralbodenbewohner, als Nahrung dient mit organischer Substanz angereicherter Mineralboden. - anecisch: Tiefgräber, die Tiere legen eine bis in mehrere m Tiefe reichende Wohnröhre an. Als Nahrung dient vorzersetzte Streu auf der Bodenoberfläche, die z. T. in die Gänge gezogen wird, geringe Aufnahme von Mineralboden. Abb. 18: Ökogramm mit dem Vorkommen von Lebensformentypen der Regenwürmer in Abhängigkeit von der Bodenreaktion und der Bodenkundlichen Feuchtestufe (aus: SOMMER et al. 2002). 50

61 Die biozönotische Einordnung der Artengemeinschaft in Zesetzergesellschaftstypen (Bodenbiozönosetypen) erfolgt nach GRAEFE (1993) und BEYLICH & GRAEFE (2002). Als Grundlage der Zeigerwerte und Strategietypen der Kleinringelwürmer dient die Aufstellung von GRAEFE & SCHMELZ (1999). Jede Zersetzergesellschaft ist mit bestimmten Siedlungsdichten der Regenwürmer und Kleinringelwürmer verbunden und für einen bestimmten Standortstyp (z. B. Grünland, Acker, Wald) charakteristisch (FRÜND und GRAEFE 1992). Die Enchyträenfauna (Kleinringelwürmer) wird nach GRAEFE & SCHMELZ (1999) sowie BODE (1977) in die folgenden drei Strategietypen gegliedert, die auch bei den bodenzoologischen Analysen angewandt wurde: Colonizers oder Opportunisten: Sie werden auch als r-strategen bezeichnet und sind unter normalen Bedingungen nur in geringer Anzahl in der Bodenzönose vorzufinden. Sie profitieren von plötzlich ansteigenden Nahrungsmengen, wie z.b. Pflanzenrückständen und sind zu schneller Vermehrung als Reaktion auf zeitweilig erhöhtes Nahrungsangebot befähigt. Zu dieser Gruppe gehören nahezu alle Arten der Gattung Enchytraeus. Persisters: Sie werden auch als K-Strategen bezeichnet. Zu ihnen gehören Organismen, die zur ursprünglichen, im ökologischen Gleichgewicht befindlichen Bodenzönose gehören. Sie vermehren und entwickeln sich deutlich langsamer als r- Strategen und haben eine lange Generationsdauer. Stresstolerante: Unter diesem Begriff fasst man Kleinringelwürmer mit Reaktionszahlen <7 zusammen, d. h. es handelt sich um Arten, die tolerant gegenüber sauren Standortbedingungen sind. Sie werden als säuretolerante Arten bezeichnet. Hinsichtlich der Charakterisierung des ökologischen Verhaltens der Bodenfauna können die Angaben aus Tab. 19 verwendet werden. Zur Einordnung der Werte der Lumbriciden-Biomassen lassen sich die Einstufungen von (GRAEFE (2005 b) nutzen. 51

62 Tab. 19: Ökologisches Verhalten der Bodenfauna (nach GRAEFE & SCHMELZ 1999, in Anlehnung an ELLENBERG et al. 1992) F Feuchtezahl Vorkommen im Gefälle der Bodenfeuchtigkeit 5 Frischezeiger, Schwergewicht in mittelfeuchten Böden, in nassen Böden fehlend 7 Feuchtezeiger, Schwergewicht in gut durchfeuchteten, aber nicht nassen Böden 9 Nässezeiger, Schwergewicht in oft durchnäßten (luftarmen) Böden 11 aquatische Art R Reaktionszahl Vorkommen im Gefälle der Bodenreaktion und des Kalkgehaltes 1 Starksäurezeiger, niemals in schwach sauren bis alkalischen Böden vorkommend 3 Säurezeiger, Schwergewicht in sauren Böden, ausnahmsweise bis in den neutralen Bereich 5 Mäßigsäurezeiger, in stark sauren wie in neutralen bis alkalischen Böden selten 7 Schwachsäure- bis Schwachbasenzeiger, niemals in stark sauren Böden 9 Basen- und Kalkzeiger, stets in kalkreichen Böden gerade Zahlen für Zwischenstufen x indifferentes oder ungeklärtes Verhalten umf, umr ungewichtete mittlere Zeigerwerte gmf, gmr gewichtete mittlere Zeigerwerte Tab. 20: Wertebereiche der Regenwurmbiomasse nach Untersuchungen auf Boden- Dauerbeobachtungsflächen in Nordwestdeutschland (aus: GRAEFE 2005 b) Stufe Bezeichnung sehr gering < 10 gering mittel hoch sehr hoch >

63 Abb. 19: Bodenzoologische Untersuchungen auf BDF 30 im November 2007, Foto: R. Nerger Abb. 20: Bodenzoologische Untersuchungen auf BDF 30 im November 2007, Foto: R. Nerger 53

64 Lichenologische Untersuchungen Im Bereich der lichenologischen Untersuchungen wurden in Intervallen von 3-4 Jahren folgende Aufnahmen durchgeführt: Flechten Dauerquadrate: Artenbestimmung, Deckungsgrad Thalli (Braun-Blanquet 1964, abgewandelt nach Barkmann 1958 und Reichelt & Wilmanns 1975), Vitalität der Thalli Trägerbäume: Art, Höhe, Borkenbeschaffenheit, Stammneigung, Exposition Moose Da Flechten den Einflüssen von Luftschadstoffen direkt ausgesetzt sind, sind sie Bioindikatoren für eine wirkungsbezogene Überwachung von Immissionsbelastungen (ZIMMER & ABEL 2006). Auf Belastungen reagieren sie mit einer eindeutigen Veränderung ihrer Lebensfunktionen. Besonders die Rinden besiedelnden (epiphytischen) Flechten werden seit über 100 Jahren für Aussagen über die biologisch wirksame Luftqualität an Flechtenstandorten genutzt (ZIMMER & ABEL 2006). Ebenso werden Moose aufgenommen. In Schleswig-Holstein wurde eine landesspezifische Aufnahmemethodik verwendet, die sich an der VDI-Richtlinie 3957, Blatt 8 orientiert, die sich hinsichtlich der Art der aufzunehmenden Trägerbäume von der aktuellen VDI-Richtlinie 3957, Blatt 13 unterscheidet. Die schleswig-holsteinische Methodik wurde entwickelt, um den speziellen Gegebenheiten an den BDF für die Flechtenuntersuchung Rechnung zu tragen. Als bodenkundliche Beobachtungsstandorte bieten sie für die Flechten vergleichsweise heterogene Bedingungen hinsichtlich der Substrate, klimatischen und edaphischen Ausstattung. Rein numerische Bioindikationsverfahren waren somit nicht anwendbar, da die geforderte hohe Standardisierung der Substrate für Flechten nicht vorlag. Die Methodik wurde daher angelehnt an die Untersuchungen zum Ökologischen Wirkungskataster in Baden-Württemberg nach WIRTH (1991) sowie WIRTH & OBERHOLLENZER (1991) entwickelt. Ebenso sind die in Schleswig-Holstein weit verbreiteten Knickbäume aufgrund ihrer hohen Stammneigung und ihres Krüppelwuchses sowie des Knickbewuchses von der Möglichkeit einer VDI-Kartierung ausgeschlossen (ZIMMER & ABEL 2006). 54

65 Bodenmikrobiologische Untersuchungen Die Erhebungsintervalle der seit 1992 stattfindenden Untersuchungen betragen drei bis vier Jahre, somit liegen auf den BDF 1-33 bisher vier Messungen vor. Innerhalb der mikrobiologischen Untersuchungen wurden die folgenden Untersuchungsgrößen erfasst: Allgemeine mikrobiologische Parameter: Basalatmung (Sapromat / Heinemeyerapparatur) Mikrobielle Biomasse (SIR/CFE) Enzymaktivitäten: Arginin-Ammonifikation Arylsulfatase Beta-Glucosidase Cellulase Alkalische Phosphatase Dehydrogenase Alphammino-Stickstoff Allgemeine Parameter: C org N ges N min ph Lagerungsdichte Der mikrobielle Biomasse-Kohlenstoff (C mic in µg C mic g TS -1 ) ist die Masse aller Bakterien und Pilze im Boden. Diese Größe ist ein allgemeines Maß zur Beschreibung des Belebtheits- und Aktivitätszustands des Bodens (OBERHOLZER & SCHEID 2007). Auf Änderungen von Nutzungs- und Umwelteinflüssen reagiert er schneller als der Humusgehalt des Bodens, aber langsamer als andere mikrobiologische Aktivitätsparameter (HÖPER & KLEEFISCH 2001). Besonders reagiert der C mic -Gehalt auf den Eintrag von Schadstoffen, Bodenverdichtung sowie Kohlenstoffeinträge hoher Verfügbarkeit. In der schleswigholsteinischen Boden-Dauerbeobachtung werden zwei Messmethoden der mikrobiellen Biomasse, die Chloroform-Fumigations-Extraktionsmethode (CFE) nach VANCE ET AL. (1987) sowie die Substratinduzierte Respiration (SIR) nach ANDERSON & DOMSCH (1978) angewandt. Die SIR-Methode ist eine physiologische Methode, die den Nachteil hat, dass sich Temperaturschwankungen vor der Probenentnahme auf das Messergebnis auswirken 55

66 können (ELSNER, mdl. Mitteilung 2009). Ebenso wird der mikrobiell gebundene Stickstoff (N mic in µg N mic g TS -1 ) gemessen, der eine Kenngröße des N-Kreislaufs im Boden ist. Aus dem mikrobiell gebundenen Kohlenstoff und dem gesamten organischen Kohlenstoff lässt sich das C mic /C org -Verhältnis (CFE und SIR) berechnen. Je größer dieser Quotient ist, desto größer ist der Anteil des für Organismen leicht verfügbaren, also mikrobiell gebundenen, Kohlenstoffs am gesamten Vorrat des organischen Kohlenstoffs. Der Quotient verdeutlicht, in welchem Ausmaß die Mikroorganismen den Kohlenstoff des Bodens zum Aufbau und zur Erhaltung ihrer Biomasse nutzen können (ANDERSON & DOMSCH, 1989). Bei einem gestörten Kohlenstoffhaushalt, wie z.b. niedriger C-Zufuhr an frischer organischer Substanz, sinkt der Wert dieses Quotienten (KAISER & HEINEMEYER 1993). Für niedrige Werte können ebenfalls Versauerung, Schwermetallbelastung und gestörtem C-Haushalt durch Wasserüberschuss verantwortlich sein (HÖPER & KLEEFISCH 2001). Die Basalatmung, also das mikrobiell produzierte CO 2 ist ein Maß für die aerobe Atmungsaktivität aller Bodenorganismen (OBERHOLZER & SCHEID 2007). Die Atmung von Bakterien und Pilzen resultiert aus der Mineralisierung organischer Substanzen (TISCHER 2006), dient der Energieerzeugung und setzt CO 2 frei. Die Menge an Energie, die nicht zum Erhalt der eigenen Körperfunktionen benötigt wird, lässt sich am Anstieg der mikrobiellen Biomasse (C mic -Gehalt) feststellen. Die Basalatmung ist ein schnell reagierender Parameter, der die Aktivität der Mikroorganismen im Boden kennzeichnet. Bei einer Störung des Gleichgewichts zwischen den Organismen und deren Tätigkeit ändert sich die Respiration in Folge einer Veränderung der mikrobiellen Biomasse und deren Mineralisierungstätigkeit (OBERHOLZER & SCHEID 2007). Der metabolische Quotient (CFE- und SIR-Methode) ist das Verhältnis von Basalatmung zur mikrobiellen Biomasse (C mic -Gehalt). Er stellt die Atmung pro Einheit C mic dar und zeigt die energetische Effizienz der Substratnutzung durch die Mikroorganismen an. Ist der Quotient gering, bedeutet das dass eine erhebliche Menge Substrat nicht für die Atmung, sondern für den Aufbau mikrobieller Biomasse verbraucht wird (JÖRGENSEN 1995). Bodenbelastungen wie Versauerung oder eine hohe Schwermetallkonzentration, aber auch Luxuskonsum der Mikroorganismen, senken die Effizienz der Substratnutzung und lassen den Wert ansteigen (HÖPER & KLEEFISCH 2001). Ebenso können ein niedriger ph-wert sowie Monokulturanbau einen erhöhten metabolischen Quotienten verursachen (ANDERSON & DOMSCH 1993). Somit kann der Quotient ein Stressparameter sein, außer wenn es sich um eine wachsende mikrobielle Population handelt (ANDERSON & DOMSCH 1978). In landwirtschaftlichen Böden liegt der metabolische Quotient zwischen 0,5-3,0 mg CO 2 -C g/c mic /h (GISI 1997). Zur besseren Charakterisierung der gemessenen mikrobiologischen Werte dienen die folgenden Bewertungstabellen (Tab. 21, Tab. 22 und Tab. 23). 56

67 Tab. 21: Bewertung der Parameter mikrobieller Biomasse-C (C mic ) und mikrobieller Biomasse-N (N mic ) für Acker- und Grünlandstandorte in Schleswig-Holstein (nach BODE 1997) Bewertung Gehalte (µg C mic g TS -1) Bewertung Acker Grünland hoch sehr hoch mittel hoch mäßig mittel gering gering Bewertung Gehalte (µg N mic g TS -1) Bewertung Acker Grünland hoch sehr hoch mittel hoch mäßig mittel gering gering Tab. 22: Wertebereiche (C mic -Klassen) der mikrobiellen Biomasse im Oberboden (aus: HÖPER & KLEEFISCH 2001) C mic -Klasse Bezeichnung Mikrobielle Biomasse [mg C kg -1 Boden] sehr gering < 100 gering mittel hoch sehr hoch Tab. 23: Sollwertbereiche für die mikrobielle Biomasse in der Krume gepflügter Ackerböden (aus: HÖPER & KLEEFISCH 2001) C mik -Klasse Bodenart Ss, Su, Sl2, Sl3, St2 Sl4, St3, Slu, U, Ls, Lu, Lts, Lt2,Ts4, Ts3 Lt3, Ts2, Tu, Tl, Tt Hn Mikrobielle Biomasse [mg C kg -1 Boden] Wertebereich gemessene Werte < ± ± ± ±

68 2.4.5 Bewirtschaftungsdaten Die regelmäßige Dokumentation der Bewirtschaftungsmaßnahmen erfolgt durch den Flächenbewirtschafter und wurde im Zuge der BDF-Einrichtung vertraglich geregelt. Erfasst wurde dabei ein bundesweit abgestimmter Mindestdatensatz über die im Bezugsjahr bzw. Erntejahr durchgeführten Bewirtschaftungsmaßnahmen. In den Schlagkarteien (Anhang 3.6.6) erfasste der jeweilige Flächenbewirtschafter jährlich Angaben u. a. zu Saat- und Erntedaten, zur Bodenbearbeitung, Nährstoffuntersuchungen, der ausgebrachten Düngemenge sowie zum Einsatz von Pflanzenschutzmitteln. Folgende Hilfsmittel sind im Rahmen der Erhebung von Bewirtschaftungsdaten verfügbar: Schlagkarteien (Acker und Grünland) Aufnahmeformblatt Wald Diese Angaben können genutzt werden, um anthropogene Stoffein- und -austräge sowie mechanische Belastungen bei der Bodenbearbeitung bereits auf den Basis-BDF nachzuvollziehen und ggf. zu quantifizieren (BARTH et al. 2000). Die dem LLUR vorliegenden Schlagkarteien wurden durch DAHLHAUS & HORN (2003) im Hinblick auf bewirtschaftungsbedingte Stoffflüsse und Stoffeintragsabschätzungen ausgewertet. Diese Stoffflüsse sowie mechanische Beeinflussungen des Bodengefüges land- und forstwirtschaftlich genutzter Böden und damit einhergehende Rückkopplungen auf den Stoffhaushalt eines Ökosystems lassen sich in ihren Grundzügen bereits im Rahmen der Merkmalsdokumentation erkennen, Ausführlich dokumentierte Bewirtschaftungsdaten sind daher eine wichtige Ergänzung zu den im BDF-Programm erfassten Bodeninformationen. Sonstige Messungen An 22 BDF werden auch die oberflächennahen Grundwasserstände aufgezeichnet. Diese werden in einem 14-tägigen Rhythmus erfasst. Zudem wird durch den zuständigen Außendienstmitarbeiter im Zuge der jährlichen Flächenkontrolle die Bodentemperatur gemessen. Die entsprechenden Werte wurden nicht in der Auswertung berücksichtigt, da die jährliche Flächenkontrolle einer BDF nicht immer im gleichen Zeitraum des Jahres stattfindet, sondern sich nach logistischen Kapazitäten richtet. Durch die fehlende jahreszeitliche Konsistenz können für diese Werte keine Zeitreihen erstellt werden. 58

69 Abb. 21: Grundwasserbrunnen auf BDF 6 (Sönke-Nissen-Koog), Oktober 2007, Foto: R. Nerger Datengrundlagen zur Berechnung von Stoffflüssen und bilanzen Neben chemischen, physikalischen und biologischen Bodenanalysen in geringer zeitlicher Auflösung auf allen Boden-Dauerbeobachtungsflächen, werden an bisher vier BDF Wasser- und Stoffflüsse erfasst um Informationen über kurzfristige Veränderungen der aktuellen Wasser- und Stoffbilanz im Boden zu erhalten (s. a. Kap. 2.2). Es sollen kontinuierliche Messungen in hoher zeitlicher Auflösung zum Stoffeintrag und austrag durch die Bewirtschaftung erfolgen. Damit können neben Stoffeinträgen durch atmosphärische Deposition auch solche durch die Bewirtschaftung erfasst werden. Einträge schlagen sich, abhängig von Standort- u. a. Faktoren, oft im Sickerwasser nieder und können dann in Form von Stoff-Konzentrationen im Sickerwasser gemessen werden, oder auch die Auswaschungsfrachten von Stoffen erfasst werden (z.b. Nitrat-Auswaschung). Diese Messungen in hoher zeitlicher Auflösung werden in Intervallen von ein bis vier Wochen durchgeführt und beinhalten zum einen die Sammlung und chemische Analyse des Sickerwassers und zum anderen die Messung der atmosphärischen Deposition. Ergänzend werden Grundwassermessstände, ausgewählte Klimadaten sowie Bewirtschaftungsdaten (Stoffeintragsabschätzungen, Ernteentzüge) einbezogen. Durch die Prozessdokumentation können also kurzfristige Umweltveränderungen, die sich im Stoffhaushalt niederschlagen gekennzeichnet werden. Sie bildet daher eine Ergänzung zur Merkmalsdokumentation in der längerfristige Veränderungen untersucht werden. Die chemischen, physikalischen und biologischen Bodenfestphasenuntersuchungen der Basis-BDF werden ebenso auf den Intensiv-BDF durchgeführt (Beprobung Intensiv-BDF, 59

70 OB-DB*) mit dem Unterschied, dass das Intervall der anorganisch-chemischen Analysen ein Jahr beträgt, im Gegensatz zu zehn Jahren auf den Basis-BDF. Zu den entsprechenden Parametern und Methoden s. Kap Analysen des Sickerwassers Seit der Einrichtung der ersten beiden Intensiv-BDF (Lindhöft 2003, BDF 35 und 36) werden Sickerwasseruntersuchungen vorgenommen. Abb. 22 zeigt exemplarisch die Einrichtung der Sickerwasseranlage auf BDF 06 (Sönke-Nissen-Koog) im Jahr Die Probennahmen werden durch die Flächeneigentümer vorgenommen, die labortechnischen Analysen und jährlichen Berichte dagegen durch die Professur für Grünland und Futterbau/Ökologischer Landbau (LOGES & TAUBE 2007) des Instituts für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Universität Kiel. Auf den vier Intensiv-BDF in Schleswig-Holstein werden Saugkerzenanlagen eingesetzt, die das ganze Jahr im Boden verbleiben. Diese werden an den BDF-Eckpunkten in cm Tiefe eingesetzt und durch Sickerwasserleitungen mit einem Sammelflaschenkoffer (s. Abb. 24) verbunden, der sich geschützt am Schlagrand befindet. Es werden sowohl keramische als auch Glassaugkerzen eingesetzt. Jede der vier Intensiv-BDF besitzt vier Saugkerzennester, wovon jeweils eines als Reserve und zur Absicherung der Resultate dient. Folgende Saugkerzen werden verwendet: Lindhöft Grünland (Weinberg): 16 Keramikkerzen (70-75 cm); 2 Glaskerzen (nur Winter) Lindhöft Acker (Hofkoppel): 16 Keramikkerzen (70-75 cm); 2 Glaskerzen (nur Winter) Schuby: 16 Keramikkerzen (70-75 cm), 8 Glaskerzen (35 cm) Sönke-Nissen-Koog: 32 Keramikkerzen (16 ständige cm, 16 saisonale cm) 60

71 Abb. 22: Einrichtung der Sickerwasseranlage der BDF 06 (Sönke-Nissen-Koog) mit sichtbarem Saugkerzennest; Foto: D. Elsner (LLUR, Dez. 62), September 2007 Neben den ständigen Saugkerzenanlagen gibt es auch saisonale Saugkerzen, die auf BDF 6 (Sönke-Nissen-Koog) eingesetzt wurden. Mit dieser zusätzlichen Anlage, bei der ausgeschlossen ist, dass sie salzhaltiges Grundwasser aufnimmt, wird verglichen ob eine Differenz bezüglich Wassermenge und qualität zur ständigen Anlage besteht, bei der die o. a. Salzwasseraufnahme nicht ausgeschlossen ist. Diese Saugkerzen in Tiefen von cm sind mit oberflächennahen Sammelfaschen verbunden (s. Abb. 23) und werden nur in der winterlichen Sickerwasserperiode eingesetzt. Danach werden sie wieder entfernt um die landwirtschaftliche Bodenbearbeitung und Bewirtschaftung des Sommerhalbjahres wieder zu ermöglichen. Gemessene bzw. berechnete Einzelparameter: Sickerwassermenge N-Verbindungen NH 4 -N, NO 3 -N, N org, Gesamt-N ortho-po 4, Gesamt-PO 4 K 2 O 61

72 Die Sickerwassermengen im Winterhalbjahr wurden anhand einer klimatischen Wasserbilanz (DVWK, 1996) berechnet (LOGES & TAUBE 2007). Die Evapotranspiration wurde nach Turc/Wendling berechnet (WENDLING et al. 1991). Sie berücksichtigt den Einfluss küstennaher Klimaverhältnisse in Bezug auf Windgeschwindigkeit und Strahlung. Die N-, P- und K-Verbindungen wurden als Konzentration gemessen und danach durch folgende Gleichung mit den Werten der Sickerwassermengen in Frachten umgerechnet: Fracht [kg N ha -1 ] = Konzentration [mg l -1 ] Sickerwassermenge [l m -2 ] / 100. Die Proben wurden unmittelbar nach der Gewinnung tiefgefroren und zur Analyse am Autoanalyzer (Bran+Luebbe) über Nacht im Kühlschrank bei 5 C aufgetaut. Nach der Messung der Gehalte der Proben an Nitratstickstoff (NO 3 -N), Ammoniumstickstoff (NH 4 -N), sowie Gesamtstickstoff (N ges -N) untersucht. Die Gehalte der Proben an leicht mineralisierbarem organischen Stickstoff (N org -N) wurden als Differenz aus den Messwerten für N ges und NO - 3 sowie NH + 4 errechnet. [N org ] = [N ges ] [NO 3 ] [NH 4 ] Ebenso wurden Boden-N-Gehalte gemessen (NH 4 -N, NO 3 -N, N org, Gesamt-N, N min -N) sowie Bodenfeuchte durch Tensiometer in den Entnahmetiefen 0-30 cm, cm und cm. Diese Untersuchungen werden dreimal jährlich zu Vegetationsbeginn, Ernte und zum Ende der Vegetationsperiode vorgenommen. Die Boden-N-Gehalte wurden mit Hilfe einer 0,01 M CaCl 2 -Extraktion und kontinuierliche Durchflussanalyse gemessen. N org -N wurde außerdem zur Kontrolle berechnet. N min -N ist die Addition der NH 4 -N- und NO 3 -N- Gehalte. 62

73 Abb. 23: Oberflächennahe Sammelflaschen von saisonalen Saugkerzen (35-40 cm Tiefe) auf der BDF 06 (Sönke-Nissen-Koog); Foto: R. Nerger, Oktober 2007 Abb. 24: Sammelflaschenkoffer mit Pumpe der BDF 35 (Lindhöft Grünland) Foto: R. Nerger, Oktober

74 Depositionsuntersuchungen Die Depositions-Messstationen werden durch das Messnetz des LLUR betrieben. An den vier Intensiv-BDF können die Wet- und die Bulk-Deposition gemessen werden. Abb. 25 zeigt ein Foto einer solchen Depositions-Messstation in Lindhöft, die für die Depositionsmessungen der beiden dortigen Intensiv-BDF eingesetzt wird. Um flächendeckendere Informationen bezüglich der Deposition in Schleswig-Holstein zu bekommen, ist es möglich die anderen Stationen des Messnetzes nutzen (meist siedlungsferne Standorte) oder das Messnetz des ehemaligen Staatlichen Umweltamtes Itzehoe miteinzubeziehen (meist siedlungsnahe Standorte). Abb. 25: Depositions-Messstation in Lindhöft; Mai 2008, Foto: R. Nerger Abb. 26: Wet-only-Sammler der Depositions-Messstation in Lindhöft ; Oktober 2007, Foto: R. Nerger 64

75 Die Messungen der Nassen Deposition (Wet Deposition mit Wet-only-Sammler) umfassen folgende Parameter: Gewicht der Probe, Niederschlagsmenge ph-wert elektrische Leitfähigkeit N-Konzentrationen NH 4 -N (Ammonium), NO 3 -N (Nitrat), NO 2 -N (Nitrit), Gesamt-N P-Konzentrationen PO 4 -P (Phosphat), Gesamt-P DOC Anionen Chlorid, Sulfat Kationen-Konzentrationen Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium Die N- und P-Verbindungen sowie die verbleibenden Anionen und Kationen werden als Konzentration gemessen und danach mit den Werten der Sickerwassermengen in Frachten umgerechnet. Die Messungen der Bulk-Deposition mit dem Bulk-Sammler umfassen folgende Parameter: Gewicht der Probe Fe, Mn, Al Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Hg, Pb 65

76 2.5 Datenauswahl und -verarbeitung für die Auswertung Allgemeines Die Messwerte der Bodeneigenschaften aus den physikalischen und anorganischchemischen Untersuchungen stammen aus der Merkmalsdokumentation des BDF- Programms in Schleswig-Holstein (LLUR). Für die anorganisch-chemischen Daten sowie die Daten der Korngrößenverteilung wurden die Untersuchungen aus der Erst- und Zweitbeprobung, den Organika-Messkampagnen der Jahre sowie die der Messkampagne Organika 2006 verwendet (Tab. 6). Ebenso wurden die anorganischchemischen Daten der jährlichen Beprobung der Intensiv-BDF sowie die der mikrobiologischen Untersuchungen einbezogen. Anorganisch-chemische Messwerte unter der Bestimmungsgrenze wurden nicht in die nutzungsgruppenspezifischen Auswertungen einbezogen. Bei den sonstigen bodenphysikalischen Daten liegen die Informationen aus der Leitprofilbeprobung und der ersten Wiederholungsuntersuchung vor. Bezüglich der Bewertung bodenchemischer und physikalischer Größen (s. Kap , und 2.4.3) wird auf die Angaben der AG Boden (2005) zurückgegriffen. Für die Bewertung der P 2 O 5 - und K 2 O-Gehalte werden die Klasseneinteilungen der Landwirtschaftskammer Schleswig- Holstein (LK-SH 2009) herangezogen. Bei einem Humusgehalt von 0-8 % ist die optimale Versorgungsstufe (Klasse C) mit Phosphatgehalten von mg/100g. Die K 2 O-Klassen werden nach der vorherrschenden Bodenart differenziert und variieren (bei 0-8 % Humus) in der Versorgungsklasse C von mg/100g für Sand bis mg/100g für Ton. Die bodenzoologischen Daten des Berichts entstammen den Untersuchungen von GRAEFE et al. (1993, 1995, , 2001, ). Die Daten der mikrobiologischen Untersuchungen wurden den Berichten von BEYER (1995, , , 2005), TISCHER (2006) sowie QUIRIN & EMMERLING (2007) entnommen. Die Daten der Vegetationsuntersuchungen beziehen sich auf die Berichte von MIERWALD (2002) und LAUMER (jeweils ), die der Flechtenuntersuchungen auf ABEL & ZIMMER ( ) sowie STAPPER (2007) Probennahmezeiträume Im Rahmen der Datenauswertung liegen für die Daten des Standardbeprobungsschemas zwei Probennahmezeitpunkte vor, die biologischen Untersuchungen weisen, je nach Fläche und Untersuchung, zwei bis sechs Probennahmezeitpunkte auf (Tab. 7). Die einbezogenen Daten des Standardbeprobungsschemas sind wie die mikrobiologischen Untersuchungen ausschließlich Daten aus Untersuchungen des Oberbodens. Beschreibungen von Veränderungen im Zeitverlauf beziehen sich, neben den biologischen Untersuchungen, auf die beiden Messkampagnen des Standardbeprobungsschemas, da hier zwei Messpunkte in 66

77 der Zeit vorliegen und vom Grundansatz her eine ähnliche Probennahmemethodik aufweisen. Die Erstbeprobung des Standardbeprobungsschemas auf den BDF wurde nicht in die Daten der Erstbeprobung (MK1) einbezogen, da die Messungen erst stattfanden. Sie wurden stattdessen in die Datensätze der Zweitbeprobung integriert (MK2), die 1999 stattfand Beprobungstiefen Im Rahmen der anorganisch-chemischen Untersuchungen wurden die Analysenergebnisse der Oberbodenproben miteinander verglichen. Bei der ersten Wiederholungsuntersuchung des Standardbeprobungsschemas lag jeweils eine Tiefenstufenprobe vor, die bei Ackerflächen aus einer Tiefe von 0-30 cm genommen wurden und bei allen anderen Nutzungen von 0-5 cm. In der Erstbeprobung des Standardbeprobungsschemas wurden die Proben aus unterschiedlichen Tiefen genommen. Auf Ackerflächen erfolgte die Probennahme oft getrennt aus Ober- und Unterkrume, also aus zwei Tiefenstufen, teilweise bis zu 35 cm Tiefe. Nur in wenigen Fällen wurde ebenso wie in der Zweituntersuchung eine Probe aus dem gesamten Oberboden genommen. Durch die Einbeziehung von mehreren Tiefenstufen konnten im Mineralboden statt drei Mischprobenwerten bis zu sechs Werte vorliegen. Lagen in der Erstbeprobung mehr als drei Flächenmischproben vor, erhöht sich die Anzahl der eingegangenen Einzelproben entsprechend. Bei den sonstigen Nutzungen lagen ebenfalls unterschiedliche Probennahmetiefen vor. Je nach Ausprägung des Oberbodens wurde das Material bis 7-8 cm und teils auch bis 16 und 27 cm genommen (Anhang 3.1). Die Anzahl und Verteilung der einbezogenen Einzelproben ist in Tab. 24 veranschaulicht. Die Abgrenzung der Tiefenstufen des Oberbodens von denen der Unterbodenhorizonte im Rahmen der Erstbeprobung bezog sich sowohl auf die Dokumentation der Probennahme in den Mischplänen, als auch auf die verzeichneten Tiefenangaben in der Bodendatenbank des LLUR. Die unterschiedlichen Probentiefen zwischen der Erst- und Zweituntersuchung des Standardbeprobungsschemas schränken die Vergleichbarkeit der beiden Messkampagnen ein. Alle verwendeten Einzelproben jeder Fläche sind im Anhang (3.1) aufgeführt. 67

78 Tab. 24: Verteilung der Probenanzahlen auf den Untersuchungsflächen im Rahmen der Erstbeprobung mineralischer Oberboden Anzahl Tiefenstufen pro Mischprobe Anzahl Mischproben Gesamtanzahl Proben MP1 MP2 MP3 MP4 MP5 MP1 MP2 MP3 MP4 MP5 BDF BDF BDF BDF BDF BDF Humusauflage Anzahl Tiefenstufen pro Mischprobe BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF BDF 39 bisher keine Anzahl Mischproben Gesamtanzahl Proben 68

79 2.5.4 Stoff- und Humusbilanzen Mit Hilfe der Bewirtschaftungsdaten, vor allem der Eintragsberechnungen für Hauptelemente und Schwermetalle sowie Austragsberechnungen der Ernteentzüge werden einfache Stoffbilanzen, gegliedert nach Wirtschaftsjahren, für die einzelnen BDF berechnet. Für die Intensiv-BDF können die negative oder positive Salden durch die berechneten Sickerwasserausträge noch besser eingeordnet werden. Die Nährstoffgehalte der mineralischen und organischen Dünger wurden den Angaben der Landwirtschaftskammer Schleswig-Holsteins (LKSH 2009) entnommen. In den LKSH-Angaben nicht aufgelistete mineralische Düngemittel konnten zum Teil über die Angaben der Herstellerfirmen bezüglich ihrer Nährstoffgehalte quantifiziert werden. Die Schwermetallgehalte der Wirtschaftsdünger beziehen sich mehrheitlich auf die Angaben aus UBA (2007), zu geringeren Teilen auch aus BANNICK (2001), BOYSEN (1992), HACKENBERG & WEGENER (1999), BANNICK (2001) sowie DAHLHAUS & HORN (2002). Besonders bei den Schwermetallgehalten sowohl organischer als auch mineralischer Düngemittel gibt es nur eine begrenzte Anzahl an Literaturangaben. Die Gehalte der dort nicht erfassten, auf den BDF aber aufgebrachten, Düngemittel beruhen auf Schätzungen, basierend auf den Angaben zu vergleichbaren Düngemitteln. Die entsprechenden Angaben sind im Anhang (3.6.4) kenntlich gemacht. Bezüglich der Nährstoff- und Schwermetallgehalte von Wirtschaftsdüngern gibt es große Schwankungen zwischen den einzelnen Betrieben und auch innerhalb eines Betriebes. Ein Beispiel für die letztgenannten Unterschiede sind die Stoffgehalte der Wirtschaftsdünger aus Sauen- und Mastschweinhaltung. Organische Düngung, die von Sauen stammt, enthält aufgrund der Spurenelementernährung zur Fertilitätsförderung wesentlich mehr Kupfer und Zink als die von Mastschweinen (KTBL 2005a). Die Angaben sind dadurch mit einer großen Unsicherheit behaftet. Eine weitere Fehlerquelle sind mögliche unspezifische Angaben der Flächeninhaber bezüglich der Art der verwendeten mineralischen Düngemittel, die eventuell zu einer falschen Identifizierung des Düngers führen können. Angaben der Stoffeinträge durch atmosphärische Deposition entstammen den Angaben des LLUR-Depositionsmessnetzes, die bis 2007 vorliegen. Um Ernteentzüge von Haupt- und Nebenerntegut berechnen zu können, sind die Stoffgehalte der entsprechenden Pflanzen und Pflanzenteile notwendig. Diese wurden freundlicherweise aus dem Boden-Dauerbeobachtungsprogramm des LBEG Niedersachsen zur Verfügung gestellt. Die Humusbilanzen wurden nach der standortangepassten Methode nach KOLBE (2008) berechnet, die im Gegensatz zur VDLUFA-Methode die Standorteigenschaften berücksichtigt. Die Klassifizierung erfolgt nach VDLUFA (2004) sowie nach KOLBE (2008). 69

80 2.5.5 Bodenbiologische Daten Innerhalb der biologischen Untersuchungen wurden die in Tab. 25 und Tab. 26 dargestellten bodenzoologischen und mikrobiologischen Untersuchungsgrößen in die Auswertungen einbezogen. Bewertungsmaßstäbe zur Einordnung der Gehalte sind in Kap aufgelistet. Tab. 25: In die Auswertungen einbezogene bodenzoologische Untersuchungsgrößen Bodenzoologische Untersuchungen Untersuchungsgrößen Abundanz Lumbriciden Abundanz Enchyträen Biomasse Lumbriciden Biomasse Enchyträen Artenzahlen Lumbriciden Artenzahlen Enchyträen Lebensformentypen Lumbriciden Strategietypen Enchyträen Gewichtete mittlere Feuchtezahl Gewichtete mittlere Reaktionszahl Tab. 26: Bodenmikrobiologische Untersuchungsgrößen Bodenmikrobiologische Untersuchungen Abkürzung Größen Untersuchungsgrößen Corg Ntot Nmin Nmic Cmic (CFE) Cmic (SIR) Cmic/Corg (CFE) Cmic/Corg (SIR) Basalatmung Metabol (CFE) Metabol (SIR) Organischer Kohlenstoffgehalt Gesamter Stickstoffgehalt Mineralisierter Stickstoffgehalt Mikrobieller Stickstoffgehalt Mikrobielle Biomasse (CFE-Verfahren) Mikrobielle Biomasse (SIR-Verfahren) Cmic/Corg-Quotient (CFE-Verfahren) Cmic/Corg-Quotient (CFE-Verfahren) Basalatmung Metabolischer Quotient (CFE-Verfahren) Metabolischer Quotient (CSIR-Verfahren) Die Ergebnisse der vegetationskundlichen und lichenologischen Untersuchungen wurden auf ihre relevanten Aussagen hinsichtlich Bodenveränderungen überprüft und bei Bedarf einbezogen Ermittlung der Bodenvariabilität und Statistik Um signifikante zeitliche Veränderungen von Böden erkennen zu können muss die Variation der Messwerte bekannt bzw. abschätzbar sein. Durch das Vorhandensein von drei Mischproben, deren Einzelmesswerte für eine Mittelwertbildung verwendet werden, kann 70

81 [mg/kg] Erweit. Unsicherheit (= Flächenvariabilität x2) Grenzdifferenz Mittelwertänderung Abschlussbericht Auswertung BDF in Schleswig-Holstein durch die Standardabweichung dieser Messwerte untereinander auch die Flächenvariabilität angegeben werden. Aus der Flächenvariabilität wird die erweiterte Unsicherheit eines Mittelwertes gebildet (Abb. 27) Erstbeprobung - Methode 1 Erstbeprobung - Methode 2 Zweitbeprobung - Methode 2 Abb. 27: Grafische Darstellung zu erweiterter Unsicherheit, Mittelwertänderung und Grenzdifferenz Um die Unsicherheit der gebildeten Mittelwerte der räumlichen Wiederholungen zu charakterisieren wurde die Flächenvariation als Fehlerbereich verwendet. Diese so gebildete einfache Unsicherheit (U c ) bietet eine 66,7 %-ige Sicherheit des Einhaltens des Erwartungswertes (GUM - DIN V EN V 13005). Um eine erweiterte Unsicherheit (U) von 95 % der Einhaltung des Erwartungswerts zu erhalten, wird die einfache Unsicherheit mit dem Wert 2, dem k-faktor, multipliziert. Die bedeutet, dass sich der wahre (unbekannte) Mittelwert zu 95 % innerhalb der Grenzen der erweiterten Unsicherheit befindet. Diese Methode wurde bei allen Abbildungen des Berichts angewandt, die sich auf anorganischchemische und mikrobiologische Untersuchungen beziehen. Aus der erweiterten Unsicherheit, die als Fehlerbalken in den Histogrammen integriert wurde, lassen sich prozentuale Variationskoeffizienten bilden, die ebenfalls in die Auswertung gelangten. Eine 99 %-ige Sicherheit durch eine Erhöhung des k-faktors auf den Wert 3 ist dagegen nicht als sinnvoll zu erachten, da durch eine dreifache kombinierte Messunsicherheit keine interpretierbaren Ergebnisse vorliegen würden und keine Signifikanzen erkannt werden könnten. 71

82 U k * (1) u C U: Erweiterte Unsicherheit, U c : Einfache Unsicherheit k: Erweiterungsfaktor Für zwei Messwerte einer Zeitreihe mit definierten erweiterten Unsicherheiten kann die Grenzdifferenz ermittelt werden (Abb. 27). Beim Vorhandensein einer positiven Grenzdifferenz gilt die zeitliche Veränderung der Messwerte mit einer Sicherheit von 95 % als statistisch signifikant. In Histogrammen drückt sich dies in grafischer Weise so aus, dass sich die Fehlerbalken der erweiterten Unsicherheiten zweier zeitlich unterschiedlicher Messwerte der Zeitreihe einer BDF nicht überlappen. Im Fall der Überlappung ist die Grenzdifferenz negativ, hier kann nicht von einer signifikanten zeitlichen Veränderung der Messwerte ausgegangen werden. Für die Angabe der Flächenvariation, bzw. der Variabilität der räumlichen Wiederholung, können die Daten zu den Misch- und Einzelproben verwendet werden. Für die Einzelprobenuntersuchungen werden Mittelwerte und Standardabweichungen der 18 Einzelproben angegeben. Bei der Zweitbeprobung des Standardbeprobungsschemas kann aus der räumlichen Wiederholung die Flächenvariation ermittelt werden, sie wird hier als Standardabweichung der drei Mischproben untereinander angegeben. Wenn mehrere Tiefenstufen in die Probenauswahl einflossen, bildet sich die Flächenvariation entsprechend aus sechs Einzelwerten. An einigen BDF wurden im Rahmen der Grundinventur auch vier oder fünf Mischproben erstellt, die die Datenbasis sowohl der Mittelwert- als auch der Variabilitätsberechnung erhöhen. Diese Maßnahme wurde bei der Probennahme durchgeführt, wenn die jeweilige Fläche eine hohe Heterogenität der Bodenstruktur, bezogen auf die gesamte Profiltiefe, aufwies. Messwerte unterhalb der Bestimmungsgrenze wurden nicht einbezogen, so dass sich die Datenbasis um die entsprechenden Messwertanzahlen verringert. Die Flächenvariation beinhaltet bereits die laboranalytische Variation (HÖPER & KLEEFISCH 2001). Für die anorganisch-chemischen Untersuchungen liegen die laboranalytischen Variationen als Präzisionsangaben aus dem Landeslabor des Landes Schleswig-Holstein in Neumünster vor. Diese Angaben, die zur Beurteilung der Reproduzierbarkeit der Gesamtheit aller Arbeitsschritte der angewandten Verfahren dienen, bestehen aus stoff- und methodenspezifischen Standardabweichungen des Kontrollkartensystems des Landeslabors. Standard für diese Angaben ist ein Referenzboden mit zertifizierten Gehalten aus Schleswig-Holstein, dessen Proben jährlich mit den regulären Analysen mit gemessen werden (NACK, mündliche Mitteilung, Juni 2008). Diese Analysen, 72

83 deren Ergebnisse in den Kontrollkarten geführt werden, bilden so eine Kontrolle für zufällig und systematisch auftretende Messfehler. Die probennahmebedingte Variation kann nicht unmittelbar erfasst werden. Bei der Standardbeprobung wurde das Material von zwei Bohrungen in unmittelbarer Nähe (ca. 10 cm) zu einer Einzelprobe zusammengemischt, jedoch werden bei dieser Beprobungsmethodik nie mehrere Proben aus ein und demselben Material separat voneinander im Labor analysiert. Somit lässt sich keine probennahmebedingte Variation angeben, wodurch Angaben zur zeitlichen Variabilität unsicherer werden. Derselbe Fall liegt bei den mikrobiologischen Untersuchungen vor. Diese Werte sind Mittelwerte von vier Mischproben, die aus je vier Einzelproben zusammengesetzt sind. Dies betrifft alle mikrobiologischen Daten ab 2001, vorher wurde keine Mischbeprobung durchgeführt. Bei den bodenzoologischen Untersuchungen leiten sich die Ergebnisse aus Einzeluntersuchungen von zehn Probennahmepunkten ab. Aufgrund der großen Abweichungen der Untersuchungsergebnisse der einzelnen Punkte untereinander und der nicht-laboranalytischen Natur der Daten wird hier keine Flächenvariation angegeben. Bei mikrobiologischen Untersuchungen werden üblicherweise statt eines Referenzbodens Parallelmessungen ein und derselben Probe zur Erhebung von Präzisionsangaben durchgeführt. Die seitens der Auftragslabore überprüften Mittelwerte dieser zwei bis drei Parallelmessungen wurden an das LLUR übermittelt und bilden die Datenbasis für die mikrobiologischen Ergebnisse. Im Rahmen der Darstellung des Nutzungsgruppenvergleichs wurden sowohl Histogramme, als auch Boxplots als Box-Whisker-Grafiken mit dem Programm R erstellt. Eine Box beinhaltet 50 % der Mittelwerte der Flächen, der Abstand der Außengrenzen der Boxen lässt sich auch als Interquartilsabstand beschreiben. Wenn sich im Vergleich von Boxplots unterschiedlicher Nutzungen oder zeitlich verschiedener Messkampagnen die Außengrenzen der Boxen nicht überlappen, wird von einem signifikanten Unterschied gesprochen. Bei laboranalytischen Untersuchungen müssen die erhaltenen Messwerte auf Ausreißerwerte überprüft werden. Das Landeslabor Schleswig-Holstein unterzieht jeden Messwert einer Plausibilitätsüberprüfung (NACK, mündliche Mitteilung, Juni 2008). Um eventuell übersehene nichtplausible, vom Mittelwert stark abweichende Einzelwerte erfassen zu können, wurde im Rahmen der Auswertung der Ergebnisse der Boden- Dauerbeobachtung Schleswig-Holsteins der Median-5-Interquartilstest auf die Variationskoeffizienten der Mischprobenmittelwerte der bodenchemischen Daten angewandt (LABO 2003). 73

84 x ist ein Ausreißerwert, wenn: x Median 5*(75. Perzentil 25. Perzentil ) oder (2) x Median 5*(75. Perzentil 25. Perzentil ) (3) Der Median-5-Interquartilstest ist ein Beispiel für einen nichtparametrischen Ausreißertest, der keine bestimmte Verteilung der Daten voraussetzt (LABO 2003). Als Ausreißer werden Werte außerhalb des Intervalls von Median +/- fünf mal dem Interquartilsabstand ausgewiesen. Der Test wurde dem Median-3-Interquartilstest vorgezogen, da er nach LABO (2003) aufgrund seiner geringeren Schärfe in vielen Fällen geeigneter ist und in den hier vorliegenden Daten Fehlausweisungen von heterogenitätsbedingten Werten vermeidet. Der Test wurde auf die Flächenvariationskoeffizienten angewandt. Die Einzelwerte der Mischproben mehrerer Flächen kamen hier nicht in Frage, da sie nicht unabhängig voneinander sind. Die absoluten Mittelwerte der Mischprobenergebnisse einem Ausreißertest zu unterziehen ist nicht sinnvoll, da vermutlich einige Flächen mit standortsbedingten hohen Gehalten ausgewiesen werden würden. Die Variationskoeffizienten der Mittelprobenwerte waren jedoch sehr gut geeignet, da sich zu hohe oder niedrige Einzelmessungen in hohen Flächenvariationskoeffizienten äußern. Die ausgewiesenen Werte wurden nochmals überprüft um Fehlausweisungen aufgrund hoher Flächenheterogenität auszuschließen. Um die gegenseitige Beeinflussung der Messgrößen statistisch erfassen zu können, wurden Korrelationsuntersuchungen bei den Acker-BDF durchgeführt. Dabei wurden die spezifisch mikrobiologischen und anorganisch-chemischen Messgrößen der mikrobiologischen Untersuchungen sowie die anorganisch-chemischen und physikalischen Messgrößen der Standardbeprobungen einbezogen. Dies betraf die Mittelwerte der Mikrobiologie-Messkampagne 2 (1998) und die der Wiederholungsinventur der Standardbeprobung der Basis-BDF (MK2 1999). Um eine weitestgehende Normalverteilung der Daten zu erhalten, wurden die meisten Daten zuvor einer logarithmischen Transformation unterzogen und danach mit dem Shapiro-Wilk-Test auf Normalverteilung geprüft. Ebenso wurden QQ-Plots zur grafischen Erfassung des Verhältnisses zwischen empirischen und theoretischen Quantilen erstellt, aus der sich ebenfalls Schlüsse zum Vorhandensein einer Normalverteilung ziehen lassen. Die normalverteilten Werte der Messgrößen der Acker-BDF, zuzüglich N ges - und Humusgehalt, wurden in die Korrelationsanalysen eingebunden. Alle Angaben zu Schwermetall- und Hauptelementen beziehen sich auf Messungen im HNO 3 /HF-Aufschluss mit ICP-AES-Messung. Die 95%ige Signifikanz der Korrelationen zwischen zwei 74

85 Messgrößen, die abhängig von der Anzahl an Freiheitsgraden ist, wurde mit dem T-Test überprüft. Die Korrelationsuntersuchungen beschreiben jedoch nur, dass ein linearer Zusammenhang vorliegt, nicht jedoch welche Güte er hat. Diese wurde mit Regressionsanalysen erfasst, die für die hoch signifikanten Korrelationsbeziehungen durchgeführt wurden. Die Güte wurde mit dem Bestimmtheitsmaß R² erfasst, dem Quadrat des Korrelationskoeffizienten der Korrelationsanalysen. Ausgewählte signifikante Korrelationsbeziehungen sowie einige Beispiele von sehr niedrigen und nicht signifikanten Korrelationen wurden in Streudiagrammen als Regressionen grafisch dargestellt Bewertungsschema für zukünftige Eignung der Einzel-BDF Um die zukünftige Eignung der einzelnen BDF hinsichtlich ihrer Eignung zur Dokumentation von Bodenveränderungen erfassen zu können, werden alle BDF einer Prüfung durch einen objektivierten Bewertungsmaßstab unterzogen. Dieser Bewertungsmaßstab stützt sich unter anderem auf folgende Kriterien: Homo- bzw. Heterogenität der Bodeneigenschaften Vorhandensein von Artefakten bzw. Störungen auf der Fläche Absehbarkeit einer langfristigen Nutzung für die Boden-Dauerbeobachtung Qualität der Repräsentativität bestimmter Nutzungsgruppen oder Naturräume Diese Kriterien wurden ausgewählt, da sie als die wichtigsten für eine sinnvolle zukünftige Dauerbeobachtung erscheinen. Das Kriterium der Absehbarkeit einer langfristigen Nutzung für die Boden-Dauerbeobachtung beruht auf einer derzeitigen Absehbarkeit von Gründen, die eine Weiterführung der als Boden-Dauerbeobachtungsfläche nicht für sinnvoll erscheinen lassen würden. Die vier Kriterien werden durch Unterkriterien beurteilt (Tab. 27), die dann nach Punkten bewertet werden. Die Addition der Punkte aller vier Kriterien ist dann entscheidend für die Beurteilung zur Weiterführung der BDF. Bei einer Summe von zehn Punkten liegen Gründe vor, die die Weiterführung der jeweiligen Fläche als BDF nicht sinnvoll erscheinen lassen. Die in Tab. 27 angeführten 13 Variationskoeffizienten hinsichtlich der Heterogenität von Bodeneigenschaften sind diejenigen der Messgrößen C org, N ges, Pb, Zn, Fe, Mg, KAK eff (Ca 2+, K + ), Trockenrohdichte, Sandgehalt sowie die Bodeneigenschaften Humusgehalt, C mic (CFE und SIR) aus dem mikrobiologischen Messprogramm. Diese Messgrößen wurden ausgewählt, da sie einerseits zentrale Bodeneigenschaften der in der Boden- Dauerbeobachtung gemessenen Stoffgruppen bilden und andererseits diejenigen Messgrößen sind, deren Werte auf den meisten BDF vorliegen. Für jeden der 13 75

86 Variationskoeffizienten wurde eine eigene Bewertung durchgeführt, das heißt wenn fünf Variationskoeffizienten von >= 30% vorliegen, die mit je zwei Punkten in die Wertung eingehen, werden für diese Fläche in der Summe bereits zehn Punkte erreicht. Tab. 27: Legende der Beurteilungskriterien nach Punkten zur Einschätzung der BDF hinsichtlich ihrer Weiterführungseignung Kriterium Unterkriterium Punkte Heterogenität der Bodeneigenschaften (Summierung der Einzelbewertung von 13 Variationskoeffizienten) 0-20 % <30 % 1 >= 30 % 2 Vorhandensein von Artefakten bzw. Störungen auf der Fläche keine 0 vorhanden 10 Absehbarkeit einer langfristigen Nutzung für die Boden-Dauerbeobachtung ja 0 nein 10 Qualität der Repräsentativität bestimmter Nutzungsgruppen (Nutzungswechsel) kein Nutzungswechsel 0 Nutzungswechsel 5 3 Ergebnisse der Datenauswertung 3.1 Abgleich mit den Vorgaben der LABO Um zu ermitteln, inwiefern die Empfehlungen und Vorgaben der LABO (BARTH et al. 2000) in im Boden-Dauerbeobachtungsprogramm Schleswig-Holsteins realisiert wurden, wurde eine dahingehende Überprüfung hinsichtlich Durchführung, Probennahme- bzw. Messort, Probennahme- bzw. Messintervall und Messmethode vorgenommen. Anorganische Bodenchemie Für die anorganisch-chemischen Untersuchungen wurden folgende Messgrößen (Tab. 28 und 29) hinsichtlich der Vereinbarkeit mit den Vorgaben der LABO (BARTH et al. 2000) überprüft: 76

87 Tab. 28: Vergleich der Vorgaben der LABO und Realisierung in Schleswig-Holstein bezüglich Durchführung, Messort, Messintervall und Messmethoden (anorganisch-chemische Bodenparameter) 1. Teil 77

88 Tab. 29: Vergleich der Vorgaben der LABO und Realisierung in Schleswig-Holstein bezüglich Durchführung, Messort, Messintervall und Messmethoden (anorganisch-chemische Bodenparameter) Fortsetzung 78

89 Von den 38 von der LABO als obligatorisch eingestuften Parametern wurden 29 in Schleswig-Holstein gemessen. Die neun nicht gemessenen Parameter betreffen langlebige Radionuklide und einige königswasserextrahierbare Elementgehalte (Hauptnährstoffe; Hg, Mn, S). Mit Ausnahme von Schwefel wurden diese Elemente aber im Rahmen anderer Aufschlussverfahren gemessen. Außerdem wurden in der Erstbeprobung zwei, nicht in den Vorgaben aufgeführte Parameter (Mn, Ba) untersucht. Somit ist zusammenzufassen, dass die Parameter-Vorgaben der LABO eingehalten wurden. Diese Feststellung trifft ebenso auf die Orts- und Intervallangaben zu. Die in Schleswig-Holstein angewandten Methoden orientieren sich ebenfalls an den Vorgaben der LABO. Messung organischer Schadstoffe Die Vorgaben der LABO zu Umfang und Art der zu messenden Parameter der organischen Bodenchemie, sind im Gegensatz zu denen der anorganischen Bodenchemie als wenig detailliert zu bezeichnen (Tab. 30). Alle als obligatorisch aufgelisteten Parameter wurden gemessen. Bei der Realisierung wurde weit über den von der LABO vorgegebenen Parameterumfang hinausgegangen. Es wurden 140 zusätzliche Parameter gemessen, die nicht in den Vorgaben, die sich an der BBodSchV orientieren, aufgelistet sind. Messorte und Messmethoden entsprechen den Vorgaben. Beim Messintervall wurde die Vorgabe der LABO jedoch, im Gegensatz zu den anorganisch-chemischen Beprobungen, nicht realisiert, da auf den BDF 1-33 bisher nur zwei Mal beprobt wurde. Die BDF wurden 2006 im Rahmen der Kampagne Organika 2006 diesbezüglich bisher einmal untersucht. Zum Methodenvergleich können zum Teil jedoch keine detaillierten Angaben gemacht werden, da u. a. DIN-Normen angegeben sind, die aber modifiziert wurden (z.b. DIN F6 mod) oder hauseigene Methoden zur Anwendung kamen (z.b. SGS-Hausmethode GC-HRMS). Die Vorgehensweise anderer angewandter Methoden wie DIN S 20 oder Merkblatt 1 LUA NRW kann dagegen reproduziert werden, so dass die Werte miteinander verglichen werden können. 79

90 Tab. 30: Vergleich der Vorgaben der LABO und Realisierung in Schleswig-Holstein bezüglich Durchführung, Messort, Messintervall und Messmethoden der organisch-chemischen Bodenparameter 80

91 Bodenphysik In Tab. 31 werden die Vorgaben bodenphysikalischer Parameter der LABO bezüglich ihrer Realisierung in Schleswig-Holstein dargestellt. Alle für bodenphysikalische Untersuchungen als obligatorisch aufgeführten Parameter wurden gemessen, ebenso die meisten als ergänzend aufgeführten Parameter. Die vorgegebenen Intervalle wurden eingehalten. Tab. 31: Vergleich der gemessenen bodenphysikalischen Parameter und Methoden mit den Vorgaben der LABO 81

92 Vegetationsuntersuchungen Die Vorgaben der LABO bezüglich des Parameterumfangs und des Messorts wurden eingehalten. Alle als obligatorisch eingestuften Parameter wurden gemessen. Die Dauerquadrate der Vegetationsaufnahmen befinden sich auf der BDF-Kernfläche, so dass auch diese Vorgabe erfüllt ist. Bezüglich des Messintervalls wurden in Schleswig-Holstein, anders als in den LABO-Vorgaben, die Intervalle von der Nutzung auf den BDF abhängig gemacht. Die realisierten Intervalle entsprechen aber der LABO-Intervallvorgabe von < 8 Jahren für die wichtigsten Parameter, so dass auch hier die Vorgaben als erfüllt anzusehen sind. Die Aufnahmemethoden entsprechen denen der Vorgabe der LABO. Tab. 32: Vergleich der gemessenen Vegetationsparameter und methoden mit den Vorgaben der LABO Bodenzoologische Untersuchungen Die Vorgaben der LABO bezüglich des Parameterumfangs der bodenzoologischen Untersuchungen wurden eingehalten. Dies betrifft ebenso die Vorgaben zu Messort, Messintervall und Aufnahmemethoden. 82

93 Tab. 33: Vergleich der gemessenen bodenzoologischen Parameter und Methoden mit den Vorgaben der LABO Flechtenuntersuchungen In den Vorgaben der LABO sind keine Flechtenuntersuchungen aufgeführt. Diese werden jedoch in Schleswig-Holstein durchgeführt, wobei die Flechten an allen BDF in Intervallen von drei bis vier Jahren aufgenommen werden. Dabei werden die Flechten einmal kartierter Trägerbäumen bei jeder Wiederholungsuntersuchung wieder aufgesucht und erneut aufgenommen (ZIMMER & ABEL 2006). Die Untersuchungen in Schleswig-Holstein dienen u. a. der Indikation für die atmosphärische Belastung der Flächen. Aus der Veränderung des Auftretens der verschiedenen Flechtenarten sowie der Gesamtabundanz der Individuen und der Vitalität können Schlussfolgerungen zur Immissionsbelastung gezogen werden. Dabei werden die BDF einzelnen Luftgüteklassen zugewiesen (BODE 1997). 83

94 Tab. 34: Vergleich der gemessenen Flechtenparameter und methoden mit den Vorgaben der LABO Mikrobiologische Untersuchungen Hinsichtlich der mikrobiologischen Untersuchungen wurden alle, von BARTH et al. (2000) als obligatorisch eingestuften, Größen sowie die als ergänzend genannten Enzymaktivitäten gemessen. Zusätzlich wurden, im LABO-Konzept nicht aufgeführte, allgemeine chemische und physikalische Parameter aufgenommen. Messort und methoden sind in Schleswig-Holstein äquivalent zu den aufgeführten Angaben im LABO-Konzept. Differenzen bestehen hinsichtlich der Messintervalle, hier werden in BARTH et al. (2000) jährliche Aufnahmerhythmen genannt, während in Schleswig-Holstein Messungen in Intervallen von drei bis vier Jahren, je nach Nutzungsgruppenzugehörigkeit des Standorts, realisiert wurden. 84

95 Tab. 35: Vergleich der gemessenen mikrobiologischen Parameter und Methoden mit den Vorgaben der LABO Bewirtschaftungsdaten Die Vorgaben der LABO (Tab. 36) bezüglich der Bewirtschaftung bezogen sich vor allem auf Düngemittelanalysen. Diese wurden in Schleswig-Holstein nicht durchgeführt. 85

96 Stattdessen wurden Stoffeintrags- und -entzugsabschätzungen mit Hilfe von Literaturangaben sowie gemessenen Daten des BDF-Programms aus Niedersachsen (s. a. Kap ) vorgenommen. Tab. 36: Vergleich der gemessenen Bewirtschaftungsparameter bzw. Kenngrößen mit den Vorgaben der LABO Sickerwasseruntersuchungen In Tab. 37 sind die von der LABO empfohlenen Sickerwasserparameter, getrennt nach Durchführung, Messort, Messintervall und Methode, mit den durchgeführten Messungen verglichen. Von den 26 obligatorischen Einzelparametern wurden in Schleswig- Holstein bislang nur sechs gemessen. Insbesondere Spurenelementmessungen sind bisher nicht im Umfang der Sickerwasseruntersuchungen enthalten. Dem gegenüber stehen zehn in Schleswig-Holstein gemessene Parameter, die in den Vorgaben der LABO weder als obligatorisch noch als ergänzend aufgelistet wurden. Dies betrifft einige Nährstoffe (N, P, K 2 O, ortho-phosphat) im Sickerwasser sowie die Boden-N-Gehalte. Bezüglich der Intervallvorgaben ist in Schleswig-Holstein eine Verkürzung festzustellen. Die wöchentlichen Messungen von N-, P- und K-Verbindungen bieten eine höhere zeitliche Auflösung als von der LABO vorgegeben (zwei bis vier Wochen). 86

97 Tab. 37: Vergleich der gemessenen Sickerwasserparameter und methoden mit den Vorgaben der LABO 87

98 Depositionsmessungen In Tab. 38 sind die von der LABO empfohlenen Depositionsparameter, getrennt nach Durchführung, Messort, Messintervall und Methode, mit den realisierten Messungen verglichen. Von den 18 als obligatorisch eingestuften Parametern seitens der Vorgaben der LABO, wurden 17 in Schleswig-Holstein gemessen (außer Cobalt). Zudem wurden 9 Parameter zusätzlich gemessen, die in den Vorgaben der LABO weder als obligatorisch noch als ergänzend aufgeführt sind. Dies betrifft einige Schwermetalle, N- und P- Verbindungen sowie die Niederschlagsmenge und Dissolved Organic Carbon (DOC). Die vorgegebenen Intervalle wurden, abgesehen von den Schwermetallmessungen, unterschritten. Statt der empfohlenen vier Wochen wurde jede zweite Woche gemessen. Die Schwermetalle wurden dagegen, wie vorgegeben, monatlich gemessen. 88

99 Tab. 38: Vergleich der gemessenen Depositionsparameter und methoden mit den Vorgaben der LABO 89