Böden in der Stadt Hamburg und in der Metropolregion

Transkript

1 Böden in der Stadt Hamburg und in der Metropolregion Prof. Dr. Annette Eschenbach Institut für Bodenkunde, Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit, Universität Hamburg Bodenmanagement Nachhaltiger Umgang mit der Ressource Boden 14. Oktober 2015 Behörde für Umwelt und Energie FHH

2 Böden bilden die Grundlage des Lebens Böden sind als endliche Ressource ein wichtiger Bestandteil des Natur- und Landschaftshaushaltes Fotos: Eschenbach; aid infodienst, 2015

3 Boden ist... die dünne Haut der Erde das mit Wasser, Luft und Lebewesen durchsetzte, unter dem Einfluss der Umweltfaktoren an der Erdoberfläche entstandene und im Lauf der Zeit sich weiterentwickelnde Umwandlungsprodukt mineralischer und organischer Substanzen mit eigener morphologischer Organisation, das in der Lage ist, höheren Pflanzen als Standort zu dienen und die Lebensgrundlage für Tiere und Menschen bildet. Als Raum-Zeit-Struktur ist der Boden ein vierdimensionales System. (Schroeder 1992) Fotos: Gröngröft, Pfeiffer

4 Ausgangsmaterial Organisches Material Verwitterung Mineralneubildung Mineralkörper Mineralisierung u. Humifizierung Humuskörper Translokationsprozesse Transformationsprozesse Aggregation und Segregation Gefügebildung Poröses System Kolloide Organische Substanz Wasser Nährstoffe Ionen Gase Mobilisierung Transport Immobilisierung Pedon Wasserhaushalt Temperaturhaushalt Puffersysteme Nährstoffe / Stoffflüsse Energie / Gasaustausch Träger spezifischer Eigenschaften, Prozesse und Funktionen im Ökosystem

5 Boden und seine Funktionen: BBodSchG (1998) 2 (1)Boden im Sinne dieses Gesetzes ist die obere Schicht der Erdkruste, soweit sie Träger der in Absatz 2 genannten Bodenfunktionen ist, einschließlich der flüssigen Bestandteile (Bodenlösung) und der gasförmigen Bestandteile (Bodenluft), ohne Grundwasser und Gewässerbetten. 1. natürliche Funktionen Lebensgrundlage und Lebensraum für Menschen, Tiere, Pflanzen und Bodenorganismen, Bestandteil des Naturhaushalts, insbesondere mit seinen Wasser- und Nährstoffkreisläufen, Abbau-, Ausgleichs- und Aufbaumedium für stoffliche Einwirkungen auf Grund der Filter-, Puffer-, und Stoffumwandlungseigenschaften, insbesondere auch zum Schutz des Grundwassers 2. Funktionen als Archiv der Natur- und Kulturgeschichte 3. Nutzungsfunktionen als Rohstofflagerstätte Fläche für Siedlung und Erholung Standort für die land- und forstwirtschaftliche Nutzung Standort für sonstige wirtschaftliche und öffentliche Nutzungen, Verkehr, Ver- und Entsorgung

6 Faktor Ausgangsmaterial: Natürliche Bodenformengesellschaften in Hamburg

7 Böden in der Stadt Hamburg Gley- Pseudogley Braunerde- Podsol Podsol- Braunerde Anmoorgley Flusskleimarsch Fotos: Institut für Bodenkunde

8 Faktor Mensch: Böden der Stadt In städtischen Verdichtungsräumen sind die Faktoren der Bodenbildung stark durch den Menschen geprägt: Relief: verändert durch Abtrag und Auftragen von Material Ausgangsgestein: Aufträge und Umlagerungen, oft mit mineralischen Fremdbestandteilen (Bauschutt, Aschen, Ziegel ) Klima: Stadtklima ist 1-3 C wärmer als das Umland Zeit: Kürzere Zeitspanne der Bodengenese Fotos: A. Eschenbach, V. Kleinschmidt

9 Anthropogen überprägte Stadtböden Durch anthropogene Eingriffe stark überprägte Böden Auf- und Eintrag technogener Substrate Fotos: Institut für Bodenkunde

10 Stadtböden - Böden in der Stadt Stadtböden ist der Überbegriff für die vielfältigen Böden der städtischindustriellen Räume: Boden des Jahres 2010: Stadtboden oder Technosol Böden natürlicher Entwicklung (naturnahe Böden) Böden anthropogener Aufträge natürlicher oder technogener Substrate bzw. Mischungen versiegelte Böden Foto: Makki, Flyer Boden des Jahres 2010 A. Eschenbach

11 Flächennutzung in Hamburg 2014 Landnutzung Bebauung Grünflächen Wasser Grünland Landwirtschaft ha Moor div. Vegetation Heide Verkehr Wald Statistisches Amt für Schleswig-Holstein und Hamburg, 2014 Kartenbasis: Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt, Hamburg

12 Versiegelung in Hamburg 1999

13 Versiegelung in Hamburg 2012 Versiegelte Fläche in Hamburg: % % : +2% ha jährlich 136 ha zusätzlich versiegelte Bodenfläche

14 Gekoppelte Energie- und Wasserflüsse an der Grenzfläche Boden Atmosphäre Transpiration nicht versiegelter versiegelter Boden Eschenbach & Pfeiffer, 2010

15 Klimafunktion von Böden: Forschung in der Stadt Hamburg Hamburg Urban Soil Climate Observatory (HUSCO) Evapotranspiration führt zur Abnahme des fühlbaren Wärmestroms Versiegelung verhindert die Verdunstung Transpiration Prozessverständnis der Wechselwirkung Boden-Pflanze-Atmosphäre Welchen Einfluss haben städtische Böden mit ihrem Verdunstungspotenzial auf das lokale Klima (in Abhängigkeit von Bodennutzungen, Versiegelung, Grundwasserflurabstand, Bodenwasserhaushalt) Welche Relevanz haben Stadtbäume und wie reagieren sie auf Trockenstress Exzellenzcluster CliSAP und Leitstelle Klimaschutz Handlungsoptionen für die Stadtplanung Abb: Eschenbach & Pfeiffer, 2010

16 Hamburg Urban Soil Climate Observatory (HUSCO): Messkonzept Landnutzung Bebauung Grünflächen Wasser Grünland Landwirtschaft Moor div. Vegetation Heide Verkehr Wald 50% 5% feuchter Stadtteil Innenstadt 5% Stadtteil 90% ländlicher Raum trockener Stadtteil 0-5% 50% 5% Abbildung nach: Freie und Hansestadt Hamburg, Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt - Amt für Umweltschutz (U21), 2010: Biotopkartierung.(modifiziert) Wiesner et al. 2014

17 HUSCO Untersuchungsstandorte 10 MeteoStationen 2 Eddy Kovarianz Systeme 18 BodenStationen (5 Tiefen, 1.60m) Fotos: Sarah Wiesner, Volker Kleinschmidt

18 Tagesgang der Lufttemperatur (Sept 2011-Sept 2012) Nächtliche Wärmeinsel Unterschiede im Tagesgang nach urbaner Flächennutzung und Lage innerstädtische Stationen ganztägig überwärmt schnellere abendliche Abkühlung der Grünflächen Nicht vollversiegelte Flächen erwärmen sich geringer und Grünflächen langsamer Wiesner et al., 2013

19 Bodenwassergehalte im Jahr 2011 Täglicher Niederschlag [mm] Grundwassereinfluss Sandiges Substrat Sukzessives Austrocknen Wasseraufnahme durch Wurzeln Tiefen Versickerung Wiesner et al., 2013 Volumetrischer Wassergehalt [%]

20 Zusammenhang Oberbodenwassergehalt Θ und Spanne der Lufttemperatur T a Je höher der Bodenwassergehalt desto niedriger die Böden Erwärmung mit unterschiedlichem Bodenwasserhaushalt tragen unterschiedlich 11 stark bis 17% zur Abkühlung der Temperaturunterschiede der Lufttemperatur können in der durch Stadt die bei Oberbodenfeuchte erklärt werden Wiesner et al., 2013

21 Zusammenfassung Forschung zur Klimafunktion von Böden in Städten (HUSCO) Abkühlungsfunktion von Böden ist abhängig: - von der Versiegelung und damit der Veränderung der Energie- und Wasserflüsse (Evapotranspiration) zwischen Boden und Atmosphäre - von dem Bodenwasserhaushalt, der Wasserverfügbarkeit und Wassernachlieferung im Boden (Bodeneigenschaften und Grundwasserflurabstand) - von der Vegetation am Standort - sowie von der kleinräumigen Wettersituation Das Zusammenwirken dieser Faktoren auf die Abkühlleistungen kann noch nicht sicher vorhergesagt werden.

22 Bodenfunktion: Schadstoffrückhalt und Abbau Filterung fester und flüssiger Stoffe (mechanisch) Aufnahme durch die Pflanzen Pufferung durch Sorption und Fällung (physio-chemisch) Transformation durch Um- und Abbau (mikrobiell/biochemisch) Transport mit Bodenwasser Lösung im Bodenwasser Auswaschung in das Grundwasser Bayerisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz (StMUGV)

23 Beeinträchtigung der Bodenfunktionen in einem Hamburger Kleingarten Fotos: A.Eschenbach

24 Belastete Kleingärten: Pflanzenverfügbarer Cadmiumgehalt ph pflanzenverfügbarer Cadmiumgehalt [µg/kg] Parzelle ,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 ph (CaCl 2 ) [-] R² = 0,7 n = 166 Maßnahmenwert nach BBodSchV Eschenbach, 2009

25 Ermittelte Schadstoffkonzentrationen (mg/kg) in einem Kleingarten TB 1 TB 2 TB 3 in mg/kg mittlere Belastung maximale Belastung mittlere Belastung maximale Belastung mittlere Belastung maximale Belastung Blei >1.000 Cadmium ,7 5,2 4,1 5,8 Cadmium pflanzenverfügbar 0,04-0,045 0,19 0,16-0,17 0,59 0,02 0,04 Arsen Benzo(a) -pyren Rot: Überschreitung der Prüfwerte (BBodSchV) Eschenbach, 2009

26 Ermittelte Belastungssituation des Bodens eines Hamburger Kleingartens 33/34 39/40 50/51 Aktuelle Untersuchungsergebnisse Oberbodenproben: Parameter: As, Pb, Cd, B(a)P Tiefe: bis 35 cm 2 3 2a 1 1a Teilbereich / b /32 41/ / < Wohngebiet Teilbereich Mit den 2 Untersuchungen konnten Rückschlüsse zu der Art a 334 und den 317Quellen der Kontamination gezogen werden a Empfehlungen 319 zur 320 Sanierung / Bodenbehandlung 321/ abgeleitet werden Prüfwerte Boden Mensch 1-1,5x Wohngebiet (BaP) < 2x Wohngebiet (Rest) > 1,5x Wohngebiet (BaP) > 2x Wohngebiet (Rest) Teilbereich a B(a)P-Prüfwert Wohngebiet: 4 mg/kg 1-1,5x Wohngebiet BaP: 4-6 mg/kg 1,5-2x Wohngebiet BaP: 6-8 mg/kg 152b 152a Eschenbach, 2009

27 Entsorgungs- und Schadstoffrückhaltefunktion: Verwertung von HMV-Aschen im Wegebau Beispiel Ohlstedter Platz Braasch & Gröngröft 2007

28 Ergebnisse der Untersuchung oberflächennahes Grundwasser 1400 Sulfatkonzentration [mg/l] Grenzwert 240 mg/l Trinkwasserverordnung Beprobung 2006 Beprobung 2007 Braasch & Gröngröft 2007

29 Ergebnisse der Untersuchung 100 in der HMV-Asche verbliebene Sulfatmenge aus der HMV-Asche ausgelaugte Sulfatmenge Die vorhandene 80 Sulfatbelastung resultiert aus der Sulfatgehalt [%] verbauten HMV-Asche. 60 Es ist drei Jahre nach Einbau immer noch ein Auswaschungspotenzial 40 an Sulfaten in der HMV-Asche enthalten Beprobungszeitpunkt 2007 Braasch & Gröngröft 2007

30 Vergleich von aktuellen und künftigen Regelungen zur Verwertung von Bodenmaterial Masterarbeit am IfB: P. Woloszczyk Fragestellung: Welche Auswirkungen auf die Verwertungsmöglichkeiten und -quote von Bodenmaterial ergeben sich aus der Ersatzbaustoffverordnung? Neue Methodik (Säulenversuch) Neue Materialwerte und klassen Neue Definition der Einbauweisen Untersuchung anhand von sechs belasteten Bodenproben und Einteilung in die Klassen nach LAGA M20 und Ersatzbaustoffverordnung.

31 Vorsorgewerte (BBodSchV), Zuordnungswerte (LAGA) und Hintergrundwerte FHH (LABO 2015) in mg/kg TM Vorsorgewerte BBodSchV Zuordnungswerte für die Verwendung in bodenähnlichen Anwendungen (Z0) LAGA M20 TRII Hintergrundwerte (FHH) holozäne fluviatile Lehme Tone des Gezeitenbereichs (Ballungskern B1) Hintergrundwerte Pleistozäne Sande und sandige Lehme (Ballungskern B1) Stoff Ton 1) Schluff 1) Sand 1) Lehm/Schluff Sand 50.P 90.P 50.P 90.P Arsen ,4 19,7 4,7 7,6 Blei Cadmium 1,5 1 0,4 1 0,4 0,42 0,90 0,32 0,56 Chrom Kupfer Nickel ,2 33,3 8,4 14,5 Quecksilber 1 0,5 0,1 0,5 0,1 0,12 0,27 0,26 0,40 Zink > 8% Humus < 8% Humus Nicht differenziert nach Substrat B1 Ballungsraum PAK ,91 4,64 B(a)P 1 0,3 0,3 0,3 0,30 0,56 PCB 6 0,1 0,05 0,05 0,05 0,0105 0,0216 1) Bei ph < 6 gelten für Cd, Ni, Zn die Grenzwerte der nächst grobkörnigeren Körnungsklasse

32 Vorsorgewerte (BBodSchV), Zuordnungswerte (LAGA) und Hintergrundwerte FHH (LABO 2015) in mg/kg TM Vorsorgewerte BBodSchV Zuordnungswerte für die Verwendung in bodenähnlichen Anwendungen (Z0) LAGA M20 TRII Hintergrundwerte (FHH) holozäne fluviatile Lehme Tone des Gezeitenbereichs (Ballungskern B1) Hintergrundwerte Pleistozäne Sande und sandige Lehme (Ballungskern B1) Stoff Ton 1) Schluff 1) Sand 1) Lehm/Schluff Sand 50.P 90.P 50.P 90.P Arsen ,4 19,7 4,7 7,6 Blei Cadmium 1,5 1 0,4 1 0,4 0,42 0,90 0,32 0,56 Chrom Kupfer Nickel ,2 33,3 8,4 14,5 Quecksilber 1 0,5 0,1 0,5 0,1 0,12 0,27 0,26 0,40 Zink > 8% Humus < 8% Humus Nicht differenziert nach Substrat B1 Ballungsraum PAK ,91 4,64 B(a)P 1 0,3 0,3 0,3 0,30 0,56 PCB 6 0,1 0,05 0,05 0,05 0,0105 0,0216 1) Bei ph < 6 gelten für Cd, Ni, Zn die Grenzwerte der nächst grobkörnigeren Körnungsklasse

33 Bodengefährdung und Ökosystem-Dienstleistungen von Stadtböden Bodengefährdungen Bodenversiegelung und Flächeninanspruchnahme Bodenkontamination Bodenzerstörung durch Aushub Verdichtung und Strukturzerstörung während Baumaßnahmen Versalzung Reduktion der Boden- Biodiversität und von funktionellen Gruppen Bodenfunktionen Flächen- und Standort -funktion Abkühlungsfunktion Kohlenstoffspeicherung Schadstoffabbau und Pufferung Wasserrückhaltung und Wasserkreislauf Nährstoffversorgung und kreislauf Primärproduktion Regulation der Biodiversität Ökosystem Dienstleistungen Regulation: Klimaregulation Hochwasserregulation Wasserregulation Schadstoffregulation Kultur Archiv: Natur- und Kulturgeschichte Erholung Ästhetik Ausbildung Versorgung: Flächenbereitstellung Trinkwasser Eschenbach 2013

34 Nachhaltiger Umgang mit der Ressource Boden in der Stadt Böden sind eine endliche Ressource. Benötigen Jahrhunderte bis Jahrtausende für Genese und Ausbildung von Eigenschaften und Funktionen. Schutz vor schädlichen Bodenveränderungen/Eingriffen Reduktion von Flächeninanspruchnahme & Versiegelung Reduktion von Schadstoffeinträgen Bodenschutz bei Baumaßnahmen: Reduktion von Aushub, Verdichtung, Strukturzerstörung Vorrangiger Schutz von Böden mit hoher Funktionalität Böden hoher Abkühlungsleistung als Klimaregulator für das menschliche Wohlbefinden Böden mit Regelungsfunktion Wasserhaushalt Schadstoffregulationsfunktion Archivfunktion..etc. Multifunktionalität vs. Nutzungsabhängige Funktionen Förderung des Bodenwissens: Erfassung und Quantifizierung der relevanten Bodenfunktionen, Erfassung der Diversität von Böden in der Stadt Förderung des Boden-Bewusstseins Der Wert des Bodens?

35 Zukunft Stadtböden? Danke für Ihre Aufmerksamkeit Urban Gardening in Hamburg Altona Fotos: A. Eschenbach,