Entstehung des Bodenmonitorings in Sachsen-Anhalt unsere Böden als Schatz, den es zu bewahren gilt!

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1 Entstehung des Bodenmonitorings in Sachsen-Anhalt unsere Böden als Schatz, den es zu bewahren gilt! Michael Weller und Prof. Dr. habil. Manfred Altermann Dezernat 22 Landesaufnahme und Analytik Halle, den

2 Bitte hier den Titel der Präsentation eingeben

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10 Bad Lauchstädt BDF 34-2 Intensiv-BDF Bodenform nach KA4: Bodenform nach TGL: 28 M. Weller Dez. 2 Angewandte Bodenkunde Bodenlandschaft: Lauchstädter Löss-Plateau Bodentyp: Schwarzerde (Norm-Tschernosem) Schwarzerde (Norm-Tschernosem) aus Löss über sehr tiefem kiesführendem Geschiebemergel TTn:a-ö///g-(k)l(Mg) Löss-Schwarzerde, tief lehmunterlagert ö///lt Biere BDF 3 Basis-BDF 28 M. Weller Dez. 2 Angewandte Bodenkunde Bodenlandschaft: Magdeburger Börde Bodentyp: Schwarzerde (Norm-Tschernosem) Bodenform nach KA4: Schwarzerde (Norm-Tschernosem) aus Löss über tiefem kiesführendem Geschiebemergel TTn:a-ö//g-(k)l(Mg) Bodenform nach TGL: Löss-Schwarzerde, lehmunterlagert ö//lt Profilbeschreibung n. KA4 Profilbeschreibung n. KA4 TTn:a-ö///g-(k)l(Mg) cm sehr dunkelgrauer bis sehr dunkelgräulichbrauner Oberbodenhorizont, Ut4, sehr schwach kiesig, mittel humos, Platten- bis Krümelgefüge, halbfest, mittel bis stark durchwurzelt, einzelne 3 cm Ziegelreste schwarzer bis sehr dunkelbrauner Oberbodenhorizont, Ut4, skelettfrei, mittel humos, PlattenAxh bis Krümelgefüge, locker, mittel bis stark durchwurzelt, einzelne verfüllte Wurzelbahnen 47 cm und Krotowinen Axh+elC (sehr) dunkelgräulichbrauner bis gelbbrauner Übergangshorizont, Ut4, skelettfrei, schwach humos, Platten- bis Krümelgefüge, locker, schwach bis mittel durchwurzelt, senkrechte 7 cm Wurmröhren und Krotowinen hellgelblichbrauner bis bräunlichgelber UnterelC grundhorizont, Ut3, skelettfrei, schwach humos, Subpolyedergefüge, locker, schwach durchwurzelt, senkrechte Wurmröhren und Krotowinen, an der Basis schwach bleich- und rostfleckig 25 cm TTn:a-ö//g-(k)l(Mg) Axp Löss (weichselzeitlich) cm Axp sehr dunkelgrauer Oberbodenhorizont, Uts, mittel humos, Krümelgefüge, locker, stark durchwurzelt 25 cm Axh Löss (holozän/ pleistozän) sehr dunkelgraubrauner Oberbodenhorizont, Ut4, mittel humos, Bröckelgefüge, fest, stark durchwurzelt 6 cm Axh+elC 7 cm elc bräunlichgelber Übergangshorizont, Ut3, schwach humos, Krümel- bis Bröckelgefüge, mäßig fest, mittel durchwurzelt sehr fahlbrauner Untergrundhorizont, Ut3, sehr schwach humos, Bröckelgefüge, mäßig fest, mittel bis schwach durchwurzelt cm Geschiebemergel (saalezeitlich) II elc bräunlichgelber bis gelblichbrauner Untergrundhorizont, Sl4, mittel kiesig, sehr schwach humos, Bröckel- bis Subpolyedergefüge, halbfest, wurzelfrei, Steinanreicherung in den oberen 25 cm, Pseudomycel, einzelne Rostflecken, Bleichbahnen Geschiebemergel (pleistozän) II elc gelblichbrauner Untergrundhorizont, Ls4, humusfrei, Bröckelgefüge, fest, schwach durchwurzelt

11 Die Werdung Sachsen-Anhalts Die Entstehung des heutigen Sachsen-Anhalt vollzog sich in 3 Schritten: ) Land Sachsen-Anhalt ) Bezirke Halle und Magdeburg ) Land Sachsen-Anhalt seit 99 Land Sachsen-Anhalt Verwaltungsbezirke der DDR Land Sachsen-Anhalt seit 99 (roter Umriss)

12 Zeittafel der Boden-Dauerbeobachtung in Sachsen-Anhalt 99: Einrichtung der ersten 3 BDF durch die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (Herr Dr. habil. Manfred Altermann) im Auftrag der Geologische Forschung und Erkundung GFE GmbH mit Mitteln des MUNER (Ministerium für Umwelt, Naturschutz, Energie und Reaktorsicherheit der DDR), ausgereicht durch die Bezirksverwaltungsbehörde Halle, Abt. Geologie (Mittelfreigabe an GFE GmbH am ) : Fortführung der Einrichtung neuer BDF durch das Geologische Landesamt mit Mitteln des Umweltministeriums des Landes Sachsen-Anhalt 995: Fortführung der Einrichtung neuer BDF durch das Geologische Landesamt mit eigenen Mitteln seit 996: Betrieb des Boden-Dauerbeobachtungsprogramms in Arbeitsteilung durch verschiedene Institutionen; Zuständigkeiten festgelegt durch Gemeinsamen Runderlass der betroffenen Ministerien Beteiligte Behörden LAGB (Landesamt für Geologie und Bergwesen; vormals GLA Geologisches Landesamt): Flächenfestlegung nach Bodenkartierung / Profilaufnahme / Bodenprobennahme / Bodenchemische und bodenphysikalische Untersuchungen / Bodenprobenbank LAU (Landesamt für Umweltschutz): Schadstoffuntersuchungen / Vegetationsaufnahme / Immissionserfassung / Umweltprobenbank / Bodenmikrobiologische Untersuchungen LLFG (Landesanstalt für Landwirtschaft, Forsten und Gartenbau): Erfassung der Nutzung / Aufwuchsanalytik / Düngeranalytik (landw. Flächen) NW-FVA (Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt): Erfassung der Nutzung / Aufwuchsanalytik (forstl. Flächen)

13 Fachliche Grundlage für die Boden- Dauerbeobachtung in Sachsen-Anhalt Studie zum Aufbau eines Bodenbeobachtungssystems in Sachsen-Anhalt (Altermann et al., 993) Empfehlung nach Repräsentativitätsüberprüfung 2/2: Einrichtung von 68 Boden- Dauerbeobachtungsflächen

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15 Beginn Einrichtung BDF: 99 Abschluss Einrichtungsphase: 26 Besondere Schwerpunkte: - Bergbaufolgelandschaften ( Zeit-Catena ) - Bodenlandschaften der tschernosembetonten Lössbecken (Erosions-Akkumulations- Catena)

16 Schwerpunkt Kippen- Monitoring: a 6 BDF auf unterschiedlichen Kippsubstraten; dazu 6 Vergleichsflächen Folgende Parameter werden vergleichend betrachtet: Humusbildung Verdichtungsgefährdung Amsdorf Barnstädt Merseburg-Ost Merseburg-Ost 3 Merseburg-Ost 4 Profen 4 Profen 2 Profen 3 Pirkau 2 LAGB Landesamt für Geologie und Bergwesen Sachsen-Anhalt Dezernatsgruppe Bodenkunde mit Lage aller Boden-Dauerbeobachtungsflächen und Vergleichsflächen Kippboden-BDF Kippboden-Vergleichsfläche Th. Häusler; Mai 2 M. Weller; Dezember 24

17 Schwerpunkt Erosions-Akkumulations-Monitoring: BDF bei Profil I und Profil III Profil I 27 m ü. NN 3 Neigung Profil II 28 m ü. NN Norm-Pararendzina aus Löss Kolluvisol- Tschernosem aus Kolluviallöss Profil IV 98 m ü. NN Neigung Profil III 2 m ü. NN 8 Neigung Norm-Pararendzina aus Löss über Lehm- Fließerden über Basisschutt mit Gesteinszersatz Kolluvisol-Pararendzina über begrabenem Kolluvisol- Tschernosem aus Kolluviallöss

18 Zwei unterschiedliche Probennahme-Strategien: a) Ackerflächen: 4 Mischproben b) Grünland-, Forst- und Brachflächen: Einzelproben

19 8er Probennahme auf Grünland bzw. Forst: Mischproben- oder Einzelprobenuntersuchung? Mischprobenuntersuchung: Es können je 3 oder je 6 Proben zu einer Mischprobe vereinigt werden. Aufwand im Gelände: Es müssen gleiche Massen der zu mischenden Proben hergestellt werden. Aufwand im Labor dafür geringer als bei Einzelproben- Untersuchung. Einzelprobenuntersuchung: Massen der einzelnen Proben müssen nicht abgeglichen werden. Jedoch entsteht deutlich größerer Aufwand bei der Probenaufbereitung und Analytik infolge der höheren Anzahl zu untersuchender Proben. Vorteile der Untersuchung der Einzelproben: - Es werden Korrelationsrechnungen möglich. - Es können Trends auf der zu beprobenden Fläche erkannt werden. - Die Werteverteilung kann besser dargestellt werden. - Es können statistische Tests mit Konfidenzintervallen durchgeführt werden. Entscheidung ab 995 für Einzelprobenuntersuchung

20 Vorteil einer großen Stichprobe: Korrelationsbetrachtungen a) BDF 25 in der Muldeaue bei Bitterfeld r=,98 Tiefe / (-25 cm): Korrelation von Zn mit:,,5 Pb Cd Ni Cr Cu Hg, -,5 T fu mu gu fs ms gs Sk Sum. U Sum. S C- Ge h. T- W e rt ph (Ca Cl ) ph (KCl) N Ca CO -, b) BDF 2-2 in der Saale-/Elbaue (Flutrinne im Mündungsbereich) r=,35 Tiefe /2 (5-3 cm): Korrelation von Zn mit:, Ni Hg,5, -,5 Pb Cd Cr Cu T fu mu C- Ge h. N gu fs ms gs Sk Sum. U Sum. S T- W e rt ph (Ca Cl ) ph (KCl) Ca CO -,

21 Vorteil einer großen Stichprobe: Flächendifferenzierung

22 Nachteil der 8er Stichprobe: Flächenwichtung Nachteil der 8er Stichprobe: sie ist gewichtet um einen Probennahme -Mittelpunkt herum, wenn Proben 5 und 4 nicht in die Mitte gelegt werden; dies kann bei Drehung des PN-Kreuzes zu einer Werteverschie -bung führen

23 Abhilfe gegen Flächenwichtung: Erweiterung der Stichprobe von 8 auf 2

24 Abhilfe gegen Flächenwichtung: Erweiterung der Stichprobe von 8 auf 2

25 Veränderung oder nicht? Signifikanzerkennung bei Zeitreihen In Zusammenarbeit mit Studenten der Universitäten Halle und Marburg konnten geeignete Verfahren zur Prüfung auf Signifikanz gefunden und ITtechnisch umgesetzt werden. Die so entstandenen Verfahren sind mit wenig Aufwand anzuwenden und haben den Vorteil, dass bereits optisch, ohne Zahlen vergleichen zu müssen, eine vorhandene Signifikanz zu erkennen ist. Es werden für die Prüfung auf Signifikanz bei der Einzelprobennahme der t- Test mit Konfidenzintervall angewendet, bei der Mischprobennahme von Quadranten der Wilcoxon-Vorzeichen-Rang-Test. Um die Werteverteilung der Stichproben abzuprüfen, wurde bei einer Auswahl von BDF-Standorten, die als repräsentativ für bestimmte Nutzungen gelten können, die Einteilung der Messwerte in n vorgenommen, um die Häufigkeitsverteilung zu bestimmen. An diesen ausgewählten Proben zeigt sich, dass sowohl symmetrische als auch schiefe Verteilungen auftreten. Geogene Belastungen zeigen tendenziell rechtssteile Verteilung, anthropogene eher symmetrische bis linkssteile Verteilung. Solche Feststellungen können bei der Ursachenermittlung der Belastungen helfen, müssen aber noch verifiziert werden.

26 Anzahl Proben je Anzahl Proben je Anzahl Proben je Anzahl Proben je Häufigkeitsverteilung von Schwermetall-Gehalten auf einer Ackerfläche mit geogener Vorbelastung durch Cr und Cu Häufigkeitsverteilung Zn (Tiefe 5-5 cm) Häufigkeitsverteilung Pb (Tiefe 5-5 cm) 7 2, Reihe,5 Reihe 3 2,5 Zn 65,- 69,9: 7,- 74,9: 75,- 79,9: 8,- 84,9: 85,- 89,9: 9,- 94,9: 95,- 99,9:,- 4,9: 5,- 9,9: des Zn-Gehaltes [mg/kg TS],- 4,9: 5,- 9,9: 2,- 24,9: 25,- 29,9: Pb 2,-2,9: 2,-2,9: 22,-22,9: 23,-23,9: 24,-24,9: 25,-25,9: 26,-26,9: 27,-27,9: 28,-28,9: 29,-29,9: 3,-3,9: des Pb-Gehaltes [mg/kg TS] 3,-3,9: 32,-32,9: 33,-33,9: Häufigkeitsverteilung Cr (Tiefe 5-5 cm) Häufigkeitsverteilung Cu (Tiefe 5-5 cm) 6 4, ,5 4 Reihe 3 Cr 3 2 2,-2,9 22,-23,9 24,-25,9 26,-27,9 28,-29,9 3,-3,9 32,-33,9 34,-35,9 des Cr-Gehaltes [mg/kg TS] 36,-37,9 38,-39,9 4,-4,9 42,-43,9 44,-45,9 46,-47,9 48,-49,9 5,-5,9 52,-53,9 54,-55,9 Cu 2,5 2,5,5 47,- 48,4 48,5-49,9 5,- 5,4 5,5-52,9 53,- 54,4 54,5-55,9 56,- 57,4 57,5-58,9 des Cu-Gehaltes [mg/kg TS] 59,- 6,4 6,5-6,9 62,- 63,4 63,4-64,9 Reihe

27 Anzahl Proben je Anzahl Proben je Anzahl Proben je Anzahl Proben je Häufigkeitsverteilung von Schwermetall-Gehalten auf einer Grünlandfläche in der Elbniederung Häufigkeitsverteilung Zn (Tiefe - cm) Häufigkeitsverteilung Pb (Tiefe - cm) Reihe 3 Reihe Zn 4,-44,9 45,-49,9 5,-54,9 55,-59,9 6,-64,9 des Zn-Gehaltes [mg/kg TS] 65,-69,9 7,-74,9 Pb 6,-64,9 4,-44,9 45,-49,9 5,-54,9 55,-59,9 65,-69,9 75,-79,9 7,-74,9 8,-84,9 85,-89,9 des Pb-Gehaltes [mg/kg TS] 95,-99,9 9,-94,9 Häufigkeitsverteilung Cr (Tiefe - cm) Häufigkeitsverteilung Cu (Tiefe - cm) Cr ,- 9,9 2,- 24,9 25,- 3,- 35,- 4,- 29,9 34,9 39,9 44,9 des Cr-Gehaltes [mg/kg TS] Reihe Cu 3 2 6,-7,9 8,-9,9,-,9 2,-3,9 4,-5,9 6,-7,9 8,-9,9 2,9-2,9 22,-23,9 24,-25,9 26,-27,9 28,-29,9 3,-3,9 des Cu-Gehaltes [mg/kg TS] Reihe

28 Anzahl Proben je Anzahl Proben je Anzahl Proben je Anzahl Proben je Häufigkeitsverteilung von Schwermetall-Gehalten auf einer Grünlandfläche in Stadtnähe, an vielbefahrener Straße gelegen Häufigkeitsverteilung Zn (Tiefe 5-5 cm) Häufigkeitsverteilung Pb (Tiefe 5-5 cm) Reihe 3 Reihe Zn 8,- 89,9 9,- 99,9,-9,9,-9,9 2,-29,9 des Zn-Gehaltes [mg/kg TS] 3,-39,9 4,-49,9 Pb 55,-59,9 6,-64,9 65,-69,9 7,-74,9 75,-79,9 8,-84,9 des Pb-Gehaltes [mg/kg TS] 85,-89,9 9,-94,9 Häufigkeitsverteilung Cr (Tiefe 5-5 cm) Häufigkeitsverteilung Cu (Tiefe 5-5 cm) 4,5 5 4, 4 3,5 4 3, 3 2,5 2, Reihe 3 2 Reihe,5 2,,5 Cr, 3,- 3,9 32,- 32,9 33,- 33,9 34,- 34,9 35,- 35,9 36,- 36,9 37,- 37,9 38,- 38,9 des Cr-Gehaltes [mg/kg TS] 39,- 39,9 4,- 4,9 4,9-4,9 42,- 42,9 Cu 4,-49,9 5,-59,9 6,-69,9 7,-79,9 8,-89,9 9,-99,9 des Cu-Gehaltes [mg/kg TS],- 9,9,- 9,9 2,- 29,9

29 Anzahl Proben je Anzahl Proben je Anzahl Proben je Anzahl Proben je Häufigkeitsverteilung von Schwermetall-Gehalten auf einer Waldfläche im Überschwemmungsbereich der Muldeaue Häufigkeitsverteilung Zn (Tiefe -25 cm) Häufigkeitsverteilung As (Tiefe -25 cm) Reihe Reihe Zn des Zn-Gehaltes [mg/kg TS] As,-24,9: 25,-49,9: 5,-74,9: 75,-99,9: 2,-224,9: des Zn-Gehaltes [mg/kg TS] Häufigkeitsverteilung Cr (Tiefe -25 cm) Häufigkeitsverteilung Hg (Tiefe -25 cm) Reihe 4 Reihe Cr 7,- 77,49 77,5-84,9 85,- 92,5-99,9,- 92,49 7,49 des Cr-Gehaltes [mg/kg TS] Hg -,6,62-,23-,84-2,25-,22,83 2,24 3,5 des Hg-Gehaltes [mg/kg TS] 3,6-3,66

30 mg / kg TS Signifikanzprüfung bei n=8/2 mittels t-test und Konfidenzintervall Signifikanz gegeben, wenn Konfidenzintervalle sich nicht überlappen Pb - Gehalt 93, angegebene Werte: 5 46,8 38,6 33,5 28,26 75,9 68,75 65,4 56,8 Maximalwert Obergrenze Konfidenzintervall Median Untergrenze Konfidenzintervall Minimalwert violette Linie verbindet Mediane PN-Datum: 6, 2. Nov Okt. 6

31 mg / kg TS mg / kg TS Signifikanzprüfung mittels t-test und Konfidenzintervall Unterschied zwischen 9- und 95%igem Konfidenzintervall steigt mit sinkendem Stichprobenumfang PN-Dat.: 242, 27,57 9, 48, 26, As- Gehalt 26, 29, 53,5 45,66 3, 33,5 6,7 22,93 78,7 87,5 25. Aug Okt Jun. 7 a) 9%iges Konfidenzintervall PN-Dat.: 242, 227,4 9, 38,53 26, As - Gehalt 26, 29, 57,2 48,7 3, 33,5 2,52 2, 78,7 87,5 25. Aug Okt Jun. 7 b) 95%iges Konfidenzintervall Entwicklung der As-Gehalte in der Muldeaue. Darstellung der Werteverteilung mit Konfidenzintervallen. Stichprobenumfang 992: 6 (Mischproben). Stichprobenumfang 997 und 27: 8 (Einzelproben).

32 in mg/kg Signifikanzprüfung bei n=4 (Quadranten-Mischproben) mittels Wilcoxon-Vorzeichen-Rang-Test Signifikanz gegeben, wenn alle Quadranten sich gleichsinnig verändern Vergleich SM-Gehalte (KW-Auszug) in - 5 cm 7, 6, 5, 4, 3, 2, 994 Fläche I/ 994 Fläche II/ 994 Fläche III/ 994 Fläche IV/ 23 Fläche I/ 23 Fläche II/ 23 Fläche III/ 23 Fläche IV/,, Cr Cu Ni Pb Zn

33 Quellenverzeichnis () ALTERMANN, M.; SCHRÖDTER, M.; STEININGER, M. & TREFFLICH, A.; mit Beiträgen von D. KOPP und W. SCHWANECKE (993): Aufbau eines Bodenbeobachtungssystems in Sachsen-Anhalt Studie: Naturwissenschaftliche Grundlagen. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Landwirtschaftliche Fakultät, Institut für Standortkunde und Agrarraumgestaltung, Halle. (unveröffentlicht) (2) ALTERMANN, M.; STEININGER, M. & DEHNER U. (2; m. Ergänzungen 2): Statistische Analyse bodenkundlicher Inhalte der Bodenlandschaften Sachsen-Anhalts zur Übertragung von Ergebnissen der Boden-Dauerbeobachtung in die Fläche. Mitteldeutsches Institut für angewandte Standortkunde und Bodenschutz, Halle. (unveröffentlicht) (3) AUSFÜHRUNGSGESETZ DES LANDES SACHSEN-ANHALT ZUM BUNDES-BODENSCHUTZGESETZ (BODENSCHUTZ-AUSFÜHRUNGSGESETZ SACHSEN-ANHALT BodSchAG LSA) vom GVBl. LSA Nr. 2/22, S , Magdeburg. (4) GEM. RDERL. DES MU, MW UND ML vom : Aufbau und Betrieb des Bodenbeobachtungssystems des Landes Sachsen-Anhalt. Mbl. LSA, Nr. 6/996, S. 2-5, Magdeburg. (5) SCHLÜTER, O. & AUGUST, O. (Hrsg.) (958/959): Atlas des Saale- und mittleren Elbegebietes. Zweite, völlig neubearbeitete Auflage des Werkes Mitteldeutscher Heimatatlas. Bände -3. Leipzig: Verlag Enzyklopädie. (6) BUNDESANSTALT FÜR GEOWISSENSCHAFTEN UND ROHSTOFFE (Hrsg.) (24): Bodenübersichtskarte von Deutschland : 3. Hannover (Eigenverlag). (7) KAINZ, W.; DIECKMANN, U. & HÄUSLER, T (999/2): Bodenlandschaften Sachsen-Anhalts Karte i. M. : Halle: Geologisches Landesamt Sachsen-Anhalt. (8) DEUTSCHE WIEDERVEREINIGUNG aus: Wikipedia, der freien Enzyklopädie (29). (9) SACHSEN-ANHALT aus: Wikipedia, der freien Enzyklopädie (29). () WELLER, M. (28): Datenblatt zur BDF Bad Lauchstädt. Halle: Landesamt für Geologie und Bergwesen. () WELLER, M. (28): Datenblatt zur BDF Biere. Halle: Landesamt für Geologie und Bergwesen. (2) LÄGEL, F. (2): Signifikanzprüfung der Veränderung auf Acker-BDFs mit Hilfe des Wilcoxon-Vorzeichenrangtest. Unveröffentlichter Praktikumsbericht. (3) LÄGEL, F. (2): Signifikanzprüfung von Veränderungen auf Grünland- und Forst-BDFs anhand des statistischen Programmes R unter Verwendung des Mann-Whitney U-Tests. Unveröffentlichter Praktikumsbericht.