Erste Ergebnisse aus Lysimeterversuchen zum Stoffpfad Boden Grundwasser beim Einsatz von gereiftem Baggergut als Bodenverbesserungsmittel im Landbau
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- Katrin Sternberg
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1 Erste Ergebnisse aus Lysimeterversuchen zum Stoffpfad Boden Grundwasser beim Einsatz von gereiftem Baggergut als Bodenverbesserungsmittel im Landbau Auftraggeber: Auftragnehmer: - Hansestadt Rostock, Amt für Wirtschaftsförderung - Bundesanstalt für Gewässerkunde, Außenstelle Berlin - Landesamt für Umwelt,Naturschutz und Geologie Mecklenburg-Vorpommern, Abteilung Immissionsschutz, Abfall und Kreislaufwirtschaft Universität Rostock, Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät - Dr. agr. M. Henneberg, Fachbereich Landeskultur und Umweltschutz - Prof. Dr. Adolf Grüner, Fachbereich Agrarökologie
2 Ausgangssituation Naßbaggergut aus Küstengewässern Mecklenburg-Vorpommern mit hohen Gehalten an Organischer Substanz (OS) muß an Land abgesetzt werden Abfall gemäß KrW-/AbfG Aufgrund meist günstiger stofflicher Zusammensetzung (hohe Gehalte an OS, Ton und Nährstoffen; günstige Gefügeeigenschaften; unter entsprechender Grenz- bzw. Richtwerten liegende Schadstoffgehalte) Abfall zur Verwertung Jährlich ca. 1 Mio. m 3 Naßbaggergutanfall im Küstenbereich Mecklenburg-Vorpommern Ablagerungsflächen Nahezu erschöpft, keine Flächenneuausweisung möglich akuter Verwertungszwang zur Reaktivierung bestehender Spülfelder Verwertungsweg: Bodenverbesserungsmittel (BVM) oder Kulturbodenschicht im Land- und Landschaftsbau Nützlichkeit der Verwertungsmaßnahme gemäß 12 BBodSchV nachgewiesen nachhaltige Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit des Aufbringungsstandortes 5 Abs. (3) KrW-/AbfG fordert Schadlosigkeit der Verwertungsmaßnahme Stoffpfad Boden Pflanze Beleg durch diverse Versuchsanstellungen erbracht Stoffpfad Boden Grundwasser Nachweis fehlt bisher
3 Aufgabenstellung Praxisrelevante Aussagen zu Qualität und Quantität der Stofffrachten Richtung Grundwasser nach Baggerguteinsatz anhand mehrjähriger Lysimeterversuche - Wie wirken sich unterschiedliche Aufwandmengen an Baggergut sowie ein differenziertes Mineraldüngungsniveau aus? - Wie wirkt sich die Aufteilung einer größeren Aufwandmenge an Baggergut, verteilt auf mehrere Ausbringungsjahre, bei unterschiedlichem C org -Ausgangsniveau aus? - Welchen Einfluss hat bei unterschiedlichen Aufwandmengen eine Differenzierung nach Herbst- bzw. Frühjahrsausbringung des Baggergutes? Modellberechnungen zur potentiellen Grundwasserbeeinflussung bei unterschiedlichen Szenarien der Mächtigkeit und der Art des geologischen Aufbaus am potentiellen Aufbingungsstandort Ermittlung von Leitparametern zur sicheren, schnellen und kostensparenden Beurteilung der Potentiellen Grundwasserbeeinflussung in der Praxis.
4 Versuchsanlage: Lysimeteranlage Rostock (68 Lysimeter, Oberfläche 1,06m 2 ) Material und Methoden Versuchsansatz: Verwertung von Baggergut als BVM im Landbau Versuchsboden: Bodenart im Lysimeter nach KA4 Oberboden (0 30 cm) S13 Unterboden ( cm) 34 Lysimeter Su2, 34 Lysimeter S14 Herkunft Baggergut: Nassbaggergut aus dem Rostocker Aquatorium, zweijähriger Aufbereitungsprozess (Aufspülen in Klassierpolder, Aufsetzen in Mieten, 1x Mieten umsetzen) gut handhabbares bodenähnliches Substrat Prüfkultur: In allen Versuchen und in allen Versuchsjahren Silomais
5 Querschnitt Lysimeter
6 Querschnitt Lysimeteranlage
7 Schema Lysimeteranlage
8 Kennzeichnung Baggergut und Ausgangsboden - + TM ph Corg. CaCO 3 T-Wert H-Wert NO 3 -N NH 4 -N N min P 1) K 1) Mg 1) B 1) Cu 1) Mn 1) Zn 1) Mo 1) Mo-BZ 2) % % LTM mval/100g LTM mg/100 g TM mg/100 g LTM mg/kg LTM Baggergut 53,1 7,2 7,94 6,8 36,1 5,7 0,4 1,0 1,4 3,5 30, ,4 15,5 19,0 55,6 1,3 20,1 Ausgangsboden 83,6 6,4 1,02 0,6 6,5 2,7 0,48 0,32 0,8 13,7 26,7 14,6 0,33 10,3 13 4,9 0,16 8,0 Gehaltsklasse zur Beurteilung der Nährstoffversorgung (Boden/Baggergut) E/B E/E E/E E/E E/E C/A E/E E/E Wertebereich (Boden/Baggergut) >12/2-3,9 >19/>26 >13/>21 >0,3/>0,6 >3,5/> /<20 <2,5/>3 < 7 Ca t N t P t K t Mg t S t SK Cl - Na + 2- SO 4 % LTM mg/100 g LTM Baggergut 4,4 0,38 0,18 0,28 0,74 4,49 2, Ausgangsboden 0,21 0,11 0,07 0,27 0,15 0,015 0,02 11,3 1,7 0,38 GS MS FS S GU MU FU U T % humus- und carbonatfreie Masse < 2 mm Baggergut 1,1 8,0 23,6 32,7 7,5 22,5 14,7 44,7 22,6 Ausgangsboden 2,9 21,1 52,5 76,6 9,9 5,5 3,1 18,5 4,9 Pb Cd Cr Cu Ni Hg Zn As IR-KW PAK 3) PCB 6 mg/kg TM Baggergut 36,2 0,79 65,7 29,7 14,9 0, ,20 232,7 2,18 0,05 Ausgangsboden 47,4 0,22 22,2 19,2 6,1 0,18 46,4 3,67 n.n. 0,20 < 0,002 Vorsorgewert Sand 40 0, ,1 60 3,0 0,05/0,1 70 % VSW Sand 28 0, ,5 0, ,1 0,035/0,07 Vorsorgewert Lehm , ,0 0,05/0,1 70 % VSW Lehm 49 0, , ,0 0,035/0,07 Z 0 Wert LAGA 100 0, , ,0 0,02 Z 1.1 Wert LAGA ,0 0,1 1) pflanzenverfügbarer Gehalt 2) Mo - Bodenzahl = ph + (10 x mg Mo/kg LTM) 3) Summe der 6 Kongenere (Humusgehalt < 8 %, Vorsorgewert = 0,05; Humusgehalt > 8 %, Vorsorgewert = 0,1)
9 Eluatuntersuchungen Baggergut und Lysimterboden ph Lf.* Cl - Na + SO NO 3 NH + 4 P ges. K + Mg 2+ Ca 2+ µs/cm mg/l Baggergut 7, ,2 13,3 0,33 42, Ausgangsboden 6, ,3 15,6 80 8,33 7,16 3,88 12,2 5,31 42,2 Z 0 LAGA-Richtlinie 6,5-9, Z 2 LAGA-Richtlinie 5, Cr Cd Cu Ni Pb Zn Hg As B Fe Mn Mo IR-KW µg/l mg/l Baggergut 3,2 < 0,4 < 1 < 10 n.n. 2, ,2 26 < 0,1 Ausgangsboden 8,8 0, n.n. 4,9 34, ,9 3,3 0,51 Z 0 LAGA -Richtlinie ,2 10 Z 2 LAGA-Richtlinie Lf.* = Leitfähigkeit, bezogen auf KCl
10 Versuchsaufbau/Rahmenbedingungen Drei Versuche mit insgesamt 17 Versuchsvarianten (jede in 4facher Wiederholung) 1. Hauptversuch (HV) - einmalige differenzierte Aufbringung von Baggergut im Herbst (0; 280 und 420 t TM/ha) abgestuftes Düngungsregime (keine Mineraldüngung [MD 0]; MD1 N 100 kg/ha/a, - P und K nach Bedarf; MD 2 N 200 kg/ha/a, P und K nach Bedarf) - einheitliches C org -Niveau im Ausgangsboden 2. Nebenversuch I (NV I) - differenziertes C org.-niveau im Ausgangsboden (C org. 1= 0,95 %, C org.2 = 1,24 %) - jährliche einheitliche Aufbringung von Baggergut (280 t TM/ha) im Herbst - einheitliche Mineraldüngung (MD2 N 200 kg/ha/a, P und K nach Bedarf) 3. Nebenversuch II (NV II) - differenzierte Baggergutaufbringung (einmalig 140 t TM/ha bzw. jährlich 280 t TM/ha) - unterschiedliche Ausbringungszeiten (Frühjahr [FA], Herbst [HA]) - einheitliche Mineraldüngung (MD2 N 200 kg/ha/a, P und K nach Bedarf)
11 Untersuchungsprogramm Alle Versuche - Sickerwasseranfall und Leitfähigkeit (14-tägig) - Gehalte an Salz- und Nährstoffionen variantenabh. aus Mischproben des Sickerwassers (14-tägig, C1 -, SO 4 2- NO 3 -, NH 4+ ) (monatlich Mg 2+, Na + ; zweimonatlich K +, Ca 2+, P gesamt ) -Boden- und Pflanzenanalyse Nur Hauptversuch Gehalte an Schadstoffen (As, Hg, Cd, Pb, Cu, Cr, Ni, Zn; IR- KW, TBT) und an Mikronährstoffen (Mo 4+, B +, Fe 3+, Mn 2+ ) aus Mischproben des Sickerwassers (zweimonatlich)
12 Abgeerntete Versuchsfläche vor dem Graben im Herbst
13 Ausgeschüttetes Baggergut (Bsp. 42 kg TM BG/m²) im Hintergrund eine fertig gegrabene und eingeebnete Nullparzelle
14 Mit der Harke gleichmäßig auf dem Lysimeter verteiltes Baggergut
15 Eingraben des Baggergutes mit Hilfe des Holzrahmens, im Vordergrund ausgeschüttetes Baggergut (Bsp. 42 kg TM BG/m²)
16 Nahaufnahme des Eingrabens von Baggergut
17 Kunststoffrahmen um Lysimeter mit unzureichendem Freibord, vorn links schon eingeebnet, hinten rechts nicht eingeebnet, zwischen den Lysimetern erste Randflächen schon gegraben
18 vollständig aufgelaufener Maisbestand vor dem Vereinzeln ( )
19 Nahaufnahme nicht N-gedüngter Parzelle (Nr. 64, HV, 0 t BG, MD 0; )
20 Nahaufnahme N-gedüngter Parzelle (Nr. 63, NV II, 280 t BG, MD 1; )
21 Vollsicht auf die Versuchsanlage am
22 Maisernte , nach Ernte der Randbereiche freistehende Parzelle
23 Nach der Pflanzenernte wurden die Maisstrünke ausgestochen und gesondert zerkleinert
24 Sickerwasser [l/m²] / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /02 Variant en Sickerwasseranfall in den Hydrologischen Jahren des Untersuchungszeitraums im Vergleich mit bisherigen Hydrologischen Jahren der Versuchsstation
25 [mm] November Dezember Januar Februar April Mai Juni Juli August September Oktober Variante NS 2000/01 NS 2001/02 NS Mittel 1979/ /87 Verteilung der Niederschläge im bisherigen Untersuchungszeitraum (11/ /2002)
26 Sickerwasser [l/m²] 110,0 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 November Dezember Januar Februar April Mai Juni Juli August September Oktober Probenahmezeitraum 2000/ /02 Mittel 1979/ /87 monatlicher Sickerwasseranfall der HJ 2000/01 und 2001/02 im Vergleich zum Mittel der HJ 1979/80 bis 1986/87
27 [l/m²] HV: 0 t TM BG/ha HV: 280 t TM BG/ha HV: 420 t TM BG/ha Varianten Sickerwasseranfall Hauptversuch (November August 2002)
28 [l/m²] 410,00 400,00 390,00 380,00 370,00 360,00 350,00 340,00 330,00 320,00 310,00 300,00 290,00 280,00 Hauptversuch Nebenversuch I Nebenversuch II BG 0 t TM/ha BG 280 t BG 420 t TM/ha Corg.1 Corg. 2 H F HV: 0 t TM HV: 0 t TM HV: 0 t TM HV: 280 t HV: 280 t HV: 280 t HV: 420 t HV: 420 t HV: 420 t NV I: Co r g 1 NV I: Co r g 1 NV I: Corg NV I: Corg NV II: HA ; NV II: HA ; NV II: FA ; NV II: FA ; BG/ha ; BG/ha ; BG/ha ; TM BG/ ha ; TM BG/ ha ; TM BG/ ha ; TM BG/ ha ; TM BG/ ha ; TM BG/ ha ; ; 0 t TM ; 280 t TM 2 ; 0 t TM 2 ; 280 t TM 140 t TM 280 t TM 140 t TM 280 t TM MD0 MD1 MD2 MD0 MD1 MD2 MD0 MD1 MD2 BG/ha BG/ha BG/ha BG/ha BG/ha BG/ha BG/ha BG/ha Legende: 0 t BG/ha 140 t BG/ha 280 t BG/ha 420 t BG/ha MD 0 MD 1 MD 2 Variant en Sickerwasseranfall Hydrologisches Jahr 2001/02 (November August 2002)
29 [l/m²] 110,00 Hydrologisches Jahr 2000/2001 Hydrologisches Jahr 2001/ ,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 Nov 00 Dez 00 Jan 01 Feb 01 Mrz 01 Apr 01 Mai 01 Jun 01 Jul 01 Aug 01 Sep 01 Okt 01 Nov 01 Dez 01 Jan 02 Feb 02 Mrz 02 Apr 02 Mai 02 Jun 02 Jul 02 Aug 02 Sep 02 Probenahmezeitraum HV: 0 t TM BG/ha HV: 280 t TM BG/ha HV: 420 t TM BG/ha monatlicher Sickerwasseranfall Hauptversuch, November August 2002
30 Lf [µs/cm] HA Baggergut Probenahmetermine x HV: 0 t TM BG/ha x HV: 280 t TM BG/ha x HV: 420 t TM BG/ha Niveau und Veränderung der Leitfähigkeit (Lf), Hauptversuch variantenabhängig Lf [µs/cm] HA Baggergut 2. HA Baggergut FA Baggergut 2. FA Baggergut Probenahmetermine NV I: Corg 1 ; 0 t TM BG/ha NV I: Corg 1 ; 280 t TM BG/ha NV I: Corg 2 ; 0 t TM BG/ha NV I: Corg 2 ; 280 t TM BG/ha Niveau und Veränderung der Leitfähigkeit (Lf), Nebenversuch I Lf [µs/cm] HA Baggergut 2. HA Baggergut FA Baggergut FA Baggergut Probenahmetermine NV II: HA ; 140 t TM BG/ha NV II: HA ; 280 t TM BG/ha NV II: FA ; 140 t TM BG/ha NV II: FA ; 280 t TM BG/ha Niveau und Veränderung der Leitfähigkeit (Lf), Nebenversuch II
31 1. FA Baggergut 2. HA Baggergut 2. FA Baggergut Cl - [mg/l] , , , , , , , , , ,00 800,00 700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200, ,0 0 0,00 1. HA Baggergut (NV II) (NV I und II) (NV II) Probenahmetermine x HV: 0 t TM BG/ha x HV: 280 t TM BG/ha x HV: 420 t TM BG/ha NV I: Corg 1 ; 0 t TM BG/ha NV I: Corg 1 ; 280 t TM BG/ha NV I: Corg 2 ; 0 t TM BG/ha NV I: Corg 2 ; 280 t TM BG/ha NV II: HA ; 140 t TM BG/ha NV II: HA ; 280 t TM BG/ha NV II: FA ; 140 t TM BG/ha NV II: FA ; 280 t TM BG/ha Niveau und Veränderung der Gehalte an Chlorid (Cl - ), alle Teilversuche variantenabhängig
32 1. FA Baggergut 2. HA Baggergut 2. FA Baggergut SO 4 2- [mg/l] 2600, , , , , , , , ,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00 1. HA Baggergut (NV II) (NV I und II) (NV II) Probenahmetermine x HV: 0 t TM BG/ha x HV: 280 t TM BG/ha x HV: 420 t TM BG/ha NV I: Corg 1 ; 0 t TM BG/ha NV I: Corg 1 ; 280 t TM BG/ha NV I: Corg 2 ; 0 t TM BG/ha NV I: Corg 2 ; 280 t TM BG/ha NV II: HA ; 140 t TM BG/ha NV II: HA ; 280 t TM BG/ha NV II: FA ; 140 t TM BG/ha NV II: FA ; 280 t TM BG/ha Niveau und Veränderung der Gehalte an Sulfat (SO 4 2- ), alle Teilversuche variantenabhängig
33 Pges. [mg/l] 1,40 1,30 1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 1. HA Baggergut 1. FA Baggergut (NV II) 2. HA Baggergut (NV I und II) 2. FA Baggergut (NV II) Nov. 00 Dez. 00 Jan. 01 Feb. 01 Mai/Juni 01 Sept.-Okt. 01 Probenahmetermine Nov./Dez. 01 Jan./F ebr. 02 Mai/Juni x HV: 0 t TM BG/ha x HV: 280 t TM BG/ha x HV: 420 t TM BG/ha NV I: Corg 1 ; 0 t TM BG/ha NV I: Corg 1 ; 280 t TM BG/ha NV I: Corg 2 ; 0 t TM BG/ha NV I: Corg 2 ; 280 t TM BG/ha NV II: HA ; 140 t TM BG/ha NV II: HA ; 280 t TM BG/ha NV II: FA ; 140 t TM BG/ha NV II: FA ; 280 t TM BG/ha Niveau und Veränderung der Gehalte an Phosphor (P ges.. ), alle Teilversuche variantenabhängig
34 [kg/ha] 7000, , , , , , , , , , , , ,00 500,00 0,00 Cl - SO 4 2- Ca 2+ Na + x HV: 0 t TM BG/ha x HV: 280 t TM BG/ha x HV: 420 t TM BG/ha Stoffausträge [kg/ha], Hauptversuch (11/00-06/02), unabhängig der Mineraldüngung
35 [kg/ha] 300,00 280,00 260,00 240,00 220,00 200,00 180,00 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 N min P ges. K + Mg 2+ x HV: 0 t TM BG/ha x HV: 280 t TM BG/ha x HV: 420 t TM BG/ha Stoffausträge [kg/ha], Hauptversuch (11/00-06/02), unabhängig der Mineraldüngung
36 alle Teilversuche - N- und P-Vorrat im Baggergut fest gebunden, nur langsame Freisetzung, keine Beeinflussung der Sickerwasserkonzentration - keine Erhöhung der Gehalte an Schwermetallen bzw. IR-Kohlenwasserstoffen - kein Nachweis von TBT im Sickerwasser Zusammenfassung Sickerwasseranfall und -zusammensetzung: Baggerguteinsatz beeinflusst Menge und stoffliche Zusammensetzung - geringerer Sickerwasseranfall - erhöhte Salzgehalte im Sickerwasser im Auswaschungsverhalten bestehen deutliche Unterschiede zwischen den Ionen 1. Hauptversuch (einmalige Baggergutausbringung) -Cl - : Konzentrationsmaximum nach 5 Monaten, nach 16 Monaten wieder Ausgangsniveau -Mg 2+, K +, Ca 2+, SO 4 2- : Konzentrationsmaximum nach 7-10 Monaten, nach Monaten Stabilisation auf leicht erhöhtem Niveau, -Na + : Konzentrationsmaximum nach 13 Monaten, seitdem leichter Abfall 2. Nebenversuche I und II (mehrfache Baggergutausbringung) - nach zweiter Baggergutausbringung Anstieg der Leitfähigkeit wie auch der Einzelionenkonzentration geringer als bei erster Ausbringung
37 WG [%] 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Boden Baggergut ohne Baggergut 140 t TM BG/ha 280 t TM BG/ha 420 t TM BG/ha Wassergehalt (WG) im Oberboden, variantenabhängig im Vergleich zu den Ausgangswerten von Boden und Baggergut
38 C org. [% LTM] 8,00 7,50 7,00 6,50 6,00 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Boden Baggergut ohne Baggergut 140 t TM BG/ha 280 t TM BG/ha 420 t TM BG/ha Gehalt an Organischer Substanz (C org. ) im Oberboden, variantenabhängig im Vergleich zu den Ausgangswerten von Boden und Baggergut
39 T-Wert mval/100g LTM] 15,0 14,0 13,0 12,0 11,0 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 Wert Baggergut: 36,1 mval/100 g TM Boden Baggergut ohne Baggergut 140 t TM BG/ha 280 t TM BG/ha 420 t TM BG/ha Kationenaustauschkapazität (T-Wert) im Oberboden, variantenabhängig im Vergleich zu den Ausgangswerten von Boden und Baggergut
40 Ertrag [dt/ha] 0 t TM 280 t TM BG/ha 420 t TM BG/ha 700,00 650,00 600,00 550,00 500,00 450,00 400,00 350,00 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 HV: 0 t TM HV: 0 t TM HV: 0 t TM HV: 280 t TM HV: 280 t TM HV: 280 t TM HV: 420 t TM HV: 420 t TM HV: 420 t TM BG/ ha ; MD0 BG/ ha ; MD1 BG/ ha ; MD2 BG/ ha ; MD0 BG/ ha ; MD1 BG/ ha ; MD2 BG/ ha ; MD0 BG/ ha ; MD1 BG/ ha ; MD2 Va r i a n t e Legende: 0 t BG/ha 280 t BG/ha 420 t BG/ha MD 0 MD 1 MD 2 Frisch-(FM) und Trockenmasse- (TM) Erträge Gesamtpflanze Hauptversuch (linke Säule FM, rechte Säule TM)
41 TM [%] 2,20 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Hauptversuch (x der Mineraldüngung) HV: 0 t TM BG/ha HV: 280 t TM BG/ha HV: 420 t TM BG/ha NV I: Corg 1 ; 0 t TM BG/ha Nebenversuch I NV I: Corg 1 ; 280 t TM BG/ha NV I: Corg 2 ; 0 t TM BG/ha NV I: Corg 2 ; 280 t TM BG/ha Probenahmetermine NV II: HA ; 140 t TM BG/ha Nebenversuch II Corg. 1 Corg. HA FA NV II: HA ; 280 t TM BG/ha NV II: FA ; 140 t TM BG/ha NV II: FA ; 280 t TM BG/ha P K Mg N S Cl Restmais, Gehalte an Inhaltsstoffen, variantenabhängig
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