DIE BÖDEN AM ÖSTLICHEN ABHANG DES TOTALPHORNS (DAVOS, SCHWEIZ) UNTER BE

Diss. ETH Nr. 9259 DIE BÖDEN AM ÖSTLICHEN ABHANG DES TOTALPHORNS (DAVOS, SCHWEIZ) UNTER BE SONDE~ER BERÜCKSICHTIGUNG DER VER LAGERUNG VON CHROM UND NICKEL. MIT EINEM BEITRAG ZUR SYNTHESE VON CHROMHALTIGEN EISENOXIDEN. ABHANDLUNG zur Erlangung des Titels DOKTOR DER NATURWISSENSCHAFTEN der EIDGENÖSSISCEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH vorgelegt von UBALD GEORG GASSER Dipl. Natw. ETH geboren am 8. Juli 1957 von Zuchwil SO und Kammersrohr SO Angenommen auf Antrag von: ///,.~ I ~ Prof. Dr. Hans Sticher, Referent (ETH Zürich) f/l/tm ~ und Prof. Dr. Udo Schwertmann, Korreferent (TU München) 1990

- 3 - ****************** INHALTSVERZEICHNIS ****************** VERDANKUNGKN........ 7 KURZFASSUNG............. 8 SUMMARy... 10 12 1. EINLEITUNG 14 2. UNTERSUCHUNGSGEBIET 16 2.1. LAGE UND ABGRENZUNG.... '. 16 2. 2 KLIMA......... :... 16 2.3. GEOLOGIE, PETROGRAFIE UND MINERALOGIE 19 2.4. VEGETATION 22 3. FELDAUFNABMEN.. 24 3.1. 3.2. 3.2.1. 3.2.2. 3.3. 3.3.1. 3.3.2. 3.4. 3.4.1. 3.4.2. 3.4.3. AUSGANGSLAGE..... METHODEN........ Klassifikation der Bodenprofile. Bodenkarte ' RESULTATE....... Bodenprofile. Bodenkarte. DISKUSSION Einleitung. Humuskörper. Mineralisches Bodenmaterial. 24 24 24 28 28 28 40 41 41 42 44 4. 4.1. 4.2. CHEMISCHE UND PHYSIKALISCHE BODENEIGENSCHAFTEN AUSGANGSLAGE.. METHODEN. 46 46 53

- 4-4.2.1. Bestimmung chemischer Bodeneigenschaften 4.2.1.5. 4.2.1.6. 4.2.2. 4.3. 4.3.I. 4.3.1.1. 4.2.1.1. Kohlenstoff-, Stickstoff- und Glühverlustbestimmung."."" " " ". 4.2.1.2. Bestimmung der Ammoniumacetat-EDTA-extrahier-.baren Elemen~gehalte. 4.2.1.3. Bestimmung der Dithionit-Citrat-Bicarbonatextrahierbaren Elementgehalte. 4.2.1.4. Bestimmung der Ammoniumoxalat-extrahierbaren Elementgehalte ~. Bestimmung der Elementgesamtgehiilte ". Elementbestimmung in Extrakten und Aufschlusslösungen "" " "" ". 4.2.1.7. Bestimmung der relativen Elementgruppenanteile und der relativen Elemeritanteile. Bestimmung physikalischer Bodeneigenschaften. RESULTATE Chemische Bodeneigenschaften. Kohlenstoff- und Stickstoffgesamtgehalte sowie Glühverluste. 4.3.1.2. Ammoniumacetat-EDTA-extrahierbare Elementgehalte. 4.3.1.3. Dithionit-Citrat-Bicarbonat- und Ammoniumoxa- 4.3.1.4. 4.3.1.5. 4.3.2. 4.4. 4.4.1. 4.4.2. 4.4.3. lat-extrahierbare Elementgehalte. Elementgesamtgehalte ". Relative Elementgruppen- und Elementanteile.. Physikalische Bodeneigenschaften. DISKUSSION. Kohlenstoff- und Stlckstoffgesamtgehalte. Ammoniumacetat-EDTA-Extrakte. Dithionit-Citrat-Bicarbonat-Extrakte. 4.4.4. Ammoniumoxalat-Extrakte. 83 4.4.5. Elementgesamtgehalte a4 4.4.6. Ammoniumacetat-EDTA- und Dithionit-Citrat-Bicarbonat-Extrakte sowie Gesamtaufschlüsse von Profil P33 87 4.4.7. Chemische Verwitterung von Serpentinitböden.. 87 4.4.7.1. Ausgangslage '.' '.'................ 87 53 54 54 55 56 56 56 57 58 59 59 59 61 62 66 67 70 72 72 76 80

- 5-4.4.7.2. 4.4.8. Schätzung der elementaren Zusammensetzung des von der chemischen Verwitterung betroffenen Anteils eines serpentinitischen Bv-Horizontes Relative Elementqruppenanteile. 90 92 5. 5.1. 5.1.1. 5.1. 2. 5.1. 3. 5.1.4. 5.2. 5.2.1. 5.2.2. 5.2.2.1. 5.2.2.2. 5.2.2.3. 5.3. 5.3.1. 5.3.2. 5.3.2.1. 5.3.2.2. 5.3.3. 5.3.3.1. 5.3.3.2. 5.3.4. 5.3.5.' 5.4. 5.4.1. 5.4.2. 5.4.3. 5.4.4. 5.4.5. SICKERWASSER. EINFÜHRUNG UND AUSGANGSLAGE. Bodenwasser. golloide im Bodenwasser. Chemische Speziierunq. Deposition. METHODEN. Lysimeteranlaqen. Analysen. Fraktionierung der Sickerwässer. Stoffanalyse. Berechnungen. RESULTATE. Zeitlicher Verlauf einiqer Sickerwassereiqenschaften. Sickerwassereiqenschaften der Probenahme 10.. Referenzlysimeter. Lysimeter der geschütteten Bodensäulen. Kolloide. Kolloidale Elementgehalte in Sickerwässern. Relative chemische Zusammensetzung von Grobkolloiden (bezogen auf Eisen) '. Korrelationsberechnunqen. Speziierunqsberechnunqen mit SOILCHEM. DISKUSSION. Stoffqehalte von Sickerwässern. Chrom- und Nickelqehalte von Bodenlösunq und Pflanzen '.'. Kolloide. Speziierunqsberechnunqen mit SOILCHEM. Korrelationsberechnunqen. 96 96 96 99 101 101 103 103 104 104 106 106 108 108 114 114 118 120 120 122 124 126 131 131 136 139 146 153

- 6-6. 6.1 6.2. 6.2.1 6.2.2. 6.3. 6.3.1 6.3.2. 6.3.3. SYNTHETISCHE EISENKINKRALE 156 EINLEITUNG UND GRUNDLAGEN 156 MATERIAL UND METHODEN 158 Herstellung der Proben 158 Analyse der Proben 159 RESULTATE und DISKUSSION 160 Chemische Eigenschaften von Cr-Goethiten 160 Elementarzelleneigenschaften von Cr-Goethiten 161 Eigenschaften eines Cr-Hämatits 165 7. LITERATURVERZEICHNIS '... 166 8. LEBENSLAUF 185 9. ANHANG '....... 186

- 7 - VERDANKUNGEN Während der Durchführung dieser Arbeit durfte ich stets auf wissenschaftliche, kameradschaftliche und moralische Unterstützung aus meiner "Umwelt" zählen.. Viele Menschen haben dabei unmittelbar oder mittelbar zum Gelingen meiner Dissertation beigetragen. Ihnen allen möchte ich für die Mithilfe~danken. Besonderer Dank gebührt meinen beiden Lehrern. Das interessante Arbeitsthema, dessen Bearbeitung mir auch einen weiten Einblick in die Welt der Bodenkunde ermöglichte, wurde von Prof. Dr. Hans Sticher angeregt. Er gewährte mir eine Assistentensteile an der ETHZ und übernahm die Pflichten des Doktorvaters. Einen Studienaufenthalt am Lehrstuhl für Bodenkunde der TU München und eine Einführung in das faszinierende Reich der pedogenen Eisenminerale ermöglichte mir Prof. Dr. Udo Schwertmann. Er stellte sich auch in grosszügiger Weise als Korreferent zur Verfügung. Für wertvolle Diskussionen zur Bodenphysik und Feldbodenkunde und die unkomplizierte Zusammenarbeit danke ich Prof. Dr. Hannes Flühler (ETHZ) und seinen Mitarbeitern. Prof. Dr. Jean-Claude Vedy (ETH Lausanne) ermöglichte mir Messungen auf dem DCP-Gerät, welches von Jean-Pascal Dubois virtuos bedient wurde. Für Unterkunft im Haus "Rüesch" in Clavadel-Davos danke ich Prof. Dr. Elias Landolt (ETHZ). Dr. Stephan Juchler danke ich bestens für unzählige Gespräche und Anregungen zur Bodenkunde. Weiter danken möchte ich auch den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie den Studentinnen und Studenten des Instituts für Lebensmittelwissenschaft (ETHZ) und des Instituts für Bodenkunde (TU München) für Unterstützung und Diskussionen. Monica Fischer und Etienne Diserens danke ich für die Übersetzungen der Kurzfassung. Schliesslich danke ich meinen Eltern, die mir die Ausbildung an der Hochschule ermöglichten.

- 8 - KURZFASSUNG Dieses Projekt wurde mit S!-andorten eines subalpinen Ökosystems auf verschiedenen Ophiolithgesteinen bei Davos (Schweiz) durchgeführt. Lockergesteine, überwiegend aus Augitserpentinitenbestehend, jedoch.auch r~te Ophicalcite und Gemengebeider Gesteine bildeten in der Regel das Muttergestein der Böden. Das Relief übte durch seine oftmals enorme Steilheit einen nachhaltigen Einfluss auf die Bodenbildung aus. Deshalb waren erosionsbeeinflusste Böden verbreitet. Je nach Muttergestein, Relief, Vegetation und Alter trugen die Böden Rohhumus, Moder oder Mull. Rohhumus bildete sich auch auf Bach- und Hangschutt von Augitserpentinit. Die konventiönelle Klassifikation des Humuskörpers war teilweise problematisch und nicht immer anwendbar. Festgestellt wurden C-, AC- und OC-, sowie ABC- und OBC-Böden. Bleichhorizonte, welche auf Podsolierungsprozesse hindeuten würden, wurqen nicht angetroffen. Von Feinerde ausgewählter Profile wur.den die Gesamtgehalte von C und N ermittelt, von Böden mit mehr als 6 Gew.-% C auch der Glühverlust. Rohhumus enthielt bis zu 50 % organisches C und wies bis zu 85 % Glühverlust auf. Feinerde verschiedener Böden wurde sequentiell mit An\n.Ioniumacetat EDTA (AAE) bei ph 4.65 und mit Dithionit-Citrat-Bicarbonat (DCB) bei ph 7 extrahiert. In den Extrakten wurden anschliessend die Elemente, als Mediane in ~mol/g (AAE; DCB) angegeben, bestimmt: Al (19; 44), Ca (10; -), Cr (0.2; 2.8), Fe (23; 370), Mg (68; 23), Mn (6.4; 2.9), Ni (1.4; 2.7) und Si (10; 71). Mittels Flussäureaufschluss wurden die Gesamtgehalte des mineralischen Anteils. der Feinerde (Mediane in ~mol/g) der Elemente Al (756), Ca (399), Cr (30), Fe (1400), K (61), Mg (6000), Mn (24) und Ni (29) gemessen. Relative Anteile von Gruppen chemischer Elemente an Extrakten und Gesamtgehalten wurden berechnet. Verschiedene physikalische: Eigenschaften wie reelle und scheinbare Dichte der Feinerde, reelle Dichte des Skeletts, Porosität der Gesamtprobe und der Feinerde, sowie Skelettgewicht- und -vo:" lumen wurden ermittelt. Die serpentinitische Feinerde. wies

- 9 - zwischen Glühverlust einerseits und reeller Dichte, reziproker scheinbarer Dichte und Gesamtkohlenstoff (org. C) anderseits lineare Beziehungen auf. Sickerwässer wurden aus natürlich gelagerten und aus geschütteten Böden gewonnen und durch Filtration (0.45 llm),und Dialyse (10'000 d) in eine unfiltrierte (NF), eine filtrierte (F) und eine dialysierte (DY) Fraktion aufgeteilt., Die Elementgehalte der dialysierten Fraktion, welche in Klammern vermerkt sind (Cr, Mn, Ni und Ti in nmol/l, die übrigen in llmol/l), betrugen für Cr (S100), Mn (S180), Ni (S140) und Ti «40), sowie für Al (SI), Ca «20), Fe (S1), K (SI2), Mg «200) und Si «180). In der Fraktion F wurden weiter die Anionen Chlorid,' Nitrat und Sulfat und in NF organischer und anorganischer Kohlenstoff bestimmt. Von der d'ialysierten Fraktion DY wurde angenommen, dass die darin enthaltenen Elemente in echter Lösung vorlagen. Die berechnete Ionenstärke der Wässer lag im Bereich zwischen 150 und 700 llmol/l. Durch Differenzbildung NF-F und F-DY wurden die grob-, bzw. die feinkolloidalen Anteile der betrachteten Elemente ermittelt. Dabei zeigte sich, dass die meisten Elemente sowohl kolloidal, als auch gelöst verlagert werden. Mit dem Computerprogramm SOILCHEM wurden Speziierungen von Sickerwasserinhaltsstoffen berechnet, wobei sich adequate Ergebnisse nur für echte Lösungen ergaben. Ausgehend von Eisen ( I I I) -Systemen wurden in Gegenwart von Cr synthetische Goethite hergestellt. Die gereinigten Minerale enthielten molare Cr-Anteile {Cr/(Cr+Fe)} bis zu rund 0.1. Röntgen- und IR-Aufnahmen ergaben lineare Beziehungen zwischen isomorphem Ersatz der Minerale und verschiedenen Eigenschaften der Kristalle wie Achsenlängen und Volumen der Elementarzellen. Der Einbau von Cr in die Struktur von Goethit konnte somit schlüssig nachgewiesen werden. Gegen die Auflösung mit Salzsäure erwiesen sich die Cr-Goethite als wesentlich resistenter als reine oder Al-Goethite. Cr wurde auch in die Struktur eines Hämatits eingebaut, der aus einem Cr-Goethit (10 Mol-% Cr) durch Erhitzen auf 900 C hergestellt worden war.

- 10 - SUMMARY This project was carried out in habitats within a subalpine ecosystem on different ultramafic rocks situated near 'Davos (Switzerland). Sedimented loose rocks, mainlyaugiteserpentinite, but also red ophicalcites and mixtures of both, were regularly present as bedrock of the soils. The relief, frequently steep, strongly influenced soil genesis, and therefore non-eroded soils occurred only exceptionally. Depending.onbedrock, relief, vegetation and age, the soils contained mor or mull. Mor also developped on stream or slope deposits of augite-serpentinite. The' conventional classification of soil organic matter was sometimes difficult to apply. In the soils,' the roots of the plants often reached 80 cm of depth, but frequently the rooting was.hampered by a high degree of stoniness. The soils reported were part of the following types: C-, AC-, OC-, ABC-, and OBCsoils. Spodic horizons were not found.. Fine earth was analysed for total amounts of C, and.n, and, additionally, in case'of'a C-content ~6 wt.-% also for 1055 on ignition. Mor contained up to 50 wt.-% C and lost up to 85% of w;eight. Fine earth was extracted sequentially by ammonium-acetate-edta (AAE) at ph 4.65, and by dithionitecitrate-bicarbonate (DCB) at ph 7, and tested for the elements (in () median [~ol/g] of AAE; DCB) Al (19; 44), Ca (10; -), Cr (0.2; 2.8), Fe (23; 370), Mg (68; 23), Mn (6.4; 2;9), Ni (1.4;2.7), and Si (10; 71). Some soils were digested in hydrofluor{c acid and analysed for the elements (in () median [~ol/gl).al (756), Ca (399), Cr (30), Fe (1400), K (61), Mg (6000), Mn (24), and Ni (29). Based on AAE, DCB, and total element content, different calculations were carried out. Some physical properties of the soils were determined too: bulk and particle dimsity of fine earth, particle density of the stones, their weight and volume. the case of fine earth linear corre~ations were noted between 1055 on ignition on the one hand J and particle density, specific volume, and total carbon on the other hand. In

- 11 - Gravitational waters were collected by lysimetry from undisturbed soils and from previously sieved soil columns. The sampies were fractionated by filtration (0.45 lj.m) and dialysis (10'000 d) and divided into 3 groups: not filtered (NF), filtered (F), and dialysed (DY). The contents of the elements (in () dissolved concentrations: Cr, Mn, Ni, and Ti [nmol/l), and other elements [lj,idol/l)): Cr (~100), Mn (~180), Ni (~140), Ti «40), Al and Fe (~l), Ca.«20), K (~12), Mg «200), Mn, and Si «180) were determined. The F fraction was tested also for the anions chloride, nitrate, and sulphate, and the NF-fraction for organic and inorganic carbon. The matter in the DY-fraction was. considered to be dissolved. The calculated ionic strength ranged from 150 up to 700 lj.mol/l. By subtraction of NF-F, and F-DY, larger and finer colloids were distinguished. The resultsindicated that most of the considered elements migrated both in a dissolved and a colloidal manner. It was not possible to obtain pure solutions by means of filtration. Speciation of the matter in the water sampies were computed by the programme SOILCHEM. For this purpose data of pure solutions were necessary. Goethites containing up to about 10 ~ol% Cr were synthesized from Fe(III) systems. The structural incorporation of Cr was proven by a linear decrease in the unit cell edge lengths a, b, and c, and a corresponding decrease in the cell volume. The out-of-plane OH bending vibration increased from 793 to 800 cm- l reflecting a decrease in the M-OH bond length. Cr was incorporated into a hematite when a 10% Crgoethite was heated to 900 C.

12 REsmm Ce projet a ete rea1ise dans un ecosysteme de la zone subalpine pres de Qavos (Suisse) sur differentes roches ophiolitiques. Les fragments rocheux de serpentinite a augite, d' ophicalcite,rouge ou constitues a la fois des deux forment la roche-mere. En raison de la tres forte declivite favorisant l'erosion, le relief porta serieusement atteinte a la formation du sol. L'humus, lorsqu'il apparait, se presente sous forme d'humus brut, de moder, de mull suivant la roche-mere, 'le relief, la vegetation, et l' age du sol. Oe l'humus brut s'accumule egalemerit sur les debris de serpentinite a augite erodes ou balayes par les eaux du torrent. Une classification conventionnelle du type d'huffius s'est averee ardue, restreignant.son application. Les sols sont des types C, AC, OC ainsi que des types ABC et OBC. Aucun horizon elluvial attestant des signes de podsolisation n'a ete repertorie. Les teneurs totales de C et N de la terre fine de certains profils ont ete analysees ainsi que les pertes au feu pour les sols ayant plus de 6% (pds) de carbone. L'humus brut contient jusqu'a 50% de carbone organique, ses pertes au feu s'elevant jusqu'a 85%. Plusieures extractions sequentielles ont ete operees avec de l'acetate d'arnrnonium + EOTA (AAE) ph 4.65, et du bicarbonate de dithionite de citrate (BOC) ph 7. Les extrai ts ont ete det,ermines; les medianes sont lci donnees en ~ol/g (AAE, BOC): Al (19; 44), Ca (10; -), Cr (0.2; 2.8), Fe (23; 370), Mg (68; 23), Mn (6.4; 2.9), Ni (1.4; 2.7), Si (10; 71)'. Les teneurs totales de la fraction minerale du sol ont ete obtenues avec de l'acide fluor-,hydrique (mediane en ~ol/g) Al (256), Ca (399), Cr (30), Fe (1400), K(61), Mg (6000), Mn (24), Ni (29). Les parts 'de differents groupes'd'elements chimiques ont etes calcules a partirdes extraits et des teneurs totales. L'eau d'infiltration a ete captee sur des sols non, perturbes et sur des sols verses. L'eau a ete filtree (0.45 ~m) et dialysee (10000 d). Trois fractions ont ete retenues, une fract~on non filtree (NF), une fraction filtree (F), et

- 13.- une fraction dialysee (DY). Les teneurs en elements de la fraction dialysee sont donnees en nmol/l, ceci pour le Cr; Mn, Ni, Ti et en ~mol/l pour les autres elements soit Cr (5100), Mn (5180), Ni (5140) et Ti (540), ainsi que pour l'al (51), Ca «20), Fe (51), K (512), Mg «200) et Si «180). Dans la fraction F, les anions de chloride, nitrate et sulfate et dans la fraction NF, le carbone organique et anorganique ont ete egalement determines. Les elements de la fraction dialysee sont supposes se trouver sous leur forme solubi1isee. La force ionique calculee des eaux varie entre 150 et 700 ~mol/l. Les ractions colloidales grossieres et fines ont ete departagees en effectuant respectivement les differences NF-F et F-DY. 11 ressort que les elements migrent aussi bien sous forme colloidale que sous forme solubilisee. Une speciation des eaux d'infiltration a avec le programme S01LCHEM. observes que pour la fraction solubilisee. ete calculee Des resultats adequats n'ont ete A partir du systeme Fe(111) du goeth~te synthetique a ete obtenuen presence du chrome. Les mineraux epures renfermerent une proportion de chrome (Cr/Cr+Fe) allant jusqu' 1i. 0.1. Des spectres aux rayons X. et 1'1 I' infrarouge revelerent des relations lineaires entre l'echange isomorphique des mineraux et plusieures de leurs proprietes teiles les longueurs des aretes et le volume des mailies elementaires. L'insertion du chrome dans la structure du Goethite a pu etre verifiee de maniere concluante. La goethite munie de chrome se montre plus resistante a la solubilisation par l'acide chlorhydrique que de la goethite pure ou renfermant de 1 'aluminium. Du chrome a ete insere dans la structure d'un hematite a partir (10% mole) et chauffe 1'1 900 C. d'un goethite contenant du chrome

- 14-1. EINLEITUNG Serpentinit ist ein Gestein, welches hauptsächlich aus dem Schichtsilikatmineral Serpentin mit der chemischen Zusammensetzung Mg3[(OH)4/Si205] besteht. Im Vergleich zu anderen Silikatgesteinen wie z.b. Granit oder Rhyolith enthält Serpentinit, mit Gehalten bis zu mehreren Gewichtspromilien, auch relativ hohe Anteile der Schwermetalle Chrom und Nickel. Aufgrund dieser speziellen Chemie und Mineralogie entwickeln sich auf Serpentinit in der Regel besondere Böden und Pflanzengemeinschaften (vgl. PROCTOR & WOODELL, 1975). Pfl anzengesellschaften auf Serpentinit sind im Wachstum gehemmt und heben sich innerhalb einer Landschaft meist deutlich von denjen1gen auf anderen Substraten 'ab, Die Vegetationskundler sprechen vom sogenannten "Serpentin[it] faktor" und versuchen zu klären, weshalb Serpentinitstandorte so "u~fruchtbar" sind. Gründe dafür werden in verschiedenen Eigenheiten der Serpentinitböden gesucht, wobei vor allem die erhöhten Chrom- und Nickelgehalte, die im Vergleich zu Magnesium geringen Calciumgehalte, die Kalium- und Phosphora,rmut sowie die geringe Aggregatstabilität diskutiert werden. Die vorliegende Arbeit wurde im Gebiet des Davoser Serpentinitökosystems durchgeführt, welches hauptsächlich aus. zwei Gründen interessierte. Einerseits können in diesem Gebiet Böden studiert werden, die bis mehrere tausend Jahre alt sind und hohe natürliche Schwermetallgehalte aufweisen, was Rückschlüsse auf das Langzeitverhalten der Schwermetalle ermöglicht. Anderseit~ sind die Böden im Einflussbereich des serpentinitischen nacheiszeitlichen Totalpbergsturzes überwiegend frei von Gletschersedimenten und weisen deshalb einen fast "reinen" Bestand an Serpentinitmineralen auf. Vorteilhaft war weiter, <;lass im Davoser Serpentinitgebiet.bereits verschiedene wissenschaftliche Arbeiten durchgeführt worden waren. Geobotaniker charakterisierten die Vegetation und das Verhalten einzelner Arten (CAFLISCH, 1974; EGGER, 1974; GASSER, 1986). Die Mineralogie und die

- 15 - Petrografie wurden von PETERS (1963) beschrieben. denbi1dung und Bodensickerwässer wurden von STICHER JUCHLER &' STICHER (1985), STICHER, GASSER & JUCHLER JUCHLER (1988), GASSER, JUCHLER & STICHER (1988), STICHER & JUCHLER (1989) untersucht. Die Bo- (1978), (1986), GASSER, Mit der vorliegenden bodenkundlichen Arbeit wurden die Untersuchungen des Serpentinitökosystems am Totalphorn fortgesetzt, wobei drei Untersuchungsschwerpunkte gebildet wurden: 1. Als Beitrag zu~ Kenntnis des Ökosystems wurden die Böden erfasst und beschrieben sowie ihre Verbreitung kartiert. Das Schwergewicht der vorliegenden Arbeit Wurde auf den westlichen Bereich des Davoser Serpentinitgebietes gelegt, da der östliche Bereich bereits von JUCHLER (1988) bodenkundlich untersucht worden war. 2. Um in Serpentinitböden die Stoffflüsse der Schwermetalle Chrom und Nickel beschreiben' zu können, wurde deren Ve~lagerung in Sickerwässern untersucht. Natürlich gelagerte Böden des Untersuchungsgebietes enthalten meist über hohe Volumenanteile von Skelett, was die Gewinnung von Sickerwasser erschwert. Mit der Verwendung von Lysimetern in geschütteten Säulen gesiebter Böden wurde deshalb angestrebt, den Einfluss des Skeletts zu verkleinern. Im weiteren wurde der Einfluss von partikulärer Substanz auf den Stoff-, transport untersucht, weil diese nach JUCHLER (1988) für die Verlagerung verschiedener Elemente in Sickerwässern von Serpentinitböden eine wesentliche Rolle spielen kann. 3. Die verbraunte Feinerde des Untersuchungsgebietes zeigt in der Regel eine ockerne Farbe, was auf die Anwesenheit von Goethit hinweist. Von diesem Mineral ist der isomorphe Ersatz von Aluminium für Eisen seit langem bekannt (vgl. CORRENS & VON ENGELHARDT, 1941), nicht aber von Chrom, weshalb versucht wurde, synthetisch Chrom in Goethit einzubauen.

- 16-2. UNTERSUCHUNGSGEBIET 2. 1. LAGE UND ABGRENZUNG (Abb. Die topo~rafische Karte (Abb. 1) und das Luftbild 2) vermitteln einen ersten Eindruck vom Untersuchungsgebiet. Dieses liegt beim Weiler Wolfgang und gehört politis'ch zur "Landschaft Davos" (Kanton Graubünden, Schweiz), welche durch ihren Gebirgscharakter geprägt ist. Die Region Davos umfasst montane, subalpine, alpine sowie nivale Gebiete und beherbergt eine Vielfalt von Gesteinen, Böden und Pflanzen. Das bearbeitete Gebiet (vgl. Abb. 1) liegt - mit Ausnahme des Bodenprofils BUDLERBODEN - westlich des Weilers Wolfgang (Punkt 1631) und östlich vom Höhenweg. Im Norden bildet der Stützbach, im Süden der Totalpbach die Grenze des Untersuchungsgebietes, welches rund 2 km' umfasst und zum.gröss~en Teil in der subalpinen Stufe liegt. Das Makrorelief ist in der Regel nach Osten ausgerichtet. Steigungen über 6 O' % sind keine SeItenheit, weshalb im Untersuohungsgebiet nur wenige Fahrwege existieren und Strassen fehlen. Landwirtschaftlich genutztes Gebiet.wurde aus der Studie ausgeschlossen. 2.2. KLIMA Klimatisch betrachtet nimmt die Landschaft Davos eine Übergangsstellung zwischen ~em ozeanischen Nordalpenklima und dem kontinentalen Zentralalpenkl~ma ein.' Die Niederschläge im Untersuchungsgebiet dürften zwischen denjenigen von Klosters und Davos liegen, während die Temperaturen eher denjenigen von Davos entsprechen dürften. Im Untersuchungsgebiet kann somit mit mittleren Jahresniederschlägen um 1100 mm und einer Jahresmitteltemperatur um 3 e gerechnet werden; wobei sich das Klima mit zunehmender Höhe über Meer' demjenigen der Schatzalp - oberhalb Davos-Platz - annähern dürfte (vgl. Abb. 3).

- 17 - Abb. 1: Topografische Karte des Untersuchungsgebietes (Ausschnitt aus der Landeskarte 1:25'000, Blatt Nr. 1197, "Davos"). Reproduziert mit Bewilligung des Bundesamtes für Landestopografie vom 30.11.89.

- 18 -...r---- Norden ca. 500 m Abb. 2: Luftbild des Untersuchungsgebietes. Reproduziert mit Bewilligung des Bundesamtes für Landestopografie vom 13.12.89 (Aufnahme: LK 248, Flgl. 32, Nr. 3351).

- 19 - OAVOS (1561ml 1171 2f 959 SCHATZALP (I868m) 2,1. 0 1075 [)I ' ~o J Abb. 3: Klimadiagramme von Davos, Klosters und Schatzalp (aus WALTER & LIETH, 1960). 2.3. GEOLOGIE, PETROGRAFIE UND MINERALOGIE In der Region von Davos trifft die Silvrettadecke des Ostalpinen Kristallins mit einer Penninischen Decke, der Aroser" Schuppenzone, zusammen. Die Grenze zwischen beiden Decken verläuft in der Gegend von Wolfgang etwa von Nordosten nach Südwesten. Die Aroser Schuppenzone ist ein ophiolithhaltiger Jura-Kreide-Komplex, aus welchem vermutlich alle Gesteine des Untersuchungsgebietes stammen (vgl. PE TERS, 1963, S. 534 ff; SCHWEIZERISCHE GEOLOGISCHE KOMMIS SION, 1980; LABHART, 1983, S. 8 f). Das Untersuchungsgebiet wurde von PETERS (1963) petrografisch und mineralogisch aufgenommen und kartiert, wobei e;r: die Minerale des "Bodens nicht speziell berücksichtigte. In Abb..4 ist aus Peters' "Petrographischer Kartenskizze des

- 20 - Totalpserpentins" der für die vorliegende Arbeit massgebende Ausschnitt dargestellt. Nach Peters findet man im Untersuchungsgebiet vor allem Bach- und Hangschutt " teilweise aber auch anstehenden Fels, wobei das dominante Gestein Augitserpentinit ist. Weiter trifft man Serpentinit, Serpentinit mit Calcitadern sowie rote und graugrüne Opflicalcite (vgl. auch DIETRICH & SKINNER, 1984, S. 168 f). Das Überwiegen von Augitserpentinit ist teilweise auf den nacheiszeitlichen Bergsturz vom Totalphorn (vg1. MAISCH, 1981, S. 58 ff) zurückzuführen, weshalb Moränenmaterial nur im Einflussbereich des Totalp- und des Stützbaches anzutreffen ist, wo man z.b. auch Dolomit, Radiolarit und Gneis findet. In Tab: 1 ist der Mineralbestand der häufigsten Gesteine des Untersuchungsgebietes zusammengestellt. Tab. 1: Mineralbestand der häufigsten Gesteine des Untersuchungsgebietes (nach PETERS, 1963). GESTEIN HAUPTGEMENGETEILE NEBENGEMENGETEILE Augit- Augit, Picotit, Granat, Olivin, serpentinit Enstatit, Aktinolith; Magnetit, Chrysotil, Rutil, Tit anit, Lizardit Chlorit, Heazlewoodit, Pentlandit. selten: Calcit roter Calcit., sonst wie Hämatit (farbgebend), Ophicalcit Augitserpentinit Goethit, Quarz, Pyrit graugrüner wie roter Pyrit Ophicalcit Ophicalcit

- 21 - ~'""--- Norden +...~ c.. ] m.. ü ico.. ~. E ~ E " :~ u.~ C ; 0 8 ~.~ c.~ c. ~ r "- a, m E ~ ~! t.~ c <f'... z." c 1.~.~ :~ '.i ~.~.!.~ ir:.~! ~ V1 "- e I I I [ill lij ti,.~ ::: ~ Abb. 4: Petrografische Karte des Untersuchungsgebietes (Ausschnitt aus PETERS, 1963, Tafel 1). Peters verwendete den Begriff "Serpentin" sowohl für das Mineral als auch für das Gestein, welches im Text als "Serpentinit" bezeichnet wird.

2.4. VEGETATION In Tab. 2 sind die häufigsten Pflanzenarten des Schneeheide-Bergföhrenwaldes, der verbreitetsten Waldgesellschaft des Untersuchungsgebietes, wiedergegeben. In Ta~. 3 sind die 'wichtigsten naturnahen Vegetationstypen des Untersuchungsgebietes dargestellt. Auf Serpentinit nimmt der Anteil d~r vegetationslosen Flächen von der subalpinen zur alpinen Stufe hin deutlich zu. Tab. 2: Häufigste Pflanzenarten des Schneeheide-Bergföhrenwaldes des Untersuchungsgebietes (nach LANDOLT, 1986). PFLANZENGRUPPE Baurn- und Strauchschicht Pinus montana PFLANZENARTEN Krautschicht Zwergsträucher Zweikeimblättrige Einkeimblättrige Erica carnea, Vacciniurn vitis-idaea, Juniperus nana Thymus polytrichus, Homogyne alpina, Melampyrurn pratense, Valeriana tripteris, Gentiana kochiana, Silene vulgaris, Potentilla erecta Calamagrostis varia, Deschampsia flexuosa, Anthoxanthurn alpinurn, Luzula sieberi Farnartige Sellaginella selaginoides, Lycopodiurn annotinurn Moose Flechten Dicranurn scopariurn, Pleuroziurn schreberi Cetraria islandica Die Vegetation des Davoser Serpentinitgebietes besteht, vor allem aus Pflanzenarten der benachbarten Vegetationen auf Dolomit und Gneis. Von den Pflanzen,des Untersuchungsgebietes ist lediglich das sehr seltene Aspleniurn serpentini eine typische Serpentinitpflanze. Die Vegetation des Davoser

- 23 - Serpentinitgebietes ist für Schweizer Verhältnisse einmalig, weshalb nach LANDOLT, ZUMBÜHL & KRÜSI (1986, Tab. 9.4) der Schneeheide-Bergföhrenwald und das Legföhrengebüsch des Gebietes als Vegetationen von nationaler Bedeutung eingestuft wurden. Tab. 3: Wichtigste naturnahe Vegetationstypen des Untersuchungsgebietes (nach BGU, 1982). STUFE subalpin Übergang v. subalpin zu alpin alpin VEGETATIONSTYP Schneeheide-Bergföhrenwald oder Legföhrengebüsch Legföhrengebüsch alpine Rasen

- 24-3. FELDAUFNAHME 3.1. AUSGANGSLAGE Die Böden des Totalpbergsturzhügels östlich Wolfgang wurden von JUCHLER & STICHER (1985) aufgenommen und kartiert. Als Muttergestein der Bodenbildung fanden die beiden Autoren Serpentinit, Gneis und Glimmerschiefer sowie Gemenge dieser Gesteine. Nach JUCHLER (1988, S. 46 ff) entwickeln sich bei Wolfgang aüf von Serpentinit dominiertem Muttergestein "Serpentinbraunerden" und' auf anderem Muttergestein "Braunpodsole" und "Podsole". Westlich Wolfgang wurden die Böden von KRAUSE, BUCHLI & PEYER (1985) aufgenommen und 1:25'000 kartiert, wobei die meisten Kartiereinheiten als Komplexe mehrerer Bodentypen definiert wurden. Im genannten Gebiet stellten KRAUSE & PEYER ( 1986, Karte 7.1 und 7. 2) hauptsächlich Rego- und Lithosole, Humus-Mischgesteinsböden und Braunerden sowie stellenweise vernässte Böden fest. Die Böden waren in der Regel flachgründig (10-30 cm) bis sehr flachgründig ( <1 0 cm), wobei die vorherrschende Humusform Mull war-. Am östlichen Abhang des Totalphorns, auf Augitserpentinit, fand HAAB (1988) unter Legföhrengebüsch auch Rohhumusbraunerden. 3.2. METHODEN 3.2.1. Klassifikation der Bodenprofile In Tab. 5 und Tab. 6 sind die Eigenschaften der Böden zusammengestellt, die bei der Feldaufnahme erhoben wurden. Die Beurteilung von Bodenhorizonten -und -typen richte,te sich in erster Linie nach der Systematik von Pallmann (in STICHER, 1988, S. 111-ffi vgl. auch-arbeitsgruppe BODENKLAS SIFIKATION, 1979 und 1982) sowie nach- FREI (1976, S. 339 ff). Die Klassi,fikation des Humuskörpers (vgl. Tab. 4)

- 25 - erfolgte nach der Horizontabfolge und der Horizontmächtigkeit, -wobei als Arbeitsgrun~lage die Vorlage der l\.rbeits GRUPPE BODE~UNDE (1982, S. 97 ff) diente. Die Benennung der Bodentypen erfolgte nach den obersten nicht begrabenen Horizonten, Für die Bezeichnung begrabener Horizonte wurden arabische Ziffern (z.b. 2C oder 3Ah) verwendet. Im _Profil _nicht durchgehende Horizonte sind in eckigen Klammern (z.b. [L]) angegeben. Tab. 4: Klassifikation des Humuskörpers.- -: keine Bedingungen; (): fakultativer Horizont. HUMUSKÖRPER HORIZONTABFOLGE BEZEI. DICKE [ern] Mull Streuhorizont L < 1 Mullhorizont Ah > 5 Moder Streuhorizont -L - Fermentationshorizont F > 1 Humushorizont, fak. (H) - -Mullhorizont Ah > 2 Rohhumus Streuhorizont L - Fermentationshorizont F > 2 Humushorizont H > 5 Mullhorizont, fak. (Ah) < 2 humusarm Mullhorizont, fak. (Ah) < 5 In Tab. 7 sind die Bedingungen für einen Verwitterungshorizont Bv auf Serpentinit dargestellt. Die Bezeichnung des Bodensäuregrades erfolgte nach der Vorlage der ARBEITSGRUPPE BODENKUNDE (AGB; 1982, S. 96). In Abb. 5 ist das Flussdiagramm dargestellt, -nach welchem die Benennung der Böden erfolgte.