TY - THES A1 - Lemmnitz, Christine T1 - Charakteristik der Benetzungshemmung quartärer und tertiärer Substrate – Räumliche und zeitliche Variabilität, Schlüsselfaktoren für die Ausbildung und Eingang in die hydrologische Modellierung T1 - Characteristics of soil water repellency of quaternary and tertiary sandy substrates - Spatial and temporal variations, key factors and implementation into hydrological modeling N2 - Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Untersuchung quartärer und tertiärer sandiger Substrate im rekultivierten Bereich des Tagebaus Welzow-Süd im Lausitzer Braunkohlerevier über einen Zeitraum von 28 Monaten. Die Substrate und Substratmischungen wurden auf ihre Benetzungseigenschaften sowohl im Hinblick auf die räumliche Heterogenität und zeitliche Variabilität als auch in Abhängigkeit von Art und Gehalt an organischer Substanz untersucht. Die Bewertung der Benetzungseigenschaften erfolgte mittels Kontaktwinkelmessungen und WDPT-Test in Freiland und Laborstudien. Während die quartären Substrate im gesamten Untersuchungszeitraum durchgehend gut benetzbar waren und als hydrophil eingestuft wurden, wiesen die untersuchten tertiären Sande im feldfeuchten Zustand zum Teil extreme Benetzungshemmung auf. Wie die vorliegende Untersuchung bestätigt, wurde nachgewiesen, dass trotz kleiner gemessener Kontaktwinkel eine ausgeprägte Benetzungshemmung vorliegen kann. Die untersuchten tertiären Substrate sind durch eine hohe horizontale und vertikale räumliche Heterogenität der Benetzungseigenschaften gekennzeichnet. Am oberen Hangbereich und auf den Kuppenbereichen lag überwiegend starke Benetzungshemmung vor. Durch den daraus resultierenden Oberflächenabfluss verbunden mit Substratverlagerung wurden zum Teil erhebliche Reliefänderungen, resultierend in einer ausgeprägten Kuppen- und Rinnenstruktur, beobachtet. Zudem wiesen die tertiären Substrate ein zeitlich stark differenziertes Benetzungsverhalten auf. Während im Winter und im Frühjahr überwiegend eine gute Benetzbarkeit des Substrats bestand, lag im Sommer und im Herbst zum Teil erheblich ausgeprägte Benetzungshemmung vor. Die zeitliche Variabilität der Benetzungseigenschaften des tertiären Substrats wird maßgeblich durch die Luft- und Bodentemperaturen sowie einen kritischen Bodenwassergehalt von 2 Masse-% beeinflusst. Des Weiteren konnten Abhängigkeiten zwischen schwach oder mäßig ausgeprägter Benetzungshemmung und der Niederschlagsmenge nachgewiesen werden. Je höher die Niederschlagsmenge, desto schwächer war die Benetzungshemmung ausgeprägt. Bei vorliegender starker Benetzungshemmung des tertiären Substrats erfolgten Änderungen im Benetzungsverhalten hingegen vor allem durch langanhaltende Niederschlagsereignisse oder Niederschlagsereignisse hoher Intensität. Die Zugabe organischer Substanz verschiedener Art und Herkunft führte in allen Fällen zur Induzierung von Benetzungshemmung. Sowohl in den Freiland- als auch in den Laborversuchen wurde mit steigendem Gehalt an organischem Kohlenstoff eine stärker ausgeprägte Benetzungshemmung nachgewiesen. Für die untersuchten Substrate konnte ein kritischer Wert von 0,25 % organischen Kohlenstoffs ermittelt werden, unterhalb dessen vorwiegend Benetzbarkeit der Substrate vorlag. Als Haupteinflussparameter für die Ausbildung der Benetzungseigenschaften des tertiären Substrats wurden die Parameter Globalstrahlung und Lufttemperatur sowie der Bodenwassergehalt mittels multivariater statistischer Methoden identifiziert. Ein konzeptioneller Ansatz zur Implementierung des Parameters Benetzungshemmung in die hydrologische Modellierung ermöglicht mittels meteorologischer und bodenphysikalischer Parameter die exemplarische Zuordnung von tertiären Substratproben in Gruppen mit hydrophilen, mäßig benetzungsgehemmten und sehr stark benetzungsgehemmten Eigenschaften ohne direkte Messung der Benetzungshemmung. Der integrierte Versuchsansatz zur in situ Charakterisierung der Benetzungseigenschaften verschiedener Substrate und Substratmischungen im Freiland und ergänzender Laborstudien ermöglicht eine verbesserte Analyse der pedologischen und hydrologischen Prozesse der „critical zone“. Erstmalig wurde im Rahmen der vorliegenden Dissertation anhand meteorologischer Parameter und dem Bodenwassergehalt eine Zuordnung von Benetzungseigenschaften durchgeführt. Die im Rahmen der vorliegenden Datenanalyse gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich der die Benetzungshemmung beeinflussenden Parameter bieten einen konzeptionellen Ansatz zur qualitativen Weiterentwicklung mathematischer Prozessmodelle der Abflussbildung. Die vorliegende Studie ermöglicht eine Abschätzung der vorliegenden Benetzungseigenschaften anhand meteorologischer Parameter sowie kritischer Werte für den Bodenwassergehalt und den Gehalt an organischem Kohlenstoff. Durch die Einbindung in hydrologische und Erosionsmodelle wird damit im Weiteren die Möglichkeit gegeben, Oberflächenabflüsse und Bodenabträge von benetzungsgehemmten Flächen zu prognostizieren. Vor dem Hintergrund veränderter Niederschlagsmuster mit einer Häufung meteorologischer Extremereignisse ist eine Einstufung der Bodensubstrate in Gefährdungsklassen zweckmäßig, da die Ausbildung von Benetzungshemmung vor allem unter trockenen und warmen Bedingungen begünstigt wird. Somit kann ein Instrument geschaffen werden, um Bodendegradierung als Folge von Benetzungshemmung wirksam vorzubeugen. N2 - Water repellency of quaternary and tertiary sandy substrates was investigated in the present study over a period of 28 months. Spatial heterogeneity and seasonal variability of the soil water repellency as well as their dependence on their content and kind of soil organic matter were investigated at the study area “Neuer Lugteich” situated in the recultivation area of the open pit lignite mine Welzow-Süd. Quaternary substrates remained wettable during the whole study period while extreme water repellency was partially shown by the tertiary substrates in field moist state. As presented here extreme water repellency can be found in soils in spite of small contact angles measured. The WDPT tests showed a differing result but were strongly correlated to the contact angle measurements. Thus, in order to prevent underestimation failures in assessing soil water repellency it is recommended to apply several methods for the assessment of soil water repellency. The tertiary substrate exhibited a differing soil water repellency depending on the season. Wettable conditions were predominating during winter and spring season, whereas prevailing repellency was present during summer and autumn, distinctly controlled by soil and air temperatures as well as a critical soil water content. Temporal changes in soil water repellency are ascribed to antecedent rainfall. Furthermore, the tertiary substrate was characterized by high horizontal and vertical spatial variability of soil water repellency. At the top areas and top of the hillslope strong soil water repellency was prevailing. In addition, the resulting increased surface runoff generation and related soil erosion led to the formation of a complex drainage network by erosion rills. No or weak correlation was detected between soil water repellency and soil organic carbon content. The application of organic matter of different origin induced soil water repellency in all cases. Increasing soil water repellency was connected with increasing organic carbon content in the field as well as in the laboratory studies. A critical content of 0.25 % organic carbon was determined for the studied substrates, corresponding with the critical soil water content. Global radiation, air temperature and soil water content were identified as main contributing factors on the development of soil water repellency by multivariate statistical analysis. The allocation of samples of the tertiary substrate into groups of different grades of repellency (hydrophilic, moderate and extreme water repellency) was possible by means of meteorological and soil physical parameters due to statistical data analysis. Thus, soil water repellency can be implemented into hydrological modeling without direct measuring the water repellency. The integrated experiment on in situ characterization of water repellency of different substrates in field and laboratory studies allows for an enhanced process analysis. Based on the findings of the present study, the actual status of soil water repellency has been qualitatively assessed by critical contents of soil water and soil organic carbon as well as meteorological parameters for the first time. With regard to changing precipitation patterns combined with an increase in meteorological extremes contributing to soil water repellency this study provides the feasibility to assess indirectly actual water repellency of substrates and soils. Moreover, it allows the assessment of soil surface runoff and soil losses enhanced by soil water repellency due to implementing soil water repellency into hydrological and erosion models. Therefore, a classification in risk classes referring to soil water repellency is possible. KW - Hydrophobicity KW - Soil water repellency KW - Surface runoff generation KW - Erosion KW - Reclaimed mining area KW - Benetzungshemmung KW - Hydrophobie KW - Oberflächenabfluss KW - Erosion KW - Rekultivierung KW - Hydrophobie KW - Wiedervernässung KW - Erosion Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-34602 ER - TY - THES A1 - Adesipo, Adegbite Adeleke T1 - Practical approach to reclamation of post-mining sites T1 - Praktischer Ansatz zur Rekultivierung von Bergbaufolgelandschaften N2 - In order to integrate necessary interdisciplinary complexity, sustainability, defined targets and endpoints for reclamation progress, the objective of this research is to advance reclamation knowledge on (i) international scale and (ii) national scale, taking Nigeria as an example. On the international scale (i), a systematic reclamation threshold scale for assessing, evaluating, documenting, and monitoring reclamation progress was developed. The threshold stages begin from the initial state I0 down to degraded state D0 (depending on the type of mining). Reclamation starts with soil reconstruction R-2 up to revegetation R-1 (red zones) to reach minimum threshold R0 (amber zone). Beyond R0 are the green zones R1, R2, and R3 representing soil/abiotic condition, biological and improved threshold respectively. Adaptation of the threshold model to degraded ecosystems in national and international laws is recommended. On the national scale with Nigeria (ii), endowed with over 34 solid minerals and abundant crude oil, findings show that almost all mine sites are below the minimum threshold scale R0. The sites are adversely affected by Artisanal and Small Scale Mining (ASM), whereby, contamination and soil lithology disturbances are the state-of-the-art discussions. However, bioremediation (phytoremediation) is the most feasible remediation technique. Therefore, for the crude oil contaminated sites, this study highlights typical cogitation for large in-situ implementation and potential species for remediation. For the mineral resources, gold mining was the typical example. As a practical approach, experimental areas on an abandoned mining site (Site 1), an active mining site (Site 2) and an undisturbed vegetation site (Control) in southwestern Nigeria were mapped out to represent its mining and farming activities. On the sites, (a) the impacts of the ASM activities on the floristic association were assessed. (b) the potential of 2D Electrical Resistivity Tomography (ERT) was explored to characterize the horizontal and vertical landscape homogeneity of the mine sites, and lastly, (c) the study identified native high-accumulating plants growing on the sites that can be employed for phytoremediation. Thus, the results show that (a) the floristic association of the mine sites have been stressed and disturbed. (b) the resistivity structure of the sites shows that ASM has greatly impaired the lithological status of the sites. (c) out of the 9 considered species, Crinum jagus has the highest accumulation factor of 8.71, 37.47, 1.08 and 29.38 for Pb, Cd, Fe and Cu respectively. It is a recommendable novel plant in the tropics. However, future studies must verify its hyperaccumulator potentials, identify other high accumulating species and develop effective approaches and policies to curb ASM activities and enhance remediation in Nigeria. N2 - Um die notwendige interdisziplinäre Komplexität, Nachhaltigkeit, definierte Ziele und Endpunkte für den Rekultivierungsfortschritt zu integrieren, besteht das Ziel dieser Forschung darin, das Wissen über die Rekultivierung auf (i) internationaler Ebene und (ii) nationaler Ebene am Beispiel Nigerias zu erweitern. Auf internationaler Ebene (i) wurde eine systematische Schwellenwertskala für die Bewertung, Evaluierung, Dokumentation und Überwachung des Rekultivierungsfortschritts entwickelt. Die Schwellenwerte beginnen mit dem Ausgangszustand I0 und reichen bis zum degradierten Zustand D0 (je nach Art des Bergbaus). Die Rekultivierung beginnt mit der Bodensanierung R-2 bis zur Begrünung R-1 (rote Zonen), um die Mindestschwelle R0 (gelbe Zone) zu erreichen. Jenseits von R0 befinden sich die grünen Zonen R1, R2 und R3, die den Boden/abiotischen Zustand, die biologische und die verbesserte Schwelle darstellen. Es wird empfohlen, das Schwellenwertmodell an degradierte Ökosysteme in nationalen und internationalen Gesetzen anzupassen. Auf nationaler Ebene, d. h. in Nigeria (ii), liegen die meisten Standorte unterhalb des Mindestschwellenwerts R0, wobei die Kontamination und die Störung der Bodenlithologie durch den handwerklichen Bergbau und den Kleinbergbau (ASM) den Stand der Diskussion darstellen. Die Bioremediation (Phytosanierung) ist jedoch die praktikabelste Sanierungsmethode. Daher werden in dieser Studie für die mit Erdöl kontaminierten Standorte typische Überlegungen für eine großflächige In-situ-Umsetzung und potenzielle Arten für die Sanierung aufgezeigt. Bei den Bodenschätzen war der Goldbergbau das typische Beispiel. Als praktischer Ansatz wurden Versuchsflächen in einem stillgelegten Bergbaugebiet (Ort 1), einem aktiven Bergbaugebiet (Ort 2) und einem ungestörten Vegetationsgebiet (Kontrolle) im Südwesten Nigerias kartiert, um die dortigen Bergbau- und Landwirtschaftstätigkeiten darzustellen. An diesen Standorten wurden (a) die Auswirkungen der ASM-Aktivitäten auf die floristische Assoziation bewertet. (b) wurde das Potenzial der 2D-Tomographie des elektrischen Widerstands (ERT) untersucht, um die horizontale und vertikale Landschaftshomogenität der Minenstandorte zu charakterisieren, und schließlich (c) identifizierte die Studie einheimische Pflanzen mit hoher Akkumulation, die auf den Standorten wachsen und für die Phytosanierung eingesetzt werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass (a) die floristische Zusammensetzung der Grubenstandorte gestresst und gestört ist. (b) die Widerstandsstruktur der Standorte zeigt, dass der ASM den lithologischen Zustand der Standorte stark beeinträchtigt hat. (c) Von den neun betrachteten Arten weist Crinum jagus den höchsten Akkumulationsfaktor. Sie ist eine empfehlenswerte neue Pflanze in den Tropen. Zukünftige Studien müssen jedoch ihr Hyperakkumulationspotenzial verifizieren und wirksame Ansätze und Strategien entwickeln, um die ASM-Aktivitäten einzudämmen und die Sanierung in Nigeria zu verbessern. KW - Ecological indicators KW - Functional species KW - Dendroremediation KW - Geophysical techniques KW - Crinum jagus KW - Ökologische Indikatoren KW - Funktionelle Arten KW - Dendrosanierung KW - Geophysikalische Techniken KW - Crinum jagus KW - Nigeria KW - Rekultivierung KW - Bergbaunachfolgelandschaft KW - Phytoremediation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-58719 ER -