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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.
Die Arbeit hat den Stand und die Möglichkeiten der Weiterentwicklung der Energieholzerzeugung durch Kurzumtriebsplantagen (KUP) zum Inhalt. Nach der Analyse der Entwicklung dieser relativ neuen Variante zur Bewirtschaftung schnellwachsender Baumarten und ihrer Möglichkeiten werden die damit einhergehenden gesetzlichen Grundlagen analysiert. In diesem Zusammenhang werden neben landwirtschaftlichen Flächen auch andere Optionen der Flächenetablierung betrachtet (Wald, Brachflächen). Schwächen in der Abgrenzung und Förderung, vor allem auf Länderebene, werden diskutiert. Es schließt sich eine ausführliche ökonomische und ökologische Betrachtung des Agrarholzanbaus sowie der Grundlagen der Bewirtschaftung einschließlich der Rohstoffbereitstellung an. Die Analyseergebnisse dienen als Grundlage für die Durchführung von Interviews mit Experten der Thematik schnellwachsender Baumarten. Die Ergebnisse dieser Interviews belegen, dass KUP mehrheitlich als Chance zur langfristigen Energieholzversorgung und Etablierung regionaler Kreisläufe - hauptsächlich im landwirtschaftlichen Sektor - gesehen wird, es jedoch in diesem Zusammenhang noch einer Reihe von Defiziten - unter anderem auf Seiten der Bewirtschaftungstechnik, der Rahmenbedingungen und sonstigen Etablierungshemmnissen - zu begegnen gilt. Nach Überwindung der noch vorhandenen Anlaufschwierigkeiten stehen die Chancen jedoch gut, die Energieholzerzeugung im Kurzumtrieb ökonomisch tragfähig, ökologisch vorteilhaft und sozial verträglich auszubauen und damit sowohl zur Diversifizierung der landwirtschaftlichen Produktion beizutragen als auch den Nutzungsdruck auf den Wald zu verringern.
In this study the mycorrhizal community of the Ericaceae Comarostaphylis arbutoides was investigated to reveal further ectomycorrhizal fungal species that are associated with this tropical plant. Mycorrhizal systems of selected genera were investigated in more detail regarding their phylogeny, morphology, and anatomy as well as the genetic confirmation of the associated host tree.
The genetic investigation of mycorrhizal systems collected at the Cerro de la Muerte (Costa Rica) detected a diverse fungal community. Most common were species of the genera Russula, Cortinarius, and Cenococcum, as well as not further determined members of the Cantharellaceae and Helotiales. The genera Cenococcum, Clavaria/Clavulina, Phellodon, Piloderma, Sebacina, Tomentella/Thelephora, as well as Xerocomus could be proven genetically for the first time from Costa Rica based on mycorrhizal systems.
Comarostaphylis arbutoides was proven to be mycorrhizal with Leotia cf. lubrica, Sebacina sp., and diverse species of the genus Cortinarius. Species of other genera are also assumed, but their confirmation is still to be made.
On the basis of genetics and the investigation of its mycorrhizal systems, the collected Costa Rican Sebacina sp. may constitute a hitherto not described species. However, to confirm this assumption fruit body investigations are necessary. Sebacina sp. was proven in this study to be also mycorrhizal with Quercus sp.
The ascomycete Leotia lubrica was proven to be mycorrhizal for the first time. However, mycorrhizal findings of this species are still rare in literature and further studies are necessary to underpin its new status. As Leotia lubrica occurs worldwide, other host plants, beside the proven Comarostaphylis arbutoides, are assumed for this species as well.
The mycorrhizal samples of the genus Cortinarius could comprise approximately 15 species. Their final determination is still outstanding, but it is assumed that also hitherto not known species were detected in this study. A host preference is indicated as species of Cortinarius are found to be associated either with Comarostaphylis arbutoides or Quercus sp., but needs to be confirmed by including mycorrhizal samples of Quercus trees.
One third of the sequenced mycorrhizal systems still remain unidentified. Therefore, repeated comparison with sequence databases is recommended. The phylogenetic and morphological/anatomical investigation of already identified as well as unidentified mycorrhizal systems is advised to deliver additional descriptions of Costa Rican ectomycorrhizal fungi and therefore contribute to the knowledge of tropical fungal species.
Multidimensional visualization of preferential flow pathways using neutron and x-ray radiation
(2016)
The occurrence of preferential flow of water in soils is rather the rule than the exception particularly in heterogeneous structured soils. The quantitative prediction is difficult because of the spatial as well as temporal variability. One aim of the dissertation was to visualize the soil structure and flow patterns in mine soils using a combination of neutron radiography, neutron tomography and x-ray computed tomography experiments. Both radiation techniques were used to describe preferential pathways as a soil structure with CT and the process of preferential flow of water with NT. For the first time neutron radiation was applied on undisturbed soil cores to visualize water distributions in natural soils on three examples for heterogeneities of different origin.
In a first investigation we used neutron radiography to analyze the moisture distribution in undisturbed slab-type and cylindrical samples of mine soils containing lignitic fragments and inclined soil layers. 2D radiography sequences indicated that flow pathways are highly dependent on the shape, distribution, and internal structure of the lignitic fragments. For 3D experiments, the quantitative analysis of water contents failed due to a pronounced beam hardening effect. The tensiometer data indicated the existence of local non-equilibrium in pressure heads between fragments and matric pore regions.
The objective of the second study was to analyze and visualize the effects of initial soil structure formation at the surface of bare soils in an artificial hydrological catchment that has been left to undirected ecological succession for three years. The three-dimensional (3D) micro-morphology was described using the X-ray computed tomography (CT); two-dimensional (2D) infiltration patterns were obtained from drip infiltration experiments using time-resolved neutron radiography (NT). The analyses of CT data indicate the existence of (i) structural crusts on soil consisting of sandy to loamy sediments and (ii) depositional crusts on sandy sediments. The results of combined observations using CT and NT suggest that the initial soil surface structure alterations of young sandy sediment modify moisture patterns of infiltrating water only slightly.
The aim of the 3rd experiment was to study effect of two ‘ecological engineers’, moss vegetation and beetle larvae on pore structure and infiltration. The soil pore structure was characterized by micro-computed tomography analyses of bare soil, sparse and dense moss-vegetated samples containing a single burrow. Flow patterns of infiltration experiments were visualized using the neutron radiography technique. The results of this study suggest that moss vegetation and burrowing activity of ground beetles strongly control the initial soil development by modification of pore structure and surface water infiltration.
The central topic of this dissertation is the 3D spatial description of geomorphic and sediment mass balance development in initial phases of ecosystem development. The introductory chapters give an overview on the consideration of characteristics and relevance of the initial development phase in geomorphological landform development concepts and summarize the state of the art of research for experimental studies on landform development and for 3D soil-landscape modeling approaches. The central aim of the work is a 3D-spatially and temporally resolved description of the development of mass balances of the sediment solid phase during the initial years of ecosystem development and of its dependence on initial and boundary conditions in the 6 ha, artificially-created catchment ‘Hühnerwasser’. This aim is approached using remotely-sensed data, methods of quantitative soil landscape modeling and geomorphic change detection, and the application of a numerical landscape evolution model. The construction of a 3D volume model of the catchment’s sediment body based on digital elevation data is described. Possibilities for the quantification of sediment mass balances and for the 3D spatial description of sediment properties within this model are discussed. Digital elevation models based on airborne and terrestrial laser scanning and photogrammetry are evaluated for their suitability for sediment mass balance quantification and reconstruction of initial morphologic development; and methods for the modification and combination of elevation data for improved sediment mass balance quantification are described. The development of the catchment’s surface morphometry and of the geometry of the evolving erosion rill network is reconstructed and analysed based on aerial photographs and digital elevation models. Relations between structures of the initial surface and the developing hydro-geomorphic structures are discussed. Effects of initial surface morphology and precipitation characteristics during the initial development phase are further assessed by simulations with a numeric landscape evolution model. Results allow for a quantification of geometry and volume of the catchment’s initial sediment body and for a visualization of sediment layers deposited in time intervals. It is shown that a combination of different elevation data, based on their suitability for depicting the sediment surface in areas of different morphologic and vegetation characteristics, allows for an improved quantification of sediment mass balances. Results allow for a characterization of phases of rill network growth, contraction and stabilization and suggest influences of initial morphology, precipitation characteristics, and developing structure-process-interactions on rill network geometry in the catchment. The phases of hydro-geomorphic surface structure evolution can be related to the spatial organization of surface flow patterns during initial phases of landform development.
Bei der Gewinnung von Braunkohle im entwasserten Tagebauraum kommt es durch die Abgrabung des Floz-Deckgebirges mit Abraumforderbrucken (AFB) zu einem Neuaufbau des Deckgebirge-Schichtenmaterials in der AFB-Innenkippe. Das infolge Sulfidoxidation versauerte Kippenwasser, die unbekannten hydraulischen Eigenschaften und die lockere Lagerung des geschütteten Deckgebirgematerials sind Merkmale der mit dem Grundwasserwiederanstieg verbundenen negativen Auswirkungen. Ausmaß und Zeit der im Laufe des Anstiegs-Prozesses eintretenden Beeinträchtigungen werden von der Verteilung der petrographisch-stofflichen und petrophysikalischen Eigenschaften im Abraummischungskörper bestimmt, welche daher für die Prognose der Wirkungen und gezielte Sanierungsmasnahmen bekannt sein muss. Grundüberlegung für Ansatz und Entwicklung der Geologischen Kippenerkundung aus der Braunkohlenlagerstattenerkundung ist, die Kippe als geo-technogenen Lockergesteinskörper zu sehen, bei dem aufgrund des gerichteten Schüttungsvorgangs und vertikalen Kippscheibenbaus die räumliche Mischungs-Veränderung des abgegrabenen sedimentpetrographischen Materials mit Kern- und Spulbohrungen und geophysikalischen Bohrlochmessungen (BLM, Logs) zu erfassen ist. Die Zusammenhange zwischen den petrophysikalischen (Auswertung Bohrlochmessungen) und petrographisch-stofflichen Eigenschaften (Analytik Bohrkern) der Abraumschüttungskörper mit den besonderen kippengeologischen Merkmalen "Mischung unterschiedlicher Lithologien", "lockere Lagerung und ihre Anderung beim Grundwasseraufstieg" wurden untersucht. Im Ergebnis konnen wie bei naturlich entstandenen Sedimentgesteinskörpern mit schichtenweise petrographisch einheitlich zusammengesetzten und diagenetisch verfestigten Abfolgen zur Verbesserung der Informationsgrundlage uber die schüttungsfolgen auch Spulbohrungen/BLM neben den aufwendigen Kernbohrungen genutzt werden. Die Auswertung der erkundeten raumlichen Verteilung sauregenerierender und puffernder Bestandteile der Abraummischung ergab, das entsprechend dem Faktor Geologie (Zusammensetzung und Machtigkeit der verkippten Deckgebirgsschichten) in der AFBInnenkippe Seese-Ost (Baruther Urstromtal, . 1,5 m Hangendschluff, sulfidhaltig; . 5 m Geschiebemergel, karbonathaltig) wahrend des Kippenwasseraufstiegs die potentiell aus 0,08 bis 0,2 % FeS2 entstehende H2SO4 durch einen Uberschus an CaCO3 vollstandig gepuffert werden. Dagegen weist die Bilanz aus Versauerungs- und Pufferpotential für die AFB-Innenkippe Meuro (Breslau-Magdeburger Urstromtal, . 11 m Hangendschluff, kaum Geschiebemergel) mit 0,7 bis 1,4 % FeS2 in den oberen ca. 25 m der 60 machtigen Abraummischungsfolge Kippenwasser-pH zwischen 1,3 und 1,7 aus. Der Faktor Technologie bedingt die Verkippung bindiger Abraumsedimente vor allem in oberen Kippscheiben, mit der Folge, das die Hangendschluff-Sedimente mit FeS2 in deren kohliger Substanz zu maximaler Versauerung des Kippenwassers der Innenkippe Meuro um das Jahr 2011 führen (GW-Anstieg von ~ 40 auf 80 m NN). Mit den gleichzeitig maximalen Al-Gehalten > 4 % (Ton- und Glimmerminerale) in der Abraummischung sowie Ti und Co, Ni, Zn werden diese Metalle max. erst in diesem Stadium ins Kippenwasser mobilisiert. Im Abraumschüttungskörper Seese-Ost sind maximale Al-Gehalte durch die Ton- und Schluffkomponente der karbonathaltigen Geschiebemergel verursacht. Mit dem für die nordlichen Randfelder des Niederlausitzer Braunkohlenreviers charakteristisch geringmachtigen Hangendschluff, verzahnt mit den "Seeser Sanden", und somit niedriger FeS2-Konzentration korreliert Al im Gegensatz zu Meuro negativ mit FeS2. Durch die vollstandige Pufferung der potentiell freiwerdenden Säure ist eine Mobilisation von Stoffen ins Kippenwasser Seese wenig wahrscheinlich. Für die Porosität, zum Teil Ausdruck des Setzungs- und Sackungspotentials der lockeren Abraumschüttung sind in der Kippe Seese-Ost und Meuro geringste Werte im mittleren und höchste im oberen Teufenabschnitt kennzeichnend. In der Konsequenz ergeben sich aus Kippentopographie und Grundwasserflurabstand Kippenbereiche, in denen das aufsteigende Grundwasser das Korngefüge der locker lagernden Partikel der Abraummischung einregelt und so zur Konsolidierung von Tieflagen führt. Typisch z.B. im "Schwenkende" mit Massendefizit bei in Tagebauaufschwenkrichtung zunehmender Strossenlänge. Dagegen verbleibt in Hochlagen wie dem Tagebau- Drehpunktbereich mit Massenüberschuss 10er m machtig Abraumschüttung in lockerer Lagerung. Die Kippe unterliegt Jahre bis Jahrzehnte den Bedingungen der wasserungesattigten Zone. Der Gastransport durch Diffusion aus der Atmosphäre in die Grundluft ermöglicht über die Zufuhr von verbrauchtem Sauerstoff dabei fortwährend die Sulfid-Oxidation. Die praktizierte Vorgehensweise bei der Sanierung von Wasserhaushalt und - Beschaffenheit ist das "Schnelle Fluten der Restlochseen mit Fremdwasser" (Luckner 1997). In der Kippe steigt dabei - angestrebt mit zeitlicher Verzögerung zum Seespiegelanstieg - das Grundwasser an, nimmt die Reaktionsprodukte der vorangegangenen Sulfid-Oxidation auf und bewirkt, entsprechend der geringen Diffusion in der wässrigen Lösung die gravierende Verringerung des Zutritts von Sauerstoff. Diese Vorgehensweise erfordert nach Flutungsabschluss das Aufrechterhalten eines Gradienten von Restlochseewasser in die Kippen hinein, damit die "hydraulische Einkapselung" des sauren Kippenwassers im Kippenkörper gewahrleistet bleibt. Diese Nachsorge ist auf unbestimmte Dauer notwendig, da das insgesamt in den Kippenkörpern vorhandene Säurepotential ohne Geologische Kippenerkundung nicht bekannt ist. Um die Nachsorge möglichst schnell abzuschließen, wird vorgeschlagen, die "Schadstoffquelle direkt zu bekämpfen" und eine Alkalisierung des sauren Kippenwassers in der Kippe vorzunehmen und - da zeitweilige Gradienten und Stoffströme zum Restlochsee unvermeidbar sind - in Kombination dazu Wasserbehandlung im Restlochsee vorzunehmen. Mit der erkundeten Lage der Bereiche potentiell maximaler Versauerung/Folgereaktionen im Kippenkörper kann z.B. das unterhalb befindliche Tiefenniveau für die flächenhafte Zugabe von, nach der Bilanz notwendigen Mengen an Alkalisierungsmittel in das aufsteigende Grundwasser festgelegt werden.