FG Geopedologie und Landschaftsentwicklung
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The central theme of this thesis revolves around the impacts of historic charcoal burning on todays soils and soil landscapes in Connecticut, USA. The first chapter gives an overview of the state-of-research regarding the spatial distribution, morphology and chemical- as well as physical soil composition of so called relict charcoal hearth (RCH) landforms. RCHs can be described as unique soil microhabitats in the context of flora and fauna growth. The central research aim of the thesis is led by the question: How and to what extend does the historical charcoal industry control the distribution, development and properties of present day soils in Connecticut, USA? This thesis presents results from two field-campaigns in 2017 and 2018 where 52 RCH sites were surveyed and sampled in Litchfield County, Connecticut. The resulting dataset comprises of more than 1245 soil samples from 154 soil profiles and detailed stratigraphic and morphometrical information for all RCH sites. RCH landforms result in three distinct soils: charcoal rich horizons (Auh horizons), mineral soil horizons dividing multiple Auh horizons horizontally (Cu horizons) and buried former topsoil’s (Ahb horizons) or buried mineral soil horizons (Bwb horizons). Sites on flat terrain (< 4° slope) have mostly one Auh horizon, while sites on steeper terrain (> 4° slope) have mostly two, sometimes up to three Auh horizons. The total volume of sites on slopes is positively correlated to the local slope, i.e. it increases with larger steepness of the terrain. Compared to reference soils, RCH soils are enriched in total soil organic carbon and especially in pyrogenic carbon. Vertical gradients of organic carbon concentrations in Auh and Cu horizons suggest an enrichment of non-pyrogenic organic matter in the topsoil and a vertical translocation of highly aromatic carbon compounds into intermediate and buried soil horizons. Furthermore, Auh horizons have a lower bulk density, a higher crystallinity ratio (Fed/Fet) of pedogenic iron oxides and are enriched in exchangeable elements (Ca2+, Mg2+, Mn2+) as well as oxalate extractable manganese-oxides compared to reference soils. A deep-learning based automated mapping workflow called ARCHMAGE (Automated Relict Charcoal Hearth Mapping and Geospatial Exploration) was created to gain a continuous, state wide database of RCH sites locations and other relevant geospatial information. This database, in combination with calculation of site specifics RCH volumes and soil carbon stocks, showed that in regions with high RCH site densities, significant additions to local soil organic and especially pyrogenic carbon stocks are present. This effect is scale dependent, with a larger effect size on county scale and below (≤ 1:650,000).
Bioabfälle sind eine wertvolle Ressource, welche laut Kreislaufwirtschaftsgesetzt (KrWG) möglichst umfassend genutzt werden sollte. Hierfür bietet sich neben der aeroben Kompostierung der Einsatz von kommunalen Bioabfälle in Biogasanlagen an, wodurch neben dem stofflichen zusätzlich ein energetisches Recycling erfolgt. Um Gärreste im natürlichen Stoffkreislauf ganzheitlichen bodenbezogen einsetzen zu können, müssen rechtliche Qualitätsanforderung der Bioabfallverordnung (BioAbV) und der Düngeverordnung (DüV) eingehalten werden, was eine nachgelagerte Aufbereitung der Gärreste bedingt. Dabei ist die Landwirtschaft schon heute der Hauptabnehmer der bei der Bioabfallbehandlung erzeugten Komposte und Gärreste.
Bedingt durch das heterogene Ausgangsmaterial Bioabfall und der anaeroben Behandlungsmethode unterscheiden sich die entstehenden Bioabfallgärreste von klassischen organischen Düngern (Mist, Kompost und Klärschlamm). Über die bodenphysikalische Wirkung aufbereiteter Bioabfallgärreste ist wenig bekannt, da der Fokus bei Abfallstoffen bisher eher auf den chemischen und biologischen Parametern liegt. Gemeinhin wird eine positive bodenphysikalische Wirkung bei Zuführung von organischer Substanz impliziert. Diese Annahme zu prüfen, ist Forschungsgegenstand dieser Arbeit.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Wirkung von vier unterschiedlich aufbereiteten Gärrestprodukten aus der Bioabfallvergärung auf die bodenphysikalischen Kennwerte in einem dreijährigen Feldversuch und fünf Gefäßversuchen (sandiger Boden) untersucht. Die verwendeten Gärrestsubstrate entstammen einer zweistufigen Biogasanlage und wurden im Nachgang nochmals kompostiert sowie teilweise pelletiert. Zur Charakterisierung des Einflusses der Gärrestprodukte auf die bodenphysikalischen Kennwerte wurden an gestörten und ungestörten Bodenproben aus dem Feldversuch sowie den Gefäßversuchen die Parameter Textur, Lagerungsdichte, Kennwerte der Wasserbindung, gesättigte Wasserleitfähigkeit und Luftleitfähigkeit unter Laborbedingungen bestimmt.
Die Applikation von aufbereiteten Bioabfallgärreste auf landwirtschaftlichen Nutzflächen führt zu einer Zunahme des Gehalts an organischer Substanz im Boden und kann damit positiv auf die bodenphysikalischen Eigenschaften wirken. Innerhalb des dreijährigen Feldversuches und der Gefäßversuche konnten jedoch keine signifikanten Effekte der aufbereiteten Gärrestprodukte auf die bodenphysikalischen Kennwerte festgestellt werden. Da die Wirkung organischer Dünger auf physikalische Bodeneigenschaften sowohl von der applizierten Menge als auch von der Versuchsdauer abhängen, sind Effekte voranging in Langzeitversuchen festzustellen, was bei zukünftigen Versuchsdesignen beachtet werden sollte.
Im Rahmen des von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projektes „Erfassung und Bewertung von vorindustriellen Meilerstandorten in Brandenburg – Ein Beitrag zur Bewahrung, Sicherung und nachhaltigen Nutzung einer historischen Kulturlandschaft” (Az 34082/01) wurde ein Lehrpfad im Tauerschen Forst angelegt. Der Köhlerpfad Waldschule Kleinsee übernimmt eine wichtige Funktion bei der Vermittlung von archäologischen und umweltwissenschaftlichen Themen für Bildungseinrichtungen und für die interessierte Öffentlichkeit. Der Begleitband zum Köhlerpfad ergänzt die an vier Stationen des Lehrpfads vermittelten Themen zur „Historischen Köhlerei im Tauerschen Forst“, „Aufbau und Betrieb eines Holzkohlemeilers“, „Relikte der historischen Köhlerei“ und „Historische Köhlerei als Forschungsthema“. Darüber hinaus bietet der Begleitband umfassendes Hintergrundwissen zur historischen Köhlerei im Allgemeinen und zur Köhlerei im Tauerschen Forst im Speziellen.
In diesem Band sind verschiedene Beiträge zur Landnutzungsgeschichte in der Niederlausitz und im Erzgebirge zusammengefasst. Die ersten vier Beiträge befassen sich mit historischen Ackerfluren und Wölbäckern in der Niederlausitz. Archäologische Untersuchungen, in Kontext gestellt mit archivalischen Quellen und historischen Karten, geben gemeinsam mit dem Einsatz naturwissenschaftlicher Methoden und Visualisierungen hochauflösender LiDAR-Daten neue Einblicke in die ehemalige Landnutzung. Der fünfte Beitrag aus dem Erzgebirge beschreibt die Nutzung von ehemaligen Meilerplätzen als Quellengattung der Montanarchäologie.
In diesem Band finden sich das Programm und die Kurzfassungen der Beiträge zur Jahrestagung 2020 des Deutschen Arbeitskreises für Geomorphologie, die am 28. und 29.9.2020 als virtuelle Konferenz stattgefunden hat. Die Tagung wurde von der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) ausgerichtet und von 120 Teilnehmer*innen besucht. Das Tagungsthema lautete „Anthropogenetische Geomorphologie – Geomorphologie im Anthropozän“ und befasste sich mit der aktuell unter verschiedenen Aspekten diskutierten Frage des Einflusses des Menschen auf seine natürliche Umgebung. Die Lausitz bietet mit den Bergbauaktivitäten eine Vielzahl von Beispielen von tiefgreifenden Veränderungen der Erdoberflächenformen durch menschliche Einflüsse. Die insgesamt 23, auf zwei Themenblöcke aufgeteilten Vorträge sowie 21 Posterbeiträge in drei thematischen Sessions zeigten darüber hinaus zahlreiche weitere Beispiele aus verschiedenen Regionen weltweit. Der internationale Charakter der Tagung wurde durch die große Zahl englischsprachiger Beiträge unterstrichen.
Dieser Band umfasst die Vorträge eines Workshops, der im Rahmen des DBU-Projekts „Bewahrung von vorindustriellen Meilerstandorten in Brandenburg – Ein Beitrag zur modellhaften Sicherung und nachhaltigen Nutzung einer durch anth-ropogene Umwelteinflüsse gefährdeten historischen Kulturlandschaft“ am 19. Februar 2019 an der BTU in Cottbus durchgeführt wurde. Ziel des DBU-Projekts ist es, vorindustrielle Meilerstandorte im Land Brandenburg möglichst flächenhaft zu erfassen und deren Denkmalwert zu ermitteln, um einen Beitrag zum Schutz dieser bisher kaum beachteten Bestandteile der historischen Kulturlandschaft zu leisten. In der Modellregion Niederlausitz wird ein auf GIS-Methoden basiertes Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe Strategien und Konzepte erarbeitet werden, die auch in anderen Regionen die Bewahrung historischer HKM-Landschaften und anderer vorindustrieller Kulturlandschaftsrelikte erlaubt. Wesentliches Element des Verfahrens ist eine Musteranalyse, mit der das Mosaik an HKM-Standorten und die Bezüge ganzer HKM-Gruppen zu weiteren Kulturrelikten und v. a. auch Hinterlassenschaften der historischen Landnutzung dargestellt werden. So lassen sich Kategorien für die Schutzwürdigkeit einzelner Standorte oder ganzer HKM-Areale ableiten, auf deren Grundlage die Ausweisung von Schutzgebieten erfolgen kann. Aufgrund der Zusammenarbeit von Behörden und einer Universität sowie durch die Einbindung lokaler und regionaler Akteure der unterschiedlichen Fachdisziplinen können hier Nutzungs- und Interessenkonflikte im Schnittbereich von Denkmal-, Natur- und Umweltschutz praxisnah vermieden werden. Die Beiträge in diesem Tagungsband reichen von aktuellen Ergebnissen der Meilerforschung bis hin zu denkmalpflegerischen Aspekten und bilden eine wichtige Grundlage für die Diskus-sion in dem o.g. DBU-Projekt.
The provision of nutrients and organic matter to arable soils is critical to facilitate an intensive agriculture and secure long-term soil functionality. Municipal organic waste (MOW) is rich in nutrients and organic matter and its recycling onto agricultural lands presents a promising alternative to conventional fertilizers. In comparison to common aerobic treatment, the application of the biogas technology enables the recovery of both energy and soil amendments. The introduction of a mandatory separate collection in Germany in 2015 reflects the political will to increase MOW recovery rates and facilitates its utilization as feedstock in biogas plants. However, MOW is a challenging feedstock as its composition varies and it is often contaminated with impurities such as plastics and metals. The two-stage anaerobic digestion process with dry fermentation is very robust and offers possibilities for process control so that no extensive MOW pretreatment is required. To close nutrient circles, remaining digestates shall be processed to soil amendments, which can be redistributed to arable land. However, less is known about digestate properties from two-stage digestion of MOW and how they are influenced during the treatment process. Furthermore, only scarce information on nutrient recovery rates and the accumulation of elements during processing is available. Therefore, this thesis investigates the development of digestate properties during anaerobic and subsequent aerobic treatment at laboratory and semi-industrial scale. During a first experiment, changes in nutrient and heavy metal concentration in the solid digestate were monitored during anaerobic treatment of MOW in a two-stage laboratory biogas plant. A second investigation related amendment properties of MOW digestate of one origin to different post-treatment procedures. The impact of drying, composting and sieving on final digestate properties and specifically nutrient availability and heavy metal and carbon elution was evaluated. A third experimental approach investigated total material and substance flows during treatment of source-separated MOW in a semi-industrial scale two-stage biogas plant and subsequent digestate composting including impurities removal.
Ausgangspunkt für die vorliegende Arbeit war die Annahme, dass die archäologisch dokumentierte historische und moderne Holzkohleproduktion (17. bis 19. Jhd.) im Gebiet der Niederlausitzer Braunkohlentagebaue (Südbrandenburg) äolische Dynamik i.S. einer Umweltverwüstung auslöste. Hauptgegenstand der Untersuchungen waren natürliche sowie nutzungsbedingte Veränderungen des Reliefs und des Bodens im Bereich von Kleintälern, Dünen- und Flugsandfeldern. Die vorliegende Arbeit setzt sich mit den kausalen Zusammenhängen zwischen Landschaftsentwicklung (Relief-, Substrat- und Pedogenese) und (prä-)historischer Landnutzung, insbesondere im Hinblick auf die Rekonstruktion geomorphologischer Teilaktivitäts- bzw. –stabilitätsphasen auseinander. Sie knüpft damit an eine Reihe jüngerer Arbeiten zur postglazialen Landschaftsentwicklung in Ost- und Nordostdeutschland an. Zur räumlichen und zeitlichen Abgrenzung und zur Charakterisierung der äolischen Dynamik sowie der pedogenen Entwicklung wurden mittels sedimentologisch-bodenkundlicher Methoden pedostratigraphische Detailuntersuchungen an archäologischen Sondagen und begrabenen Bodenprofilen durchgeführt. Die chronologische Einordnung der Befunde in den Kontext der Kultur- und Siedlungsgeschichte erfolgte Anhand 29 optisch stimulierter Lumineszenz-Datierungen (OSL) an äolischen und fluvialen Sedimenten sowie anhand 27 14C-Datierungen an begrabenen Böden. Archäologische Befunde sowie historische Karten wurden in die Betrachtung einbezogen und trugen wesentlich zur Rekonstruktion der Landschaftsgeschichte bei. Im Ergebnis der Untersuchungen wurden neun Phasen morphologischer Teilaktivität bzw. -stabilität identifiziert. Phasen äolischer Aktivität wurden für die jüngere Dryas, das durch Menschen wenig beeinflusste Präboreal/Boreal sowie mehrheitlich für das ältere Holozän nachgewiesen. Äolische Umlagerungsprozesse und Bodenbildungen konnten zudem mit germanischen und mittelalterlichen sowie erstmals mit modernen Siedlungs- und Landnutzungsphasen korreliert werden. Die äolische Umlagerung konzentriert sich dabei vor allem auf siedlungsnahe Randbereiche. Siedlungsferne Bereiche sind aufgrund ihrer Marginalität bzw. ihrer anhaltend forstlichen Nutzung dagegen unbeeinflusst. Phasen morphologischer Stabilität sind durch Bodenbildungen sowie Nachweise ehemaliger ackerbaulicher Nutzung charakterisiert. Als maßgebliche pedogenetische Prozesse wurden die für Mitteleuropa typische Verbraunung/Verlehmung und Podsolierung identifiziert. Die Podsolierung der Braunerden fand den Ergebnissen zufolge frühestens in der Bronzezeit statt. Die jüngste Phase wurde auf ca. 250 Jahre alten äolischen Sedimenten nachgewiesen. Die vorliegenden Ergebnisse bekräftigen die bislang vorliegenden Ergebnisse überregionaler Forschungen zur Thematik, tragen aufgrund ihrer Regionalität und Interdisziplinarität jedoch wesentlich zum Verständnis der Kultur- und Landschaftsentwicklung in der Niederlausitz bei.
Obwohl die pleistozänen Vereisungen bereits lange Gegenstand geowissenschaftlicher Forschung sind, wird das jüngste Glazial bezüglich Ausmaß und Chronologie kontrovers diskutiert. Für die spanischen Zentralpyrenäen wird derzeit, wie auch für andere Vergletscherungsgebiete während des Spätpleistozäns, eine zum globalen letzten glazialen Maximum (gLGM) frühere und damit asynchrone Vereisung angenommen. Aufgrund der zeitlichen Differenz von 10 ka bis 30 ka vor dem gLGM ist in den spanischen Zentralpyrenäen eine im Vergleich zu den gLGM-zeitlich geprägten Vergletscherungsgebieten differenzierte Geomorphodynamik und Bodenbildung zu erwarten. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Darstellung der spätquartären Bodenentwicklung und Geomorphodynamik in zwei benachbarten Tälern der spanischen Zentralpyrenäen, die beide von gLGM-asynchronen Gletschervorstößen geprägt wurden. Die Untersuchungen wurden mittels einer Kombination sedimentologischer und bodenkundlicher Methoden durchgeführt, um neben der Identifikation der Sedimentfazies die pedogene Entwicklung darzustellen. Die chronologische Einordnung der Befunde erfolgte mittels 15 optisch stimulierter Lumineszenzdatierungen (OSL-Datierungen) und einer 14C-Datierung.
Die Ergebnisse belegen eine prozessual sehr ähnliche Landschaftsentwicklung wie in den mitteleuropäischen Glazial- und Periglazialgebieten. Zwar konnten in der vorliegenden Arbeit keine rißzeitlichen Sedimente datiert werden, die intensive Lessivierung auf den als rißzeitlich beschriebenen lössbedeckten Terrassen wird aber auf die Entwicklung einer Parabraunerde während des letzten Interglazials zurückgeführt. Mit dem Würm beginnt sowohl im Glazialraum als auch im Extraglazialraum eine Phase aktiver Geomorphodynamik. Für den Periglazialbereich können Lössanwehung um 61 ± 4 ka und Solifluktion um 55 ± 5 ka nachgewiesen werden. Die über glazialen Sedimenten hangenden und von Solifluktion und Lösseintrag geprägten Hauptlagen wurden zwischen 14,4 ± 1,2 ka bis 10,6 ± 0,8 ka gebildet. In den rezent von Lessivierung gekennzeichneten Hauptlagen wurden bei den mikromorphologischen Untersuchungen keine Pedorelikte einer früheren Bodenbildung gefunden. Dies weist unter Berücksichtigung der Altersdifferenz von etwa 20 ka zwischen den hier datierten Hauptlagen und dem bisher angenommenen Alter des letzten Gletschervorstoßes um 35 ka entweder auf eine markante Stabilität der Landschaft ohne jegliche Bodenentwicklung über einen Zeitraum von 20 ka oder auf eine massive Erosion vor 14,4 ka. Aufgrund der methodisch problematischen OSL-Datierungen, auf denen die Asynchronitätstheorie basiert, muss die gLGM-asynchrone Chronologie der spanischen Zentralpyrenäen stark angezweifelt werden. Diese Schlussfolgerung wird untermauert durch die in der jüngsten Literatur mehrfach beschriebenen maximalen Gletschervorstöße in den östlichen Pyrenäen, die zum gLGM-synchrone Alter aufweisen, und in Anbetracht der Befunde aus der vorliegenden Arbeit.
Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen sollten zeigen, ob das Verfahren der Mikrobiellen Carbonisierung ein alternatives Behandlungsverfahren zur Anhebung der Kohlenstoff- und Nährstoffgehalte von Kompost ist und sich Emissionen einsparen lassen. Hierzu wurde das Verfahren der Mikrobiellen Carbonisierung einer offenen Kompostierung in verschiedenen Versuchsreihen gegenübergestellt, in denen neben Prozessbedingungen auch die Substrateigenschaften untersucht wurden.
Die Untersuchungen zeigen, dass die Endsubstrate der Mikrobiellen Carbonisierung eine hohe Kohlenstoffeffizienz aufweisen. Die höheren Kohlenstoffgehalte der MC-Komposte im Vergleich zu konventionellen Komposten gehen mit einem höheren Wasserhaltevermögen einher, das insbesondere in niederschlagsarmen Regionen bei der Kompostanwendung vorteilhaft sein kann. In Bezug zu den übrigen Nährstoffen, konnten keine signifikant höheren Konzentrationen in den MC-Komposten im Vergleich zu den konventionell erzeugten Komposten festgestellt werden.
Darüber hinaus sollte im Rahmen der Arbeit die Frage beantwortet werden, ob mikrobiell karbonisierte Komposte gütegesichert sind und einen Beitrag zur Steigerung von Erträgen leisten können. Die Untersuchungen zeigen, dass die Schwermetallgrenzwerte insbesondere bei den MC-Komposten sowohl die Bioabfallverordnung, als auch die Düngemittel-verordnung nahezu immer einhalten. Hinsichtlich der Seuchen- und Phytohygiene sind die MC-Substrate nach einer achtwöchigen Behandlung als unbedenklich anzusehen und halten die Vorgaben der Bioabfallverordnung bezüglich der Prüfkriterien und Indikatororganismen ein. Präventiv wird jedoch eine zwölfwöchige Behandlung empfohlen, da die physikalischen Hygienisierungsfaktoren der Bioabfallverordnung, im speziellen die Temperaturführung, nicht eingehalten werden. Dies ist im Wesentlichen auf die mesophilen Prozessbedingungen bei der Mikrobiellen Carbonisierung zurückzuführen. Durch eine Sondergenehmigung des Verfahrens ist jedoch eine Marktfähigkeit gegeben.
Die durchgeführten Versuchsreihen zeigen überdies, dass die Emissionen bei der Mikrobiellen Carbonisierung im Vergleich zur offenen Kompostierung signifikant geringer sind. Dies kann auf den geringeren Mineralisierungsgrad der MC-Komposte zurückgeführt werden, da bei der Mikrobiellen Carbonisierung im Gegensatz zur Kompostierung keine aktive Belüftung oder mechanische Umsetzung der Substrate stattfindet.
Des Weiteren ist der technische und apparative Aufwand bei der Mikrobiellen Carbonisierung geringer als bei der offenen Kompostierung. Dies führt dazu, dass die Mikrobielle Carbonisierung in ökonomischen Aspekten anderen am Markt verfügbaren Technologien überlegen ist.
