Geopedology and Landscape Development Research Series
ISSN 2196-4122
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13
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).
12
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.
11
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.
10
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.
9
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.
8
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.
7
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.
6
Die archäologische Erschließung von bislang über 1000 Relikten ehemaliger Holzkohlemeiler im Vorfeld des Braunkohletagebaues Jänschwalde in der Niederlausitz führte zu einer umfassenden Untersuchung des örtlichen vorindustriellen Kulturlandschaftswandels. In diesem Kontext sollte der Hauptabnehmer der hier produzierten Holzkohle, das Peitzer Eisenhüttenwerk, auch aus historiographischer Perspektive eingehender untersucht werden. Ziel der vorliegenden Dissertation ist demnach die Bewertung des Einflusses, den der Betrieb des Werkes auf die Kulturlandschaft im Untersuchungsgebiet ausübte. Neben der quellenbasierten Aufarbeitung der Werksgeschichte wurde hierbei vor allem die Organisation der Rohstoffnutzung hinsichtlich Erschließung, Transport und Verbrauch aller für die Eisenproduktion benötigten Ressourcen, wie auch der zugehörigen Abbaugebiete und Forstreviere analysiert. Die angewandte Methodik folgte der gängigen historiographischen Arbeitspraxis der Quellenkritik einschlägiger archivalischer Dokumente und der Literaturanalyse. Dabei zeigte sich unter anderem, dass der Einfluss des Hüttenwerkes nicht isoliert vom Geflecht staatlicher Wirtschaftsinteressen betrachtet werden kann, sondern nur ein in zeitlicher Perspektive veränderlich gewichteter Aspekt in den Erwägungen zur wirtschaftlichen Inwertsetzung der Landschaft darstellte. Die durch äußere und innere Faktoren eingeschränkte Eisenproduktion, die sich nahezu durch die gesamte Betriebszeit des Hüttenwerkes zog sowie die gleichzeitige stetig angestiegene Konkurrenz in- und ausländischer Eisenproduzenten führte im Laufe des 18. Jahrhunderts zu einem zunehmenden Bedeutungsverlust des Werkes innerhalb der wirtschaftlichen Erwägungen Preußens. In gleichem Maße nahm die potentielle Einflussnahme des Werkes auf die Kulturlandschaft ab, da auch der Zugriff auf das Holz immer stärker reglementiert wurde. Dennoch stellte das Peitzer Eisenhüttenwerk ein Symbol für den vorindustriellen Wandel einer Kulturlandschaft dar, die vornehmlich mit der industriellen Braunkohleförderung in Verbindung gebracht wird.
5
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.
4
Detection and behavior of iron-cyanide complexes in soils of a former Manufactured Gas Plant site
(2014)
Soils and groundwater on sites of the former Manufactured Gas Plants (MGPs) are contaminated with various complex iron-cyanides (Fe-CN). The aim of this thesis was to evaluate a new method for the CN detection and to investigate the stability and retardation of Fe-CN complexes in soils. This study seeks for enhancing the efficiency of phytoremediation as a proper approach to decontaminate Fe-CN complexes and thus tries to make a contribution to environmental protection.
Feasibility of Field Portable Near Infrared (FP NIR) Spectrometry to determine CN concentrations in soil was evaluated in order to develop a rapid and non-destructive in-situ method. The study revealed that FP NIR could be a reliable device for detecting CN concentrations >2400 mg kg−1 in the field and >1750 mg kg−1 after sample preparation in the laboratory, however the limits of detection are too high to replace the traditional methods.
The applicability of neutral solution extraction to determine the water soluble CN fraction and the stability of Prussian Blue under saturated and unsaturated water conditions was studied in a column and batch experiments. Study revealed continuous solubility of Prussian Blue, in acidic and slightly alkaline MGP soils. Dissolution of ferric ferrocyanide under circum-neutral pH and oxic water conditions was proposed to be a function of time, where the released amount is dependent on the soil pH and total CN content.
Modeling the long-term release of Fe-CN complexes from the MGP soils revealed two-phase-process. The fast released phase was attributed to the transport process of readily dissolved hexacyanoferrats that is taking place in the liquid phase combined with desorption of CN bound to heterogeneous surfaces that are in direct contact with aqueous phase (outer-sphere complexation). The CN release rates increased with increasing pH, decreased with low initial CN concentration and were retarded by the increase in OM content.
The retardation of Fe-CN in soil was investigated in batch and column experiments. Experiments revealed that the excess of the available iron, which induced the formation of the Prussian Blue colloids despite the circum-neutral pH, was a very important factor in decreasing the CN concentration. Additionally, despite the chemical factors influencing the potential reaction with manganese oxides, the physical factors like pore size distribution, variation in the grain size etc. can reduce the CN concentration due to mechanical retention of the vertical colloidal ferric ferrocyanide movement. This study proposes colloidal vertical transport of the solid Fr-CN complexes as a potential alternative process influencing the CN mobility in the circum-neutral pH and under the excess of available iron conditions.
The results presented in this thesis revealed limitations of the FP, but advancing the sample pretreatment procedures can improve the feasibility of the spectrometer in detecting CN signal. Long-term extraction with the distilled water provides reliable assessment of the potential environmental hazard due to continuous dissolution of the solid Fe-CN complexes. Inconsistency of the Prussian Blue stability reported in the literature to the one obtained in this study imply usage of the CN contaminated MGP soils, instead of synthetic solutions, to advance the knowledge concerning the solid Fe-CN dissolution behavior. Furthermore, in the non-acidic soils the CN solubility might be influenced by the equilibrium with manganese Fe-CN mineral.
