Extensives Monitoring von Stoffflüssen in Waldökosystemen
Die konventionelle Beprobung von Niederschlags- und Sickerwasser als Grundlage zur Bilanzierung von Waldökosystemen ist personal-, zeit- und kostenintensiv. Die ein- bis zweiwöchentliche Leerung der Sammelgefäße und die anschließende aufwändige Laboranalyse wird durch die Methodik vorgegeben. Es wurde eine automatisch gesteuerte Ionenaustauscheranlage (IAA) entwickelt, die eine extensive Beprobung über mehrere Wochen bis Monate ermöglicht. Die Wasserinhaltsstoffe werden im Gelände auf Ionenaustauscherharzen akkumuliert und im Labor wieder desorbiert. Somit wird die zeit- und personalaufwändige Probenahme und Laborarbeit wesentlich reduziert und die Analysenanzahl minimiert. Analog zur konventionellen Methode werden Niederschlags- und Sickerwässer in einem Gefäß gesammelt. Nach vollständiger Befüllung des Gefäßes wird das Wasser über Ionenaustauschersäulen gepumpt. Dabei werden die im Wasser gelösten Kationen und Anionen an die Harze gebunden. Die ionenbeladenen Säulen werden nach einer Betriebszeit von einigen Wochen bis Monaten im Labor zurückgetauscht. Die Stoffkonzentrationen werden aus den akkumulierten Stoffmengen und gemessenen Wassermengen errechnet. Die Anlage ist in einem Schaltschrank untergebracht und kann modular die gängige Technik der Sickerwasser- und Niederschlagsgewinnung erweitern. Durch Laborversuche wurde der quantitative Austausch der Wasserinhaltsstoffe an den Austauscherharzen optimiert. In 107 Versuchsreihen mit Sicker-, Niederschlagswässern und Salzlösungen wurden vier Kationen- und drei Anionenaustauscherharze der Hersteller Rohm & Hass und Merck getestet. Unter den 7 getesteten Austauscherharzen verfügen die Amberlite-Harze IR-120 und IRA-410 über die geeignetsten physikalischen und chemischen Eigenschaften. Die mittleren Wiederfindungsraten bei der Bestimmung von Al3+, Mg2+, Ca+, Na+, Mn+, SO42-, NO3- und Cl- liegen zwischen 80% - 125% und sind für die Anwendung zur extensiven Bilanzierung geeignet. Die extensive Bilanzierungsmethode wurde von April bis Dezember 2003 auf einer Versuchsfläche bei Todtmoos/Südschwarzwald betrieben und anhand der konventionellen Methode validiert. Dabei wurden die Verläufe der Ionenkonzentrationen - gemessen von vier Ionenaustauscheranlagen für Sickerwässer und zwei Anlagen für Niederschlagswässern - den Werten der konventionellen Methode gegenüber gestellt. Die extensive Methode zeigte bei der Bestimmung der Niederschlagskonzentrationen nach dem Mann-Whitney U-Test keine signifikanten Abweichungen zur konventionellen Methode und konnte somit validiert werden. Bei den Sickerwässern war die extensive Methode nicht durchgängig mit der konventionellen Methode übereinstimmend. Abweichungen ergaben sich an einem Standort durch Fehler in der Bestimmung der Wassermengen mit der kapazitiven Sonde. Eine weitere Ursache liegt in den ungewöhnlich niedrigen Sickerwassermengen im extrem trockenen Sommer 2003. Die Konzentration der Ionen im Eluat war stets an der Messgrenze des Analyseverfahrens und mit einem großen relativen Fehler behaftet. Die Technik der IAA hat sich jedoch insgesamt als praxistauglich erwiesen und ermöglicht eine extensive Bilanzierung von Stoffflüssen. Die Handhabung der Anlage während der Versuchsphase gestaltete sich als einfach. Die Einweisungszeit der Bediener ist kurz, der Zeitaufwand für die Beprobung und Wartung gering. Verbesserungsbedarf besteht bei der Wassermengenerfassung. Durch Austausch eines undichten Fittings könnte der durchschnittliche Messfehler von 8,3% vermutlich erheblich gesenkt und damit die Genauigkeit der extensiven Methode erhöht werden. Anwendung für die Ionenaustauscheranlage ergibt sich beim Monitoring mit niedriger zeitlicher Auflösung zwischen vier Wochen und mehreren Monaten. Weiterhin wurde für die Versuchsfläche (950 - 1050 m ü. NN) der Verlauf der Stoffkonzentrationen für Niederschlags- und Sickerwässer von November 2001 bis Oktober 2003 und die mittlere Stoffkonzentration für die hydrologischen Jahre 2002 und 2003 dargestellt. Für das hydrologische Jahr 2002 wurden eine Klimatische Wasserbilanz und die Stoffein- und -austräge aus dem Untersuchsgebiet errechnet. Im buchendominierten Dauerwald liegen die Gesamtstickstoffeinträge mit 25,2 kg ha-1 a-1 sowie die Sulfateinträge mit 8,4 kg ha-1 a-1 im landes- bzw. bundesweiten Vergleich auf unterdurchschnittlichem Niveau. Während die Stoffausträge mit dem Sickerwasser für Calcium und Magnesium vergleichsweise moderat ausfallen, sind die Stickstoffausträge mit 27,8 kg ha-1 a-1 als hoch einzustufen.
Waldökosystemforschung, extensive Bilanzierung, Ionenaustauscheranlage, automatic ion exchange device, ion exchange resins, IER, nutrient fluxes
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