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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-15849
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/1584/


Gassmann, Andreas

Extensives Monitoring von Stoffflüssen in Waldökosystemen

Extensive monitoring of nutrient flow in forest ecosystems

Dokument1.pdf (1.262 KB) (md5sum: e7f351215112bec742e81762d28d4ebe)

Kurzfassung in Deutsch

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.


Kurzfassung in Englisch

In order to analyse forest ecosystems, it is necessary to sample precipitation and soil water solutions. The conventional method is personnel and time consuming, as well as cost intensive. This method requires a sampling interval of one to two weeks and also laborious analysis. However, this time interval would not be necessary for a long term monitoring program.

An automatic ion exchange device has been developed that allows for a sampling interval of several weeks to months, which saves both field and laboratory work. The ions contained in the water are absorbed into the ion exchange resins in the field and afterwards recovered in the laboratory. As in the conventional method, the precipitation water and soil water are collected in a container. The water level is registered with a capacitive water probe. After the container is full, the water is pumped through ion exchange resin columns. The resins absorb the anions and cations contained in the water. After a period of several weeks, the charged ion exchange columns are analysed in the laboratory. The concentrations are calculated using the amount of ions accumulated in the columns and the measured amount of water passed through the columns.

Robust, energy-saving and inert components were used in its construction, to ensure that the equipment was reliable and accurate. The device is installed in a switchboard cabinet and can be adapted to collect precipitation and soil water using the conventional technique if desired.

Laboratory experiments were carried out to optimise the absorption and recovery of ions from the exchange resins. In 107 test series with precipitation, soil water and laboratory solutions, four cation and three anion resins manufactured Rohm Haas and Merck were tested. Out of the seven tested resins, the amberlite resins IR-120 and IRA-410 had the most appropriate chemical and physical properties. The average recovery rate for determining Al3+, Mg2+, Ca+, Na+, Mn+, SO42-, NO3- and Cl- was 80 - 125%. This rate qualified the resins for use with the automatic ion exchange device.
The new technique method was tested on a forest site close to Todtmoos in the southern Black Forest from April to December 2003. The ion concentrations were measured over time with six automatic ion exchange devices - two for precipitation water, four for soil water. The measurements for precipitation water were compared to those gathered using the conventional method. The results from resin method did not show any significant deviations from the conventional method using the Mann-Whitney U-test. This validates this method.

The soil water results did not correspond consistently with the conventional results. Deviations in data from one location were caused by the false reading of the capacitive water probe. Another reason for the differences could have been the unusually dry summer of 2003. The concentration of ions in the eluate were close to the limits of analysis and therefore deviated quite significantly.

The automatic ion exchange device technique has been proven suitable for use in the field and allows for a labour-saving determination of nutrient flows. The device is easy to use and needs little time to learn how to operate and maintain it. However, the measurement of water quantities needs to be improved. By replacing an inappropriate component in the capacitive probe, the average deviation of 8.3% could be reduced and consequently increasing the precision of this method. The automatic ion exchange device can be used for monitoring within a relatively long time-frame of four weeks to several months. The new method is a particularly attractive alternative to the conventional sampling method for use on remote field sites.

Furthermore, the concentration of nutrients in the precipitation and soil water from November 2001 to October 2003 and the mean nutrient concentrations for the hydrological years 2002 and 2003 for the investigated site (950 - 1050 m above sea level) were outlined. Within the hot and dry hydrological year of 2003, the mean concentrations of all elements in the precipitation were higher than in the previous year. However, for the soil water, the mean concentrations of 2003, excluding sulphate, were below those of the previous year. For the hydrological year 2002 a climatic water balance was established and the ion input and output of the site was calculated. There was a nitrogen input of 25.2 kg ha-1 a-1 into the beech-dominated forest site as well as a sulphate input of 8.4 kg ha-1 a-1. These inputs are below average when compared on the national scale. Although the output of calcium and magnesium was moderate, the output of nitrogen (27.8 kg ha-1 a-1) can be categorized as relatively high.


SWD-Schlagwörter: Waldforschung , Ökosystemforschung , Schwarzwald , Stoffhaushalt , Ionenaustauscherharz , Sickerwasser
Freie Schlagwörter (deutsch): Waldökosystemforschung , extensive Bilanzierung , Ionenaustauscheranlage
Freie Schlagwörter (englisch): automatic ion exchange device , ion exchange resins , IER , nutrient fluxes
Institut: Institut für Bodenkunde und Waldernährungslehre
Fakultät: Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften
DDC-Sachgruppe: Land- und Forstwirtschaft, Veterinärmedizin
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Trüby, Peter (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 23.12.2004
Erstellungsjahr: 2004
Publikationsdatum: 27.01.2005
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