Beitrag redoxchemischer Prozesse zur Neutralisierung atmosphärischer Säureeinträge in kleinen Einzugsgebieten des Frankenwaldes

BITÖK-S 8

Von 01/1995 bis 06/1996

Projektleiter: Reimer Herrmann
Mitarbeiter: Jörg Lindemann, Stefan Peiffer
Bewilligung: 0339476 B Vorhersage und Erklärung des Verhaltens und der Belastbarkeit von Ökosystemen unter veränderten Umweltbedingungen

Schwefelsaure Deposition hat im nördlichen Frankenwald zur Versauerung von Waldeinzugsgebieten geführt. Alkalinitätsliefernde Prozesse in Quellmooren können einen bedeutenden Beitrag zur Neutralisierung der atmosphärischen Säureeinträge leisten. Nach der Hypothese fließt Hangwasser lateral oberhalb hydrologisch dichter Basislagen aus Tonschieferschutt und transportiert durch Versauerung freigesetztes Al, Fe und ungepufferte Mineralsäuren in das Quellmoor. Im Quellmoor setzt die Fällung von Al- und Fe-Hydroxiden zusätzlich Azidität frei, doch können eingetragene und freigesetzte Azidität durch alkalinitätsliefernde biogeochemische Prozesse wie Fe- und SO₄^{^2-}-Reduktion neutralisiert werden. Zusätzlich trägt die SO₄^{^2-}-Sorption an gefällte Al- und Fe-Hydroxide zur Alkalinitätslieferung bei.Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es, in einem Quellmoor die relevanten alkalinitätsliefernden Prozesse zu identifizieren und den mit diesen verbundenen Alkalinitätsgewinn sowie deren Beitrag zur Neutralisierung der atmosphärischen Säureeinträge zu quantifizieren. Dazu wurden Wasser- und Stoffbilanzen für ein Quelleinzugsgebiet und dessen Quellmoor erstellt. Die Böden des Einzugsgebietes sind tiefgründig versauert und prägen den Chemismus des Hangwassers. Der hauptsächliche Wasserfluß findet im Gegensatz zur Hypothese als Grundwasserfluß innerhalb der Basislage statt. In diesem Aquifer kann ein saures, Al- und SO₄^{^2-}-reiches oberes Grundwasser von einem nahezu neutralen, Al-freien und Fe²⁺-reichen unteren Grundwasser hoher Alkalinität unterschieden werden. Das im unteren Grundwasser in niedrigeren Konzentrationen enthaltene SO₄^2- muß aufgrund von d³⁴S-Analysen geogenen Ursprungs sein, was auf Eisensulfidoxidation im Tonschiefer-Zersatz hindeutet. Die beiden hydrochemisch unterschiedlichen Grundwässer mischen sich im Quellmoor. Die Stoffbilanz des Quellmoores weist in dem durch überdurchschnittlich hohe Niederschläge geprägten hydrologischen Jahr 1995 nicht den erwarteten Alkalinitätsgewinn, sondern einen Alkalinitätsverlust des durchströmenden Wassers von etwa 1000 eqža^-1 aus. 90 % des Alkalinitätsverlustes kann durch die Oxidation von Fe²⁺ und die Ausfällung von Fe- und Al-Hydroxiden erklärt werden. Alkalinitätsliefernde Prozesse wie die in reduzierten Horizonten nachgewiesene SO₄^2--Reduktion (~150 eqža^-1) oder die SO₄^{^2-}-Sorption (maximal ~20 eqža^-1) konnten die Stoff- und Alkalinitätsbilanz des Quellmoores nicht beeinflussen. Der Alkalinitätsgewinn des terrestrischen Einzugsgebietes von 5700 eqža^-1 ist Verwitterungsprozessen zuzuordnen. Im Quellmoor wird die mit dem unteren Grundwasser eingetragene Alkalinität verbraucht und der Alkalinitätsgewinn des Gesamteinzugsgebietes entsprechend verringert. Auch in einer Phase niedrigerer Abflüsse (Juli - Oktober 1994), in der zusätzlich SO₄^2--Desorption stattfindet, ist kein Netto-Alkalinitätsgewinn im Quellmoor festzustellen. Die Hypothese quantitativ bedeutender alkalinitätsliefernder Prozesse ist im Untersuchungszeitraum für das Quellmoor widerlegt. Der Grund liegt in der hydrogeologischen Situation, die zu hohen Abflüssen und damit zu niedrigen Verweilzeiten und hohen Stoffflüssen (für Sulfat etwa 12000 eqža^-1 im hydrologischen Jahr 1995) führt. Im Vergleich mit diesen sind biogeochemische alkalinitätsliefernde Prozesse im Quellmoor unbedeutend. Die Chemie des aus dem Quellmoor abfließenden Wassers wird durch die Abflußanteile der verschiedenen Grundwässer und durch abiotische Prozesse (Fe-, Al-Hydroxid-Fällung/-Lösung sowie SO₄^2--Sorption/-Desorption) mit schneller Kinetik bestimmt.
(Abschlußbericht 1998)

Publikationsliste dieses Projekts

Lindemann, J: Quantifizierung biogeochemischer Eisen- und Sulfat-Umsetzungen in einem Quellmoor und deren Beitrag zur Säureneutralisierung in einem Einzugsgebiet des Frankenwaldes in Bayreuther Institut für Terrestrische Ökosystemforschung (BITÖK): Bayreuther Forum Ökologie, Selbstverlag, 51, 1-271 (1997) -- Details

Lindemann, J; Peiffer, S; Herrmann, R; Kaupenjohann, M; Zech, W: Ökosysteminterne Neutralisierung atmosphärischer Säureeinträge durch redoxchemische Prozesse in Quellmooren (Frankenwald, NO-Bayern) in Bayer. Landesamt für Wasser and wirtschaft (eds.): Grundwasserversauerung durch atmosph. Deposition: Ursachen- Auswirkungen-Sanierungsstrategien, 3, 197-200 (1995)