Martin Armbruster

Beeinflussung der Wasserqualität in einem bewaldeten Einzugsgebiet durch biogeochemische Stoffumsetzungen in bachnahen Böden

ZusammenfassungDie Umsetzungen von Nitrat und Sulfat wurden im Hinblick auf die Bachwasserqualität in einem kleinen bewaldeten Wassereinzugsgebiet im Schwarzwald untersucht. Analysen von Saugkerzenwässern aus dem dauervernäßten Randbereich der Bäche geben Hinweise auf erhebliche reduktionsbedingte Nitratverluste. Dies deckt sich mit Ergebnissen eines Laborversuchs, bei dem nitrathaltige Lösungen durch Bodensäulen aus einem Quellmoorgley perkoliert wurden. Während die Nitrat-Verluste offensichtlich durch Denitrifikation bedingt sind, überlagern sich bei der Sulfat-Dynamik verschiedene Prozesse. Insgesamt werden die beobachteten Reduktionsprozesse durch höhere Temperatur und lange Kontaktzeit mit der Festphase begünstigt. Die Auswirkungen auf andere hydrochemische Parameter (insbesondere pH-Wert und Säureneutralisationskapazität) werden diskutiert.AbstractTransformations of nitrate and sulfate were investigated with respect to streamwater quality in a forested headwater catchment in the Black Forest (SW Germany). Analyses of seepage collected with ceramic cups in the waterlogged riparian zone provide evidence for a distinct removal of nitrate due to reduction processes. This is in accordance with results from a laboratory experiment. Solutions enriched with nitrate were percolated through soil columns from a histic gleysol. Apparently, nitrate removal results from denitrification, whereas in the dynamics of sulfate various processes appear to be superimposed. In total, the reduction processes observed are favoured by higher temperatures as well as by longer times of contact with the solid phase. The effects on other hydrochemical parameters (notably pH-value and acid neutralizing capacity) are discussed.

Chemische Zusammensetzung zweier quellnaher Waldbäche im Hochschwarzwald — Abflussabhängige Variabilität und Einfluss einer Bodenkalkung

ZusammenfassungIn zwei kleinen Wassereinzugsgebieten im Hochschwarzwald wurde im Zeitraum 1989–1998 die zeitliche Dynamik der Wasserqualität in Abhängigkeit von der Abflussmenge untersucht. In einem der Einzugsgebiete war 1990 eine forstübliche dolomitische Kalkung (4 t ha−1) erfolgt. Für eine episodische Versauerung bei hohen Abflüssen ist in erster Linie die Mobilisierung von Nitrat verantwortlich. Säurepufferung und Kationenzusammensetzung sind stark an die zeitlich variablen Fließwege im Einzugsgebiet gekoppelt. Die Bodenkalkung bewirkte nur verhältnismäßig geringe Veränderungen der Wasserqualität. Allerdings war die Säureneutralisationskapazität bei Spitzenwerten des Abflusses tendenziell leicht erhöht. Trotz kalkungsbedingter verstärkter mikrobieller Aktivität und Nitrifikation in den Oberböden blieben die Nitrat-Konzentrationen im Bachwasser nahezu unverändert. Angesichts der veränderten Depositionssituation, wonach der S-Eintrag in jüngster Vergangenheit stark zurückgegangen ist, der N-Eintrag aber anhält, ist mittel- bis langfristig mit einer weiteren Verbesserung der N-Verfügbarkeit in Wäldern zu rechnen. Somit besteht ein zunehmendes Risiko für NO3−-Auswaschung nach Kalkung. Diese Entwicklung ist bei der künftigen Planung großflächiger Waldkalkungen zu beachten.SummaryIn two small watersheds in the upper Black Forest (SW Germany) the temporal variation of water quality in relation to runoff dynamics was investigated during the period of 1989 through 1998. In 1990, one of the two watersheds was limed according to forest management practice (4 t dolomite ha−1). Episodic acidification during high-flow conditions is primarily due to the mobilization of nitrate. Acid buffering and cation composition were related to the time-variable flow paths in the watershed. The effects of soil liming on water quality were relatively small. Nevertheless, the acid neutralizing capacity during peak runoff events tended to be slightly improved. Even though microbial activity and nitrification were enhanced in the top-soils as a result of liming, the nitrate concentrations in the stream increased only slightly. With regard to recent changes in the atmospheric deposition pattern (distinct decline in S while N endures) in the middle to long term a better availability of N in forests can be expected. As a consequence, there is an increasing risk of NO3− leaching after liming. This development should be taken into account when large-scale liming operations in forests are planned in the future.

Wasser- und Stoffbilanzen kleiner Einzugsgebiete im Schwarzwald und Osterzgebirge

Die Stoffeintrage in Waldbestande zeigen in den letzten Jahren rucklaufi-ge Tendenzen fur SO4 2−, H+ und Basenkationen. Die N-Eintragsraten sind auf ahnlichem Niveau geblieben, was zu einer nachlassenden N-Retentionskapazitat („N-Sattigung”) von Waldem fuhren kann. Die Ein-flusse veranderter atmospharischer Eintrage werden am Beispiel von zwei fichtenbestockten Kleineinzugsgebieten dargestellt. Das Gebiet im Sud-schwarzwald (Schluchsee) ist vergleichsweise gering atmogen belastet, wahrend das Gebiet im Osterzgebirge (Rotherdbach) bis in die jungste Vergangenheit hinein durch extrem hohe Stoffeintrage (v.a. von S) ge-pragt gewesen ist. In beiden Gebieten sind typische, nachlassende S- und Sauredepositionen und eine Reversibilitat der Versauerung erkennbar. Schlusselfaktor fur die Auspragung dieser Reversibilitat sind Art, Hohe und Verteilung der im Okosystem gespeicherten S-Vorrate. Die gegen-wartige Umwandlung von Nadelholz-Reinbestanden zu Mischbestockung kann zur Reduktion des Stoffeintrags beitragen. Langfristig durfte sich dies positiv auf die Elementbilanzen auswirken. Dem stehen mogliche Risiken entgegen, da Bestandesumwandlungen i.d.R. durch starkere Durchforstungseingriffe eingeleitet werden. Die Prognose dieser Effekte auf die Wasser- und Elementflusse erfolgt mittels deterministischer Mo-delle. Die Plausibilitat der Simulationsergebnisse sowie die Anwendbar-keit der Modelle fur Langfristprognosen werden diskutiert.

Chemical composition of two first-order forest streams in the upper Black Forest - variability related to runoff dynamics and effect of soil liming.

ZusammenfassungIn zwei kleinen Wassereinzugsgebieten im Hochschwarzwald wurde im Zeitraum 1989–1998 die zeitliche Dynamik der Wasserqualität in Abhängigkeit von der Abflussmenge untersucht. In einem der Einzugsgebiete war 1990 eine forstübliche dolomitische Kalkung (4 t ha−1) erfolgt. Für eine episodische Versauerung bei hohen Abflüssen ist in erster Linie die Mobilisierung von Nitrat verantwortlich. Säurepufferung und Kationenzusammensetzung sind stark an die zeitlich variablen Fließwege im Einzugsgebiet gekoppelt. Die Bodenkalkung bewirkte nur verhältnismäßig geringe Veränderungen der Wasserqualität. Allerdings war die Säureneutralisationskapazität bei Spitzenwerten des Abflusses tendenziell leicht erhöht. Trotz kalkungsbedingter verstärkter mikrobieller Aktivität und Nitrifikation in den Oberböden blieben die Nitrat-Konzentrationen im Bachwasser nahezu unverändert. Angesichts der veränderten Depositionssituation, wonach der S-Eintrag in jüngster Vergangenheit stark zurückgegangen ist, der N-Eintrag aber anhält, ist mittel- bis langfristig mit einer weiteren Verbesserung der N-Verfügbarkeit in Wäldern zu rechnen. Somit besteht ein zunehmendes Risiko für NO3−-Auswaschung nach Kalkung. Diese Entwicklung ist bei der künftigen Planung großflächiger Waldkalkungen zu beachten.SummaryIn two small watersheds in the upper Black Forest (SW Germany) the temporal variation of water quality in relation to runoff dynamics was investigated during the period of 1989 through 1998. In 1990, one of the two watersheds was limed according to forest management practice (4 t dolomite ha−1). Episodic acidification during high-flow conditions is primarily due to the mobilization of nitrate. Acid buffering and cation composition were related to the time-variable flow paths in the watershed. The effects of soil liming on water quality were relatively small. Nevertheless, the acid neutralizing capacity during peak runoff events tended to be slightly improved. Even though microbial activity and nitrification were enhanced in the top-soils as a result of liming, the nitrate concentrations in the stream increased only slightly. With regard to recent changes in the atmospheric deposition pattern (distinct decline in S while N endures) in the middle to long term a better availability of N in forests can be expected. As a consequence, there is an increasing risk of NO3− leaching after liming. This development should be taken into account when large-scale liming operations in forests are planned in the future.

Chemische Zusammensetzung zweier quellnaher Waldbäche im Hochschwarzwald — Abflussabhängige Variabilität und Einfluss einer Bodenkalkung@@@Chemical composition of first-order forest streams in the upper Black forest — variability related to runoff dynamics and soil liming

ZusammenfassungIn zwei kleinen Wassereinzugsgebieten im Hochschwarzwald wurde im Zeitraum 1989–1998 die zeitliche Dynamik der Wasserqualität in Abhängigkeit von der Abflussmenge untersucht. In einem der Einzugsgebiete war 1990 eine forstübliche dolomitische Kalkung (4 t ha−1) erfolgt. Für eine episodische Versauerung bei hohen Abflüssen ist in erster Linie die Mobilisierung von Nitrat verantwortlich. Säurepufferung und Kationenzusammensetzung sind stark an die zeitlich variablen Fließwege im Einzugsgebiet gekoppelt. Die Bodenkalkung bewirkte nur verhältnismäßig geringe Veränderungen der Wasserqualität. Allerdings war die Säureneutralisationskapazität bei Spitzenwerten des Abflusses tendenziell leicht erhöht. Trotz kalkungsbedingter verstärkter mikrobieller Aktivität und Nitrifikation in den Oberböden blieben die Nitrat-Konzentrationen im Bachwasser nahezu unverändert. Angesichts der veränderten Depositionssituation, wonach der S-Eintrag in jüngster Vergangenheit stark zurückgegangen ist, der N-Eintrag aber anhält, ist mittel- bis langfristig mit einer weiteren Verbesserung der N-Verfügbarkeit in Wäldern zu rechnen. Somit besteht ein zunehmendes Risiko für NO3−-Auswaschung nach Kalkung. Diese Entwicklung ist bei der künftigen Planung großflächiger Waldkalkungen zu beachten.SummaryIn two small watersheds in the upper Black Forest (SW Germany) the temporal variation of water quality in relation to runoff dynamics was investigated during the period of 1989 through 1998. In 1990, one of the two watersheds was limed according to forest management practice (4 t dolomite ha−1). Episodic acidification during high-flow conditions is primarily due to the mobilization of nitrate. Acid buffering and cation composition were related to the time-variable flow paths in the watershed. The effects of soil liming on water quality were relatively small. Nevertheless, the acid neutralizing capacity during peak runoff events tended to be slightly improved. Even though microbial activity and nitrification were enhanced in the top-soils as a result of liming, the nitrate concentrations in the stream increased only slightly. With regard to recent changes in the atmospheric deposition pattern (distinct decline in S while N endures) in the middle to long term a better availability of N in forests can be expected. As a consequence, there is an increasing risk of NO3− leaching after liming. This development should be taken into account when large-scale liming operations in forests are planned in the future.