Fachhochschule Osnabrück
Fachbereich Agrarwissenschaften
Studiengang Landwirtschaft
Fachrichtung Bodenschutz

Auswirkungen des Sommerhochwassers 2002 auf landwirtschaftlich genutzte Flächen an der Mulde

Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen Korngrößenverteilung und Schwermetallbelastung des Hochflutsediments

Babette Kuhfahl

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung ... 9

1.1 Problemstellung und Ziel der Arbeit ... 9
1.2 Flächenauswahl ... 12

2 Schwermetalle in Böden unter besonderer Berücksichtigung von Auenböden ... 13

2.1 Herkunft und Gehalte von Schwermetallen in Böden ... 13
2.2 Eigenschaften und Verhalten ... 16
    2.2.1 Bindungsformen ... 16
    2.2.2 Mobilisierung und Demobilisierung ... 17
    2.2.3 Mobilitätssteuernde Einflussfaktoren ... 19
    2.2.4 Spezifische Eigenschaften der einzelnen Schwermetalle ... 22
2.3 Schwermetalle in Auenböden ... 23
2.4 Bodenschutz ... 26

3 Das Flusssystem der Mulde ... 29

3.1 Natürliche Bedingungen ... 29
    3.1.1 Geographie ... 29
    3.1.2 Geologie ... 30
    3.1.3 Böden ... 33
    3.1.4 Klima und Hydrologie ... 34
3.2 Nutzung ... 37
3.3 Belastungssituation der Mulde ... 38
3.4 Hochwasser 2002 ... 42

4 Untersuchungsmethoden ... 44

4.1 Bodenkundliche Kartierung ... 44
4.2 Probennahme und Probenaufbereitung ... 45
4.3 Analyseverfahren ... 46
4.4 Auswertungsmethoden ... 48

5 Ergebnisse ... 50

5.1 Die Untersuchungsstandorte ... 50
5.2 Die Untersuchungsfläche 1 in Glaucha ... 51
    5.2.1 Charakterisierung des Bodens am Standort ... 51
    5.2.2 Sediment- und Korngrößenverteilung ... 60
    5.2.3 Stoffgehalte der Sedimente und des Oberbodens ... 62
5.3 Die Untersuchungsfläche 2 in Pausitz ... 77
    5.3.1 Charakterisierung des Bodens am Standort ... 77
    5.3.2 Sediment- und Korngrößenverteilung ... 84
    5.3.3 Stoffgehalte der Sedimente und des Oberbodens ... 87

6 Auswertung und Diskussion ... 101

6.1 Die Untersuchungsfläche 1 in Glaucha ... 101
    6.1.1 Ökologische Bewertung des Bodens am Standort anhand der Profildaten und der Bohrstockuntersuchungen ... 101
    6.1.2 Bewertung der Eigenschaften und Nährstoffgehalte des Sediments und des Oberbodens ... 104
    6.1.3 Bewertung der Schwermetallgehalte in Sediment und Oberboden ... 107
6.2 Untersuchungsfläche 2 Pausitz ... 111
    6.2.1 Ökologische Bewertung des Bodens am Standort anhand der Profildaten und der Bohrstockuntersuchungen ... 111
    6.2.2 Bewertung der Eigenschaften und Nährstoffgehalte des Sediments und des Oberbodens ... 113
    6.2.3 Bewertung der Schwermetallgehalte in Sediment und Oberboden ... 116
6.3 Zusammenhang zwischen Korngrößenverteilung und Schwermetallbelastung ... 120
    6.3.1 Das Sediment ... 120
    6.3.2 Der Oberboden ... 126
6.4 Einfluss des pH-Werts auf pflanzenverfügbare Schwermetallgehalte ... 128

7 Abschließende Bewertung ... 134

7.1 Schlussfolgerungen für Schadstoffuntersuchungen auf Auenböden ... 138

8 Zusammenfassung ... 139

9 Summary ... 142

10 Literatur- und Quellenverzeichnis ... 144

1 Einleitung

1.1 Problemstellung und Ziel der Arbeit

Das Hochwasser im August 2002 hat in Sachsen verheerende Schäden angerichtet. Neben immensen Schäden an Gebäuden und Verkehrswegen ist auch die Landwirtschaft von dem Hochwasser stark betroffen. Ernten wurden vernichtet und Flächen mit zum Teil mächtigen Sedimentschichten bedeckt. Schon während des Hochwassers wurde befürchtet, dass es zu einer Freisetzung von Schadstoffen u.a. durch überspülte Bergbauhalden und Industrieflächen gekommen ist. Auch durch eine Remobilisierung belasteter Flusssedimente können sowohl das Wasser als auch die abgelagerten Hochwassersedimente Schadstoffe enthalten.
Das Sächsische Landesamt für Umwelt und Geologie (LfUG) hat nach dem Hochwasser Flutsedimente bzw. Schlämme auf Schadstoffbelastungen untersucht (LFUG 2002a). Die Ergebnisse wurden anhand der Prüf- und Maßnahmenwerte der Bundesbodenschutzverordnung (BBodSchV) bewertet. Es liegen Ergebnisse für 55 Standorte entlang der Flüsse Elbe, Freiberger Mulde, Zwickauer Mulde, Vereinigte Mulde, Zschopau und Flöha vor. Die Proben wurden auf Schwermetalle und organische Schadstoffe untersucht.
Nach den vorliegenden Untersuchungsergebnissen weisen die Hochwassersedimente an einigen Standorten vor allem entlang der Freiberger Mulde und der Vereinigten Mulde erhöhte Gehalte der Schwermetalle Arsen, Cadmium und Blei auf.
Als Schwermetalle wird eine Gruppe von Elementen mit einer Dichte > 5 g/cm3 bezeichnet. Einige von diesen Elementen sind für die Ernährung von Pflanzen, Tieren und Menschen essentielle Bioelemente, solange ihre Dosis gering bleibt. Zu ihnen zählen z.B. Zink, Kupfer, Chrom und Nickel. Andere nicht essentielle Schwermetalle wie Arsen, Blei und Quecksilber wirken schon in geringen Dosen hochgradig toxisch. (KUNTZE, ROESCHMANN und SCHWERDTFEGER 1994)
Schwermetalle sind ein natürlicher Bestandteil der Erdkruste. Jedoch kann es vor allem durch anthropogene Einflüsse zu Anreicherungen in Böden und Gewässern kommen, welche die natürlichen Gehalte um ein Vielfaches überschreiten. Häufig sind Flusssedimente und somit auch Auenböden in besonderem Maße von Schwermetallanreicherungen betroffen. In Abhängigkeit von den Eigenschaften der Böden und Stoffe kann bei entsprechender landwirtschaftlicher Nutzung ein Stofftransfer von den Böden in die Nahrungskette erfolgen.

Böden sind im ökosystemaren Kreislauf sowohl Senke als auch effektives Puffer- und Filtersystem, welches den Übergang gebundener Metalle in gelöste Bindungsformen kontrolliert (SCHIMMING 1992). Kommt es durch hohe Anteile bioverfügbarer Schwermetallverbindungen zu einem Transfer Boden-Organismus, können bei erhöhter Aufnahme essentieller wie nichtessentieller Schwermetalle Stoffwechselstörungen auftreten. Schadbilder bei Pflanzen ähneln oft denen von Spurenelementmangel, Vergiftungssymptome bei Vieh denen einer Tetanie. Menschen sind weniger durch akute als vielmehr durch schleichende chronische Vergiftungen gefährdet. Beispielsweise führen chronische Cadmiumvergiftungen bei Menschen und Tieren zu Cadmiumanreicherungen in der Niere und zu einem Austausch von Kalzium gegen Cadmium im Knochengewebe (KÖSTER und MERKEL 1985).
Vor diesem Hintergrund und auf Grundlage der Untersuchungsergebnisse des LfUG stellen sich folgende Fragen:
Sind insbesondere an der Mulde landwirtschaftlich genutzte Flächen von einer möglichen Schwermetallbelastung durch abgelagerte Hochwassersedimente betroffen? Bewegt sich die Belastung in einem kritischen Bereich, so dass sich evtl. Konsequenzen hinsichtlich der Nutzung der betroffenen Flächen ergeben?
Bei einer ersten Begehung von Flächen an der Mulde, die während des Hochwassers überschwemmt waren, wurde offensichtlich, wie heterogen die Ablagerung der Sedimente ablief. Je nach Gestalt der Landschaft, Lage und Fließrichtung des Flusses finden sich Sedimente aller Korngrößen (von Kies bis Ton) in den Auen.
Die in der Ton- und Schlufffraktion vertretenen Minerale weisen in der Regel eine hohe Sorptionskapazität auf (SCHIMMING 1992). Sind aus diesem Grund feinkörnigen Sedimente stärker als grobkörnige mit Schwermetallen belastet? Besteht eine Korrelation zwischen Schwermetallbelastung und Korngrößenfraktionierung der Sedimente? Und gelten die gleichen Bedingungen für den Oberboden?
In Anbetracht der von Menschen mit verursachten Klimaveränderungen ist es nicht auszuschließen, dass extreme Hochwasserereignisse wie im Sommer 2002 häufiger auftreten, als es in der Vergangenheit der Fall war. Wenn die Hochwassersedimente aus dem Jahr 2002 mit Schwermetallen belastet sind, was bedeutet das für die Zukunft? Kommt es bei derartigen Umweltereignissen zu weiteren Stoffeinträgen in die ohnehin schon stärker belasteten Auenböden?
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, oben genannte Fragen zu beantworten. Zu diesem Zweck werden zwei landwirtschaftlich genutzte Flächen an der Vereinigten Mulde exemplarisch ausgewählt und die dort abgelagerten Hochwassersedimente auf Schwermetalle untersucht. Um einen Vergleich zur Situation vor dem Hochwasser herzustellen zu können, werden außerdem Proben des Oberbodens gezogen, die auf dieselben Parameter untersucht werden. Um eine genauere Einschätzung des Gefahrenpotentials geben zu können, ist es erforderlich, neben den Gesamtgehalten den bioverfügbaren Anteil der Schwermetalle zu ermitteln. Auf Grundlage der Anforderungen des Bundesbodenschutzgesetzes wird für die Bewertung der Gesamtschwermetallgehalte die Königswasserextraktion und für den Wirkungspfad Boden – Pflanze die Ammoniumnitratextraktion durchgeführt. Orientierend an den Untersuchungsergebnissen des LfUG werden die Boden- und Sedimentproben auf folgende Schwermetalle untersucht: Arsen (As), Blei (Pb), Cadmium (Cd), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Chrom (Cr) und Zink (Zn). Um eine aussagekräftige Bewertung der Schwermetallbelastung anstellen zu können, müssen außerdem weitere bodenkundliche Parameter wie pH-Wert und Kationenaustauschkapazität untersucht werden. Möglicherweise bestehen Abhängigkeiten zwischen einzelnen Parametern und der Schadstoffbelastung.

1.2 Flächenauswahl

Die Vereinigte Mulde mit ihren beiden Zuflüssen Freiberger und Zwickauer Mulde war neben der Elbe im August 2002 im extremen Maße Hochwasser führend. Zur Beantwortung der o.g. Fragen wurden daher zwei geeignete landwirtschaftlich genutzte Flächen entlang der Vereinigten Mulde ausgewählt.
Auf vielen vom Hochwasser betroffenen Flächen wurden Sedimentschichten beseitigt oder durch Bodenbearbeitung untergemischt. Für die Auswahl der Untersuchungsflächen war es besonders wichtig, dass die Landschaft nach dem Hochwasser nicht verändert wurde. Nur so können die Sedimente und der Oberboden getrennt von einander auf ihre Schwermetallgehalte und weitere bodenkundliche Eigenschaften untersucht werden. Hinsichtlich der landwirtschaftlichen Nutzung wurde sowohl ein Grünlandstandort als auch ein Ackerstandort ausgewählt.
Die Auswahl der Untersuchungsflächen erfolgte in Abstimmung mit dem LfUG und dem Staatlichen Museum für Naturkunde Görlitz, für das Herr Dr. D. Russell bodenzoologische Untersuchungen in den vom Hochwasser betroffenen Auen der Mulde durchführt. Nicht zuletzt war es bei der Flächenauswahl nötig, dass die Pächter der Flächen ihre Zustimmung zur Untersuchung gaben.

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