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Ecosystem Engineering: Sediment entrainment and flocculation mediated by microbial produced extracellular polymeric substances (EPS)

Sediment erosion and transport is critical to the ecological and commercial health of aquatic habitats from watershed to sea. There is now a consensus that microorganisms inhabiting the system mediate the erosive response of natural sediments ('ecosystem engineers') along with physicochemical properties. The biological mechanism is through secretion of a microbial organic glue (EPS: extracellular polymeric substances) that enhances binding forces between sediment grains to impact sediment stability and post-entrainment flocculation. The proposed work will elucidate the functional capability of heterotrophic bacteria, cyanobacteria and eukaryotic microalgae for mediating freshwater sediments to influence sediment erosion and transport. The potential and relevance of natural biofilms to provide this important 'ecosystem service' will be investigated for different niches in a freshwater habitat. Thereby, variations of the EPS 'quality' and 'quantity' to influence cohesion within sediments and flocs will be related to shifts in biofilm composition, sediment characteristics (e.g. organic background) and varying abiotic conditions (e.g. light, hydrodynamic regime) in the water body. Thus, the proposed interdisciplinary work will contribute to a conceptual understanding of microbial sediment engineering that represents an important ecosystem function in freshwater habitats. The research has wide implications for the water framework directive and sediment management strategies.

Karte der besonders erosionsgefährdeten Abflussbahnen

Nach einem Starkregenereignis konzentriert sich das an der Bodenoberfläche ablaufende Regenwasser temporär in natürlich vorhandenen Abflussbahnen (Tiefenlinien) des Reliefs und führt bei einem ungeschützten Boden zu Tiefenerosion. Die Karte der erosionsgefährdeten Abflussbahnen hebt Standorte hervor, die aufgrund einer reliefbedingten Abflusskonzentration einer besonders hohen Erosionsgefährdung unterliegen. Das Shape zu den Abflussbahnen grenzt auf landwirtschaftlich genutzten Flächen, Abflussbahnen ab, die zusammenhängend mindestens 0,3 ha groß sind. Rund 10.000 ha der Abflussbahnen befinden sich auf landwirtschaftlicher genutzter Fläche, wovon 5.100 ha ackerbaulich genutzt werden. Die Ableitung der Standorte basiert auf den Auswertungen der ABAG und des Reliefparameters "rasterbezogene Einzugsgebietsgröße". Durch die Verknüpfung beider Sachverhalte kann die erosive Wirkung der Abflusskonzentration qualitativ abgeleitet werden. Besonders erosionsgefährdete Abflussbahnen sollten durch eine dauerhafte Vegetationsdecke vor Erosion geschützt werden.

Bodenschutz

Böden sind eine begrenzte Naturressource, die den Schutz einer verantwortungsbewussten und zukunftsorientierten Gesellschaft benötigt. Der Umgang mit Böden wird durch diverse Fachgesetze geregelt. Diese werden durch das Bundes-Bodenschutzgesetz (BBodSchG) und die Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) ergänzt. Bundeseinheitliche Rechtsgrundlagen geben die materielle Basis für den Schutz des Bodens sowie für die Bewertung und Sanierung von Altlasten vor. Das Bodenschutzausführungsgesetz des Landes Sachsen-Anhalt (BodSchAG LSA) untersetzt aus Landessicht die Anforderungen und Zuständigkeiten im Hinblick auf den vorsorgenden und nachsorgenden Bodenschutz. Der nachhaltige Umgang mit Böden ist in der Vergangenheit nicht ausreichend beachtet worden und auch heute sind Böden vielfältigen Belastungen ausgesetzt. Insbesondere vor dem Hintergrund eines stetig steigenden Nutzungsdruckes stellt der Bodenschutz eine besondere Herausforderung dar. Wohnungsbau und Gewerbeansiedlung, landwirtschaftliche Produktion, regenerative Energien, Tourismus und Erholung, Rohstoffgewinnung, Straßenbau, Ver- und Entsorgung sowie andere Wirtschaftszweige beanspruchen die Verfügbarkeit von Flächen bzw. Böden. Diese Anforderungen gehen zu Lasten der Qualität und insbesondere Quantität von Böden (Flächenverbrauch) bzw. ihren Bodenfunktionen, die dadurch beeinträchtigt werden oder sogar unwiederbringlich verloren gehen. Um schädliche Bodenveränderungen und Verluste von Bodenfunktionen zu vermeiden und zu minimieren, ist es notwendig, das Schutzgut Boden in der räumlichen Planung und den Abwägungsprozessen der Umweltprüfung nachvollziehbar und angemessen zu berücksichtigen. Bestehende fachliche und methodische Grundlagen des vor- und nachsorgenden Bodenschutzes, d.h. zum Schutz der Böden vor schädlichen Veränderungen, wie z.B. Schadstoffeintrag, Versiegelung, Erosion durch Wasser oder Wind, sowie anderen nachteiligen Einwirkungen und die Altlastenbearbeitung müssen deshalb konsequent umgesetzt und unter Berücksichtigung neuester Erkenntnisse aus Wissenschaft und Forschung weiter entwickelt werden. Dazu ist es erforderlich, Informationen über den Zustand und die Entwicklung der Böden zu erheben, zu sammeln sowie durch geeignete Methoden auszuwerten und darzustellen ( Bodenbeobachtung ). Im Land Sachsen-Anhalt wird dafür ein Netz von Boden-Dauerbeobachtungsflächen (BDF) und ein Bodenschutz- und Altlasteninformationssystem (ST-BIS) betrieben. letzte Aktualisierung: 08.05.2023

Erosionsgefährdungskarten Freistaat Sachsen

In den letzten Jahren wurden neue Datengrundlagen erarbeitet, die eine aktuelle Bewertung der Erosionsgefährdung erforderte. Gegenüber den bisher vorliegenden Erosionsgefährdungskarten liegen nun räumlich differenziertere und aktualisierte Erosionsgefährdungskarten vor. Die folgenden Datengrundlagen gingen in das vorliegende Kartenwerke ein. Sie sind bei der Nutzung und Interpretation der Erosionsgefährdungskarten zu berücksichtigen: Bodenkarte im Maßstab 1 : 50.000 (BK50), Quelle: Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG) 2020; Digitales Geländemodell im 5 m-Raster (DGM5), generalisiert aus DGM2, Quelle: Geobasisinformation und Vermessung Sachsen (GeoSN) 2012; Niederschlagsreihen von 2001 bis 2017, Quelle: Deutscher Wetterdienst (DWD) 2019

Karte der besonders erosionsgefährdeten Steillagen

Die Auswertungskarte der Steillagen grenzt auf der Grundlage der ABAG in Abhängigkeit von der Hangneigung (S-Faktor) und der Bodenart (K-Faktor) besonders erosionsgefährdete Steillagen ab. Der Datensatz zu den Steillagen grenzt auf landwirtschaftlich genutzten Flächen, Standorte ab, die einen Wert aus K*S = 1 haben und zusammenhängend mindestens 0,3 ha groß sind. Ein Wert aus K*S = 1 ergibt sich z.B. aus: einer Hangneigung von 15% und einer hoch erosionsanfälligen Bodenart (Ut3 mit K-Faktor 0,56), die in den sächsischen Lösshügelländern weit verbreitet ist. einer Hangneigung von 21% und einer mittel erosionsgefährdeten Bodenart (Slu, Gr2 mit K-Faktor 0,36), die im sächsischen Mittelgebirge verbreitet ist. Nach diesen Kriterien gibt es auf der landwirtschaftlich genutzten Fläche in Sachsen rd. 20.000 ha Steillagen, wovon der größte Anteil durch Dauergrünland gut vor Erosion geschützt ist. Etwa 5200 ha der Steillagen liegen innerhalb von Ackerland-Feldblöcken und haben eine zusammenhängende Fläche von mindestens 0,3 ha. Diese Standorte sollten zukünftig durch eine dauerhafte Vegetationsdecke vor Bodenerosion geschützt werden. Eine nachhaltige ackerbauliche Nutzung dieser Standorte ist nur durch sehr umfassende Erosionsschutzmaßahmen möglich (z.B. Direktsaatverfahren).

Erosionsgefährdungskarten Sachsen

In den letzten Jahren wurden neue Datengrundlagen erarbeitet, die eine aktuelle Bewertung der Erosionsgefährdung erforderte. Gegenüber den bisher vorliegenden Erosionsgefährdungskarten liegen nun räumlich differenziertere und aktualisierte Erosionsgefährdungskarten vor. Die folgenden Datengrundlagen gingen in das vorliegende Kartenwerke ein. Sie sind bei der Nutzung und Interpretation der Erosionsgefährdungskarten zu berücksichtigen: Bodenkarte im Maßstab 1 : 50.000 (BK50), Quelle: Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG) 2020; Digitales Geländemodell im 5 m-Raster (DGM5), generalisiert aus DGM2, Quelle: Geobasisinformation und Vermessung Sachsen (GeoSN) 2012; Niederschlagsreihen von 2001 bis 2017, Quelle: Deutscher Wetterdienst (DWD) 2019

Nachhaltige Entwicklung der Bundeswasserstraßen, Ökologische Untersuchungen von Ufersicherungen an Bundeswasserstraßen

Die Ufer von Binnenwasserstraßen werden i. d. R. mit technischen Deckwerken aus Steinschüttungen oder Spundwänden gesichert, um Erosion und andere negative Auswirkungen infolge hydraulischer Belastung aus Schifffahrt zu verhindern. Grundlage der Anwendung ist ein technisches Regelwerk der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV). Seit Inkrafttreten der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EG-WRRL) im Jahr 2000 erhalten ökologische Gesichtspunkte bei allen Aus- und Neubaumaßnahmen an Bundeswasserstraßen einen größeren Stellenwert. Auch bei der Unterhaltung sind technische und ökologische Aspekte gleichermaßen zu berücksichtigen. Dementsprechend sind verstärkt technisch-biologische Ufersicherungen als ökologisch verträglichere Alternative zur klassischen Steinschüttung anzuwenden. Für deren Einsatz an Wasserstraßen gibt es bisher allerdings nur sehr wenig Erfahrungen und keine Regelwerke. Daher werden Untersuchungen sowohl zur hydraulischen Belastbarkeit als auch zum ökologischen Potenzial von technisch-biologischer Ufersicherungen mit dem Ziel durchgeführt, Anwendungsempfehlungen und Bemessungsgrundlagen für deren Einsatz an Bundeswasserstraßen zu erarbeiten.

Erosion von Bentonit unter In-situ Bedingungen durch Einwirkung natürlicher Wässer in geologischen Tiefenlagern, Teilprojekt B

Reallabor Universitätsforst für nachhaltiges Verjüngungsmanagement im Klimawandel, Teilprojekt 1

Untersuchung der physikochemischen und mechanischen Eigenschaften von vulkanischen Ascheböden in Südchile und der Konsequenzen für die daraus resultierende Erodibilität

Die Hauptzielsetzung dieses interdisziplinären Verbundprojektes besteht in der Untersuchung der physikochemischen und mechanischen Eigenschaften und der daraus resultierenden Erosionsneigung von vulkanischen Ascheböden in Südchile in Abhängigkeit von Alter, Entwicklungszustand und Nutzungsform der Böden. Aschenböden stellen in vielerlei Hinsicht wie Porosität, Verdichtbarkeit, Erosionsverhalten, Kornform, Benetzbarkeit, Dynamik der Bodenentwicklung Extremstandorte dar. Gemessen an der Verbreitung und der wirtschaftlichen Bedeutung dieser Böden liegen zwar einige bodenphysikalische und chemische Daten vor, doch können diese Erkenntnisse bisher kaum in allgemeine Kategorien übertragen und auch nicht hinsichtlich der räumlichen Vernetzung und Relevanz bewertet werden. Daher werden mit dem vorliegenden methodischen Ansatz an 12 Catenen mit je 2 Profilen signifikante physikalische Parameter zur Kennzeichnung des physikochemischen, mechanischen und hydraulischen Verhaltens dieser Böden identifiziert und bewertet (siehe Abb.1 im Anhang). Auf diese Weise soll die besondere Bedeutung physikalischer Parameter für die Materialumlagerungen von Ascheböden erfasst werden. Der Erkenntnisgewinn liegt folglich einerseits im verbesserten Prozessverständnis über chilenische Aschenböden, andererseits sollen aber auch die entwickelten und geprüften Methoden auf Aschenböden allgemein übertragbar sein. Damit würde zusätzlich ein wichtiger Beitrag zur Standardisierung der Methoden für Aschenböden im weltweiten Maßstab geleistet werden. Die Interaktion zwischen physikalischen und mechanischen Eigenschaften und deren Ausprägung in Landschaften zu quantifizieren sind Ziel dieses Antrags.

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