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Vorhersage und Erklaerung des Verhaltens und der Belastbarkeit von Oekosystemen unter veraenderten Umweltbedingungen - Teilprojekt S6: Die Bedeutung der Schwefeldynamik im Boden und Untergrund fuer die Reversibilitaet von Boden- und Gewaesserversauerung in bewaldeten Einzugsgebieten

Das Projekt "Vorhersage und Erklaerung des Verhaltens und der Belastbarkeit von Oekosystemen unter veraenderten Umweltbedingungen - Teilprojekt S6: Die Bedeutung der Schwefeldynamik im Boden und Untergrund fuer die Reversibilitaet von Boden- und Gewaesserversauerung in bewaldeten Einzugsgebieten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Bayreuther Institut für Terrestrische Ökosystemforschung, Lehrstuhl für Bodenökologie durchgeführt. Um die Reversibilitaet der Versauerung von Bodenloesungen und Grundwasser zu untersuchen, wurde die raeumliche Heterogenitaet der Sulfatvorraete und der Desorptionsisothermen in Boeden und im verwitterten Untergrund des Einzugsgebietes Lehstenbach bestimmt. Die raeumliche Heterogenitaet des Desorptionsverhaltens war hoch und beeinflusste die Prognose signifikant. Es konnten nur schwache Beziehungen zwischen den Parametern der Sulfatdesorptionsisotherme und anderen Bodeneigenschaften gefunden werden. Die Sulfatvorraete im Untergrund sind wesentlich groesser (90 kmol/ ha bis in 10 m Tiefe) als in den Boeden. (15 kmol/ ha bis in 50 cm Tiefe). Simulationen zeigten, dass der Sulfatvorrat im Untergrund ein lang anhaltender Puffer fuer die Grundwasserchemie bei nachlassenden S-Eintraegen ist. Die d34S Werte in der Kronentraufe wiesen, im Gegensatz zu den Bodenloesungen, nur geringe raum-zeitliche Variationen auf. Der Boden erzeugt somit Heterogenitaet der Isotopensignatur. Die Untersuchungen der stabilen S-Isotope zeigten, dass Sulfat im Boden biologischen Prozessen unterliegt. Die hohen d34S Werte der Bodenloesung in vermoorten Bereichen weisen dabei auf Sulfatreduktion hin, die relativ geringen d34S Werte in den Bodenloesungen der terrestrischen Boeden hingegen auf den Einfluss der S-Mineralisation. Der Einfluss der Sulfatreduktion auf die S-Bilanz des Einzugsgebiets scheint aber relativ gering zu sein. Verschiedene Modellansaetze zur Prognose der Sulfatdynamik wurden verglichen und objektive Kriterien zum Modellvergleich angewendet und entwickelt. Daraus resultierte eine Definition des Begriffes 'Modellvaliditaet'.

Vorhersage und Erklaerung des Verhaltens und der Belastbarkeit von Oekosystemen unter veraenderten Umweltbedingungen - Teilprojekt S10: Untersuchung der Schwefeldynamik im Grundwasserleiter

Das Projekt "Vorhersage und Erklaerung des Verhaltens und der Belastbarkeit von Oekosystemen unter veraenderten Umweltbedingungen - Teilprojekt S10: Untersuchung der Schwefeldynamik im Grundwasserleiter" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Bayreuther Institut für Terrestrische Ökosystemforschung, Lehrstuhl für Hydrogeologie durchgeführt. In zwei bewaldeten Einzugsgebieten (Lehstenbach- und Steinkreuzeinzugsgebiet) wurden die Wechselwirkungen zwischen Fliesswegen und Verweilzeiten sowie der Einfluss der vermoorten Flaechen auf die Schwefel- und Stickstoffumsaetze untersucht. Dafuer standen die im Rahmen langjaehriger Monitoringprogramme erhobenen umfangreiche Datensaetze zur Verfuegung. Diese umfassen meteorologische, bodenhydrologische, hydrogeologische, sowie Messungen in den Oberflaechengewaessern. Die zeitliche Aufloesung der physikalischen Daten ist mindestens stuendlich, und vierzehntaegig fuer die meisten hydrochemischen Daten. Fuer das Lehstenbacheinzugsgebiet lag ein Datensatz ueber zehn, und fuer das Steinkreuzgebiet ueber drei Jahre vor. Zusaetzlich wurde in beiden Einzugsgebieten eine Bodenradar-(GPR-)Aufnahme durchgefuehrt. Im Steinkreuzgebiet wurden ueber zwei Jahre hinweg eine hoch 18 O und hoch 2 H-Studie durchgefuehrt. Im Lehstenbachgebiet wurden zusaetzlich zeitlich hoch aufgeloeste hydrochemische Messungen im Grund- und Oberflaechenwasser, der Bestimmung hydrochemischer Gradienten in den Vorflutern und Pumpversuche durchgefuehrt. In zwei Steady-State-Tracerexperimenten im ueberdachten Gaerdsjoen-G1-Einzugsgebiet (Schweden) konnten auf Einzugsgebietsebene Experimente unter kontrollierten hydrologischen Randbedingungen durchgefuehrt werden, die ansonsten nur im Labor moeglich sind. Fuer das Lehstenbachgebiet wurde ein zweidimensionales Niederschlags-Abfluss-Modell angewendet. Das raeumliche Muster der mittleren Grundwasserstaende wurde durch ein Grundwassermodell unter Gleichgewichtsannahme modelliert. Zeitreihen des Lehstenbachgebietsabflusses sowie der Konzentrationen verschiedener Inhaltsstoffe beider Einzugsgebiete wurden mittels neuronaler Netze simuliert.

Charakterisierung von Schwefel-Bindungsformen in anhydromorphen und hydromorphen Böden und Bodenpartikeln mittels Spektromikroskopie

Das Projekt "Charakterisierung von Schwefel-Bindungsformen in anhydromorphen und hydromorphen Böden und Bodenpartikeln mittels Spektromikroskopie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt, Lehrstuhl für Bodenkunde durchgeführt. Für humose Oberbodenhorizonte einer Boden-Toposequenz mit zunehmender Hydromorphie (Podsol-Gley = Niedermoor) sollen mittels neuentwickelter röntgenspektromikroskopischer Methoden (Sulfur K edge Near Edge X-Ray Absorption Fluorescence Spectroscopy; NEXAFS) sowie nasschemischer Verfahren die SchwefelBindungsformen erfasst und ihre jeweiligen Anteile am GesamtS-Pool der Böden quantifiziert werden. Die mikroskalige Heterogenität der S-Ausstattung der untersuchten Böden wird durch Gegenüberstellung der S-Ausstattung einzelner Bodenkolloide bzw. -mikroaggregate mit jener von homogenisiertem Bodenmaterial ('bulk soil') herausgearbeitet. Untersuchungsgegenstand ist eine Bodentoposequenz im Einzugsgebiet des Lehstenbaches im Fichtelgebirge. Der biogeochemische S-Umsatz in diesem Einzugsgebiet wird seit über einem Jahrzehnt vom Bayreuther Institut für Terrestrische Ökosystemforschung (BITÖK) intensiv untersucht; eine Differenzierung organischer S-Bindungsformen im Boden erfolgte mangels analytischer Möglichkeiten bislang nicht. Die geplanten Untersuchungen liefern daher nicht nur einen grundsätzlichen Erkenntniszuwachs zur S-Ausstattung von Böden unterschiedlicher Hydromorphie; sie schließen darüber hinaus eine Lücke bei der Beschreibung des biogeochemischen S-Kreislaufs in diesem Einzugsgebiet.

Grundlagen zur nachhaltigen Entwicklung von Oekosystemen bei veraenderter Umwelt - Teilprojekt A16: Hydraulische und hydrochemische Vernetzung von Sickerwasser, Oberflaechen- und Grundwasser: Episoden und langfristige Trends

Das Projekt "Grundlagen zur nachhaltigen Entwicklung von Oekosystemen bei veraenderter Umwelt - Teilprojekt A16: Hydraulische und hydrochemische Vernetzung von Sickerwasser, Oberflaechen- und Grundwasser: Episoden und langfristige Trends" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Bayreuther Institut für Terrestrische Ökosystemforschung, Lehrstuhl für Hydrogeologie durchgeführt. Ziel des Teilprojektes ist es, aus kurzfristigen Zeitreihen Indikatoren zu entwickeln, die fruehzeitig eine beginnende Entwicklung der Gewaesserqualitaet anzeigen und Abschaetzungen der laengerfristigen Gefaehrdungen erlauben. Methodisch stuetzt sich das Teilprojekt auf zeitlich hoch aufgeloeste automatisierte Messungen im Oberboden, Aquifer und Vorflutern im Lehstenbacheinzugsgebiet und in Trinkwasserfassungsanlagen am Ochsenkopf (Fichtelgebirge). Die hydrologische und hydrochemische Reaktion der Vorfluter erfolgt in der Regel wenige Minuten bis maximal Stunden nach Einsetzen staerkerer Niederschlaege. Auch im Grundwasser des Lehstenbach- und des Ochsenkopfgebietes werden aehnlich schnelle Reaktionen beobachtet. Verschiedene Parameter liefern deutliche Indizien darauf, dass diese Reaktionen ueberwiegend, wenn nicht ausschliesslich, durch altes Wasser generiert werden. Dieses wird offensichtlich in der vadosen Zone durch kurzfristige Aufsaettigung mobilisiert. Die hinsichtlich der Grundwasserstaende erfolgreiche Parametrisierung eines Grundwasserstroemungsmodells fuer das Lehstenbachgebiet lieferte fuer andere, hydrochemisch relevante Aussagen des Modells (Verweilzeiten, Exfiltrationsraten) nur sehr unscharfe bzw. mit den Messungen nicht zu vereinbarende Werte. Dies laesst sich offensichtlich nicht ohne immensen Mehraufwand zur raeumlich feiner aufgeloesten Bestimmung relevanter Parameter verbessern.

Grundlagen zur nachhaltigen Entwicklung von Oekosystemen bei veraenderter Umwelt - Teilprojekt A15: Auswertung hydrologischer und hydrochemischer Zeitreihen mittels multivariater, nichtlinearer Verfahren

Das Projekt "Grundlagen zur nachhaltigen Entwicklung von Oekosystemen bei veraenderter Umwelt - Teilprojekt A15: Auswertung hydrologischer und hydrochemischer Zeitreihen mittels multivariater, nichtlinearer Verfahren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bayreuth, Bayreuther Institut für Terrestrische Ökosystemforschung, Lehrstuhl für Hydrogeologie durchgeführt. Mit diesem Projekt soll der Einfluss anthropogener Schadstoffdepositionen auf die Qualitaet oberflaechennaher Grundwaesser in bewaldeten Einzugsgebieten untersucht werden. Auf der Grundlage experimenteller Beobachtungen in den BITOEK-Intensivflaechen und der langfristigen Abflussmessungen werden neue Methoden zur Umsetzung in wasserwirtschaftlich relevante Anwendungen entwickelt und getestet. Die vorliegenden umfangreichen Datensaetze werden mittels kuenstlicher neuronaler Netze auf interne Redundanzen ueberprueft. Diese Methode erlaubt es, Hypothesen ueber kritische Prozesse auf tatsaechlich beobachtete Variablen zu reduzieren (hauptsaechlich Beobachtungen zum Input-Outputverhalten), waehrend die internen Prozesse durch ein sehr effektives nicht-lineares Modell empirisch abgebildet werden. Damit koennen die bei prozessorientierten Modellen auftretenen Schwierigkeiten (Eindeutigkeit der Parameterbestimmung, Ueberparametrisierung) ueberwunden werden. Die gefundenen empirischen Abbildungsfunktionen sollen zur Identifizierung der jeweiligen Steuergroessen und relevanten Prozesse auf einer von den Daten vorgegebenen Aggregationsebene genutzt werden. Fuer die Risikobewertung von kurzzeitigen Belastungsspitzen der genutzten Gewaessser, sowie zur laengerfristigen Gefaehrdungsabschaetzung wird damit ein Verfahren angeboten, das nur soviel Empirie wie notwendig und soviel Prozessverstaendnis wie moeglich verwendet. Zwischenbericht 1999: Zur Untersuchung langfristiger anthropogener diffuser Stoffeintraege auf Oberflaechen- und Grundwasserqualitaet werden von BITOEK, wie auch von anderen Institutionen langjaehrige Messprogramme durchgefuehrt. Zur Auswertung der Zeitreihen werden im Rahmen dieses Teilprojektes ueberwiegend empirische, multivariate und nichtlineare Verfahren eingesetzt. Mittels Kuenstlicher Neuronaler Netze kann gezeigt werden, dass die Auswirkungen der in den letzten zwei Dekaden gesunkenen Schwefeleintraege auf den Abfluss des Lehstenbachs (Fichtelgebirge) zwar deutlich sind, sich aber im Wesentlichen auf die ersten Abflussspitzen jeweils gegen Ende der Vegetationsperiode beschraenken. Die Analyse der Si-Konzentrationsganglinien der Brugga (Schwarzwald) mittels Kuenstlicher Neuronaler Netze liefert Indizien auf die besondere Rolle der Schneeschmelze bei der Abflussbildung. Die Simulation der Zeitreihen der Konzentration geloesten organischen Kohlenstoffs in der Kronentraufe des Steinkreuzgebietes (Steigerwald) mittels eines einfachen prozessorientierten Modells lieferte erste vielversprechende Ergebnisse. Basierend auf Bodenradardaten, Bohrprofilen, geomorphologischen, hydrologischen und hydrochemischen Daten wurde ein Schichtmodell fuer das Steinkreuzgebiet erstellt. Dieses laesst sich nutzen, um geo- und hydrochemische Prozesse genauer zu lokalisieren. So laesst sich z.B. im Bereich der Intensivmessflaeche in 2-3 m Tiefe unter Gelaendeoberflaeche eine nicht unerhebliche Stickstoffsenke lokalisieren.

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