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Rekultivierung von Tagebaufolgeflächen mit verschiedenen Bodenhilfsstoffen und Baumarten

dc.contributor.advisorDohrenbusch, Achim Prof. Dr.
dc.contributor.authorKirscht, Meike
dc.date.accessioned2014-03-19T09:35:08Z
dc.date.available2014-03-19T09:35:08Z
dc.date.issued2014-03-19
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0022-5E66-B
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-4421
dc.description.abstractTagebaumaßnahmen führen durch Entfernung des Oberbodens, Vermischung von Bodenschichten bei der Wiederverfüllung von Restlöchern und Maschineneinsatz dazu, dass auf Tagebaufolgeflächen meist extrem schwierige Standortbedingungen für Pflanzenwachstum herrschen. Dazu zählen v.a. Bodenverdichtung und Bodenversauerung durch die Verwitterung von Eisensulfiden, was Ernährungsstörungen und Belastungen mit Schwermetallen und anderen Schadstoffen zur Folge hat. Die Bodenbedingungen sind auf kleinem Raum sehr heterogen. Das ungünstige Mikroklima der vegetationsfreien Flächen verstärkt die durch Bodenverdichtung schwierige Wasserversorgung. Mykorrhiza-Pilze fehlen oft zunächst. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines möglichst wenig aufwendigen Konzeptes, um mit Hilfe geeigneter Baumarten und Bodenhilfsstoffe zumindest auf kleiner Fläche eine Begrünung von Kippen-Rohböden zu erreichen, um so Startpunkte einer Sukzession zu etablieren. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Baumarten (Quercus robur, Acer platanoides, Sorbus aucuparia, Alnus glutinosa, Pseudostuga menziesii und Pinus sylvestris) und Bodenhilfsstoffe zur Verbesserung der physikalischen (Perlit, Wasserspeichersubstanzen: sowohl herkömmliches, petrochemisches Hydrogel als auch neuartiger Superabsorber aus pflanzlicher Stärke), chemischen (Kalk), physikalischen und chemischen (Kompost) sowie biologischen (Mykorrhiza-Impfung) Bodeneigenschaften getestet. Die Bodenhilfsstoffe wurden einzeln und miteinander kombiniert eingesetzt. Auf auch Jahre nach der Ablagerung des Haldensubstrats noch vegetationsfreien Flächen im ehemaligen Ronneburger Uranerz-Abbaugebiet wurden Freilandversuche mit knapp 1.000 Bäumen angelegt; Topfversuche im Gewächshaus dienten der Begleitung und Vertiefung. Die physikalischen und chemischen Bodeneigenschaften der Versuchsflächen wurden analysiert, die Effekte der Bodenhilfsstoffe darauf im Topfversuch überprüft. Die Entwicklung der Versuchspflanzen wurde über zwei Jahre hinweg durch regelmäßige Vitalitätsschätzungen auf einer 5-stufigen Skala, Messungen verschiedener Wuchsparameter und Analysen der Elementgehalte in den Assimilationsorganen untersucht. Die Böden wiesen eine sehr geringe Wasserspeicherkapazität und eine stark gestörte Infiltrations- und Wasserleitfähigkeit auf. Das Nährstoffpotential war mit Ausnahme sehr geringer Stickstoff-Gehalte gut. Eine sehr starke Versauerung sowie stark belastende Kupfer- und Schwefel-Gehalte waren die Haupt-Probleme. Auffällig waren hohe Magnesium-Gehalte und -Sättigungen. Die Versuchspflanzen waren entsprechend sehr stark mit Schwefel und Kupfer sowie mit Eisen, Aluminium und teilweise Mangan belastet und zeigten auffallend hohe Magnesium-Gehalte. Sie wiesen Ernährungsdefizite auf, die auf die geringe Stickstoffversorgung, Nährstoffantagonismen/Ionenkonkurrenz und Toxizität zurückgeführt werden können. Im Verlauf des Versuchs entwickelte sich auf einigen Versuchsflächen in Teilbereichen Spontanvegetation (Moose, Calamagrostis epigejos). Bodenuntersuchungen ergaben leicht höhere pH-Werte und eine entsprechend günstigere Ernährungssituation in diesen Bereichen, vermutlich aufgrund einer unregelmäßigen Flächenkalkung einige Jahre vor Versuchsbeginn. Die Entwicklung der Versuchspflanzen wurde stark von den Standortunterschieden beeinflusst. Kalk und Kompost hatten deutlich positive Effekte auf die chemischen Bodenbedingungen und die Pflanzenentwicklung. Mit Kompost war der Einfluss vor allem bei den anspruchsloseren Baumarten Eberesche, Schwarz-Erle und Wald-Kiefer oft größer. Daneben zeigten Mykorrhiza-Impfungen eine starke Wirkung, vor allem in Kombination mit Kalk und/oder Wasserspeichersubstanzen. Die positiven Wirkungssynergismen von Mykorrhiza-Impfungen und Wasserspeichersubstanzen auch ohne Kalk-Gaben waren angesichts der sehr stark sauren Standortverhältnisse bemerkenswert. Darüber hinaus hatten Wasserspeichersubstanzen wie auch Perlit keine, teilweise sogar negative Effekte durch Herabsetzung der Kalk-Wirkung in kombinierten Varianten. Zudem wiesen die mit Perlit oder Wasserspeichersubstanzen gepflanzten Bäume teils hohe Schadstoff-Belastungen auf. Die Bodeneigenschaften wurden nicht beeinflusst; die feinbodenreichen Lehmböden mit ihrer geringen Infiltrationsfähigkeit durch Zerscherung der Grobporen bei Verdichtung schienen für den Einsatz von Wasserspeichersubstanzen weniger geeignet zu sein. Das Vorhandensein von Pilz-Partnern zur Mykorrhiza-Bildung ist auf diesen schwierigen Standorten offenbar von besonderer Bedeutung, da diese Symbiose die Wasserversorgung von Pflanzen verbessern kann, außerdem ihre Ernährung fördert und die Schadstoff-Aufnahme hemmt, wie im Rahmen der vorliegenden Arbeit bestätigt werden konnte. So konnten durch kombinierte Mykorrhiza-Impfungen teilweise selbst die extremen Schwefel-Gehalte auf ein normales Maß gesenkt werden, was mit Kalkung allein nicht der Fall war. Die obligat Mykorrhiza bildenden Rot-Eichen und Wald-Kiefern, zwei eigentlich zur Tagebaurekultivierung sehr geeignete und viel verwendete Baumarten, zeigten insgesamt hohe Ausfallraten. Bei den Eichen spielte dabei die schlechte Qualität des Pflanzenmaterials, bei den Kiefern wahrscheinlich starke Trockenheit zum Zeitpunkt der Versuchsanlage im Frühjahr 2005 eine Rolle. Bei den ebenfalls obligat Mykorrhiza bildenden Douglasien war der Standort in günstigeren Bereichen, in denen sich auch Spontanvegetation entwickeln konnte und in die nachweislich Mykorrhiza-Pilze einwanderten, von großer Bedeutung. Wie die als einzige Baumart nicht mit Kupfer belastete Eberesche und die durch ihre Symbiose mit Stickstoff-fixierenden Bakterien sehr gut geeignete Erle, die von allen Baumarten die besten Ergebnisse zeigte, konnte sich auch die Douglasie auf diesen etwas besseren Standorten selbst ohne Bodenhilfsstoffe zufrieden stellend entwickeln. Angesichts des extremen Sommers 2006 kam vermutlich auch ihre Trockenheitstoleranz zum Tragen. Die Spitz-Ahorne zeigten hohe Schadstoff-Belastungen, kaum Wachstum und eine stark gestörte Wurzel-Ausformung. Die Baumart wurde zudem stark verbissen und erwies sich insgesamt als wenig geeignet. Auf Grundlage der Ergebnisse der auf den Ronneburger Tagebaufolgeflächen durchgeführten Untersuchungen wird für die Rekultivierung dieser und vergleichbarer Standorte eine Mischung aus Erlen, Ebereschen und Douglasien empfohlen, wobei die Erle auch aufgrund ihrer Standort verbessernden Eigenschaften den größten Anteil einnehmen sollte. In stärker versauerten (pH KCl < 4), frei von Bodenvegetation bleibenden Bereichen sollte einige Zeit im Vorfeld der Pflanzungen eine Kalkung mit aufgrund der Bodengehalte magnesiumfreiem Kalk erfolgen, um die Voraussetzungen für Bodenvegetation und Mykorrhiza-Pilze zu verbessern. Bei den Ebereschen und Erlen ist eine Kompost-Gabe ins Pflanzloch als Starthilfe sinnvoll. Zumindest bei den Douglasien sollten Mykorrhiza-Impfungen durchgeführt werden, die generell auf diesen Standorten empfehlenswert sind und somit auch für die Ebereschen und Erlen sehr vorteilhaft sein können. Die Dauer der Wirkung der Bodenhilfsstoffe und die über die beobachtete Zeit hinaus gehende Entwicklung der Bäume sind unter den gegebenen, sehr schwierigen Standortbedingungen mit fortschreitender Pyrit-Verwitterung und damit Bodenversauerung offen.de
dc.language.isodeude
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/
dc.subject.ddc634de
dc.titleRekultivierung von Tagebaufolgeflächen mit verschiedenen Bodenhilfsstoffen und Baumartende
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedReclamation of surface mining areas with different soil additives and tree speciesde
dc.contributor.refereeDohrenbusch, Achim Prof. Dr.
dc.date.examination2011-03-31
dc.description.abstractengDue to surface mining activities such as removing the topsoil, mixing of soil layers in the backfill of abandoned open pits and usage of heavy machines, former surface mining areas usually offer extremely difficult site conditions for plant growth. These conditions include soil compaction and soil acidification by the weathering of iron sulfides, leading to nutritional disorders and to pollution by heavy metals and other contaminants. Soil conditions are heterogeneous within a small space. The unfavorable microclimate of vegetation-free areas has a negative impact on water supply which is already problematic because of soil compaction. Additionally, mycorrhizal fungi are often missing at first. The aim of this research project was to develop a minimal protocol for revegetation of virgin soils on dumping sites, using suitable tree species and soil additives, initially in small areas in order to establish starting points for succession. For this purpose, different tree species (Quercus robur, Acer platanoides, Sorbus aucuparia, Alnus glutinosa, Pseudotsuga menziesii and Pinus sylvestris) and soil additives for improving the physical (perlite, water storage substances: both conventional, petrochemical hydrogel as well as novel superabsorbent from plant starch), chemical (lime), physical and chemical (compost) and biological (mycorrhizal inoculation) soil properties were tested. The soil additives were used individually and in combinations. Field trials with nearly 1,000 trees were created in areas in the former uranium mining district Ronneburg that were still free from vegetation many years after the deposition of the stockpile substrate. Pot experiments in the greenhouse with nearly 500 trees served to accompany and deepen the field trials. The physical and chemical soil properties of the experimental plots were analyzed, and the effects of soil additives were examined in the pot experiment. The development of the experimental plants was studied over two years through regular vitality estimates on a 5-point scale, measurements of various growth parameters and analysis of element contents in the assimilation organs. The soil was found to have a low water storage capacity and a highly disturbed water infiltration and water conductivity. The nutrient potential was good with the exception of very low nitrogen contents. A strong acidification and highly stressful copper and sulfur contents were the main problems preventing plant development. There were also noticeably high magnesium contents and saturations. The test plants were strongly burdened with sulfur and copper as well as with iron and aluminum, and partially also with manganese. They showed remarkably high magnesium contents. The plants had nutritional deficiencies, which can be blamed on the low nitrogen supply, nutritional antagonisms/ion competition and toxicity. In the course of the field experiment, spontaneous vegetation (mosses, Calamagrostis epigejos) developed in parts of some plots. Soil analyses showed slightly higher pH values and a correspondingly more favorable food situation in these areas, probably due to an irregular lime treatment several years before. The development of the experimental plants was strongly influenced by these location differences. Lime and compost had significant positive effects on the chemical soil conditions and plant development. In combination with compost, the influence was often greater than with lime, especially for the less demanding tree species rowan, black alder and Scots pine. In addition, mycorrhizal inoculations showed a strong effect, especially in combination with lime and/or water storage substances. The positive synergy of effects of mycorrhizal inoculations and water storage substances without lime doses were remarkable given the very acidic site conditions. Besides, water storage substances and also perlite had no positive influence, and sometimes even affected the plants negatively by reducing the lime effect in combined versions. In addition, trees planted with perlite or water storage substances partly showed high pollutant loads. The soil conditions were not affected; the loamy soils which are rich in fine material and have a low infiltration capacity (destruction of coarse pores due to compaction) appeared to be little suitable for the use of water storage substances. In these difficult locations, the presence of fungal partners for the formation of mycorrhiza is obviously of particular importance, as this symbiosis can improve the water supply of plants, and also promotes their nutrition and inhibits pollutant uptake, as confirmed in the present study. With combined mycorrhizal inoculations even the otherwise extreme sulfur levels in test plants could partially be reduced to normal levels, which was not the case with liming alone. The obligatory mycorrhiza forming red oaks and Scots pines, which are two species widely used for surface mining recultivation, showed overall high failure rates. For the oaks, the poor quality of the plant material played a role, and for the pines, the severe drought at the time of the planting in spring 2005 probably was the reason. For the Douglas firs, which are also obligatory mycorrhiza forming, the location in more favorable areas, where spontaneous vegetation could develop and demonstrably mycorrhizal fungi migrated in, was of great importance. The due to its symbiosis with nitrogen-fixing bacteria very suitable black alder showed the best results of all tree species. Like black alder and rowan, which was the only tree species not affected by copper, also Douglas fir could develop satisfactorily on these somewhat better locations, even without soil additives . Given the extreme summer of 2006, the drought tolerance of Douglas fir probably also affected the outcome. The pointed maples showed high pollutant loads, hardly any growth and a strongly disturbed root formation. The trees of this species were also heavily damaged by wild animals and on the whole proved unsuitable. Based on the results of the field trials on former surface mining areas near Ronneburg, a mixture of black alder, rowan and Douglas fir is recommended for the recultivation of these and similar locations. Also because of its soil ameliorative properties, black alder should constitute the largest share of the mixture. To improve the conditions for ground vegetation and mycorrhizal fungi, in more acidified areas (pH KCl <4; no spontaneous vegetation) lime treatment should be performed some time in advance of planting. Due to soil magnesium levels, magnesium-free lime should be used. For rowan and black alder, placing compost into the planting hole as an initial aid is useful. Inoculation with mycorrhizal fungi is generally recommended on these sites. For Douglas fir this should be done in any case, and it can be highly beneficial for rowan and black alder as well. Due to the very difficult site conditions with progressive pyrite weathering and thus soil acidification, the duration of the effects of the soil additives and the continuous development of the trees beyond the observation period remain an open question.de
dc.contributor.coRefereeLamersdorf, Norbert Prof. Dr.
dc.subject.gerTagebaude
dc.subject.gerRekultivierungde
dc.subject.gerMykorrhizade
dc.subject.gerKalkde
dc.subject.gerKompostde
dc.subject.gerWasserspeichersubstanzde
dc.subject.gerSuperabsorberde
dc.subject.gerHydrogelde
dc.subject.gerStockosorb®de
dc.subject.gerPerlitde
dc.subject.gerRonneburgde
dc.subject.engopen cast pitde
dc.subject.engsurface mining pitde
dc.subject.engrecultivationde
dc.subject.engreclamationde
dc.subject.engmycorrhizade
dc.subject.enginoculationde
dc.subject.englimede
dc.subject.engcompostde
dc.subject.engsuperabsorbentde
dc.subject.enghydrogelde
dc.subject.engperlitede
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0022-5E66-B-0
dc.affiliation.instituteFakultät für Forstwissenschaften und Waldökologiede
dc.subject.gokfullForstwirtschaft (PPN621305413)de
dc.identifier.ppn781013607
dc.creator.birthnameStrackholder


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