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Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde
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Brandenburg spezifische Boden-Indikatoren für ein Klimamonitoring im Rahmen der Deutschen Anpassungs­strategie (DAS) sowie Zusammenstellung von Grundlagen zur Ableitung von aussagefähigen Wirkungs- und Alarm­schwellen. 2009 bis 2018.


Die global prognostizierten Klimaänderungen und deren Folgen werden für Europa, Deutschland und Brandenburg möglicherweise gravierende Folgen haben. Um hierauf rechtzeitig und angemessen reagieren zu können, hat die Bundesregierung 2008 die in Kooperation mit den Ländern erarbeitete "Deutsche Anpassungsstrategie an den Klimawandel" (DAS) beschlossen. Danach ist es beabsichtigt, bis 2011 einen "Aktionsplan Anpassung" zu entwickeln, in dem Handlungserfordernisse und konkrete Maßnahmen zur Anpassung an den Klimawandel dargelegt werden. Des Weiteren soll ein Vorschlag für ein Indikatorensystem zur Erfolgskontrolle erarbeitet werden, mit dem der Erfolg der durchgeführten Maßnahmen überprüft werden kann. Das Indikatorensystem zielt auf die Schaffung einer aussagekräftigen Datenlage für ein Klimafolgenmonitoring in Deutschland. Das Indikatorensystem soll die systematische Früherkennung und Kommunikation von Klimafolgen ermöglichen.

Die Berücksichtigung der spezifischen Situation des Landes Brandenburg ist zwingend erforderlich, da hier deutschlandweit aufgrund der naturräumlichen Besonderheiten der Region eine erhöhte Vulnerabilität, d.h. eine besondere Empfindlichkeit oder Verletzbarkeit hinsichtlich der Auswirkungen des Klimawandels gegeben ist. Die Vulnerabilität muss in die Entwicklung eines Indikatorensystems und in die Anpassung der Mess- und Erfassungssysteme für künftige Berichterstattung frühzeitig mit einfließen, um entsprechend im Land umgesetzt werden zu können.

Dieses geschieht für den Boden insbesondere hinsichtlich der Indikationsfelder Bodenwassergehalt und dessen Auswirkung auf Stoffkreisläufe im Boden, Erosionsgefährdung durch Wind und Wasser sowie Humusgehalt (organischer C-Gehalt). Die Ergebnisse der bisherigen Untersuchungen sind in den Fachbeiträgen 114 und 116 dargestellt. Darüber hinaus wird für die einzelnen Indikationsfelder jeweils ein repräsentativer Indikator abgeleitet. Hierbei erfolgt die spezielle Betrachtung überwiegend für brandenburgische Agrarökosysteme. Des Weiteren werden indikatorspezifische Alarmschwellen für ausgewählte Bodenfunktionen abgeleitet, die es ermöglichen, eine Beeinträchtigung von Bodenfunktionen (z. B. Ertragsfunktion) frühzeitig anzuzeigen.

Im Bericht zur Phase II Teil 1 aus 2010 wurden ergänzend Informationen zur Aufnahme und Verfügbarkeit von relevanten Daten bei betroffenen Institutionen dargestellt.

Experten rechnen mit Veränderungen im Boden in einer Zeitspanne zwischen 10 - 50 Jahren. Bezüglich der Auswahl von Indikatoren für ein Klimamonitoring ist die Stellung des Bodenwasserhaushaltes wesentlich, da er unabhängig vom Nutzungstyp des Bodens als wichtigste Ursache für die Vulnerabilität angesehen wird und hier die deutlichsten und eindeutigsten Änderungen feststellbar sind. Besonders trockenheitsgefährdet sind die sandigen Flächen mit geringen Wasserspeicherkapazitäten. Stärkerer Mineralisierung sind künftig die hydromorphen Böden und Moore durch verringerte Wasserzufuhr unterworfen.

Im Indikationsfeld Bodenwasserhaushalt wird die Häufigkeit von Frühjahrstrockenheiten als Indikator priorisiert. Künftig soll beobachtet werden, wie häufig Trockenperioden in den Monaten April bis Juni in Brandenburg auftreten. Die Periode ist deshalb besonders relevant, da landwirtschaftliche Kulturpflanzen in dieser Zeit einen starken Wachstums- und Entwicklungsschub machen und durch Trockenheiten die Ertragsleistung sehr stark gemindert werden kann.

Als mögliche Schwellenwerte werden die Zeiträume vorgeschlagen, welche zur ausreichenden Versorgung der Pflanzen mit Wasser aus dem Bodenwasserspeicher bleiben. Dies wurde exemplarisch in vereinfachter Form in dieser Studie für die Getreideart Winterroggen durchgeführt. Ziel weiterer Untersuchungen sollte es sein, ein Schwellenwertmodell für alle Getreide- und Bodenarten in Brandenburg zu erstellen.

Für das Indikationsfeld Bodenwasserhaushalt sind Daten zu den Parametern Niederschlag, Verdunstung, fruchtartenspezifische Anbauflächen und zur Bodenausgangsfeuchte im Frühjahr erforderlich. Die Datenbereitstellung stellt eine lösbare Aufgabe dar.

Ein weiteres Problem stellt die erhöhte Gefahr dar, welche durch Extremereignisse induziert wird. Hierbei können verstärkt Erosion und Überschwemmungen auftreten. Besonders die Erosion könnte auf Flächen auftreten, die bisher nicht als erosionsgefährdet gelten.

Als Indikator für das Indikationsfeld Erosion wird die Veränderung des Maisanbaus (Flächenentwicklung) bezüglich der Erosivität der Ackerflächen analysiert. Hierbei kommt zum tragen, dass eine erhöhte Erosionsgefährdung bei Maisanbau gegeben ist. Bei Änderungen der Anbauflächen des Mais verändert sich somit die potenzielle Erosionsgefährdung der Ackerflächen. Wenn die Maisanbauflächen sich in Gebiete mit landschaftlich bedingten höheren Erosionsgefährdungen ausdehnen, wird die potenzielle Erosionsgefährdung zusätzlich ansteigen.

Ein eindeutiger Schwellenwert lässt sich derzeit aber noch nicht ableiten. Hierzu müssen weitere Untersuchungen vorgenommen werden. Weiterhin sollten auch andere wichtige Kulturpflanzen in das Indikator-Schwellenwertmodell einbezogen werden.

Die Datenbereitstellung für das Indikationsfeld Erosion ist unproblematisch. Benötigt werden Datensätze zur Gefährdung der Böden durch Bodenabtrag und zu Anbauflächen erosionsfördernder Pflanzen.

Bezüglich der Veränderung der organischen Substanz gibt es weiteren Forschungsbedarf. Hier ist noch nicht eindeutig geklärt, ob es durch die Erwärmung zu stärkerer Mineralisation kommt, oder ob diese durch das geringere Wasserdargebot gehemmt wird.

Im Indikationsfeld Humushaushalt ist es schwierig einen geeigneten Indikator für klimainduzierte Veränderungen zu benennen, da hier die langfristigen klimatisch bedingten Änderungen sehr stark von nutzungsbedingten kurzfristigen Änderungen überlagert werden. Deshalb wird derzeit kein konkreter Bioindikator vorgeschlagen. Zur Beobachtung von klimainduzierten Änderungen bietet sich aber die Veränderung der Individuendichte und -arten von Lumbriciden an.

Der Indikator weist, als Primärzersetzer im Boden, auf seine herausragende Rolle beim Kohlenstoffkreislauf und der Humusbildung hin. Anhand ihrer starken Bindung an den Boden und die biologischen Bodenprozesse zeigen ihre Lebensgemeinschaften Bodenveränderungen an.

Ein konkreter Schwellenwert lässt sich noch nicht festlegen. Es gibt bereits mehrere Untersuchungen zu "optimalen" Humusgehalten bzw. ableitbaren Humusgehalten aus den Artenzusammensetzungen des Edaphon. Allerdings liefern diese Untersuchungen keine eindeutig gesicherten Angaben über Humusgehalte für die Ableitung möglicher Schwellenwerte.

Das Indikationsfeld Humusgehalt ist hinsichtlich der Datenverfügbarkeit am problematischsten, da nur wenige aussagefähige Standortaufnahmen von Individuendichte und -arten existieren.

Darauf aufbauend wurden die Indikationsfelder Bodenwasserhaushalt und Bodenerosion durch Wasser identifiziert, welche zukünftig besonders gefährdet sind. Für diese zwei Felder ist jeweils ein Indikator erarbeitet worden. Darüber hinaus wurde die Datenlage zur Beobachtung der Indikatoren in Brandenburg zusammengestellt.
Die Berechnungsmethoden der Indikatoren sind modular aufgebaut. Damit soll gewährleistet werden, dass bei Verbesserungen einzelner Methoden nicht die ganze Methodik des Indikators neu zu erstellen ist. Zukünftige Verbesserungen und Erweiterungen sind bei beiden Indikatoren möglich. Beim Bodenwasserhaushalt sind zukünftige Entwicklungen von Methoden der Evapotranspirationsberechnung zu berücksichtigen, wenn sie genauere Ergebnisse liefern als die vorgeschlagene. Bei der Erosion ist Verfeinerung der Bezugsebene anzustreben, wenn die Datenlage dafür gegeben ist. Für beide Indikatoren gilt, dass eine Erweiterung für andere Fruchtarten zukünftigen Anbauentwicklungen Rechnung tragen könnte.

Die Ergebnisse der Projektphase 4 wurden mit den Bodenindikatoren B2 und B3 im Basisbericht des Klimawandelmonitoring im Land Brandenburg 2018 umgesetzt.


Projektphase 4. Berechnung der Bodenindikatoren Erosion und Bodenwasserhaushalt für die Jahre 2011-2016 für das Klimafolgenmonitoring
Laufzeit: Juni 2018 - November 2018. Leitung: Prof. Dr. Rüdiger Schultz-Sternberg. Bearbeitung: Robert Probst.
Auftraggeber: Landesamt für Umwelt- und Verbraucherschutz des Landes Brandenburg.

Projektphase 3. Brandenburg spezifische Boden-Indikatoren für ein Klimamonitoring und Grundlagen zur Ableitung von Wirkungs- und Alarmschwellen
Laufzeit: Juli 2011 - November 2011. Leitung: Prof. Dr. Rüdiger Schultz-Sternberg. Bearbeitung: Robert Bartsch, Dr. Caroline Schleier.
Auftraggeber: Landesamt für Umwelt- und Verbraucherschutz des Landes Brandenburg.

Projektphase 2. Brandenburg spezifische Boden-Indikatoren für ein Klimamonitoring und Grundlagen zur Ableitung von Wirkungs- und Alarmschwellen
Laufzeit: Juli 2010 - November 2010. Leitung: Prof. Dr. Rüdiger Schultz-Sternberg. Bearbeitung: Robert Bartsch,
Auftraggeber: Landesamt für Umwelt- und Verbraucherschutz des Landes Brandenburg.

Projektphase 1. Brandenburg spezifische Boden-Indikatoren für ein Klimamonitoring im Rahmen der Deutschen Anpassungsstrategie (DAS) sowie Zusammenstellung von Grundlagen zur Ableitung von aussagefähigen Wirkungs- und Alarmschwellen
Laufzeit: Juli 2009 - November 2009. Leitung: Prof. Dr. Rüdiger Schultz-Sternberg. Bearbeitung: Robert Hommel, Robert Bartsch,
Auftraggeber: Landesamt für Umwelt- und Verbraucherschutz des Landes Brandenburg.


Berichte:

Klimwandelmonitoring im Land Brandenburg - Basisbericht. Fachbeiträge des Landesamtes für Umwelt, Heft Nr. 154, 2018      downloaden
Brandenburg spezifische Boden-Indikatoren für ein Klimamonitoring – Fortführung der Zeitreihe bis 2016 sowie Weiterentwicklung und Prüfung der Indikatoren
Abschlussbericht  Oktober 2018. unveröffentlicht.
Fachbeiträge des Landesamtes für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz, Heft Nr. 126, 2012       downloaden
Fachbeiträge des Landesamtes für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz, Heft Nr. 116, 2011       downloaden
Fachbeiträge des Landesumweltamtes, Heft Nr. 114, 2010        downloaden



Stabilität und Wirkung von Kohlen-C (Pflanzen bzw. Biokohle) in Böden. 2012-2013.


Böden stellen unter anderem die Grundlage der Land- und Forstwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion dar. Ihr Schutz und ihre nachhaltige Verbesserung für die Produktion ist ein wichtiges und aktuelles Thema. Dazu wird derzeit die Verbringung von technisch erzeugter Bio- bzw. Pflanzenkohle zur Bodenverbesserung diskutiert und untersucht. Aus diesem Grund initiierte das Landesamt für Umwelt das Projekt "Stabilität und Wirkung von Kohlen-C (Bio- und Pflanzenkohle) auf Böden". Die Fragestellung war, ob und wie sich Kohle auf Böden hinsichtlich der Veränderung bzw. der Verbesserung von Bodeneigenschaften auswirkt. Es wurde untersucht, wie sich die zeitliche Stabilität von Pflanzenkohle verhält. Um die Stabilität der Wirkung eines Kohleeintrags beurteilen zu können, sind Einträge mit fossilem Kohlenmaterial analysiert worden, da Standorte mit aktuellen Pflanzen- und Biokohleeinsatz nicht das entsprechende Alter aufweisen. Eine Vergleichbarkeit zwischen fossiler Kohle und technogener Pflanzenkohle ist dabei gegeben.

Die Hemmung des mikrobiellen Kohlenstoffabbaus im Boden hängt von verschiedenen Standortfaktoren ab, die als Voraussetzung für die Bildung organikreicher Böden gelten. Als einflussreichster Faktor der gemäßigten Zonen gilt der Sauerstoffmangel durch Wasserüberschuss. Infolgedessen kommt es zur Bildung von Torfhorizonten (H) in Moorböden, von Organomudden (Fh) und von humusreichen Gleyböden (GG). Ein Verschwinden des Vernässungsfaktors führt zwangsläufig zum Eindringen von Destruenten, was zum Abbau der gespeicherten organischen Substanz führt, wie am Beispiel der Entwässerung von Moorböden zu beobachten ist.

Weitere die Humusakkumulation beeinflussende Faktoren stellen Säure- und Schadstoffreichtum (Hemmung der Organismentätigkeit) verbunden mit Nährstoffarmut (Bildung von Rohhumushorizonten) sowie das Temperaturregime dar. Hohe Temperaturen bei ausreichender Wasserversorgung während der Vegetationsperiode und niedrige mit Trockenheit verbundene Temperaturen im übrigen Jahr können den Aufbau der organischen Substanz fördern und den Abbau schwächen. Beispiele solch einer Humusanreicherung finden sich in unseren Schwarzerden und schwarzerdeähnlichen Böden, die historisch unter anderen Klimabedingungen entstanden sind und deren Kohlenstoffvorrat trotz Änderung der klimatischen Verhältnisse bis heute recht stabil bleibt.

Eine andere Gruppe von Böden Mitteleuropas hat einen außergewöhnlich humusreichen Status durch hohe anthropogene Einträge organischer Substanz in Form von Plaggen oder Kompost erhalten. Während die organikreichen Plaggeneschböden (YE) über einen Humusabtrag der umliegenden Heideböden infolge einer nicht nachhaltigen Nutzung entstanden sind (Verbreitung Niedersachsen und Westfalen), entstand der Humusreichtum der bundesweit verbreiteten Gartenböden (Hortisole, YO) durch die Kompostierung organischer Siedlungsabfälle. Auch diese Formen der organischen Substanz im Boden gelten als relativ stabil, da während der Kompostierung Huminstoffe mit stabilen organischen Gerüsten (Huminstoff-C) gebildet werden.

Während die positive Wirkung dieser Huminstoffe auf die Bodenfunktionen unbestritten ist, ist die Wirkung reiner Kohle (Kohlen-C) auf die Bodenfunktionen und deren Stabilität infolge von Bodenbildungsprozessen noch weit-gehend unbekannt. Kohlehaltige Böden (Sondersubstrat ^ko) findet man in Braunkohlentagebaugebieten (z.B. in Brandenburg) und lokal auf Flächen, in denen Kohle erzeugt wurde (Köhlerstellen, historische Brandstellen) oder Kohle gelagert wurde (Kohlenvorratslager z. B. in Gaswerken). Da diese Flächen meistens auch mit Schadstoffen angereichert sind, ist eine mögliche positive Wirkung der Kohle bisher kaum im Focus der Beobachtung gewesen.

Insgesamt zeigen die Ergebnisse eine eindeutige Tendenz hinsichtlich der Verbesserung der landwirtschaftlichen Nutzungsfunktion beim Einsatz von (Pflanzen-)Kohle. Die erzielte Wirkung dieser Kohle ist aber abhängig von der Herstellung und dem Ausgangsmaterial.

Das Projekt belegt im Rahmen des Spannungsfelds Biokohle/ Kompost, dass durch den Einsatz von Pflanzenkohle die Kohlenstoffgehalte im Boden langfristiger angehoben werden können. Die verschiedenen Versuche in der Literatur zeigen aber, dass ein kombinierter Einsatz von Pflanzenkohle und Kompost oder Dünger bessere Ergebnisse erzielen als der Einsatz reiner Pflanzenkohle.


Projektphase II. Stabilität und Wirkung von Kohle-C in Böden im Vergleich zu Huminstoff-C.
Laufzeit: Juli 2013 - November 2013. Leitung: Prof. Dr. Rüdiger Schultz-Sternberg. Bearbeitung: Robert Bartsch.
Auftraggeber: Landesamt für Umwelt- und Verbraucherschutz des Landes Brandenburg.

Projektphase I. Stabilität und Wirkung von Kohle-C in Böden im Vergleich zu Huminstoff-C.
Laufzeit: Juli 2012 - November 2012. Leitung: Prof. Dr. Rüdiger Schultz-Sternberg. Bearbeitung: Henrike Schmidt, Tino Teschke.
Auftraggeber: Landesamt für Umwelt- und Verbraucherschutz des Landes Brandenburg.


Berichte:

Fachbeiträge des Landesamtes für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz, Heft Nr. 134, 2012   downloaden

Fachbeiträge des Landesamtes für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz, Heft Nr. 137, 2014   downloaden