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Die vorliegende Arbeit betrachtet den Einfluss von Wald- und Wirtschaftswegen auf Abflussentstehung und Bodenerosionsraten innerhalb eines bewaldeten Einzugsgebiets im Naturschutzgebiet Laacher See. Hierfür wurden sowohl bestehende Erosions- und Akkumulationsformen im Gelände kartiert, als auch Erosionssimulationen mittels einer Kleinberegnungsanlage durchgeführt. Zuletzt erfolgte eine Modellierung des Erosionspotentials auf Grundlage der Simulationsergebnisse.
Die Analyse bestehender Erosions- und Akkumulationsformen im Gelände gab einen Hinweis auf Bodenerosionsraten von Wegoberflächen, die zwischen 27,3 und 93,5 t ha-1 a-1 und somit in derselben Größenordnung wie Erosionsraten unter intensiver ackerbaulicher Nutzung lagen.
Die Simulationsläufe zeigten, dass persistente Waldwege ein deutlich verändertes Infiltrationsverhalten aufwiesen. Auf natürlichen Waldböden lag der Anteil des infiltrierten Niederschlags bei durchschnittlich 96%. Im Falle von Waldwegen nahm dieser Anteil im Mittel auf 14% bis 7% ab. Besonders auffällig waren die Ergebnisse auf Rückegassen, auf denen ein erheblicher Einfluss der Bodenverdichtung durch Befahrung nachgewiesen werden konnte. Hier sank der Anteil des infiltrierten Niederschlags auf 31% in den Fahrspuren, zwischen den Spuren wurden noch 76 % infiltriert.
Während der Simulationsläufe konnten maximale Sedimentmengen von 446 g m-2 erodiert werden, was einer mittleren Bodenerosionsrate von 4,96 g m-2 min-1 entspricht. Diese hohen Abtragsraten wurden auf persistenten Wegen mit geringer Befestigung gemessen. Rückegassen wiesen die geringsten Abtragswerte auf, maximal konnten 37 g m-2 erodiert werden, gleichbedeutend mit einer Abtragsrate von 0,41 g m-2 min-1. Die erodierten Sedimentmengen betrugen im Mittel bei Wegen 167 bis 319 g m-2 und im Falle von Rückegassen 17 g m-2. Anhand von Vergleichsmessungen auf Waldstandorten, bei denen ein mittlerer Bodenabtrag von ca. 5 g m-2 festgestellt wurde, konnte eine erhöhte Erodierbarkeit für jedwede Form der Weganlage bestätigt werden.
Auf Basis der im Gelände gemessenen Abtragsraten wurden die Modellierungen kalibriert. Die Ergebnisse der ABAG / DIN 19708 zeigten für das betrachtete Untersuchungsgebiet eine mittlere jährliche Bodenerosionsgefährdung von 2,4 - 5,8 t ha-1 a-1 für persistente Wege und von 0,5 t ha-1 a-1 für Rückegassen. Im Vergleich zum Mittelwert weitgehend unbeeinflusster Waldflächen im Untersuchungsgebiet von 0,1 t ha-1 a-1 zeigte sich abermals ein erhöhtes Abtragspotential. Die physikalisch basierte Modellierung der Beregnungsversuche mittels WEPP zeigte ein zufriedenstellendes Ergebnis bei der Einschätzung des Abflussverhaltens, so wurden für persistente Wege nur Abweichungen von maximal -5% festgestellt. Die Abflussmodellierung auf Rückegassen sowie die generelle Modellierung der Bodenerosion während der Beregnungsversuche zeigte sich im Kontrast hierzu noch fehlerbehaftet, was ursächlich mit der für ein physikalisches Modell relativ geringen Eingangsdatentiefe zu begründen ist.
Es wurde nachgewiesen, dass Waldwege einen bedeutenden Einfluss auf den Wasserhaushalt und das Bodenerosionsgeschehen haben. Der Rückhalt von Niederschlägen wird gemindert und es kommt zu intensivierten Bodenerosionsprozessen. Schlecht befestigte Wege zeigten einen stark erhöhten Bodenabtrag, der zu ökologischen Folgeschäden führen kann. Der Abtrag kann ebenso zu einer Beeinträchtigung der Befahrbarkeit führen. Anhand der Folgen lässt sich die Relevanz der Betrachtung von Abfluss- und Bodenerosionsprozessen auf Wald- und Wirtschaftswegen deutlich machen. Die vorliegende Arbeit stellt die erste Studie dar, innerhalb derer Abfluss- und Bodenerosionspozesse für Walderschließungsnetzwerke in Mitteleuropa untersucht wurden.
In der vorliegenden Arbeit wurden Benetzungseigenschaften zweier stark anthropogen beeinflusster Böden in Abhängigkeit von Einflussfaktoren wie Wassergehalt, pH, Trocknungs- und Benetzungstemperatur untersucht. Ziel war es die Prozesse und Mechanismen, die zu Veränderungen der Benetzungseigenschaften von Böden führen, besser zu verstehen. Erkenntnisse über diese Prozesse und Mechanismen lassen zum einen Rückschlüsse auf das generelle Verhalten von organischer Bodensubstanz zu, können zum anderen aber auch helfen, vorsorgliche Maßnahmen zu ergreifen um Bodenhydrophobie zu verhindern oder deren negative Effekte zu reduzieren. Anhand der Zeit- und Temperaturabhängigkeit der Spreitung von liegenden Tropfen (TISED) auf hydrophoben und benetzbaren Bodenproben beider Standorte wurde die Hypothese getestet, dass der Benetzungsprozess durch chemische Reaktionen kontrolliert wird. Mithilfe von DRIFT (Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform) Spektren wurde überprüft, ob unterschiedliche Trocknungs-bedingungen (Temperatur, Dauer, Luftfeuchte) zu Unterschieden in der Anzahl hydrophober und hydrophiler funktioneller Gruppen in den äußeren Molekülschichten führen die sich im Grad der Benetzungshemmung widerspiegeln. Durch künstliche pH-Wert Änderung über die Gas¬phase konnte die pH-Wert Abhängigkeit der Benetzungshemmung unabhängig vom Wassergehaltseinfluss beider Standorte verglichen werden. Die beiden Standorte weisen extreme Unterschiede in der Art der Benetzungshemmung auf und sind dadurch beispielhaft für die Bandbreite der möglichen Ursachen und Mechanismen der Benetzungs-hemmung in Böden. Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Temperatur- Wassergehalts- und pH-Abhängigkeit der Benetzungshemmung aus dieser Arbeit im Vergleich mit Ergebnissen vorhergehender Arbeiten lassen sich am besten mit jeweils einem konzeptionellen Modell pro Standort zur Natur der Benetzungshemmung erklären: Am Standort Tiergarten werden die Benetzungseigenschaften vermutlich durch mizellartige Anordnung amphiphiler Substanzen an der Oberfläche der organischen Bodensubstanz bestimmt, die abhängig vom Gehalt wasserlöslicher amphiphiler Substanzen, dem pH Wert und der Ionenstärke in der Bodenlösung im Verlaufe der Trocknung zu einer unterschiedlichen Orientierung der hydrophilen funktionellen Gruppen führt. Bei niedrigen pH-Werten und hoher Ionenstärke herrschen schwache Abstoßungskräfte zwischen den hydrophilen Gruppen, diese können aggregieren und hydrophobe Molekülketten sind nach außen gerichtet. Bei höheren pH-Werten und niedrigerer Ionenstärke sind die abstoßenden Kräfte zwischen den hydrophilen Gruppen groß und führen zu einer Aggregation hydrophober Gruppen, wobei die hydrophilen Gruppen nach der Trocknung nach außen gerichtet sind und für eine bessere Benetzbarkeit sorgen. Am Standort Buch sind chemische Reaktionen zur Benetzung nötig. Aufgrund der starken Wassergehaltsabhängigkeit der Benetzungshemmung könnte es sich dabei um Hydrolysereaktionen handeln, die säurekatalysiert reversible wassegehaltsabhängige Gleichgewichtsreaktionen und im Basischen irreversibel sind. Die beiden Modelle können eine Vielzahl von Beobachtungen erklären, die im Verlaufe dieser Untersuchung aber auch in vorhergehenden Untersuchungen gemacht wurden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen und ihr Vergleich mit vorherigen Untersuchungen auf denselben Standorten zeigten, dass Benetzungshemmung in Böden durch eine Vielzahl von Faktoren und Prozessen beeinflusst ist, die sowohl synergistisch als auch antagonistisch wirken können. Welche Faktoren den größten Einfluss ausüben bzw. welche Prozesse die vorherrschenden sind, hängt von lokalen Größen wie der Art des Mineralbodens und der organischen Bodensubstanz ab, die wiederum dem Einfluss von Klima, Textur, Topografie, Vegetation und der Nutzungsgeschichte unterliegen.
Die in dieser Studie beschriebene Forschungsarbeit hatte primär das Ziel, den Einfluss partikelgebundener Pestizide auf Organismen in der flockenartigen Schicht zwischen Sediment und Wasser in einem temporär offenen Ästuar zu erfassen. Dabei wurde die Hypothese aufgestellt, dass natürliche Variablen wie Salzgehalt und Temperatur sowie anthropogene Stressfaktoren wie partikelgebundene Pestizide zur Variabilität des Systems beitragen. Die Variabilität der Sedimentzusammensetzung, der Verteilung der Kontamination, sowie der räumlichen und zeitlichen Unterschiede im Ökosystem, speziell in temporär offenen Ästuaren, macht hier einen kompositionellen Ansatz notwendig. Das erste Ziel dieser Arbeit war die Identifikation der partikelgebundenen Pestizide, die zur Kontamination des Lourens-River-Ästuars beitragen, unter Berücksichtigung ihrer Umweltkonzentrationen sowie physikalisch-chemischer und toxischer Eigenschaften (Expositionsanalyse). Das zweite Ziel war die Identifikation räumlicher und temporärer Variabilität partikelgebundener Pestizide, natürlicher Umweltvariablen und benthischer Artenzusammensetzung (Wirkungsanalyse). Das dritte Ziel der Studie war es, die Hypothese zu testen, ob Anpassung an schwankende Salzgehalte die Überlebensrate von einem harpacticoiden Copepoden Mesochra parva fördert, bei gleichzeitiger Aussetzung von Chlorpyrifos und hypoosmotischem Stress während eines 96-stündigen Sedimenttoxizitätstests. Das letzte Ziel der Studie beinhaltete die Identifikation jener Umweltvariablen (einschließlich natürlicher und anthropogener Stressoren), die ein Ästuar beinflussen. Zu diesem Zweck wurde ein natürliches Ästuar (Rooiels River) mit einem anthropogen beeinflussten Ästuar (Lourens River) verglichen. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind somit für das Verständis der Wirkung von Pestiziden und ihrer Interaktion mit natürlichen Parametern in einem temporär offenen Ästuar von großer Bedeutung. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit mit ihrem kompositionellen Ansatz auf, dass Pestizide wie Endosulfan und Chlopyrifos ein Risiko für die benthische Artengemeinschaft in einem temporär offenen Ästuar darstellen, insbesondere während des Frühjahrs. Desweiteren wurde nachgewiesen, dass Exposition und Toxizität von Pestiziden eng mit dem Salzgehalt in temporär offenen Ästuaren verknüpft sind. Diese Erkenntnis hat wichtige Folgen für den Schutz von temporär offenen Ästuaren.
