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Zusammenfassung Band 38

Wessel-Bothe, Stefan: Simultaner Transport von Ionen unterschiedlicher Matrixaffinität in Böden aus Löss unter Freilandbedingungen - Messung und Simulation. Bonner Bodenkundl. Abh. 38 (2002), 218 S.

 

Zur Messung des Stofftransportes im Freiland und zur Entwicklung eines zugehörigen Simulationsmodells wurden die Anionen Br, NO3, SO4, H2PO4 and MoO4  und die Kationen Na, K, Mg und Zn im Rahmen eines Kleinparzellenversuches auf die Oberfläche einer Auenbraunerde appliziert. Durch die Untersuchung von Saugkerzenlösungen und Bodensättigungsextrakten wurde die gemeinsame Verlagerung dieser Ionen über einen Zeitraum von 22 Monaten beobachtet.

30 Tage nach Applikation der Stoffe konnte eine durch präferenzielle Flüsse mitverursachte Ionen-verlagerung nachgewiesen werden. Dabei schlug sich die unterschiedliche Matrixaffinität der Ionen in ihrem gestaffelten Tiefentransport nieder. Nach 22 Monaten Versuchsdauer wurden folgende Verlage-rungsdistanzen festgestellt: Bromid und Nitrat >= 135 cm; Magnesium ca. 100 cm; Sulfat ca. 90 cm; Natrium ca. 60 cm Tiefe. Zink, Kalium, Phosphat und Molybdat wurden kaum verlagert.

Bromid, Nitrat, Sulfat, Natrium und Magnesium waren in Saugkerzenlösungen fast durchgehend höher konzentriert als in zeitgleich gewonnenen Bodensättigungsextrakten. Dagegen traten Phosphat, Molybdat, Kalium und Zink in Saugkerzenlösungen nur anfangs in hohen Konzentrationen auf und waren am Ende des Transportexperiments in Saugkerzenlösungen zum Teil wesentlich niedriger konzentriert als in Bodensättigungsextrakten. Als Hauptursachen für die beschriebenen Konzentrationsdifferenzen zwischen Saugkerzenlösungen und Bodensättigungsextrakten wurden die unterschied-liche Matrixaffinität der applizierten Ionen und die Fließbedingungen im Boden erkannt.

Anhand von Speziesberechnungen konnte die Vermutung eines Co-Transportes der Kationen Ma-gnesium und Calcium mit dem Anion Sulfat bestätigt und damit unter anderem eine Erklärung für den unerwartet schnellen Magnesiumtransport gegeben werden.
Veränderungen des pH-Werts durch die Zufuhr von elementarem Schwefel und Kalk auf zwei Teilparzellen der Versuchsfläche beeinflussten die Lösungskonzentrationen einiger Ionen ganz wesentlich. Auswirkungen auf eine verstärkte Verlagerung dieser Stoffe konnten indes nicht festgestellt werden.

Auf der Grundlage der Freiland- und parallel durchgeführter Laborversuche (Spang 2000) wurde ein Simulationsprogramm für den Stofftransport im Freiland entwickelt (Klennert & Helfrich 1997, Niemeyer 2000). Darin wird der Wasserfluss auf der Basis von Potenzialmessreihen aus mehreren Bodentiefen berechnet und die spontane Adsorption über Adsorptionsisothermen. Eine wichtige Neuerung des Modells ist die Berechnung der Festkörperdiffusion (solid state diffusion) mit verschiedenen Gleichungen für die Diffusion von Ionen in stab-, kugel- oder zylinderförmige Bodenpartikel.

Nach der Kalibration des Modells anhand der Bromid-Verlagerung konnte eine zufriedenstellende Nachbildung des Wassertransports erzielt werden. Die Simulation des Transportes adsorbierbarer, nicht in Bodenpartikel hinein diffundierender Ionen ergab, dass im Labor ermittelte Isothermenparame-ter zum Teil recht gut, zum Teil nur mit Einschränkungen auf Feldbedingungen übertragbar sind.

Die Entwicklung der Konzentrationen von Phosphat, Kalium und Zink in Saugkerzenlösungen ver-schiedener Untersuchungstermine konnte nur unter Berücksichtigung der Festkörperdiffusion richtig simuliert werden. Dabei wurden jedoch um ein bis vier Potenzen geringere Diffusionskoeffizienten ermittelt als auf der Basis von Laborversuchen. Hierfür werden die im Freiland stark schwankenden Temperatur- und Feuchtebedingungen im Boden sowie die variablen Einflüsse löslichkeitswirksamer bodenchemischer Parameter verantwortlich gemacht. Allein Adsorptions- und Diffusionskoeffizienten, die im Labor für das Element Zink im Rahmen eines Kinetik-Batch-Versuches ermittelt wurden (Kuhl 2002), erzielten bei der Eingabe in das Simulationsprogramm eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den Freiland-Untersuchungen. Insgesamt stellt die Berücksichtigung der Festkörperdiffusion im Hinblick auf die Stofftransportprognose eine sinnvolle Alternative zur Berechnung einer Kinetik n-ter Ordnung und damit einen Erkenntnisfortschritt dar.

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