Vergleich des Stoffhaushaltes von Nieder- und Hochmoor

A Inhaltsverzeichnis

1 Faszination Moor – Bedeutung von Nieder- und Hochmooren

2 Niedermoore
2.1 Auslösende Faktoren für die Entstehung von Niedermooren
2.2 Aufbau und Bildungsprozesse von Niedermooren
2.2.1 Die vertikale Gliederung natürlich wachsender Niedermoore
2.2.2 Wie Niedermoore entstehen und vergehen
2.2.2.1 Typische Niedermoor-Bildungsprozesse (nach: Schwaar 1994)
2.2.2.2 Das Ende der Niedermoorbildungsprozesse
2.3 Typologie und Wasserbilanz von Niedermooren
2.3.1 Hydrologische Moortypen des Niedermoors (nach: Succow 2001)
2.3.2 Die Wasserbilanz eines Niedermoores (nach: Göttlich 21980)
2.4 Mineralisierung
2.5 Stickstoff-Umsatz von Niedermoorböden
2.5.1 N-Mineralisierung und Nitratbildung
2.5.2 Denitrifikation
2.6 Die Phospat- bzw. Phosphordynamik in Niedermoorböden
2.7 Kohlenstoff-Umsatz von Niedermoorböden
2.8 Schwefel-Umsetzungsprozesse in Niedermooren

3 Hochmoore
3.1 Zum Typus der Hochmoore
3.2 Wasserhaushalt der Hochmoore
3.2.1 Zusammenhang zwischen Morphologie und Abflussregime eines Hochmoores
3.2.2 Wasserbilanz eines intakten Hochmoores
3.2.3 Sickerwasserverluste in Abhängigkeit von der Wasserdurch- lässigkeit
3.2.4 Trockenlegung der Hochmoore
3.3 Stoffhaushalt der Hochmoorböden
3.3.1 Mineralisierung
3.3.2 Kalium im Hochmoorboden
3.3.3 Kohlenstoff im Hochmoorboden
3.3.4 Stickstoffumsetzung und Auswaschung
3.3.5 Phosphatdynamik von Hochmoorböden
3.4 Situation der Hochmoore heute

4 Fazit: Vergleich des Stoffhaushaltes von Nieder- und Hochmooren

B Literaturverzeichnis

C Danksagung

1 Faszination Moor – Bedeutung von Nieder- und Hochmooren

„O schaurig ist's übers Moor zu gehn,

Wenn es wimmelt vom Heiderauche,

Sich wie Phantome die Dünste drehn

Und die Ranke häkelt am Strauche,

Unter jedem Tritte ein Quellchen springt,

Wenn aus der Spalte es zischt und singt,

O schaurig ist's übers Moor zu gehn,

Wenn das Röhricht knistert im Hauche!

(Annette von Droste-Hülshoff, 1841).“

Moore faszinieren die Menschen, und das nicht erst seit heute, wie Annette von Droste-Hülshoffs obige Strophe aus ihrem Gedicht „Der Knabe im Moor“ beweist. Assoziierte man Moore früher mit mystischen Plätzen, dunklen Ecken und gefährlichen Orten, so hat sich diese Sichtweise heute grundlegend gewandelt:

„Lebende Moore zeichnen sich durch ihren Wasserüberschuss, bis zu mehrere Meter tiefe Torfschichten und eine torfbildende Vegetation aus. Die Entwicklung von Mooren dauert Jahrtausende. Weltweit gibt es Schätzungen zu Folge 4 Mio. km2 an sogenannten Torflandschaften, also Flächen mit Torfböden. 60% davon dürften (noch) aktiv torfbildende Moore sein. Diese Feuchtgebiete erfüllen wichtige Funktionen als globale Wasser-, Kohlenstoff- und Nährstoffspeicher. Moore haben damit für den Klimaschutz und für die Sicherung von sauberem und ausreichendem Trinkwasser globale Bedeutung. Feuchtgebiete und im speziellen Moore sind aber auch Lebensraum einer einzigartigen Artenvielfalt. In intensiv genutzten Landschaften sind sie oft die letzten naturnahen Refugien seltener Arten. Moore gehören zu den bedrohtesten Lebensräumen. Der Grund liegt im hohen Nutzungsdruck durch Land- und Forstwirtschaft, Torfabbau, aber auch Siedlungs- und Infrastrukturprojekte. Enorme Flächen wurden vor allem in Westeuropa bisher zerstört. Deshalb stehen Moore heute unter dem strengen Schutz nationaler und internationaler Gesetze (Ramsar – Konvention, Fauna – Flora – Habitat – Richtlinie, Naturschutzgesetze der [Bundes-] Länder) (WWF Austria 2009).“

Wie das obige Zitat des World Wide Fund For Nature (WWF) Austria zeigt, leisten Moore einen essentiell wertvollen Beitrag im „Ökosystem Erde“. Ein solch wichtiger „Beitraggeber“ lohnt näher betrachtet zu werden; dies soll in den folgenden einzelnen Kapiteln geschehen, besonderes Augenmerk wird dabei auf den Stoffhaushalt der Nieder- und Hochmoore gelegt.

2 Niedermoore

2.1 Auslösende Faktoren für die Entstehung von Niedermooren

Ein Moor, das unter dem Einfluss von nährstoffreichem Grundwasser ( bzw. Mineralbodenwasser) steht, nennt man Niedermoor oder auch topogenes (=grundwasser-beeinflusstes) Moor (Zepp 32002: 285). In der Deutschen Bodensystematik der Ad hoc Ag Boden bilden Moore eine eigene Klasse mit dem Kürzel H, Niedermoore werden mit HN gekennzeichnet (AG Boden 2005: 258). Zu vermehrtem Niedermoorwachstum kommt es mit zunehmenden Niederschlägen aufgrund der langsamen Erwärmung der Atmosphäre und dem damit verbundenem Anstieg des Grundwassers im späten Pleistozän sowie im Holozän. Annähernd der gesamte glaziale Formenschatz der letzten Eiszeit (Weichsel-Eiszeit) ist an der Entstehung der Niedermoore beteiligt gewesen; Grund- und Oberflächenwasser sammelt sich im späten Pleistozän z.B. in Toteislöchern (Söllen) oder in Resten von durch das langsam zurückweichende Inlandeis zu Tage tretenden, eingetieften Zungenbecken. Im Holozän spielen zunehmend z.B. auch Altwasserarme von Flüssen oder Einsturztrichter (Erdfälle) für den Niedermoorentstehungsprozess eine wichtige Rolle. In Küstenbereichen ist es der seit der letzten Eiszeit anhaltende Meeresspiegelanstieg, der dort zur Bildung von Niedermooren einen entscheidenden Beitrag leistet. (vgl. Schwaar 1994, Zepp 32002: 284-285).

2.2 Aufbau und Bildungsprozesse von Niedermooren

2.2.1 Die vertikale Gliederung natürlich wachsender Niedermoore

Natürlich wachsende (Nieder-)Moore können in zwei größere Schichten unterteilt werden: Das Akrotelm und das Katotelm. Das Akrotelm stellt den oberen, aufliegenden Bereich des Moores dar und umfasst den Moorboden sowie die Vegetationsschicht. Hier entstehen durch Wachstum und Absterben von Pflanzenmaterial die frischen organischen Substanzen. Das Katotelm stellt den darunter liegenden, wassergesättigten Bereich des Moores dar, mit geringerer biologischer Aktivität; diese Schicht wird aufgrund der hier nur noch geringfügig ablaufenden bodenbildenden Prozesse zum geologischen Untergrund gezählt. Zwischen Katotelm und der lebenden, vielgearteten Vegetationsschicht befindet sich als unterer Teil des Akrotelms der Moorboden, welcher den sogenannten Torfbildungshorizont bildet. (vgl. Succow 2001: 42-43).

2.2.2 Wie Niedermoore entstehen und vergehen

Unvollkommen zersetzte Pflanzenreste nährstoffreicher Standorte können unter verschiedenen Bedingungen abgelagert werden und somit Torf bilden (AG Boden 2005: 257). Man spricht von Torfen, wenn das unvollständig zersetzte Pflanzenmaterial mehr als 30 Masse-% organische Substanz enthält und von Mooren, wenn Torflagen von >30 cm Mächtigkeit anstehen (Zech/ Hintermaier 2002: 19). Welche Prozesse an der Genese von Niedermooren beteiligt sind, soll im Folgenden erläutert werden:

2.2.2.1 Typische Niedermoor-Bildungsprozesse (nach: Schwaar 1994):

a) Verlandung: meint einen Vorgang der Torfbildung, der am Grund von Dauergewässern (perennierenden Gewässern) stattfindet. Pflanzen, deren Biomasseproduktion ständig im Wasser erfolgt, wie z.B. bei Algen oder auch bei Über-/Unter-wasserblühern, sterben ab und bilden nach ihrem Absinken zu Boden sogenannte subaquatische oder Unterwasser-Torfe. Diese wiederum liegen oft auf, auf einer Schicht aus limnischen Sedimenten (z.B. abgestorbene Algen/ schluffiger Staubeintrag), auch Mudden genannt, deren Entstehung bis in die Jüngere Tundrenzeit des Pleistozäns zurückreicht. Durch stetige Fortsetzung dieses Torfbildungsprozesses kommt es zur gänzlichen Verlandung des Gewässers und ein Niedermoor bildet sich.

b) Versumpfung: beschreibt den Vorgang, bei dem durch ganzjährig hoch anstehendes Grundwasser unvollständig zersetzte Pflanzenmasse (z.B. von Röhrichten oder Großseggenrasen) an der Bodenoberfläche abgelagert und durch die Dauerfeuchte zu Torf umgebildet wird.

c) Überflutung: Überflutungsmoore sind Versumpfungsmoore, die bei besonderen Niederschlagsereignissen von Hochwasser überflutet werden. Sie liegen nahezu ausschließlich in Flußauen des pleistozänen Hochlandes oder an Küstengebieten.

d) Verhalten des Grundwassers: Stehendes Grundwasser und strömendes Grundwasser führen gleichermaßen zu Niedermoorbildung. So geschieht das Verlanden eines Sees fast nur in stehenden Gewässern, wohingegen aus Erhebungen im Relief eines Tales seitlich abfließendes Wasser weite Bereiche des Tales zu Durchströmungsmooren umbilden kann; eine besondere Erscheinung sind die Quellmoore, die ihre Entstehung starken Wasserausschüttungen verdanken, welche zum Teil weitläufig die Umgebung des Austrittes vernässen.

2.2.2.2 Das Ende der Niedermoorbildungsprozesse

Niedermoorbildung erfolgt in der Regel solange, wie die torfbildende Vegetation mit ihrem Wurzelwerk das nährstoffreiche Grundwasser erreichen kann. Ist dies nicht mehr erreichbar, so tritt zuerst Wachstumsverlangsamung und schließlich Wachstumsstillstand ein. Ist das vorherrschende Klima humid, so kann sich das ursprüngliche Niedermoor zu einem Hochmoor umentwickeln, da nährstoffarmes Regenwasser nun die Wasserversorgung sicherstellt und das anspruchslosere Sphagnum-Moos konkurrenzfähig wird (Zech/ Hintermaier 2002: 19). Auch menschliche Eingriffe, wie z.B. die Umnutzung eines Niedermoores für landwirtschaftliche Zwecke oder auch wirtschaftliche Zwecke wie der Torfgewinnung, führen zu Wachstumsstillstand und sogar –rückgang. (vgl. Fischer 32003: 98).

2.3 Typologie und Wasserbilanz von Niedermooren

2.3.1 Hydrologische Moortypen des Niedermoors (nach: Succow 2001):

Im Unterschied zu den nur von Regenwasser gespeisten Hochmooren stehen Niedermoore, wie bereits erwähnt, in direktem Kontakt mit dem Grundwasser der umliegenden anstehenden Mineralböden, was den Nährstoffreichtum erklärt. Doch auch hier gilt: Niedermoor ist nicht gleich Niedermoor. Je nach hydrogeologischen Standortbedingungen lassen sich Niedermoore in hydrologische Moortypen einteilen. Im Folgenden sind die wesentlichsten kurz aufgeführt:

a) Verlandungsmoor: Das Grundwasser im Moor steht im Kontakt mit dem Wasserspiegel eines offenen Gewässers. Unter den Torfen stehen zum Teil mächtige Muddelagen (z.B. Ton-, Schluff- oder Sandmudden) an (vgl. Abb.1 D).

b) Überflutungsmoor: Periodisch werden die Moorflächen hier von Hochwasser überflutet. Aufgrund der nach dem Hochwasserereignis stattfindenden Sedimentierung der Flussfracht, sind die Torfe hier oft mit nährstoffreichen Sand-, Schluff- oder Tonmudden durchsetzt (vgl. Abb.1 E).

c) Versumpfungsmoor: Durch einen Grundwasseranstieg bedingt, kommt es bei dieser Moorvariante zur Vermoorung. Die Torfe liegen häufig auf durchlässigen (z.B. sandigen) Mineralböden auf, welche das Landschaftsbild vor der Versumpfung bestimmt haben (vgl. Abb.1 C).

d) Durchströmungsmoor: (Grund-)Wasser fließt überwiegend horizontal durch die Torfe hindurch hang- und talabwärts ab. Aufgrund des stetigen Wasserflusses kommt es zur Vermoorung (vgl. Abb.1 G).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1: Schemata hydrologischer Moortypen (nach: Hutter et al. 1997)

e) Quellmoor: Bei diesem Niedermoortyp findet man hauptsächlich punktuelle Wasseraustritte, aus Quellen, vor. Dadurch kommt es hier häufig zu lithogen bedingten Kalk- oder Eisenablagerungen innerhalb der Torfe rund um die Austrittsstelle (vgl. Abb.1 B).

f) Hangmoor: Oberhalb des Moores liegend befinden sich sehr gering wasserdurchlässige Gesteinsschichten, sodass hier das Grundwasser in höher gelegenen, mineralischen Bodenhorizonten als Hangwasser abfließen muss. Weiter hangabwärts kommt es so zu einem Wasserüberschuss in den höheren Bodenhorizonten und der Niedermoorbildungsprozess setzt ein (vgl. Abb.1 A).

g) Kesselmoor: Durch Oberflächenabfluss sammelt sich Wasser, welches zuvor die Mineralböden der umliegenden Umgebung durchflossen hat, in kleineren Vertiefungen im Gelände. Dies ist auch der Grund, warum Kesselmoore aufgrund ihrer kleinen Wassereinzugsgebiete zu den kleineren Niedermoortypen gezählt werden (vgl. Abb.1 F).

2.3.2 Die Wasserbilanz eines Niedermoores (nach: Göttlich 21980):

Die Wasserbilanz eines Niedermoores hängt entscheidend ab von den nachfolgend aufgeführten Faktoren: dem Niederschlag (N), dem (aufsteigenden) Grundwasser (aG), dem kapillaren Aufstieg des Bodenwassers (kA), dem Oberflächenzufluss (OZ), dem Oberflächenabfluss (OA), dem lateralen Abfluss bzw. Abfluss durch (natürliche oder anthropogene) Dränung (D) und der Verdunstung (V), welche sich aus Evaporation und Transpiration zusammensetzt.. Bezeichnet ferner W den „Wasserreichtum“ eines Niedermoores, so lässt sich nun die Wasserhaushaltsgleichung im Moor vereinfacht darstellen zu:

W = N + aG + kA + OZ – OA – D – V ± δR

Ist W > 0 und erreicht die torfbildende Vegetation noch das nährstoffreiche Grundwasser, so wächst das Niedermoor, da insgesamt genügend Wasser vorhanden ist um den Torfbildungsprozess nicht abbrechen zu lassen. Ist W = 0, so kommt es allmählich zum Wachstumsstillstand, denn dem Moor fehlt in diesem Fall der zusätzliche Zufluss von Fremdwasser (Grund- oder Oberflächenwasser), sodass das Moor fast ausschließlich durch den eigenen, in sich gespeicherten Wasservorrat (δR) am leben erhalten wird. δR stellt diejenige Menge an Wasser dar, die für den Niedermoorbildungsprozess unabkömmlich ist, denn erst bei Anwesenheit dieser standort- und vegetationsabhängigen, zur Größe des Moores proportionalen Grundmenge an Wasser kann sich ein Niedermoor bilden bzw. erhalten. Sie ist auch der Grund dafür, dass Moore als „natürliche Wasserspeicher“ angesehen werden, welche vielen Bächen als Quellgebiet dienen. Bei W < 0 schrumpft das Niedermoor, hier fehlt ebenfalls der Zufluss von Fremdwasser und der gespeicherte Wasservorrat wird aufgezehrt. (vgl. Eggelsmann, R. in Göttlich 21980: 214-215).

2.4 Mineralisierung

Mineralisierung bezeichnet die „letzte Stufe des Abbaues der abgestorbenen organischen Substanz im Humus (Leser 132005: 560)“. In Niedermoorböden wird die Mineralisierung, wie in Mineralböden auch, ausschließlich von Mikroorganismen (Pilze und Bakterien) vollzogen. Sie steht in Abhängigkeit von der Torfart, dem Zersetzungs- oder Vererdungsgrad, d.h. dem Gehalt an leicht abbaubarer organischer Substanz, dem Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis, dem Gehalt an mineralischen Nährstoffen, dem pH-Wert der Torfe, dem Wasser- und Lufthaushalt des Bodens sowie der Bodentemperatur. Umsetzungen biochemischer Art finden überwiegend in den obersten, besser durchlüfteten Bodenbereichen statt, analog zu Mineralböden. Anthropogener Einfluss durch Pflugarbeit und Düngung, aber auch der Einsatz von Schneekanonen im Gebirge (vgl. Veit 2002: 224), kann zu einer Erhöhung des Nährstoffeintrages sowie einer Verbesserung der Verteilung der Nährstoffe und der organischen Substanz auch in unteren Bodenschichten führen, sodass die biochemischen Umsetzungen, und damit der Torfabbau durch Mineralisierung, auch hier besser ablaufen können. (vgl. Scheffer 1994).

2.5 Stickstoff-Umsatz von Niedermoorböden

Niedermoorböden unterscheiden sich von Hochmoor- oder Mineralböden vorallendingen durch ihren höheren Stickstoffgehalt; dieser wird bei der Zersetzung und Mineralisierung der abgestorbenen Vegetation (welche in Niedermooren durch das nährstoffreiche Grundwasser sehr üppig ist, was zu einem hohen Stoffumsatz und somit auch Stickstoffumsatz führt) freigesetzt (Stahr 2008: 167). Im Niedermoor wird Stickstoff (N) zum Teil durch die Vegetation aufgenommen und verwertet, zum Teil erneut in organische Bodensubstanz inkorporiert (durch Bodenfauna/ Mikroorganismen), aber auch als Nitrat ausgewaschen und nach der Denitrifikation als N2 und N2O in die Atmosphäre abgegeben. Die einzelnen in Niedermoorböden typischen Stickstoffumsetzungen N-Mineralisierung (Mineralisation), N-Immobilisation (Humifizierung), Nitrifikation und Denitrifikation laufen zeitgleich, nebeneinander ab. Die Intensität der Mineralisation wird durch die gegenläufigen, geringeren Umsetzungsraten der Humifizierung abgeschwächt. Eine getrennte Betrachtung beider Prozesse ist daher schwer umzusetzen (vgl. Scheffer 1994). Im Nachfolgenden soll an dieser Stelle nur auf die N-Mineralisierung und Denitrifikation näher eingegangen werden:

2.5.1 N-Mineralisierung und Nitratbildung (in naturbelassenen Niedermooren)

Wie bereits erwähnt, findet Mineralisierung in einem Niedermoor, analog zu Mineralböden, durch Mikroorganismen statt. Diese stellen gewisse Ansprüche an den Boden, sodaß Mineralisierung durch Mikroorganismen stark vom pH-Wert des (Nieder-) Moorbodens, dem Wassergehalt bzw. der Bodenfeuchte des Bodens abhängt. Hierauf soll im Folgenden kurz eingegangen werden:

Der pH-Wert eines Bodens hängt wiederum entscheidend vom anstehenden Ausgangsgestein ab, welches je nach stofflicher Zusammensetzung eher sauer oder kalkhaltig sein kann (vgl. Scheffer 1994). Für den Stickstoffhaushalt eines Niedermoores spielt diese Tatsache eine tragende Rolle: „In einem kalkhaltigen Niedermoorboden können bis 600 kg N/ha in 0-90 cm Bodentiefe als Nitrat vorliegen, dagegen in gleicher Tiefe in einem sauren Niedermoorboden nur 10-20 kg N/ha (Scheffer 1994)“. Die Ammonium (NH4) - Gehalte verhalten sich ähnlich: „ [...] hoch im kalkhaltigen Niedermoorboden (bis 300 kg NH4-N/ha [Ammonium-Stickstoff/ha] in 0-90 cm) und niedrig im sauren Niedermoorboden (Scheffer 1994)“. Solch hohe Stickstoffmengen können von der Niedermoorvegetation allein nicht verwertet werden, es kommt vor allem im Winterhalbjahr zur Nitrat-Auswaschung aus dem Boden. Die hemmende Wirkung saurer Niedermoorböden auf die N-Mineralisierung und Nitratbildung, bedingt durch fehlende Agilität der Mikroorganismen, wird somit deutlich.

N-Mineralisierung und Nitratbildung in Niedermooren sind aerobe Prozesse, sie hängen, wie bereits erwähnt, ebenfalls vom Wassergehalt bzw. der Bodenfeuchte, also letztlich vom Höhenstand des Grundwassers, ab. Je niedriger das Grundwasser ansteht, um so höher liegen die Nitratwerte im Niedermoorboden (vgl. Scheffer/Toth 1979). Umgekehrt nimmt der Nitrataustrag mit zunehmendem Grundwasserstand zu, Nitrat wird dann unter anaeroben Bedingungen denitrifiziert. So konnte z.B. Rück (1991) folgendes nachweisen: „ [...] in kalkhaltigen Niedermoorböden [ist] bei hohen Grundwasserständen kaum oder kein Nitrat im Boden vorhanden [...], mit abnehmendem Grundwasserstand [treten] höhere Nitratgehalte im Boden [auf] und auch hohe Nitratausträge ins Grundwasser [sind festzustellen] (Scheffer 1994)“. Aus Rücks Arbeit wird deutlich, wie Grundwasserstand und pH-Wert zusammenspielen; dies ist ein weiteres Beispiel dafür, dass in Niedermooren Prozesse in den beiden unterschiedlichen Schichten, Akrotelm (vor allem im Moorboden) und Katotelm, zeitgleich und nebeneinander ablaufen.

2.5.2 Denitrifikation (in naturbelassenen Niedermooren)

Durch Denitrifikation wird Nitrat unter anaeroben Bedingungen letztendlich in elementaren Stickstoff reduziert. Nitrit und Distickstoffoxid (N2O) können dabei als Zwischenstufen bzw. Nebenprodukte auftreten (vgl. Scheffer 1994). Unter ’anaeroben Bedingungen’ versteht man einen Sauerstoffgehalt im Boden von <16% im Vergleich zu Luft (vgl. Scheffer 1994). Der Prozess der Denitrifikation ist temperaturabhängig; er beginnt ab ca. 5 °C Bodentemperatur und hat sein Optimum bei 20 °C - 25 °C, d.h. er findet überwiegend im Sommerhalbjahr statt. Der Denitrifikation in Niedermoorböden ist ein hoher Stellenwert einzuordnen, so konnte Richter (1987) zeigen, dass sich durch Denitrifikation bedingte Stickstoffverluste auf bis zu 200 kg Stickstoff pro Hektar und Jahr belaufen können. Ferner hat nach Richter (1987) der „ [...] pH-Wert der Niedermoore [...] keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die Denitrifikation. Entscheidend ist das Vorhandensein leicht abbaubarer organischer Substanz [...] (Scheffer 1994)“. Entwässerung und anthropogener Eintrag von leicht abbaubarem, organischem Dünger (z.B. Jauche, Stallmist, Gülle) führen zu einer erhöhten Denitrifikation auch im Oberboden (vgl. Richter 1987). Endprodukte der Denitrifikation sind Stickstoff (N2), aber auch N2O (letzteres vor allem in sauren Böden); da N2O jedoch sehr gut wasserlöslich ist, gelangt es aus den grundwasserführenden, tieferen Bodenschichten kaum an die Oberfläche (vgl. Scheffer 1994).

[...]