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Karsten Kalbitz
TU Dresden
Bodenressourcen und Landnutzung
Steigende DOC-Konzentrationen in Oberflächengewässern –
Prozesse an der Schnittstelle von Boden und Wasser

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 2
Gelöste organische Substanz
dissolved organic matter (DOM)
10
1
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
2
Durchmesser (m)
10
-10
10
-9
10
-8
10
-7
DOM
POM
organische Verbindungen unterschiedlicher
Struktur und Größe
Bakterien
Viren
Kohlenhydrate
Fettsäuren
Aminosäuren
0,45 μm
Organo-Metall-Komplexe
Aggregate
Phenolische Verbindungen
Molekulargewicht
nach Steinberg (2003), verändert

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 3
Global steigende DOC-Konzentrationen
Monteith et al. (2007)

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 5
Steigende DOC-Konzentrationen (auch) in Sachsen
Gräfe, 2016

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 7
Quellen für DOM im Oberflächenwasser
Böden der Einzugsgebiete – hohe Vorräte an organischer Substanz
Humusauflagen
Moore
DOM: < 1% der
organischen
Bodensubstanz

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 8
Quellen für DOM im Oberflächenwasser: Humusauflagen
DOM-Farbe:
aromatische / phenolische
Verbindungen
abgebaute Biomasse von
Gefäßpflanzen
Humusauflage: abgebaute / umgebaute
Biomasse von Blättern und Wurzeln

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 9
Quellen für DOM im Oberflächenwasser: Humusauflagen
Mächtige Humusauflagen mit geringer
Zersetzung (weites C/N-Verhältnis)
hohe DOC-Konzentrationen
Borken et al., 2011

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 10
Quellen für DOM im Oberflächenwasser: Humusauflagen
Kalbitz et al. (2007)
Erhöhung des Eintrags an
organischer Substanz
mächtigere
Humusauflagen
höhere
DOC-Konzentrationen

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 11
Quellen für DOM im Oberflächenwasser: Humusauflagen
Kalbitz et al. (2007)
Erhöhung des Eintrags an
organischer Substanz
mächtigere
Humusauflagen
höhere
DOC-Konzentrationen
Kontrolle
43 mg C l
-1
Verdopplung
Streueintrag
82 mg C l
-1

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 12
From Greening to Browning

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 13
Höhere Primärproduktion
mehr DOM aus dem Boden
Anstieg der
Primärproduktion
Steigender Eintrag an Streu
Mehr organischer Substanz in
Humusauflage und Mineralboden
Anstieg DOC im Gewässer
geringere Versauerung
höhere Nährstoffverfügbarkeit
hoher N-Eintrag
Anstieg DOC in Humusauflage
(und Mineralboden)
Mehr Auswaschung
Ergebnisse der BZE: Anstieg der C-Vorräte in den Waldböden in den
letzten 15 Jahren
Andreae, 2016

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 15
DOM im Boden
von der Humusauflage ins Wasser
Mineralboden
Aquifer
Humusauflage
DOC
Mikrobielle Produktion, Auswaschung
Export
~10–150
mg l
-1
~0.5–30
mg l
-1
Sorption, Ausfällung
(Abbau + mikrobielle Produktion)
Desorption
Desorption
Eintrag organischer Substanz
nach Guggenberger & Kaiser (2003)
und Kaiser & Kalbitz (2012)
Sorption, Ausfällung
(Abbau + mikrobielle Produktion)

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 17
DOC-Konzentration in Waldböden
Tiefengradient
Bodentiefe
Abnahme der Färbung
Abnahme der DOC-Konzentration
Veränderung in der Zusammensetzung

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 18
Steuerungsfaktoren der DOM
Landschaftsskala
nach Roulet & Moore (2006)

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 19
Steuerungsfaktoren der DOM
Landschaftsskala
nach Roulet & Moore (2006)
Umgehen der Passage des Mineralboden
(z.B. Starkniederschläge, flachgründige Böden)
hoher Austrag gefärbter Bestandteile aus
der Humusauflage

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
nach Marin-Spiotta
Folie 20
et al., 2014
base flow
surface flow
Steuerungsfaktoren der DOM
Landschaftsskala
nach Kaiser & Kalbitz (2012)

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 22
Höhere Primärproduktion
mehr DOM aus dem Boden
Abnahme C-Vorräte in
Humusauflagen
Anstieg DOC im Gewässer
vor allem bei
Starkniederschlägen
Erhöhung C-Vorräte im
Mineralboden
Gebirgslagen:
Abnahme
der C-Vorräte in den Humusauflagen und Anstieg
der C-Vorräte in den Waldböden in den letzten 15 Jahren
mikrobieller Abbau
mikrobielle DOM-
Produktion
höhere Löslichkeit (pH )
Verlagerung

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 23
(Weitere) Ursachen für steigende DOC-Konzentrationen
Höhere Löslichkeit durch ansteigende pH-Werte und zurückgehende
Ionenstärken (Erholung von der Versauerung)

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 24
Steigende DOC-Konzentrationen
– “Weg zu normalen Werten”?
= re-browning
Meyer-Jacob et al., 2019

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 25
(Weitere) Ursachen für steigende DOC-Konzentrationen
Höhere Löslichkeit durch ansteigende pH-Werte und zurückgehende
Ionenstärken (Erholung von der Versauerung)
Steigende Temperaturen, N und CO
2
-Konzentrationen – höherer Eintrag
organischer Substanz („Greening“) sowie stärkerer Abbau
Stärkere Niederschläge – höhere Frequenz von Starkregen
Signifikante Erhöhung des Anteils an Feuchtgebieten im Einzugsgebiet –
Renaturierung von Mooren
Erhöhte Wasserstände und höherer Anteil von Flächen mit
reduzierenden Bedingungen im Einzugsgebiet (pH-Effekt!)

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K. Kalbitz: Steigende DOC-Konzentrationen
Prozesse Schnittstelle Boden und Wasser
Folie 26
Bedingungen mit höchsten DOC-Austrägen aus Böden
Hohe C-Vorräte (Humusauflage, Moore, Mineralböden)
Hoher C-Umsatz
Flachgründige Böden
hohe Frequenz von Starkniederschlägen – Umgehen der Passage des
Mineralbodens
Hoher Anteil an Mooren + Moore die degradieren
Reduzierende Bedingungen im Boden
Kombinieren
Experimentieren
Auswerten
Terrestrische „Welt“
Aquatische „Welt“

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Vielen Dank für ihre
Aufmerksamkeit!
karsten.kalbitz@tu-dresden.de
Dank an Freunde und Kollegen für spannende
und hilfreiche Diskussionen:
Klaus Kaiser, Georg Guggenberger, Robert
Mikutta, Patrick Wordell-Dietrich, Cordula Vogel,
Axel Don, Bernd Marschner, Roland Bol, Jan
Siemens, Bill McDowell, Lars Tranvik, Ingo
Müller, Nuria Catalan, Dolly Kothawala u.v.a.