Böden, Schwebstoffe und Sedimente: Untersuchungsprogramme im Überblick

Die Aufbereitung und Analyse von Feststoffproben ist eine der Schwerpunktaufgaben des Landeslabors Berlin-Brandenburg im Bereich Boden, Gesteine, Gewässer. Neben Sedimenten und Schwebstoffen aus Flüssen sind dies vor allem verschiedene Arten von Böden, die in mehreren Untersuchungsprogrammen mit unterschiedlichen Zielstellungen bearbeitet werden. Es ist nicht einfach zu definieren, was ein „Boden“ ist. So steht im „Lehrbuch der Bodenkunde“ (Scheffer/Schachtschabel 2018): „Böden sind Teil der belebten obersten Erdkruste des Festlandes. Sie sind nach unten durch festes oder lockeres Gestein, nach oben durch eine Vegetationsdecke und die Atmosphäre begrenzt, [...] Böden sind Naturkörper, die [...] mit charakterlichen Lebensgemeinschaften (Biozönosen) durch bodenbildende Prozesse entstanden sind.“ Das Bundes-Bodenschutzgesetz (BBodSchG 1999) geht etwas weiter und versteht unter Boden die obere Schicht der Erdkruste, „soweit sie Träger der [...] Bodenfunktionen ist, einschließlich der flüssigen Bestandteile (Bodenlösung) und der gasförmigen Bestandteile (Bodenluft)“. Bodenschutz ist, auch erkennbar am Veröffentlichungsdatum 1999 des BBodSchG, eine recht junge Disziplin des Umweltschutzes. Das Ziel des Gesetzes, die Funktionen des Bodens zu sichern oder wiederherzustellen, ist jedoch enorm wichtig. Als Bodenfunktionen gelten z. B. die natürliche Funktion als Lebensgrundlage und Lebensraum für Mikroorganismen, Pflanzen, Tiere und Menschen, aber auch als Rohstofflagerstätte und Standort für die land- und forstwirtschaftliche Nutzung.

Entsprechend unterschiedlich sind die Zielstellungen und Strategien für die Probenahme, die Aufbereitung der Böden und die Analysen in den nachfolgend beschriebenen Untersuchungsprogrammen im Rahmen von Fachvereinbarungen mit verschiedenen Auftraggebern (siehe Tabelle). Die Probenahmen für alle im Landeslabor zu bearbeitenden Feststoffproben liegt in der Verantwortung der Auftraggeber. Die Arbeit des LLBB beginnt mit der Entgegennahme der frischen Laborproben.

Im Auftrag des Landesamts für Umwelt Brandenburg (LfU) bearbeitet das LLBB jährlich etwa 500 Bodenproben im Rahmen des Untersuchungsprogramms „Boden-Dauerbeobachtungsflächen“ (BDF). Deutschlandweit wird Boden auf fast 800 Flächen unter Acker, Grünland, Forst und Sondernutzung (z. B. Siedlungen, Weinbau) langfristig beobachtet. Ziel des Monitoring-Programms ist es, den aktuellen Zustand der Böden zu erfassen, ihre Veränderungen langfristig zu überwachen und Entwicklungstendenzen abzubilden. Im Rahmen des Programms, das für die neuen Bundesländer Mitte der 1990er Jahre begann, werden zurzeit 32 Flächen in Brandenburg untersucht. Diese Flächen werden durch das LfU in regelmäßigen Abständen (jede Fläche etwa alle vier Jahre) beprobt. Das LLBB übernimmt die Aufbereitung der Bodenproben, einen Großteil der Analytik und koordiniert die Vergabe von Analysen, die nicht im LLBB durchgeführt werden können.

Pro Jahr werden Proben von ca. sechs bis acht Flächen des BDF-Programms am LLBB bearbeitet. Die Anzahl der Flächen und der Proben pro Fläche sowie der Parameterumfang werden jährlich durch das LfU festgelegt und in der jeweils aktuellen Fachvereinbarung dokumentiert. Das BDF-Programm umfasst eine große Zahl von anorganischen Parametern wie Kohlenstoffgehalt, lösliche Nährstoffe (calciumchloridlösliches Magnesium, Phosphor und Kalium im Calcium-Acetat-Lactat-Extrakt), Kationenaustauschkapazität und Schwermetalle nach Königswasseraufschluss und im Ammoniumnitratextrakt. Das Spektrum der organischen Parameter beinhaltet polychlorierte Dibenzodioxine und Dibenzofurane, polychlorierte Biphenyle, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, Organochlorpestizide und Pflanzenschutzmittel. Mittels Gammaspektrometrie werden mehre Radionuklide gemessen.

Tabelle: Übersicht der im Mittel im LLBB bearbeiteten Feststoffproben pro Jahr sowie die Anzahl weiterer Bearbeitungsschritte

Die Anzahl der Schritte für die Probenvorbereitung (z.B. Trocknen, Sieben, Homogenisieren, Teilen sowie Gefriertrocknen), die Probenaufbereitung (z.B. Feinzerkleinerung) und für Extraktionen vor der chemischen Analyse im Vergleich zu den Probenzahlen spiegelt den Aufwand bei der Untersuchung von Feststoffproben wider.

Im Auftrag des Landesamtes für Ländliche Entwicklung, Landwirtschaft und Flurneuordnung (LELF) werden in landwirtschaftsbezogenen Untersuchungsprogrammen ausschließlich Bodenproben von Ackerflächen untersucht. Schwerpunkt ist das „Testflächenprogramm“ des Landes Brandenburg. Auf diesem Messprogramm basieren die Empfehlungen zur Stickstoffdüngung, die jährlich im Frühjahr vom LELF veröffentlicht werden. Gesetzliche Grundlage ist das Düngegesetz (DüG 2009) sowie speziell die Düngeverordnung (DüV 2017). Entsprechend § 4 (4) DüV ist „die Anwendung von Düngemitteln […] unter Berücksichtigung der Standortbedingungen auf ein Gleichgewicht zwischen dem voraussichtlichen Nährstoffbedarf der Pflanzen einerseits und der Nährstoffversorgung aus dem Boden und aus der Düngung andererseits auszurichten“. Dazu müssen Landwirte den Düngebedarf (Stickstoff und Phosphor) der Kultur auf jedem Schlag ermitteln oder können alternativ die Empfehlungen des LELF nutzen, die wiederum im Rahmen des Testflächenprogramms ermittelt werden. Ziel dieser Festlegung ist es, die Überdüngung des Bodens und den großflächigen Eintrag ins Grundwasser zu vermeiden bzw. zu minimieren. Die Gehalte an mineralischem Stickstoff (Nmin) in Ackerböden werden in diesem Programm durch repräsentative Bodenbeprobungen im ganzen Land Brandenburg und Untersuchung von 800 bis 900 Proben jährlich bei derzeit 113 landwirtschaftlichen Betrieben ermittelt. Proben dieser Betriebe werden vom LLBB mehrmals pro Jahr in Frühjahrs-, Nachernte- und Herbstkampagnen auf mineralischen Stickstoff und auch Schwefel (Smin) untersucht. Daneben werden Bodenproben der Forschungsstation Landwirtschaft, Standort Paulinenaue, untersucht, die bei Dauerversuchen zur „mineralischen Grundnährstoffdüngung“ und zur „klima- und umweltangepassten landwirtschaftlichen Produktion unter Brandenburger Rahmenbedingungen“ gewonnen werden. Hier umfasst das Parameterspektrum zusätzlich pflanzenverfügbare Nährstoffe (Phosphor, Kalium, Magnesium), Mikronährstoffe (Bor, Mangan, Kupfer, Zink), Gesamtkohlenstoff, Schwermetalle und pH-Wert.

Im Rahmen der geologischen Landesaufnahme durch den Staatlichen Geologischen Dienst Brandenburg (als Teil des Landesamtes für Bergbau, Geologie und Rohstoffe (LBGR)) ist die stoffliche Charakterisierung von Böden und Gesteinen sowie die Aufbereitung von Pollenproben erforderlich. Die Daten zur geochemischen und mineralogischen Zusammensetzung bilden eine wichtige Grundlage für Aussagen zu den Eigenschaften und der Genese der Böden und damit für die Erarbeitung von bodengeologischen Grund- und Auswertekarten. Sie werden weiterhin für die genetisch-stratigrafische Bestimmung von Gesteinen und Sedimenten genutzt, für die Ermittlung hydrogeologischer Parameter und die Einstufung und Bewertung von Bodenschätzen.

Die Untersuchung von Gesteinsproben, die vor allem durch Bohrungen gewonnen werden, soll u. a. Aufschluss über die örtliche Tiefenlage eiszeitlicher Sedimente wie Ton, Mergel oder Sand geben. Während tonreiche Sedimente (Ton, Geschiebemergel) als Grundwasserstauer wirken, dient Sand als Grundwasserleiter. Bei der Errichtung von Brunnen ist die Kenntnis der stratigraphischen Abfolge der geologischen Formationen und ihrer Tiefenlage fundamental, um den untersten Grundwasserstauer nicht zu durchbohren und so einer Beeinträchtigung durch Salzwasser aus tieferen Schichten vorzubeugen. Auch für geplante Erdwärmebohrungen werden die Proben vorab untersucht, um mögliche Schadensfälle wie im Jahr 2007 in Staufen (Baden-Württemberg) zu verhindern. Dort wurde eine Anhydrit-Schicht angebohrt und die Verschiebungen und Hebungen aufgrund des Aufquellens zu Gips führte zu irreparablen Schäden an Gebäuden.

Das Untersuchungsspektrum für die ca. 3.200 Proben geologischer Böden und Gesteine pro Jahr ist ausgesprochen umfangreich. Es umfasst physikalische Parameter wie pH-Wert, Leitfähigkeit, Trockenrohdichte und Korngrößenverteilung (analysiert mittels Siebung und/oder Lasergranulometrie); Summenparameter wie Wassergehalt, Glühverlust, Kohlenstoff-Stickstoff-Schwefel-Bestimmung (CNS), lösliches Eisen, Alumium und Mangan sowie die Kationenaustauschkapazität; chemische Analysen mittels induktiv gekoppelter Plasma-Emissionsspektroskopie (inductively coupled plasma (ICP)), Atomabsorptions-Spektrometrie (AAS), Röntgenfluoreszenz-Analyse (RFA) sowie direkte Quecksilber-Bestimmungen aus Feststoffen mittels AAS-Kaltdampftechnik; mineralogische Analysen mittels Pulverröntgendiffraktometrie (XRD) und Calcimetrie; Aufbereitungen wie Geschiebeschlämmung und Pollenpräparation.

Schwebstoffe sind in Wasser suspendierte mineralische und organische Partikel. Sinken diese Partikel ab und sammeln sich am Grund von Gewässern, wird das Material als Sediment bezeichnet. Das LLBB untersucht dieses Material im Rahmen von zwei umfangreichen Untersuchungsprogrammen zu Oberflächengewässern: Aus den brandenburgischen Flüssen Elbe, Havel, Neiße und Oder werden sowohl Schwebstoffe (gewonnen mittels Zentrifuge oder Sedimentationsfalle) als auch Sedimente (gewonnen mittels Sedimentationsbecken) im Auftrag des LfU untersucht. Aus den Berliner Flüssen Spree und Wuhle sowie dem Teltowkanal werden Schwebstoffe im Auftrag der Senatsverwaltung für Umwelt, Mobilität, Verbraucher- und Klimaschutz des Landes Berlin (SenUMVK) bearbeitet.

Die Bestimmung von Schadstoffgehalten in Schwebstoffen/Sedimenten (und auch im Wasser) dient zur Bewertung des chemischen Zustands von Oberflächengewässern. Viele Schadstoffe neigen dazu, sich in Schwebstoffen und Sedimenten anzureichern und sind damit der Analytik besonders zugänglich. Für die Bewertung ist dies von Vorteil, denn aufgrund dieser Anreicherung spiegeln die Stoffgehalte in Schwebstoffen/Sedimenten einen längeren integrierenden Zeitraum wider, während Wasserproben nur eine Momentaufnahme für den Zeitpunkt der Probenahme darstellen. Die Notwendigkeit der Schwebstoffuntersuchung ergibt sich aus der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EG-

WRRL 2000), die in Form der Oberflächengewässerverordnung (OGewV 2016) in deutsches Recht umgesetzt wurde. In den Anlagen der OGewV sind u. a. Umweltqualitätsnormen für die zulässige Höchstkonzentration für prioritäre und andere Schadstoffe zur Beurteilung des chemischen Zustands aufgeführt. Untersucht werden neben Schwermetallen vor allem organische Schadstoffe, beispielsweise polychlorierte Biphenyle (PCB), Pflanzenschutzmittel (PSM), polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), bromierte Diphenylether (BDE), Phthalate, Chlorparaffine, zinnorganische Verbindungen, Dioxine, Furane sowie perfluorierte Carbon- und Sulfonsäuren.

Literatur

BBodSchG – Bundes-Bodenschutzgesetz (1999): Gesetz zum Schutz vor schädlichen Bodenveränderungen und zur Sanierung von Altlasten – (Bundes-Bodenschutzgesetz), vom 17. März 1998

DüG – Düngegesetz (2009): BGBl. I S. 54, ber. S. 136, Januar 2009

DüV – Düngeverordnung (2017): Verordnung über die Anwendung von Düngemitteln, Bodenhilfsstoffen, Kultursubstraten und Pflanzenhilfsmitteln nach den Grundsätzen der guten fachlichen Praxis beim Düngen; (BGBl. I S. 1.305), 26. Mai 2017

OGewV – Oberflächengewässerverordnung (2016): Oberflächengewässerverordnung vom 20. Juni 2016 (BGBl. I S. 1.373), die zuletzt durch Artikel 2 Absatz 4 des Gesetzes vom 9. Dezember 2020 (BGBl. I S. 2.873) geändert worden ist

EG-WRRL (2000): Richtlinie 2000/60/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. Oktober 2000 zur Schaffung eines Ordnungsrahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich der Wasser­politik (Europäische Wasserrahmenrichtlinie)

Scheffer/Schachtschabel (2018): Lehrbuch der Bodenkunde. 17. überarbeitete und ergänzte Auflage. Springer-Verlag GmbH Deutschland