Böden in der Stadt Hamburg und in der Metropolregion
Prof. Dr. Annette Eschenbach Institut für Bodenkunde, Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit, Universität Hamburg [email protected]
Bodenmanagement – Nachhaltiger Umgang mit der Ressource Boden 14. Oktober 2015 Behörde für Umwelt und Energie FHH
Böden bilden die Grundlage des Lebens
www.umweltbundesamt.de; aid infodienst, 2015Fotos: Eschenbach; www.traktorpool.de;
Böden sind als endliche Ressource ein wichtiger Bestandteil des Natur- und Landschaftshaushaltes
Boden ist ... die dünne Haut der Erde
… das mit Wasser, Luft und Lebewesen durchsetzte,
unter dem Einfluss der Umweltfaktoren an der Erdoberfläche entstandene und
im Lauf der Zeit sich weiterentwickelnde Umwandlungsprodukt mineralischer und
organischer Substanzen mit eigener morphologischer Organisation,
das in der Lage ist, höheren Pflanzen als Standort zu dienen und die Lebensgrundlage für Tiere und
Menschen bildet.
Als Raum-Zeit-Struktur ist der Boden ein vierdimensionales System.
(Schroeder 1992)
Fotos: Gröngröft, Pfeiffer
Mineralkörper Humuskörper
VerwitterungMineralneubildung
Mineralisierung u. Humifizierung
Poröses System
Aggregation und Segregation Gefügebildung
Kolloide Organische Substanz Wasser Gase
Wasser-haushalt
Temperatur-haushalt
Nährstoffe / Stoffflüsse
Energie /Gasaustausch
Pedon Träger spezifischer
Eigenschaften, Prozesse und Funktionen im
Ökosystem
Ausgangsmaterial Organisches Material
Nährstoffe Ionen
Puffer-systeme
Translokations-prozesse
Trans-formations-
prozesse
Mobilisierung Transport Immobilisierung
Boden und seine Funktionen: BBodSchG (1998)
1. natürliche Funktionen
2. Funktionen als Archiv der Natur- und Kulturgeschichte
3. Nutzungsfunktionen als
Lebensgrundlage und Lebensraum für Menschen, Tiere, Pflanzen und Bodenorganismen,
Bestandteil des Naturhaushalts, insbesondere mit seinen Wasser- und Nährstoffkreisläufen,
Abbau-, Ausgleichs- und Aufbaumedium für stoffliche Einwirkungen auf Grund der Filter-, Puffer-, und Stoffumwandlungseigenschaften, insbesondere auch zum Schutz des Grundwassers
Rohstofflagerstätte Fläche für Siedlung und Erholung Standort für die land- und forstwirtschaftliche Nutzung Standort für sonstige wirtschaftliche und öffentliche Nutzungen, Verkehr,
Ver- und Entsorgung
§ 2 (1) Boden im Sinne dieses Gesetzes ist die obere Schicht der Erdkruste, soweit sie Träger der in Absatz 2 genannten Bodenfunktionen ist, einschließlich der flüssigen Bestandteile (Bodenlösung) und der gasförmigen Bestandteile (Bodenluft), ohne Grundwasser und Gewässerbetten.
Faktor Ausgangsmaterial: Natürliche Bodenformengesellschaften in Hamburg
Böden in der Stadt Hamburg
Podsol-Braunerde
Braunerde-Podsol
Gley-Pseudogley
FlusskleimarschAnmoorgley
Fotos: Institut für Bodenkunde
Faktor Mensch: Böden der Stadt
In städtischen Verdichtungsräumen sind die Faktoren der Bodenbildung stark durch den Menschen geprägt:
Relief: verändert durch Abtrag und Auftragen von Material
Ausgangsgestein: Aufträge und Umlagerungen, oft mit mineralischen Fremdbestandteilen (Bauschutt, Aschen, Ziegel…)
Klima: Stadtklima ist 1-3°C wärmer als das Umland
Zeit: Kürzere Zeitspanne der Bodengenese
Fotos: A. Eschenbach, V. Kleinschmidt
Durch anthropogene Eingriffe stark überprägte BödenAuf- und Eintrag technogener Substrate
Anthropogen überprägte Stadtböden
Fotos: Institut für Bodenkunde
„Stadtböden“ - Böden in der Stadt
„Stadtböden“ ist der Überbegriff für die vielfältigen Böden der städtisch-industriellen Räume:
Böden natürlicher Entwicklung (naturnahe Böden)
Böden anthropogener Aufträgenatürlicher oder technogenerSubstrate bzw. Mischungen
versiegelte Böden
Boden des Jahres 2010: Stadtboden oder Technosol
Foto: Makki, Flyer Boden des Jahres 2010 A. Eschenbach
Kartenbasis: Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt, Hamburg
Flächennutzung in Hamburg 2014
Statistisches Amt für Schleswig-Holstein und Hamburg, 2014
LandnutzungBebauungGrünflächen WasserGrünlandLandwirtschaftMoordiv. VegetationHeideVerkehrWald
75530 ha
Versiegelung in Hamburg 1999
Versiegelung in Hamburg 2012
Versiegelte Fläche in Hamburg: 1999 36% 2010 38%
1999-2010: +2% ≙1.500 ha
→ jährlich 136 ha zusätzlich versiegelte Bodenfläche
Gekoppelte Energie- und Wasserflüsse an der Grenzfläche Boden – Atmosphäre
nicht versiegelter versiegelter Boden
Eschenbach & Pfeiffer, 2010
Tran
spir
atio
n
Hamburg Urban Soil ClimateObservatory (HUSCO)
Evapotranspiration führt zur Abnahmedes fühlbaren Wärmestroms
Versiegelung verhindert die Verdunstung
Prozessverständnis der WechselwirkungBoden-Pflanze-Atmosphäre
Welchen Einfluss haben städtische Böden mit ihrem Verdunstungspotenzialauf das lokale Klima (in Abhängigkeit von Bodennutzungen, Versiegelung, Grundwasserflurabstand, Boden-wasserhaushalt)
Welche Relevanz haben Stadtbäume und wie reagieren sie auf Trockenstress
Handlungsoptionen für die Stadtplanung
Tran
spir
atio
n
Abb: Eschenbach & Pfeiffer, 2010
Klimafunktion von Böden: Forschung in der Stadt Hamburg
Exzellenzcluster CliSAPund Leitstelle Klimaschutz
LandnutzungBebauungGrünflächen WasserGrünlandLandwirtschaftMoordiv. VegetationHeideVerkehrWald
Stadtteil 90%
50% 5%
5%
50% 5%
0-5%
Abbildung nach: Freie und Hansestadt Hamburg, Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt - Amt für Umweltschutz (U21), 2010: Biotopkartierung.(modifiziert)
Hamburg Urban Soil Climate Observatory (HUSCO): Messkonzept
feuchter Stadtteil
trockenerStadtteil
Innenstadt
ländlicher Raum
Wiesner et al. 2014
10 MeteoStationen
18 BodenStationen (5 Tiefen, ≤ 1.60m)
2 Eddy Kovarianz Systeme
Fotos: Sarah Wiesner, Volker Kleinschmidt
HUSCO Untersuchungsstandorte
Nächtliche Wärmeinsel
Nicht vollversiegelte Flächen erwärmen sich geringer und Grünflächen langsamer
Tagesgang der Lufttemperatur (Sept 2011-Sept 2012)
Wiesner et al., 2013
Unterschiede im Tagesgang nach urbaner Flächennutzungund Lage innerstädtische Stationen ganztägig überwärmt schnellere abendliche Abkühlung der Grünflächen
Volu-metrischer Wasser-gehalt[%]
Täglicher Niederschlag
[mm]
Grundwasser-einfluss
Sukzessives Austrocknen
Wasseraufnahme durch Wurzeln
Sandiges Substrat
Tiefen Versickerung
Bodenwassergehalte im Jahr 2011
Wiesner et al., 2013
Zusammenhang Oberbodenwassergehalt Θ und Spanne der Lufttemperatur Ta
Je höher der Bodenwassergehalt desto niedriger die Erwärmung
11 bis 17% der Temperaturunterschiede können durch die Oberbodenfeuchte erklärt werden
Böden mit unterschiedlichem Bodenwasserhaushalt tragen unterschiedlich stark zur Abkühlung der Lufttemperatur in der Stadt bei
Wiesner et al., 2013
Abkühlungsfunktion von Böden ist abhängig:
- von der Versiegelung und damit der Veränderung der Energie- und Wasserflüsse (Evapotranspiration) zwischen Boden und Atmosphäre
- von dem Bodenwasserhaushalt, der Wasserverfügbarkeit undWassernachlieferung im Boden (Bodeneigenschaften undGrundwasserflurabstand)
- von der Vegetation am Standort
- sowie von der kleinräumigen Wettersituation
Das Zusammenwirken dieser Faktoren auf die Abkühlleistungen kann noch nicht sicher vorhergesagt werden.
Zusammenfassung Forschung zur Klimafunktion von Böden in Städten (HUSCO)
Bodenfunktion: Schadstoffrückhalt und Abbau
Filterungfester und flüssiger Stoffe (mechanisch)
Pufferungdurch Sorption und Fällung (physio-chemisch)
Transformationdurch Um- und Abbau (mikrobiell/biochemisch)
Lösung im Bodenwasser
Aufnahme durch die Pflanzen
Auswaschung in das Grundwasser
Transport mit Bodenwasser
Bayerisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz (StMUGV)
Beeinträchtigung der Bodenfunktionen in einem Hamburger Kleingarten
Fotos: A.Eschenbach
Belastete Kleingärten: Pflanzenverfügbarer Cadmiumgehalt – pH
4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,00
100
200
300
400
500
600pf
lanz
enve
rfügb
arer
Cad
miu
mge
halt
[µg/
kg]
pH (CaCl2) [-]
R² = 0,7n = 166
Parzelle 325 Maßnahmenwert nach BBodSchV
Eschenbach, 2009
Ermittelte Schadstoffkonzentrationen (mg/kg)in einem Kleingarten
in mg/kg
TB 1 TB 2 TB 3
mittlere Belastung
maximale Belastung
mittlere Belastung
maximale Belastung
mittlere Belastung
maximale Belastung
Blei 550-600 1800 280 350 490 >1.000
Cadmium 5 10 3,7 5,2 4,1 5,8
Cadmium pflanzen-verfügbar
0,04-0,045 0,19 0,16-0,17 0,59 0,02 0,04
Arsen 60 130 56 69 50 64
Benzo(a)-pyren
13 37 9 16
Rot: Überschreitung der Prüfwerte (BBodSchV)
Eschenbach, 2009
Aktuelle UntersuchungsergebnisseOberbodenproben: 2004-2008Parameter: As, Pb, Cd, B(a)PTiefe: bis 35 cm
< Wohngebiet
Prüfwerte „Boden – Mensch“
1-1,5x Wohngebiet (BaP)< 2x Wohngebiet (Rest)
> 1,5x Wohngebiet (BaP)> 2x Wohngebiet (Rest)
B(a)P-Prüfwert Wohngebiet: 4 mg/kg• 1-1,5x Wohngebiet BaP: 4-6 mg/kg• 1,5-2x Wohngebiet BaP: 6-8 mg/kg
2
3
4
5
11a
6
7
2a
89
10
10b16
17
18
19/20
21
2223
25 2412
11
14
13
59
15
36
37
38
46
45 53
52552926
30
28 31/32
33/3
4
39/4
0
43
48
49
41/42 445450
/51
56 58
57300/301302 303 304 305 343
342341
340339
338 337306 307308
309 330331 332 333310 311 312 312a 334
317313 315
316318 318a320 328321/322
323 324 325 326327
329121 124 125 126 127 128 129
133 132 131 130
118120 122 134
143 141a141 139 136
135
146145
144 142 140 138
150148 147
152 151 149
152b 152a
158137
319
Teilbereich 1
Teilbereich 2
Teilbereich 3
2
3
4
5
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6
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19/20
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2223
25 2412
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338 337306 307308
309 330331 332 333310 311 312 312a 334
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316318 318a320 328321/322
323 324 325 326327
329121 124 125 126 127 128 129
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143 141a141 139 136
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144 142 140 138
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152 151 149
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Teilbereich 1
Teilbereich 2
Teilbereich 3
Teilbereich 1
Teilbereich 2
Teilbereich 3
Ermittelte Belastungssituation des Bodens einesHamburger Kleingartens
Eschenbach, 2009
Mit den Untersuchungen konnten Rückschlüsse zu der Art und den Quellen der Kontamination gezogen werden
Empfehlungen zur Sanierung / Bodenbehandlung abgeleitet werden
Entsorgungs- und Schadstoffrückhaltefunktion: Verwertung von HMV-Aschen im Wegebau
Beispiel Ohlstedter Platz
Braasch & Gröngröft 2007
0
200
400
600
800
1000
1200
1400Su
lfatk
onze
ntra
tion
[mg/
l]
Beprobung 2006 Beprobung 2007
Ergebnisse der Untersuchung oberflächennahes Grundwasser
Grenzwert Trinkwasserverordnung
240 mg/l
Braasch & Gröngröft 2007
Ergebnisse der Untersuchung
0
20
40
60
80
100
200720062004
Sulfa
tgeh
alt [
%]
Beprobungszeitpunkt
in der HMV-Asche verbliebene Sulfatmenge aus der HMV-Asche ausgelaugte Sulfatmenge
Braasch & Gröngröft 2007
• Die vorhandene Sulfatbelastung resultiert aus der verbauten HMV-Asche.
• Es ist drei Jahre nach Einbau immer noch ein Auswaschungspotenzial an Sulfaten in der HMV-Asche enthalten.
Masterarbeit am IfB: P. Woloszczyk
Fragestellung: Welche Auswirkungen auf die Verwertungsmöglichkeiten und -quote von Bodenmaterial ergeben sich aus der Ersatzbaustoffverordnung?
• Neue Methodik (Säulenversuch)
• Neue Materialwerte und –klassen
• Neue Definition der Einbauweisen
Vergleich von aktuellen und künftigen Regelungen zur Verwertung von Bodenmaterial
Untersuchung anhand von sechs belasteten Bodenproben und Einteilung in die Klassen nach LAGA M20 und Ersatzbaustoffverordnung.
Vorsorgewerte (BBodSchV), Zuordnungswerte (LAGA) und Hintergrundwerte FHH (LABO 2015) in mg/kg TM
1) Bei pH < 6 gelten für Cd, Ni, Zn die Grenzwerte der nächst grobkörnigeren Körnungsklasse
VorsorgewerteBBodSchV
Zuordnungswerte für die Verwendung in bodenähn-lichen Anwendungen (Z0)
LAGA M20 TRII
Hintergrundwerte (FHH)holozäne fluviatile Lehme Tone des Gezeitenbereichs
(Ballungskern B1)
Hintergrundwerte Pleistozäne Sande und
sandige Lehme (Ballungskern B1)
Stoff Ton 1) Schluff 1) Sand 1) Lehm/Schluff Sand 50.P 90.P 50.P 90.P
Arsen - - - 15 10 10,4 19,7 4,7 7,6
Blei 100 70 40 70 40 59 126 96 191
Cadmium 1,5 1 0,4 1 0,4 0,42 0,90 0,32 0,56
Chrom 100 60 30 60 30 31 61 13 21
Kupfer 60 40 20 40 20 40 83 36 62
Nickel 70 50 15 50 15 16,2 33,3 8,4 14,5
Quecksilber 1 0,5 0,1 0,5 0,1 0,12 0,27 0,26 0,40
Zink 200 150 60 150 60 115 283 123 219
> 8% Humus
< 8% Humus
Nicht differenziert nach Substrat B1 Ballungsraum
PAK 10 3 3 3 2,91 4,64
B(a)P 1 0,3 0,3 0,3 0,30 0,56
PCB 6 0,1 0,05 0,05 0,05 0,0105 0,0216
Vorsorgewerte (BBodSchV), Zuordnungswerte (LAGA) und Hintergrundwerte FHH (LABO 2015) in mg/kg TM
VorsorgewerteBBodSchV
Zuordnungswerte für die Verwendung in bodenähn-lichen Anwendungen (Z0)
LAGA M20 TRII
Hintergrundwerte (FHH)holozäne fluviatile Lehme Tone des Gezeitenbereichs
(Ballungskern B1)
Hintergrundwerte Pleistozäne Sande und
sandige Lehme (Ballungskern B1)
Stoff Ton 1) Schluff 1) Sand 1) Lehm/Schluff Sand 50.P 90.P 50.P 90.P
Arsen - - - 15 10 10,4 19,7 4,7 7,6
Blei 100 70 40 70 40 59 126 96 191
Cadmium 1,5 1 0,4 1 0,4 0,42 0,90 0,32 0,56
Chrom 100 60 30 60 30 31 61 13 21
Kupfer 60 40 20 40 20 40 83 36 62
Nickel 70 50 15 50 15 16,2 33,3 8,4 14,5
Quecksilber 1 0,5 0,1 0,5 0,1 0,12 0,27 0,26 0,40
Zink 200 150 60 150 60 115 283 123 219
> 8% Humus
< 8% Humus
Nicht differenziert nach Substrat B1 Ballungsraum
PAK 10 3 3 3 2,91 4,64
B(a)P 1 0,3 0,3 0,3 0,30 0,56
PCB 6 0,1 0,05 0,05 0,05 0,0105 0,0216
1) Bei pH < 6 gelten für Cd, Ni, Zn die Grenzwerte der nächst grobkörnigeren Körnungsklasse
Bodengefährdung undÖkosystem-Dienstleistungen von Stadtböden
• Bodenversiegelung und Flächeninanspruchnahme
• Bodenkontamination• Bodenzerstörung durch
Aushub• Verdichtung und
Strukturzerstörung während Baumaßnahmen
• Versalzung• Reduktion der Boden-
Biodiversität und von funktionellen Gruppen
Bodengefährdungen • Flächen- und Standort
-funktion• Abkühlungsfunktion• Kohlenstoffspeicherung• Schadstoffabbau und
–Pufferung• Wasserrückhaltung
und Wasserkreislauf• Nährstoffversorgung
und –kreislauf• Primärproduktion• Regulation der
Biodiversität
Bodenfunktionen
Regulation:• Klimaregulation• Hochwasserregulation• Wasserregulation• Schadstoffregulation Kultur • Archiv: Natur- und
Kulturgeschichte• Erholung• Ästhetik• AusbildungVersorgung:• Flächenbereitstellung• Trinkwasser
Ökosystem Dienstleistungen
Eschenbach 2013
Schutz vor schädlichen Bodenveränderungen/Eingriffen Reduktion von Flächeninanspruchnahme & Versiegelung Reduktion von Schadstoffeinträgen Bodenschutz bei Baumaßnahmen: Reduktion von Aushub,
Verdichtung, Strukturzerstörung
Vorrangiger Schutz von Böden mit hoher Funktionalität Böden hoher Abkühlungsleistung als Klimaregulator für
das menschliche Wohlbefinden Böden mit Regelungsfunktion Wasserhaushalt Schadstoffregulationsfunktion Archivfunktion …..etc.
Multifunktionalität vs. Nutzungsabhängige Funktionen
Förderung des Bodenwissens: Erfassung und Quantifizierung der relevanten Bodenfunktionen, Erfassung der Diversität von Böden in der Stadt
Förderung des Boden-Bewusstseins Der Wert des Bodens?
Nachhaltiger Umgang mit der Ressource Boden in der Stadt
Böden sind eine endliche Ressource. Benötigen Jahrhunderte bis Jahrtausende für Genese und Ausbildung von Eigenschaften und Funktionen.
Fotos: A. Eschenbach, www.urban-gardening.eu/wp-content/uploads/2011/10/Gartendeck_HH.jpg
Zukunft Stadtböden?
Urban Gardening in Hamburg Altona
Danke für Ihre Aufmerksamkeit
