Chronosequential initial evolution of soils and freshwater resources of a barrier island (example Ostplate Spiekeroog)
Soil Sciences
Palaeontology
Final Report Abstract
Ziel dieses Vorhabens war die Untersuchung der initialen Entwicklung der Böden und Süßwasservorkommen einer Barriereinsel am Beispiel der Ostplate Spiekeroog. Die Ostplate ist dafür besonders geeignet, weil sie sich in ihrer initialen Entwicklung befindet und die damit verknüpften pedologischen und hydrogeologischen Prozesse weitgehend ohne anthropogene Einflussnahme verlaufen. Das Bodeninventar der Ostplate besteht aus Eutric Fluvic Tidalic, Eutric Endosalic und Eutric Protic Arenosols sowie aus Dystric Histic, Eutric Histic, Eutric Fluvic und Eutric Gleysols. Da noch keine Podsole entwickelt sind, wurde dieser Aspekt in dem älteren Westteil untersucht, der ergab, dass bei Unterschieden in der Hangexposition und fehlender Kornpodsoligkeit erste Podsolierungsmerkmale innerhalb von 180 Jahren auftraten und dass Oxide eine wesentliche Eisenquelle darstellen. Für die Ostplate wurde festgestellt, das äolische Prozesse in den Dünen und tidale Einflüsse in den grundwasserbeeinflussten Bereichen gegenüber den pedogenen Prozessen überwiegen. Darüber hinaus kann die Geländemorphologie eine wesentliche Rolle für die Bodeneigenschaften und die Art der Pflanzenbedeckung sein. Die Eigenschaften der Böden unterliegen einer jahreszeitlichen Dynamik, wobei sich entsprechend wechselnder Redoxverhältnisse einstellende Eisen-Oxid-Gehalte die Kationenaustauschkapazität stellen und eine Variation ihrer Höhe bedingen. Der sich gleichzeitig ändernde Kationenbelag wies auf eine synsedimentäre Entkalkung hin. Schwächen der deutschen Bodensystematik bezüglich der Identifikation von Marschen -und Strandböden mit geringen primären Carbonatgehalten wurden aufgezeigt und Vorschläge zu deren Abhilfe formuliert. Das Wirkungsgefüge von Boden und Hydrogeologie betreffend wurde festgestellt, dass die Intensität von Redoxprozessen im oberflächennahen Grundwassers maßgeblich durch die Konzentration und dem Verhältnis von marinbürtiger und terrestrischer gelöster organischer Substanz gesteuert wird, welche sich in Abhängigkeit von der Überflutungshäufigkeiten (marinbürtige organische Substanz) und vegetativen Bewuchs des Bodens (terrestrischer organischer Substanz) einstellen. Bohrkernergebnisse aus Dünensedimenten konnten zur Plausibilisierung von errechneten Carbonatlösungsraten bei der hydrochemischen Untersuchung des Grundwassers herangezogen werden. Um initiale hydrogeologische Prozesse in Zusammenhang mit der Bildung von Süßwasserlinsen unterhalb der jungen Ostplate zu untersuchen wurden ungesättigte und gesättigte Zone entlang eines N-S orientierten Transekts instrumentiert und hochaufgelöst, hydraulische und hydrochemische Parameter ermittelt sowie numerische Modelle für die Simulation von dichteabhängiger Strömung, Transport und Reaktionen erstellt. Aufgrund nicht vorhandener Küstenschutzmaßnahmen sind die Ostplate und die sich seit den 1970er Jahren unterhalb der Dünen entwickelnden Süßwasservorkommen fortwährenden dynamischen Veränderungen, z.B. durch Sturmfluten und den damit einhergehenden Überflutungen sowie geomorphologischen Veränderungen, ausgesetzt. Die Geomorphologie steuert die Überflutungshäufigkeit und damit die oberflächennahe Grundwassersalinität und Vegetationszonierung. Süßwasservorkommen unterlagerten nur die höhergelegenen Dünenbereiche, die von den jährlichen Sturmfluten nicht erreicht werden. Durch das regelmäßig nördlich und südlich der Dünen infiltrierende Meerwasser dehnt sich die Süßwasserlinse gegenwärtig nicht mehr wesentlich aus und hat bereits einen quasi-stationären Zustand erreicht. Das Süßwassers ist wenige Jahre alt und somit deutlich jünger als das Entstehungsalter der noch jungen Süßwasserlinse, deren Bildung in etwa 1975 begann. Die Übergangszone von Süß- zu Salzwasser ist aufgrund der tidalen und saisonalen Dynamik sehr mächtig. Wesentliche hydrochemische Prozesse im Grundwasser sind Kalklösung, Kationenaustausch und Redoxprozesse, wobei das Grundwasser auf der Ostplate im Vergleich zu dem der Hauptlinse im Westen deutlich jünger und weniger reduzierend ist. Die mikrobiell vermittelte Sulfatreduktion und die darauffolgende Bildung von Eisensulfid dominieren den sedimentären Schwefelkreislauf. Es zeigte sich weiterhin, dass Süßwasserlinsen als Archiv für hohe anthropogene Schwefelemissionen in der Vergangenheit dienen können. Weiterhin offenen Forschungsfelder, die in Folgeprojekten bearbeitet werden sollen, betreffen: 1) Untersuchungen zu Transport, Verbleib und Umwandlungsprozesse von gelöster organischer Substanz entlang des, durch die Ergebnisse dieses Projekts wahrscheinlich erscheinenden, Transportpfades: Dünenböden-Grundwasser-submariner Grundwasseraustritt in die Nordsee. 2) Verknüpfung von Festphasen-Geochemie und Hydrochemie an geeigneten Salzmarsch-Standorten als Grundlage reaktiver (2D) Transportmodellierung zur Erfassung der vielfältigen und gekoppelten hydrobiogeochemischen Prozesse in Salzmarschen. 3) Untersuchung der Redoxdynamik in einem Gebiet mit stark wechselnden hydrologischen Bedingungen und mit Bildung von vermutlich gasaustauschhemmenden, oberflächlichen Algendetrituslagen.
Publications
- 2017. Impact of storm tides and inundation frequency on water table salinity and vegetation on a juvenile barrier island. Journal of Hydrology 554, 666–67
Holt, T., Seibert, S.L., Greskowiak, J., Freund, H., Massmann, G.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2017.09.014) - 2018. Hydrochemical evolution of a freshwater lens below a barrier island (Spiekeroog, Germany): The role of carbonate mineral reactions, cation exchange and redox processes. Applied Geochemistry 92, 196-208
Seibert, S.L., Holt, T., Reckhardt, A., Ahrens, J., Pollmann, T., Giani, L., Waska, H., Böttcher, M.E., Greskowiak, J., Massmann, G.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2018.03.001) - 2018. Landscapes and Soils of North Sea Barrier Islands: A comparative Analysis of the old West and young East of Spiekeroog Island (Germany). Erdkunde 72 (4), 273-286
Pollmann, T., Junge, B., Giani, L.
- 2019. Iron sulfide formation in young and rapidly-deposited permeable sands at the land-sea transition zone. Science of the Total Environment 649, 264-283
Seibert, S.L., Böttcher, M.E., Schubert, F., Pollmann, T. Giani, L., Tsukamoto, S., Frechen, M., Freund, H., Waska, H., Simon, H., Holt, T., Greskowiak, J., Massmann, G.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.08.278) - 2019. Modeling of biogeochemical processes in a barrier island freshwater lens (Spiekeroog, Germany). Journal of Hydrology 575, 1133-1144
Seibert, S.L., Greskowiak, J., Prommer, H., Böttcher, M.E., Massmann, G.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.05.094) - 2019. Modeling the evolution of a freshwater lens under highly dynamic conditions on a currently developing barrier island. Geofluids, Article ID 9484657
Holt, T., Greskowiak, J., Seibert, S.L., Massmann, G.
(See online at https://doi.org/10.1155/2019/9484657) - 2019. Rate of soil formation in Arenosols of dunes on Spiekeroog island (Germany). Geoderma Regional 20, March 2020, e00246
Pollmann, T., Tsukamoto, S., Frechen, M., Giani, L.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2019.e00246)
