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«Diplomarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Diplom-Geograph Bodenerosion als Funktion veränderter Landnutzungsstruktur – Modellierung der ...»

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TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN

FAKULTÄT FORST-, GEO- UND HYDROWISSENSCHAFTEN

INSTITUT FÜR GEOGRAPHIE

Diplomarbeit

zur Erlangung des akademischen Grades

Diplom-Geograph

Bodenerosion als Funktion veränderter Landnutzungsstruktur

– Modellierung der Entwicklung am Beispiel der

Nationalparkregion Sächsische Schweiz

vorgelegt von: Sebastian Wolf geboren am: 25.12.1978 in Dresden Betreuer: Prof. Dr. Dr. rer. nat. habil. Arno Kleber Institut für Geographie, Technische Universität Dresden Dr. rer. nat. Ulrich Walz Leibniz-Institut für Ökologische Raumentwicklung e.V. (IÖR) Dresden, 30. Januar 2006 Ehrenwörtliche Erklärung Hiermit erkläre ich ehrenwörtlich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig angefertigt habe. Die aus fremden Quellen direkt oder indirekt übernommenen Gedanken sind als solche kenntlich gemacht.

Dresden, 30. Januar 2006 Sebastian Wolf Vorwort Die Idee zu dieser Arbeit entstand in Gesprächen mit Dr. Ulrich Walz vom Institut für ökologische Raumentwicklung (IÖR). Im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Projektes SISTEMaPARC sollten die Auswirkungen von Landschaftsveränderungen auf die Bodenerosion untersucht werden. Der dafür verwendete Ansatz und methodische Schwerpunkt kristallisierte sich jedoch erst im Verlauf der Arbeit heraus.

An dieser Stelle möchte ich allen Personen danken, die durch ihre vielfältige Unterstützung zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben.

Ein ganz besonderer Dank gilt meinen Betreuern Prof. Dr. Arno Kleber und Dr. Ulrich Walz, die mir jederzeit mit kompetentem Rat, weiterführenden Anregungen sowie kritischen Hinweisen zur Seite standen, und damit selbst in schwierigen Phasen wieder Licht am Ende des Tunnels erscheinen ließen.

Bedanken möchte ich mich auch bei Dr. Gerd Garten und Dr. Lutz Maerker für die kritischen Diskussionen zum Untersuchungsgebiet und die gute langjährige Zusammenarbeit. Für die konstruktiven Anregungen und kritischen Anmerkungen bedanke ich mich bei Prof. Dr. Manfred Kramer sowie bei Prof. Dr. Wolfgang Kaulfuß für die Hinweise zur historischen Datengrundlage. Darüber hinaus geht mein Dank an Johannes Franke für die fachkundige Beratung und Unterstützung bei der Aufbereitung der Niederschlagsdaten. Weiterhin danke ich Olaf Conrad und Dr. Jürgen Böhner von der Universität Göttingen für ihre Unterstützung mit SAGA und für die Bereitstellung von eigenen Modulen.

In besonderem Maße möchte ich mich bei Ulrike Franzheld bedanken. Sie stand mir immer zur Seite, hat mir Kraft gegeben und Verständnis für die gesamte Zeit dieser Arbeit aufgebracht.

Meinen Eltern danke ich für die uneingeschränkte Unterstützung und das entgegengebrachte Vertrauen während meines gesamten Studiums.

Mein ganz besonderer Dank gilt Peter Schreiber, der es in den vielen anregenden Diskussionen immer wieder geschafft hat, mich zum Nachdenken und Lachen zu bewegen.

Die kollegiale und freundschaftliche Zusammenarbeit hat eine einzigartige Arbeitsatmosphäre geschaffen. Ohne ihn wäre vor allem die letzte Phase der Arbeit nicht möglich gewesen.

Abschließend möchte ich allen Personen danken, die mir bei der kritische Durchsicht und Korrektur des Manuskriptes behilflich waren. Mein spezieller Dank geht dabei an Melanie Petroschka, Sabine Zimmermann und Heidi Franzheld für ihre sehr detaillierten Anmerkungen und lehrreichen Verbesserungsvorschläge.

–  –  –

Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis

Kurzfassung / Abstract

I EINLEITUNG

1 Einleitung

1.1 Problemstellung und Zielsetzung

1.2 Aufbau der Arbeit

2 Bodenerosion als anthropogenes Umweltproblem

2.1 Begriff der Bodenerosion

2.2 Landschaftswandel als Ursache der Bodenerosion

2.3 Arten der Bodenerosion

2.4 Bodenerosion durch Wasser

2.5 Formen der Bodenerosion

2.6 Schäden durch Bodenerosion

II Material und Methoden

3 Modellierung der Bodenerosion durch Wasser

3.1 Verfahren der Modellierung

3.2 Modellauswahl

3.3 Modellierung mit Geographischen Informationssystemen (GIS)

4 Allgemeine Bodenabtragsgleichung (ABAG)

4.1 Struktur der ABAG

4.2 Faktoren der ABAG

4.2.1 Regenerosivitätsfaktor R

4.2.2 Bodenerodierbarkeitsfaktor K

4.2.3 Topographiefaktor LS

4.2.4 Hangneigungsfaktor S

4.2.5 Hanglängenfaktor L

4.2.6 Bodenbedeckungsfaktor C

4.2.7 Erosionsschutzfaktor P

4.3 Einschränkungen der ABAG

Inhaltsverzeichnis II 5 Untersuchungsgebiet

5.1 Lage

5.2 Naturräumliche Einordnung

5.3 Landschaftsgenese und geologischer Bau

5.4 Geomorphologische Verhältnisse

5.5 Klimatische Verhältnisse

5.6 Hydrologische Verhältnisse

5.7 Pedologische Verhältnisse

5.8 Vegetation

5.9 Anthropogene Nutzung

6 Datengrundlage und Datenaufbereitung

6.1 Vorgehensweise

6.2 Landnutzungsstruktur

6.2.1 Historische Karten

6.2.2 Landschaftswandel in der Nationalparkregion

6.2.3 Entwicklung des Ackerlands

6.3 R-Faktor





6.3.1 Berechnungsgrundlage

6.3.2 Verfügbare Datengrundlage

6.3.3 Verwendete Niederschlagsstationen

6.3.4 Aufbereitung und Korrektur der Niederschlagssummen

6.3.5 Regionalisierung der Niederschläge

6.4 K-Faktor

6.5 Datengrundlage für Topographiefaktoren

6.5.1 Digitale Geländemodelle als Berechnungsgrundlage

6.5.2 Methoden der Hangneigungsberechnung

6.6 S-Faktor

6.7 L-Faktor

6.7.1 Berechnung des L-Faktors

6.7.2 Abflussmodellierung

6.7.3 Arten von Berechnungsverfahren

6.7.4 Vergleich unterschiedlicher Berechnungsverfahren

6.7.5 Auswahl eines geeigneten Verfahrens

6.7.6 Umsetzung der Berechnung des L-Faktors

6.8 Auswirkungen der verwendeten DGM-Auflösung

6.9 Berechnung des langjährigen mittleren Bodenabtrags

Inhaltsverzeichnis III

III Ergebnisse und Diskussion

7 Bodenerosion in der Nationalparkregion Sächsische Schweiz................. 109 7.1 Erosionsgefährdung

7.2 Mittlerer Bodenabtrag

7.2.1 Entwicklung des mittleren Bodenabtrags

7.2.2 Relativer Bodenabtrag

7.3 Hangneigungsentwicklung

7.3.1 Lagebedingte Veränderungen

7.3.2 Umwandlung ehemaliger Ackerflächen

7.4 Einfluss der Hanglänge auf Veränderungen des Bodenabtrags

7.5 Räumliche Differenzierung des Bodenabtrags

7.5.1 Auswahl von Testgebieten

7.5.2 Testgebiet Krippen

7.5.3 Testgebiet Wehlen

7.5.4 Testgebiet Weißig

7.5.5 Testgebiet Struppen

7.5.6 Testgebiet Altendorf

7.5.7 Auswertung der Testgebiete

7.6 Schlagbezogene Auswertung

7.7 Lageabhängigkeit hoher Bodenabträge

8 Bewertung der Ergebnisse

8.1 Methodenkritik und Fehlerbetrachtung

8.3 Übertragbarkeit auf andere Räume

8.4 Ausblick

9 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Verzeichnis der Anlagen

–  –  –

Kurzfassung Die Bodenerosion als anthropogenes Umweltproblem führt zu einer starken Beeinträchtigung der Bodenqualität und vernichtet jährlich große Flächen fruchtbaren Ackerlandes. In der vorliegenden Arbeit werden die Auswirkungen von Veränderungen der Landnutzungsstruktur auf die Bodenerosion anhand von veränderten erosiven Hanglängen untersucht. Dazu werden verschiedene Modellierungsansätze zur Hanglängenberechnung und Berücksichtigung der Landnutzungsstruktur vergleichend betracht. Ausgehend davon wird ein neues Verfahren zur Untersuchung der historischen Entwicklung der Bodenerosion vorgestellt. Eine Anwendung erfolgt am Beispiel der Nationalparkregion Sächsische Schweiz. Die Ergebnisse belegen den starken Einfluss der Landnutzungsstruktur auf die Entwicklung der Bodenerosion. Darüber hinaus werden die Ursachen für eine räumlich differenzierte Entwicklung aufgezeigt. Eine abschließende Bewertung der Ergebnisse diskutiert die Übertragbarkeit auf andere Räume und zeigt Einsatzmöglichkeiten der verwendeten Methodik in der Praxis auf.

Abstract Soil erosion, a man made environmental problem, has a significant effect on soil quality and destroys vast areas of fertile arable land every year. This study examines the effects that changes in land use structure have on soil erosion. The approach used is based on variations in erosion effective slope length. The thesis discusses different modelling approaches for slope length calculation and addresses their consideration of land use structure. Ultimately, a new procedure for investigating the historical development of soil erosion is suggested. The procedure is applied to the National Park Region of Saxon Switzerland. The results of this study emphasise the significant influence of land use structure on the development of soil erosion. Furthermore, spatially differentiated development is indicated and its causes are identified. Finally, this study considers the applicability of the procedure to other areas, and identifies possible applications.

Einleitung 1

–  –  –

1.1 Problemstellung und Zielsetzung ”Soil erosion is as old as agriculture. It began when the first heavy rain struck the first furrow turned by a crude implement of tillage in the hands of prehistoric man. It has been going on ever since, wherever man's culture or the earth has bared the soil to rain and wind.” (BENNETT, H. AND W.C. LOWDERMILK, ca. 1930) Die intensive Nutzung der Böden führt weltweit zu starken Schäden und vernichtet jährlich große Flächen fruchtbaren Ackerlandes. Ein Drittel aller landwirtschaftlich genutzten Flächen und deren Böden sind durch menschliche Einflüsse degradiert. Dabei wird der Hauptteil der Bodendegradation durch die Bodenerosion hervorgerufen (RICHTER 1998, HERWEG 1999). Die langfristigen und irreversiblen Schäden beeinträchtigen die Bodenqualität und gefährden somit die Existenzgrundlage der Landwirtschaft (KRETZSCHMAR 1992). Allein in Sachsen sind 60 % der Ackerflächen erosionsgefährdet. Jährlich werden mindestens 2,5 Mio. Tonnen Ackerboden infolge von Bodenerosion durch Wasser umgelagert, das entspricht in Sachsen durchschnittlich etwa 3,5 Tonnen je Hektar (LFUG 2004).

Insbesondere der Einfluss des Menschen auf die Umwelt ist für die Bodenerosion verantwortlich. Erst anthropogene Veränderungen der Flächennutzung und der Landnutzungsstruktur störten das natürliche Gleichgewicht und führten zum Problem der Bodenerosion. Der Bodenabtrag auf agrarisch genutzten Flächen ist mehr als zehnmal höher als jener von Weideland und etwa tausendmal so hoch wie der Bodenabtrag in Wäldern (STRAHLER & STRAHLER 1999). Großflächige Rodungen haben in der Vergangenheit, insbesondere im Mittelalter und mit dem Beginn der Industrialisierung, zu einer starken Ausweitung von landwirtschaftlich genutzten Flächen geführt (BREBURDA & RICHTER 1998, KOWALKE 2000). Zusammen mit Veränderungen in der Bearbeitungstechnik oder Flurgliederung, aber auch durch die Einführung erosionsanfälliger Feldkulturen, wie Kartoffel und Zuckerrübe, wurden verschiedene Schadenswellen der Bodenerosion ausgelöst. Diese ebbten erst mit der Ergreifung geeigneter Gegenmaßnahmen durch den Menschen wieder ab (BREBURDA & RICHTER 1998). Trotz ihrer Irreversibilität ist es möglich, die Folgen der Bodenerosion durch gezielte Maßnahmen und Eingriffe zu verringern (vgl. KRETZSCHMAR 1992). Damit zeigt sich eine Notwendigkeit, solche Maßnahmen bezüglich ihrer Wirkung zu analysieren, um diese effektiv Einleitung 2 einsetzen zu können. Historische Veränderungen und deren Auswirkungen auf die Bodenerosion sind dafür besonders geeignet. Die Erkenntnisse aus historischen Entwicklungen ermöglichen eine Berücksichtigung in zukünftigen Planungsentscheidungen und können somit einen Beitrag zur Nachhaltigkeit der agrarischen Nutzung leisten.



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