Indicative properties of fly-ash affected forest soils in Northeastern Germany

Many forest ecosystems in Germany are strongly influenced by emissions of pollutants like SO2 and alkaline dusts. To quantify and evaluate the consequences of long-term fly ash deposition on forest soils, a study was conducted in pine stands (Pinus sylvestris) in the Dübener Heide in Northeastern Germany. This forest area has been influenced mainly by emissions from coal-fired power plants and the chemical industry of the industrial region Bitterfeld-Wolfen-Zschornewitz since the early 1900. The study sites are located along a fly ash deposition gradient of 8, 16, 14, 18, and 25 km away from the main emission source in Bitterfeld (sites 1, 2, 3, 4, and 5, respectively). Samples of the organic horizons (Oi, Oe, and Oa) and mineral topsoil (0—10 cm) were taken in fall 1998 and analyzed for their ferromagnetic susceptibility and total ash content. Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray microanalysis (EDX) were performed on selected samples to differentiate between the pedogenic and atmospheric origin of the mineral components in the organic horizons. As a result of the long-term deposition, ferromagnetic fly ash components are mainly accumulated in the Oe and Oa horizons of the forest soils studied. Ferromagnetic susceptibility was significantly higher (p ≤ 0.05) in the Oe horizon of sites 1 and 2 compared to sites 3, 4, and 5. Unusually high total ash contents for organic horizons of > 74 % were determined in the Oa at all sites. SEM revealed 3 distinct features of persistent fly ash deposits from coal-fired power plants within the organic horizons that can be defined as ”︁stable glasses” with magnetic properties, aluminum-silicate-minerals, and slag fragments. SEM and EDX indicated that a great portion of the mineral particles found in the organic horizons of forests soils influenced by fly ash are from atmospheric sources. For detection of atmospheric lignite-derived deposition into forest soils, the Oe and Oa horizons have to be considered as specific diagnostic horizons because they show indicative properties for such soils. Indikatoreigenschaften von flugaschebeeinflussten Waldböden in Nordostdeutschland Viele Waldökosysteme in Deutschland sind durch Emissionen von SO2 und alkalischen Stäuben stark beeinflusst. Zur Erfassung und Bewertung der Folgen der langfristigen Flugaschedepositionen auf Waldböden wurden Untersuchungen auf Kiefernstandorten (Pinus sylvestris) der Dübener Heide, Nordostdeutschland, durchgeführt. Dieses Waldgebiet wurde seit Anfang 1900 hauptsächlich durch Emissionen von Braunkohlekraftwerken und der chemischen Industrie der Industrieregion Bitterfeld-Wolfen-Zschornewitz beeinflusst. Die Untersuchungen erfolgten entlang eines Flugaschedepositionsgradienten in Entfernung von 8, 16, 14, 18 und 25 km vom Hauptemittenten Bitterfeld (Standorte 1, 2, 3, 4 bzw. 5). Im Herbst 1998 wurden Proben der organischen Auflagehorizonte (L, Of und Oh) und des Mineralbodens (0—10 cm) entnommen und auf die ferromagnetische Suszeptibilität und die Gesamtaschegehalte untersucht. Zur Differenzierung zwischen pedogener und atmosphärischer Herkunft der mineralischen Partikel in den untersuchten organischen Auflagen wurden an ausgewählten Proben rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (REM) und energiedispersive Röntgenmikroanalysen (EDX) durchgeführt. Als Ergebnis jahrzehntelanger Einträge sind die Flugaschebestandteile hauptsächlich in den Of- und Oh-Horizonten der untersuchten Waldstandorte akkumuliert. Die ferromagnetische Suszeptibilität war in den Of-Lagen der Standorte 1 und 2 signifikant höher (P ≤ 0,05) als in jenen der Standorte 3, 4 und 5. Die Oh-Horizonte aller untersuchten Flächen wiesen hohe Gesamtaschegehalte von > 74 % auf. Mittels REM-Analyse konnten 3 typische Erscheinungsformen von persistenten Flugaschebestandteilen aus Braunkohlenkraftwerken innerhalb der organischen Auflagen bestimmt werden, welche als „stabile Gläser“ mit magnetischen Eigenschaften, Aluminium-Silikat-Mineralpartikel und Schlackefragmente definiert wurden. REM- und EDX-Analysen zeigten, dass ein großer Teil der Mineralpartikel, welche in den Humusauflagen von flugaschebeeinflussten Waldstandorten gefunden wurden, atmosphärischen Quellen entstammen. Zum Nachweis von atmosphärischen Einträgen aus Braunkohlekraftwerken sollten Of und Oh als diagnostische Horizonte berücksichtigt werden, da sie Indikatoreigenschaften für derartig beeinflusste Standorte aufweisen.