Die Torfe in naturnahen Mooren haben einen Porenraum vom 97 bis 80 Vol. %, welcher natürlicherweise nahezu vollständig mit Wasser gefüllt ist [4]. Dadurch herrschen hier anaerobe, d.h. sauerstofffreie Bedingungen. Die organische Substanz wird nicht vollständig abgebaut und akkumuliert als Torf. Bei Wassersättigung quillt und schwimmt die organische Substanz auf, wodurch Torfe im Vergleich zu Mineralböden in ihrer Struktur labil und schwammig wirken. Bei einer Dränage, der Ableitung von Wasser aus dem Torfkörper, durch Gräben, Dränrohre, o.ä. entsteht ein wasserungesättigter und luftgefüllter Bereich an der Oberfläche des Torfkörpers. Unter diesen aeroben Voraussetzungen treten bestimmte bodenbildende und erosive Prozesse ein [4, 12]:
Bodenbildende und erosive Prozesse im entwässerten Moorboden:
- Sackung / Schwellung;
- Schrumpfung / Quellung;
- Zersetzung;
- Bodenlockerung u. –durchmischung durch Bearbeitung und Tiere;
- Torfverlust durch Brand;
- Torfverlust durch Wind- und Wasserosion;
Diese Prozesse führen zu einem Verlust an Torfsubstanz und zu einer Abnahme der Torfmächtigkeit, was Moorschwund genannt wird [3]. In einigen Mooren kann der Moorschwund an Pfählen, die im mineralischen Untergrund verankert sind, den sogenannten Moorpegeln, sichtbar gemacht werden und so die bereits verloren gegangene Torfmächtigkeit aufzeigen.
Für Niedersachsen sind die Moorpegel bei Augustendorf und im Moor- und Fehnmuseum von Elisabethfehn zu erwähnen. Der berühmteste Moorpegel Deutschlands ist der Donaumoospegel in der bayrischen Gemeinde Königsmoos. Dieser zeigt einen Moorschwund von ca. 3 m, seit dem Beginn der Kultivierung des Niedermoores im Jahre 1836, an. In den meisten Mooren sind zu Beginn der Kultivierung allerdings keine Pegel aufgestellt worden. Näherungsweise können dort freiliegende Wurzelarme größerer Bäume die Höhe der Mooroberfläche zur Zeit ihrer Keimung und so den Moorschwund innerhalb ihrer Lebensspanne aufzeigen [14].
Torfverluste sind auch durch den Abbau und die Nutzung des Torfes als Rohstoff entstanden. Aber auch die einsetzenden bodenbildenden und erosiven Prozesse im entwässerten und belüfteten Bereich des Torfkörpers können erheblich und vor allem kontinuierlich dazu beitragen. Es ist allerdings schwierig den genauen Anteil der einzelnen Prozesse am Moorschwund festzustellen. Die Prozesse können aber teilweise einzelnen Phasen nach der Entwässerung des Moorbodens zugeordnet werden. Während z.B. der Prozess der Sackung vor allem in den ersten Jahren nach der Entwässerung stattfindet, ist die Torfzersetzung ein eher stetig ablaufender Prozess [13].
WIKIMooS-Video: Moorböden - Entstehung und Entwicklung
Die WIKIMooS-Moorvideos sind im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen den Projekten WIKIMooS (Humboldt-Universität zu Berlin) und MoorIS (LBEG) entstanden. Dieses Informationsvideo über Moorböden ist das zweite in der WIKIMooS-Videoserie. Hier kann man sehen, wie sich Moorböden auf natürliche Weise entwickeln und wie sie sich infolge der Entwässerung und der landwirtschaftlichen Nutzung verändern. Es wird auch erklärt, warum es wichtig ist, die Effekte dieser Veränderungsprozesse durch bodenkundliche Aufnahmen zu dokumentieren und kurz dargestellt, wie das funktioniert.
Die Sackung (auch Setzung oder Kompression) ist ein physikalischer Vorgang, der zu einer Verdichtung der Torfe führt. Eine Entwässerung vermindert den Auftrieb der organischen Substanz im Torf im Vergleich zum wassergsättigten Zustand. Dadurch wird der Auflastdruck der über dem Moorwasserspiegel liegenden und entwässerten Torfschicht auf die wassergesättigte darunter erhöht. Die Bodenpartikel werden dadurch verdichtet und das Wasser teilweise aus der Bodensubstanz verdrängt. In mächtigen Mooren sacken also nicht nur die entwässerten Bereiche zusammen, in denen das fehlende Wasser zu einem sofortigem Volumenverlust führt, sondern auch die tieferliegenden und noch wassergesättigten Bereiche. Daher wirkt die Sackung in mächtgen Mooren besonders stark [13]. Der Prozess der Sackung wird beeinflusst von:
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der Torfmächtigkeit,
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der Torfart,
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dem Zersetzungsgrad der Torfe,
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dem Gehalt an mineralischen Beimengungen,
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dem Porenraum und Wassergehalt,
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dem Grad der Vorentwässerung,
Die Sackung ist die erste und sofort sichtbare Veränderung eines dränierten Moorbodens und kann zu einem Verlust von bis zu 30 % der gesamten Torfmächtigkeit führen [1]. Der Sackungsprozess ist jedoch einige Jahre nach der Entwässerung abgeschlossen, wenn der veränderte Moorwasserstand ein neues Gleichgewicht eingestellt hat. Ein erneuter Sackungsprozess tritt erst wieder auf, wenn die Dränage vertieft wird. Bei einer Wiedervernässung der Torfe sind die durch die Sackung ausgelösten Torfschrumpfungen abhängig von der Höhe des Anteils an elastischen Komponenten (gröbere organische Partikel und eingeschlossener Luft) nur teilweise reversibel [13].
Der Begriff Sackung wird in der Literatur unterschiedlich definiert. Manche Wissenschaftler:innen definieren Sackung als den allgemeinen Niveauverlust im Moor, was alle physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse beinhaltet [4]. Diesen Begriff definieren wir als Moorschwund. Die meisten Autor:innen hingegen definieren die Sackung als den rein physikalischen Vorgang, wie er oben beschrieben wird [1, 11, 13].
Schwellung ist der gegenläufige Prozess zur Sackung. Bei Anstieg des Grundwasserstandes erhöht sich der Auftrieb, ein geringerer Teil der Torfschichten ragt aus dem Wasser hervor und die im Grundwasser liegenden Schichten werden etwas entlastet. Dadurch hebt sich die Mooroberfläche an. Dieses passiert im Laufe eines Jahres, indem die Mooroberfläche zum Ausgang des Winters höher liegt als am Ende des Sommers. Auch bei Vernässungsprojekten mit Anhebung des Wasserstandes hebt sich die Moorfläche an, bzw. sackt weniger ab, als ohne Vernässung, wenn ein Teil der mineralisationsbedingten Torfmächtigkeitsverluste durch die Schwellung wieder ausgeglichen wird [13].
Ein zweiter physikalischer Prozess in dränierten und entwässerten Torfen ist die Schrumpfung. Die Schrumpfung beschreibt die Volumenminderung des Torfes, wenn sich einzelne Bodenteilchen bei Wasserentzug einander annähern [13]. Die einzelnen Partikel und pflanzlichen Struktren der organischen Substanz verbinden sich zu Aggregaten und bilden dadurch Aggregierungsbereiche. Dadurch nehmen die allgemeine Aggregatdichte und die Lagerungsdichte im Torf zu. Die Tendenz zur Schumpfung wird stark von der jeweiligen Torfart beeinflusst. Torfe mit einem hohem Holzanteil und Seggentorfe zeigen die höchsten Schrumpfraten, während Torfmoostorf weniger empfindlich ist. Der stark zersetzte Schwarztorf im Hochmoor neigt ebenfalls zur Schrumpfung, wohingegen der wenig zersetzte und stark strukturierte Weißtorf eine geringere Tendenz zur Schrumpfung aufweist [13].
Die Schrumpfung läuft im Gegensatz zur Sackung nur in den entwässerten Bereichen des Torfes ab. Ebenfalls gibt es Unterschiede in der Wirkungsrichtung beider physikalischer Prozesse. Durch die Auflastdrücke wirkt die Sackung vor allem vertikal, also von oben nach unten. Die Schrumpfung hingegen wirkt in alle Richtungen, d.h. horizontal und vertikal. Da Torfe im Allgemeinen ein sehr großes Porenvolumen aufweisen, führt deren Enwässerung zu einem großen Volumenverlust und kann zur Bildung von Schrumpfungsrissen führen. Bei sehr starker Austrocknung können so bis zu 70 cm breite und 1,3 m tiefe Schrumpfungsrisse entstehen [2].
Die Quellung beschreibt die Volumenvergrößerung des Torfes bei der Wiedervernässung. Je nach Torfart, Intensität der Entwässerung und dem vergangenen Zeitraum können die Torfe durch die Quellung wieder bis zu 60 % ihres urpsrünglichen Volumens einnehmen [13]. Eine komplette Rückquellung ist nicht möglich. Ein Teil des verlorenen Torfvolumens geht irreversibel verloren [2].
Die Zersetzung findet im entwässerten und belüfteten Bereich des Moorbodens statt. Die Zersetzung beschreibt einen biologischen Prozess, bei dem Mikroorganismen die organische Substanz abbauen. Dabei werden zwei Gruppen von Prozessen unterschieden: Humifizierung und Mineralisierung [6]. Die Humifizierung beschreibt den Umbau von Torf in Huminstoffe, welche eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung der organischen Substanz einnehmen. Die Mineralisierung beschreibt hingegen den Abbau der organischen Substanz in anorganische Verbindungen wie Kohlendioxid, Methan, Wasser oder mineralische Salze [10]. Beide Prozesse führen dazu, dass die Torfe, die je nach Humifizierungsgrad noch erkennbare Pflanzenreste aufweisen, nach und nach zu einer gleichförmigeren Grundmasse, ohne pflanzliche Strukturen, umgewandelt werden. Der Torfverlust bei der Zersetzung entsteht, wenn bei der Mineralisierung der im Torf festgelegte Kohlenstoff freigesetzt wird. Dieser wird unter aeroben Bedingungen in der Regel vollständig zu Kohlendioxid abgebaut, welches als klimarelevantes Gas in die Atmosphäre entweicht. Andere Elemente wie Stickstoff, Phosphor und Kalium verbleiben im Boden bzw. werden in gelöster Form ausgewaschen. Stickstoff kann durch Bakterien über den Prozess der Nitrifikation zu Nitrat umgewandelt werden, das ausgewaschen wird oder nach weiteren Abbauschritten als Luftstickstoff oder klimarelevantes Lachgas entweicht [13]. Der Substanzverlust in den Torfen entsteht also durch die „Veratmung“ der organischen Substanz, woran eine Vielzahl von Mikroorganismen beteiligt sind. Dagegen wird die Mineralisation unter anaeroben Bedingungen, also in wassergesättigten Böden, stark verlangsamt, da anaerobe Mikroorganismen eine deutlich geringere Aktivität entfalten [3].
Durch die aerobe Humifizierung des Torfes und dem Bestandsabfall aus der aktuellen Pflanzendecke (z.B. Grünland) entstehen „vererdete“ Torfhorizonte. Diese Bereiche liegen an der Oberfläche und reichen bis in eine Tiefe von etwa 10 – 20 cm. Der Vererdungshorizont besteht zu Teilen aus den abgestorbenen und humifizierten Bestandsabfall der aktuellen Pflanzendecke und den Abbauprodukten des Torfes [13].
An der Humusbildung (aus Torf + Bestandesabfall) unter aeroben Bedingungen sind zunehmend Landtiere wie Arthropoden und Regenwürmer beteiligt, die mit ihren stabilen Ausscheidungen die Gefügebildung im Oberboden begünstigen. Die Anwesenheit dieser Bodentiere ist eine wesentliche Vorraussetzung für den Prozess der Vererdung. Durch die Aktivitäten der Regenwürmer wird der Boden aufgelockert und durchmischt, wodurch wiederum die Belüftung begünstigt wird. Im Oberboden entsteht so ein krümeliges Gefüge [13]. Die Mächtigkeit eines Vererdungshorizontes (Hv-, bzw. eines Ah-Horizontes) wird durch die Aktivität der Bodenwühler bestimmt und ist deshalb auf die oberen 10 – 20 cm beschränkt. Bei Kulturböden wird die Untergrenze des Vererdungshorizontes in der Regel durch die Bodenbearbeitungstiefe, also die aktuelle oder historische Pflug- oder Grubbertiefe, bestimmt [13].
Bei sehr trockenen Bedingungen kann sich das Krümelgefüg des veredeten Torfes an der Oberfläche, in Folge der Bodenbearbeitung, Torfzerstetzung und der Aktivität der Bodenfauna in ein grusiges, feinkörniges Gefüge umwandeln. Dieser Prozess wird Vermulmung genannt und tritt besonders auf stark degradierten Moorböden auf. Die bei der Vermulmung entstehenden Aggregate weisen einen hohen Benetzungswiderstand auf. Dadurch wird der Oberboden zunehmend wasserabweisend. Das Wasser aus den Niederschlägen kann somit nur schwer in die Bodenstruktur des oberen Bodens aufgenommen, infiltiert, werden. Die Austrockung wird damit weiter begünstigt. So verstärkt sich der Prozess weiter selbst [13].
Brände sind eine natürliche und wichtige Dynamik in naturnahen Mooren der kontinentalen Klimazone [17]. Auch in niedersächsischen Mooren sind Spuren zu finden, die auf natürliche Brände hinweisen. In einem Moor mit hohen Wasserständen brennen nur die obersten angetrockneten Zentimeter ab. Dabei entsteht kein großer Torfverlust. Solche Brände werden als klimaneutral angesehen, d.h. über einen längeren Zeitraum gesehen (30 Jahre) entstehen keine Netto-Treibhausgasemissionen, da nur das in diesem Zeitraum aufgewachsene organische Material verbrennt.
Ganz anders sind Brände in entwässerten Mooren zu bewerten. In Verbindung mit dem Klimawandel kommt es im Sommer häufiger zu sehr hohen Lufttemperaturen und Dürren, wodurch leicht Brände im trockenen Oberboden ausgelöst und sich ausbreiten können [5]. Ein Brand kann mehrere Meter tief in die Torfkörper vordringen und als Schmor- oder Schwelbrand mehrere Monate andauern. Solche Brände sind nicht klimaneutral, da Kohlenstoff freigesetzt wird, der über mehrere Jahrhunderte oder gar Jahrtausende im Torf gespeichert wurde [15]. Im Sommer 2018 brannten z.B. in der Tinner Dose (168) 1.221 ha Moorboden in einem relativ gut erhaltenen, aber dennoch historisch teilentwässerten Hochmoorgebiet in Westniedersachsen. Im Nationalen Treibhausgasinventarbericht wird berichtet, dass bei diesem Moorbrand 0,54 Mio t CO2 - Äq. freigesetzt wurden [16].
Torfverluste durch Wassererosion (fluviale Erosion) finden durch Starkniederschlagsereignisse, hauptsächlich an vegetationslosen, stark geneigten Flächen (≥5%) und bei stark zersetzen, v.a. vermulmten Torfen statt. In solchen Torfen ist die Wasserinfiltration des Oberbodens gehemmt, weswegen sich das Niederschlagswasser an der Oberfläche sammeln kann. Fließt es anschließend oberflächig ab, können Torfpartikel aufgenommen und mit dem Wasser abtransportiert werden. Somit findet im ersten Schritt eine Verlagerung der Torfpartikel, von höheren Bereichen in tieferliegende statt. Erreichen die erosiven Abflüsse Gräben oder Flüsse, dann können diese teilweise zu sedimentieren oder das Material wird weiter transportiert und kann so die Wasserqualität beeinflussen. Vor allem Torfabbauflächen sind davon wegen des fehlenden Bewuchses und der Trockenheit des Oberbodens betroffen. Diese Flächen können mit Schlammfängen vor Übertritt des Abflusses in Vorflutern und Gräben geschützt werden [4].
Winderosion (äolische Erosion) tritt insbesondere bei ackerbaulich genutzten Mooren im Frühjahr auf, wenn die Flächen trocken sind und brachliegen, also Vegetationslos sind. Weil die Dichte des Torfes niedrig ist, reichen relativ geringe Windgeschwindigkeiten aus, um den Prozess der Winderosion zu initiieren. Dabei nimmt der Wind Torfpartikel auf und verlagert diese. Es kann dabei zu regelrechten Staubstürmen kommen, die von brachliegenden Äckern ausgehen. Durch Windschutzhecken und Streifen von Wintergetreide kann die Windgeschwindigkeit und damit der Austrag von Material durch Winderosion verringert werden, gleichzeitig können in Windrichtung transportierte Partikel dort ausgekämmt und ein weiterer Transport unterbunden werden [4]. Wallhecken, auch Knick oder Över genannt, sind sehr verbreitet im Norddeutschen Tiefland. Die heute unter Natur- und Denkmalschutz stehenden Wallhecken sind historische Landschaftselemente, um unter anderem die Winderosion im flachen Bereich der niedersächsischen Geest zu reduzieren [9]. Besser ist es allerdings, die Winderosion am Ort der Entstehung zu verhindern und auf Moorflächen auf eine Ackernutzung zu verzichten. Bei Grünland liegt eine dauerhafte Vegetationsdecke vor, die die Oberfläche feucht hält, die Degradierung der Torfe verlangsamt, die lokale Windgeschwindigkeit an der Bodenoberfläche verringert und die Bodenpartikel mit den Wurzeln „festhält“ [7].
All diese Prozesse tragen in gewisser Weise zur Bodenentwicklung auf Mooren bei, wobei die Torfe das Ausgangssubstrat der Bodenbildung darstellen. Unter Wasserabschluss kann keine der beschriebenen bodenbildenden oder erosiven Prozesse effektiv wirken. Sie sind als ein Teil der Moordegradation durch Entwässerungsmaßnahmen zu verstehen und verursachen neben dem Torfabbau den Moorschwund [4, 12].
Der Moorschwund ist ein entscheidender Bestandteil des „Teufelskreis der Moornutzung“ [7]. Initiiert werden die bodenbildenden sowie die erosiven Prozesse durch Entwässerungsmaßnahmen. Die bodenbildenden physikalischen und biologischen Prozesse führen zu einer Schrumpfung der organischen Partikel in den Torfen und gleichzeitig zur Torfzehrung [8]. Durch die Entwässerungsmaßnahmen können die Moorböden mit herkömmlichen Feldfrüchten bestellt oder als Grünland genutzt und auch mit schwereren Maschinen befahren sowie bearbeitet werden. Der Wasserstand wird dafür künstlich auf einem bestimmten Niveau im Boden gehalten. Allerdings sinkt die Mooroberfläche durch den Moorschwund ab, wodurch der Moorwasserstand relativ zur Geländeoberfläche ansteigt. Irgendwann liegt der Moorwasserstand wieder an der Oberfläche und die Produktionsbedingungen auf den Flächen verschlechtern sich spürbar. In diesem Fall muss die Dränage erneuert und die Entwässerungstiefe vergrößert werden. Danach setzt wieder der initiale Sackungsprozess ein und der Kreislauf beginnt von Neuem. Zudem kommt es zu einer Verschlechterung der Torfeigenschaften im unteren Oberboden (ca. 10-20 cm tief). Nicht selten wird von Landwirten von Staunässe berichtet, die sich nach Niederschlägen in freien Wasserflächen an der Bodenoberfläche über einem ungesättigten Unterboden äußert. Der „Teufelskreis der Moornutzung“ beschreibt diese Prozessverkettung zwischen Moorschwund und Tieferlegung der Entwässerungstiefe, bis der Torfkörper irgendwann gänzlich aufgebraucht ist [7, 14].
[1] Blankenburg, J., Hennings, H. H. & Schmidt, W. (2001): Bodenphysikalische Eigenschaften und Wiedervernässung. In: R. Kratz & J. Pfadenhauer (Hrsg.), Ökosystemmanagement für Niedermoore: Strategien und Verfahren zur Renaturierung. Stuttgart (Eugen Ulmer).
[2] Brandyk, T., Szatylowicz, J., Oleszczuk, R. & Gnatowski, T. (2002): Organic Soils and Peat Materials for Sustainable Agriculture. In: L.-E. Parent & P. Ilnicki (Hrsg.), Organic Soils and Peat Materials for Sustainable Agriculture. Boca Raton (CRC Press).
[3] Eggelsmann, R. (1978): Oxidativer Torfverzehr in Niedermoor in Abhängigkeit vom Klima und mögliche Schutzmaßnahmen. TELMA, 8, 75-81.
[4] Eggelsmann, R. (1990): Wasserregelung im Moor. In: K. Göttlich (Hrsg.), Moor- und Torfkunde (pp. 321-348). Stuttgart (E. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung).
[5] Essl, F., Lexer, M. J. & Seidl, R. (2013): Moore und Feuchtgebiete – die Gefahr der Austrocknung. In: F. Essl & W. Rabitsch (Hrsg.), Biodiversität und Klimawandel: Auswirkungen und Handlungsoptionen für den Naturschutz in Mitteleuropa (pp. 172-178). Berlin Heidelberg (Springer Spektrum).
[6] Koppisch, D. (2001): Prozesse auf Moorstandorten (topische Betrachtung). In: M. Succow & H. Joosten (Hrsg.), Landschaftsökologische Moorkunde (pp. 8-57). Stuttgart (E. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung).
[7] Kuntze, H. (1983): Probleme bei der modernen landwirtschaftlichen Moornutzung. TELMA, 13, 137-152.
[8] Meier-Uhlherr , R., Schulz, C. & Luthardt , V. (2015): Steckbriefe Moorsubstrate. 2. unveränd. Aufl. Berlin (HNE Eberswalde).
[9] Müller, G. (o. A.): Wallhecken. Aufruf: 02.12.2022, Internet: https://wallhecke.de/
[10] Scheffer, F., Schachtschabel, P., Amelung, W., Blume, H.-P., Fleige, H., Horn, R., Kandeler, E., Kögel-Knabner, I., Kretzschmar, R., Stahr, K. & Wilke, B.-M. (2018): Lehrbuch der Bodenkunde. 17. überarbeitete und ergänzte Aufl. Berlin (Springer-Verlag GmbH Deutschland).
[11] Schmidt, W. (1994): Über den Einfluß der Entwässerung und der Nutzung auf die Gefügeentwicklung in Niedermoorböden. NNA-Bericht (Vol. 7/2, pp. 59-66).
[12] Schmidt, W., Waydbrink, W. v. d., Mundel, G. & Scholz, A. (1981): Kennzeichnung und Beurteilung der Bodenentwicklung auf Niedermoor unter besonderer Berücksichtigung der Degradierung. Forschungsabschlußbericht IPF Paulineraue der AdL der DDR (pp. 124).
[13] Stegmann, H. & Zeitz, J. (2001): Bodenbildende Prozesse entwässerter Moore. In: M. Succow & H. Joosten (Hrsg.), Moorkunde (pp. 47-57). Stuttgart (E. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung).
[14] Succow, M. J., Lebrecht. (2022): Deutschlands Moore. Ihr Schicksal in unserer Kulturlandschaft. Rangsdorf (Natur+Text GmbH).
[15] Turetsky, M. R., Benscoter, B. W., Page, S., Rein, G., van der Werf, G. R., & Watts, A. (2014): Controls on global peat fires and consequences for the carbon cycle (National Geosciences).
[16] Umweltbundesamt - UNFCCC-Submission (2019): Berichterstattung unter der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen und dem Kyoto-Protokoll 2020. Nationaler Inventarbericht zum Deutschen treibhausgasinventar 1990 - 2018 (Vol. 22/2020). Dessau-Roßlau (Umweltbundesamt).
[17] Zoltai, S. C., Morrissey, L. A., Livingston, G. P. & Groot, W. J. (1998): Effects of fires on carbon cycling in North American boreal peatlands. Environmental Reviews, 6(1), 13-24.