Hydrologie ist der wichtigste einzelne Faktor in der Entstehung und Erhaltung eines Moores [7]. Die entscheidendste Rahmenbedingung ist der Wasserstand innerhalb des Moorkörpers. Nur unter entsprechend hohen Wasserständen und dem damit einhergehenden Sauerstoffmangel wird organisches Material der abgestorbenen Vegetation nicht vollständig zersetzt. Das organische Material wird von der Vegetation überdeckt und konserviert. Dieser Prozess führt zur Bildung von Torf und zum Wachsen eines Moores. Edom formuliert den ersten Moorhydrologischen Hauptsatz [2]:
„Wasser muss im langfristigen Mittel nahe an, in oder über der Oberfläche stehen, damit Torf akkumuliert wird, das Moor also wächst."
Ein Hochmoor steht, im Gegensatz zu einem Niedermoor, nicht mit dem Grundwasser in Verbindung. Es kann in Gebieten mit einer wasserundurchlässigen Schicht im Untergrund bei feuchtem Klima entstehen und dabei von der Mitte in die Höhe wachsen, so dass eine mehrere Meter hohe Aufwölbung entsteht. Der Moorwasserstand eines Hochmoores befindet sich dann etwa in Höhe der obersten Schicht. Der eigentliche Grundwasserstand liegt dabei unterhalb der wasserundurchlässigen Schicht.
Hochmoore können aus Niedermooren herauswachsen, weil mit zunehmender Wuchshöhe der Einfluss von nährstoffreichem Grundwasser (oder Oberflächenwasser) abnimmt und nährstoffarmes Regenwasser zur Etablierung hochmoortypischer Vegetation führt (Entstehung der Moore Niedersachsens). Bildet sich ein Hochmoor über einer wasserundurchlässigen Schicht wird es als wurzelechtes Hochmoor bezeichnet. In diesem Fall ist das Hochmoor nicht von einem Niedermoor unterlagert. Typisch für Hochmoore ist ein uhrglasförmiger Aufwuchs, welcher sich in stärker humifiziertem Schwarztorf und weniger humifiziertem Weißtorf unterteilt [8].
Hydrologie auf drei Ebenen
Die Hydrologie eines Moores kann auf drei Ebenen betrachtet werden: auf der Landschaftsebene (1), auf der lokale Ebene (innerhalb eines Moorgebietes) (2) und kleinflächig, an der Oberfläche des Moores (3).
Landschaftsebene
Auf der Landschaftsebene können Moorstandorte durch unterschiedliche Wasserhaushalte gekennzeichnet sein, die sich aus Unterschieden in Klima, Geologie, Bodenverhältnissen, Relief und Vegetationsbedeckung der Moorumgebung oder des Mooruntergrundes ergeben. Diese Faktoren beeinflussen das Wasserangebot und die Wasserströmung im Moor [5].
Die Moore in Mitteleuropa lassen sich in acht hydrogenetische Moortypen unterteilen [9]. Basierend auf der Herkunft des Wassers lassen sich Nieder- und Hochmoore unterscheiden. Die Niedermoore sind vom Grundwasser wesentlich beeinflusst, was als geogen bezeichnet wird. Hochmoore, auch Regenmoore genannt, sind ombrogen und werden nur vom Niederschlag gespeist. Hochmoore sind meistens sekundäre Moore, die auf einem Niedermoor wachsen. Wurzelechte Hochmoore entstehen direkt auf mineralischem Boden ohne vorherige Niedermoorbildung. Die Niedermoore werden in sieben weitere Gruppen untergliedert.
Die acht hydrogenetische Moortypen nach Succow und Joosten [9].
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Hydrogentischer Moortyp |
Beispiel aus Niedersachsen |
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Horizontale Oberfläche |
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Verlandungsmoore
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Vesumpfungsmoore
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Überflutungsmoor
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Kesselmoor
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Das Varrel Schlat
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Geneigte Oberfläche |
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Durchströmungsmoor
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Hangmoor
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Quellmoor
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Friedrichshäuser Bruch (Südteil) |
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Regenmoor
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In relativ ebenem Gelände können sich Niedermoore in den Uferbereichen stehender Gewässer (Verlandungsmoor) aber auch in Senken unter Einfluss oberflächennahen Grundwassers (Versumpfungsmoor) entwickeln. In strömungsschwachen Uferbereichen von Flüssen oder in Küstenbereichen können sich Überflutungsmoore bilden. Kesselmoore entstehen aus Geländehohlformen ohne natürlichen Abfluss, z.B. Toteislöcher. Diese Moore sind meist sehr klein (0,5-5 ha) und können eine große Torfmächtigkeit erreichen [9].
In stärker reliefiertem Gelände können sich, bei untergründig und flächenhaft innerhalb des Torfkörpers hangabwärts fließendem Wasser, Durchströmungsmoore entwickeln. Hangmoore entwickeln sich an flachen Hängen mit undurchlässigem Untergrund, wenn der Boden durch konstanten Wasserzufluss permanent wassergesättigt bleibt. Quellmoore entstehen, wenn aus dem mineralischen Untergrund Quellwasser austritt. Sie können am Hang (Hangquellmoor) oder in Tälern vorkommen. Diese Moore werden häufig am unteren Rand zu Durchströmungsmooren, wenn das überschüssige Wasser innerhalb des Torfkörpers abwärts fließt [9].
Ein Moorkomplex kann mehrere hydrogenetische Moortypen beinhalten. Die hydrologische Situation kann in Mooren kleinräumig unterschiedlich sein und so mehrere durch den lokalen Wasserhaushalt bedingte Moortypen und Übergangsformen zwischen verschiedenen Moortypen entstehen lassen. Auch können Moorstandorte bei ihrer Entwicklung unterschiedliche Stadien der hydrogenetischen Moorentwicklung durchlaufen. Nicht zuletzt wird diese auch durch anthropogene Einflüsse, z.B. Entwässerung und Verdichtung mit entsprechenden Folgen für die gesättigte Wasserleitfähigkeit der Torfe, verändert [9].
Bei den Hochmooren werden vegetationskundlich Moore des Tieflandes und des Berglandes unterschieden. Diese weisen auch unterschiedliche klimatische Bedingungen und damit Unterschiede im Wasserhaushalt auf. Während im Bergland höhere Niederschläge, niedrigere Temperaturen, längere Winter aber auch starke Reliefunterschiede die Moorentstehung beeinflussen, sind die Moore im Tiefland eher durch geringere, aber im Jahresverlauf eher stetig auftretende Niederschläge, mildere Temperaturen und eine weniger bewegte Topographie geprägt. Im Küstenbereich können zudem durch Meerestrans- und -regressionen Wechsellagerungen von marinen Sedimenten und Torfen auftreten, lokal kann sich der Einfluss von Salzwasser bemerkbar machen [11].
In Niedersachsen spielen neben den Hochmooren vor allem Versumpfungsmoore eine flächenhafte Rolle.
Lokale Ebene: Die wichtigsten Torfeigenschaften
Wie Wasser innerhalb eines Moores aufgenommen, gespeichert, versickert und transportiert wird, hängt von den lokalen Torfeigenschaften ab. Die Kapazität eines Moores als Wasserspeicher hängt von der Moormächtigkeit, Torfstratigraphie und Porosität ab. Eine hohe Porosität, die Werte von mehr als 90 % erreichen kann, ist eine wichtige charakteristische Eigenschaft von Torfen gegenüber mineralischer Bodensubstanz, die eine Porosität von ca. 50 % aufweist. Stark zersetzte Torfe haben eine wesentlich geringere Wasserspeicherkapazität , weil das Gesamtporenvolumen und vor allem der Anteil an groben Poren kleiner ist [4]. Damit nimmt bei Torfdegradierung und –verdichtung der Anteil an pflanzenverfügbarem Wasser ab und der Anteil an Totwasser nimmt proportional zu. Das Porenvolumen variiert je nach Torfart, Mineralgehalt und Zersetzungsgrad [12].
Eine weitere wesentliche Größe zur Kennzeichnung hydrologischer Eigenschaften ist die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit, üblicherweise als kf-Wert bezeichnet. Diese Eigenschaft beschreibt, wie schnell Wasser in einem gesättigten Torfköper fließen kann. Die gesättigte Wasserdurchlässigkeit kann je nach Torfart und in Abhängigkeit des Zersetzungsgrades (üblicherweise beschrieben nach v. Post) variieren. Bei vergleichbaren Zersetzungsgraden sind die Schilftorfe am durchlässigsten, gefolgt von Seggen-, Laubmoos- und Torfmoostorfen, die auf Grund ihrer botanischen Zusammensetzung auch bei geringer Zersetzung nur geringe kf-Werte aufweisen. Auch holzhaltige Torfe können eine hohe Leitfähigkeit aufweisen, wenn die Matrix nicht zu stark zersetzt ist. Mit zunehmendem Zersetzungsgrad nimmt die Durchlässigkeit logarithmisch ab [1].
Die Torfeigenschaften eines Niedermoors führen dazu, dass ein konstanter Zufluss von Grundwasser gebraucht wird, um größere Schwankungen im Wasserstand zu verhindern. Das liegt daran, dass Niedermoore von Schilf- und Seggentorfen, bzw. Braunmoos- und Seggentorf dominiert sind. Diese Torfe können weniger Wasser aufnehmen, weil die entwässerbare Porosität (0,57 - 0,12 cm cm-1), im Vergleich zu torfmoosdominierten Hochmoortorfen (0,85 – 0,23 cm cm-1), relativ niedrig ist [10]. Zusätzlich fließt das Wasser schneller ab, weil die hydraulische Leitfähigkeit dieser Torfe hoch ist. Schwankungen im Wasserstand führen zu aeroben Bedingungen und einer höheren Zersetzung. Höhere Zersetzungsgrade senken die bereits niedrige Porosität weiter ab und verringern die hydraulische Leitfähigkeit. Vorteilhaft für die Niedermoorentwicklung haben sich auch regelmäßige Überflutungen ausgewirkt, wie sie z.B. in der Dümmerniederung vor der Eindeichung des Dümmers regelmäßig auftraten. Diese führen zu einer gleichmäßigen und vollständigen Vernässung sowie zu einem Sediment- und Nährstoffeintrag, der über Sedimentschichten und stärkeres Pflanzenwachstum die Torfbildung unterstützten konnte.
Im Gegensatz zu Niedermooren können Hochmoore auch mit unregelmäßigem Wasserzufluss, z.B. nur Regenereignisse, einen relativ konstanten Wasserstand gewährleisten, weil sie von Torfmoostorf dominiert sind. Diese Torfe haben bei geringen Zersetzungsgraden eine sehr hohe Porosität (0,90 - 0,75 cm cm-1) [10]. Das bedeutet, dass Hochmoore viel Wasser aufnehmen und speichern können. Dagegen liegt die Porosität von stark zersetzten Torfen zwischen 0,21 und 0,08 cm cm-1 [10]. Sie weisen auch eine niedrige hydraulische Leitfähigkeit auf. Vor allem bei den Hochmooren im nordwestdeutschen Tiefland spielt auch die Torfstratigraphie eine entscheidende Rolle. Im Liegenden haben sich klimatisch bedingt häufig stark zersetzte Schwarztorfe gebildet, die aufgrund einer sehr geringen hydraulischen Leitfähigkeit einen Stauhorizont ausgebildet haben. Niederschlagswasser wird dann oberflächlich abgeleitet, sammelt sich aber auch in lokalen Senken und kann hier zu einem Aufschwimmen der Torfmoose führen. In Trockenphasen wird der so angelegt Wasserspeicher wieder verbraucht. Die Torfmoose fallen nur in relativ kurzen Perioden trocken, bleichen ohne abzusterben aus und können bei Niederschlägen das Wachstum wieder aufnehmen [1].
Manche Torfeigenschaften können sich je nach Nutzungsintensität oder klimatischer Bedingungen mit der Zeit ändern. Organische Substanz, aus der Torf vollständig besteht, ist im Gegensatz zu mineralischer Substanz stark veränderlich. Daraus resultiert nach Edom der zweite Moorhydrologische Hauptsatz [2]:
„Durch Oxidationsprozesse (Belüftung, Ioneneintrag) und Druck (Auflastveränderung) verändern sich die hydraulischen Eigenschaften des Torfes, insbesondere verändern (meist verringern) sich die Porengrößen und damit Porositäten, Speicherkoeffizient und hydraulische Leitfähigkeit.“
Oxidationsprozesse finden auch in naturnahen Mooren statt, werden aber durch Nutzung und vor allem Entwässerung verstärkt und beschleunigt. Mehr Information über die Änderungen, die in entwässerten Torfen stattfinden, finden Sie hier.
Hydrologie auf der Oberfläche eines Moores: Moorköperaufbau
Die meisten intakten und wachsende Moore besitzen in ihrem vertikalen Aufbau zwei Bereiche: oben einen torfbildenden Bereich mit typischer Moorvegetation (Aktrotelm) und darunter einen torferhaltenden Bereich (Katotelm). In der Regel ist das Akrotelm weitgehend aber nicht vollständig wassergesättigt und der Porenraum dient als Wasserleiter. Zusätzlich ist es einer intensiven aeroben und einer weniger intensiven anaeroben mikrobiellen Aktivität ausgesetzt. Das Katotelm ist der ständig mit Wasser gesättigte Bereich. Typisch ist die geringe Wasserleitfähigkeit, die der starken Zersetzung geschuldet ist, und eine geringere Porosität als im Akrotelm. Im Katotelm wirken ständig anaerobe Bedingungen und deswegen verlaufen Stoff- und Energieaustausch hier nur langsam [2].
Moore mit diesem Moorkörperbau sind selten überflutet und der Wasserstand sinkt nur bis zum Akrotelm-Katotelm-Übergang. So bleibt der Moorwasserstand stabil und der Katotelm wassergesättigt, anaerob und die Zersetzung sehr gering. Dieser Aufbau spielt eine wichtige Rolle für die Kohlenstoff-Speicherung von Mooren [2].
[1] Baden, W., & Eggelsmann, R. (1963): Zur Durchlässigkeit der Moorböden. Z. f. Kulturtechnik 4(226-254).
[2] Edom, F. (2001): Hydrologische Eigenschaften. In M. Succow & H. Joosten (Hrsg.), Landschaftsökologische Moorkunde, 2. Auflage (pp. 17-18). Stuttgart(E.Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung.
[3] Edom, F. (2001): Moorlandschaften aus hydrologischer Sicht (chorische Betrachtung). In M. Succow & H. Joosten (Hrsg.), Landschaftsökologische Moorkunde, 2. Auflage (pp. 185-225). Stuttgart(E.Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung.
[4] Letts, M. G., Roulet, N. T., Comer, N. T., Skarupa, M. R., & Verseghy, D. L. (2000): Parametrization of peatland hydraulic properties for the Canadian landsurface scheme. Atmosphere-Ocean, 38(1), 141-160.
[5] Luthardt, V., Schulz, C., & Meier-Uhlher, R. (2015): Steckbriefe Moorsubstrate, 2. Auflage E. Hochschule für nachhaltige Entwicklung (Ed.) Retrieved from FID GEO-LEO e-docs database Retrieved from http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?gldocs-11858/8054 doi:10.23689/fidgeo-3724
[6] Luthardt , V., & Zeitz, J. (2018): Moore in Brandenburg und Berlin. Rangsdorf, Deutschland(NATUR & TEXT).
[7] Mitsch, W. J., & Gosselink, J. G. (2015): Wetlands, 5th Edition. Hoboken, New Jersey(John Wiley & Sons).
[8] 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 Auflage. Berlin, Germany(Springer-Verlag GmbH Deutschland).
[9] Succow, M., & Joosten, H. (2001): Landschaftsökologische Moorkunde. Stuttgart(E. Schweizerbart Verlagsbuchhandlung).
[10] Verry, E., Boelter, D., Päivänen, J., Nichols, D., Malterer, T., & Gafni, A. (2011): Physical Properties of Organic Soils. Peatland Biogeochemistry and Watershed Hydrology at the Marcell Experimental Forest. doi: 10.1201/b10708-6
[11] von Drachenfels, O. (2021): Kartierschlüssel für Biotoptypen in Niedersachsen unter besonderer Berücksichtigung der gesetzlich geschützten Biotope sowie der Lebensraumtypen von Anhang I der FFH-Richtlinie, Stand März 2021 Naturschutz Landschaftspfl. Niedersachs. (Vol. A/4, pp. 331). Hannover(Niedersächsischer Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz (NLWKN) – Fachbehörde für Naturschutz –). (Reprinted from.
[12] Zeitz, J. (2001): Physikalisch-hydrologische Kennzeichnung. In M. Succow & H. Joosten (Hrsg.), Landschaftsökologische Moorkunde (pp. 85-92). Stuttgart(E. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung.