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Angewandte Limnogeologie am Beispiel des Zeller Sees (Land Salzburg, Österreich)

Hupfer, Michael; Schneider, Jürgen

Zeitschrift der Deutschen Geologischen Gesellschaft Band 152 Heft 2-4 (2001), p. 701 - 716

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published: Dec 11, 2001

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Kurzfassung

Nach umfassenden Sanierungsmaßnahmen zur Fernhaltung von Abwässern verbesserte sich die Trophielage des Zeller Sees (Pinzgau, Österreich) deutlich. Sedimentchemische Untersuchungen sollten aufklären, ob sich die immer noch schwankenden Trophieverhältnisse und zukünftige Gefährdungen der Wasserqualität aus einer internen Phosphor-Belastung ergeben können. Die Mobilität von Phosphor kann durch die Häufigkeit von Hochwässern und die durch die Schichtungsstabilität (Dauer der Eisbedeckung, sommerliche Erwärmung) bedingten Sauerstoffverhältnisse im Tiefenwasser beeinflußt werden. Feinskalige Untersuchungen in der Übergangszone zwischen Sediment und Wasser mittels Dialysetechnik zeigten, daß die Sedimente anaerob sind und an der Sedimentoberfläche intensive mikrobielle Abbauprozesse stattfinden. Im Porenwasser der Sedimente werden Eisen - und Mangankonzentrationen bis zu 40 bzw. 15 mg/l erreicht. Trotz anaerober Verhältnisse wurde der größte Anteil des Phosphors und ein erheblicher Teil des Eisens als reduktiv-löslich nachgewiesen. Unter den gemessenen pH/Eh-Bedingungen im Sediment sind Eisen (III)oxidhydroxide sowie schwerer reduzierbare, kristalline Eisen (III)-Verbindungen noch stabil. Trotz des geringeren P-Sorptionsvermögens können diese kristallinen Formen zum effizienten Rückhalt von Phosphor beitragen, da das atomare Verhältnis von Eisen zu Phosphor in allen Sedimentproben mit größer 20:1 einen erheblichen Überschuß des Eisens bedeutet. Die niedrigen Sulfatgehalte im Gewässer und die relativ geringe Bioproduktion limitieren die sulfidische Festlegung des Eisens und die daran gekoppelte mögliche P-Freisetzung zusätzlich. Die partielle reduktive Mobilisierung von Eisen als Fe2+ und die Reoxidation mit Ausfällung von Fe (III)oxidhydroxid an der Grenzzone anaerob/aerob stellen unter diesen Bedingungen einen effizienten Rückhaltemechanismus für Phosphor dar. Dieser geschlossene Redoxzyklus würde im Zeller See selbst unter länger anhaltenden sauerstofffreien Bedingungen im Tiefenwasser zu keiner P-Belastung des euphotischen Wasserkörpers führen können. Eine physikalische oder chemische Barrierewirkung der Hochwasserlagen für den Sedimentphosphor konnte nicht nachgewiesen werden. Die Untersuchungen zeigen, daß das Sediment als seeinterne Belastungsquelle mit großer Wahrscheinlichkeit ausscheidet und die episodisch auftretenden Eutrophierungsphänomene eher durch externe Nährstoff-Belastungsschübe oder klimatische Konstellationen zu erklären sind.

Abstract

A distinct re-oligotrophication was observed in Lake Zell (Austria) after a period of comprehensive remediation of the catchment area by sewage diversion. Geochemical investigations of the sediment should provide an answer to the question if fluctuations between oligo- and mesotrophic states, which still are observed and a possible future hazard for water quality could result from an internal excess of phosphorus. For example, the mobility of sedimentary phosphorus could be influenced by the frequency of flooding events, causing high input of particulate matter and by the hypolimnetic redox conditions which in turn depended on the stability of the thermal stratification (duration of ice cover, summerly warming). High resolution measurements at the sediment/water interface by means of a dialyse-pore water sampler have shown, that within the sediments anaerobic conditions prevail and that intense microbial decomposition are occurring at the sediment surface. The concentration of iron and manganese in the pore water reached as much as 40 and 15 mg/l, respectively. Despite anaerobic conditions the larger part of phosphorus and a substantial part of iron were proven to be reductant-soluble compounds. By means of thermodynamic stability diagrams it is shown that iron (III) oxidhydroxide and cristalline hardly reducible Fe (III) compounds are still stable at the measured pH/Eh conditions. Despite their lower P sorption capacity these cristalline forms could efficiently contribute to sorb phosphorus because the atomic ratio of iron to phosphorus content amounting to more than 20:1 in all investigated sediment samples shows a distinct surplus of iron. Additionally, the low sulphate concentrations and the relatively low primary production in the lake water limit the precipitation of iron as iron-sulphide and the potential P-release induced by this process. The partial reductive mobilisation of iron as Fe (II) and its reoxidation with the subsequent precipitation of Fe (III)oxid-hydroxide in the transition zone between anaerobic and aerobic conditions constitutes an efficient retention mechanism for phosphorus in the lake. This almost complete redox-cycle prevents the transport of phosphorus to the euphotic water layer even at longer intervals with anoxic conditions in the hypolimnetic water. The allochthonous flood layers as physical or chemical barriers have only a very minor effect on the phosphorus retention in the sediment. The investigations have shown, that the sediments of Lake Zell can be excluded by a high probability as an internal source for phosphorus and that the episodical observed eutrophication phenomena can be explained by rather occasionally events with high rates of external input of nutrients or by climatic constellations.

Keywords

lacustrine environmenteutrophicationphosphorusmobilizationlacustrine sedimentsgeochemical barriers SalzburgPinzgau