Lignite combustion was the major driver for health and growth of the forests in Dübener Fly ash impact in forest ecosystems in Heide. Northeastern Germany – an assessment and regionalization approach Dissertation Christine Fürst Nowadays, forests in Dübener Heide are characterized by an ample regeneration of broad- leaved tree species. Negative effects of fly ash deposition are not anymore detectable. Micro-structures of fly ash. Its detectablity is based on the content in ferrimagnetic iron oxides, such as magnetite (Fe3O4) and maghemite (γ-Fe2O3). Cover photo: Fly ash is a multi- facted material composed by residuals of organic matter, Prepared in the frame of the joint research project slags and amorphous vitreous „ENFORCHANGE“ (FKZ 0330634 K, German particles. Fly ash impact in forest ecosystems Northeastern Germany – an assessment and regionalization approach Federal Ministry of Education and Research). Fakultät Forst-, Geo- und Hydrowissenschaften Fly ash impact in forest ecosystems in Northeastern Germany – an assessment and regionalization approach (Flugascheeinträge in Waldökosysteme in Nordostdeutschland – ein Erfassungs- und Regionalisierungsansatz) Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doctor rerum silvaticarum (Dr. rer. silv.), vorgelegt von Dipl. Forstwirt Univ. Christine Fürst geboren am 18.10.1974 in Nürnberg (D) Gutachter: Herr Prof. Dr. Franz Makeschin Technische Universität Dresden Fakultät Forst-, Geo-, Hydrowissenschaften Institut für Bodenkunde und Standortslehre Herr Prof. Dr. (em.) Gerhard Glatzel Universität für Bodenkultur Wien Department für Wald- und Bodenwissenschaften Institut für Waldökologie Tharandt, Erklärung des Promovenden Die Übereinstimmung dieses Exemplars mit dem Original der Dissertation zum Thema: Fly ash impact in forest ecosystems in Northeastern Germany − an assessment and regionalization approach wird hiermit bestätigt. ……………………………………….…. Ort, Datum ……………………………………….…. Unterschrift (Vorname Name) -I- Fly ash impact in forest ecosystems in Northeastern Germany - an assessment and regionalization approach Acknowledgements The presented thesis is based on research studies, which were carried out in the frame of the joint research project “ENFORCHANGE” (Environment and forests under changing frame conditions) funded by the German Federal Ministry of Education and Research. Therefore, the prior acknowledgement is devoted to the funding institution for the chance to continue research on fly ash and to pick up the challenges from the prevailing studies. The studies, which form the basis for the publications of this thesis, would never have been carried out without the help of some appreciated colleagues to whom I want to say a warm thank you for all the help, the willingness to discuss open questions and to support the de- sign and realization of the studies. First of all, I want to thank Carsten Lorz for the time he has spent for our common publications and for the never ending patience to give input into the assessment approaches. Without Dietmar Zirlewagen the statistical analysis and espe- cially the regionalization approach could not have been realized. I want to thank him a lot for many additional lessons in statistics and modelling. To sum up all the long-term input which was given by Mengistu Abiy to ENFORCHANGE and to the thesis with few words is impossi- ble. I want to thank him for all his suggestions and contributions, which were a most valuable basis for my work. The field assessment and other contributions by Heiko Fritz, Lars Koschke, Kay Hagemann and Stefan Just were indispensable to complete the data basis of the project facing the challenge to coordinate the ENFORCHANGE project at the same time. I want to thank them explicitly for their outstanding team work during the past years. The cooperation with a number of colleagues from other institutions was also a valuable chance, which I would never like to miss: Jörg Sauer from the Leibniz Institute of Applied Geosciences inspired the use of ferrimagnetic susceptibility and supported the pre-tests in the Dübener Heide. Tadeusz Magiera and Zygmunt Strzyszcz from the Institute for Environ- mental Engineering, Polish Academy of Sciences were so kind to supply all the basic infor- mation and current research results from the MAGPROX project and their own studies and helped so to improve the very first steps in research on ferrimagnetic susceptibility. Henning Andreae, Gerhard Raben and Frieder Leube from Staatsbetrieb Sachsenforst, Graupa sup- ported the linking of data with results of the Level-I programme. Finally, I want to thank Her- bert Lux, Harald Thomasius, Wolfgang Nebe and post-mortem Günther Wenk from Dresden University of Technology, Bernd Bendix and Wolfgang Schmidt from the state forest admini- stration of Saxony-Anhalt, Rainer Albrecht (Mitteldeutsche Sanierungs- und Entsorgungsge- sellschaft) and Uwe Holz (Industrie- und Filmmuseum Bitterfeld Wolfen) as representatives for all researchers within the Quality Assurance Panel of ENFORCHANGE. They contributed their valuable knowledge from research carried out before the German reunification. Chris- -I- Fly ash impact in forest ecosystems in Northeastern Germany - an assessment and regionalization approach tina Bendix sedulous support in researching and bundling all the historical publications in a data base was indispensable for my studies. Hans Bleymüller was irreplaceable in moderat- ing and in building up links between science and practice. A prerequisite to realize a cumulative thesis is an advisor, who is not only a specialist in his field, but also open and competent enough to give freedom in developing the approach and to trust in the results of several years of intensive work. Thus, it was a great experience to have Franz Makeschin as supervisor. I want to thank him personally for the all the support, his confidence in my work and the valuable time at the Institute for Soil Science and Site Ecology, which was certainly the best period so far in my academic life. -II- Fly ash impact in forest ecosystems in Northeastern Germany - an assessment and regionalization approach Zusammenfassung Die vorgelegte Doktorarbeit “Fly ash impact in forest ecosystems in Northeastern Ger- many − an assessment and regionalization approach” (Flugascheeinträge in Waldöko- systeme in Nordostdeutschland − ein Erfassungs- und Regionalisierungsansatz) verfolgte die Ziele (a) zu testen, ob sich die Erfassung der ferrimagnetischen Suszeptibilität eignet, um kosteneffizient quantitative und / oder qualitative Informationen zu den eingetragenen Flugaschemengen und den in der Folge veränderten bodenchemischen Potenzialen zu erheben (b) zu testen, ob der Indikator „ferrimagnetische Suszeptibilität“ genutzt werden kann, um Informationen über Flugascheeinträge von der punktbezogenen Erfassung auf einen regionalen Maßstab hoch zu skalieren. Grundlage dieser Zielstellungen sind Forschungsarbeiten zu der Frage der langfristigen Wirksamkeit und ökologischen Bedeutung von Industrieexhalationen auf Waldökosys- teme, die am Institut bereits in den 1960ziger Jahren begonnen wurden und verstärkt seit Mitte der 1990ziger Jahre fortgeführt wurden. Auf ihrer Basis wurde die Herausforderung eines kostengünstigen und flächenbezogenen Erhebungsansatzes identifiziert und for- muliert. Die vorgelegte Arbeit ordnete sich in diese Forschungsarbeiten ein und führte sie im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens ENFORCHANGE ((FKZ: 0330634 K, Bundesmi- nisterium für Bildung und Forschung) von 2005 - 2009 fort. Die Doktorarbeit ist als kumulative Arbeit angelegt, im Rahmen derer insgesamt 10 Publi- kationen zusammengefasst wurden. Davon sind 5 in internationalen Journalen bereits publi- ziert, akzeptiert oder in einem Fall in Begutachtung; 5 weitere Publikationen wurden ergän- zend und auf speziellere Themen bezogen in Proceedings oder Buchbeiträgen publiziert. Die Arbeit gliedert sich in 5 Abschnitte: • Kapitel 1 (Einleitung) gibt einen kurzen Überblick zur Motivation und Struktur der Doktorarbeit. • In Kapitel 2 (Ziele und Rahmen der Arbeit) wird der Arbeitsansatz im Rahmen des Ver- bundforschungsvorhabens ENFORCHANGE vorstellt. • Kapitel 3 umfasst eine Auswertung von Veröffentlichungen zur Geschichte und den ökologischen Auswirkungen der Flugascheeinträge am Beispiel der Modellregion Dübener Heide. -III- Fly ash impact in forest ecosystems in Northeastern Germany - an assessment and regionalization approach • In Kapitel 4 wird der methodische Ansatz der Arbeit vorgestellt, der von einem Vortest zur Eignung der Erfassung der magnetischen Suszeptibilität über die Ableitung eines flächigen Erhebungsansatzes bis hin zur Frage der Modellbildung und Korrelation mit chemischen Kenngrößen reicht. • Kapitel 5 beinhaltet die Ergebnisse der räumlichen Modellbildung und der Korrelation der magnetischen Suszeptibilität mit ausgewählten Basen-, Säure- und Schwermetallkationen sowie mit Schwarzem Kohlenstoff. • Kapitel 6 diskutiert, vergleicht und bewertet die Ergebnisse der den Veröffentlichungen zugrunde liegenden Studien und zieht ein abschließendes Resumé. Ein Schlüsselergebnis der vorgelegten Arbeit belegt, dass entgegen der ursprünglichen Arbeitshypothese des Projektverbundes ENFORCHANGE nicht das mehr als 100 Jahre alte Kraftwerk Zschornewitz die wesentliche Quelle für die Flugascheeinträge in der Modell- region Dübener Heide war, sondern der räumlich entfernter gelegene, aber deutlich größere Industriekomplex Bitterfeld. Bezogen auf die Zielsetzung der vorgelegten Arbeit, konnte mithilfe multipler Regressi-