Hydrologie

In Tab. 5-3 sind Angaben zum effektiven Wurzelraum für unterschiedliche Böden und Kulturpflanzen zusammengestellt, in Tab. 5-4 für Forststandorte

Der effektive Wurzelraum ist die entscheidende Bezugstiefe zur Beschreibung der Wasserspeicherung im Boden.

Eine erste ökologische Bewertung der nFK We, ob an einem Standort eher trockene oder eher feuchte Bedingungen zu erwarten sind, kann anhand der Tab. 5-5 erfolgen. Bei regionalen Betrachtungen und Bewertungen muss zusätzlich nach Klimaregion und Grundwassereinfluss unterschieden werden. Dies erfolgt nach dem Konzept der ökologischen Feuchtestufe und ist ausführlich in der Bodenkundlichen Kartieranleitung beschrieben (AG Boden 2005). Das Konzept der ökologischen Feuchtestufe ermöglicht es, einzuschätzen, welche natürlich vorkommenden Pflanzengesellschaften zu erwarten sind.

Tab. 5-3 | Effektiver Wurzelraum We [dm] während der Hauptwachstumsphase in Abhängigkeit von der Bodenart und Nutzungsform bei mittlerer Lagerungsdichte (Renger und Wessolek 1996).

Tab. 5-4 | Effektiver Wurzelraum We [dm] von Forstbeständen für mittlere Gesamtbestandsbedingungen (Renger und Wessolek 1996).

* maximal bis zur Tiefe des anstehenden Festgesteins

Tab. 5-5 | Bewertung und Bodenfeuchte der nutzbaren Feldkapazität im effektiven Wurzelraum (nFK We) und Zuordnung der ökologischen Bodenfeuchte (Renger und Wessolek 1996).

5.2 | Potenzialkonzept, Wasserspannung und Wassergehaltsmessungen

Das Bodenwasser unterliegt im Porenraum folgenden drei Kräften:

▶der Erdanziehung bzw. der Gravitation,

▶Adsorptions- und Kapillarkräften an den Bodenteilchen und

▶der hygroskopischen Anziehungskraft durch im Boden befindliche Salze.

Gravitationspotenzial (Ψz):Das Gravitationspotenzialrichtet sich nach der Lage im Raum. Jeder Bodentiefe kann ein Gravitationspotenzial aus der Ortshöhe h in Zentimetern zugeordnet werden. Als Bezugsniveau wird entweder die Bodenoberfläche oder die Grundwasseroberfläche verwendet. Definiert man die Grundwasseroberfläche als Bezugspunkt, so ist dort das Gravitationspotenzial (Ψ z) gleich null und steigt nach oben hin an. Wird dagegen die Bodenoberfläche als Bezugsniveau mit Ψ z= 0 gewählt, so nimmt das Gravitationspotenzial mit der Tiefe ab.

Matrixpotenzial (Ψm):Das Matrixpotenzialbeschreibt, mit welcher Wasserspannung das Bodenwasser durch Kapillarkräfte im Porenraum gebunden wird. Je weniger Wasser im Boden ist, desto stärker halten es die Adsorptions- und Kapillarkräfte in den Feinporen fest und desto schwerer ist es, diesen Poren Wasser zu entziehen. Das Matrixpotenzial wirkt der Gravitation entgegen und hat daher stets ein negatives Vorzeichen. Mit abnehmendem Wassergehalt sinkt das Matrixpotenzial, d.h., der Wert des Matrixpotenzials wird kleiner. Im deutschsprachigen Raum wird auch der Begriff «Wasserspannung» verwendet, darunter versteht man den Betrag des Matrixpotenzials in cm Wassersäule [cmWS] oder als Druck in hPa.

Osmotisches Potenzial (Ψo):Das osmotische Potenzialist nur für salzhaltige Böden relevant, da Salze Wasser anziehen und binden. Unter mitteleuropäischen Bedingungen kann das osmotische Potenzial zumeist vernachlässigt werden, da Salze durch Sickerwasser ausgewaschen werden.

Gesamtpotenzial (ΨH):Das Gesamtpotenzialergibt sich aus der Summe der einzelnen Potenziale.

Für mitteleuropäische Verhältnisse kann daher das Gesamtpotenzial Ψ Hbeschrieben werden durch:

Box 5.2

Verteilung des Gravitations- und Matrixpotenzials

Stellt man eine Säule mit trockenem Boden in ein Wasserbad, so steigt Wasser von unten in die Bodensäule auf, bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat. Dies ist dann der Fall, wenn das Gesamtpotenzial in der Bodensäule an allen Punkten gleich groß ist. Ein Wasserfluss tritt nur dann auf, wenn Potenzialunterschiede entstehen. Dann fließt das Wasser stets vom Ort höheren zum Ort niedrigeren Potenzials, also von der feuchten zur trockenen Zone. In der Natur werden Veränderungen des Potenzials im Boden durch infiltrierende Niederschläge sowie durch Wasserentnahme von Pflanzenwurzeln erzeugt.

Abb. 5-5 | Potenzialverteilung in einer Bodensäule, in der sich das Bodenwasser im Gleichgewicht befindet (nach Ehlers 1996) mit z = Tiefe [cm]; θ = Wassergehalt [Vol.-%]; Ψ m= Matrixpotenzial [hPa]; Ψ H= Gesamtpotenzial [hPa].

Box 5.3

Messung des Matrixpotenzials

Zur Bestimmung des Matrixpotenzialswerden pF-Meter,häufiger jedoch Tensiometerin den Boden eingesetzt. Bei den pF-Meternhandelt es sich um ein thermisches Messverfahren, mit dem ein über eine Keramiksonde erfasster Wärmeimpuls einer Wasserspannung zugeordnet werden kann. Die Wasserspannung wird im Bereich von pF = 0–7 erfasst.

Ein Tensiometerbesteht zumeist aus einer porösen keramischen Kerze,die mit einem Druckaufnehmer verbunden ist. Die keramische Zelle bzw. das Tensiometer ist mit Wasser gefüllt. Die Zelle gibt über ihre Poren so lange Wasser in den unmittelbar umgebenden Boden ab, bis sich ein Gleichgewicht zwischen dem Matrixpotenzial am Boden und dem Unterdruck im Tensiometer eingestellt hat. Dieser Unterdruck wird mittels des Druckaufnehmersgemessen. Als Einheit des Drucks werden hPa oder cm Wassersäule verwendet. Je nach Länge des Rohrs können Tensiometer in unterschiedlichen Tiefen eingebaut werden. Zum Einbringen der Tensiometer werden zunächst Bohrungen bis in die vorgesehene Tiefe durchgeführt, dann werden die Tensiometer in das Bohrloch vorsichtig nachgeschoben. Damit der Niederschlag ungestört auf die Bodenoberfläche fallen kann, hat es sich bewährt, die Tensiometer schräg in den Boden einzubauen. Das Matrixpotenzial errechnet sich wie folgt: