~
Abbildung 6 Schnitt durch ein horizontal eingebautes Tensiometer.
E E
Ln
~
den die Proben - unter nochmaligem Kühlen der Oberfläche mit flüssigem Stickstoff, um das Eindringen des Paraffins in den Boden zu verhindern - mit einem Paraffin-mantel umgeben, um sie zu stabilisieren. Dieser letzte Schritt entspricht dem von GERMANN beschriebenen Vorgehen. Der achteckige Grundriß wurde aus folgendem Grund gewählt: Der Grundriß der Probe zusammen mit dem Paraffinmantel muß wegen unserer Apparatur ein Kreis sein. Da mit der Diamantkreissäge keine runden Proben gesägt werden können, muß ein Vieleck mit einer möglichst hohen Eckenzahl gewählt werden. Das Achteck ist das Polygon mit der höchsten Eckenzahl, das noch leicht zu sägen ist. Damit die Proben einerseits beim Gefrieren des Bodenwassers nicht zerspringen, andererseits aber genügend Eis zu ihrer Härtung enthalten , sollten die Proben bei einer Saugspannung annähernd jener bei Feldkapazität (W mG = -40 cm) entnommen werden. Während des Sägens müssen die Proben gelegentlich zusätzlich mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden.
Die Ausflußmethode ist zeitlich wie materiell sehr aufwendig. Aus technischen Gründen (Höhe des Labors) können die Desorptionskurven- und k-Wert-Beziehun-gen nur bis zu einer Saugspannung von rund 170 cm bestimmt werden.
Die Durchlässigkeitskoeffizienten bei Sättigung (W mG
=
-1 cm) wurden an den Ausflußproben selbst bei konstanter Druckhöhe bestimmt (VoGELSANGER, 1983).313 Scheinbare Dichte und reelle Dichte
Die scheinbaren Dichten Pa wurden an den Ausflußproben bestimmt. Die reellen Dichten Pr der Feinerde bestimmten wir mit Pyknometern (Volumen 1,8 1) an je 4 Parallelproben für 10 Bodentiefen bis 155 cm. Die Proben wurden 15 bis 20 Minuten gekocht. Zusätzlich wurde mit der gleichen Methode die Dichte des Kalkgesteins bestimmt.
314 Korngrößenverteilung
Die Analyse der Korngrößenverteilung erfolgte an 24 Ausflußproben. Die Frak-tionen größer als 0,2 mm wurden gesiebt(> 1 mm: Rundlochsieb, <1 mm: Maschen-sieb ), die Fraktionen kleiner als 0,2 mm wurden mit der Schlämmanalyse (Aero-metermethode) bestimmt.
315 Bodentemperatur
Die Bodentemperaturen wurden mit einem Doric-Digital-Meßgerät bestimmt, in-dem der mobile Meßfühler (Yellow-Spring-Fühler, Serie 400, Genauigkeit ±0,15 °C) in die einzelnen festen Führungsrohre eingeführt wurde. Damit konnten mit einem
einzigen Meßfühler die Bodentemperaturen verschiedener Tiefen gemessen werden.
Aus Kostengründen wurde auf eine Installation mit einem fixen Fühler pro Tiefe verzichtet.
316 Klima
Der Niederschlag wurde während der drei Meßjahre von April bis November mit Diem-Regenmessern (Auffangfläche 100 cm2) und in der übrigen Zeit wegen der Frostgefahr mit Blechbüchsen (Auffangfläche 60 cm2) gemessen. Zudem stand wäh-rend der ganzen Zeit ein Totalisator (Auffangfläche 200 cm2) im Einsatz. Die Mes-sung der Niederschläge in Form von Schnee ist mit diesen Meßgeräten wegen der Verwehungen ungenau. Die Lufttemperatur wurde jeweils zusammen mit der Bodentemperatur gemessen. Alle anderen meteorologischen Daten stammen von den benachbarten SMA-Stationen Balmberg, Nesselboden, Herbetswil und Langen-bruck.
317 Chemische Analyse
Die chemische Analyse des Bodens wurde von RICHARD und LüscHER (1983) und von PoLOMSKI et al. (1981) publiziert. Der Humus- und der Karbonatgehalt, die Kationenaustauschkapazität, der Sättigungsgrad und die aktuelle Azidität wurden nach den bei BRüLHART (1969) beschriebenen Methoden bestimmt.
318 Messungen der Dichte und des Wassergehaltes mit der Gamma- und der Neutronensonde
Die Gammasonde dient der Bestimmung der Dichte. Die Beziehung zwischen der Dichte und der Impulszahl muß an Materialien bekannter Dichte bestimmt wer-den. Die so erhaltene Eichkurve gilt für alle Böwer-den. Die Neutronensonde dient der Bestimmung des Wassergehaltes. Eichkurven für die Neutronensonde, also die Beziehung zwischen Wassergehalt und Impulszahl, gelten nur für den Boden und den Horizont, an dem sie bestimmt werden.
Im Jahre 1982 wurden vier Führungsrohre für die Sonden gesetzt, zwei beim Meß-block West und zwei beim MeßMeß-block Ost. Mit der Gammasonde (Typ Berthold) und der Neutronensonde (Typ Wallingford) wurde an 9Tagen vom 21. Juli bis 11. Oktober 1982 die Dichte des feuchten Bodens bzw. der Wassergehalt bestimmt. Die Messun-gen erfolgten im Meßblock West an zwei Orten in den drei Tiefen 30, 60 und 90 cm und im Meßblock Ost ebenfalls an zwei Meßorten in den sechs Tiefen 30, 60, 90, 120, 150 und 170 cm. Die Zählrate wurde für die drei bzw. sechs Tiefen und die vier Orte je fünfmal während 64 Sekunden bestimmt und daraus der Mittelwert berechnet. Da
die Zählrate der Sonden zwischen zwei Messungen wegen möglicher Temperaturdif-ferenzen des Gerätes und wegen der abnehmenden Radioaktivität leicht schwankte, wurden vor und nach den Messungen jeweils achtmal die Zählrate im Wasserbad be-stimmt und der daraus errechnete Mittelwert als Basiswert genommen. Dieser Basis-wert entspricht der Zählrate 100 % . Die Zählrate wird auch «countrate» genannt und ist im folgenden mit CR abgekürzt.
Die Eichgerade für die Dichtebestimmung mit der Gammasonde lautet:
PF (g/cm3) = 2,569 - 0,01534 · CR CR = countrate in%
32 Stofftransport
Am 27. Mai 1983 wurden im Meßblock West zwischen den beiden Mauern (Abb. 21) Bromid und Chlorid in folgender Konzentration auf den Boden gegeben:
1. Fläche: 1,2 m X 1,1 m: 219 CaC12 • 2 H20, aufgelöst in 1166 ml Wasser, entspricht 80,0 g Chlorid pro m2 bzw. 2,26 mol/m2
2. Fläche: 0,6 m X 1,1 m: 78 g CaBr2 • 2 H20, aufgelöst in 568 ml Wasser, entspricht 80,2 g Bromid pro m2 bzw. 1 mol/m2
Die erste mit Chlorid behandelte Fläche begann zwischen der ersten und zweiten Tensiometerreihe (Spalte) der 1. und 3. Ebene des Meßblockes West (Kap. 511) und erstreckte sich 1,2 m bergwärts. Die zweite, mit Bromid behandelte Fläche schloß sich talseits an und erstreckte sich 0,6 m talwärts. Die Breite beider Flächen war 1,1 m, was dem Abstand der Mauern entsprach. Mit dieser Anordnung wurde erreicht, daß die erste Reihe (Spalte) der Tensiometer sich unter der mit Chlorid behandelten Fläche befand, die zweite und dritte unter der mit Bromid behandelten und die vierte Reihe unter einer nicht behandelten Fläche. Damit ließen sich von der lotrechten Richtung abweichende Flüsse erkennen.
Um Bodenwasserproben zu entnehmen, wurden die 22 Tensiometer der 3. Ebene des Meßblockes West um 180° gedreht. Das Entlüftungsrohr (Abb. 6) wurde damit zum Saugrohr. Das Bodenwasser wurde mit Unterdruck abgesaugt. Im Juni genügten 300 mbar Unterdruck, in den folgenden Monaten wurden 500-750 mbar angewandt.
Dennoch konnte einmal (27. September 1983) nicht mehr genügend Wasser für die Analyse abgesaugt werden. Dafür brauchte es mindestens 0,2-0,3 cm3 Lösung, die mittels «high performance liquid chromatography» (HPLC) untersucht wurde. Abge-saugt wurde jeweils während 2 bis 5 Stunden, bis (wenn möglich) mindestens 1 cm3 herausgeflossen war. Bei mehr als 5 cm3 wurde das betreffende Tensiometer vom Unterdruck getrennt.
33 Strukturerfassung
331 Nicht weiterverfolgte Methoden
In der Literatur haben wir keine Methoden zur Erfassung der Bodenstruktur ge-funden, die direkt hätten übernommen werden können. Die Methoden mußten zu-erst erarbeitet werden. Verschiedene Vorgehensweisen wurden untersucht. Im fol-genden sind davon zwei Methoden beschrieben.
Eine Methode bestand darin, Bodenmerkmale wie Feinerde <2 mm, Feinskelett 2-10 mm, Grobskelett> 10 mm, Wurzeln und Hohlräume punktweise an der Profil-wand zu erfassen. Zwei hölzerne, vertikale Latten und eine metallene, horizontale Schiene dienten der Führung einer Nadel, mit der das Profil abgetastet wurde. Der Abstand der Punkte betrug 1 cm. In einem Versuch wurden 161 Zeilen zu 60 Punkten untersucht, somit total 9660 Punkte auf einer Fläche von 60 cm (horizontal) x 161 cm (vertikal) (Abb. 7).
Eine andere Methode bestand darin, mit einer Wild-C-40-Stereokamera des Insti-tutes für Geodäsie und Photogrammetrie sowohl schwarzweiße als auch farbige Stereoaufnahmen des Profils zu machen. Ausgewertet wurden die Aufnahmen an einem Autographen desselben Institutes. Ein Autograph ist ein Stereo-Auswertgerät mit optisch-mechanischer Projektion. Mit Hilfe des Autographen wurde ein Plan des Grobskelettes gezeichnet. Anschließend wurde der Plan im Maßstab 1: 5 mit einem Digitizer ausgewertet. Mit dem Digitizer können Koordinaten eines Punktes in einer Zeichnung elektronisch bestimmt und registriert werden. Bei einer Digitalisierung werden somit die aus Kurvenstücken bestehenden Begrenzungslinien der Steine in einzelne Linien aufgelöst. Es waren rund 270 Steine, für die 1320 Punkte gebraucht wurden, somit nicht ganz 5 Punkte pro Stein. In einem einzigen Fall waren mehr als 10 nötig, häufig genügten 3 Punkte. Rund 1400 Punkte, inkl. Begrenzungslinien, waren notwendig, um das Grobskelett darzustellen (Abb. 7).
332 Herstellung der Bodenprobe zur Strukturerfassung
Die Herstellung einer ebenen Profilwand im Feld stellt angesichts des Skelett-reichtums des Bodens ein großes, nahezu unlösbares Problem dar. Könnte der Boden in Scheiben zerschnitten werden, wäre dieses Problem gelöst.
Bereits seit sechs Jahrzehnten werden zur mikromorphologischen Untersuchung des Bodens Dünnschliffe hergestellt (Ross, 1924). Die Größe der Dünnschliffe be-trug anfänglich 28 x 48 mm, später 6 x 9 cm und schließlich 8 x 15 cm. Die Bodenpro-ben werden getrocknet, gehärtet, z.B. mit Polyester, und geschliffen (JONGERIUS und HEINTZBERGER, 1975). Ziel der Dünnschliffmethode ist es, Präparate herzustellen,
Tiefe (cm) 0
20
40
60
80
100
120
140
160
Abbildung 7 Plan des Grobskelettes(> 10 mm) nach der Punktanalyse im Feld (links) und digitalisierter Grobskelettplan nach der Auswertung mit dem Autographen
am Stereobild (rechts).
an denen mikroskopische Strukturen untersucht werden können. Diese räumliche Auflösung ist jedoch nicht immer nötig. Werden makroskopische Strukturen wie Feinerde/Skelett-Verteilungen untersucht, spielen Veränderungen im mikroskopi-schen Bereich, hervorgerufen durch Reaktionen des Härtungsmittels mit dem Bodenwasser, keine Rolle. Wir haben versucht, den Boden mit verschiedenen Arten von Araldit, einem Zweikomponenten-Kunstharzleim der Firma Ciba-Geigy, zu durchtränken und zu härten. Araldit wurde in letzter Zeit oft verwendet, um Beton und Kulturgüter aus Stein vor dem drohenden Zerfall zu retten.
Im Wald wurde eine Bodensäule präpariert, indem der Boden auf drei Seiten ent-fernt wurde. Die Bodensäule hatte eine Höhe von 180 cm, eine Breite von 60 bis 70 cm und eine Dicke von 50 bis 60 cm. Die Säule selbst blieb ungestört und mit dem darunterliegenden Boden verbunden. Wegen der Steine hatte die Säule eine unregel-mäßige Oberfläche. Hernach wurden die drei Seiten mit 5 bis 10 cm starkem Beton eingegossen. Die U-förmig ummantelte Probe hatte ein Gewicht von rund 1500 kg.
Nachdem der Beton ausgehärtet war, wurde die Probe auf der vierten Seite vom Boden losgelöst. Nach dem Transport ins Labor wurde der Betonmantel oben und unten ergänzt, so dass die Bodenprobe nur noch auf einer Seitenfläche unbedeckt war. Die fünf Betonflächen wurden mit Teer angestrichen, um sicher zu sein, daß der Araldit nicht durch die Betonummantelung sickerte.
Nach vierwöchiger Lufttrocknung im Labor konnte die Probe im Betonmantel getränkt werden, indem Araldit auf die freie Seitenfläche gegossen wurde. Um die Tränkung zu beschleunigen, wurde während einer Stunde an der unteren Fläche an 30 Bohrlöchern mit 20 kPa Unterdruck gesogen. Verwendet wurde der geringen Vis-kosität wegen Araldit BY 158 mit Härter HY 2996. Bereits nach einer Stunde floß unten aus einigen, nach 1 ½ Stunden aus allen Bohrlöchern Araldit heraus. Der Här-ter begann nach acht Stunden mit dem Harz zu reagieren. Der Verbrauch an Araldit und Härter betrug rund 1001. Der Block wurde mit der großen stationären Diamant-kreissäge (Durchmesser 90 cm) der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Ver-suchsanstalt (EMPA) in Dübendorf zerschnitten. Am Schluß standen sieben Teil-blöcke (4-14 x 36 x 176 cm) und eine Platte (68 x 7 x 176 cm) zur Verfügung.
Die Erfahrung aus der Probenherstellung zeigt, daß die Bodenprobe im Feld ge-nügend feucht sein muß, damit sie von der Feinerde zusammengehalten wird. Die Saugspannung zur Zeit der Probenentnahme lag bei 4 kPa, der Wassergehalt bei 16 % v. Der Araldit kann nur in die Poren hineinfließen, die nicht mit Wasser gefüllt sind. Die Probe muß daher getrocknet werden. Die Probe ließen wir nur an der Luft trocknen, weil sie damit etwa so stark austrocknete, wie unter natürlichen Verhältnis-sen möglich ist. Der untersuchte Boden ist grobporenreich. Die gesamte Porosität beträgt 30 % v. Am Ende der Lufttrocknung betrug der Wassergehalt noch 10 bis 12 %v bei einer geschätzten Saugspannung von 20 kPa. Wenn die Probe zu feucht ist, reagiert der Araldit mit dem Wasser. Besonders im humosen Oberboden, der nach der vierwöchigen Trocknung feuchter war als der Unterboden, erstarrte der Araldit zu einer weißen, undurchsichtigen Masse. Im trockeneren Unterboden blieb der Araldit auch nach dem Erstarren durchsichtig und daher von Auge nicht erkennbar.
Zur Kontrolle der Eindringtiefe des Araldites wurde eine faustgroße, mit Araldit gehärtete Probe mit Salzsäure übergossen, um den Kalk aufzulösen. Das tonige Material wurde anschließend herausgewaschen. Übrig blieb ein fein verästeltes Gerüst aus Araldit, das nicht nur die Makroporen, sondern auch die kleineren Poren gefüllt hatte und auch kleine Steine umgab. Daher wurden an den Schnittflächen auch kleine Steine zersägt und nicht herausgerissen. Einzig ein rund 5 1 großer Bereich im Zentrum der Probe war ungenügend mit Araldit durchtränkt und gehärtet worden.
333 Stereometrische Methoden
Mit der Punktanalyse wird die Verteilung des Skelettgehaltes und die Größe des REVbestimmt, mit der Zahl der Phasenübergänge Skelett/Feinerde die Ausrichtung des Skelettes.
Bei der Punktanalyse wurde an 1 cm2 großen Probeflächen das Vorherrschen der Fraktionen Feinerde ( <2 mm), Feinskelett (2-10 mm) oder Grobskelett(> 10 mm) bestimmt und die ganze Fläche der vorherrschenden Fraktion zugeordnet. In Zwei-felsfällen wurde die Fläche dem Feinskelett zugeordnet. Bestimmt wurden an sechs Schnitten 35 x 160 Flächen (Breite X Höhe) zu 1 cm2 , insgesamt also 33 600 Flächen.
Die Phasenübergänge Stein/Feinerde wurden mit Hilfe einer 8 x 30 cm großen Plexiglasplatte an den Schnitten bestimmt. Auf dieser Platte waren 4 parallele Linien zu 25 cm und senkrecht dazu 25 parallele Linien zu 4 cm eingeritzt, um die Übergänge Stein/Feinerde in der Richtung der stärksten Orientierung ( entspricht im Schitter-wald annähernd dem Gefälle des Hanges) bzw. senkrecht dazuzuzählen. Pro Dezime-ter Bodentiefe wurden an zwei hangsenkrechten Schnitten 6 bzw. 2 Wiederholungen und an einem hangparallelen Schnitt 6 Wiederholungen durchgeführt.
4 Untersuchungsstandort