n in Wasserbindung und Jahre z itliche rungen

Oxf. 114.2: 116.11: 116.13: l l 6.25

Jahre z itliche Veränd rungen

der Wasserbindung und der Wasserbe egung in Waldböden des

schweizerisch n Mittellandes

Von nton Brülhart

HERA SGEBER

DER DIREKTOR DER EIDGE Ö I CHE A T LT FÜR DA FOR TLICHE VER UCH WE E

Bd./Vol. 45 Heft/Fase. 2 1969

INHALTSVERZEICHNIS

Vorwort

A, Problemstellung

a · .

Theoretische Grundlagen .

C. Methoden . I. Feldversuche

a) Tensiometer

b) Konduktometrische Feuchtigkeitsmessung c) Messung der Niederschläge .

d) Messung des Stammabflusses e) Messung der Wasserspiegeltiefe

Seite

131

132

134

140 140 140 144 147 148 149

II. Untersuchungen im Laboratorium 151

a) Wasserdesorptionskurve . 151

b) Dichte . 152

c) Wasserdurchlässigkeit des gesättigten und des ungesättigten Bodens 152

d) Korngrößenverteilung 153

e) Chemische Merkmale 153

D. Charakterisierung der Versuchsflächen und der Versuchsjahre 155 I. Die Versuchsflächen

a) Lage, Relief, Muttergestein b) Klima .

155 156 156

c) Vegetation . 157

d) Versuchsanlage 159

II. Die Versuchsböden 162

a) Morphologische Beschreibung 162

b) Korngrößenverteilung 162

c) Scheinbare und reelle Dichte 166

d) Wasserdesorptionskurve und Porengrößenverteilung 168 e) Wasserdurchlässigkeit des gesättigten und des ungesättigten Bodens 177

f) Chemische Eigenschaften 180

III. Die Versuchsjahre 183

a) Niederschläge 186

b) Temperatur . 186

E. Ergebnisse 187

I. Niederschläge rmd Saugspannungsverlauf a) Niederschläge und Interzeption

b) Streuung der Saugspannung innerhalb der vier Meßtiefen c) Verlauf der Saugspannung

187 187 190 197

eile II. Wasserbewegung unterhalb des IP'urzelrau.,nes 201

a) Grundlagen zur Berechnung der Wasserbewegung

unterhalb des Wurzelraumes . 201

b) Richtung der hydraulischen Gradienten unterhalb des Wurzel-

raumes im Versuchsboden «Buchberg» 205

c) treuung der Tiefensickerung unter den einzelnen Meß teilen

der Versuchsfläche «Buchberg» 209

d) Verlauf der Tiefen ickerung in den Ver uch böden 211

IIl. Versuch einer quantitativen Erfassung des Wasserhaushaltes a) Versuchsfläche «Buchberg» .

b) Versuchsfläche« Winzlerboden»

W. Dislalsswn und Folgerungen a) dethodische Erfahrungen b) Besprechung der Ergebni e

F. Zusammenfassung.

Rerome -

Riassunto - Summary

Literatur .

Anhang: Tafeln 1, 1 a, 2 und 3

Tafeln «Tiefen ickerung Buchberg 1965»,

«Tiefensickerung Buchberg 1966»,

«Tiefensickerung Winzlerboden 1966».

213 214 217 218 218 219 222 224 231

A

D E Ev. z

Ei ET

g H

Symbole und Abkürzungen

Bodenquerschnitts[läche (cm2)

Umrechnungsfaktor zur Umwandlung der Tensiometerablesungen in WS cm

Kapillardepression des Quecksilbers in der Manometerkapillare des Tensiometers (cm) Evaporation (mm)

Angenäherter Energie-Inhalt des Bodenwassers, Summe aus Druck- und Lage-Energie (erg/cm³)

Druck-Energie (erg/cm³)

Lage-Energie (erg/cm³)

Evapotranspiration (mm) Erdbeschleunigung (981 cm/sec2)

hydraulische Höhe (cm)

Druckhöhe des Bodenwassers (cm)

austau chbare Wasserstoffionen im Boden (maeq./100 g Boden) Interzeption (mm)

hydraulischer Gradient (dimensionslos)

k Wasser-Durchlä igkeitskoeffizient nach Darcy (cm/sec, cm/Tag) ; im gesättigten Boden ks, im ungesättigten Boden k _ p

L Länge (cm)

L110I1 Entfernung des Skalen- ullpunktes von der Kerzenmitte des Tensiometers (cm) n Anzahl

NB ¹iederschlag im Bestand (mm) NKF Niederschlag auf der Kahlfläche (mm)

p

pH Q Qozas 0Kap.

s

SA

Druck (dyn/cm², WS cm, at), _ p = Saug pannung aktuelle Azidität, in wäßriger Pa te gemessen

Wasservolumen, welches pro Zeiteinheit durch einen gegebenen Bodenquer chnitt strömt (cm3/ ec)

Querschnitt des Quecksilbervorratsglases des Tensiometer (cm²)

Querschnitt der Manometerkapillare des Tensiometer (cm²)

Empfindlichkeit des Ten iometers (at/cmS) tammabfluß (mm)

Sz treuung der Einzelwerte sx zufälliger Fehler de Mittelwerte

SG Sättigung grad d Boden an basi eben Kationen (%) Zeit ( ec)

Filtergeschwindigkeit de Bodenwassers (cm/ ec, cm/Tag) /lp Porenvolumen des Boden (%)

II'/' Tiefeusickerung = lotrechte Komponente der Filterge chwindigkeit des Bodenwa ers in einer

bestimmten Tiefe unterhalb de Wurzelraumes (cm/ ec) IV Was ergehalt einer Boden chicht (mm Was erhöhe, Liter/m²)

w Wassergehalt de Bodens (%g, %-u)

Wg Gravitationswasser IOvl leicht verwertbares Wasser Wvs ·chwer verwertbares Wasser

Wo nicht verwertbares Wasser

W cm.Zentimeter Wa. ersiiule, Maßefoheit für die aug pannung

x

z

ea

er

f}HOH QHg

a a'

Mittelwert

geodätische Höhe, lotrechte Entfernung von einem Bezug horizonl (cm) scheinbare Dichte des Boden (g/cm³⁾

reelle (oder wahre) Dichte des Bodens (g/cm³⁾ Dichte des Wa ers (g/cm³⁾

Dichte des Quecksilbers

Entfernung der Queck ilber-Einfüllhöhe vom Skalen-Nullpunkt des Tensiometers (cm) teighöhe des Quecksilber über dem ullpunkt des Ten iometers bei Saugspannung

s

^(cm)

Winkel (⁰⁾

Gewichtsprozente (g/100 g) Volumenprozente (cm³/100 cm3)

Vorwort

Die vorliegende Arbeit wurde auf Anregung von Herrn Professor Dr. F. R i eh a r d, Extraordinarius für Bodenphysik an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich, unternommen.

Ich

danke ihm für seine vielfältige Hilfe, die er mir bei deren Ausarbeitung durch Rat und Tat angedeihen ließ. Sein immer reges Interesse und seine Anteilnahme an meinen bodenkundlichen Freuden und Nöten haben meine Arbeitslust stets neu gestärkt.

Auch an mehrere andere Herren aus der Wissenschaft richtet sich mein Dank ffu manche wertvolle Anregung und Hilfe, insbesondere an Herrn Professor Dr. R. B a c h , Extraordinarius für Bodenkunde an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich, und die Herren Dr.P.Schmid, Dr.W.Nägeli und Dr.H.Turner von der Eidgenössischen Anstalt ffu das forstliche Versuchswesen in Birmensdorf.

Bei der Durchführung der Arbeiten konnte ich auf die Mitarbeiterinnen und Mit•

arbeiter der Forstlichen Versuchsanstalt zählen. Erst ihre Hilfe und die Benützung der Einrichtungen der Versuchsanstalt ermöglichten die umfangreichen Arbeiten. Des, halb danke ich dem Direktor der Versuchsanstalt, Herrn Professor Dr. A. K u r t h , ganz besonders für seine stete Unterstützung meiner Arbeit.

Für die gewissenhafte Durchführung von Laboratoriumsarbeiten danke ich Frau B. Anton i et t i - Pie t er s , Frau D. K eise r - Böschen s t ein und Fräulein D. Martin. Den Herren Förstern H. M ü 11 er, F. von Ar x, R. S eh m i d, H.-U. Scher r er und H.-P. L ä s er danke ich für die Einrichtung und die oft beschwerliche BetJ:euung der Feldversuche und auch ffu viele Laboratoriumsunter- suchungen. Hierin sei auch Herr H. Bi c k e 1, Forstwartlehrling, miteingeschlossen.

Mein Dank gilt ferner Herrn B. S c h m i d 1 i und Herrn A. H u b er für die Anferti•

gung der graphischen Darstellungen. Der Eidgenössischen Landestopographie in Wabern, insbesondere Herrn B ü h 1 er, danke ich ffu den Druck von drei Farb- tafeln.

Mit besonderer Anerkennung erwähne ich die zuvorkommende Hilfe, welche mir Herr Forstmeister Dr. W. Kuh n stets gewährt hat. Auch den Behörden der Gemeinde Marthalen und dem Gemeindeförster Herrn E. W e g m a n n danke ich herzlicp. für ihre Hilfsbereitschaft. Ebenso gilt mein Dank Herrn W. Nägel i, Staatsförster, und Hen;n K. M ö c k 1 i, Waldarbeiter, ffu die gewis enhafte Betreu- ung der Niederschlagsmessung.

Dem Schweizerischen Fonds für die Förderung der Wald- und Holzforschung und dem Zentenarfonds der ETH danke ich für einen namhaften Beitrag an ·die Druck- kosten.

Allen übrigen Helfern, die hier nicht mit Namen genannt sind, danke ich bestens für ihre Unterstützung.

A. Problemstellung

Menge Inten ität und jalueszeitliche Verteilung der ieder chläge, die irgendwo auf die Erdoberfläche fallen, ind je nach Klimarec:rion ehr erschieden. Hal das ie- der chlao- wa er einmal die Erdoberfläche erreicht, so hänut sein weitere chicksal in beträchtlichem Maße von der Art der egetation ab, die ihrereits vom Klima o-eprägt wird. ie hält durch Interzeption Wa er an den oberirdi chen Teilen zurück, da wieder in die tmo phäre verdunstet. Einen Teil de ver ickernden Wa er ent- ziehen die Pflanzen dem Boden wieder und verbrauchen es durch Tran piration.

Anderseits verringern die Pflanzen durch Be chattuna und durch Brem ung der Luft- beweguug die Evaporation von der Bodenoberfläche. Die Durchwurzeluna de Bodens begün tigt in der Regel die Infiltration des ¹ieder chlag wa ers und hemmt den Oberflächenabfluß und die Ero ion. Diese und andere WiJ:kungen auf den Wa ser- hau halt ändern sich mit der Zu ammen etzung der Pflanzende ke.

Der vielfältige Einfluß der Vegetation auf den Was erhau halt wird seit langer Zeit in f.ehr ver chiedenen Klimazonen untersucht. Die Ergebnis e au einer bestimm- ten Region sind pezifisch und dürfen ni ht ohne weiteres auf andere Gebiete über- u·agen werden. In Gebieten mit heftigen Regengü en, aber geringen jährlichen ieder- schlagsmengen möchte man bei piel weise eine Vegetation schaffen, welche die Ero- ion verhindert, jedoch wenig Wa er verbraucht, damit möglich t viel Wa er für den menschlichen Gebrauch übrigbleibt. Hier tellt sich die Aufgabe, mit einem beschränkten Wa erangebot möglichst große landwirt chaftliche und for tliche Erträge zu erzielen. In nieder chlag reichen und gebirgigen Gegenden interes ieren uns hauptsächlich die Ero ionsverhütung und die Abflußregulierung durch eine geeig- nete Vegetationsdecke. In unserem humiden, gemäßigten Klima sind e Fragen der Einwirkung der Vegetation auf den Wa serabfluß in ober- und unterirdi chen Gewä ·

ern, welche besondere Aufmerk amkeit genießen.

In der Schweiz hat man ich recht früh mit der Wirkung de Walde auf den Wa · serhaushalt beschäftigt. Die Arbeiten Engler (1919) und Burgers (1934, 1943, 1945, 1954) über den Einfluß de Walde auf den Wa erabfluß haben For- scher auf der ganzen Erde zu forsthydrologi eben Untersuchungen angeregt. Die beiden Forscher verglichen den Wasserabfluß zweier Einzug gebiete: des tark bewal- deten Sperhelgrabens und des Rappengraben , welcher zum großen Teil aus be toße- nen Weiden bestand. ie versuchten abzuklären, ob der Wald die ihm zugeschriebenen Wirkungen in bezug auf Abflußregulierung, Ero ionsverhütung und Eindämmung der Geschiebeführung der Wildbäche erfüllt.

Heute werden auch Fragen der Trinkwas erversorgung und der Gewässerreinhal- tung aktuell. Das Wa er, welches früher in viel größerem Maße ein freie Gut war, wird in vielen Regionen Europas mehr und mehr zum Gegenstand einer sorgfältigen Bewirtschaftung. Wohl steht es uns in unserem Lande - von Ausnahmen abgesehen - heute noch in genügender Menge zur Verfügung. Aber das qualitativ gute Wasser wird immer stärker beansprucht, während durch die zunehmende Verschmutzung

immer mehr Gewä ·ser als Trinkwasser verlorengehen. Deshalb beschäftigt ich die heutige hydrologische Forschung insbesondere mit Fragen der Wasserqualität in Abhängigkeit von der Landnutzung. Hier sei auf einen Literaturzusammenzug von Keller (1968) verwiesen. Es i t dem Forstmann in humiden Klimazonen ein drin- gendes Anliegen geworden, mehr über den Einfluß der Waldvegetation auf den Was- erhaushalt eines Standortes zu erfahren. Insbesondere interessiert ihn, wieviel Wasser von der Vegetation verbraucht wird und welche Wa sermengen durch einen Wald- boden hindurchsickern und als Quell- oder Grundwasser dem Menschen wieder zur Verfügung stehen.

Die vorliegende Arbeit ist in diesen Problemkreis hineingestellt. An zwei Laub- mi cbwaldstandorten des schweizerischen Mittellandes sollen folgende Fragen unter- ucht werden: Welchen Einfluß übt der Wald unter gegebenen klimati chen Bedin- gungen auf die im Wurzelraum gespeicherte Wa ermenge, auf die Wasserverteilung und die Wasserbindung im Boden aus? Wieviel von die em Wasser ist für die Pflanzen verfügbar? Gibt der Waldhoden aus dem Wurzelraum Wasser an tiefere chichten ab, welches zur Speisung von Quellen und Grundwa ser beiträgt? In wel- chen Perioden ist eine solche Tiefen ickerung möglich? Welche Veränderungen des Wa erhaushaltes treten im Waldhoden unter dem Einfluß der Witterung und der Vegetation im Laufe des Jahres auf? Wie unter cheidet sich der Was erbau halt eines Waldbodens von dem eines vergleichbaren Bodens ohne Vegetation? Kann au den Meßergebnissen ein Wasserverbrauch des Waldes berechnet werden?

In diesen Untersuchungen sollen die Naturvorgänge möglichst quantitativ und in ihren kausalen Zusammenhängen erfaßt werden. Hiefür eignen sich die Methoden der Bodenphysik ganz besonders. Es ist zum Bei piel möglich geworden, die Wa ser- bewegung im Boden mit guter Annäherung an die Wirklichkeit in mathematischen Modellen auszudrücken und zu berechnen. Dies i t bei vielen anderen ökologischen Unter uchungen heute noch nicht möglich. Un ere Unter uchungen wurden in natür- lich gelagerten Böden durchgeführt. Wir wollten die Wa erbindung und Wa er- bewegung im praktisch ungestörten Boden erfa sen. Dieses Ziel ist zum Beispiel bei Ly imeterversuchen nicht erreichbar, weil hier der Boden von einer mgebung los- getrennt werden muß. Die Störungen be chränkten sich bei un eren Untersuchungen auf den Einbau der Meßinstrumente, wie Ten iometer, konduktometrischer Meßele- mente und Wa serstandsrohre. Im Verlaufe der Versuch zeit wurde die Bodenober·

fläche durch die häufige Begehung tellenwei e leicht verdichtet. Die Bodenproben für die Untersuchungen im Laboratorium wurden in genügender Entfernung von den Meßstellen oder nach Abschluß der Feldver uche entnommen.

Die Ergebni se haben streng genommen nur für die beiden untersuchten und ana- loge tandorte Gültigkeit. Will man ie auf andere Gebiete übertragen, o ist die um so eher möglich, je besser Klima, Bestand, Boden und Topographie mit den unter-

uchten Standorten übereinstimmen.

B. Theoretische Grundlagen

Der aldboden i t au minerali chen und organi chen Pa1tikeln vielfältig ter Form und Größe aufgebaut. Je na h Bodentyp sind diese Bauelemente unter si h auf charakteri ti·che Wei e angeordnet und verbunden, so daß sie ein komplizierte räum- liches Gefüge bilden. Der Boden i t von mannigfach verzweigten Hohlräumen ver- chieden ter Größenordnung durchzogen welche Luft und Wasser führen. Gegenstand dieser Arbeit sind die Wa erbindung und die Wa erbewegung in Waldböden. Wenn wir un bewußt ind, wie heterogen die was er peichernden und was erleitenden Hohlräume d Boden ind, o heidet jede Methode, welche regelmäßic:re Poren bekannter Form und Größe vorau etzt, zum vornh rein au . De halb können wir zum Bei piel da Hagen-Poi euill ehe Gesetz nicht anwenden, obwohl e sich auf die trömung von Flü igkeiten in Kapillaren bezieht· denn e gilt nur für Kapillaren mit kreisrundem Quer chnitt und kon tantem Radius ( vgl. Herleitung in V e n n a r d , 1961). Diese orau etzungen incl bei der Was erbewegung im Boden nicht erfüllt.

Es kommt nur ein erfahren in Frage, mit dem man die durchsickernde Wasser- menge berechnen kann, ohne daß man Form und Größe der Kapillaren kennt.

Der franzö ische Ingenieur Dar c y hat im Jahre 1856 eine Methode mitgeteilt, welche diese Bedingungen erfüllt. Aus seinen experimentellen Unter uchungen ergab ich, daß die Wassermenge

Q,

welche pro Zeiteinheit durch ein porö es Medium mit dem Quer chnitt A n·ömt, gleich i t dem Abfall der hydraulischen Höhe H pro Län- geneinheit des ickerwege L, multipliziert mit dem Durchlä igkeit koeffizienten k, dem ogenannten «k-Wert nach Darcy». Da Darcy-Gesetz wird wie folgt formuliert:

Darin bedeuten: Q

k .t!H

L

A

1)

das Wa ervolumen, welches pro Zeiteinheit durch die Quer- schnittsfläche A strömt ( cm³/sec) ;

den Durchlä igkeitskoeffizienten des Boden (cm/ ec);

den Abfall der hydraulischen Höhe H ( cm) über die Länge L des porö en Medium (cm);

die Quer chnittfläche des porö en Mediums (cm²).

Den Ausdruck

.tf{!

der Gleichung 1 nennt man auch den hydraulischen Gradienten i.

Berechnet man die Wassermenge Q für die Querschnittsfläche A = l cm^2, so wird die Gleichung 1 wie folgt vereinfacht:

Q=k·i ²⁾

Q ist die Wassermenge, die pro Zeiteinheit durch die Flächeneinheit strömt. Die Maß- einheit dafür ist cm³/cm^{2 •} sec, oder gekürzt, cm/sec. Das aber ist die Maßeinheit einer Geschwindigkeit, die wir hier v nennen. Formel 2 wird somit

v= k·i 3)

Wenn i

=

l ist, so ist v = k. Da i dimensionslos ist, hat k die Dimension einer Geschwindigkeit. Diese Ge chwindigkeit nennt man die Filtergeschwindigkeit. ie ist die Geschwindigkeit, mit der eine Wa ser äule eine Bodensäule gleichen Querschnüts durchsickert. Der k-Wert nach Darcy in einem wassergesättigten Boden ist eine Kon-

tante, die für jeden Boden be limmt werden muß. Dies gilt nur näherungswei e, da beißt, nur wenn man Dichte- und Viskositätsunterschiede vernachlässigt. Im ungesät- tigten Boden wird der k-Wert eine Funktion des Wassergehaltes und damit der aug- spannung. Solche Funktionen wurden im Rahmen die er Arbeit experimentell bestimmt und für die Berechnung der Wa serbewegung verwendet ( iehe Kapitel

D.Il.

e.).

Im Darcy-Gesetz (Formel 1) ist un noch die Bedeutung der hydraulischen Höhe H unbekannt. Es ist zu zeigen, daß H ein Maß für einen bestimmten Energie-Inhalt des Bodenwassers ist. L1H ist jener Unterschied im Energie-Inhalt, welcher die Wasser- bewegungen im Boden verursacht. Energie hat die Dirnen ion der Arbeit mit der Ein- heit erg im CGS-System. Welcher Art ist nun der Energie-Inhalt des Bodenwa sers, welcher durch H darge teilt wird? Für unsere Wa serbewegungsstudien genügt e , zwei Energiearten zu berücksichtigen.

1. Druckenergie. Druck bedeutet Kraft pro Flächeneinheit (dyn/cm²). Enveitern wir mit der Dimension einer Länge, o erhalten wir Kraft· Weg/Volumen (dyn · cm/cm³

=

erg/cm³), also Energie pro Volumeneinheit. Im ge ättigten Boden unterliegt das Wasser einem positiven hydrostatischen Druck, während der Druck im ungesättig- ten Boden negativ ist. Die er negative Druck, auch aug pannung genannt, wird durch die Oberflächenspannung und die Haftung des Wa er an den Bodenteilchen hervorgerufen.

2. Lageenergie. Im Gravitation feld der Erde haben alle Massen, al o auch da Boden- wasser, ent prechend ihrer geodäti chen Höhe eine be timmte Lageenergie, welche sich beim Fallen in Arbeit umwandelt.

Alle anderen Energiearten, die im Bodenwas er on t noch auftreten, können wir für unsere Betrachtungen vernachläs igen. Die gilt be onder Iür die kineti ehe, o mo- ti ehe und elekt.rostati ehe Energie.

Wollen wir da Druckpotential, da heißt die Druckenergie pro Ma eneinheit de Bodenwassers zahlenmäßig au drücken, o mü en wir dafür eine Bezug-größe ' äh- len. Dies geschieht, indem wir das Druckpotential an einem freien Wa er piegel gleich null setzen. Steht in einem Boden der Was er piegel im Gleichgewicht, o nimmt da Druckpotential nach oben ab, das heißt, e wird negativ. Hier unterliegt da Wa er einer Saugspannung. Unterhalb de Wasserspiegel ist das Druckpotential po itiv, hier besteht ein hydro tati eher Druck. Da Druckpotential de Wa ers nennen wir Kapillarpotential, wenn wir al Bezugsgröße da Potential in einem Wa ser piegel gleich null setzen.

Analog verfahren wir bei der Me sung des Lagepotentials (= Lageenergie pro Mas eneinheit Wasser). Wir wählen auf beliebiger geodätischer Höhe einen Bezug ·

horizont, de en Lagepotential wir ⁰lei h nuJl lzen. Höh r aeleaene Punkte haben ein Lagepotential mit po iti em, tiefer gelegen mit einem negativen · orzei •hen.

un wollen wir die Begriffe der Dru k- und Lageenergie unseren praktischen Zwecken anpas en. Wir bezeichnen die Druckenergie pro olumeneinheil mit E₁₁ und können chreiben:

E11 =e·g·h

Ep hat im CG - ystem die Einheit erg/cm3•

(! = Dichte des Was ers (g/cm³)

g = Erdbeschleunigung ( cm/s²)

4)

Wenn p der Druck (dyn/cm²) ist, bei welchem da Wa er die Dru kenergie pro olumeneinheit E₁₁ hat, o ist

h = Höhe der Wasser äule, deren Gewicht pro Flächeneinheit dem Druck p ent- pricht (cm). Die e Höhe nennen wir Druckhöhe.

Die Lageenergie pro olumeneinheit Wa ser bezeichnen wir mit E2 und können ie wie folgt formulieren:

Ez = e·g·z Ez hat die Dimension Energie pro olumen (erg/cm³).

z = lotrechte Entfernung vom Bezug horizont, geodätische Höhe genannt ( cm) . Die umme von Drnck- und Lageenergie pro Volumeneinheit Wasser ei E, also:

Ep,z = Ep + Ez

1un setzen wir für E₁₁ und E2 Formel 4 und 5 ein:

5)

6)

7)

Dividieren wir E₁₁,z durch die Dichte und die Erdbeschleunigung, so ist dies die hydraulische Höhe H:

Aus Formel 7 können wir jetzt die hydraulische Höhe wie folgt schreiben:

H= o·g·h

+

^o·g·z

(}·g (}·g

Wir kürzen mit

e ·

^g und erhalten daraus

H(cm) = h(cm) + Z(cm)

Wir können jetzt die hydraulische Höhe folgendermaßen definieren:

Di,e hydraulische Höhe ist die Summe aus der Druckhöhe h und der geodätischen Höhe z.

Sie hat die Dimension einer Länge (cm).

8)

9)

Die Druckhöhe h mißt man im gesättigten Boden mit dem Piezometer, im ungc ät- tigten Boden mit dem Tensiometer.

Figur l

Druckhöhe h und geodätische Höhe z im Boden mit einem Wasserspiegel im Gleichgewicht.

ha (negativ) + za = hb (positiv) + Zb

~-... · ~:,: 7

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Bezugshoriz~>nt _ ;;

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Figur 2

Der hydraulische Gradient i in einer lotrecht gestellten, wassergesättigten Bodensäule.

~f a

:~-~:~-;,>,:.;

c, :.:,;,·.,.r

·:·~::.'\:f:;,,'

Za

!i~f

i•(.,:

~ .-.: :

= =-- ^{-= :::: -=-=- --=-=}

Bezugshorizont

In Figur 1 i t die Bedeutung von Druck- und ⁰eodäti eher Höhe veranschaulicht.

ir betrachten einen Boden mit einem a ser piegel im Gleichgewicht. Im Punkt b, der ich unter dem Wa er piegel befind t, zeigt das Piezometer die positive Druck- höhe (hb) an. Im Punkt a„ der ich im uno-e ättigten Boden über dem Wasser piegel befindet, zeio-t ein Ten iometer die negative Druckhöhe h.0 an. Die hydraulische Höhe i ^t

beia bei b

Ha = ha + Za und Hb = hb + Zb Da ein Gleichgewicht be teht, i t H u = H b·

Zurückkommend auf da Darcy-Gesetz, von welchem wir au gegangen sind, wollen wir den hydrauli chen Gradienten i an einem Beispiel erläutern. In der lotrecht ste- henden Boden äule in Figur 2 i t oben die Druckhöhe hu und unten hb. Analog beträgt die geodäti ehe Höhe oben zu und unten Zb· Wie berechnen wir nun den hydraulischen Gradienten i im Innern die er Bodenprobe, der die Was bewegung Q von oben nach unten verursacht?

Bei der Umformung der Formel 1 in Formel 2 haben wird}!= i gesetzt . .dH bedeutet hier den Abfall der hydraulischen Höhe

H=Ha-Hb oder gemäß Formel 9

H =(ha + z0)-(hb + zb) In un erem Beispiel i t Daraus setzen wir zusammen

LlH L

L = ^{Za - Zb}

i = ha + za - hb - Zb Za-Zb

Angenommen, wir kennen den k-Wert die er Bodensäule mit dem Querschnitt A, so können wir nun die Wassermenge Q, welche pro Zeiteinheit hindurchströmt, mit dem Darcy-Gesetz berechnen: Q = k · i · A.

In den mei ten Fällen ist aber der k-Wert unbekannt. Wir können ihn mit dem gleichen Modell bestimmen, indem wir das Darcy-Gesetz wie folgt umformen:

k=--:---_{i •} Q A

eben i und A müssen wir al o noch die Durchflußmenge Q messen.

Außer der Wa erbewegung beschäftigt uns hier die Frage der Wasserbindung im Waldboden. Wir haben gesehen, daß im unge ättigten Boden augkräfte, hervor•

gerufen durch die Oberflächenspannung des Wassers in den Kapillaren, auftreten.

Diese Bindungskräfte müssen die Pflanzenwurzeln überwinden, wenn sie aus dem Boden Wasser aufnehmen. Es ist aus zahlreichen Untersuchungen bekannt (V e i h - m e y er 1950), daß die mei ten Pflanzen irreversibel zu welken beginnen, wenn die Saugspannung rund 15 at erreicht. Es ist nun wichtig, bei welchem Wasser•

gehalt in einem bestimmten Boden die Pflanzen irreversibel zu welken beginnen.

Diesen Wa sergehalt nennL man den permanenten W elkepunkt (R i c h a r d s 1949).

Liegt in einem Boden der Wassergehalt über dem permanenten Welkepunkt, so können die Pflanzenwurzeln das Bodenwasser aufnehmen. Das Wasser ist aber nicht gleich- mäßig auf dem ganzen Saugspannungsbereich von der ättigung bis zum Welkepunkt verfügbar. Erstens versickert das s ·hwach gebundene Wa ser in den weitesten Poren relativ rasch, so daß es den Pflanzen prakLi eh nicht zur Verfügung teht. Diesen Anteil des Bodenwa sers nennt man Gravitationswasser. Die Was ermenge, die im Boden zurückgehalten wird, nachdem das Gravitationswasser versickert i t und die Abwärt bewegung wesentlich abgenommen hat, nennt man Feldkapazität. Diese kann ich nur in einem Boden einstellen, in welchem das Wasser ungehemmt versickern kann. Die aug pannung bei Feldkapazität ist je nach Textur und Struktur des Bodens ver chieden. Man vergleiche hiezu V e i h m e y e r und H e n d r i c k s o n 1948 und R ich a r d 1953 a. Wir sehen also, daß nur das Wa ser zwischen Feldkapazität und permanentem Welkepunkt den Pflanzen zur erfügung steht. Deshalb nennen wir es verwertbares Wasser.

Eine weitere Ein hränkung zur Verwertbarkeit des Wa ers ist zu erwähnen. Auch im Bereich zwischen Feldkapazität und permanentem Welkepunkt können die Pflanzen das Wa ser nicht mit gleichmäßigem Energieaufwand aufnehmen. Versuche haben gezeigt, daß viele Pflanzen bis zu einer Saugspannung von 0,8 at optimal wachsen.

teigt die Saugspannung höher, so treten Wachstumseinbußen auf, und allmählich stockt das Wachstum gänzlich. Zwischen dem optimalen Saug pannung bereich und dem permanenten Welkepunkt klingt das Pflanzenwachstum mit zunehmender Saug-

pannung allmählich ab. In dieser Arbeit wird der Wa ergehalt des Bodens, der zwischen Feldkapazität und 0,8 at Saugspannung_ liegt, leicht verwertbares Wasser (w111) und das Wa er zwischen 0,8 und 15 at Saugspannung schwer verwertbares Wasser (w.vs) genannt. Wasser, da mit über 15 at gebunden ist, nennen wir nicht ver- wertbares Wasser ( w_{0 } .}

C. Methoden

I. Feldversuche

a) Tensiometer

Da geeignet te In trument zur Mes ung der aug pannung im Feld ist für un ere Art von nler uchung heute immer noch da Ten iometer. E zeichnet ich durch Einfachheit und Genauigkeit au . Eine eingehende Beschreibung und die Definition von Kennwerten gibt Richard (1949). Da Ten iometer i t, wie sein ame agt, ein Manometer, das die negativen Drucke des kapillar im Boden gebundenen Was er mißt. Da die e Wa er nicht frei beweglich i t, muß durch ein pezielle Medium Kontakt zwi hen dem Kapillan a er de Boden und der Manometerflü igkeit de Tensiometer (Quecksilber) berge tellt werden. Die er Kontakt erfolgt durch eine poröse, was ergesättigte Tonkerze, wie ie in Figur 3 angegeben i t. Durch die Ton- kerze überträgt ich die aug pannung des Bodenwa er auf da Wa er im Ten io- meter und damit auf da Quecksilber. Die Höhe der hochgezogenen Queck ilber äule gibt bei Gleichgewicht die aug pannung de Bodenwa ers an. Bei richtiger Arbeit . wei e (vgl. Am. Soc. of. Agr.1965) entspricht die Manometeranzeige der im Boden herrchenden Saug pannung. Das Ten iometer zeigt aug pannungen bis zu einem 1aximalwert von 0,8 bis 0,9 Atmo phären an. Höhere aug pannungen werden nicht mehr angezeigt, weil ich im Ten iometer Wa erdampfbla en bilden. Auch po itive hydro tati ehe Drucke können abgelesen werden. Da i t dann der F11ll, , enn ein Wa er piegel höher als die Kerze im Boden steht und ich nicht zu ra eh verändert.

Für unsere Unter uchung wurden die Ten iometer in der eigenen Werkstatt her- gestellt. ie entsprachen dem in Figur 3 gezeigten chema. Die Skala zum Quecksilher- manometer wurde direkt auf da Tensiometerrohr aufgeklebt. Auch das Queck ilber- Vorratsglas wurde am tab selber befe tigt. Eine Luftfalle au Plexigla oben am Tensiometerrohr erlaubte e , jederzeit zu kontrollieren, ob ich im Innern Luftbla en befanden.

Beim Einbau war darauf zu achten, daß die Kerzen all eitig guten Kontakt mit dem Boden hatten. Hiezu wurde das Loch, in dem die Kerze stecken ollte, mit einem enge- ren Spiralbohrer gebohrt, so daß die Kerze beim Einführen allseitig fest angepreßt wurde. Die beim Einbau der Ten iometer un ermeidlichen Boden törungen wurden damit klein gehalten.

Zur Berechnung der Saugspannung aus den Queck ilbersteighöhen sind zwei Instrumentenkonstanten notwendig, die für jeden Ten iometertyp zu be timrnen ind.

Die er te ist die Entfernung der Queck ilber-Einfüllhöhe vom kalennullpunkt (a).

Man vergleiche hiezu Figur 3. Für unsere Ten iometer lautete die Formel wie folgt:

a= ^{LI/Oll . 011011 '}

Octas

!!11g (QKap +

Oc1as) -D

¹⁰⁾

_.1

• ..-2

Figw· 3 Das Tensiometer.

Bestandteile:

1 Gummistopfen 2 Luftfalle aus Plexiglas

3 Kunststoffrohr, Innendurchmesser= 10 mm 4 Manometer-KapiJlare aus Teflon

5 Hg-Vorratsgefäß 6 Hg

7 Keramikkerze

Maße:

LBOB = Entfernung des Skalen-Nullpunktes von der Kerzenmitte 0 = Skalen- ullpunkt, d.h. Manometerstand bei

Saugspannung = 0

a = Entfernung der Quecksilber-Einfüllhöhe vom Skalen-Nullpunkt

a' = Steighöhe des Quecksilbers über dem Skalen-Nullpunkt bei Saugspannung = S; (in Hg cm)

Berechnung der Quecksilber-Einfüllhöhe a

(J. = LsoH . fJHOH . QGlas fJBg (QKap. + Qc1as) - D

Berechnung der Druckhöhe h an der Keramikkerze p

=c h = -~P _ _

enon · g h ^{a •} ' ^C

= - - -

eaoH

e

₈₀

r

₁ = Dichte des Wa sers (1,00 g/cm³)

!!Hg = Dichte des Quecksilbers (bei 15 °C 13,56 g/cm³)

Q Glas = Querschnitt des Queck ilber-Vorratsglases (cm²)

QK ap. = Querschnitt der Manometerkapillare (cm²)

D = Kapillardepression des Quecksilbers in der Kapillare (cm)

p = Druck an der Keramikkerze (bar) g = Erdbesd1leunigung (981 cm/sec⁹)

h = lJruckhöhe an der Keramikkerze (WS cm)

Lnou = Enlfernw1g des kalennullpunkte von der Kerzenmitte ( cm)

QKap. = Quer chnitt der Manometerkapillare (cm²)

QolM = Querchnitt des Queck ilber- orrat:sgefäße ( cm²⁾

(]nOH = Dichte de Was er (1,00 g/cm³)

i2Bu = Dichte de Queck ilber (bei 15 °C 13,56 g/cm³)

D = Kapillardepre ion des Queck ilbers in der Kapillare ( cm)

Die zweite In trumentenkon tante, die be timmt werden muß i t der Faktor c. Mit ihm mü en die Manometerablesun°en multipliziert werden, damit man die augspan- nungen in Zentimeter as er äule ( W cm) erhält.

(

QKap. ) 1 c= {!H -(]BOB+{}H(J. - - - -

g . • Qclas Qf[OH 11)

Die Herleitung der Formeln 10 und 11 wird demnäch t in einer Publikation die er Reihe erläutert werden.

Der Faktor c berechnete ich für un ere Tensiometer , ie folgt:

C = 13,56 - 1,00 + 13,56

C = 12,95

0,027 0,950

Zur Charakterisierung der Tensiometer definierte Richard (1949) Kennwerte.

Die e wurden an un eren Feldtensiometern bestimmt und in der Tabelle 1 zusammen- gestellt.

Tabellr 1 Kennwerte nach R(chards 1949 der~verwendeten Tensiometer

1

Kennwert

1 l\1inin1um

1 Millcl

1 Maximum

Luiteinlrittswert at 2,5 4,1 6,2

Oberfläche der Kerze cm² 40

Durchlässigkeit der neuen Kerzen cm³/min at 0,6 1,4 2,0 Durchlässigkeit der gebrauchten Kerzen cm³/min at 0,4 0,9 2,2

Empfindlichkeit (S) des Manometer at/cm³ 0,5

Anzeigezeit-Konstante (T)

neuer Kerzen min 1,0 1,4 3,4

gebrauchter Kerzen min 0,9 2,9 4,6

Diese Kennwerte ind wie folgt definiert:

- Der Lu/ teintrittswert (at) ist jene Luftdruckdifferenz zwischen Innen- und Außen- wand, bei welcher eine wassergesättigte Keramikkerze Luftblä chen durchtreten läßt.

- Die Oberfläche der Kerze (cm²} ist die Außenfläche, mit welcher die Kerze den Boden berührt und Wa ser au tauscht.

- Die Durchlässigkeit der Kerze K (cm⁸/min·at) ist das Wasservolumen, welches bei einem Druckunterschied von l at zwischen Innen- und Außenseite der Kerze durch die Wand pro Minute hindurchtritl.

- Die Empfindlichkeit des Manometers S (at/cm3) ist die augspannung, die da Ten iometer anzeigen muß, damit ich l cm³ Wasser aus dem Ten iometer durch die Kerze in den Boden verschiebt. Steigt für l cm³ verschobenes Was er das Quecksilber stark an, o ist das Tensiometer empfindlicheT als bei geringem An- stieg. Die Empfindlichkeit des Manometers ist vom Durchme er der Kapillare abhängig.

- Die Anzeigezeit-Konstante T (min) berechnet sich aus K und S (T = 1/K · S).

ie ist ein Maß für die Schnelligkeit, mit welcher das Ten iometer eine augspan- nungsveränderung anzeigt. T ist die Zeit (min), welche ein in Wa er getauchtes Ten iometer braucht, um eine plötzlich eintretende DruckveTänderung zu 63 2

%

anzuzeigen.

Der Lufteintrittswert eines Tensiometers muß größer sein al l at, son t würde der Meßbereich zu ätzlich vermindert, weil die Kerze bei an und füT sich noch meßbaren augspannungen bereits Luft durchtreten ließe. Die Größe der Kerzenoberfläche ist meistens ein Kompromiß zwischen ETfordernis en der Einbautechnik und der Anzeige- zeit-Konstante T, die ja möglichst klein sein sollte und somit eine große KeTzenober- fläche wünschbar macht. Die Leitfähigkeit sollte möglichst groß sein. Doch setzen der erforderliche minimale Lufteintrittswert und die be chränkte Oberfläche enge Grenzen.

Die Leitfähigkeit der Kerzen nimmt nach längerem Einbau im Boden ab offenbar weil Poren verstopft werden (vgl.Tabelle l). Je größer die Empfindlichkeit de Mano- meters ist, um o kleiner wird die Anzeigezeit-Konstante T, was sehr erwü.n cht ist.

Eine kleine Anzeigezeitkonstante bedeutet, daß ein Tensiometer auf aug pannung - veränderungen rasch reagiert. Richards (1949) nennt eine Minute al normal für Feldtensiometer. Unsere Tensiometer waren etwa träger, aber immer noch ra eh genug für unsere Anforderungen.

Die Genauigkeit un erer Tensiometer wurde von Herrn For Lingenieur Chr.Gy i im Laboratorium geprüft. Er füllte ein Gemisch Quarz and-Boden in Gefäße, deren Boden aus einer porö en Platte be tand, und ättigte von unten her mit Wa er. Mit dem Bodengefäß war ein in der Höhe erstellbares Wa ergefäß verbunden. Je nach Einstellhöhe des Was ergefäßes konnte nun im Quarz and-Bodengemi eh im Bereich von 0-120 WS cm jede beliebige Saug pannung erzeuo-t werden. In solche Gefäße mit Quarzsand-Bodengemi eh haute er neun Tensiometer ein und be timmle die augspan- nung. In der Tabelle 2 sind die abgele enen aug pannungen, umo-erechnet in W cm, aufgeführt.

Im Bereiche von Obis 110 WS cm Saug pannung streuten die Einzelwerte der Ten- siometerablesungen um 1,1 bis 2,1 WS cm. Bei neun Wiederholungen betrug der zufällige Fehler des Mittelwertes 0,4 bis 0,7 WS cm und die Abweichung de Mittel-

Prö.fung der Feldtensiometer im Laboratorium; Vergleich der tutsiiehliehen

Tabelle 2 Saugspannung im Boden mit der Tensiometeranzeige

llöhe der Kcncnmittc Üb{'r Mittel der ougspnnnuugen, bwcichung de!

der [reicn \Va crobcrflüchc angezeigt von 9 Tensiometern M ittclwcrlcs x

vom wnhrcn Wert

w: cm WScm II' cm

x _X s„

0 1,6 0,5 1,4 + 1,6

9 8,9 0,6 2,0 - 0,1

16 15,3 0,7 2,1 -0,7

24,5 24,6 0,6 1,7 + 0,1

47,5 47,0 0,6 1,8 - 0,5

109,5 109,0 0,4 1,1 -0,5

wertes

x

vom wahren Wert +1,6 bi -0,5 WS cm. Daraus geht hervor, daß die Ten- siometer in diesem Saugspannungsbereich genaue Werte liefern, genauere jedenfalls als irgendeine andere Methode. Es be teht kaum Anlaß zur Annahme, daß die Genauig- keit mit noch höherer augspannung abnimmt, bleibt doch der absolute Betrag der Abweichung des Mittelwertes vom waluen Wert von O bi 109,5 WS cm aug pa11- nung ungefähr gleich groß, ebenso der zufällige Fehler (s:x). Diese Feststellungen stehen im Gegensatz zu den Bedenken über die Brauchbarkeit der Tensiometer, wel- che K a u s c h ( 1955) geäußert hat.

Für die Messung der augspannung in verschiedenen Bodentiefen von Obi 160 cm bauten wir Tensiometer verschiedener Länge. Es wurde darauf geachtet, daß die Ten- siometer nicht länger waren, als absolut erforderlich war, weil mit jeder erlängerung des Rohres der Meßbereich eingeschränkt wird. Zu den wichtigsten Handhabung · regeln gehört die Verwendung von gut entlüftetem Was er zum Auffüllen. Die Ahle•

sungen dürfen nicht bei direkter onnenbe trahlung gemacht werden. Mußte ein Ten- siometer ersetzt oder neu aufgefüllt werden, o erfolgte die nächsle Ahle ung er t nach vierundzwanzig tunden.

b) Konduktometrische Feuchtigkeitsmessung

Der Meßbereich der Tensiometer ist bei 0,8 bis 0,9 at augspannung begrenzt.

augspannungen über dieser Grenze incl also nicht mehr meßbar. Die Pflanzenwur- zeln können aber dem Boden auch bei höheren aug pannungen noch Wasser entzie•

hen. Erst bei ungefähr 15 at Saugspannung ist das Wasser für die mei ten Pflanzen nicht mehr aufnehmhar, so daß sie welken. Deshalb wurde nach einer Methode gesucht, die erlaubte, auch Saugspannungen über 0,8 at zu messen. Feldtüchtige Meßverfahren nach dem Tensiometerprinzip existierten für diesen Meßbereich noch keine. Hingegen gibt es Meßelemente, welche die Bodenfeuchtigkeit auf indirektem Wege messen. Eine

dieser Methoden sind die elektro-konduktometrischen Meßelemente nach C o 1 m an un.d ·He n d r i x (1949), die unter dem Namen <(Sandwiches» bekannt sind. Sie haben sich in Forschung und Praxis vielfach bewährt (vgl. Richard 1964). Ihr Nachteil gegenüber den Tensiometern besteht darin, daß sie die Saugspannung nicht direkt messen, sondern eine ziemlich umständliche Eichung erfordern. Diesen Nachteil haben $ie aber mit allen andern indirekten Meßverfahren gemeinsam.

Die Meßelemente bestehen aus zwei Metallelektroden, welche mit einem Glasfaser- gewebe umwickelt und in einem flachen, durchlöcherten Metallgehäuse untergebracht sind. Die Außenabmessungen betJ:agen 2,5 cm X 6,0 cm X 0,3 cm. Ist nun das Meß- element im Boden vergraben, so nimmt das Glasfasergewebe durch die Löcher des Gehäuses je nach der Bodenfeuchtigkeit mehr oder weniger Wasser auf. Dadurch wird die Leitfähigkeit zwischen den beiden Elektroden zu einem Maß für die Boden- feuchtigkeit. Zur Messung der Leitfähigkeit wird ein zerhackter Gleichstrom bestimm- ter Spannung verwendet. Der ohmsche Widerstand des Meßelementes wird aus der Stromstärke mit einer Eichkurve bestimmt. Da auch die Temperatur die elektrische Leitfähigkeit der Meßelemente beeinflußt, ist darin ein Thermistor untergebracht, dessen elektrischer Widerstand ein Maß für die jeweilige Bodentemperatur ist. Die Widerstände der Meßelemente werden auf die Standard-Temperatur (60 °F = 15,6 °C)

umgerechnet. _

Die Meßelemente der Versuchsflächen «Buchberg» und « Winzlerboden» eichten wir nach verschiedenen Verfahren. Im Versuch «Buchberg» wurde die Beziehung Widerstand-Saugspannung wie folgt ermittelt. In einem Drucktopf (R i c h a r d 1953 b) bauten wir auf einer porösen Platte drei verschiedene Böden ein: karbonat- haltigen Sandboden «Chahlais», neutralen Tonhoden «Großmatt» und sauren Staub- lehmhoden «Buchberg». Von allen drei Böden nahmen wir die Feinerde. Darin bet- teten wir je sieben Meßelemente ein und maßen ihren Wider tand bei Saugspannun- gen von O bis 0,9 at. Die Eichkurven, welche wir aus diesem Versuch erhielten, glichen sich in der Form (siehe Figur 4). Wenn man die Ordinate (Saugspannungen) so einteilte, daß die Kurve der Mittelwerte für die drei Böden eine Gerade wurde, die durch den Koordinatenschnittpunkt ging, so wurden in diesem abgeänderten Koordi- natensystem alle drei Kurven annähernd zu Geraden, die ebenfalls durch den Koordi- natenschnittpunkt gingen (Figur 5).

Dieser Versuch zeigte, daß bei chemisch und physikalisch sehr ver cbiedenen Böden dfo Eichkurven der Meßelemente ähnlich verlaufen und in einem entsprechend veränderten Koordinatensystem zu Geraden werden, die durch den Koo1·dinaten- schnittpunkt gehen. Für die Festlegung del' Eichgeraden mußte folglich nur ein ein- ziges Wertpaar (Widerstand-Saugspannung) bekannt sein, damit diese im angepaß- ten Koordinatennetz festgelegt werden konnte. Dieses Wertpaar wurde folgender- maßen bestimmt. Aus den gemittelten Tensiometerablesungen einer Meßstelle und den gleichzeitig gemessenen, ebenfalls gemittelten Sandwich-Widerständen wurden Regres- sionskurven berechnet. Im sichei:sten Bereich dieser Kurven wurde nun gutachtlich ein Wertpaar herausgegriffen und als Punkt in das veränderte Koordinatennetz ein- gesetzt. Damit war die Gerade festgelegt, da sie ja durch den Koordinatenschnittpunkt

Figur 4

Eichkurven der konduktometri,,:hcn Meßelemente für dr ,j ver eh i.cden' Böden, bestimmt auf porc:~en Platten in der Druckapparatur.

Saugspannung (WScm)

800

600

GOO

200

0 0

1

I

i

i

1

f / I / l 1 I

I

/ I

/

/

I I

( I 1 /

/

--- ---

---

/

✓--

/

.,Chablais"

,.Grossmatt"

.. Buchberg "

10 20 30

Widerstand der Messeiern ente ( k Q)

gehen mußte. Der Bereich un"erer Eichung von O bis 0,9 at erwies ich als knapp genügend, da nur in ganz vereinzelten Fällen Widerstände gemes en wurden, welche einer Saugspannung über 0,9 at enl prachen. Obwohl die gemittelte augspannung an einer Meß telJe in allen Horizonten fast au nahm los unter 0,9 at blieb, über chrill die Saugspannung an einzelnen Tensiometern im Feld doch deren Meßbereich. Wenn dies nun bei einem oder m hreren Tensiometern einer be timmten Bodentiefe geschah, so wurde die Saugspannung für die betreffende Periode an jener Meß teile au den Widerständen der konduktometri chen Meßelemente ermittelt. Die e indirekte Bestim- mung der Saugspannung i t wesentlich ungenauer al die Tensiometermelhode. Auf der Darstellung der aug pannungsverläufe im ersuch «Buchberg» ( iehe Tafeln im Anhang) sind deshalb die Perioden, während welcher die Saug. pannung kondukto- metrisch ermittelt wurde, als ·trichpunktiert eingerahmte Flächen kenntlich gemacht.

Im Versuch «Winzlerboden» war ein einfachere Eichverfahren möglich, weil nur wenige Meßelemente gebraucht wurden. Die Saug pannung stieg hier zeitwei. e höher als im «Buchberg»-Boden, so daß eine direkte Eichung der im Feld verwendeten Meß-

Figur 5

Eichung der konduktometrischen Meßelemente, Mittelwerte der drei Böden als 45°-Cerade aufgetragen und Ordinate angepaßt.

Sougsponnu ng

(WS cm)

900

875

850

800

690 500 345 80

,, Grossmatt". Chablais" Mittel .. Buchberg "

0-JE'- - - -.---- - - - r - - - -. - - -- - - , - -- - - . - - - , - -

0 10 20 30

Widerstand der Messelemente ( kQ)

elemenle angezeigt war. Die Meßelemente wurden nach Beendigung der Feldver uche ausgegraben und in eine am Ver uch tandort entnommene, natürlich gelagerte Bodenprobe auf der Druckmembran-Apparatur eingebaut. Au der Me sung der Widerstände bei verschiedenen Drücken ließen ich Eichkurven aufstellen, welche die Ermittlung der Saugspannungen aus den Wider tänden erlaubten. Auch die Genauig- keit die es Verfahren i t viel kleiner al die der Tensiometer. De halb ind auch in der Dar tellung de Saugspannung verlaufes « Winzlerboden» alle Perioden, in wel- chen die konduktometri ehe Methode zu Hilfe genommen werden mußte, ·Lrichpunk- tiert eingerahmt.

c) Me ztng der Nieder chläge

Zur Untersuchung des Was erhau halte im Wald und auf vegetation lo en Böden müs en die ieder chläge bekannt sein, ·welche auf die Bodenoberflä he gelangen.

Differenzierend wirkt die lnterzeption des Bestandes. Wegen der Interzeption gelangt auf den Waldboden unter on t vergleichbaren erhältnis en weniger rieder chlag al auf die vegetation lose er⁰leich fläche. Zudem bewirken die Baumkronen eine unregel- mäßige Verteilung de durchtropfcnden ieder chlag wa ser . Die ~der chläge sind unter dem Kronendach eines Walde von den F1·eilandniederschlägen nach Ienge und Verteilung ver hieden. ie mü en de halb gesondert gerne sen werden. fit Rücksicht auf die unregelmäßige Verteilung der ieder chläge wurden im ersuch

«Buchberg» unter dem Be tand, d. h. an der Bodenoberfläche, eine entsprechend grö- ßere Anzahl Regenmes er aufgestellt als auf der Kahlfläche. Damit blieb der zufällige Meßfehler in einem engeren Rahmen.

Im ersten Ver uchsjahr (1965) bestand die Regenmeßeinrichtung im Ver uch

«Buchberg» au zwei Regenme sertypen. Auf der Kahlfläche standen fünf Regenmes•

er vom Typ Heilmann mit 200 cm² Auffangfläche in einem Meter Höhe über dem Boden. Im Bestand wurden die iedersch.läge mit vierzig Diem-Regenrne ern gemes- sen (Firma Lambrecht, Göttingen) mit 100 cm² Auffangflä he, 20 cm über dem Boden aufge teilt. Da aber die beiden Regenmessertypen etwas ver hiedene Re ultate gaben und erst noch beide auf verschiedener Höhe aufgestellt waren, wurden im zweiten Versuch jahr neben den Hellmann-Instrumenten noch je zwei Diem-Regenme er in 20 cm über dem Boden aufge tellt. Der ergleich zeigte, daß die Hellmannwerte syste- mati eh kleiner waren als die Diem-Able ungen. Aus den Me sungen de Jalu-e 1966 ließ sich eine Eichgerade berechnen, mit deren Hilfe man die Hellmannwerte de Jahres 1965 korrigieren konnte. Damit wurden alle ieder chlagsmessungen mitein- ander vergleichbar. Im Versuch «Winzlerboden» verwendeten wir nur Diem-Regen•

messer. Die Ahle ungen erfolgten in der Regel nach jedem Regentag. Aus prakti chen Gründen war es nicht möglich, immer um 07 .30 Uhr abzulesen, wie es die Meteoro•

logische Zentralanstalt (MZA) für ihre Meßstationen vor chreibt. Damit die Tage - mengen, welche wir auf den Versuchsflächen maßen, trotzdem mit den Me sungen der MZA verglichen werden konnten, wurden die von uns gemessenen iederschlags•

mengen entsprechend den Daten der nahe gelegenen tationen Andelfingen und Rheinau sinngemäß verteilt. Enthielt zum Beispiel eine unserer Ablesungen ieder- schläge, welche von den meteorologischen tationen zwei oder mehreren Tagen zuge•

ordnet wurden, so mußten unsere festgestellten iederschläge im gleichen Verhältnis auf die entsprechenden Daten verteilt werden.

d) Messung des Stammabflusses

Will man die auf den Waldboden gelangende iederschlagsmenge kennen, o genügt die Aufstellung von Regenmessern nicht. Je nach Alter, Mi chungsart und Struktur eines Bestandes fließen mehr oder weniger große Mengen iederschlags- wasser den Stämmen entlang auf den Boden. An Laubhölzern i t der tammabfluß meistens größer als an adelhölzern. Verschiedenen Untersuchungen i t zu entnehmen (De lf s 1955), daß der Stammabfluß im humiden Klima Mitteleuropas in Buchen- beständen 7 bis 17 % des Jahresniederschlage betragen kann, in Eichenbeständen 6 bis 8

%.

In Laubmischwäldern muß zur Ermittlung der Interzeption der Stamm- abfluß unbedingt mitgemessen werden. Hingegen ist er in adelholzbe tänden viel geringer. An alten, grobborkigen adelbäumen ist bei unserer iederschlag vertei- lung meist überhaupt kein oder fast kein Stammabfluß mehr festzustellen ( vgl. D elf s 1955).

Auf der Versuchsfläche «Buchberg» steht ein Eichen-Buchen-Mischbestand mit eingesprengten Spitz- und Bergahornen, Linden, Hagebuchen, Kirschbäumen und

Figur 6

«Buchberg», Messung des Stammabflusses.

Photo Paul Schcrret

Lärchen. Hier war ein beträchtlicher Stammabfluß zu erwarten. Hingegen konnte man erwarten, daß der Stammabfluß auf der Versuchsfläche « Winzlerboden», die von einem Föhren-Altbestand bestockt ist, sehr gering war, das heißt höchstens 1

%

des Niederschlages (De 1 f s 1955). Deshalb durften wfr hier den Stammabfluß vernach- lässigen.

Der Bestand «Buchberg» ist dreischichtig und vielfältig gemischt. Der Stamm- abfluß wurde auf einem Ausschnitt des Versuchsbestandes an sämtlichen Bäumen gemessen. Die Fläche maß 1/_2 Are und war mit 20 Bäumen aller Bestandesschichten bestockt. Die gemessenen Starnmabflußmengen wurden in Liter/Quadratmeter (= mm Niederschlagi,höhe) umgerechnet. Da der Bestand auf der Versuchsfläche im Durch- schnitt ehvas lockerer war als auf der Stammabflußmeßfläche, mußten die so berech- neten Stammabflußmengen pro Flächeneinheit noch mit einem Korrekturfaktor mul- tipliziert werden. Dieser ergab sich aus dem Quotient « Überschirmungsgrad auf der ganzen Versuchsfläche/Überschirmungsgrad auf der.Stammabflußfläche.» Der Über- schirmungsgrad wurde aus einer Kronenprojektionskarte durch Planimetrierung ermittelt. Der Korrekturfaktor betmg 0,958.

Die Technik der Stammabflußmessung war sehr einfach und wirksam (Figur 6).

Ein Profilgummi wurde in zwei Spiralwindungen um den Baumstamm gelegt, so daß er eine v-förmige Rinne bildete, in welcher der Stammabfluß abgeleitet wurde. Zur Abdichtung der Ritzen und Unebenheiten der Rinde bewährte sich Baumwachs recht gut. Die Gummirinne mündete in einen Kunststofftrichter, an welchen ein PVC- Schlauch angeschlossen war. Dieser leitete das Wasser in einen Meßbehälter aus trans- parentem Kunststoff. Eichstriche an der Außenseite des Behälters erlaubten die direkte Ablesung des aufgefangenen Wasservolumens. Anfänglich überliefen bei starken Regenfällen einige Meßbehälter. An einer schief stehenden Buche wurde beobachtet, daß der Stammabfluß bei intensivem Regen über die Auffangrinne hinausspritzte.

Diese Mängel konnten leicht behoben werden, so daß die Einrichtung befriedigend funktionierte. Die Ablesungen des Stammabflusses erfolgten gleichzeitig mit der Messung der Niederschläge.

e) Messung der Wasserspiegeltiefe

Wie bereits im Abschnitt a dieses Kapitels erwähnt wurde, zeigt da Tensiometer auch positive hydro tatische Drucke an. Wenn wir den Wasserspiegel mit derjenigen Bodentiefe definieren, in welcher die Druckhöhe gleich null ist, so läßt sich au den Tensiometerablesungen durch Interpolation die Lage des Was erspiegels zwischen zwei Meßtiefen berechnen. Diese Berechnung stimmt mit Beobachtungen im Wasser- standsrohr überein, wenn da Wasser im Boden im Gleichgewicht ist. Sobald aber hydraulische Gradienten auftreten, weichen die beiden Me sungen voneinander ab.

Um die Tensiometerablesungen während Perioden, da der Wasserspiegel höher als die tiefsten Tensiometerkerzen stieg, zu überprüfen, wurden auf der Versuchsfläche

«Buchberg» neben einigen Meßstellen Wasserstandsrohre zwei Meter tief eingebaut.

Figur?

«Buchberg». Be timmung der Wa r pi gellagc.

Ordinat': Lage au d r Ten iomet r- bl • ung b rechnet.

Ahszi e: Lage im ~'a er tand rohr g m en, ca. 2 111 von den Ten iometern enlf 'rnt.

Aus Tensiometerablesung 1cm)

200 , -- - -- - - - , - - - , - - - , - - - -- - - - ,

• •

100 + - - - + - -- ---+,,L...- - - - --+---l

•

•

•

•

•

0-j<---- -- - - +---- ---+---+---~

0 so 100 150 200

Aus Wasserstondsrohren ( cm)

E waren ge chlitzte Dränrohre mit 5 cm Außendurchme er. Zur Me ung der Wa · er piegeltiefe im Rohr bedienten wü- un einer Meßsonde, welche beim Berühren de Wa er piegels einen elektrischen Lromkreis chloß. Ein Ohmmeter zeigte an, ob die Sonde den Wa serspiegel berührte.

Aus dem oben Ge agten wird verständlich, daß die o ermittelLen Wa erspiegel- tiefen nicht genau mit den Ten iomelerme sungen überein timmen konnten. Zu den erwähnten Fehlerquellen kommen noch die nebenheiten des Boden hinzu sowie wohl auch lokale chwankungen der Was erspiegeltiefe im Boden der Ver uch. fläche. Figur 7 a zeigt, in welchem Rahmen die beiden Methoden miteinander übereinstimmten.

Auf der Ordinate sind die Wasser piegellagen gemäß den Tcn iomelerable ungen und auf der Ab zi se die Mes ungen in den Was erstandsrohren aufgetragen. Ten. iometer und Wasser tand rohre waren nahe beieinander (2 m). Au die er Darstellung geht

hervor, daß die Werte der beiden Methoden in der Regel auf

+

1,5 dm miteinander übereinstimmten. Damit erwiesen sich die Wasserstandsrohre dafür geeignet, wäh- rend des Winters, da die Tensiometer wegen der Fröste nicht funktioni.ei-en, eine angenäherte Angabe über die Lage des Wasserspiegels im Boden zu liefern. Und daraus lassen sich einige Schlüsse über den Vei-lauf der Wassergehaltsveränderung im Boden ziehen. Davon wurde im Versuch «Buchberg)) im Winter 1965/66 Gebrauch gemacht.

II. Untersuchungen im Laboratorium a) W asserdesorptionskurve

Im Kapitel B ist die Bedeutung der Wasserbindung im Boden für die Pflanzen besprochen worden. Bei gleicher Saugspannung können die Wassergehalte verschie- d~ner Böden und sogar einzelner Horizonte des gleichen Bodens infolge der Struktur- unterschiede sehr stark voneinander abweichen. Stellen wir die Beziehung Wasser- gehalt/Saugspannung eines Bodens graphisch dar, so erhalten wir eine für den vor- liegenden Boden charakteristische Kurve, die wir «Desorption kurve» nennen. Auf der Ordinate trägt man die Saugspannung in Zentimeter-Wassersäule (WS cm) oder Atmosphären (at) auf. Auf der Ahszi se stehen die Wassergehalte in Gewichtsprozen- ten (%_{0 )} oder Volu~enprozenten (%11 ). Weil in den meisten Böden bei abnehmen- dem Wassergehalt die Saugspannung exponentiell ansteigt, wählt man für die Dar- stellung der Funktion Saugspannung/Wassergehalt in der Regel den logarithmischen Maßstab. Aus dem gleichen Grunde hat man als Maß für die Saugspannung in An- lehnung an den pH-Begriff den pF ge chaffen. Der pF des Bodenwassers ist, verein- facht ausgedrückt, der Briggsche Logarithmus der in WS cm angegebenen Saugspan- nung (Sc h o fiel d 1935).

Auf beiden Versuchsflächen wurden aus den Einbautiefen der Tensiometer unge- törte Bodenproben entnommen und daran im Laboratorium die Desorptionskurven bestimmt. Hiefür öffneten wir auf der Versuch fläche zwei Profile. Außerdem ent- nahmen wir mit einem Bohrgerät der Ver uch anstalt für Wa serbau und Erdbau der ETH an drei weiteren Stellen unge törte Proben. Auf der Versuchsfläche «Winzler- boclen» genügte es, für die Bestimmung der Desorptionskurven an einem Profil Pro- ben zu entnehmen. Dies war möglich, weil der Boden auf der ganzen Fläche sehr ein- heitlich war.

Die Methodik der Was er-De orption kurven-Bestimmung wurde von Richards (1949) und Richard (1953b) be chrieben. Die Was ergehalte wurden an un eren Ver uch böden bei folgenden Druck tufen bestimmt: l, 5, 10, 20, 40, 80, 160, 345 und 690 WS cm sowie bei 2, 5, 10 und 15 at. Für die Druckstufen bi zu 690 WS cm arbeiteten wir mit dem Drucktopf und porösen Stahlfilter- und Keramikplatten. Im Bereich über 1 at wuTden die Wassergehalte mit der Druckmembran-Apparatur bestimmt. Um eine Kontrolle über tlic ersuche zu haben, legten wir zu den Versuchs-