Ausprägung der Steuergrößen

Zum aktuellen Stand der Bodenerosionsforschung in Deutschland

Gerd Schmidt¹, Martin Volk², Manfred Frühauf¹ und Michael Zierdt¹

1Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Naturwissenschaftliche Fakultät III, Institut für Geowissenschaften, Von-Seckendorff-Platz 4, 06120 Halle

2UFZ – Helmholtz Zentrum für Umweltforschung, Fachbereich Umweltsystemmodellierung, Department Landschaftsökologie, Permoserstr. 15, 04318 Leipzig

INHALT

Grundlagen

Historischer Abriss

Aktueller Stand

Perspektiven

BODENEROSION

• Abtrag, Transport und Ablagerung von Bodensubstrat

• Natürlicher Prozess

• Exogene Kräfte (Wasser, Wind) überwinden Gravitation und Kohäsionskräfte

(Grafik: USDA-ARS 2008) (Grafik: NRCS 2008)

Endogene Steuerfaktoren

• Bodenart, Gefüge

• Organische Substanz

• Durchwurzelung

Exogene Steuerfaktoren

• Klima (Wind, Niederschlag)

• Relief (Hangneigung, -länge)

• Vegetation

BODENEROSION

Vegetation hoch

hoch gering Intensität der Bodenerosion

Ausprägung der Steuergrößen

Windstärke Niederschlag (Dauer, Intensität

Hangneigung Hanglänge

S Su Sl Us U Lu Lts Lt Tl T gering

hoch Infiltration

Erodierbarkeit (Wasser)

Erodierbarkeit (Wind)

Bewirtschaftung Schutzmaßnahmen

BODENEROSION

On-site Schäden Off-site Schäden

Bodenerosionsforschung

• Ursprünge in USA und Russland

• Konversion der Steppengebiete, Nutzungsbedingte Degradation

(Fotos: USDA-ARS 2008)

Bodenerosionsforschung

• Untersuchung des Erosionsprozesses und seiner Steuergrößen

• Ermittlung der Ausmaße und Charakteristik der Erscheinungsformen

(Quelle: Prasuhn 1991)

• Smith (1958) verweist auf erste Bodenerosionsmessstation 1917

• 5 Messstationen seit 1930er Jahren kontinuierlich im Betrieb

Bodenerosionsforschung

• 1935 – Sektion Bodenerosion in der DBG

• 1940er Jahre Bestandsaufnahme, Kartierungen

• systematische Messungen ab 1950er Jahre

Entwicklung von Simulationsmodellen

USLE ABAG RUSLE

dABAG

ABAGflux

1995

1965 1975 1985 2005

WEPP

Erosion 2D/3D

EUROSEM SWAT

AGNPS HSPF

• Notwendigkeit der Abschätzung und Prognose

• Regionalisierung Standörtlicher Aufnahmen

• Gefährdungskartierungen

Bodenerosionsforschung - heute

• Bodenerosion als ökosystemares Problem anerkannt

• interdisziplinäres Forschungsfeld

• Ökologische und sozi-ökonomische Effekte der Wind- und Wassererosion

• Einrichtung von Monitoringgebieten zur Kalibrierung und Validierung von Modellen

• Bewertung des nutzungsspezifischen Erosionsrisikos sowie der durch den Klimawandel bedingten Effekte

• Einfluss der Bodenerosion auf den Sediment- und

Nährstofftransport in Flussgebieten sowie deren Einfluss auf die Biodiversität

• Entwicklung neuer Bodenschutzmethoden und Implementierungsstrategien

Die aktuelle Bodenerosionsforschung richtet sich nach Deumlich et al. (2006) auf folgende Schwerpunkte:

Bodenerosionsforschung - heute

• Einbeziehung gesellschaftlicher Rahmenbedingungen

• erfordert hierarchische Untersuchungsansätze

Raum Zeit

Standort

Ackerschlag

Feldblock/Betrieb

Gewässereinzugsgebiet

Off-site

On-site

On-site, off-site

m² ha km²

min min/h h/d d - Jahr

10² - 10⁵

EROSION 2D/3D

SWAT USLE WEPP

ABAG ABAGflux

SWAT EROSION 2D/3D

WEPPABAG

USLEABAGflux

Bodenerosionsforschung - heute

• steigende Datenanforderungen

• Geofernerkundung

(Quelle: Leser 1986)

Bodenerosionsforschung - heute

• Einrichtung von Monitoringgebieten zur Kalibrierung und Validierung von Modellen

• belastbare Aussagen

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 4,8 5 5,2

01.06.2006 15.06.2006 29.06.2006 13.07.2006 27.07.2006 10.08.2006 24.08.2006 07.09.2006 21.09.2006 05.10.2006 19.10.2006 02.11.2006 16.11.2006 30.11.2006 14.12.2006 28.12.2006 11.01.2007 25.01.2007 08.02.2007 22.02.2007 08.03.2007 22.03.2007 05.04.2007 19.04.2007 03.05.2007 17.05.2007 31.05.2007 14.06.2007 28.06.2007 12.07.2007 26.07.2007 09.08.2007 23.08.2007 06.09.2007 20.09.2007 04.10.2007 18.10.2007

Datum

Tagesmaxima des Durchflusses in m³/s

Bodenerosionsforschung - heute

• diskontinuierlicher Prozess

Bodenerosionsforschung - heute

0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500

01:45:00 02:30:00

03:15:00 04:00:00

04:45:00 05:30:00

06:15:00 07:00:00

07:45:00 08:30:00

09:15:00 10:00:00

10:45:00 11:30:00

12:15:00 13:00:00

13:45:00 14:30:00

15:15:00 16:00:00

Durchfluß in m³/s

0 1 2 3 4 5

Feststoffkonzentration in g/l

Q in l/s AfS c in mg/l

0 1 2 3 4 5

01:4 5:00

02:30 :00

03:15:00 04:0

0:00 04:45

:00 05:3

0:00 06:15

:00 07:00

:00 07:45

:00 08:30

:00 09:1

5:00 10:00

:00 10:45:00

11:30 :00

12:15 :00

13:00 :00

13:45 :00

14:3 0:00

15:15 :00

16:00 :00

Konzentration P in mg/l

0,000 0,600 1,200 1,800 2,400 3,000

Durchflußmenge in m³/s

o-PO4-P c in mg/l Pges c in mg /l Q in l/s

• erosionsbedingter Stofftransport in kleinen Fleißgewässern

Bodenerosionsforschung - heute

• Entwicklung neuer Bodenbearbeitungs- und Landnutzungsmethoden

Perspektiven

Konzeptioneller Rahmen zur integrierten Untersuchung und Modellierung des landschaftlichen Wasser und Stoffhaushaltes (nach Steinhardt, Volk 2003, Volk, Schmidt 2004)

• Validierung von Modellen (Monitoringgebiete)

- kontinuierliches Erfassen, Erosionsbezogenen Daten,

- Kombination mit hydrologischen und Gewässergütemessnetzen - Erfassung von meteorologischen Daten

Perspektiven

• Einflüsse des Klimawandels

- Extremereignisse, Wasserverfügbarkeit - Kohlenstoffspeicherfunktion

- Kulturen

• Energieträger

- Extremereignisse, Wasserverfügbarkeit - Kohlenstoffspeicherfunktion

- Kulturen