Oxf.: 181.3: 114.1 : 174.7Pseudotsugamenziesii: (494): (043)
FRANZ BORER
Zum Wasserhaushalt einer dominierenden Douglasie in einem Waldbestand
Mit 45 Abbildungen und 42 Tabellen
Manuskript eingereicht am 13. Februar 1980
HERAUSGEBER DR. W. BOSSHARD DIREKTOR DER EIDGENÖSSISCHEN ANSTALT
FÜR DAS FORSTLICHE VERSUCHSWESEN
Bd./Vol. 58 Heft/Fase. 1 1982
Diese Arbeit wurde 1980 von der Eidg. Technischen Hochschule in Zürich als Disser- tation Nr. 6529 angenommen. Ihr Titel lautet: Zum Wasserhaushalt eines dominierenden Baums in einem Waldbestand.
Adresse: Eidg. Anstalt für das forstliche Versuchswesen Adresse: Institut federal de recherches forestieres Indirizzo: Istituto federale di ricerche forestali Address: Swiss Federal Institute ofForestry Research
Zitierung:
CH-8903 BirmensdorfZH (01) 737 1411
Druck: Konkordia, Druck- und Verlags-AG
Winterthur Eidg. Anst. forstl. Versuchswes., Mitt.
Die Hefte sind einzeln käuflich bei
On peut acheter chaque fascicule separement aupres delamaison
Si puo comprare ogni fascicolo separatamente . alla casa editrice
Each number may be purchased separately from
F. Flück-Wirth, Internat. Buchhandlung für Botanik und Naturwissenschaften, CH-9053 Teufen
Preis: sFr. 50.- ·
Abstracts
Zum Wasserhaushalt einer dominierenden Douglasie in einem Waldbestand Eine 85jährige und 43 m hohe Douglasie (Pseudotsuga menziesii) war Gegenstand einer zweijährigen Felduntersuchung. Die instrumentelle Erfassung der bodenphysikali- schen Parameter erfolgte im Boden innerhalb eines offenen Systems; darauf abstützend, wurden die Wasserhaushaltgrößen berechnet. Die Evapottanspiration erreichte unter günstigsten Witterungsbedingungen Werte von bis zu 5 mm/d. Sie wurde vor allem durch die Saugspannungen im Wertebereich von -50 bis -400 cm WS gesteuert. Als mittlere Evapotranspirationsgröße über eine ganze Vegetationsperiode kann ein Wert von 2 bis 2,4 mm/ d angegeben werden. Eine Stauschicht (verdichteter Horizont) verhinderte wäh- rend der Trockenperiode 1976 eine Austrocknung des Wurzelraums. Im Winterhalbjahr erreichte die Tiefensickerungsrate rund 1/1 des Gesamtjahresniederschlags im Freiland.
Diese Wassermenge kann als potentielle Grundwasserspende betrachtet werden.
Le regime de l'eau d'un douglas dominant dans un peuplementforestier
Un douglas de 85 ans mesurant 43 m (Pseudotsuga menziesii) a ete l'objet d'une ana- lyse en foret pendant deux ans. L'enregistrement instrumental de parametres physiques du spl a eu lieu dans le sol au moyen d'un systeme ouvert; les mensurations du regime de l'eau s'appuient la-dessus. Lors de conditions atmospheriques extremement favorables, l'evapotranspiration a atteint des valeurs allant jusqu'a 5 mm par jour. Elle etait due avant tout aux tensions de succion d'une valeur oscillant entre -50 et -400 cm colonne d'eau. La quantite d'evapotranspiration moyenne pendant toute une periode de vegeta- tion se si tue entre 2 et 2,4 mm par jour. Une couche compacte a empeche un desseche- ment du systeme radiculaire pendant la periode de secheresse de 1976. Pendant le semes- tre d'hiver, le taux d'infiltration en profondeur a atteint environ 1/1 de toutes les precipita- tions annuelles en plein air. On peut considerer cette quantite d'eau comme un apport potentiel pour les eaux souterraines.
1l regime idrico di una Duglasia de! piano dominante di un aggregato boschivo Una Duglasia (Pseudotsuga menziesii) di 85 anni con un'altezza di 43 m e stata oggetto di analisi per un periodo di due anni. La registrazione strumentale dei parametri fisici del suolo e a vvenuta entro un sistema aperto nel terreno stesso. Con questo criterio furono eseguite Je misurazioni del regime idrico. In condizioni climatiche favorevoli l'evapotra- spirazione raggiunse valori fino a 5 mm al giorno e venne guidata principalmente dai valori della tensione capillare situati tra i -50 ed i -400 cm di colonna d'acqua. 11 valore medio dell'evapotraspirazione sull'arco di un intero periodo di vegetazione puo essere fis- sato fra i 2 ed i 2,4 mm al giorno. Uno strato compatto pedi l'essicamento dello spazio radicale durante la siccita del 1976. Nel semestre invernale il tasso d'infiltrazione rag- giunse 1/.,. delle precipitazioni totali. Questo quantitativo d'acqua puo essere considerato come un apporto idrico alla falda freatica.
Water regime within the root zone of a Douglas fir in a coniferous stand
In a two-year field investigation on an 85-year-old, 43 m high Douglas fir (Pseudo- tsuga menziesii) soil physical characteristics were measured within an open system in the soil and the parameters of the water regime calculated. Under favourable weather condi- tions evapotranspiration (ET) reached values up to 5 mm/d. lt was mainly determined by matric potentials between - 50 and -400 mbar. The average ET of the whole vegetation period was 2.0-2.4 mm/ d. An impervious layer ( compacted horizon) prevented drying out of the root zone in the dry period of 1976. In the winter months deep seepage accounted for approximately one seventh of the annual precipitation over open land; this quantity may be regarded as a potential ground water recharge.
Inhaltsverzeichnis
Abstracts
Verzeichnis der Abbildungen ... . Seite
5 9 10 12 16 Verzeichnis der Tabellen ... . Symbole und Definitionen . . . .
Vorwort ... .
1 Einleitung . . . . . . . . 1 7 11 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . 1 7
12 Abgrenzung des Themas . . . . . . . . . 18
2 Bodenphysikalische Grundbegriffe, Parameter und Methoden . . . 20
21 REV,PotentialbegriffundSaugspannung . . . . . . . . . . . 20
211 Das repräsentative Elementarvolumen REV . . . . . . . . . . . . . 20
212 Kraftf elderund Potentiale . . . 20
213 Bedeutung der Saugspannung S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
22 Wassergehalt 0 bzw. w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
23 Sorptions- und Desorptionskurve; Hysterese . . . 23
231 Die Hysterese der Beziehung S = f (0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
23 2 Bestimmung der Desorptionskurven . . . . . . . . . 2 7 23 21 Labormethode . . . . . . . . 2 7 23 22 Feldmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 24 Durchlässigkeitskoeffizient k nach Darcy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 241 Bestimmungdesk-Werts . . . . . . . . . . . . . 33
2411 Labormethode . . . 3 3 2412 Feldmethode . . . . . . . . . . . . . 3 3 2413 Rechnerische Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 25 Flußberechnung . . . . . . . 42
3 Standort und Klima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
31 Lage der Versuchsfläche . . . . . . . . . . . . . . 46
32 Pflanzensoziologie und Vegetation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3 3 Klimadaten . . . . . . . . . . . . . . 46
4 Untersuchungsobjekt, Methodik und Versuchsanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
41 Untersuchungsobjekt . . . . . . . . . 49
4 2 Methodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
43 Versuchsanlage . . . . . . . . . . . 5 3 44 Instrumentarium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
45 Datenerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
46 Kronenprojektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5 Auswertung und Resultate, Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
51 Niederschlag . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
511 Freilandniederschlag, Bestandesniederschlag und Interzeption . . . . . . . 6 5 512 Niederschlagsverteilung innerhalb der Versuchsfläche . . . . . 72
5 2 Resultate und Interpretation der Saugspannungsmessungen . . . . . . . . . . . . 7 5 521 Statistische Beurteilung des Datenmaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5 522 Gewichtete Saugspannungswerte . . . 78
523 Saugspannungsinterpolation im Zeitablauf . . . . . . . 80
524 Darstellung der gewichteten Saugspannungsmittelwerte als Funktion der Tiefe und der Zeit . . . . . . . . . . . . 84
525 . Darstellung der Saugspannungsverteilung im Wurzelraum . . . 90
6 53
526 Systematisierung der Saugspannungsverteilung im Wurzelraum ... . 52 7 Saugspannungswerte und Gradienten als Funktion der Zeit und der Tiefe .. . Bilanzierung . . . . . . . . . 531 Korrektur der Tiefensickerungsberechnung ... . 532 Einfluß der nach verschiedenen Methoden bestimmten k(S)- und
S (0)-Funktionen ... .
533 Meßperiodeneinteilung und Zuweisung der Bilanzwerte ... . 5 34 Ergebnisse der Bilanzierungsrechnung ... . 5341 Bilanzierung für die Vegetationsperiode 1975 ... . 5342 Tiefensickerung während des Winters und potentielle
Grundwasserspeisung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5343 Bilanzierung für die Vegetationsperiode 1976 ... . 5344 «Juni»-Perioden 1975 und 1976 ... . 5345 Korrelationsbetrachtung zwischen den Witterungsdaten Strahlung,
relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur
sowie der Wassersaugspannung im Boden und der
Evapotranspirations-Aktivität ... . 5346 Versuch einer tageweisen Bilanzierung aus Periodenwerten ... . 5 3 5 Ansatz zu einer vereinfachten Bilanzierungsrechnung . . . . 53 51 Grundlagen zur vereinfachten Berechnung der Bilanzglieder ... . 5 3 5 2 Ergebnisse der vereinfachten Bilanzierungsrechnung . . . . . . 536 Vergleich der Bilanzierungsresultate mit Ergebnissen aus anderen
Untersuchungen ... .
54 Ergebnisse der Messungen mit den Klimasensoren . . . . . . . . . . . . . . . 55 Zusammenhänge zwischen der Wasseraufnahme eines Baums
und dessen organischer Produktion . . . . . . . . . . . . . . 56 Standortskundlich -forstliche Interpretation ... .... . Zusammen[ assung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
Resumee: Le regime de l'eau d'un douglas dominant dans un peuplement forestier ....
Riassunto: 11 regime idrico di una Duglasia del piano dominante
di un aggregato boschivo ... . Summary: Water regime within the root zone of a Douglas fir in a coniferous stand ... .
104 106 112 112 113 114 114 114 119 120 126
132 132 137 137 142 148 148 152 153 156 158 159 160 7 Literaturverzeichnis . . . . . . . . 161
1 2 3 4.1- 4.6 5 6.1- 6.6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28.1- 28.8 29.1- 29.10 30 31 32 33 34 35 36
Verzeichnis der Abbildungen
Schema der Hysterese . . . . . . . . . . . . . . Laborbestimmung der Hysterese; Bodenprobe «Möhlin-Wald», 100 cm Tiefe,
ungestört ... .
Hysterese und Labor-Desorptionskurve . . . . Saugspannung S als Funktion des Wassergehalts w, «Möhlin-Wald»,
in sechs verschiedenen Meßtiefen . . . . . . . . Vergleich der Desorptionskurven «Möhlin-Wald», 20 cm Tiefe . . . . Wasserleitfähigkeit k als Funktion der Saugspannung S,
«Möhlin-Wald», in sechs verschiedenen Meßtiefen ... . Methodenvergleich der k-Wert-Bestimmung . . . . . . . . . . . . . Vergleich der Quantilstatistik mit den Monatsniederschlägen 1975/1976,
Station Rheinfelden . . . . . . . . . Profilskizze «Oberforst» ... . Schematische Darstellung des Wurzelwerks der Douglasie ... . Darstellung der Methodik ( offenes System) ... . Ansicht der Versuchsanlage im Möhliner «Oberforst>? ... . Schematische Darstellung der Versuchsanlage ... . Repräsentative Sickerflächen für die Tiefensickerung TS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Repräsentative Niederschlagsmeßflächen für N' pro Meßblock ... . Einbauschema im Kohlefaden-Tensiometer/Neutronensonden-
Meßblock (KFTens/N eso-Block) ... . Die Eichung der Neutronensonde, «Möhlin-Wald», Eichkurven 25-400 cm ... . Versuchsanlage und Kronenprojektion . . . . . . . . . . . . . Bestandesniederschlag N' als Funktion des Freilandniederschlags N.
Interzeption I als Differenz von N und N' . . . . . . . . Häufigkeitspolygone für zwei ausgewählte Saugspannungsablesungen ... . Darstellung der empirischen Verteilungsfunktion der zwei ausgewählten
Saugspannungsablesungen im Wahrscheinlichkeitsnetz ... . Schema der Saugspannungsinterpolation bei steigenden und fallenden
S augspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gemessene und interpolierte Saugspannungswerte, Verlauf im «Juni 7 5» . . . . . . . . . Gemessene und interpolierte Saugspannungswerte,Verlaufim «Juni 76» ... . Saugspannung S als Funktion der Tiefe und der Zeit im Jahre 197 5 ... . Saugspannung S als Funktion der Tiefe und der Zeit im Jahre 1976 ... . Schematische Darstellung der Saugspannungsverteilung im Wurzelraum ... . Saugspannungsverteilungen im Wurzelraum an acht verschiedenen
MeßdatenimJahre 1975 ... .
Saugspannungsverteilungen im Wurzelraum an zehn verschiedenen
MeßdatenimJahre 1976 ... .
Zoneneinteilung des Wurzelraums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saugspannung S, Hydraulische Höhe Hund Gradient i als Funktion der Zeit t und der Tiefe z, Periode «Juni 7 5 » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saugspannung S, Hydraulische Höhe Hund Gradient i als Funktion der Zeit t und der Tiefe z, Periode «Juni 7 6 » . . . . . . . . . . . . . . Korrektur der Gradientenbestimmung für die Berechnung der Tiefensickerung TS ..
Bilanzierungsresultate (periodisch) für die Meßperiode vom 21. 4. bis 17. 11. 1975 ..
Bilanzierungsresultate (periodisch) für die Meßperiode vom 20. 4. bis 8. 11. 197 6 ...
Bilanzierungsresultate (periodisch) für die Meßperiode «Juni 7 5 » . . . . Seite
24 25 26 30 32 37 42 47 49 50 52 55 56 57 57 58 63 64 67 76 77 81 83 83 85 85 91 92 99 105 110 111 113 118 121 128
37 Saugspannungsverlauf, Wasserhaushalts- und Klimadaten für die
Meßperiode«Juni 76» . . . 131 3 8 Bilanzierungsresultate (mit interpolierten Tageswerten) für die Meßperiode «Juni 7 6» 134 3 9 Bilanzierungsresultate (periodisch) für die Meßperiode «Juni 7 6» . . . 135 40 Bilanzierungsresultate (mit interpolierten Tageswerten) für die Meßperiode «Juni 7 5 » 136 41 Saugspannung S als Funktion des Wassergehalts w, «Möhlin-Wald»:
Gesamt-Mittelwertkurve . . . 13 8 42 Bilanzierungsresultate mit vereinfachtem Rechenansatz für die Meßperiode
vom2I.4.bisl7.ll.1975 ... 146 43 Bilanzierungsresultate mit vereinfachtem Rechenansatz für die Meßperiode
vom20.4.bis8.1I.1976 ... 147 44 Tagesverlauf der Klimadaten am 27.6.1976 . . . 150 45 Saugspannungsverlauf, Wasserhaushalts- und Klimadaten mit interpolierten
TageswertenfürdieMeßperiode«Juni 76» . . . 151
Verzeichnis der Tabellen
1 Saugspannungsklassen und Verwertbarkeit des Wassers ... . 2 Labor-Bestimmung der Hysterese, «Möhlin-Wald», 100 cm Tiefe ... . 3 Regressionsparameter der Beziehung w = f (S) in der Desorptionsphase ... . 4 Regressionsparameter der Beziehung w = f (S) in der Sorptionsphase ... . 5 Regressionsparameter der Beziehung w = f (S), Desorptions- und Sorptionsphase 6
7 8 9
kombiniert . . . . Regressionsparameter der Beziehung w = f (S), Desorptionsphase,
nach Daten von GERMANN (1976) ... . Regressionsparameter der Beziehung k = f(S)(Feld-k-Werte) ... . Zusammenstellung der Parametervarianten ... . Lufttemperatur für die Station Rheinfelden MZA in den Jahren 1975/1976
und Vergleich mit dem langjährigen Mittel . . . . 10 Einbauverhältnis der Tensiometer . . . .. . . . 11
12 13 14 15 16 17
Daten zum untersuchten Bodenvolumen . . . . Kennwerte der keramischen Kerzen . . . . Eichgeraden für den Standort «Oberforst» in Möhlin (Neutronensonde« Wallingford») . Berechnung eines korrigierten langjährigen Mittels NMkorr für den
Standort Möhlin «Douglasie» . . . . Zusammenstellung der Niederschlagssummen und der Interzeption ... . Niederschlagsdaten für das Freiland (N) und für die Versuchsfläche im Wald (N').
Mittelwerte aus 6 bzw. 24 Meßstellen im Jahr 197 5 ... . Niederschlagsdaten für das Freiland (N) und für die Versuchsfläche im Wald (N').
Mittelwerte aus 6 bzw. 24 Meßstellen im Jahr 1976 ... . 18 Tagesniederschläge, ermittelt aus Periodenwerten der Untersuchung und Tageswerten
derMZA-StationMöhlinfürdieMeßperiodevom2I.4. l975bis 17.11.1975 ... . 19 Tagesniederschläge, ermittelt aus Periodenwerten der Untersuchung und Tageswerten
der MZA-Station Möhlin für die Meßperiode vom 20. April bis 8. November 197 6 ....
20 Niederschlagsverteilung auf der Versuchsfläche, dargestellt an den
Jahresniederschlägen 1975 und 1976 ... . Seite
22 25 28 28 28 29 36 41 47 54 57 61 62 65 66 68 69 70 71 72
21 Niederschlagsverteilung auf der Versuchsfläche, Jahresniederschläge 1975 und 1976;
Darstellung der Abweichungen der einzelnen Meßstellen in 5-Prozent-Spannen vom Mittelwert; Beurteilung der Lage der einzelnen Meßstellen bezüglich
der Kronenprojektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 22 Niederschlag der Jahre 1975 und 1976 in mm und dazugehörige 5-Prozent-Spannen . . . 73 23 Varianzanalyse für die lineare Beschränkungµ+ = µ_ . . . . . . . . . . . 7 4 24 Gegenüberstellung von ungewichteten (SQu) und gewichteten SaugSpannungs-
mittelwerten (SQg) für das ganze Meßvolumen . . . . . . . . 79 25 Gegenüberstellung von abgelesenen und interpolierten Saugspannungswerten
in der Periode «Juni 7 5 » . . . . . . . . . . . . . 81 26 Gegenüberstellung von abgelesenen und interpolierten Saugspannungswerten
in der Periode «Juni 76» . . . . . . . . . . . . . 82 27 Saugspannungsmittelwerte als Funktion der Tiefe und der Zeit für die Periode
vom 21. 4. 1975 bis zum 17. 11. 1975 . . . . . . . . 86 28 Saugspannungsmittel werte als Funktion der Tiefe und der Zeit für die Periode
vom20.4.l976biszum8.1I.1976 ... 88
29 Saugspannungen S, Hydraulische Potentiale H und Gradienten i für ausgewählte
Meßtermine während der Perioden «Juni 75» und «Juni 76» . . . 108 30 Zusammenfassung der Bilanzierungsresultate für die Meßperiode vom 21. 4. 1975
bis 17.11.1975 ... 116
31 Zusammenstellung der Monatswerte der Bilanzierung für die Meßperiode
vom 21.4.1975 bis 17.11.1975 . . . . . . . . 119 32 Zusammenfassung der Bilanzierungsresultate für die Meßperiode vom 20. 4. 1976
bis 8.11.1976 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 33 Zusammenstellung der Monatswerte der Bilanzierung für die Meßperiode
vom 20.4.1976 bis 8.11.1976 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 34 VergleichderGesamtbilanzfürdieMeßperioden 1975und 1976 . . . . . . . 125 35 Zusammenfassung der Bilanzierungsresultate für die Meßperiode vom 2. 6. 1975
bis 7.7.1975: «Juni 75» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 36 Zusammenfassung der Bilanzierungs- und Klimaresultate für die Meßperiode
vom 3.6.1976 bis zum 9.7.1976: «Juni 76» . . . 130 37 Korrelations-Matrix. Werte für die Periode vom 3. 6. bis 9. 7. 1976 . . . . . . . . 132 38 Identifikation der dem gewichteten Saugspannungsmittelwert Stot am nächsten
liegenden Meßwerte mit Positionscode . . . . . . . . . . . 13 9 39 Häufigkeitsanalyse der dem gewichteten Saugspannungsmittelwert Stot am nächsten
liegenden Tensiometer-Meßstellen (Meßperiode 197 5 mit 62 Ablesungen) . . . . 140 40 Gegenüberstellung der Bilanzierungsresultate, gerechnet mit vollständigem
und mitstarkreduzierteinDatensatz ... 142 41 Zusammenfassung der Bilanzierungsresultate für die Meßperiode
vom 21.4.1975 bis 17.11.1975. Bilanzierung mit vereinfachtem Datensatz . . . 144 42 Zusammenfassende Werte für den 27. Juni 1976 (Tag Nr. 579), alle Klimasensoren . . . 149
Symbole und Definitionen Ordnung: 1. Großbuchstaben
2. Kleinbuchstaben
3. Griechische Buchstaben und Spezialzeichen
Symbol Maßeinheit Name, Bezeichnung, Bemerkung
1. Großbuchstaben A
A A (Al/A2) B (Bl/B2) C CR CR%
E E ET ET F
Fa;FG1 ,FG2 FG Fn FK
H
H20 bis H350 I K L LF LF N N' NMZA NM NMkorr N' NV
cm2
mm oder dm3 /m2
Anzahl Impulse
%
mm oder dm3 /m2 mm oder dm3 /m2 mm/d oder dm3/m2 • d m2
cm
cm
mm oder dm3 /m2 cm2
cm,m
mm oder dm3 /m2 mm/d oder dm3/m2 • d mm oder dm3/m2 mm oder dm3 /m2 mm oder dm3 /m2 mm
mm
mm/d oder dm3/m2 • d
Sickerfläche, Fließquerschnitt seitlicher Abfluß
Saugspannungszone A bzw. Teilzonen A 1 und A2 Saugspannungszone B bzw. Teilzonen B 1 und B2 Saugspannungszone C
Zählrate (Countrate)
relative Zählrate: CRBoden/CRHp Porosität, E = 1 - Pa/ Pr
Evaporation Evapotranspiration
mittlere tägliche Evapotranspiration Z ylinder-(Versuchs )o berfläche
F-Testgröße für Sicherheitsschwelle a und FG 1 und FG2
Freiheitsgrad (Statistik)' Zylindermantel-Teilfläche
Feldkapazität. Empirischer Wert für w eines normal durchlässigen Bodens, nachdem nach Wassersättigung das durch Erdgravitation drainierbare Wasser entfernt ist.
Hier definiert als w bei 80 cm WS.
Hydraulische Höhe H. H = hc + z. Wasserpotential aus- gedrückt pro Gewichtseinheit Wasser (Dimension einer Länge).
Meßhorizonte in 20 ...
bis
... 350 cm Tiefe Interzeption. I = N - N' absolute Durchlässigkeit Länge
lateraler Fluß. LF = Z - A mittlerer täglicher lateraler Fluß Freilandniederschlag
Bestandesniederschlag
Niederschlagswert der MZA-Station Möhlin
Normalwert der mittleren jährlichen Niederschlags- menge 1901-1960
korrigierter Normalwert NM
mittlerer täglicher Bestandesniederschlag Normalverteilung (Statistik)
Symbol
PJPa PWP Q RF RF
s
SK S21s SQu SQg
Stot
ST ST T
T
T TK TS TS
u
VW VW
z
11V ZYLMaßeinheit
% cm3/s
%
% cm WS cm WS cm WS cm WS cm WS cm WS Lux Lux
oc oc
mm oder dm3/m 2 g H20/g Tro'substanz mm oder dm3/m 2 mm/d oder dm3/m 2 · d mm oder dm3/m 2 m/s
m/s mmoder%v mm oder dm3/m 2 cm WS
2. Kleinbuchstaben a
a b
b wie Datenmaterial
C
d
f m2
g 9,81 m· s-2
h cm
h cm
hc cm
cm/cm
k cm/s
1 cm
mf
Name, Bezeichnung, Bemerkung
Tensiometer-Meßstellen im Doppelkreis (Versuchs- anlage)
Permanenter Welkepunkt: Wassergehalt w bei definier- ten 15 000 cm WS Saugspannung
Durchfluß
relative Luftfeuchtigkeit mittlere tägliche RF Saugspannung Saugspannungsklassen
Saugspannung in z.B. 275 cm Tiefe ungewichteter Saugspannungsmittelwert
mit dem Volumen gewichteter Saugspannungsmittelwert gewichteter Saugspannungsrnittelwert für den ganzen Zylinder= ZYL
Strahlung
mittlere tägliche Strahlung Temperatur
mittlere tägliche Temperatur Transpiration
Transpirationskoeffizient Tiefensickerung mittlere tägliche TS
Senkenglied der Bilanzgleichung Windgeschwindigkeit
mittlere tägliche Windgeschwindigkeit Veränderung des Wasservorrats seitlicher Zufluß
gewichteter Saugspannungsmittelwert für den ganzen Zylinder
Regressionskoeffizient Steigung
Regressionskoeffizient Ordinatenabschnitt Regressionskoeffizient Differential
Stammgrundfläche Erdbeschleunigung Druckhöhe
Zylinderhöhe (Versuchsanlage) Kapillardruckhöhe (hc = -h) hydraulischer Gradient
Durchlässigkeitskoeffizient nach Darcy Transportdistanz
matching-factor (Anpassungsfaktor)
Symbol
n p q r r r
t
V
y
Vm
w WA WE
x
x,y,z z
Maßeinheit
cm/s mm,cm m
wie Datenmaterial
wie Datenmaterial
s oder d cm/s cm/s cm/s
%V
%v
%v
wie Datenmaterial
cm cm
Name, Bezeichnung, Bemerkung
Zähler; Stichprobenumfang Exponent von EP
Ergiebigkeit q = Q / A = v (Fluß) Porenradius
Zylinderradius (Versuchsanlage)
Korrelationskoeffizient als Maß der Verbundenheit
Standardabweichung des Einzelwerts
Standardabweichung des Mittelwerts
Sx
s-=-x ,In
Zeit in Sekunden oder Tagen Filtergeschwindigkeit vektorielle Form von v mittlere Geschwindigkeit Wassergehalt in Volumenprozent Anfangs-Wassergehalt
End-Wassergehalt Mittelwert
x
= 1/n · I:xiOrtsvariablen im Kartesischen Koordinatensystem geodätische Höhe
Anmerkung: Da die gleichen Symbole oft für zwei oder mehr Begriffe verwendet werden, ist aus dem Sinn des jeweiligen Gedankenganges die richtige Bedeutung abzuleiten.
Symbol Maßeinheit Name, Bezeichnung, Bemerkung
3. Griechische Buchstaben und Spezialzeichen
~ endliche Differenz
0 cm3/cm3 Wassergehalt: Volumen Bodenwasser
pro Volumen Boden
<l>= 'Pt 'Pa 'Pw 'Pc 'Pm 'Pg 'Pp 'P1t 'Pn 'Y
a
kpm bzw. cm(*) kpmbzw.cm kpm bzw. cm kpm bzw. cm kpmbzw.cm kpmbzw.cm kpm bzw. cm kpmbzw.cm kpm bzw. cm g/cm2 • s2 poise
wie Datenmaterial stoke
Summenzeichen totales Potential Adsorptionspotential Hydratationspotential Kapillarpotential Matrixpotential Gravitationspotential Druckpotential Osmotisches Potential A uflastpotential spez. Gewicht 'Y= p · g partielles Differential dynamische Zähigkeit
Mittelwert der GG (Grundgesamtheit) kinetische Zähigkeit v = 11 / p obere Sickerebene (Versuchsanlage) untere Sickerebene (Versuchsanlage)
g/cm3 Dichte
g/s2 Oberflächenspannung
(*) Potential, ausgedrückt pro Gewichtseinheit HzÜ
mm/d Bilanzdarstellungen: mittlerer täglicher Wert, auf ganze betrachtete Periode bezogen
Vorwort
Die vorliegende Untersuchung erfolgte in den Jahren 1974 bis 1979 unter der ver- ständnisvollen Leitung von Professor Dr. F. Richard, gleichzeitig Referent dieser Arbeit.
Er erleichterte auch die Entstehung dieser Dissertation durch die von ihm wesentlich geprägte liberale Arbeitsatmosphäre an der Professur für Bodenphysik.
Das Korreferat wurde von Prof. Dr. Th. Dracos mit Interesse an der forstlich aus- gerichteten Arbeit über Wasserhaushaltsprobleme übernommen.
Werner Attinger, Förster an der Professur, betreute mit großer Zuverlässigkeit und Ideenreichtum den Feldversuch.
Die Mitarbeiter der Professur für Bodenphysik halfen oft mit bei den verschiedensten Feld- und Laborarbeiten.
Die Versuchsfläche wurde von der Gemeinde Möhlin, Kanton Aargau, ohne Auflagen zur Verfügung gestellt. Gemeindeförster J. Steck unterstützte die Arbeit jederzeit.
Zur umfangreichen EDV-Auswertung konnten die Anlagen des RZ ETH sowie des RZ-Satelliten an der EAFV benützt werden.
Diskussionen mit Kollegen und Freunden an der Professur und an der EAFV gaben viele neue Impulse bei der Auswertung.
Der gut ausgebaute Dienstleistungssektor der EAFV bot Hand für die Lösung vieler kleiner Probleme.
Dem Direktor der EAFV, Herrn Dr. W. Bosshard, danke ich herzlich für die Auf- nahme dieser Arbeit in der Reihe der «Mitteilungen» der Eidgenössischen Anstalt für das forstliche Versuchswesen.
Allen genannten und auch ungenannten Personen und Institutionen bin ich zu ehr- lichem Dank verpflichtet.
Im speziellen danke ich meiner Frau, die mir während den hie und da auftretenden schlechteren Phasen der Arbeit den Rückhalt gab, das Begonnene weiter durchzuziehen und zu einem vertretbaren Abschluß zu bringen.
1 Einleitung
11 Problemstellung
Die Existenz der weitaus meisten pflanzlichen Lebewesen wird nur durch die soge- nannte Photosynthese-Reaktion ermöglicht, deren Bilanzformel wie folgt lautet:
Die zur Photosynthese notwendige Strahlungsenergie wird in der Pflanze durch das Chlorophyll absorbiert. Die Absorptionsmaxima liegen im Spektrumsbereich zwischen 400 und 500 bzw. 600 und 700 nm. Diese Reaktion erfolgt im Baum in den grünen Pflanzenteilen der Krone, in den Nadeln oder in den Blättern. Als erstes Assimilations- produkt entsteht so der Glucose-Ring, der als Grundbaustein für den weiteren, sich dif- ferenzierenden Stoffaufbau dient.
Der Baum, oder allgemein die grüne Pflanze, benötigt somit zur photosynthetischen Reaktion die Grundbausteine C0 2, H20, Energie und entsprechendes Leitgewebe.
An ihrem Standort wird die assimilierende Pflanze als zwischen zwei Systemen ein- gespanntes Individuum betrachtet. Diese zwei Systeme sind einerseits die Atmosphäre und andererseits der Bodenraum.
Als Materie ist in der Atmosphäre Luft vorhanden, in der bekannten Zusammen- setzung aus gasförmigen Elementen und Molekülen. Als wichtigster, nicht permanenter Anteil tritt der Wasserdampf in der Atmosphäre auf, und zwar in reiner gasförmiger Form sowie als Kondensationsprodukt an Kondensationskeimen. Der Wassergehalt der Luft wird ausgedrückt als Luftfeuchtigkeit oder als Sättigungsdefizit. Der Sättigungs- dampfdruck ist eine Funktion der Temperatur und diese wiederum u. a. eine solche der ein- fallenden Sonnenstrahlung. Die kurzwellige Sonnenstrahlung, einziger primärer Energie- spender in der Atmosphäre, ist zugleich auch entscheidender Faktor der Photosynthese- reaktion.
Der Boden kann als diejenige oberste Verwitterungsschicht der Geosphäre bezeichnet werden, die unter dem Einfluß des Klimas, der Zeit und der lebenden Umwelt durch physikalische, chemische, biologische und vielseitige Kombinationen solcher Vorgänge dauernd umgewandelt wird. Der Boden besteht aus den 3 Phasen «fest» (Bodenmatrix),
«gasförmig» (Luft im Porenraum) und «flüssig» (Wasser im Porenraum).
Die Wasserversorgung im Boden wird gesteuert durch die anfallenden Niederschläge, die Sickerverluste oder -gewinne, die Evaporation und den Wasserentzug der Pflanzen.
Der Luftanteil im Boden ist komplementär zum Wasseranteil und spielt eine große Rolle im Grenzbereich des aeroben oder anaeroben Zustands in bezug auf die pflanzenphysio- logischen Reaktionen des Wurzelwerks.
Der Stofftransport zwischen den Systemen Boden und Atmosphäre erfolgt durch die Leitungsbahnen des Baums, beginnend bei der Wurzelspitze der Haarwurzeln bis zu den
Stomataöffnungen der Blattorgane. Über die oberirdischen Organe (Blätter, Nadeln) ver- läuft die Abgabe oder Aufnahme von C02, 02 und Wasserdampf. Im Boden spielen sich dieselben Stoff- und Energieaustauschprozesse ab. Es werden so beispielsweise die Gase C0 2 , 02 und N2 ausgetauscht, und hier wird vor allem das Wasser im flüssigen Aggre- gatszustand wie auch als Wasserdampf (wasserdampfgesättigte Luft) aufgenommen.
Die Leitungsbahnen für den aufsteigenden Wasserstrom stellt das Xylem zur Ver- fügung, der aus den Assimilationsorganen absteigende Saftstrom «fließt» durch das Phloem. Die Antriebskraft für die Wasserströmung im Xylem setzt sich aus zwei Kom- ponenten zusammen. Durch das Wasserdampfsättigungsdefizit der Atmosphäre ergeben sich, verglichen mit der flüssigen Phase des pflanzlichen Gewebes, Potentialunterschiede.
Diese führen zum Einsetzen des Transpirationsstroms (Unterdrucke von -10 bis -100 bar) und der Transpiration. Die zweite Komponente ist der sogenannte «Wurzeldruck».
Dieser entsteht durch die Aufnahme von Ionen aus der Wurzelumgebung in das Wurzel- gewebe und dem dadurch entstehenden Wasserpotentialgefälle zwischen Boden und Wurzelzellen (hydrostatische Drucke von 1 bis wenige bar).
Beim Wassertransport in den Gefäßen kapillarer Größenordnung (im Xylem) verhin- dert die Adhäsion der Wassermoleküle an der Gefäßwand und die große Kohäsion der Wassermoleküle unter sich ein Abreißen des Wasserfadens. Die Wasserfäden in den Kapillaren der Gefäßröhren erreichen eine Zugfestigkeit von 30 bis 50 bar (MOHR, 1969, zit. in LÜTTGE, 1973).
Im Regelkreis, der in der assimilierenden und respirierenden Pflanze wirkt, nimmt somit die Wasserversorgung neben der C02-Versorgung, der Strahlungsenergie und dem Vorhandensein von Chromoplasten eine vorrangige Bedeutung ein.
Jede der oben aufgeführten Komponenten der Photosynthesereaktion kann neben den klimatischen Parametern, unter sonst optimalen Bedingungen, zum Minimumfaktor werden.
Eine dieser variablen Größen, das Wasserangebot im Wurzelraum und dessen Wir- kung auf den Wasserverbrauch, soll nun in der folgenden Arbeit an einem Individuum innerhalb eines Waldbestands näher untersucht werden.
Für weitergehende Informationen zum Stofftransport sei auf LÜTTGE (1973) ver- wiesen.
12 Abgrenzung des Themas
Das vorgegebene Thema soll grundsätzlich in einen qualitativen und einen quantita- tiven Teil getrennt werden:
Der qualitative Teil enthält die Beschreibung der Vorgänge, die zur Wasserbilanz füh- ren. Insbesondere sollen die Charakteristiken der Teilkomponenten der Bilanzierungs- rechnung beschrieben werden.
Der quantitative Teil umfaßt die eigentlichen Bilanzierungsrechnungen, mit quantita- tiven Angaben über Wasseraufnahme, Niederschlag, Tiefensickerung usw.
Als Nebenversuch werden im Kronenraum klimatische Daten erhoben. Diese sollen mindestens einen Einblick in den Zusammenhang zwischen der Transpirationsaktivität (hydromechanische Senke) und der Wasserbilanz im Boden geben.
Dieser thematischen Aufteilung wird innerhalb der folgenden Arbeit nicht streng gefolgt, vielmehr wird auf die logische Verknüpfung beider Aspekte, im Sinne besseren Verständnisses, geachtet.
2 Bodenphysikalische Grundbegriffe, Parameter und Methoden
21 REV, Potentialbegriff und Saugspannung 211 Das repräsentative Elementarvolumen REV
Die Anwendung bodenphysikalischer Parameter für numerisch ausgerichtete Unter- suchungen, z.B. Flußberechnungen (Kapitel 25), führt zu einer makroskopischen Behandlung der im mikroskopischen Bereich definierten Gesetzmäßigkeiten. Zu diesem Zweck wird das Konzept des repräsentativen Elementarvolumens REV eingeführt. Die- ses Volumen ist von endlich kleiner Größenordnung, z.B. A · ~l (endliche Fläche A mal endliche Länge ~ 1). Das REV soll groß genug sein, um bei der Bestimmung eines beliebi- gen Parameters lokale Effekte auszumitteln, andererseits aber auch klein genug, um Inho- mogenitäten auszuschließen.
Die Werte der Parameter werden jeweils auf den Schwerpunkt des REV bezogen und in der Folge als Punktgrößen im Kontinuum mit den Ortskoordinaten x, y und z definiert, unabhängig davon, ob sich der betrachtete Punkt in einer Pore oder in der festen Sub- stanz befindet (DRAcos, 1975).
Auf diese Weise wird das aktuelle Medium durch ·ein fiktives Medium ersetzt, in dem die repräsentativen Parameter und Variabeln kontinuierlich vertreten sind (CHILDS,
1969).
212 Kraftfelder und Potentiale
Das Bodenwasser in einem REV ist, unter der Annahme der aufrechterhaltenen hydromechanischen Verbindung, unter dem Einfluß eines Kraftfeldes. Jedem Ort in die- sem Kraftfeld kann ein Potential zugeordnet werden. Das totale Potential 'Pt wird als Summe von Teilpotentialen geschrieben:
So werden das Adsorptionspotential 'Pa und das Hydratationspotential 'Pw durch auf das Wasser einwirkende Adsorptions- und Hydratisierungskräfte in der sogenannten diffusen Doppelschicht erzeugt. Im ungesättigten Porenraum kann, begründet durch die an den Menisken wirkenden Randkräfte, ein Kapillarpotential 'Pc definiert werden. Das Matrixpotential 'Pm als Summe der Teilpotentiale 'Pa, 'Pw und
'Pc
wird geschrieben alsDas totale Potential 'Pt läßt sich dadurch einfacher schreiben:
Die Teilpotentiale 'Pp, 'Pn und 'Pn können aus Gründen, die in RICHARD (1979) aus- führlich beschrieben sind, für die Potentialbetrachtung als null oder nahezu null gesetzt werden.
Da die elektrische Bindung des Adsorptions- und des größten Teils des Hydratations- wassers an den kollo_iden Wandoberflächen der Bodenporen sehr groß ist(> rund 4000 bar), darf dieser Wasseranteil bei der Berechnung von Sickerströmungen, wie auch bei der Abschätzung des pflanzenverfügbaren Wasseranteils im Boden, vernachlässigt wer- den. Die entsprechenden Wasseranteile 'Pa und 'Pw spielen deshalb eine nicht mehr zu berücksichtigende Rolle: Das Matrixpotential wird angenähert gleich dem Kapillar- potential:
Das totale Potential vereinfacht sich in der Folge zu
oder
Das Gravitationspotential 'P g beschreibt die Lageenergie, die frei werden würde, wenn eine Masseneinheit Wasser zu einem tieferen Bezugshorizont zurückkehren würde.
Wird das Kapillarpotential 'Pc (Dimension M · L2 · T-2) auf das Volumen (L3)
bezogen~ so erhält die neue Größe die Dimension eines Drucks (M · L -1 • T -2). Diese neue Größe wird als Kapiliardruck (negativer Druck) oder geläufiger als Saugspannung S bezeichnet, mit der Maßeinheit cm WS.
Wird 'Pc auf die Gewichtseinheit bezogen, so ergibt dies die Dimension einer Länge L.
Diese Größe wird als negative Druckhöhe -h oder Kapillardruckhöhe hc bezeichnet.
In gleicher Weise kann auch für das Gravitationspotential verfahren werden; die daraus resultierende Länge z heißt geodätische Höhe.
Die Summe aus Kapillardruckhöhe hc und geodätischer Höhe z wird als hydrau- lische Höhe H bezeichnet,
also
Die Beträge für 'Pc bzw. hc sind negativ einzusetzen, da dieses Potential eine Bindung des Was:sers an den Boden beschreibt und der Bezugspunkt eine freie Wasseroberfläche auf gleicher geodätischer Höhe wie der Meßpunkt im Boden darstellt.
213 Bedeutung der Saugspannung S
Neben der Bedeutung der Saugspannung S als Meßgröße zur Bestimmung des Was- sergehalts (Kapitel 22) und für die Flußberechnung (Kapitel 25) ist sie vor allem auch eine ideale und leicht verständliche Größe zur Beurteilung der Wasserverfügbarkeit des Bodenwassers für die Pflanzenwurzeln.
Um Wasser aus dem teilgesättigten Boden aufnehmen zu können, muß die Pflanze mehr Energie aufwenden, als das Matrixpotential angibt.
Mit der Einführung von Saugspannungsklassen (SK) kann eine Aussage über Grad und Menge pflanzenverwertbaren Wassers im Boden gemacht werden. Diese Saugspan- nungsklassen sind wiederum Abhängige der Porengrößenklassen.
Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Einteilung der Saugspannungsklassen und deren Aussage über die Verwertbarkeit des Bodenwassers. Die Grenzwerte von 80 cm WS bzw. 15 000 cm WS werden als Feldkapazität FK bzw. als Permanenter Welkepunkt PWP bezeichnet. Näheres dazu in RICHARD (1979) oder RICHARD et al.
(1978).
Tabelle 1 Saugspannungsklassen und Verwertbarkeit des Wassers
SK Saugspannungsbereich Grad der Verwertbarkeit
(cm WS) für die Pflanze
1 1- 80 leicht entfernbares Gravitationswasser
2 80- 690 leicht verwertbares Wasser
3 690-15000 schwer verwertbares Wasser
4
>
15000 nicht verwertbares Wasser22 Wassergehalt 0 bzw. w
Der Wassergehalt 0 wird angegeben in Volumenanteilen, bezogen auf das betrachtete Bodenvolumen ( cm3 / cm3).
Durch Multiplikation von 0 mit Faktor 100 wird der Wassergehalt w in o/0y definiert.
Der Wassergehalt des Bodens bezieht sich auf das im gesamten Porenraum vorhan- dene Wasser. Die Spanne des Wassergehalts reicht in der Regel von Wassersättigung bis zur sogenannten Ofentrockenheit bei 105 °C. Bei Ofentrockenheit ist das noch vorhan- dene Wasser auf die diffuse Doppelschicht beschränkt; kapillar gebundenes Wasser ist nicht mehr vorhanden (Kapitel 21).
Beide Extrempunkte sind an sich leicht zu bestimmen, bezüglich der Genauigkeit sind jedoch folgende Einschränkungen zu machen: Bei allen einfachen Wassergehaltsbestim-
mungen wird die Struktur und die Textur der Bodenmatri~ als konstant angenommen.
Diese Randbedingung ist jedoch oft nur in beschränktem Maße erfüllt, indem z.B. in einem tonhaltigen Boden durch die Aufsättigung (Sorption) neben der Wasseraufnahme auch eine Quellung stattfindet. Umgekehrt schrumpft der gleiche Bodenkörper bei Was- serabgabe (Desorption) und verringert sein Volumen, eventuell verbunden mit einer Umstrukturierung des Porenaufbaus. Kann dieses Volumen nicht dauernd überprüft wer- den, sind die Wassergehaltsbestimmungen nach gängigen gravimetrischen Methoden nicht genau (Kapitel 231).
Die .Bestimmung des Wassergehalts in Feldexperimenten (Zeitreihen) erfolgt indirekt über Saugspannungsmessungen an Tensiometern unter anschließender Verwendung der im Labor oder im Feld erstellten Beziehungen zwischen Saugspannung und Wasser- gehalt. Je nach Bestimmungszyklus wird diese Beziehung als Sorptions- oder Desorp- tionskurve bezeichnet (Kapital 232).
Eine gänzlich andere Methode beruht auf der Anwendung der Neutronensonde: Der Anteil, der aus einer Neutronenquelle entwichenen schnellen und hochenergetischen Neutronen, die als an der Bodenmatrix und den H-Atomen des Bodenwassers abgebrem- ste «thermalisierte» Neutronen pro Zeiteinheit auf den Detektor treffen, ist ein Maß für den Wassergehalt des Bodens.
Allerdings sind auch hiefür boden- oder horizontspezifische Eichkurven notwendig.
Näheres zu dieser Methode und zur Anwendung in RICHARD (1979).
In der vorliegenden Arbeit wurden beide aufgeführten Meßtechniken angewendet.
23 Sorptions- und Desorptionskurve, Hysterese
Wie in Kapitel 21 dargelegt wurde, kann für ein bestimmtes Bodenvolumen mit einem bestimmten Wassergehalt 0 ein Kapillarpotential
'Pc
bestimmt werden. Wird der Betrag dieses Kapillarpotentials auf die Volumeneinheit Wasser bezogen, erhält'Pc
die Dimen- sion eines Drucks. Da der Druck des Wassers im teilgesättigten Boden einen negativen Betrag aufweist, spricht man von einem Kapillardruck oder, wie bereits ausgeführt, von der Saugspannung S.Es besteht somit eine Beziehung zwischen der Saugspannung S und dem Wassergehalt 0, indem in einem endlichen, natürlich gelagerten, als homogen angenommenen Boden- volumen einem gegebenen Wassergehalt eine bestimmte Saugspannung zugeordnet wird.
In Labor- wie auch in Feldversuchsanlagen kann diese Beziehung über einen weiten Bereich der Teilsättigung festgehalten werden. Die Darstellung der Beziehung S
=
f(E>) wird, je nachdem die Bestimmung in einer Entwässerungsphase (Desorption) oder Benet- zungsphase (Sorption) erfolgte, als Desorptions- bzw. Sorptionskurve bezeichnet.Diese beiden Kurven verlaufen jedoch in der Regel nicht deckungsgleich. Dies ist der Hinweis darauf, daß die Beziehung S
=
f(E>) davon abhängig ist, ob sich 0 in einer zuneh- menden oder abnehmenden Phase befindet.231 Die Hysterese der Beziehungs =f(0)
Die Hysterese der Funktion S
=
f(0) beschreibt das Auftreten einer Diskrepanz zwi- schen dem Funktionsverlauf bei zunehmendem bzw. abnehmendem Wassergehalt. Die Funktion als solche ist somit nicht eindeutig definiert, sondern bedarf der weiteren Abklä- rung, ob sich die Wassergehaltsveränderung in einer Sorptions-oder Desorptionsphase befindet. Die graphische Darstellung der zwei Funktionskurven erscheint als sogenannte Hysterese-Schlaufe.Anhand der schematischen Darstellung in Abbildung 1 und einer Laborbestimmung der Hysterese an einer ungestörten Bodenprobe (Tabelle 2) soll näher auf diesen Hysterese- Effekt eingegangen werden.
Als Umhüllende sind zwei Initialkurven (s bzw. d) für die Sorptions- und die Desorp- tionsphase zwischen den Endpunkten A, C und D erkennbar. In diese eingeschlossen sind andere, sogenannte primäre und sekundäre Hysterese-Schlaufen («scanning cur- ves»). Die primären Schlaufen d' bzw. s' verlaufen jeweils in einen Endpunkt (E-B bzw.
D -C), währenddem die sekundären Schlaufen d" und s" nicht mehr von einem End- punkt ausgehen, sondern von einem beliebigen Punkt einer primären Schlaufe.
Diese theoretische Betrachtung bedeutet für einen konkreten Fall, daß z.B. bei einer gemessenen Saugspannung Si der «wahre» Wert von 0i sich innerhalb des Bereichs von 0il bis 0i2 befinden kann. Wird für die Wassergehaltsbestimmung immer die Desorp- tionskurve angewendet, was allgemein üblich ist, wird 0i2 als der scheinbar richtige, zu Si gehörende Wassergehaltswert angenommen.
In Tabelle 2 sind die Meßwerte einer Hysterese-Bestimmung an einer ungestörten Bodenprobe «Möhlin-Wald», 100 cm Tiefe, dargestellt.
s
B
8i1
Abbildung 1 Schema der Hysterese (nach PouLOVASSILIS, 1962).
0
Tabelle 2 Laborbestimmung der Hysterese, «Möhlin-Wald», 100 cm Tiefe (Apparatur: «Soil-Moisture»-Druckapparatur)
angelegte Druckstufen p in cm WS
Kurven-
10 20 30 40 60 80 bezeichnung
43,63 -- 41,13 40,43 39,88 39,38 38,48 37,93 w d
40,53 38,93 38,43 38,33 38,03 37,83
_t
(%v) sL~
39,58 39,28 38,83 38,53 38,23 38,03 w d ' 1 40,33 38,93 38,63 38,33 38,13 38,18_t
(%v) : si't_
39,38 38,98 38,78 38,48 38,28 37,93 w di'40,28 38,88 38,53 38,33 38,23 38,18
_t
(%v)si'
Abbildung 2 zeigt dazu die entsprechende Darstellung der Initialschleife (d/s), mit den zwei eingeschlossenen Primärschlaufen ( d 1 '/ s 1 ') und ( d2 '/ s2 ').
Die maximale Spanne der Wassergehaltsabweichung innerhalb der Primärschlaufen liegtdabeiweitunter 1 %v·
p cm WS
80
60
40
30
20 10
d/s d{/s,'
d2'/S2
O+---,~--__;;---,
35 40 45 w
°lov
Abbildung 2 Laborbestimmung der Hysterese; Bodenprobe «Möhlin-Wald», 100 cm Tiefe, ungestört.
Auffallend ist jedoch, im Vergleich zu den Primärschlaufen, der hohe Sättigungs- wassergehalt der Initialkurve vor Beginn der Desorption. Diese Abweichung ist nur zum kleinsten Teil auf einen Hysterese-Effekt zurückzuführen, sondern gibt den labortechnisch noch nicht genau kontrollierten Sättigungsvorgang mit unnatürlich großem Quellungsan- teil wieder.
Unter natürlichen Bedingungen würde die Initialkurve der Desorption d viel näher an einer der primären Desorptionsschlaufen d' liegen.
Da das Funktionsprinzip der Hysterese-Druckapparatur derjenigen der Desorptions- kurven-Apparatur entspricht, ist auch dort dieselbe Abweichung im unteren Saugspan- nungsbereich zu erwarten. In Abbildung 3 wird dies bestätigt.
Diese nicht den natürlichen Verhältnissen entsprechende Aufsättigung muß bei der Wassergehaltsberechnung für die Bilanzierung entsprechend berücksichtigt und korrigiert
s
(cm WS)
160 ....---,---...---.
80
60
40 30 20 10 1 0
31 35
\
\
\
\
\
\
\
~LABOR-DESORPTIONS-
. KURVE
40
~ +
[2L] :
scheinbareD'77.I )Hysterese-Schlaufe lCLLd :wahrscheinlich "echte"
Abbildung 3 Hysterese und Labor-Desorptionskurve.
werden. Am meisten Erfolg verspricht dabei die Bestimmung einer Felddesorptionskurve, wie dies in dieser Arbeit in der Folge auch gemacht wurde. Beispiele zu dieser Problematik sind dargestellt inBORER (1978).
Die Ursachen der Hysterese können, etwas vereinfacht und nicht vollständig, wie folgt erklärt werden:
Durch unterschiedliche Porendurchmesser kapillarer Größenordnung im Bodengefüge entsteht ein sogenannter Flaschenhalseffekt. Dieser verursacht · bei einem Desorp- tionsvorgang eine Verzögerung des Wasserentzugs aus Poren mit großen Kapillar- durchmessern. Bei einem Sorptionsvorgang ist es umgekehrt: Poren mit kleinem Kapillardurchmesser werden später mit Wasser gefüllt, als eigentlich aufgrund des herrschenden Unterdrucks erwartet würde.
Der Eenetzungswinkel des Porenwassers gegenüber der Bodenmatrix ist für Sorption und Desorption nicht gleich, somit sind auch die bei der Entwässerung bzw. Sättigung wirksamen Potentiale, bei gleichem Wassergehalt, nicht die gleichen.
Bei der Aufsättigung wird in den noch nicht mit Wasser gefüllten Poren, die nicht mehr kontinuierlich mit der Luftphase verbunden sind, Luft eingeschlossen, die nur langsam (über Diffusion) das beanspruchte Bodenvolumen freigeben kann.
PouLOVASSILIS ( 197 4) weist darauf hin, daß die Dynamik der Entwässerung eine große Rolle spielt. Als Funktion des bei der Entwässerung angelegten Saugspannungs- betrags bleibt im entwässerten Porenvolumen «verlorenes» Wasser zurück, das nur noch durch den viel langsameren «film-flow» transportiert werden kann.
232 Bestimmung der Desorptionskurven 23 21 Labormethode
Die rnit der Labormethode bestimmten Desorptionskurven wurden aus der Arbeit von GERMANN (1976) übernommen. Die Beschreibung der Methode ist am selben Ort zu finden.
2322 Feldmethode
Angeregt durch die Beobachtung, daß die Labor-Desorptionskurve normalerweise einen zu hohen Sättigungswert erreicht und sich im sättigungsnahen Bereich im allgemei- nen nicht den natürlichen Verhältnissen entsprechend verhält, wurden in der Versuchs- fläche Feld-Desorptions- bzw. -Sorptionskurven bestimmt.
Zu diesem Zweck wurden an den Kohlefaden-Tensiometer/Neutronensonden-Meß - blöcken (KFTens/Neso-Block, Kapitel 43) simultane Saugspannungsablesungen und Wassergehaltsbestimmungen mit der Neutronensonde durchgeführt. Pro Meßblock konnte so pro Meßzyklus und Horizont je ein Wertepaar Wassergehalt w/Saugspan- nung S ermittelt werden.
Tabelle 3 Regressionsparameter der Beziehung w = f(S) in der Desorptionsphase w = a · (log S)2 + b · log S + c
Tiefe a b C r2 n Gültigkeitsbereich
cm
25 75 100 150 250 350
Tiefe cm
25 75 100 150 250 350
Tiefe cm
25 75 100 150 250 350
cm WS
-0,741 0,268 40,852 0,768 54 1,0-497,0
-0,362 0,243 42,741 0,776 47 1,0-290,4
-0,302 0,146 41,398 0,831 49 1,0-262,7
-2,057 5,243 37,711 0,802 49 6,6-257,2
-14,299 48,649 -5,850 0,903 45 124,9-403, 7
7,804 -57,735 123,067 0,872 50 277,6-434,6
Tabelle 4 Regressionsparameter der Beziehung w = f(S) in der Sorptionsphase w = a · (log S)2 + b · log S + c
a b C r2 n
-0,894 0,319 40,608 0,856 15
-0,385 0,200 42,503 0,674 14
-0,324 0,141 41,295 0,797 14
-1,995 5,244 37,213 0,807 13
-8,336 19,254 29,898 0,904 17
40,227 -223,747 335,355 0,784 19
Tabelle 5 Regressionsparameter der Beziehung w = f (S), Desorptions- und Sorptionsphase kombiniert
w = a · (log S)2 + b · log S + c
a b C r2 n
-0,893 0,547 40,712 0,781 69
-0,438 0,420 42,611 0,703 61
-0,324 0,186 41,364 0,811 63
-2,015 5,138 37,700 0,791 62
-10,661 31,114 15,144 0,904 62
-55,088 260,575 -279,526 0,812 69
Gültigkeitsbereich cm WS
1,0-344,4 1,0-287,9 1,0-258,9 35,6-238,7 108,3-357,1 278,8-409,7
Gültigkeitsbereich cm WS
1,0-497,0 1,0-290,4 1,0-262,7 6,6-257,2 108,3-403, 7 277,6-434,6
Tiefe cm
20 40 65 100 150 250 350
Tabelle 6 Regressionsparameter der Beziehung w = f (S), Desorptionsphase, nach Daten von GERMANN (1976)
w == a · (log S)2 + b · log S + c
a b C r2 n Gültigkeitsbereich
cm WS
-1,011 -2,668 48,175 0,986 9 1,0- 690,0
-1,368 -0,810 43,612 0,969 10 1,0-2000,0
-1,524 0,020 44,656 0,946 10 1,0-2000,0
-1,340 0,669 42,468 0,955 10 1,0-2000,0
-1,098 -1,572 47,783 0,989 9 1,0-2000,0
-2;088 -0,267 48,346 0,959 10 1,0-2000,0
-1,147 -1,714 48,435 0,963 10 1,0-2000,0
Durch die kontinuierlich registrierten Saugspannungsmessungen wurde für jedes Wertepaar festgestellt, ob es sich während der Erhebung in _einer Sorptions- oder Desorp- tionsphase befunden hatte. Auf diese Weise standen für die Berechnung der Desorptions- kurven pro Horizont je rund 50 Wertepaare, für diejenigen der Sorptionskurve rund 20 Wertepaare zur Verfügung. Die beste Anpassung einer Funktion an die Meßwerte erfolgte mit einer einfachen, nichtlinearen Regression 2. Grades:
w = a · (log S)2
+
b · log S+
cDie entsprechenden Regressionskoeffizienten a, b und c sind wie folgt zusammen- gestellt: für die Desorption in Tabelle 3, für die Sorption in Tabelle 4 und für die Kombina- tionskurve aus Sorptions- und Desorptionswerten in Tabelle 5. In Ergänzung zu den im Feld bestimmten Sorptions- und Desorptionskurven sind auch die Laborkurven, wie sie von GERMANN (1976) ermittelt wurden, als Regressionsgleichung errechnet (Tabelle 6).
Zu beachten ist die Tatsache, daß die dabei verwendeten Wertepaare jeweils einem Mittelwert aus 5-8 Laboreinzelwerten entsprechen.
In den Abbildungen 4.1 bis 4.6 sind die Regressionen der Sorptions-, Desorptions- und Kombinationskurven für die bei der Bilanzierung benötigten Horizonte dargestellt.
Die Desorptions- und die Sorptionskurven liegen meist so nahe beieinander, daß zeichnerisch- außer dem 25-cm-Horizont- nicht mehr alle drei Kurven auseinanderge- halten werden können. Die Hysterese-Effekte sind somit bei der Abschätzung der Genauigkeit der übrigen Parameter meist zu vernachlässigen.
In einer weiteren Darstellung (Abbildung 5) soll auf die Diskrepanz zwischen den Labor- und den Feld-Desorptionskurven hingewiesen werden: Gegenübergestellt sind die Laborkurve, erstellt mit der Druckapparatur (GERMANN, 1976), und die Feld-Desorp- tionskurve «Möhlin-Wald», erstellt aus synchronen Saugspannungs- und Wassergehalts-
