Oxf.: 114.12 : 114.441.3 : 181.31 : ( 494) : (043)
WALTER VOGELSANGER
Der Wasserhaushalt eines
zweischichtigen Bodenprofiles unter Waldbestockung, dargestellt an einer sandigen Parabraunerde über Schotter
Mit 66 Abbildungen und 53 Tabellen
Manuskript eingereicht am 21. September 1983
HERAUSGEBER DR. W. BOSSHARD DIREKTOR DER EIDGENÖSSISCHEN ANSTALT
FÜR DAS FORSTLICHE VERSUCHSWESEN
Bd./Vol. 62 Heft/Fase. 2 1986
Anschrift des Verfassers:
Dr. Walter Vogelsanger, Forst- und Güterverwaltung der Stadt Schaffhausen, Safrangasse 8, CH-8200 Schaffhausen
Diese Arbeit wurde 1983 von der Eidg. Technischen Hochschule in Zürich als Dissertation Nr. 7307 angenommen. Ihr Titel lautet: Untersuchung über den Wasserhaushalt eines zwei- schichtigen Bodenprofiles unter Waldbestockung, dargestellt an einer sandigen Parabraunerde über Schotter.
Adresse: Eidg. Anstalt für das forstliche Versuchswesen Adresse: Institut föderal de recherches forestieres Indirizzo: Istituto federale di ricerche forestali Address: Swiss Federal Institute of Forestry Research
Zitierung:
CH-8903 Birmensdorf ZH (01) 739 2111
Druck: Konkordia Druck- und Verlags-AG
Winterthur Eidg. Anst. forstl. Versuchswes., Mitt.
Die Hefte sind einzeln käuflich bei
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F. Flück-Wirth, Internat. BuchhandlungfürBotanikundNaturwissenschaften, CH-9053Teufen Preis: sFr. 68.-
Abstracts
Der Wasserhaushalt eines zweischichtigen Bodens unter Waldbestockung, dargestellt an einer sandigen Parabraunerde über Schotter
Ein erheblicher Teil des Schweizer Waldes stockt über zweischichtigen Böden. Um- fassende bodenphysikalische Untersuchungen sind eine wesentliche Grundlage zur Beurteilung solcher Standorte.
Die vorliegende Arbeit befaßt sich speziell mit dem Wasserhaushalt von Bodenpro- filen mit einer ausgeprägten Grenzschicht zur Schotterunterlage. Dabei werden neue Methoden zur Untersuchung skelettreicher Böden vorgestellt.
Die Feldmessungen in einem 90jährigen Waldbestand im Kanton Aargau wurden in den Jahren 1978 bis 1980 durchgeführt. Die Resultate erlauben aufschlußreiche Interpretationen des Wasserhaushaltes des untersuchten Standortes und machen u. a. den großen Einfluß der Grenzschicht sowie der Durchwurzelungsintensität auf die Wasserversorgung des Baumbestandes deutlich.
Le regime d'eau en sol
a
couche double, situe dans un peuplement forestier, expose dans un sol brun lessive, sablonneux, sur gravierUne part considerable des forets suisses se developpe sur un sol
a
couche double.Des recherches approfondies sur la physique du sol nous apportent les bases essentiel- les
a
l'interpretation ecologique de ces stations.Le present travail se rapporte specialement au regime d'eau de profils de sols dont la couche limite se trouve nettement separee du gravier. Cette etude presente egale- ment de nouvelles methodes adaptees
a
un sol richement squelettique.Les mesures sur le terrain furent effectuees, au cours des annees 1978
a
1980, dans un peuplement forestier de 90 ans situe dans le canton d'Argovie. Ces resultats nous amenenta
une interpretation significative du regime d'eau de ces stations; ils nous eclairent, entre autres, sur le röle que joue la couche limite sur l'intensite de l'exten- sion des racines et sur la capacite de retention en eau du peuplement forestier.Il bilancio idrico di un terreno a due strati pedologici e coperto da un soprassuolo forestale, rappresentato sull'esempio di un suolo podsolico bruno-grigio sabbioso,
posto su substrato ghiaioso
Una parte rilevante della superficie boschiva svizzera si insedia su terreni forestali formati da due strati pedologici ben distinti. Dallo studio accurato delle proprieta fisiche del suolo possono essere dedotti gli elementi essenziali per l'apprezzamento di queste stazioni.
103
II presente lavoro si occupa specialmente dello -studio del bilancio idrico in profili di terreno con passaggio brusco tra orizzonti pedogenetici superiori ed il substrato ghiaioso sottostante.
In questo ambito sono presentati nuovi metodi di indagine adatti allo studio di terreni ricchi in frazioni scheletriche. I rilievi sul terreno sono stati effettuati durante il periodo tra il 1978 ed il 1980 in un soprassuolo di 90 anni nel Canton Argovia. I risultati permettono una precisa interpretazione del regime idrico nell 'ecotopo stu - diato ed evidenziano il forte influsso dell'orizzonte limite tra i diversi strati pedogene- tici e dell 'intensita di radicazione sull'approvvigionamento idrico del soprassuolo fo- restale.
Water balance in a two-layered soil profile covered by forest as illustrated by a sandy luvisol over gravel
A considerable proportion of the forest in Switzerland grows on two-layered soils.
Comprehensive soil physical studies form an essential factor in the evaluation of such sites. The present study focuses on water balance in soil profiles with a pronounced sand-gravel interface. New methods for the investigation of gravelly soils are presented.
Field measurements were conducted in a 90-year-old stand in the canton of Aargau between 1978 and 1980. The results permit detailed interpretation of the water balance at the study site, and among other things reveal the strong influence of both the interface itself and the intensity of root development on the plant water supply.
Inhaltsverzeichnis
Abstracts 103
Verzeichnis der Abbildungen 109
Verzeichnis der Tabellen 112
Symbole und Definitionen 114
Dank . . . . 118
1 Einleitung . . . . 119
1.1 Problemstellung 119
1.2 Abgrenzung des Untersuchungsthemas 119
2 Theoretische Grundlagen . . . . 121
2.1 Das Wasserhaushaltsmodell . . . 121
2.2 Physikalische Grundbegriffe . . . 122
2. 2.1 Potentiale im Bodenwasser 122
2. 2.2 Ökologische Interpretation der Saugspannung 124 2. 2.3 Der Wassergehalt . . . . 125 2. 2.4 Sorptionskurve, Desorptionskurve, Hysterese 125
2.2.5 Das repräsentative Elementarvolumen REV 126
2.3 Berechnungsgrundlagen . . . . . 126
2. 3.1 Die Wasserhaushaltsbilanz 126
2.3.2 Das Gesetz von Darcy . . 127
2. 3.3 Die Flußberechnung . . . 128
2.4 Berechnung der Evaporation einer freien Wasseroberfläche 130 2. 4.1 Zielsetzung . . . . 130 2.4.2 Die Penman-Formel zur Berechnung der Evaporation aus einer freien
Wasseroberfläche . . . . 131 2. 4.3 Beziehung zwischen der Verdunstung einer freien Wasserfläche
und der potentiellen, respektive effektiven Evapotranspiration einer Vegetation ... .
3 Untersuchungsmethoden . . . . 3.1 Die Bestimmung der Saugspannung ...
3 .1.1 Das einfache Quecksilber -Tensiometer 3 .1.2 Das Einstich-Tensiometer . . . .
3 .1.3 Die Messung der Saugspannung im skelettreichen Boden und im Schotter . . . .
3.2 Die Bestimmung der Desorptionskurven 3. 2.1 Die Richards-Methode
3. 2.2 Die Ausflußmethode . . . . 3. 2.3 Die Feldmethode . . . . 3.3 Die Bestimmung der Durchlässigkeitskoeffizienten
3. 3.1 Die Labormethode . . . 3. 3.2 Die Ausflußmethode . . 3. 3.3 Rechnerische Methoden 3. 3.4 Feldmethoden . . . . .
3. 3.5 Durchlässigkeitskoeffizienten bei Wassersättigung
132 134 134 134 134 136 138 138 139 139 141 141 141 141 141 144 105
3.4 Bestimmung des Wassergehaltes im Felde ... . 144 145 145 145 145 146 146 146 147 147 147 3.5 Bestimmung der scheinbaren und der reellen Dichte
3.6 Bestimmung der Korngrößenverteilung 3.7 Messung der Bodentemperaturen ..
3.8 Die chemischen Analysen des Bodens 3. 9 Erfassung meteorologischer Faktoren
3.9.1 Niederschlag . .. .. ... .
3.9.2 Lufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit . 3.9.3 Windgeschwindigkeiten und Strahlungsbilanzen 3.10 Kronenprojektionen ... .
3.11 Verlauf des Grundwasse rstandes
4 Standort und Klima . . . . . 148
4.1 Wahl des Versuchsortes . 148
4.2 Lage der Versuchsfläche 148
4.3 Klima .. . . 148
4.4 Geologie . 149
4.5 Vegetation 149
4.6 Boden . . 150
4.6.1 Morphologische Beschreibung des Bodenprofiles 150 4.6.2 Physikalische Bodeneigenschaften . . . . 156 4.6.2.1 Skelettgehalt und Korngrößenverteilung der Feinerde 156 4.6.2.2 Dichte und Porosität . . . . 158 4.6.2.3 Desorptionskurven und spezifische Wasserkapazität 160 4.6.2.4 Porengrößenverteilung nach Saugspannungsklassen 169
4.6.2.5 Wasserleitfähigkeit nach Darcy 171
4.6.3 Chemische Bodeneigenschaften . . . . 177 4.6.3.1 Acidität und Karbonatgehalt . . . . 178 4.6.3.2 Kationenaustauschkapazität KAK und Sättigungsgrad SG 179 4.6.3.3 Humusgehalt . . . . 179 4.6.3.4 Oxalat-lösliches und Dithionit-Citrat-lösliches Eisen
im Oberboden . 180
4.6.4 Wurmaktivität im Boden 181
5 Versuchsanlage . . . . 183
5 .1 Konzept der Versuchsanlage 183
5.2 Versuchsanlage . . . . . 183
5.3 Tensiometer-Meßblöcke . . 185
5 .4 Klimamast . . . . 188
5.5 Datenerfassung, Meßperioden 188
6 Meßergebnisse , Diskussion . . . . 192
6.1 Bodentemperaturen . . . . . 192
6.1.1 Verlauf der Bodentemperaturen 192
6.1.2 Einfluß der Bodentemperaturen auf die Vegetation 192 6.2 Niederschlag . . . . 195 6.2.1 Gesamtniederschlag während der Meßperiode . . . 195 6.2.2 Niederschlagsverteilung in der Versuchsfläche, Interzeption 196 6.3 Ergebnisse der Messungen am Klimamast . . . . 199
6.3.1 Charakterisierung des Datenmateriales 199
6.3.2 Jahresverlauf der gemessenen Klimafaktoren 200 6.3.3 Tagesverlauf der Klimadaten am 5. Juli 1979 . 203
6.3.4 Evaporation einer freien Wasserfläche (EW) und Vergleich mit der
effektiven Evapotranspiration (ET) . . . . 205 6.4 Ergebnisse der Grundwassermessungen . . . . 208 6.5 Resultate und Interpretation der Saugspannungsmessungen . . . . 211 6.5.1 Statistische Beurteilung des angefallenen Datenmateriales . 211 6.5.2 Verlauf der Saugspannungen bezogen auf die einzelnen Meßtiefen 219 6.5.3 Verlauf der Saugspannungen in den Bodenkompartimenten
in Abhängigkeit v9n Vegetation und Klima . . . . 224 6.5.4 Verlauf der Saugspannungen in den einzelnen Bodenkompartimenten
bei künstlicher Austrocknung . . . . 237 6.5.5 Einfluß der Baumarten und der Durchwurzelungsintensität auf die
Saugspannungen . . . . 240 6.5.6 Einfluß der Grenzschicht «Sand-Schotter» auf die Saugspannungen 246 6.5.7 Saugspannungsmessungen an einer Bodensäule im Labor 248
6.5.7.1 Zielsetzung und Versuchsaufbau 248
6.5.7.2 Ergebnisse und Schlußfolgerungen . . . . 250 6.6 Wassergehaltsverteilung in der Lokalform «Hard» . . . . 253 6.6.1 ökologische Interpretation der Wassergehaltsverteilung im Boden 253 6.6.2 Wassergehaltsverteilung in den Meßblöcken 4 bis 8 (Bestand)
in Abhängigkeit von Vegetation und Klima . . . . 256 6.6.3 Einfluß der Grenzschicht «Sand-Schotter» auf das Wasserangebot
im Boden . . . . 260 6.6.4 Wassergehaltsbestimmung im Boden mit der Neutronensonde 262 6.6.5 Verlauf des Wassergehaltes im Boden auf der Basis von
Neutronensondenmessungen . . . . 265 6.6.6 Vergleich von Wassergehalten aus verschiedenen
Bestimmungsmethoden (Neutronensonde und Tensiometer) 267 6.7 Beurteilung der Wasserbewegung . . . . 269
6. 7 .1 Beurteilung der Wasserbewegung in Abhängigkeit
von Vegetation und Klima . . . . 269 6.7.2 Berechnung derTiefensickerung . . . . 274 6.7.3 Beurteilung derTiefensickerung im Hardwald . . 280 6.7.4 Einfluß der Grenzschicht «Sand-Schotter» auf die Wasserbewegung und
insbesondere auf die Tiefensickerung . . 283
6.8 Bilanzierung der Wasserhaushaltsgrößen . . . . 286
6.8.1 Berechnung der Wasserhaushaltsgrößen 286
6.8.2 Wasserhaushaltsbilanzen . . . . 288 6.8.2.1 Wasserhaushaltsbilanz im Boden der Blöcke 4 bis 6 (Bestand)
für die Meßperiode vom 5.5.1978 bis 30.4.1979 . . . 288 6.8.2.2 Wasserhaushaltsbilanz im Boden der Blöcke 4 bis 8 (Bestand)
für die Meßperiode vom 2.4.1979 bis 28.3.1980 . . . 290 6.8.2.3 Wasserhaushaltsbilanz im Boden der Blöcke 1 bis 3
(Bestandeslücke) für die Meßperiode vom
5.5.1978 bis 30.4.1979 . . . 293 6.8.2.4 Zusammenhang zwischen Wasservorratsänderung im Boden,
Tiefensickerung und Evapotranspiration, dargestellt an Block 3 (Bestandeslücke)
bei künstlicher Austrocknung . . . 294 6.8.3 Wassergehaltsänderung und Evapotranspiration im Boden der Blöcke
4 bis 8 (Bestand) in Abhängigkeit von der Bodentiefe 296 6.8.4 Einfluß der Vegetation auf die Wasserhaushaltsbilanz . . . 299 107
6.8.5 Vergleich der bodenphysikalisch ermittelten Evapotranspiration
mit den Daten der Klimamessungen . . . . 300 6.8.6 Vergleich der Bilanzierungsergebnisse mit Resultaten anderer
Untersuchungen . . . . 303
6.9
6.8.7 Einfluß der Grenzschicht «Sand-Schotter»
auf die Wasserhaushaltsbilanz
Übertragung der Versuchsergebnisse auf den Hardwald
6.9.1 Beurteilung der flächenweisen Verteilung der Bodentypen 6.9.2 Interpretation und Vergleich der vorhandenen Bodentypen
auf der Basis der Untersuchungsergebnisse . 7 Standortskundlich-forstliche Interpretation
Zusammenfassung
Resume: Le regime d'eau en sol a couche double, situe dans un peuplement forestier, 306 306 306 309 311 315 expose dans un sol brun lessive, sablonneux, sur gravier . . . . 317 Riassunto: II bilancio idrico di un terreno a due strati pedologici e coperto da un
soprassuolo forestale, rappresentato sull'esempio di un suolo podsolico
bruno-grigio sabbioso, posto su substrato ghiaioso . . . . . 319 Summary: Water balance in a two-layered soil profile covered by forest as illustrated
by a sandy luvisol over gravel 321
Literaturverzeichnis 323
Andere Quellen . . 327
Verzeichnis der Abbildungen
1 Komponenten des Wasserhaushaltes in einem vegetationsbedeckten Boden in ebener Lage . . . . . . . . .
2 Meßprinzip des Einstich-Tensiometers ... . 3 Einbau von Tensiometern im skelettreichen Boden . . . . 4 Schema der Meßanlage der kontinuierlichen Ausflußmethode zur Bestimmung
der Desorptionskurve und der Wasserleitfähigkeit im teilgesättigten Boden . . Berechnung des Durchlässigkeitskoeffizienten mit der vereinfachten Feldmethode . Klimadiagramm: Jahresverlauf der Niederschläge und der Temperatur
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Geologie und Hydrologie des Hardwaldes . . . . Schematische Feldaufnahme (Feldprotokoll) der Lokalform «Hard»
Schematische Zuordnung der Tensiometer-Meßstellen zu den
Kompartimenten Kl bis K5 . . . . Korngrößenverteilung der Feinerde . . . . Korngrößenverteilung in Summationskurven der Bodenkompartimente Kl bis K5 . Bodenphysikalische Kennwerte (Dichten, Porosität) ... .
Desorptionskurven und die Abgrenzung der Saugspannungsklassen . Desorptionskurven nach der Ausflußmethode . . . . Desorptionskurven aus den Felddaten (Felddesorptionskurven) Vergleich von Desorptionskurven w = f(S) aus verschiedenen Bestimmungsmethoden für Kompartiment 2 . . . .
17 Porengrößenverteilung nach Saugspannungsklassen
(aus Labordesorptionskurven) ... . 18 Wasserleitfähigkeit nach Darcy im gesättigten Boden . . . . 19 Wasserleitfähigkeit im ungesättigten Boden nach der Richards-Methode für die
Kompartimente Kl bis K3 . . . . 20 Durchlässigkeitskoeffizienten im ungesättigten Boden nach der Ausflußmethode 21 Wasserleitfähigkeiten im unverwitterten Schotter. Vergleich verschiedener
Bestimmungsmethoden . . . . 22 Versuchsanlage «Sand-Schotter», Gesamtübersicht ... . 23 a Lage der Meßblöcke 1, 2 und 3 mit der Umgrenzung der Bestandeslücke
durch die Kronenprojektionen der umgebenden Bäume . . . 23 b Zuordnung der Meßblöcke zu den verschiedenen Baumarten 24 Konzeption eines Tensiometer-Meßblockes, Grundriß ....
25 Schema zur Messung der Klimadaten an der «Klima-Fichte»
26 Schematische Darstellung der Meßperiode im Hauptversuch 27 Verlauf der Bodentemperaturen 1979 . . . . 28 Temperaturprofile an ausgewählten Tagen 1979 . . . . 29 Vergleich der Quantilstatistik mit den Monatsniederschlägen
der Station Laufenburg 1978 bis 1980 . . . . 30 Verlauf der Klimawerte vom März 1979 bis März 1980 . . . 31
32 33 34
Tagesverlauf der Klimadaten am 5.7.1979 ... . Verlauf des Grundwasserstandes 1979/80 im Vergleich zum Freilandniederschlag und zur Tiefensickerung . . . . Verlauf der Saugspannungs-Einzelwerte an Block 1 und Block 8 vom 13.7. bis 6.8.1979 in 35 cm Tiefe . . . ...
Häufigkeitsverteilung für 2 ausgesuchte Saugspannungsablesungen im unverwitterten Schotter in Block 8 . . . .
121 135 137 140 143 149 150 152 151 158 159 159 162 163 164 165 170 172 174 176 178 184 185 186 187 189 190 194 194 197 201 205 210 212 216 109
35 Empirische Verteilungsfunktion von 2 Saugspannungsablesungen im
unverwitterten Schotter im Wahrscheinlichkeitsnetz . . . . 217 36 Saugspannungsprofile an den Meßblöcken 4 bis 8 an ausgewählten Meßtagen 222 37 Saugspannungsprofile an den Meßblöcken 1 bis 3 an ausgewählten Meßtagen 223 38 Verlauf der Saugspannungen pro Kompartiment in den Blöcken 4 bis 8
vom Mai 1978 bis Mai 1980 . . . . 225 39 Verlauf der Saugspannungs-Mittelwerte pro Kompartiment in den Blöcken 4 bis 8
vom 19.6. bis 8.8.1979 . . . 232 40 Verlauf der Saugspannungs-Mittelwerte pro Kompartiment in den Blöcken 1 und 2
vom 19.6. bis 8.8.1979 . . . . 233 41 Verlauf der Saugspannungen pro Kompartiment in den Blöcken 4 bis 6
im August 1978 während eines Extremregens . . . . 234 42 Aufsättigung der Bodenkompartimente in den Blöcken 4 bis 8
nach Abschluß der Vegetationsperiode 1979 . . . . 235 43 Verlauf der Saugspannungs-Mittelwerte pro Kompartiment in Block 3
nach Abdeckung des Blockes . . . . 238 44 Saugspannungsprofile in Block 3
während der künstlichen Austrocknung im Jahr 1979 238 45 Vergleich der Saugspannungen der Blöcke 4 bis 8
in Kompartiment 2 im Sommer 1979 . . . . 242 46 Vergleich der Saugspannungen der Blöcke 4 bis 8 in Kompartiment 3
im Sommer 1979 . . . . 243 47 Vergleich der Saugspannungen der Blöcke 4 bis 8 in Kompartiment 4
im Sommer 1979 . . . . 244 48 Vergleich der Saugspannungen der Blöcke 4 bis 8 in Kompartiment 5
im Sommer 1979 . . . . 245 49 Saugspannungsprofile in Sektor 1 des Blockes 7 in Abhängigkeit von der Zeit 246 50 Saugspannungsprofile im Sektor 3 des Blockes 1 in Abhängigkeit von der Zeit 247 51 Schema der Bodensäule «Sand-Schotter» mit den
Tensiometer-Meßstellen Tl bis T6 . . . . 249 52 Verlauf der Saugspannungen in der Bodensäule bei künstlicher Bewässerung
und anschließender Austrocknung . . . . 251 53 Saugspannungsklassen in den Blöcken 4 bis 8 vom Mai 1979 bis Mai 1980 254 54 Wasserangebot in den Blöcken 4 bis 8 an ausgewählten Meßtagen . . . . 257 55 a Angebot an leicht pflanzenverwertbarem Wasser in den Blöcken 4 bis 6,
bezogen auf die Kompartimente Kl bis K4, vom Mai 1978 bis Mai 1979 . 258 55b Angebot an leicht pflanzenverwertbarem Wasser in den Blöcken 4 bis 8,
bezogen auf die einzelnen Kompartimente, vom Mai 1979 bis Mai 1980 . 259 56 Verlauf des Wassergehaltes aus den Neutronensonden-Messungen in Block 2,
Rohr 1 . . . . 266 57 Verlauf des Wassergehaltes aus den Neutronensonden-Messungen in Block 5,
Rohr 1 . . . . 266 58 Wassergehaltsprofile im Block 8, Rohr 1, an ausgewählten Meßtagen aus
Neutronensonden-Messungen. Austrocknung und Wiederaufsättigung eines
Bodenprofiles im Bestand . . . . 267 59 Vergleich der Wassergehalte, berechnet aus Neutronensonden-Meßdaten in Rohr 1
und den Saugspannungsmessungen mit Hilfe der Funktion w = f(S) 268 60 Richtung der Wasserbewegung im Block 1 vom Mai 1979 bis Mai 1980 272 61 Richtung der Wasserbewegung im Block 8 vom Mai 1979 bis Mai 1980 273 62 Richtung der Wasserbewegung im Block 5 vom Mai 1978 bis März 1980 274
63 Richtung der Wasserbewegung im Block 3 vom Mai 1978 bis Mai 1980,
mit einer künstlichen Austrocknung des Blockes ab 22.6.1979 . . 275 64 Verlauf der Gradienten i im Jahr 1979 in Block 8, dargestellt an
ausgewählten Meßtagen . . . . 278 65 Verlauf der Gradienten i in den Meßtiefen 220 bis 260 cm der Blöcke 4 bis 8
vom April 1979 bis April 1980 . . . . 279 66 Verteilung der Bodentypen in der Umgebung der Lokalform «Hard» . . . . 308
111
Verzeichnis der Tabellen
1 Saugspannungsklassen und Verwertbarkeit des Bodenwassers 124 2 Kennwerte der verwendeten Keramik-Kerzen . . . . . 134 3 Unterteilung des Bodenprofiles der Lokalform «Hard»
in Kompartimente homogener Bodenkennwerte . . . . 155 4a Anteile der Kompartimente Kl bis K5 bei den Meßrohren der Neutronensonden . 156 4 b Skelettanteil und Korngrößenverteilung der Feinerde . 157
5 Bodenphysikalische Kennwerte (Dichten, Porosität) 160
6 Spezifische Wasserkapazitäten der Desorptionskurven
in den Kompartimenten 1 bis 3 aus der Richards-Methode 161 7 a Regressionsparameter der Beziehung w = f(S) aus der Richards-Methode 166 7 b Wassergehalt und Standardabweichung des Mittelwertes in Funktion der
Saugspannung (Richards-Methode) . . . . 166 8 a Regressionsparameter der Beziehung w = f(S) aus der Ausflußmethode 167 8 b Wertepaare der Beziehung w = f(S) nach der Ausflußmethode . . . 168 9 a Regressionsparameter der Beziehung w = f(S) aus der Feldmethode 167 9 b Wertepaare der Beziehung w = f(S) nach der Feldmethode . . 168 10 Werte zur Porengrößenverteilung nach Saugspannungsklassen . . . 169 11 Wasserleitfähigkeit nach Darcy im gesättigten Boden . . . . 172 12a Regressionsparameter der Beziehung k = f(S) nach der Richards-Methode
für die Kompartimente Kl bis K3 . . . . 173 12b Durchlässigkeitskoeffizienten im teilgesättigten Boden nach der Richards-Methode
für die Kompartimente Kl bis K3 . . . . 173 13 Regressionsparameter der Beziehung k = f(S) nach der Ausflußmethode . . . 175 14 Regressionsparameter für die Funktion k = f(S) für das Kompartiment K5
aus der vereinfachten Feldmethode (Kombination Ausflußmethode/Felddaten) 177 15 Ergebnisse der chemischen Bodenanalysen . . . . 180 16 Oxalat-lösliches und Dithionit-Citrat-lösliches Eisen im Oberboden 181 17 Biomasse und Artenvielfalt der Regenwürmer im Hardwald 182 18 Technische Daten eines Tensiometer-Meßblockes . . . . 188 19 Bodentemperaturen in den Tiefen 10, 35, 70, 110, 150 und 190 cm . . 193 20 Niederschläge der Jahre 1978, 1979 und 1980 im Vergleich zum langjährigen Mittel
(Station Laufenburg) . . . . 195 21 Beziehung des Freilandniederschlages zum Niederschlag
an den einzelnen Meßblöcken . . . . 198 22 Interzeption in Prozenten der Freilandniederschläge bzw. der Niederschläge
an der Station Laufenburg . . . . 199 23 Klimadaten an den 3 Meßstellen des Klimamastes im Juli 1979 . . . . 202 24 Tagesverlauf der Klimadaten am 5. Juli 1979 . . . . 204 25 Vergleich der Verdunstung einer freien Wasseroberfläche EW mit dem effektiven
Wasserverbrauch ET einer Vegetation . . . . 207 26 Verlauf der Grundwasserganglinien vom 7.5.1979 bis 8.5.1980 . . . . 209 27 Vergleich von Saugspannungs-Einzelwerten an verschiedenen Meßtagen in einem
Einzelblock im Bestand . . . . 213 28 Anzahl Meßwerte, Mittelwerte, Standardabweichung des Einzelwertes und
Vertrauensintervall des Kompartiments-Mittelwertes in den Blöcken 4 bis 8 215 29 Vergleich statistischer Kennwerte für die Saugspannungsverteilung
an 2 ausgewählten Meßtagen in den Blöcken 4 bis 8 . . . . 218
30 Saugspannungs-Mittelwerte pro Meßtiefe in Block 8
für die Meßperiode vom 27.4. bis 31.7.1979 . . . . 220 31 Saugspannungs-Mittelwerte pro Meßtiefe in Block 1 für die Meßperiode
vom 27.4. bis 31.7.1979 . . . . 221 32 Saugspannungs-Mittelwerte der Blöcke 4 bis 8 pro Bodenkompartiment
für die Meßperiode vom 5.5.1978 bis 12.5.1980 . . . . 226 33 Saugspannungs -Mittelwerte der Blöcke 1 und 2 pro Bodenkompartiment
für die Meßperiode vom 8.6. bis 8.8.1979 . . . . 236 34 Saugspannungs-Mittelwerte pro Kompartiment in Block 3 bei künstlicher
Austrocknung vom 22.6. bis 26.9.1979 . . . . 239 35 Repräsentative Kompartimentstiefen der Blöcke 1 bis 8
und das leicht pflanzenverwertbare Wasser . . . . 241 36 Wassergehalte in der Lokalform «Hard » be i den ökologisch wichtigen
Saugspannungen auf der Basis der Felddesorptionskurven 253 37 Saugspannungen und Wassergehalte in den Blöcken 4 bis 8
an ausgewählten Meßtagen . . . . 256 38 Leicht pflanzenverwertbares Wasser im Wurzelraum in Abhängigkeit
von der Wurzelraumtiefe . . . . 260 39 Dauer extremer Trockenperioden im Sommerhalbjahr für Basel . . . 261 40 Angebot an «leicht pflanzenverwertbarem Wasser» im Wurzelraum in
Abhängigkeit von der Tiefe der Grenzschicht «Sand-Schotter » 262 41 Eichgerade für die Neutronensonde des Typs «Wallingford»
in der Versuchsfläche «Sand -Schotter » . . . . 263 42 Zusammenstellung der Wassergehalte in Volumenprozenten aus den
Neutronensonden-Messungen in Block 8 an 2 verschiedenen Meßtagen . 264 43 Vergleich des Wassergehaltes aus den Neutronensonden-Messungen in Block 8,
Rohr 1, mit den Wassergehalten aus den Saugspannungs-Mittelwerten
der entsprechenden Kompartimente K2 , K4 und K5 . . . . 268 44 Verteilung der hydraulischen Gradienten über die Tiefe in den Meßblöcken 4 bis 8
vom 9.7. bis 15.9.1979 . . . 271 45 Verlauf der Saugspannungen, der Gradienten , der k-Werte und der
Tiefensickerung im IIC -Horizont vom April 1979
bis April 1980 in den Blöcken 4 bis 8 . . . . 281 46 Ergebnisse der Wasserhaushaltsbilanz in den Meßblöcken 4 bis 6
für den Meßzeitraum vom 5.5.1978 bis 30.4.1979 . . . . 289 47 Ergebnisse der Wasserhaushaltsbilanz in den Meßblöcken 4 bis 8
für den Meßzeitraum vom 2.4.1979 bis 28.3.1980 . . . . 291 48 Ergebnisse der Wasserhaushaltsbilanz in den Blöcken 1 bis 3
für den Meßzeitraum vom 5.5.1978 bis 30.4 .1979 . . . . 295 49 Provisorische Wasserhaushaltsbilanz im Block 3 bei künstlicher Austrocknung 296 50 Geschätzte Wasseraufnahme durch die Wurzeln in den Kompartimenten
K3 und K4 , Blöcke 4 bis 8, während der Vegetationsperiode 1979 . . . . 298 51 Wasseraufnahme durch die Pflanzen im Bodenkompartiment K4 der Blöcke
4 bis 8 während der Vegetationsperiode 1979 (inkl. Tiefensickerung) 299 52 Vergleich der Evapotranspiration ET mit der Verdunstung einer freie n
Wasseroberfläche EW für Perioden ohne Niederschlag im Sommer 1979 in den
Meßblöcken 4 bis 8 . . . . 302 53 Zusammenfassung der monatlichen Bilanzierungs resultate für die Meßperioden
1978/79 und 1979/80 für die Meßblöcke im Bestand . . . . 305
113
- --- -·- --- -- ----·--- ---~~ ---~---
Symbole und Definitionen Ordnung: 1. Großbuchstaben
2. Kleinbuchstaben
3. Griechische Buchstaben und Spezialzeichen
Anmerkung: Wird für zwei Größen ausnahmsweise das gleiche Symbol verwendet, dann ist die entsprechende Bedeutung des Symboles aus dem Text ersichtlich.
Symbol Maßeinheit 1. Großbuchstaben A
A AK B BL C CAP CR CR%
D E Eo EP ET ET' ETP EW EW FL FK
GS H I KAK
mm,dm 3·m-2 cm2
mm,dm 3·m-2
1 cmWS mm,cm Anzahl Impulse
% mm,cm,m
mm,dm 3·m-2 mm,dm 3·m-2 mm,dm 3·m-2 mm,dm 3·m-2 mm,dm 3·m-2 mm,dm 3·m-2 mm,dm 3·m-2
%V
cm
mm,dm 3·m-2 mäq · dm-3 mäq · (100 g)-1 Kl, ... K8 -
L cm,m
LF %
LF %
LFn %
LFn %
Name, Bezeichnung, Bemerkung
oberflächlicher Zu- oder Abfluß Sickerquerschnitt, Fließquerschnitt kapillarer Aufstieg
Bestand, Meßblock im Bestand
Bestandeslücke, Meßblock in Bestandeslücke spezifische Wasserkapazität
kapillarer Aufstieg des Wassers in einer Glaskapillaren Zählrate (bei der Neutronensonde)
relative Zählrate: CRBoden/CRwasser Durchmesser
Porosität E = 1 - Pa
' Pr
Hilfsausdruck in Penman-Formel Evaporation
Evapotranspiration (Transpiration und Evaporation) ohne Interzeption Evapotranspiration mit Interzeption potentielle Evapotranspiration
Verdunstung einer freien Wasserfläche nach PENMAN mittlere Verdunstung einer freien Wasseroberfläche seitlicher Wassertransport im Wurzelraum
Feldkapazität, empirischer Wert für den Wassergehalt eines normal durchlässigen Bodens, nachdem- ausgehend von Wassersättigung- das durch die Erdgravitation drainierbare Wasser entfernt worden ist.
Grenzschicht, Grenze zwischen dem verwitterten Schotter (K4) und dem unverwitterten Schotter (K5) hydraulische Höhe, Maß für das totale Wasserpotential pro Gewichtseinheit Bodenwasser (H = hc + z) Interzeption (I = NsMA -N 4_8)
Kationen-Austauschkapazität Bodenkompartimente 1 bis 8 Länge
relative Luftfeuchtigkeit mittlere relative Luftfeuchtigkeit
relative Luftfeuchtigkeit an der n-ten Meßstelle mittlere relative Luftfeuchtigkeit an der n-ten Meßstelle
N mm,dm 3·m- 2
N' mm,dm 3·m- 2
NF mm,dm 3·m- 2
NsMA mm,dm 3·m- 2 NV
N 1 bis N8 mm,dm 3·m- 2
PWP %V
Q cm3 · s-1 REV cm3,dm 3 Rn erg · cm-2 · d- 1
cal · cm-2 · min- 1 Rn erg · cm-2 · d-1
cal · cm-2 · min- 1 Rnn erg · cm -2 · d- 1
cal · cm-2 · min- 1 (lJoule [J] = 107erg = 0,2388 cal)
s cmWS(lcmWS =
0,9807 mbar)
s
cmWSSG %KAK
SK
ST cmWS
T mm,dm 3 ·m- 2
T
oc
T
oc
TL
oc
TRhf
oc
Tn
oc
Tn
oc
TS mm,dm 3·m- 2
u
mm,dm 3·m- 2V mm, dm3 · m-2, %v ßV mm, dm 3 · m-2, %v
Vp %V
Vn %V
V12 %V
V2 %V
V3 %V
V4 %V
2. Kleinbuchstaben a
a b
wie Daten
Freilandniederschlag
Bestandesniederschlag nach Abzug der Interzeption (N' = N-I) Niederschlag im Freiland
Niederschlag an der SMA-Station Laufenburg Normalverteilung (Statistik)
Niederschlag an den einzelnen Meßblöcken permanenter Welkepunkt, Wassergehalt im Boden bei einer Saugspannung von 15 000 cm WS Durchfluß
repräsentatives Elementarvolumen Nettoeinstrahlung
mittlere Nettoeinstrahlung
mittlere Nettoeinstrahlung an der n-ten Meßstelle
Saugspannung
Saugspannungs-Mittelwert Sättigungsgrad
Saugspannungsklassen
Saugspannungs-Mittelwert im Bereich von 220 bis 260 cm Tiefe, Saugspannung zur Berechnung der
Tiefensickerung Transpiration Temperatur mittlere Temperatur
langjähriges Temperaturmittel für die SMA-Station Rheinfelden
aktueller Mittelwert für die SMA-Station Rheinfelden Temperatur an der n-ten Meßstelle
Temperaturmittel an der n-ten Meßstelle Tiefensickerung, Grundwasser-Neubildung Senkenglied in Bilanzgleichung
gespeicherte Wassermenge im Boden Änderung des Wasservorrates im Boden gesamtes Porenvolumen
Porenvolumen der SK11 (0 bis 40 cm WS) Porenvolumen der SK12 ( 40 bis 80 cm WS) Porenvolumen der SK2 (80 bis 690 cm WS) Porenvolumen der SK3 ( 690 bis 15 000 cm WS) Porenvolumen der SK4 (> 15 000 cm WS)
Regressionskoeffizient Vertrauensintervall (Statistik) Regressionskoeffizient
115
C
d div(y) e ea ed f g grad <P h hc iT
k kT kx n p pH
= i
mm,µm wie Daten bar bar bar 9,81 m · s-2
cm cm(cmWS) cm· cm-1 cm· cm-1
cm· s-1, mm· d-1 cm· s-1, mm· d-1 cm· s-1, mm· d-1
-logcH+
Zusatz: mm· d-1 ~ dm3 · m-2 · d-1 q
r
sx
U2 U2
V
y Yx w wel wv Wvl wvs Wo x,y , z z
116
cm·s- 1 mm,µm wie Daten
wie Daten
s, d
m · s-1, km· h-1 m · s-1, km · h-1 cm· s-1 cm· s-1 cm· s-1
% V
% v,dm3. m-2
%v,dm3. m-2
% v, dm3. m-2
% v, dm3. m-2
% v, dm3. m-2 cm
cm
Regressionskoeffizient
Äquivalentdurchmesser von Poren und Kapillaren Divergenz eines Vektors
Wasserdampfdruck in der Luft
Sättigungsdampfdruck bei der jeweiligen Temperatur wirklicher Wasserdampfdruck in der Luft
Proportionalitätsfaktor Erdbeschleunigung Potentialgradient
(Ableitung des Potentia ls nach dem Ort) Druckhöhe
Kapillardruckhöhe (hc = -h) hydraulischer Gradient
hydraulischer Gradient im Bereich von 220 bis 260 cm Tiefe.
Gradient zur Berechnung derTiefensickerung Durchlässigkeitskoeffizient nach DARCY k-Wert im Bereich von 220 bis 260 cm Tiefe zur Berechnung derTiefensickerung Durchlässigkei tskoeffizien t k in Richtung der x-Koordinate Zähler, Stichprobenumfang p=ETP/EW
pH-Wert, Maßzahl für die Wasserstoffionen-Konzentration Ergiebigkeit q =
t
= v (Fluß) Äquivalentradius einer PoreStandardabweichung des Einzelwertes sx =
Yn:
1. k (xi - x)2Standardabweichung des Mittelwertes sx
sx =
Vn
Zeit in Sekunden oder Tagen Windgeschwindigkeit in 2 m Höhe über der Bestandesoberfläche mittlere Windgeschwindigkeit Filtergeschwindigkeit
vektorielle Form der Filtergeschwindigkeit
Filtergeschwindigkeit in Richtung der Koordinate x Wassergehalt in Volumenprozent
leicht entfernbares Wasser pflanzenverwertbares Wasser leicht verwertbares Wasser schwer verwertbares Wasser nicht verwertbares Wasser
Ortsvariablen im Kartesischen Koordinatensystem geodätische Höhe
3. Griechische Buchstaben und Spezialzeichen
ex Grad Benetzungswinkel von Wasser
gegenüber der festen Kapillarwand endliche Differenz
bar · grad-1 Steigung der Sättigungsdampf druck/Temperaturkurve bei der jeweiligen Temperatur
a
E
e
Pa
Pr
'lJJa 'lJJc 'lJJcG 'lJJg 'lJJm 'lVp 'lJJpn
'ljJt = <I>
'lJJw
'ljJJt 'ljJQ
73dyn · cm-1 cm3 · cm-3 g · cm-3 , kg· m-3 g · cm-3 , kg· m-3 g · cm-3 , kg· m-3 kpm,cm kpm,cm cm kpm,cm kpm,cm kpm,cm kpm,cm kpm,cm kpm,cm kpm,cm kpm,cm
partielles Differential
Oberflächenspannung zwischen Wasser und Luft Wassergehalt, Volumeneinheit Wasser pro Volumeneinheit Boden (1 cm3 H20 ~ g H20) Dichte des bei 105 °C getrockneten Bodens, scheinbare Dichte, Lagerungsdichte Dichte des feuchten, wasserhaltigen Bodens (Pa+ 8)
reelle Dichte Adsorptionspotential Kapillarpotential
Kapillarpotential pro Gewichtseinheit Bodenwasser Gravitationspotential
Matrixpotential Druckpotential
pneumatisches Potential totales Wasserpotential Hydratationspotential osmotisches Potential Auflastpotential
cm als Maßeinheit für das Potential:
ausgedrückt pro Gewichtseinheit Bodenwasser
117
Dank
Die vorliegende Dissertation entstand auf Anregung und unter der Anleitung von Prof. Dr. F. Richard vom Fachbereich Bodenphysik, Institut für Wald- und Holzfor- schung an der ETH Zürich. Prof. Dr. F. Richard hat die Arbeit als Referent in jeder Beziehung großzügig unterstützt. Maßgebende Hinweise erhielt ich von Korreferent Prof. Dr. T. Dracos und seinen Mitarbeitern vom Institut für Hydromechanik und Wasserwirtschaft (IHW). Außerordentlich wertvolle Mitarbeit leistete W. Attinger, Förster, bei der Planung und Betreuung der Versuchsanlage. H.P. Läser übernahm wesentliche Aufgaben bei den Laboruntersuchungen, und H.P. Marthaler bewältigte einen großen Teil der elektronischen Fragen beim Einsatz der Meßgeräte. Die weite- ren Mitarbeiter an der Professur für Bodenphysik haben mich bei allen Labor- und Feldarbeiten tatkräftig unterstützt.
Während der gesamten Untersuchung durfte ich uneingeschränkt die Infrastruktur der EAFV unter der Leitung von Direktor Dr. W. Bosshard in Anspruch nehmen.
Wohlwollende Kritik seitens vieler Kollegen an der EAFV und an der ETH war die Grundlage zu einer umfassenden Auswertung meiner Meßdaten.
Die Versuchsfläche wurde in sehr großzügiger Weise vom Kanton Aargau, Forst- kreis II, zur Verfügung gestellt. Oberförster J. Kubat und Staatsförster K. Rohrer haben unsere Arbeit im Hardwald mit großem Verständnis unterstützt. Weitere Hilfe wurde mir durch das Baudepartement des Kantons Aargau (Amt für Gewässer- schutz) und durch die Gemeinde Kaisten zuteil. Ich möchte allen erwähnten und auch ungenannten Personen und Institutionen für ihre Hilfe sehr herzlich danken.
Ein besonderer Dank gebührt meiner Frau, die mir während der langwierigen Arbeit die nötige moralische Unterstützung gewährte.
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
Ein wesentlicher Faktor bei der Beurteilung eines Standortes ist der Wasserhaus- halt des Bodens. Neben Nährstoffangebot, Klima- und Bewirtschaftungsmaßnah- men wird das Pflanzenwachstum vorrangig durch das verfügbare Wasser im Boden gesteuert. Nährstoffverlagerung, Durchlüftung, Bodenbildung, Grundwassemeubil- dung und die Konkurrenzfähigkeit verschiedener Pflanzenarten sind eng mit der zeit- lichen Änderung des Bodenwassergehaltes gekoppelt.
Bei der Untersuchung des Wasserhaushaltes eines Bodens sind demnach jene Fak- toren und Vorgänge zu erfassen, welche den Wassergehalt beeinflussen. Dazu gehö- ren in erster Linie die Niederschläge, die Vegetation, bodenphysikalische Kennwerte und, namentlich in der Landwirtschaft, die Bewirtschaftungsart. In der Schweiz be- schäftigt man sich seit Jahren intensiv mit dem Wasserhaushalt verschiedener Boden- typen. Zu erwähnen sind dazu die Arbeiten von BRüLHART (1969), FLüHLER (1973), GERMANN (1975) und BoRER (1980). Diese Autoren versuchten unter anderem, die beschriebenen Wasserhaushaltsvorgänge in bezug auf das Pflanzenwachstum ökolo- gisch zu interpretieren. Die erwähnten Arbeiten befaßten sich mit Böden des schwei- zerischen Mittellandes, die neben der Feinerde wenig oder keine Steine aufweisen.
Vor allem methodische Probleme standen einer Ausweitung der Forschungsarbeiten auf steinreiche Böden entgegen. Ein sehr hoher Anteil gerade unserer produktivsten Standorte befindet sich aber auf steinreichen Böden (Alluvialböden mit Schotter, Moräneböden, Molasse; FREI et al., 1976). Im Einzugsbereich städtischer Agglome- rationen spielen diese Böden zudem eine zunehmende Rolle bei der Grundwasserbe- wirtschaftung.
Die vorliegende Arbeit stellt den Versuch dar, methodische Erfahrungen bei der bodenphysikalischen Bearbeitung skelettreicher Böden zu sammeln. Dabei sollen auch erste Erkenntnisse über den Wasserhaushalt eines porösen Mediums gewonnen werden, das durch zwei in der Sickerfähigkeit stark verschiedene Subschichten ge- kennzeichnet ist. Ein solches Medium hat beim Wechsel von einer Subschicht zur anderen eine deutlich ausgebildete Grenzschicht, die spezielle Sickerprobleine auf- wirft. In unserem Falle handelt es sich um einen Sand-Schotter-Boden.
1.2 Abgrenzung des Untersuchungsthemas
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Untersuchung des Wasserhaushaltes in einem natürlich gelagerten Sand-Schotter-Profil unter Waldbestockung in ebener Lage dar- gestellt. Der Wurzelraum umfaßt den parabraunerdigen Oberboden, der auf Schot- ter lagert.
Dabei stehen im Vordergrund:
119
- die Erweiterung der standortskundlichen Beurteilung von Böden im Rahmen der Publikationen «Physikalische Eigenschaften von Böden der Schweiz» (RICHARD et al., 1978, 1981),
- die qualitative und quantitative Beurteilung des Wasserhaushaltes, unter spezieller Berücksichtigung des Einflusses der Grenzschicht vom Sand zum Schotter (Kap.
4.6.1),
- die Anwendung neuer Methoden zur bodenphysikalischen Untersuchung skelett- reicher Böden.
Ergänzend zu den rein standortskundlich-bodenphysikalischen Untersuchungen sind auch intensive Messungen der Klimafaktoren vorgenommen worden (Kap. 5).
Diese Zusatzdaten dienen der klimatischen Charakterisierung der Versuchsperiode, erlauben aber auch die Berechnung der Evaporation einer freien Wasseroberfläche nach PENMAN (1956b).
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit gelten streng genommen nur für den be- schriebenen Standort. Einige Schlußfolgerungen sind jedoch, unter Beachtung der notwendigen Randbedingungen (Klima, Boden ,Vegetation), auch auf andere, ana- loge Standorte übertragbar.
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Das Wasserhaushaltsmodell
Bei der Betrachtung des Wasserhaushaltes eines definierten Bodenkörpers spielen die Faktoren gemäß Abbildung 1 eine entscheidende Rolle:
seitliche--- Zufuhr
kapillarer Aufstieg
~~~ seitlicher Abfluß
Tiefensickerung
Abbildung 1 Komponenten des Wasserhaushaltes in einem vegetationsbedeckten Boden in ebener Lage.
Ein Teil der Niederschläge N in Form von Regen, Schnee, Hagel oder Tau wird von der Vegetation als Interzeption I aufgefangen, teilweise über den Stammabfluß dem Bodenkompartiment wieder zugeführt oder direkt an die Atmosphäre abgege- ben (Evaporation EP). Der größte Teil gelangt sofort auf die Bodenoberfläche und sickert in den Wurzelraum.
Oberflächlicher Ab- oder Zufluß ist dort festzustellen, wo der Niederschlag nicht schnell genug in den Boden eindringen kann und, bedingt durch topographische Ver- hältnisse (z.B. Hanglage), rasch wegfließt (GREMINGER, 1982). Unter den vorliegen- den Versuchsbedingungen kann diese Komponente vernachlässigt werden.
Seitlicher Wassertransport FL entsteht im Wurzelraum, wenn der Boden durch Wasserentzug der Vegetation lokal unterschiedlich stark austrocknet. In der Folge bauen sich Potentialgradienten auf (Kap. 2.2.1), welche zu lateralen Flüssen führen.
Ebenso kann eine starke Austrocknung im Wurzelraum zu ~iner Wassernachlieferung (kapillarer Aufstieg AK) aus dem Grundwasser oder aus Horizonten höherer Sätti- gungsgrade führen.
121
Ein Teil des in den Poren der Bodenmatrix gespeicherten Wassers V wird direkt an die Atmosphäre verdunstet (Evaporation E). Wesentliche Wasseranteile werden von den Wurzeln aufgenommen, zu den Assimilationsorganen der Pflanze transportiert und in Form von Wasserdampf an die Atmosphäre abgegeben (Transpiration T).
Ein bestimmter Prozentsatz des Niederschlages wird im Boden gespeichert (V) oder sickert durch den Wurzelraum in die Tiefe (Tiefensickerung TS).
Niederschläge , die Tiefensickerung , zeitliche Wassergehaltsänderungen~ V sowie der kapillare Aufstieg lassen sich mit bodenphysikalischen Methoden messen. Da- durch gelingt es, unter der Annahme vereinfachender Randbedingungen, den Was- serverbrauch einer Vegetation zu bestimmen.
2.2 Physikalische Grundbegriffe 2.2.1 Potentiale im Bodenwasser
Das Wasser im porösen Sickersystem Boden steht unter dem Einfluß bestimmter Kräfte und daraus abgeleiteter Potentiale. Herleitung und Beschreibung dieser Po- tentiale wurden von RICHARD et al. , (1981) und BAYER et al. (1972) detailliert vorge - nommen.
Das totale Wasserpotential 'I.Vt setzt sich aus folgenden Teilpotentialen zusammen:
(1) Adsorptionspotential 'I.Va und Hydratationspotential 'I.Vw sind eine Folge der Adsorp- tions- und Hydratationskräfte an den kolloidchemisch aktiven Ton- und Humusober- flächen der Bodenmatrix. Das Kapillarpotential 'I.Vc wird durch die Oberflächenspan- nung gekrümmter Menisken des Bodenwassers in den Poren erzeugt. Bei Wasser als benetzender Flüssigkeit liegt der Krümmungsradius des Wasserspiegels in der Gas- phase. Im Wasser, direkt unter dem Meniskus , entsteht im Vergleich zum Druck in der Gasphase oberhalb des Meniskus eine Drucksenkung (RICHARD et al., 1981), was zur Ausbildung des Kapillarpotentials 'I.Vc führt.
Da die in Arbeit umwandelbare Energie des unter gekrümmten Menisken sich be- findenden Bodenwassers kleiner ist als jene in einer freien Wasseroberfläche ( als Be- zugshorizont) auf gleicher Höhe , sind die Potentiale des Wassers im teilgesättigten Boden negativ.
Das Matrixpotential 'I.Vm wird definiert als Summe der Teilpotentiale 'I.Va, 'I.Vw, 'I.Vc:
(2) Im Begriff Matrixpotential ist alles an Auswirkungen eingeschlossen, was durch die Matrix des festen Bodens auf das Wasser ausgeübt wird (HARTGE, 1978).
Für unsere Untersuchungen, d. h. für die Wasserversorgung der Pflanzen und für die Betrachtung von Sickervorgängen, spielen 'tVa und 'tVw keine Rolle (RICHARD et al., 1981). Damit wird:
'tVm
=
'tVc (3)Ebenso können das Druckpotential 'lVp, das osmotische Potential 'tVc und das pneu- matische Potential 'lVpn in natürlich gelagerten, teilgesättigten Böden humider Klima- gebiete vernachlässigt werden.
Damit umfaßt das totale Potential 'tVt:
(4) Das Gravitationspotential 'tVg entspricht der Lageenergie, welche einer Einheit Wasser, bezogen auf einen bestimmten Bezugshorizont, zukommt.
Die Potentiale lassen sich ausdrücken:
a) pro Masseneinheit Bodenwasser
'lVmM, 'lVcM, 'lVgM mit der Dimension L2 · T-2 (Arbeit) b) pro Volumeneinheit Bodenwasser
'tVmv, 'tVcv, 'tVgv mit der Dimension M · L-1 • T-2 (Druck) c) pro Gewichtseinheit Bodenwasser
'tVmG, 'tVcG, 'tVgG mit der Dimension L (Länge)
Das Kapillarpotential pro Volumeneinheit Wasser ('tVcv) enthält die Dimension eines Druckes (Kapillardruck). Wird das Kapillarpotential auf die Gewichtseinheit Bodenwasser bezogen ('tVco), ergibt sich daraus eine Größe mit der Dimension einer Länge (L). Wir bezeichnen diese Größe als Kapillardruckhöhe hc.
Die entsprechende Berechnung des Gravitationspotentiales 'tVgo, bezogen auf die Gewichtseinheit Wasser, führt zur Definition der geodätischen H~öhe z (in cm).
Damit kann Gleichung ( 4) für das totale Wasserpotential zusammengefaßt werden zu:
H = hc
+
z (Dimension L) (5)Der Ausdruck H wird als hydraulische Höhe bezeichnet.
Wie bereits erwähnt, sind die Beträge für die Kapillardruckhöhe hc im teilgesättig- ten Boden negativ. Bei Potentialbetrachtungen im gesättigten Boden unterhalb eines Wasserspiegels wird der Ausdruck hc durch h ersetzt. Dabei ist h positiv und um- schreibt die positive hydrostatische Druckhöhe unterhalb eines Wasserspiegels. Im Wasserspiegel ist sowohl hc wie h = 0.
123
Da der Ausdruck «Saugspannung S» sehr gebräuchlich ist, wird er in der Folge in dieser Arbeit verwendet. Ein Wert für S (z.B. in cm WS) gibt die Höhe der Wasser- säule an, deren Gewicht pro Flächeneinheit den Unterdruck im Bodenwasser an einem gegebenen Ort im Boden angibt. Da die Dichte des Wassers angenähert 1,0 g · cm-3 ist, entspricht der Betrag von S auch der Kapillardruckhöhe hc.
2.2.2 Ökologische Interpretation der Saugspannung
Die Saugspannung S ist eine zentrale, relativ leicht bestimmbare Meßgröße. Sie spielt bei der Beurteilung der Verwertbarkeit des Wassers durch die Pflanze, bei der Bestimmung des Wassergehaltes und bei der Betrachtung von Wassersickerungen eine wichtige Rolle.
Je stärker der Boden austrocknet, um so kleiner werden die Durchmesser der was- serführenden Poren, um so stärker ist damit das Wasser in den Poren gebunden und um so höher wird die Saugspannung S. Je mehr die Saugspannung ansteigt, desto mehr Energie muß eine Pflanze aufwenden, um dem Boden eine bestimmte Menge Wasser zu entziehen.
Die Saugspannung S dient daher als Maß zur Beurteilung der Verwertbarkeit von Bodenwasser (Tab. 1).
Der Wassergehalt beim Saugspannungswert von 80 cm WS wird in der Literatur für einen normal durchlässigen Boden als Feldkapazität FK, beim Saugspannungs- wert von 15 000 cm WS als permanenter Welkepunkt PWP bezeichnet (VEIHMEYER und HENDRIKSON, 1949).
Tabelle 1 gibt die allgemein verwendeten Abgrenzungen wieder. Eine individuelle Anpassung der Bereichsgrenzen im Hinblick auf die naturnahe Interpretation be- stimmter Bodentypen kann sich als zweckmäßig erweisen. Entsprechende Korrektu- ren sind in meiner Untersuchung bei der Festlegung der Feldkapazität vorzunehmen (Kap. 6.5).
SK
1 2 3 4
Tabelle 1 Saugspannungsklassen und Verwertbarkeit des Bodenwassers nach RICHARD et al., 1978
Saugspannungs- Porenklasse Pflanzenverwertbarkeit
bereich ( cm WS) des Bodenwassers
1- 80 Grobporen durch die Erdgravitation leicht entfernbar ( w ei) 80- 690 Mittelporen leicht verwertbar ( w vi)
690-15 000 Mittelporen schwer verwertbar ( w vs)
>15 000 Feinporen nicht verwertbar (w0)
