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Infiltration und Bodenfeuchte. Prozesse und Mechanismen der Versickerung. Wasserspeicherung in Böden und dessen Bedeutung für Pflanzen

Seminararbeit 2012 19 Seiten

Geowissenschaften / Geographie - Geologie, Mineralogie, Bodenkunde

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Der Weg des Wassers
2.1. Interzeption
2.2. Evapotranspiration

3. Oberflächenwasser und Infiltration
3.1. Oberflächenwasser
3.2. Infiltration
3.3. Exkurs: Struktur von Böden
3.3.1. Die Infitltrationsrate
3.3.2. Gesättigte und Ungesättigte Bodenzone
3.3.3. Einfluss des Menschen auf die Infiltrationskapazität
3.4. Stauwasser
3.4.1. Beispiel: Pseudogley

4. Haftwasser
4.1. Feldkapazität
4.2. Adsorptionswasser
4.3. Kapillarwasser

5. Bewegung des Wassers
5.1. Bewegung des Kapillarwassers

6. Bodenwasser und Pflanzen

7. Die Wasserspannungskurve

8. Schwarzerde

9. Tensiometer

10. Fazit

1. Einleitung

Die existentielle Bedeutung des Wassers ist natürlich fest im Kollektivbewusstsein der Menschen verankert und nicht zuletzt aufgrund dieser Erkenntnis wird das lebensspendende Element als eines der wertvollsten Güter der Zukunft gehandelt. Tatsächlich aber spielt diese wertvolle Ressource, abseits ihrer primären Nutzung als Nahrungsmittel, auch in anderen Bereichen des Systems Erde eine tragende Rolle, welche sich schlußendlich als ebenso lebensnotwendig für den Menschen erweist.

״Den Lauf des и/assers von den Bergen zu den Tälern, von dem Lande zum Meere sehen wir unaufhörlich vor unseren Augen sich vollziehen, und dennoch wird das Meer nicht voller und die Quellen und Ströme versiegen nicht.“ (Pfaff 1870, s. 34) Diesen poetischen Ausführungen liegt die Tatsache zugrunde, dass die globalen Wasserressourcen durch verschiedene Speicherglieder hinweg einen geschlossenen Kreislauf bilden. Wassermengen die über den Ozeanen verdunsten werden zu einem Großteil in Form von Niederschlag an die Weltmeere retourniert. Ein kleiner Teil des verdunsteten Wassers wird durch den Wasserdampftransport der Atmosphäre über den Landmassen wieder abgeregnet.

Im Zuge meiner Proseminararbeit möchte ich lediglich diesen kleineren Ausschnitt des globalen Wasserkreislaufs betrachten und mich vor allem mit den Charakteristika des Bodens als fundamentales Speichermedium auseinandersetzen. Beginnend werde ich die Prozesse und Mechanismen der Versickerung behandeln, um im Hauptteil meiner Proseminararbeit verstärkt die Wasserspeicherung in Böden, sowie dessen Bedeutung für Pflanzen zu beleuchten.

2. Der Weg des Wassers

Niederschlag kann in flüssiger (Regen) oder fester Form (Schnee, Hagel und Graupel) auftreten und bewegt sich aufgrund der Schwerkraft erdwärts. Zudem kann sich Wasser durch Resublimation (Reif) oder Kondensation (Tau) an der Erdoberfläche ansetzen. Um die funktionale Einbettung der ״Infiltration“ in den globalen Wasserkreislauf zu verdeutlichen, werden im Folgenden die Prozesse der Interzeption und Evapotranspiration kurz erläutert.

2.1. Interzeption

Der Niederschlag gelangt meist nicht auf direktem Wege auf den Boden, sondern wird zum Teil durch die Vegetation abgefangen. Dieser Prozess wird ״Interzeption“1 genannt. Nach dieser primären Interzeption, unterscheidet man drei weiterführende Prozesse. Der sogenannte ״Kronendurchlass“ beschreibt das Abtropfen des Wassers von der Vegetation. Wird das Wasser ein weiteres Mal durch die tieferliegende Pflanzenwelt abgefangen, spricht man von einer sekundären Interzeption. Das Abwärtsfließen des Wassers entlang den Stielen und Stängeln der Vegetation wird als Hangabfluss bezeichnet. Das Maß der Interzeption variiert in hohem Maße mit der Mächtigkeit und Dichte der Laub- und Baumkronen und nimmt im Winter dementsprechend ab. Ein Teil der abgefangenen Feuchtigkeit wird durch Evapotranspiration wieder der Atmosphäre zugeführt. Dieser Prozess vollzieht sich in stärkerem Maße auch auf der Erdoberfläche und wird im folgenden Punkt in aller Kürze erläutert, (vgl. King & Schmitt 2002, S.363)

2.2. Evapotranspiration

Dieser Prozess setzt sich zusammen aus der Evaporation (Verdunstung als Folge physikalischer Prozesse) und der Transpiration (Verdunstung als Folge biologischer Prozesse). Beide Vorgänge sind von ähnlicher Relevanz, wobei die konkrete Aufteilung je nach Raum sehr stark variiert. (Vgl. Glawion, Glaser & Saurer 2009, s. 330)

3. Oberflächenwasser und Infiltration

Im folgenden Teil meiner Proseminararbeit werde ich mich vertikal von der Erdoberfläche bis zu tieferen Erdschichten herantasten und dabei versuchen die wesentlichen Zusammenhänge und Mechanismen zwischen Boden und Wasser zu beschreiben. Der Porenraum eines Bodens kann entweder durch Wasser oder durch Luft in Anspruch genommen werden. Das im Boden gebundene Wasser ist dabei von fundamentaler Bedeutung für Vegetation, den Transport von (Nähr)-Stoffen, sowie für mikrobielle/chemische Aktivitäten, (vgl. Rowell 1994, s. 131)[1] [2]

3.1. Oberflächenwasser

Übersteigt die Niederschlagsmenge die Aufnahmekapazität des Bodens, fließt das überschüssige Wasser in Form von Oberflächenwasser ab. Dieser Prozess führt wiederum zu Erosion und Verschlammung der Bodenoberfläche, sodass mit zunehmendem Niederschlag auch das Oberflächenwasser entsprechend zunimmt. Ausschlaggebend für die Mächtigkeit des Oberflächenwassers sind zudem die Hangneigung, sowie die Beschaffenheit des Bodens. Mit zunehmender Anreicherung des Porenraumes sowie steigender Verschlammung nimmt auch die Wasseraufnahmefähigkeit des Bodens ab. (vgl. Mückenhause 1993, s. 306)

3.2. Infiltration

Je nach Bodenbeschaffenheit und Intensität des Niederschlagsereignisses kann demnach ein Teil der niederströmenden Wassermassen in den Boden eindringen. Dieser Versickerungsvorgang wird durch die Schwerkraft sowie die kapillare Anziehung bedingt und mit dem Terminus ״Infiltration“ beschrieben, übersteigt die Niederschlagsrate die Wasseraufnahmekapazität des Bodens, wird das überschüssige Wasser durch den eben beschriebenen Oberflächenabfluss abgeführt. Die Bewegungsgeschwindigkeit des versickernden Wassers ist in der Regel sehr gering, da es sich den Weg durch kleine Spalten und Porenöffnungen im Boden bahnen muss. (vgl. King & Schmitt 2002, S.364) Dementsprechend ist auch die Menge des versickernden Wassers von der Permeabilität[3] [4] des Bodens abhängig, (vgl. Kugler, Schwab & Billwitz 1988, S.169) Sofern die Schwerkraft gegenüber den bindenden Kräften des Bodens überwiegt bzw. kein Staukörper die Abwärtsbewegung behindert, endet der Weg des versickernden Wassers in der Grundwasserzuführung. Dieser Prozess der kontinuierlichen Bodendurchdringung bis hin zur Grundwasseranreicherung wird Perkolation3 genannt.

3.3. Exkurs: Struktur von Böden

Die Bodenstruktur bzw. Textur und Körnung von Böden ist für deren Wasserdurchlässigkeit - und Speicherfähigkeit maßgebend und somit von fundamentaler Bedeutung. Flüssigkeit wird in die als ״Bodenporen“ bezeichneten Hohlräume zwischen den einzelnen Bodenpartikeln eingelagert. Dementsprechend nimmt die Porengröße mit der Größe der Bodenpartikel ab. Das Porenvolumen verringert sich folglich mit der Dichte der Zusammensetzung des Bodens. Es muss zudem eine weitere Unterteilung in Sekundärporen getroffen werden, welche durch bodenbiologische Prozesse wie Wurzelbindung oder organische Aktivitäten entstehen. Poren werden gemäß ihrer Größe in Fein- (< 0,2pm), Mittel- (0,2-1 Opm) und Grobporen (>10pm) unterschieden. Das Gesamtporenvolumen differenziert stark nach Bodenart, weswegen sich auch deren Wasserdynamiken stark voneinander unterscheiden, (vgl. Gernandt 2007, s. 34 f.)

3.3.1. Die Infitltrationsrate

״Die Infiltrationsrate ist dasjenige Wasservolumen -ausgedrückt als Wasserhöhe- das in der Zeiteinheit je Flächeneinheit senkrecht in den Boden eindringt, Einnheit:mm/h.“ (Hölting & Coldeway 2009, S.34) Mit zunehmender Füllung der Bodenporen lassen die Anziehungskräfte entsprechend nach. Sowohl der anfängliche Wassergehalt des Bodens, als auch die fortschreitende Befeuchtung wirken sich somit direkt auf die Infiltrationsrate aus. Charakteristischerweise nimmt demnach die Infiltrationsrate bei einem Niederschlagsereignis anfänglich ab, und pendelt sich nach 1-2 stunden in einen konstanten Wert ein. Die maximale von Böden aufnehmbare Wassermenge wird mit der Infiltrationskapazität beschrieben. (vgl. King & Schmitt 2002, S.364) Wie bereits erwähnt, spielt die Beschaffenheit des Bodens eine fundamentale Rolle. Eine grobe und sandige Textur des Bodens begünstigt einen raschen Versickerungsvorgang. Zudem führt ein hoher Gehalt an organischem Material (Wurzelgänge, Wurmröhren, Schwundrisse etc.) im Boden zu einer Auflockerung der Erdmasse, wodurch dieser Prozess ebenfalls beschleunigt wird. Umgekehrt vollzieht sich der Infiltrationsprozess bei feinkörnigen Böden (beispielsweise Tonböden) nur sehr langsam. Die bereits erwähnte Permeabilität von Böden möchte ich nun am Beispiel der drei wesentlichen Bodenhorizonttypen differenziert erläutern:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Abb.1: Bodenhorizonte)

A-Horizont: Der А-Horizont eines Bodens zeichnet sich in der Regel durch seinen hohen Anteil an Humus, sowie mineralischen und organischem Material aus. Dementsprechend ist diese oberflächennahe Bodenschicht sehr gut durchlüftet und wasserdurchlässig.
B-Horziont: Dieser Bodenhorizont zeichnet sich durch Einlagerungen aus dem А-Horizont und /oder starke Verwitterungen aus. Charakteristischerweise erfolgt in dieser Schicht nur bei sehr trockenen Böden eine schnelle Infiltration.
C-Horizont: In dieser Bodenschicht befindet sich das zugrunde liegende Gestein, welches je nach Struktur über eine bessere oder schlechtere Durchlässigkeit verfügt. Bei Festgestein wird das Wasser nicht in Poren, sondern in den Klüften und Rissen des Gesteins festgehalten, (vgl. Hölting & Coldeway 2009, s. 35)

3.3.2. Gesättigte und Ungesättigte Bodenzone

Die Grundwasseroberfläche konstituiert die Grenze zwischen der gesättigten und ungesättigten Bodenzone. Im wassergesättigten Bodenbereich findet beim Versickerungsvorgang ein Verdrängungsprozess statt, bei dem die ursprünglichen Wasserressourcen in tiefere Bodenschichten verschoben werden. In wasserungesättigten Bodenbereichen hingegen, gleitet das infiltrierte Wasser lediglich entlang der Teilchenoberfläche abwärts, (vgl. Hölting & Coldewey 2009, S.33)

3.3.3. Einfluss des Menschen auf die Infiltrationskapazität

Aufgrund exzessiver Beweidung durch Nutztiere, wird die Bodenstruktur in sehr hohem Maße verdichtet und somit die Infiltrationskapazität verringert. Durch das Abholzen von Wäldern entfällt die Schutzfunktion der Vegetationsdecke für die Erdoberfläche, sodass ebenfalls eine Verdichtung des Bodens herbeigeführt wird. Massivste Auswirkungen auf die Infiltrationskapazität hat natürlich auch die Bebauung der Erdoberfläche, da dies eine komplette Versiegelung des Bodens zur Folge hat. In dem Werk ״physische Geographie - eine Einführung“ findet man dazu eine in den USA durchgeführte wissenschaftliche Studie welche besagt, dass die durchschnittliche Infiltrationsrate auf unbeweideten Gebiet 77,5 Millimeter pro stunde beträgt, während sie auf stark beweideten Gebiet lediglich einen Wert von 31,1 Millimeter pro stunde erreicht, (vgl. King & Schmitt 2002, S.365)

3.4. Stauwasser

Stoßen infiltrierte Wassermengen auf Bodenstrukturen mit einer sehr geringen Permeabilität, werden die Poren in diesem Bodenareal vollständig gefüllt und in einem Folgeschritt kommt es zu einer Ansammlung von sogenanntem Stauwasser. Die undurchlässige Bodenschicht wird Staukörper, der Bereich angestauten Wassers als Stauzone bezeichnet. Bei einer oberflächennahen Ansammlung können die Pflanzen nur unzureichend mit Wasser und Nährstoffen versorgt werden. Nach Aufbrauchen der angestauten Wasserreserven kann kein Wassernachschub aus tieferen Bodenschichten erfolgen, wodurch über einen längeren Zeitraum die Austrocknung des Bodens unvermeidbar ist. (vgl. Kugler, Schwab & Billwitz 1988, S.169)

3.4.1. Beispiel: Pseudogley

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Abb.2: Pseudogley)

Dieser Bodentyp zählt aufgrund der häufigen Stauwasserbildungen zur Klasse der sogenannten Stauwasserböden. Auf die sehr humusreiche oberflächennahe Bodenschicht, folgt eine sehr gut wasserleitende Oberbodenschicht (Stauzone), welche aufgrund ihrer hohen Permeabilität stark ausgewaschen ist. Es folgt eine tonreichere und somit dichtere Unterbodenschicht welche den Infiltrationsprozess bremst. Der Staukörper entsteht dabei als Folge von Sedimentations- und Lessivierungsprozessen[5], bzw.

[...]


[1] lat. intercipio: abfangen, auffangen, wegnehmen (vgl. Krüger 2010, S.215)

[2] lat. permeabili: passierbar, gangbar, überschreitbar (vgl. Krüger 2010, S.299)

[3] lat. percolati: Durchseihen (vgl. Krüger 2010, S.295)

[4] ״Lessi vierung: die Verlagerung von Ton und anderen feinen Partikeln profi lab wärts.“ (King & Schmitt 2002, s. 342)

[5] ״Drainage (Dränung): Maßnahme zur Entwässerung vemässter Böden, beispielsweise durch Entwässerungsgräben und im Boden verlegten Dränrohren.“ (Gernandt 2007, s. 100)

Details

Seiten
19
Jahr
2012
ISBN (eBook)
9783668766648
ISBN (Buch)
9783668766655
Dateigröße
944 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v434960
Institution / Hochschule
Leopold-Franzens-Universität Innsbruck – Geographie und Wirtschaftskunde
Note
1,0
Schlagworte
Interzeption Evapotranspiration Infiltration Bodenfeuchte Wasserspannungskurve Boden Stauwasser Pseudogley Feldkapazität Kapillarwasser Adsorptionswasser

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Titel: Infiltration und Bodenfeuchte. Prozesse und Mechanismen der Versickerung. Wasserspeicherung in Böden und dessen Bedeutung für Pflanzen