Chapter 5 Bodenwasserhaushalt

Inhalt des Moduls sind auf der Grundlage bodenkundlichen Basiswissens eine Einführung in die bodenphysikalischen Zusammenhänge und Prozessabläufe des Wasser- und Stofftransports in der Aerationszone des Bodens, die Abhängigkeiten der prozessrelevanten Kenngrößen und ihre Bedeutung für Parametermodelle, die gängigen Ansätze zur Transportberechnung und deren Aussagekraft und Gültigkeitsbereiche im Vergleich zu den in der Natur tatsächlich ablaufenden Prozessen.(Schütze, Lennartz, and Rommel 2021)

Die Notizen basieren auf der Skript aus (Schütze, Lennartz, and Rommel 2021).

Huaptinhalte:

  • geomorphologische, bodenkundliche und bodenphzsikalische Grundlagen

  • Modellvorstellungen yur Bodenwasserbewegung im Hinblick auf Aussagekrft, zugrunde liegende Vereinfachungen und Gültigkeitsbereich

  • mathematischen Umsetzung der Modellvorstellungen und Modellanwendung

  • Datenerhebung (Messung) und Parametrisierung

5.1 Einführung

5.1.1 Motivation

  • Der Boden ist die Grenzschicht zwischen der Atmosphäre und der Lithosphäre.

  • Über 90% des effektiven Niderschlags werden in dieser Schicht umgesetzt.

  • Es ist der wesentlicher Teil des BPA (Boden-Pflanze-Atmosphäre) Systems und hat maßgeblichen EInfluss auf die Verdunstung.

  • Vielfältige Wasser- und Stofftransportprozesse, Abbauprozesse sowie chemische und biologische Umsetzungen finde hier statt.

5.1.2 Der Boden und sein Merkmale

  • Als Boden bezeichnet man den oberen belebten Teil der Erdkruste

  • ein Dreiphasensystem bzw. Mehrphasensystem

  • Im Porensystem des Bodens sind alle Poren untereinander verbunden

  • es ist:

    • Wasserspeicher

    • Nährstoffspeicher und -reaktor

    • Schadstoffspeicher und -reaktor

  • Die ökologische Qualität von Böden ist dynamisch und wird durch eine Viezahl von simulatan ablaufenden und vernetzen physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen beeinflusst.

  • Viele dieser Prozesse werden dabei von mehreren nichtlinearen, bodenspezifischen Charakteristika beeinflusst.

5.1.3 Der Boden und seine Funktionen

  • Zunahme der bewässerten Fläche um das 2,6 fache. (450 - 750 kg H2O / kg Trockensubstanz)

    • Afrika, Asien > 85% des Wasserverbrauchs

    • EU > 39%

    • US > 45%

  • eine Verdopplung der Nahrungsmittelproduktion erfolgen

  • Klima beeinflussen

    • Verdunstung \(\rightarrow\) Kühlung

    • CO2 Quelle bzw. Senke

  • Niederschlagswassers in der Bodenzone

    • Oberflächenabfluss

    • Perkolation

    • Stoffumsatz und Stofftransport, Sanierung

  • Faktoren für Pflanzen

    • Raum und Halt (Durchwurzelbarkeit)

    • Nährstoffspeicherung und -verfügbarkeit

    • Wasserspeicherung und Wasserleitung

    • Wärmerspeicherung

    • Atmung (Gaspermeabilität)

    • Leben (Bodenbiologie)

  • Filter, Puffer und Reaktor

  • Abbau von toxischen CHemikalien

  • Reinigung von Wasser

  • Regulation der Zusammensetzung der Atmosphäre

  • Grundwasserschutz

  • Oberflächenwasserschutz

  • Abslussbildung und Hochwasserschutz

  • Globaler Kohlenstoffhaushaltsregulierung

Bild aus S. Marahrens / Umweltbundesamt aus Skript (Schütze, Lennartz, and Rommel 2021).

5.1.4 Boden als Element im Wasserkreislauf

This section based on the book “Soil physics” (Kurt Roth 2012)

Physical enviroment:

  1. atmosphere

  2. oceans

  3. terrestrial environment

    • soils and sediments

    • snow, glaciers and ice

    • vegetation, (depending on the perspective)

    • surface waters like rivers and small lakes

Soils and icy ananlogues are structurally similar in that they are both soild porous media whose pore space is filled with liquid water and with air.

They both may be considered as a boundary region between the fluid compartments - atmosphere and oceans - and the soild lithosphere.

Vegtation may also be looked upon as another boundary, one between soil and stmosphere. While its most important function is arguably the assimilation of solar energy into carbon compounds by consuming CO2 and producing O2 \(\rightarrow\) increase of the coupling between soil and atmosphere. Rooting system pervades the top soil layers and on the other by the stems and foliage that tap into the atmosphere.

Terrestrial water cycle [after Dirmeyer et al. 2006], from (Kurt Roth 2012)

Terrestrial energy fluxes [after Dirmeyer et al. 2006], from (Kurt Roth 2012)

5.1.5 Bodenwasserhaushalt

Bild aus Hillel, 2008: Soil in the Environment, aus Skript (Schütze, Lennartz, and Rommel 2021)

5.2 Grundlagen

5.2.1 Geologische und bodenkundliche Grundlagen

Chemische Zusammensetzung der Erdkrust / Mantel:

Bild aus [Strobach 1991], aus Skript (Schütze, Lennartz, and Rommel 2021).

Hauptgestein

Bild aus Skript (Schütze, Lennartz, and Rommel 2021).

5.2.2 Bodenbildung und -entwicklung

Die wichtigsten Faktoren der Bodenbildung:

Ausgangsgestein

(Basis)

Chemische Zusammensetzung

Phzsikalische Beschaffenheit

Gefüge (Locker- oder Festgestein, Porosität, Klüftigkeit),

Klima

(außer Wirkung)

Sonnenenergie (die mächtigste Triebkraft der Bodenentwicklung)

–>Temperatur (Zersetzung, Verwitterung und Mineralbildung.)

Niederschlag –> Sickerwasser

Wind –> erhöht die Verdunstung und Erosion

Schwerkraft und Relief (als die Position des Bodens in der Landschaft)

(kraft / inner Wirkung)

Versickerung

Auflast

Höhenlage

Exposition

Hangneigung

Flora und Fauna

(Wechselwirkung, öko)

Boden + Flora + Fauna = Ökosystem, Wchselwirkung mit allen anderen Faktoren der Bodenentwicklung

Schutzwirkung (Vegetationsdecke wirkt wie ein Schutzmantel, Wurzeln und Mikroorganismen scheiden organische Säuren und Komplexbildner aus,)

Nährstoffentzug bzw. -Lieferung

Umsetzung

Durchmischung

Lockerung

Wasser

(Wechselwirkung)

Abtrag bzw. Sedimentation

Durchlüftungsverhältnisse

Redoxverhältnisse

Verlagerungsprozesse
anthropogene EInflüsse

Rodung, Ackerbau

industrielle Nutzung

Idw. bzw. forstliche Nutzung

Degradierung

Entwässerung

Versiegelung

Bebauung

Schadstoffablagerung
  • EIne Veränderung in der herrschenden Konstellation kann der Bodenentwicklung eine neue Richtung geben.

In einem Boden laufen ständig Stoffumwandelungen und Stoffverlagerungen ab, die mit Energieumsetzung verbunden sind. Die Gesamtheit dieser simultan ablaufenden und häufig wechselwirkungen Prozesse bezeichnet man als Bodendynamik.

Prozesse der Bodenentwicklung:

  1. Verwitterung (Einfluss des Wetters) und Mineralbildung
  2. Bildung von Humusformen
  3. Gefügebildung
  4. Tonverlagerung
  5. Podsolierung
  6. Redoximorphose
  7. Carbonatisierung
  8. Versalzung
  9. Turbationen
  10. Stoffumlagerungen in der Landschaft

5.3 Übung

5.3.1 Bodeneingenschaft (Übung 1)

## [1] 0.2166667
## [1] 0.26
## [1] 1.2
## [1] 0.5471698
## [1] 1.208333