Pedosphäre: Kapitel 7: Wasser, Luft und Wärme

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• Ausgangsgestein
• Physikalische Verwitterung
• Chemische Verwitterung, Mineralbildung
• Umlagerung und Sortierung (durch Wind oder Wasser)

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1. Prozentanteile von Ton, Schluff, Sand
2. Wo kreuzen sich die Prozentanteile? --> Welche Feldnummer

1. Lagerungsdichte
2. Grössenverteilung der Poren
3. Vernetzung der Poren
4. Wasserhaushalt (Speicherung, Infiltration, Drainage, Transport zu Wurzeln, Verfügbarkeit)
5. Gashaushalt (O₂, CO₂, etc.)
6. Wärmehaushalt (Speicherung, Leitfähigkeit, Bodentemperatur)
7. Durchwurzelbarkeit
8. Lebensraum für Tiere
9. Abbau von organischer Substanz

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1. schlechte Durchlüftung
2. Krustenbildung
3. verminderte Infiltration
4. schlechtere Drainage
5. Abfluss und Erosion

1. Gasaustausch zwischen Atmosphäre und Bodenluft
2. Wasserinfiltration und -speicherung
3. Lebensraum der Meso- und Makrofauna
4. Transportvorgänge
5. Eindringwiderstand für Wurzeln

• Grundgefüge
  • Einzelkorngefüge (lose Schüttung von Partikeln)
  • Kittgefüge
  • Kohärentgefüge (gleichmässige Verteilung, Partikel miteinander verkittet)
• Aggregatgefüge: Bodenpartikel sind zu grösseren Einheiten mit charakteristischer Form verkittet
  • Makrogrobgefüge:
    • Rissgefüge
    • Säulengefüge
    • Schichtgefüge
  • Makrofeingefüge:
    • Krümelgefüge (locker, gut durchlüftet, rundliche Bodenaggregate, viele Poren)
    • Subpolyedergefüge
    • Polyedergefüge
    • Prismengefüge (grosse Einheiten durch Schrumpfrisse)
    • Plattengefüge
  • Gefügefragmente:
    • Bröckel
    • Klumpen (künstliche Gefüge durch Pflügen)

Lagerungsdichte:

• locker (<1.1 g/cm³): Torfe, Tone, vulkanische Böden, sehr lockere Oberböden
• mittel (1.1-1.5 g/cm³): Oberböden, Unterböden
• verdichtet (>1.5 g/cm³): verdichtete Unterböden, stark verdichtete Sedimente

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• Definition: Potential = Energie, die notwendig ist, um eine Einheitsmenge an
  Wasser von einem gegebenen Punkt im Kraftfeld zu einem
  bestimmten Bezugspunkt zu transportieren.
  Wasser im Boden bewegt sich immer von Orten mit höherem
  Potential zu Orten mit geringerem Potential, weil dabei Energie frei
  wird.
  Einheiten: kPa, cm Wassersäule (~hPa)
   

hydraulische Potential = Gravitationspotential + Matrixpotential (+ Gaspotential + osmotisches Potential)
==> osmotisches Potential nur bei hoher Salzkonzentration und Gaspotential nur wenn der Luftdruck im Boden anders als am Bezugspunkt ist, sonst vernachlässigbar!

Wasserpotential= Matrixpotential + Gaspotential + osmotisches Potential
--> Für Pflanzen entscheidend

Wasserspannung /Saugspannung = negativer Wert des Wasserpotentials

Das Matrixpotential ist stark abhängig vom Wassergehalt des Bodens, was in einer pF-Kurve (Wasserspannungskurve)  zum Ausdruck kommt. Die pF-Kurve wird meistens als Desorbtionskurve gemessen, d.h. eine Bodenprobe wird vollständig mit Wasser aufgesättigt und dann Schrittweise bei steigendem Druck entwässert. Der pF-Wert ist gleich dem Logarithmus des negativen Matrixpotentials

hydraulisches Gleichgewicht= Gravitations- + Matrixpotential =0

Diagramm:

gepunktete Linie: kapillarer Aufstieg
gestrichelte Linie: Versickerung
durchgezogene Linie: Gleichgewicht

Interpretation:

1. Je höher der Wassergehalt, umso weniger Saugspannung ist notwendig
2. Ton braucht verhältnismässig am meisten Wasserspannung bei einem gegebenem Wassergehalt
3. nur Wasser mit einer Wasserspannung von bis zu 4.2 pF ist für Pflanzen nutzbar
4. Der Luftgehalt wird begrenzt durch den Schnittpunkt der Schluffbodenkurve mit der unteren Grenze der Feldkapazität und durch den Punkt an dem der Boden total gesättigt (pF=0 & Schluffbodenkurve) geschnitten mit der unteren Grenze der FK
5. PWP ist der permanente Welkpunkt; dieser wird mit dem  durch den Schnittpunkt der unteren Grenze der Feldkapazität mit der Schluffbodenkurve begrenzt
6. Das Totwasser wird auf der PWP-Linie dargestellt und geht bis zum Schnittpunkt mit der Schluffbodenkurve
7. Die nutzbare Feldkapazität ist begrenzt erstens durch den Schnittpunkt der Schluffbodenkurve mit dem PWP und zweitens durch den Beginn des PWP (nFK= FK-PWP)

Einfluss des Gefüges: das Bodengefüge beeinflusst die pF-Kurve eines Bodens vor allem im Bereich niedriger Wasserspannungen (pF<2), weil das Gefüge vor allem die sekundären Makroporen beeinflusst.

• Tonböden haben in der Regel die grösste FK, aber einen grossen Teil TW
• Schluff- und Lehmböden haben geringere Fk, aber eine höhere nFK als Tonböden, weil das Wasser in Poren gespeichert und gut pflanzenverfügbar ist
• Sandböden haben viel geringere FK und damit auch eine geringere nFK als Lehmböden; ungesättigte Wasserleitfähigkeit nimmt mit sinkendem Wassergehalt stark ab; kapillarer Aufstieg ist geringer als bei feinkörnigeren Böden

Das Wasser im Boden wird in Richtung des niedrigsten hydraulischen Potentials transportiert. Gie Geschwindigkeit der Wasserbewegung im Boden hängt vom hydraulischen Potentialgefälle und der Wasserleitfähigkeit des Bodens ab.

Die hydraulische Leitfähigkeit (Durchlässigkeit) des Bodens hängt ab vom Anteil der Vernetzung und der Grössenverteilung der wasserleitenden Poren

Flussgeschwindigkeit= Wassermenge/ Querschnittsfläche = hydraulisch Leitfähigkeit des Bodens * Ableitung des hydraulischen Potential des Wassers nach der Transportdistanz

Die Starke Abnahme der Wasserleitfähigkeit mit sinkendem Wassergehalt ist verantwortlich für Überschwemmungen in semiariden Zonen. Bei zu kleiner hydraulischer Leitfähigkeit kann das Wasser nicht absickern.

==> Die Bedeutung der Bodenstruktur steigt mit dem Tongehalt

• Wasserbilanz: Niederschlag + lateraler Zufluss = Evapotranspiration + Versickerung + lateraler Abfluss + Änderung der Wasserspeicherung
  kurz: N+Z=ET+V+A+deltaS
• Beeinflussung:
  • zunehmender Niederschlag --> zunehmende Netto-Versickerung oder zunehmender lateraler Abfluss
  • gehemmte Versickerung--> lateralem Abfluss an Bodenoberfläche (Bodenerosion) oder laterales Hangwasser unter der oberfläche
  • Das Verhältnis zwischen Versickerung und lateralem Abfluss wird stark von der Infiltrationsrate während eines Niederschlagsereignisses und der Hangneigung des Standorts bestimmt
  • Die Wasserspeicherung S im Boden hat einen Einfluss auf die Wasserbilanz besonders dann, wenn die Niederschläge im Jahresverlauf nicht gleichmässig verteilt sind. --> Wenn der Boden viel Wasser speichern kann, wird weniger versickern und mehr als ET wieder an die Atmosphäre abgegeben.
     

• PWP: permanenter Welkpunkt= Feuchtezustand bei pF 4.2
• TW: Menge an Wasser, die bei PWP noch gespeichert ist (nicht pflanzenverfügbar)
• FK: volumetrischer Wassergehalt, den der Boden gegen die Schwerkraft für längere Zeit halten kann
• nFK: Anteil der Feldkapazität, der pflanzenverfügbar ist; FK-TW
• W_{pfl: maximal gespeicherte und pflanzenverfügbare Wassermänge}
• WR_eff: Mächtigkeit des effektiven Wurzelraums
• W_pfl (mm)=nFK (mm*dm^-1) * WR_{eff (dm)}

• Sand: 50cm
• Schluff & Lehm: 1.4-1.8m
• Ton: 0.9-1.3m

Dies ist durch die Unterschiede hinsichtlich kapillarem Aufstieg und Wasserleitfähigkeit begründet.

Gashaushalt von Böden
Der Luftgehalt von Böden (Porenvolumen) schwankt mit der Wassersättigung zwischen 0
und 40-60 %Vol.
Bei Feldkapazität (pF 1.8):

• Sandböden 30 - 40 % Luft
• Schluffböden 10 - 25 % Luft
• Tonböden 5 - 10 % Luft (von Bodenstruktur abhängig!)

-->Sandböden sind in der Regel gut durchlüftet, ausser wenn sie durch
Grund- oder Stauwasser vernässt sind.
--> je toniger ein Boden, desto wichtiger ist die Bodenstruktur für die
Durchlüftung (Schaffung von groben Poren).

-->Bodenluft enthält immer mehr Kohlendixid als Sauerstoff, weil die Bodenorganismen und Pflanzenwurzeln Atmung betreiben, um Energie zu gewinnen

Gase im Boden: N₂, O₂ (Senke), CO₂ (Quelle bei aerobe Atmung), N₂O (Quelle: Denitrifikation bei O₂-Mangel), CH₄ (Quelle: stark anaerobe Böden), H₂S (Quelle: stark anaerobe Böden), NH₃ (Quelle: alkalische Böden)

Durch die Atmung der Bodenorganismen und Wurzeln entsteht ein Ungleichgewicht zwischen der Atmosphäre und der Bodenluft.

• Konvektion: konvektiver Gastransport durch Druckdifferenzen. Diese können durch Schwankungen des Grundwasserspiegels, Verdrängung von Gasen durch infiltriertes Wasser, Temperaturschwankungen oder Gasentstehung in anaeroben Zonen verursacht werden.
• Diffusion: Diffusion von O2 in Wasser ist 10000 x langsamer als in Luft ! Deshalb ist für den Gasaustausch vor allem die Vernetzung der luftgefüllten Poren wichtig.
• Gashaushalt und Pflanzenwachstum: bei pO2<0.1 und pCO2>0.05 ist die Wurzelatmung und damit auch das Pflanzenwachstum gehemmt. Zusätzlich können sich in schlecht durchlüfteten Böden toxische Gase wie Ethylen und H₂S anreichern, die zu einer Hemmung des Pflanzenwachstums führen können. In den meisten Böden ist es ausreichend, wenn >=15% des Gesamtvolumens aus poren besteht, die mit Luft gefüllt sind. Bei niedrigeren Luftgehalten besteht eine akute Gefahr für Sauerstoffmangel. verdichtete Schichten (z.B. Pflugsohle) können den Gasaustausch stark hemmen, weil sie die Vernetzung der luftgefüllten Poren unterbrechen.

Wärmehaushalt von Böden
Die Bodentemperatur beeinflusst alle biologischen Prozesse
• mikrobielle Aktivität
• Wurzelwachstum und aktive Nährstoffaufnahme
• Aktivität von Bodentieren
• u.a.

-->der Wärmehaushalt des Bodens ist ein wichtiger Standortsfaktor

Einflussfaktoren:
• Sonneneinstrahlung (wichtigste Wärmequelle)
• Absorption der Strahlung (Farbe des Bodens)
• Wärmekapazität: Menge an Energie, die einer Einheitsmenge an Boden zugeführt
werden muss, um ihn um eine bestimmte Temperaturdifferenz
zu erwärmen. Einheiten: MJ m-3 K-1
• Wärmeleitfähigkeit: Bestimmt den Energiefluss entlang eines Temperaturgradienten.
Einheiten: J m-1 K-1 s-1

--> Wassergehalt hat sehr grossen Einfluss auf die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit des Bodens!

-->Wärmeleitfähigkeit: Quarz > Tonminerale > organische Substanz

-->Wärmekapazität: Quarz = Tonminerale < organische Substanz < Wasser

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Temperaturschwankungen im Boden sind an der Bodenoberfläche am grössten und nehmen mit zunehmender Tiefe ab.

• Tagesschwankungen: in 50cm  Tiefe sehr gering <1°C
• Jahresschwankungen: In ca. 8m Tiefe herrscht immer  eine Temperatur, die etwa dem Jahresmittel entspricht.