Ui12 Wädenswil Bodenkunde 2 FS13
Bodenphysik
Bodenphysik
Beinflussung Wassergehalt des Bodens auf darin ablaufende Prozesse
je nässer der Boden, desto:
- schnellerer Wassertransport
- langsamerer Gastransport
- schnellerer Wäremtransport
- schnellerer Stofftransport
- schlechtere Stabilität (mittelnass am besten)
- besserers Eindringvermögen von Wurzeln
- bessere Verfügbarkeit von Bodenwasser
Wassersättigung
Volumenanteil Wasser in Porenraum. 0= trocken, 1= Wassergesättigt
Luftsättigung analog dazu
Gravitationswasser
=Wasser in den Grobporen. verlagert bei Entwässerung des Bodens in tiefere Schichten. Grobporen werden mit Luft gefüllt. Deshalb wird Grobporenanteil auch als Luftkapazität bezeichnet
pflanzenverfügbares Wasser
Nach Abfliessen des Gravitationswassers geht Abrtocknung des Bodens weiter. Evapotranspiration (verdunsten an oberfläche, Wasseraufnahme über Wurzel)
enziehen den mittleren Poren das Wasser. Dieses Wasser wird durch Kapilarkräfte festgehalten, die Pflanzen können aber trotzdem mit Wurzeln in Poren und Wasser entziehen. Deshalb = pflanzenverfügbares Wasser
Totwasser
Das Wasser in ganz feinen Poren (wird durch Kapilarkräfte festgehalten. Pflanzen können nicht in Poren gelangen.) und Wasserfilm auf Bodenparitkel.
Dieses Wasser ist IMMER im Boden
Saugspannung
= Unterdruck im Bodenwasser gegenüber der angrenzdenden Luft.
definiert als Druckdifferenz zwischen Wasser und Luft
Wenn Wassersättigung hoch (Grobporen wassergefüllt), dann Saugspannung wenig negativ. Wenn Wassersättigung klein (Wasser in kleinen Poren) dann Saugspannung sehr negativer Wert.
Interpretation Desorptionskurve
- Porosität: Wassergehalt bei Saugspanne =0
- Luftkapazität: Porosität-FK
- pflanzenverfügbares Wasser: FK-pWP
- Totwasser: pWP
Von Desp.kurvbe kann auf die Anteile unterschiedlich verfügbaren Wassers geschlossen werden sowie die vorherrschende Porenklassen.
Kapillarsperre
In einem Boden ist eine unterschieldiche Körnung abswechselnd und wirkt in beide Richtungen als Sperre.
Beispiel: Sandschicht im Ton. Sandschicht verhindert kapillaren Aufstige von Grundwasser. Während Ton das Regewasser auffasst und erst zu Sand lässt, wenn Überdruck gross genug.
Was beeinflusst die Stabilität des Bodens?
Der Wassergehalt und damit die herrschende Saugspannung
Wann ist ein Boden am stabilsten?
Kommt auf den Boden drauf an. Ein Grobporiger Boden wie Sand ist weder ganz nass noch ganz trocken stabil, weil er keine feinen Poren vorhanden sind die das Wasser stark genung binden
Toniger Boden ist trocken sehr stabil, dies weil das Wasser in den Feinporen immer noch vorhanden ist und die Kapillarkräfte wirken.
Weshalb ist es wichtig, die Stabilität des Bodens zu kennen
wegen Bodenverdichtung. unterhalb 60hPa (Messung mit Tensiometer) keine mechanische Belastung.
Ein gut durchlüfteter Boden hat...
...ein grosses Grobporenvolumen (=Luftkapazität)
Alle Atmungsprozesse laufen gehemmt, wenn...
Luftkapazität unter 10%
Beurteilung der Luftkapazität aufgrund der Grobporenanteile der verschiedenen Böden
- Pseudogley: sehr gering
- Pseudogley: gering
- Parabraunerde: mittel
- Braunerde: hoch
- Podsol: sehr hoch
transportkontrollierte Sauerstoffversorgung
Bodenluft ist wenig leistungsfähiger O2-Speicher. muss dauernd nachgeliefert werden. 1 mol O2= 1mol CO2
Absolutdruck der Bodenluft wird nicht verändert, nur Partialdruck
Wie erfolgt die Bewegung von GAsen in der Bodenluft? erklären
Massen...uss (Konvektion) oder molekulare Bewegung (Diffusion)
Konvektion: durch Unterschiede des Gesamtdruckes angetrieben, Luft fliesst in Poren.
Diffusion: durch Unterschiede der Parialdrücke angetrieben. Ausgleich von Konzentrationsgradienten
Wichtigster Gastransport für Boden
Diffusion von O2 aus Atmosphäre in Boden und Diffusion von CO2 vom Boden in die Atmosphäre
Wie erlaufen die Konzentrationsgradienten von O2 und CO2?
CO2: je tiefer, desto mehr CO2. wegen atmungsaktivität von Wurzeln und Flora Fauna
O2: je tierfer, desto weniger O2. wegen verbrauch durch biologische Prozesse
Welche Auswirkung hat die Bodenverdichtung auf die Luftleitfähigkeit und Wasserleitfähigkeit?
Die Poren sind wassergesättigt, die Wasser- und Luftleitfähigkeit nimmt ab. CO2 un O2 sind schlechter durchlässsig. Die Aktivität der Bodenorganismen ist gehemmt
Bodentemperatur ist von Bedeutung für folgende Prozesse:
- Materialeigenschaften der Bodenbestandteile wie Oberflächenspannung, Viskosität und Fliesswiderstand der Bodenlösung
- Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. vorallem Bodenatmung
- Stoffwechsel und Wachstumsprozesse von Organismen (Bsp. Keimung)
Phasensystem des Bodens (3)
1.Die feste Phase – die Bodenmatrix
2.Die flüssige Phase – das Bodenwasser
3.Die Gasphase – die Bodenluft
Betrachungsebenen der drei Phasen
•Ebene 1: Anteile der Phasen
–Lagerungsdichte, Porosität, Wassergehalt, …
•Ebene 2: Verteilung der Phasen
–Porengrössenverteilung
–Korngrössenverteilung, Körnungsdreieck
•Ebene 3: Räumliche Anordnung der Phasen
–Wie hängen die Phasen zusammen?
–Struktur, Gefüge
Ebene 1: Phasenanteile
Anteilbestimmung von Festsubstanz, Bodenwasser und Bodenluft. ausgedrückt in Masse oder Volumen (dazu werden Messung von Wassergehalt, Stättigungsgrad, Luftgehalt, Ladungsdichte, Matrixanteil gemessen)
•Volumenanteile: leichter interpretierbar
•Massenanteile: einfacher messbar, besser reproduzierbar
•Die gemessene Grösse kann abhängig von der Grösse der Probe sein
Ebene 2: Grössenverteilung
Grösse der einzelnen Einheiten der verschiedenen Phasen werden gemessen. (mineralische Bodenbestandteile, Porenraum, Häufigkeitsverteilung)
Ebene3: Anordnung der Phasen
•Für Transportprozesse im Boden ist die räumliche Anordnung der Poren besonders wichtig.
•Stichworte dazu sind:
–Porenkontinuität (Zusammenhängen der Poren)
–Uniformität (Porendurchmesser konstant oder verändert?)
–Tortuosität (Transportweg gerade oder gebogen?)
•Bsp. Regenwurmgänge: für eine tiefere Bodenschicht sind Regenwurmgänge nur dann von Bedeutung, wenn sie kontinuierlich mit der Bodenoberfläche verbunden sind!
2. Die feste Phase - die Boden Matrix
unterteilt in: Feinerde (< 2mm) und Skelett (> 2mm)
Die Feinerde besteht aus den drei Korn-Fraktionen
➣ Sand (2 mm – 50 mm) ➣ Schluff (50 mm – 2 mm) ➣ Ton (<2 mm)
Die Korngrössenverteilung (mengenmässige Anteile der einzelnen Kornfraktionen) in der Feinerde macht die Bodenart oder Textur eines Bodens aus!
Trennmethode der verschiedenen Fraktionen: Sieben
Bodenskelett
•Grosse Variation möglich
•Skelettanteil wichtig für die physiologischen Gründigkeit eines Bodens: «pflanzennutzbarer Bereich»
•Genaue Bestimmung aufwändig, Meistens Schätzung
- Anteil Bodenskelett gibt Hinweis auf Grad der Verwitterung
Fraktionen des Bodenskeletts
Schweiz : 6 Fraktionen des Bodenskeletts
Bestimmung durch Nass-Sieben im Labor
Die Textur(=Korngrössenverteilung) der Feinerde beeinflusst wichtige bodenphysikalische Parameter unmittelbar. Nämlich:
• Dichte
• Porosität
• Luftleitfähigkeit
• Wasserleitfähigkeit
• Temperatur
• Wasserspeichervermögen
Messmethode für Texturbestimmung
- Fühlprobe auf dem Feld
- Sedimentation (Suspension in Zylinder, Bodenpartikel sinken ab, Probeentnahme mit Pipette in definierter Tiefe in definierter Zeit, getrockneter Pipetteninhalt wird in Massanteile von Ton, Schluff und Sand umgerechnet)
Was beeinflusst die Lagerungsdicht eines Bodens
Die Textur.
Beeinflusst durch: Kornform, Korngrössenabstufung, Lagerung der Körner
Sandige Böden mit rundlichen Teilchen sind dichter als tonige mit sperrigen Tonplättchen.
Abgestufte Körnung führt eher zur verdichtung als einheitliche Körnung, weil kleinere Körner zwischen grössere rutschen.
Messmethoden für die Textur
-
Sieben
-
Fühlmethode
-
Pipettenmethode
-
Optische Methoden
Lagerungsdichte
•Auch scheinbare Dichte genannt (pa: apparent density) = Dichte des Bodens (inkl. Porenraum) = Masse Festsubstanz / Volumen (g/cm3)
•Messung: Probeentnahme mit Zylinder, trocknen, wägen, berechnen
•Berechnung: Trockengewicht / Probenvolumen (Mm / Vtot = pa)
•Eng gekoppelt mit dem Porenvolumen
•Wichtig für Wasser- und Lufthaushalt des Bodens
•Abhängig von Körnung, organischer Substanz, Gefüge, Bearbeitung (Bodenverdichtung!)
effektive Lagerungsdichte (tonkorrigiert)
•Berücksichtigt den Tongehalt des Bodens
•Effektive Lagerungsdichte = Lagerungsdichte pa [g/cm3] + 0.009*Tongehalt [%]
•Grund: Ton hat aufgrund seiner sperrigen Plättchen ein grösseres Porenvolumen als Schluff oder Sand
•Bei gegebener LD ist sandiger Boden besser durchwurzelbar. optimaler Dichtebereich für Pflanzen höher als bei Tonboden effektive Lagerungsdichte besseres Mass für Verdichtung!
reelle Dichte
- Die reelle Dichte (spezifische Masse) ist die Dichte der Bodenfestsubstanz ohne den Porenraum
- Sie wird häufig mit 2.65 g/cm3 angegeben
- Für genaue Untersuchungen muss die reelle Dichte im Labor bestimmt werden
- Ein Beispiel für die Anwendung der reellen Dichte Porosität E = 1 – (pa/pr)
Mm / Vm = pr
ca 2.65 kg / lt
Masse des Bodens bezogen auf das Volumen der Festsubstanz ohne Porenraum
Bodengefüge
räumliche Anordnung der unregelmässig geformten festen Bodenbestandteilen, die sich im Verlauf der Pedogenese einstellt Grosser Einfluss auf Porensystem Drei Gruppen von Gefügen werden unterscheiden:
Primärgefüge:
- Einzelkorngefüge (nicht miteinander verklebt, ungünstig)
- Kohärentgefüge (einfache Verkittung der Einzelkörner, ungünstig)
Aggregatgefüge / Sekundärgefüge (verbundene Primärpartikel, ideal) :
- Krümelgefüge
- Säulengefüge
- Plattengefüge
Primärgefüge / Elementargefüge
Bodenpartikel nicht zu Aggregaten zusammengeschlossen, sondern gleichmässig im Boden verteilt --> Primärporen
Sekundärgefüge / Aggregatgefüge
•Einflüsse auf Primärgefüge - Biologische Aktivität - Austrocknung / Wiederbefeuchtung - Frost- / Tauzyklen
• Bildung von Gruppen primärer Bodenpartikel, die untereinander stärker verbunden sind als mit angrenzenden Partikeln: Aggregate
•durch grössere Poren voneinander abgegrenzte Struktureinheiten -->Sekundärporen
Fehler in der Bearbeitung des Bodengefüges. Konsequenz?
- Gefügedegradation
- Verschlechterung der Bodenqualität
- Erhöhung Erosionsrisiko
- Erholung des Bodens nur sehr langsam
Bodengefüge: empfindlich
Volumetrischer Wassergehalt
Volumen des Bodenwassers / Gesamtvolumen
-
- 1 / 72
-
Lernkarten
Notwendig für Bodenaktivität:
-Pflanzenatmung (Wurzel)
-Mikrobiologische Aktivität
-chemische Reaktionen
Zu wenige Bodenluft verursacht
-Anaerobe Bedingungen
-Methanbildung
-Nitrifizierung wird undurchführbar
Meßgrößen zur Charakterisierung des Durchlüftungszustandes von Böden
• Lagerungsdichte
• Porosität (maximal möglicher Luftgehalt)
• Luftgehalt
• Luftkapazität (Grobporenvolumen)
• Luftleitfähikeit bzw. Permeabilität
• O2-Diffusionsrate / O2-Diffusionskoeffizient
• Redoxpotential
was beeinflussen den Transport von Sauerstoff in den Boden
- Wassergehalt des Bodens
- Porenvolumen
- Porengrößenverteilung
- Reaktivität des Bodenmaterials
- Biologische Bodenaktivität
Gastransport: Bewegung der Bodenluft kann als
............ oder als ......... erfolgen.
Massenfluss oder als molekulare Bewegung
Druckunterschiede treiben den konvektiven Gastransport (=Massenfluss) an.
Konzentrationsunterschiede treiben den diffusiven Gastransport an (= molekulare Bewegung)
Der wichtigste Transportmechanismus ist die Diffusion und zwar die Sauerstoffdiffusion aus der Atmosphäre in den Boden hinein und die Diffusion von CO2 aus dem Boden heraus in die freie Atmosphäre.
Ursachen für Konzentrationsgradienten
•Quellen und Senken für Gase im Boden:
–Abbau der organischen Substanz durch Bakterien, Wurzeln, Pilze und Bodenlebewesen
–Chemische Verwitterung der Bodensubstanz (in kleinem Masse)
Ungleichgewicht zwischen der freien Atmosphäre und der Bodenluft
•Antrieb für Transport und Austauschprozesse in der Gasphase des Bodens: „urchlüftung"
Bodentemperatur
Energiequelle: Sonneneinstrahlung
Abhängig von:geographischer Breite , Bewölkungshäufigkeit ,Höhenlage ,Hanglage ,Exposition.
Ausserdem wichtig: Absorptionsverhalten der Bodenoberfläche, der Wassergehalt des Bodenkörpers, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Bodens
Das heisst: dunkle Böden leiten besser. Nasse Böden leitet Wärme in grosse Tiefe. Nasse Böden erwärmen aber langsamer
Bodentemperatur unterliegt wegen den oben genannten Wechselwirkungen (tägliche/jährliche) Schwankungen
Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität:
Eine Zunahme des Wassergehaltes führt zu …
… einer linearen Zunahme der Wärmekapazität Ch
… zu einer stetigen, aber nicht linearen Zunahme der Wärmeleitfähigkeit Grund: die Bodenstruktur
Bodentemperatur und Pflanzen:
Bei einer Temperaturerhöhung …
–steigt die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen
–sinkt die Viskosität und damit der Fliesswiderstand von Wasser
–nimmt die Zellteilungs- und Wachstumsrate zu
–steigt aber auch die Konkurrenz!
•Für jede Pflanze gibt es einen optimalen Bereich für die Boden-, bzw. Lufttemperatur!
Textur des Bodens ergibzt sich aus dem...
...Sand, Schluff, Tongehalt
Typische Werte für Bodendichte
- organische Böden: 0.12 - 0.48
- Mineralböden : 0.8 - 1.8 g/cm3
-
- Sandböden: 1.19-1.67
- Schluffböden: 1.19-1.53
- Tonböden: 0.92-1.32
- Lehmböden: 1.19 - 1.96
Dichte nimmt mit intensicer bewirtschaftung zu (Acker höchste Dichte, Waldboden tiefste). Dichte nimmt mit Tiefe zu.
Wichtige Bodeneigenschaften für das Wurzelwachstum sind:
Ladungsdicht und Textur
Bei einem Tonboden mit hoher Ladungsdichte, finden Pflanzen trotzdem keinen halt, weil die Poren zwischen den Tonteilchen zu eng sind.
Sand kann hingegen zu locker sein und Wurzel findet keinen Halt.
Zusammenhang zwischen optimalen Ladungsdichte und Tongehalt
Beinflussung Wassergehalt des Bodens auf darin ablaufende Prozesse
je nässer der Boden, desto:
- schnellerer Wassertransport
- langsamerer Gastransport
- schnellerer Wäremtransport
- schnellerer Stofftransport
- schlechtere Stabilität (mittelnass am besten)
- besserers Eindringvermögen von Wurzeln
- bessere Verfügbarkeit von Bodenwasser
Wassersättigung
Volumenanteil Wasser in Porenraum. 0= trocken, 1= Wassergesättigt
Luftsättigung analog dazu
Gravitationswasser
=Wasser in den Grobporen. verlagert bei Entwässerung des Bodens in tiefere Schichten. Grobporen werden mit Luft gefüllt. Deshalb wird Grobporenanteil auch als Luftkapazität bezeichnet
pflanzenverfügbares Wasser
Nach Abfliessen des Gravitationswassers geht Abrtocknung des Bodens weiter. Evapotranspiration (verdunsten an oberfläche, Wasseraufnahme über Wurzel)
enziehen den mittleren Poren das Wasser. Dieses Wasser wird durch Kapilarkräfte festgehalten, die Pflanzen können aber trotzdem mit Wurzeln in Poren und Wasser entziehen. Deshalb = pflanzenverfügbares Wasser
Totwasser
Das Wasser in ganz feinen Poren (wird durch Kapilarkräfte festgehalten. Pflanzen können nicht in Poren gelangen.) und Wasserfilm auf Bodenparitkel.
Dieses Wasser ist IMMER im Boden
Saugspannung
= Unterdruck im Bodenwasser gegenüber der angrenzdenden Luft.
definiert als Druckdifferenz zwischen Wasser und Luft
Wenn Wassersättigung hoch (Grobporen wassergefüllt), dann Saugspannung wenig negativ. Wenn Wassersättigung klein (Wasser in kleinen Poren) dann Saugspannung sehr negativer Wert.
Interpretation Desorptionskurve
- Porosität: Wassergehalt bei Saugspanne =0
- Luftkapazität: Porosität-FK
- pflanzenverfügbares Wasser: FK-pWP
- Totwasser: pWP
Von Desp.kurvbe kann auf die Anteile unterschiedlich verfügbaren Wassers geschlossen werden sowie die vorherrschende Porenklassen.
Kapillarsperre
In einem Boden ist eine unterschieldiche Körnung abswechselnd und wirkt in beide Richtungen als Sperre.
Beispiel: Sandschicht im Ton. Sandschicht verhindert kapillaren Aufstige von Grundwasser. Während Ton das Regewasser auffasst und erst zu Sand lässt, wenn Überdruck gross genug.
Was beeinflusst die Stabilität des Bodens?
Der Wassergehalt und damit die herrschende Saugspannung
Wann ist ein Boden am stabilsten?
Kommt auf den Boden drauf an. Ein Grobporiger Boden wie Sand ist weder ganz nass noch ganz trocken stabil, weil er keine feinen Poren vorhanden sind die das Wasser stark genung binden
Toniger Boden ist trocken sehr stabil, dies weil das Wasser in den Feinporen immer noch vorhanden ist und die Kapillarkräfte wirken.
Weshalb ist es wichtig, die Stabilität des Bodens zu kennen
wegen Bodenverdichtung. unterhalb 60hPa (Messung mit Tensiometer) keine mechanische Belastung.
Ein gut durchlüfteter Boden hat...
...ein grosses Grobporenvolumen (=Luftkapazität)
Alle Atmungsprozesse laufen gehemmt, wenn...
Luftkapazität unter 10%
Beurteilung der Luftkapazität aufgrund der Grobporenanteile der verschiedenen Böden
- Pseudogley: sehr gering
- Pseudogley: gering
- Parabraunerde: mittel
- Braunerde: hoch
- Podsol: sehr hoch
transportkontrollierte Sauerstoffversorgung
Bodenluft ist wenig leistungsfähiger O2-Speicher. muss dauernd nachgeliefert werden. 1 mol O2= 1mol CO2
Absolutdruck der Bodenluft wird nicht verändert, nur Partialdruck
Wie erfolgt die Bewegung von GAsen in der Bodenluft? erklären
Massen...uss (Konvektion) oder molekulare Bewegung (Diffusion)
Konvektion: durch Unterschiede des Gesamtdruckes angetrieben, Luft fliesst in Poren.
Diffusion: durch Unterschiede der Parialdrücke angetrieben. Ausgleich von Konzentrationsgradienten
Wichtigster Gastransport für Boden
Diffusion von O2 aus Atmosphäre in Boden und Diffusion von CO2 vom Boden in die Atmosphäre
Wie erlaufen die Konzentrationsgradienten von O2 und CO2?
CO2: je tiefer, desto mehr CO2. wegen atmungsaktivität von Wurzeln und Flora Fauna
O2: je tierfer, desto weniger O2. wegen verbrauch durch biologische Prozesse
Welche Auswirkung hat die Bodenverdichtung auf die Luftleitfähigkeit und Wasserleitfähigkeit?
Die Poren sind wassergesättigt, die Wasser- und Luftleitfähigkeit nimmt ab. CO2 un O2 sind schlechter durchlässsig. Die Aktivität der Bodenorganismen ist gehemmt
Bodentemperatur ist von Bedeutung für folgende Prozesse:
- Materialeigenschaften der Bodenbestandteile wie Oberflächenspannung, Viskosität und Fliesswiderstand der Bodenlösung
- Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. vorallem Bodenatmung
- Stoffwechsel und Wachstumsprozesse von Organismen (Bsp. Keimung)
