Das Programm Funktionen von Böden

Das Programm
1.
Einführung
BODENBESTANDTEILE
2. Mineralische Bestandteile der Böden
3. Organische Bestandteile der Böden
BODENBILDUNG
4. Faktoren und Prozesse der Bodenbildung
5. Bodenbildung auf verschiedenen Gesteinen
6. Klassifikation und Kartierung von Böden
BODENFUNKTIONEN
7. Wasser, Luft und Wärme
8. Bodenreaktion und Nährstoffe
9. Erhaltung und Gefährdung der
Bodenfruchtbarkeit
BÖDEN UND KLIMA
10. Böden und Klima
S3
Funktionen von Böden
¾ Regelungsfunktionen (Æ Umweltschutz, Gewässerschutz)
¾ Lebensraumfunktionen (Æ Artenschutz, Biodiversität)
¾ Produktionsfunktionen ( Land- und Forstwirtschaft)
¾ u.a.
S 81
Definition Bodenfruchtbarkeit in der VBBo, 1998
Auszug aus der Verordnung über Belastungen des Bodens (VBBo)
vom 1. Juli 1998
Art. 2 Begriffe
Boden gilt als fruchtbar, wenn:
a) er eine für seinen Standort typische artenreiche, biologisch aktive
Lebensgemeinschaft und typische Bodenstruktur sowie eine ungestörte
Abbaufähigkeit aufweist;
b) natürliche und vom Menschen beeinflusste Pflanzen und
Pflanzengesellschaften ungestört wachsen und sich entwickeln können und
ihre charakteristischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden;
c) die pflanzlichen Erzeugnisse eine gute Qualität aufweisen und die
Gesundheit von Menschen und Tieren nicht gefährden;
d) Menschen und Tiere, die ihn direkt aufnehmen, nicht gefährdet werden.
1
S 77
“Ertragsfähigkeit” in der Landwirtschaft
Klima
Bodenqualität
Ertrag
Pflanzen
Anbautechnik
Aktuelle Ertragsfähigkeit: auf Grund der aktuellen Bodenqualität
und klimatischen Bedingungen
Potentielle Ertragsfähigkeit: unter optimalen Bedingungen
erreichbare Ertagsfähigkeit, eventuell nach einer Bodenmelioration
(z.B. Drainage, Düngung, Lockerung, Kalkung, etc.).
Schädlinge und
Krankheiten
Wärme
Konkurrenz
Licht
(Spross)
Wetter
Sprosswachstum
Wurzelwachstum
Wärme
Schädlinge und
Krankheiten
Wasser
Wachstumshemmende
Stoffe
Wachstumsfördernde
Stoffe
Sauerstoff
(Wurzeln)
Nährstoffe
2
S 83
Definitionen Textur, Körnung, Bodenart
Korngrössenklassen
Feinerde (<2 mm)
• Ton (<2 µm)
• Schluff (2-50 µm)
• Sand (50-2000 µm)
Skelett (>2 mm)
• Kies (2-50 mm)
• Steine (50-200 mm)
• Blöcke (>200 mm)
Mischung
“Textur”, “Körnung”
Anteile an Ton,
Schluff, Sand (%)
“Bodenart”
z.B. lehmiger Sand
S 85
Korngrössenverteilung der Feinerde (als Summenkurve)
S 86
Bodenarten in der Kartieranleitung der FAP, Reckenholz
Bodenarten
1 Sand
2 schluffiger Sand
3 lehmiger Sand
4 lehmreicher Sand
5 sandiger Lehm
6 Lehm
7 toniger Lehm
8 lehmiger Ton
9 Ton
10 sandiger Schluff
11 Schluff
12 lehmiger Schluff
13 toniger Schluff
3
S 86
Bodenarten in der Kartieranleitung der FAP, Reckenholz
Bodenarten
Tone
Lehme
Schluffe
Sande
1 Sand
2 schluffiger Sand
3 lehmiger Sand
4 lehmreicher Sand
5 sandiger Lehm
6 Lehm
7 toniger Lehm
8 lehmiger Ton
9 Ton
10 sandiger Schluff
11 Schluff
12 lehmiger Schluff
13 toniger Schluff
S 88
“Bodengefüge, Bodenstruktur”
= Anordnung der festen Bodenpartikel im Raum
1. Einzelkorngefüge (lose Schüttung von Partikeln, z.B.
Dünensand)
2. Kohärentgefüge (gleichmässige Verteilung, Partikel
miteinander verkittet, z.B. durch CaCO3)
3. Aggregatgefüge (Bodenpartikel sind zu grösseren
Einheiten mit charakteristischer Form verkittet oder
verklebt, zwischen den Bodenaggregaten befinden sich
grössere Poren)
S 88
Bedeutung des Bodengefüges
Boden mit Aggregatgefüge
und Poren
Wasserspeicherung
Wassersickerung
Wasserverfügbarkeit
Textur
Lagerungsdichte
40-60% Festphasen
60-40% Poren
Æ Luft
Æ Wasser
Gefüge
Vernetzung der
Poren
Wärmespeicherung
Wärmeleitfähigkeit
Durchlüftung
Durchwurzelbarkeit
Verdichtungsneigung
Lebensraum Tiere
4
S 89
3. Aggregatgefüge
Krümelgefüge: in Oberböden mit hoher biologischer
Aktivität.
Polyedergefüge: in tonigen Unterböden durch Quellung
und Schrumpfung.
Prismengefüge: in tonigen Unterböden, meistens
zusammen mit Polyedergefüge.
Subpolyedergefüge: in lehmig-schluffigen Unterböden.
Bröckel-, Klumpengefüge: durch die Bodenbearbeitung.
Pseudogley-Braunerde aus Bänderton
Krümelgefüge (Ah)
Polyedergefüge (Bv)
Kohärentgefüge (Cv)
Ah Horizont: Krümelgefüge
S 89
locker, gut durchlüftet, gut durchwurzelbar, viele
Makroporen zwischen den rundlichen
Bodenaggregaten, stabile Aggregate durch
“Lebendverbauung”
Bv Horizont: Polyedergefüge
kantige, polyedrische Bodenaggregate, Makroporen
abhängig von Wassersättigung
(Quellung/Schrumpfung)
Cv Horizont: Kohärentgefüge
kaum Bodenaggregate, Bodenpartikel haften
aneinander
(Æ Staunässe)
5
Krümelgefüge einer Mull-Rendzina (Ah Horizont)
Prismengefüge in einem tonigen Boden
Prismen
6
Kohärentgefüge in einem Unterboden aus Löss
Regenwurmgänge
Klumpen
Klumpengefüge eines tonigen Oberbodens (Ap Horizont)
7
“Frostgare”
Herbst
Bodenfrost
Frühjahr
geringe Aggregatstabilität
begünstigt Verschlämmung
Æ schlechte Durchlüftung
Æ Krustenbildung
Æ Abfluss und Erosion
S 90
Bodendünnschliffe
Krümelgefüge
Lagerungsdichte =
Bodenmasse / Volumen
Polyedergefüge
8
S 91
Lagerungsdichte und Porosität
E=
Vp
E = Porosität, Vp = Porenvolumen, V = Gesamtvolumen
V
E =1−
ρa
ρr
ρa =
Mm
V
ρr =
Mm
Vm
E = Porosität, ρa= Lagerungsdichte, ρr = reelle Dichte
der Bodenmatrix
ρa= Lagerungsdichte, Mm = Masse der Bodenpartikel im
Volumen V
ρr = reelle Dichte, Mm = Masse der Bodenpartikel, Vm =
Volumen der Bodenpartikel
S 91
Festphase
Reelle Dichte [g/cm3]
Quarz
2.65
Feldspäte
2.54 – 2.76
Boden
2.55 – 2.75
Lagerungsdicht
e (g/cm3)
Beschreibung
Vorkommen
<0.9
extrem locker
Torfe, Seetone, vulkanische Böden
0.9 – 1.1
locker
sehr lockere Oberböden
1.1 – 1.3
mittel
Oberböden, lockere Unterböden
1.3 – 1.5
leicht
verdichtet
Unterböden
1.5 – 1.7
dicht
verdichtete Böden
>1.7
extrem dicht
stark verdichtete Böden und Sedimente
S 92
Wasser im Boden
Wasserpotentiale
Wasserleitfähigkeit
Heterogenität des
Bodens
Wassertransport
Wasserspeicherung
Auswaschung von Stoffen
Wasserversorgung der Pflanzen
Kapillarer Aufstieg von Wasser und gelösten Stoffen
Oberflächenabfluss / Bodenerosion
Grundwasserneubildung
9
S 92
Potentiale des Bodenwassers
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)
Energie
Kraft ⋅ Länge
Kraft
=
=
= Druck
Volumen Fläche ⋅ Länge Fläche
Energieinhalt Gw eines Massenelementes der Bodenlösung
relativ zu Gw im Referenzzustand
T und patm konstant
∆Gb
h g= -z
∆Gg
∆Gg
∆Gπ
Referenzhöhe z0
Referenzzustand
Gw = 0
Bodenwasser =
Bodenlösung
+/- Salze
(Elektrolyte)
= Menge Bodenlösung
(Hannes Flühler, 2000)
S 92
Potentiale des Bodenwassers
(Definitionen nach Scheffer/Schachtschabel)
Ψz
Gravitationspotential
Ψ m Matrixpotential
Ψo
Osmotisches Potential
Ψg
Gasdruckpotential
Ψ H Hydraulisches Potential
Ψ H = Ψ z + Ψm + Ψ g + Ψo
ΨW Wasserpotential
ΨW = Ψ m + Ψ g + Ψ o
oft
vernachlässigbar
Relevant für den
Wassertransport
Relevant für die
Wasseraufnahme
durch Pflanzen
10
S 93
Hydraulisches Potential und Wasserpotential
Ψ H = Ψz + Ψm
Ψ H hydraulisches Potential
Ψ z Gravitationspotential
Ψ m Matrixpotential
S 93
(Nutzbare) Feldkapazität und Totwasser in Ton
Totwasser
nFK
FK
nFK = nutzbare Feldkapazität = θ(FK) - θ(PWP)
S 93
(Nutzbare) Feldkapazität und Totwasser in Schluff
Totwasser
nFK
FK
nFK = nutzbare Feldkapazität = θ(FK) - θ(PWP)
11
S 93
(Nutzbare) Feldkapazität und Totwasser in Sand
Totwasser
nFK
FK
nFK = nutzbare Feldkapazität = θ(FK) - θ(PWP)
S 94
Hysterese der Bodenwassercharakteristik
• eingeschlossene Luft
• Benetzungseffekte
• Flaschenhalseffekte
• Matrixdeformationen
S 97
Textur und Wasserspeicherung in Böden
FK:
Ton >
Schluff, Lehm >
Sand
PWP: Ton >> Schluff, Lehm >> Sand
nFK: Ton <
Schluff, Lehm
> Sand
Pflanzenverfügbare Wassermenge im Bodenprofil bei FK:
Wpfl (mm) = nFK (mm cm-1) x WReff (cm)
nFK = FK – PWP
WReff
effektiver Wurzellraum (cm)
12
Beispiel Winzlerboden: Kapillarsperreneffekt
Bodenart: Sand
(91% Sand, 7% Schluff, 2% Ton)
Kapillarsperreneffekt
Kies
(Terrassenschotter)
Profildaten Winzlerboden
(saure Parabraunerde aus fluviatilem Sand über Niederterrassenschotter)
Hor
Tiefe
(cm)
T
(g/kg)
U
(g/kg)
S
(g/kg)
Skelett
(g/kg)
Dichte
(g/cm3)
Ks
(cm/d)
Ah
0-10
Al
10-40
Bt+Al
Tiefe
(cm)
nFK
(mm)
9
9
82
0
1.13
7
10
83
0
1.30
1728
0-20
30
1728
20-50
40-90
5
7
88
0
41
1.44
1642
50-70
Bt
90-100
11
11
78
24
0
1.44
950
70-90
IIC
>100
0
6
94
20
730
1.89
5875
0-90
115
Ökologische Einstufung der nFK des effektiven Wurzelraumes (in mm) nach KA4:
<60 sehr gering, 60-140 gering, 140-220 mittel, 220-300 hoch, >300 hoch
Beispiel Rafz
(Braunerde-Pseudogley, auf Riss-Grundmoräne)
L-Of-Oh
Ah
Sw-Bv
Sw
Sd
C-Sd
13
Profildaten Rafz
Hor
Tiefe
(cm)
T
(g/kg)
U
(g/kg)
S
(g/kg)
Skelett
(g/kg)
Dichte
(g/cm3)
Ks
(cm/d)
Tiefe
(cm)
nFK
(mm)
Ah
0-3
15
55
30
0
1.25
Sw-Bv
3-30
20
55
26
0
1.29
17
0-30
73
Sw
30-55
18
54
28
0
1.36
58
30-55
55
Sd
55-100
21
50
29
0
1.65
27
55-100
79
C-Sd
>100
27
54
18
0
1.75
21
0-100
207
Ökologische Einstufung der nFK des effektiven Wurzelraumes (in mm) nach KA4:
<60 sehr gering, 60-140 gering, 140-220 mittel, 220-300 hoch, >300 hoch
S 95
Wasserleitfähigkeit des Bodens
Darcy Gleichung
hw1 =hg1 +h1
∆hw= h w2 -hw1= h 2-h1
luftundurchlässige aber wasserdurchlässige poröse Platten
hw1
hw2=hg2+h1
hw2
hg1=0
hg2 =0
∆x
ν=
Q
dΨH
= Kf
F
dx
v = Flussgeschwindigkeit (cm/s)
hg1=0
hg2 =0
Q = Wassermenge (cm3/s)
F = Querschnittsfläche (cm2)
hw1
Seitenwand luftdurchlässig
hw2
x = Transportdistanz (cm)
Kf = gesättigte Leitfähigkeit (cm/s)
hw1=hg1+h1
∆hw= h w2 -hw1= h 2-h1
hw2 =hg2+h1
S 95
Wasserleitfähigkeit und Wassersättigung
14
S 95
Typische Werte für die gesättigte Wasserleitfähigkeit
Gesättigte Wasserleitfähigkeit (typischer Bereich)
obere Werte: aggregierte Böden mit sekundären Grobporen
untere Werte: nicht aggregierte Böden und Sedimente
Wasserleitfähigkeit Kf
Bodenart
[cm/s]
[cm/d]
Sande
4 x 10-1 bis 4 x 10-3
3 x 104 bis 300
Schluffe
4 x 10-1 bis 5 x 10-5
3 x 104 bis 4
Lehme
4 x 10-1 bis 1 x 10-5
3 x 104 bis 1
Tone
4x
10-1
bis 4 x
10-7
3 x 104 bis 0.01
Æ Bedeutung der Bodenstruktur steigt mit Tongehalt !
Wasserbilanz an einem Standort
N + Z = ET + V + A + ∆S
N
Z
ET
V
A
∆S
=
=
=
=
=
=
Niederschlag
lateraler Wasserzufluss
aktuelle Evapotranspiration
Versickerung
lateraler Wasserabfluss
Änderung in der aktuellen Wasserspeicherung
Beobachtungszeitraum 1 Jahr Æ ∆S ≈ 0
Reliefposition ohne lateralen Wassertransport Æ Z = A = 0
ET
Z
N
A
∆S
V
Z
ET
N
A
V
Hohe Infiltrationsrate, ungehemmte Versickerung (= gute Drainage)
Æ Keine Staunässe
Æ Wenig Bodenerosion
Æ Gute Durchlüftung des Bodens
Æ Wasserspeicherfähigkeit kann voll ausgeschöpft werden (∆S)
15
Z
ET
N
A
V
Geringe Infiltrationsrate, gehemmte Versickerung
Æ Staunässe
Æ Erhöhte Bodenerosion
Æ Schlechte Durchlüftung des Bodens
Æ Verlust von Wasser durch Oberflächenabfluss
Æ Entstehung von Vernässungen in Mulden und Niederungen
Kuppe
ET
Hang
Mulde
N
A
ET
A
N
Z
V
Z
V
Grundwasserspiegel
Hohe Infiltrationsrate, ungehemmte Versickerung (= gute Drainage)
Æ Wenig laterale Umverteilung von Wasser
Kuppe
ET
A
Hang
Mulde
N
A
Z
ET
V
N
Z
V
Grundwasserspiegel
Geringe Infiltrationsrate, gehemmte Versickerung
Æ laterale Umverteilung von Wasser
Æ Vernässungen in Mulden
16
Klassifikation des Bodenfeuchteregimes
(Soil moisture regimes, US Soil Taxonomy)
Soil
moisture
regime
Beschreibung
Vorkommen
(Beispiele)
Aquic
ständig nass, reduzierend
Grundwasserböden
Udic
meistens feucht, aber nicht nass
humide Klimate
Ustic
zeitweise feucht, aber mit
Trockenzeit
subtropische Klimate
Aridic
fast immer trocken
aride Klimate
Torric
meistens trocken
semiaride Klimate
Xeric
feucht, aber im Sommer trocken
mediterrane Klimate
trocken = pF>4.2, feucht = pF<4.2, nass = pF≈0
Luftgehalt bei Feldkapazität in Schluff
Totwasser
nFK
Luftgehalt
bei FK
FK
nFK = nutzbare Feldkapazität = θ(FK) - θ(PWP)
Gashaushalt von Böden
Der Luftgehalt von Böden schwankt mit der Wassersättigung zwischen 0
und 40-60 %Vol.
Bei Feldkapazität (pF 1.8):
Sandböden
Schluffböden
Tonböden
30 - 40 % Luft
10 - 25 % Luft
5 - 10 % Luft
(von Bodenstruktur abhängig!)
Æ Sandböden sind in der Regel gut durchlüftet, ausser wenn sie durch
Grund- oder Stauwasser vernässt sind.
Æ je toniger ein Boden, desto wichtiger ist die Bodenstruktur für die
Durchlüftung (Schaffung von groben Poren).
17
Zusammensetzung der Bodenluft
Partialdruck
Quelle/Senke
Atmosphäre
Bodenluft
0.79
~
N2
O2
aerobe Atmung
0.207
... bis 0
erniedrigt
CO2
aerobe Atmung
0.00033
... bis 0.1
erhöht
N2O
Denitrifikation,
bei O2- Mangel
CH4
stark anaerobe
Böden
H2S
stark anaerobe
Böden
NH3
alkalische
Böden
Entstehung und Verbrauch von Gasen im Boden
Aerobe Bedingungen (Bakterien, Pilze, Wurzeln, Tiere, u.a.)
C6H12O6 + 6 O2 Æ 6 CO2 + 6 H2O + 2800 kJ/Mol
(Respirationsquotient R=1 Æ keinen Einfluss auf Gasdruck)
Stark anaerobe Bedingungen (Bakterien)
C6H12O6 Æ 3 CO2 + 3 CH4
+ 188 kJ/Mol
(Entstehung von Gasen, R>1 Æ erhöhter Gasdruck, Aufsteigen von
Gasblasen aus Sümpfen)
Gastransport im Boden
Konvektion durch Gasdruckgradienten, ausgelöst durch:
• Schwankungen des Grundwasserspiegels
• Verdrängung von Gasen bei Wasserinfiltration
• Ausdehnung bei Temperaturschwankungen
• Gasentstehung in anaeroben Zonen
Diffusion durch Partialdruckgradienten, ausgelöst durch:
• O2 Verbrauch, CO2 Produktion bei Atmung
• N2O Produktion bei Denitrifikation
• u.a.
Die Diffusion von O2 in Wasser ist ~10000 Mal langsamer
als in Luft !!!
18
Diffusion von O2 in Wasser 10000 x langsamer als in
Luft !!!
• für den Gasaustausch ist vor allem auch die
Vernetzung der luftgefüllten Poren wichtig!
• verdichtete Schichten (z.B. Pflugsohle) können den
Gasaustausch stark hemmen, weil sie die
Vernetzung der luftgefüllten Poren unterbrechen.
• bei pO2<0.1 und pCO2>0.05 ist die Wurzelatmung
und damit auch das Pflanzenwachstum gehemmt.
Wärmehaushalt von Böden
Die Bodentemperatur beeinflusst alle biologischen
Prozesse
• mikrobielle Aktivität
• Wurzelwachstum und aktive Nährstoffaufnahme
• Aktivität von Bodentieren
• u.a.
Æ der Wärmehaushalt des Bodens ist ein wichtiger
Standortsfaktor
Einflussfaktoren:
• Sonnenstrahlung (wichtigste Wärmequelle)
• Wärmekapazität
• Wärmeleitfähigkeit
Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit
Material
Wärmeleitfähigkeit
J m-1 K-1 s-1
Wärmekapazität
MJ m-3 K-1
Quarz
8.8
2.0
Tonminerale
3.0
2.0
Organische
Substanz
0.25
2.5
Wasser
0.57
4.2
Luft
0.025
0.0013
Æ Wassergehalt hat sehr grossen Einfluss auf die
Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit des Bodens!
19
S 100
S 100
Typischer Tagesverlauf der Bodentemperatur
in verschiedenen Tiefen
Typischer Jahresverlauf der
Bodentemperatur in verschiedenen Tiefen
Zusammenfassung:
Physikalische Aspekte der Bodenfruchtbarkeit
Was sind ideale Voraussetzungen für ein hohes Ertragspotential?
• tiefgründig
• nicht stark verdichtet
Æ Durchwurzelbarkeit
• hohe nutzbare Feldkapazität
Æ Wasserversorgung
• eventuell kapillarer Anschluss an Grundwasser
• ausreichende Wasserinfiltrationrate
• ausreichende Drainage
• ausreichende Durchlüftung
Æ geringe Erosion
und Verschlämmung
Æ Sauerstoffversorgung
Æ Tiefgründige Lehme mit lockerem Aggregatgefüge sind ideale
Ackerstandorte !
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