BKU37 – Landschaftswasser- und Stoffhaushalt Beantwortete Übungsfragen, inkl. bodenkundlicher Teil SoSe 2009 2.0 Landschaftswasserhaushalt

• N-Frachtberechnung aus der Konzentration und der Abflussmenge (Rhein: Abfluss 2330 m3/s, 10 mg NO3/l)

o 10mg N/l = 10g N/m³ o 10g N/m³ x 2330 m³/s x (60x60x24x365) = 7,347888x1011g N / a o = 7347889 t N / a o Wichtig: N : NO3

- = 1 : 4,4 o => 3 233 017,6 t NO3

- • Nennen Sie die Glieder der Wasserhaushaltsgleichung.

o N + K + B = E+T+I + A + ∆V o Niederschlag + Kapillarer Aufstieg + Beregnung =

Evaporation + Transpiration + Interzeption + Abfluss + Volumenänderung • Wie sind Einzugsgebiete definiert?

o Jener Bereich, der alle Niederschläge und die daraus entstehenden Abflüsse (ober- und unterirdisch) in ein Fließgewässer ableitet und damit speist.

2.1 Niederschlag

• Welche Niederschlagsformen gibt es? o Flüssig:

§ Regen § Nieselregen § Nebel (Kondensation an in Schwebe bleibenden Teilchen bei

feuchtgesättigter Luft) § Tau: Unter Taupunkttemperatur, über Gefrierpunkt

o Fest: § Eiskristalle § Eiskörner § Hagel § Schnee § Reif: Unter Gefrierpunkt

• Erklären Sie den Unterschied zwischen Freiland- und Bestandesniederschlag. o Freilandniederschlag = N, der eine unbewachsene Fläche infiltrieren würde o Bestandsniederschlag = N, der eine Fläche nach Vegetationsbedingter

Interzeption infiltriert ( = Kronendurchlass + Stammabfluss) • Welche Messfehler treten bei der Niederschlagsmessung auf?

o Aufstellhöhe (Winddrift, Spritzwasser, Schneewehen) o Aufstellen nur auf freier Fläche / Interzeptionsverluste o Auswertungsfehler (z.b. in Bergen durch Nebel zu hohe werte) o Adhäsionskräfte (Tropfen fließt nicht bis zur Messung) o Verdunstung (bes. bei geringer N-Menge)

• Wie misst man den Gebietsniederschlag? o Arithmetisches Mittel von mehreren Messstationen (i.d.r. unbefriedigendes

Ergebnis) o Thiessen-Verfahren (Polygonmethode): Polygone sind Flächen gleichen

Niederschlags o Hypsometrisches Verfahren (gleiche Höhenlinien als gleicher N

angenommen)

2.2 Kappilarität

• Wie groß ist der Kanalporendurchmesser im Mittel bei Schluff- und Sandböden? o Kanalporendurchmesser = ca. 1/3 Korndurchmesser o Schluff Korn ca. 30 µm => Pore ca. 10µm o Sand Korn ca. 1000µm => Pore ca. 330 µm

• Wie verändert sich die Porenverteilung bei Verdichtung? o Kubische zu hexagonaler Anordnung o Kanalporen und Kugelporen werden weitgehend zerstört, Anteil Restporen

steigt. o Kein Gasaustausch mehr möglich

• In einem Boden steigt das Wasser kapillar 60 cm hoch. Um welche Bodenart handelt es sich?

o H in cm = (3000 / Porendurchmesser) µm o 60 = 3000 / d o d = 3000 / 60 = 50 µm o d*3 = Korngröße = 150 µm => Feinsand

• Definieren Sie: o „Effektive Durchwurzelungstiefe“

§ Tiefe zur Berechnung der nutzbaren Feldkapazität des effektiven Wurzelraums in Abhängigkeit von der Bodenartenschichtung bei mittlerer Lagerungsdichte; sie wurde ursprünglich für Ackerpflanzen entwickelt.

§ Die effektive Durchwurzelungstiefe entspricht nicht der physiologischen Gründigkeit (Tiefe, bis zu der Wurzeln in den Boden eindringen können), sondern kennzeichnet das Bodenvolumen, in dem der Bodenwasserhaushalt intensiv durch pflanzlichen Wasserverbrauch (Transpirationsentzug) beeinflusst ist.

o „Flurabstand“ § Abstand von Bodenoberfläche zu Grundwasserspiegel

o „Grenzflurabstand“? § Kapillarer Aufstieg + eff. Durchwurzelungstiefe (Acker max. 3,50m) § Auch: Tiefe bis zu der ein GW-Spiegel Einfluss auf Verdunstung und

Ertrag hat. • Grenzflurabstand bei Zuckerrüben (effektive Durchwurzelungstiefe = 100 cm) beträgt

250 cm. Um welche Bodenart handelt es sich? o Kapillarer Aufstieg = 150cm o H in cm = (3000 / Porendurchmesser) µm o Poren = 3000 / 150 = 20µm => Korn = 60µm = Grobschluff

2.3 Potenzialkonzept

• 140 cm über dem Grundwasserspiegel beträgt die Saugspannung –180 cm WS, 100 cm über dem Grundwasserspiegel –80 cm WS. In welche Richtung fließt das Wasser?

o Hydraulisches Pot. = Saugspannung (cmWS) + Gravitationskraft (cm) § P1 = -180+140 = -40 § P2 = -80 + 100 = +20 § Wasser fließt Richtung kleinerem Potential, hier nach oben.

• Warum kann eine Sandlinse in einem Schluffboden zu Wasserstau führen? o Ungesättigter Bereich! => Sand schlechter Leiter o zu viele Luftporen gefüllt müssten werden, Luft kann nicht ausweichen,

Poren sind für Wasser „verstopft“

• Erklären Sie den Unterschied zwischen der gesättigten und der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit.

o Das Darcy Gesetz gibt an, mit welcher Geschwindigkeit eine Flüssigkeit durch ein poröses Medium fließt, angetrieben durch einen herrschenden Druckgradienten.

o Darcy-gesetz: q = K * i § q = Durchflussmenge pro Fläche und Zeit (Geschwindigkeit) § K = hydraulische Leitfähigkeit (Strecke pro Zeiteinheit)

• KF = gesättigte Leitfähigkeit (Poren voll mit Wasser) • KU = ungesättigte Leitfähigkeit (Poren z.T. mit Luft gefüllt)

§ i = hydraulischer Gradient o KF ist ein Wert, für jede Bodenart o KU ist eine Funktion in Abhängigkeit von der Sättigung für jede Bodenart (Je

weniger Wassergesättigt, desto schwächer die Leitfähigkeit) 2.4 Energiehaushalt

• Von welchen Körpern gehen kurzwellige und langwellige Strahlung aus? o Wiensches Gesetz: Je heißer der Körper, desto kürzer die Strahlung o Sonne = kurzwellig, Erde = langwellig

• Was verstehen Sie unter „Glashauseffekt“? o Z.B. atmosphärischer Treibhauseffekt o http://de.wikipedia.org/wiki/Glashauseffekt#Kompakte_Darstellung_des_Mec

hanismus • Wie viel der eingestrahlten Energie steht für die Verdunstung zur Verfügung?

o Latente Strahlung, 24% (Gleicht schließlich die Strahlungs-Bilanz aus (siehe Folien))

2.5 Potentielle Verdunstung

• Was ist potentielle Verdunstung? § Niedriger, gleichmäßiger Bewuchs § Volles Wachstum § Vollkommene Beschattung § Wasserüberschuss

o Einflussfaktoren: Windgeschwindigkeit, Sättigungsdefizit, Temperatur, Strahlung

• Wie kann ich die ETpot messen? o Geräte wie Class A Pan oder Lysimeter (siehe Folien)

• Wie kann ich die ETpot berechnen? o Vier Methoden, siehe Folien

• Wie viel Wasser kann in unserer Region (Mittelhessen) maximal verdunsten? o Durch Einstrahlungswinkel der Sonne vorgegeben => 655mm/a

• Was besagt der Transpirationskoeffizient, was die Water UseEfficiency? o Geben an wie viel Wasser nötig ist um 1 kg Trockenmasse zu produzieren

(Transpirationskoeffizient), bzw. umgekehrt (WUE)

2.6 Abfluss • Wie setzt sich der Abfluss zusammen?

o Q = Abfluss ( Q = QB + QD ) § QB = Basisabfluss § QD = direkter Abfluss (Niederschlagsereignis) = QO+QL

• QO = Oberflächenabfluss • QL = Zwischenabfluss (Interflow)

o QT = Trockenwetterabfluss (nach 4 Tagen nur noch aus QG) o QG = Grundwasserbürtiger Abfluss

• Wie bestimmt man den Abfluss? o Wasserstand messen

§ Lattenpegel (Bezugshöhe beachten, ablesen 0700 Uhr), mechanische Schwimmerpegel, Kapazitätssensor, Drucksensor, Ultraschall

o Abflussgeschwindigkeit messen § Messflügel, magnetisch-induktive Messung, Radar

o Querschnitt bestimmen § Lamellenverfahren, Ultraschall

• Rechenbeispiel Abflussspende (2.6 Folie 5) o q = Q / AE o q = 0,988 m³ / s*km²

• Wie lässt sich die Fließrichtung im Grundwasser schätzen? o Strömungsrichtung senkrecht zur Grundwasserhöhenlinie o Messung mit Piezometer

• Was ist ein Aquifer? o Grundwasserleiter: Gesteinskörper mit Hohlräumen, der zur Leitung von

Grundwasser geeignet ist • Welche Arten von Grundwasserleitern gibt es?

o Lockergestein-GWL / Poren § Geröll, Schotter, Sand, Kies § Bedeutend, da „an Erdoberfläche weit verteilt und der Versickerung

zugänglich“ o Festgestein-GWL / Klüfte o Karstartige GWL / Karst (Gips => Qualität fraglich)

• Was sind Quellen? o Quellen sind Orte, an denen Grundwasser auf natürliche Weise austritt.

Somit bilden Quellen einen Übergangsbereich zwischen Grundwasser und Fließgewässer aus, das sich aus dem abfließenden Quellwasser bilden kann.

• Welche Quellentypen gibt es? o Spaltenquellen

§ <100m tief, Wasser trifft auf Längsspalte o Verengungsquellen

§ GWL wird durch Relief verengt, dadurch wird Wasser nach oben gedrückt

o Stauquellen § Substratwechsel auf Nicht-GWL, Wasser tritt durch Stau nach oben

o Schichtquellen § Am Hang wo ein GWL auf eine Nicht-GWL-Schicht stößt.

• Quelleinzugsgebiet Rechnung 2.6, Folie 27 o Schüttung 100 m³/d = 36500 m³/a o Infiltration ins GW = 400mm/a = 400l/(m²*a) = 0,4m³/(m²*a) o => OAE = 36500 m³/a / 0,4m³/(m²*a) = 91250 m² o Formel merken: OAE = Quell-Schüttung / GW-Infiltration

2.7 Uferfiltration • Was ist Uferfiltration?

o Gleicht Wasserstand eines Gewässers aus (Fluss <-> Grundwasser) o Je nach Hochwasser oder Trockenwetter in beide Richtungen o Brunnengalerien an Gewässern können den Prozess Richtung GW

verstärken (Trinkwassergewinnung) • Was ist künstliche GW-Anreicherung?

o Sickerbecken mit Sandböden an Gewässern (nahe Wasserwerksbrunnen) o Schluckbrunnen

§ Wasser aus Gewässer wird abgepumpt und durch Schluckbrunnen in den Boden gepresst => GW-Spiegel wird erhöht

§ Einsatz wenn Uferfiltration nicht reicht, dass GW den Grenzflurabstand erreicht

2.8 Wasserbilanzen

• Warum ist die Sickerwasserspende (bei sonst gleichen Bedingungen) in einem Sandboden höher als in einem Lössboden?

o Sand: größere Poren, weniger Wasser-Bindung => höhere GW-Neubildung o Löss: kleinere Poren, mehr Wasser-Bindung => höhere Verdunstung

• Wie könnte eine Wasserbilanz für einen Sand/Lössboden in unserer Region aussehen (Jahresbilanz)?

N = ETI + As +/- ∆V Sand 650 = 350 + 300 +/- 0 Löss 650 = 500 + 150 +/- 0

• Wie könnte eine Wasserbilanz für einen Sand/Lössboden in unserer Region aussehen (Halbjahresbilanz)?

N = ETI + As +/- ∆V Sommer 350 = 300 + 100 -50 Sand Winter 300 = 50 + 200 +50 Sommer 350 = 350 + 50 -150 Löss Winter 300 = 50 + 100 +150

2.9 (?) Gewässergüte

• Was ist der Unterschied zwischen Gewässergüte und Gewässerstrukturgüte? o Gewässergüte: Wasserqualität, ökologischer Zustand im Wasser o Gewässerstrukturgüte: Ökologischer Zustand im Bereich, der das Gewässer

prägt; Grad der Naturnähe des Lebensraums am Gewässer • Welche Faktoren bestimmen Gewässergüte und Gewässerstrukturgüte?

o Gewässergüte: § Temperatur § 02-Gehalt § pH-Wert § Salzgehalt § Nährstoffe (Nitrat, Phosphat…) § Pharmazeutika

o Gewässerstrukturgüte: § Abfluss(dynamik) § Gewässerbetstruktur § Strömungsvarianz § Substrate § Struktur der Uferbereiche

• Wie kann die Gewässergüte bestimmt werden, was sind Vor- und Nachteile? o Saprobienindex

§ Gewässerorganismen hängen von vielen Faktoren ab (ganzheitlicher) § Andere Messungen sind zeitlich punktuell (z.B. O2-Gehalt nur zu einer

Tageszeit), Organismen leben 24h im Wasser. § Erschwerung durch Einwanderung neuer Arten

o Physikalische und Chemische Messungen § Genau, meist schnell § Nur ein jeweiliger Wert, keine ganzheitliche Aussage

• Was ist der Unterschied zwischen Leitbild und Entwicklungsziel, wo sind die Grenzen bei der Umsetzung?

o Leitbild § Referenzzustand § Potentiell natürlicher, anthropogen unbeeinflusster Zustand eines

Gewässers § aus fachlicher Sicht maximal mögliches Sanierungskonzept § Kosten-Nutzungsbetrachtung nicht berücksichtigt

o Entwicklungsziel: § Realisierbarer Zustand unter gegebenen sozioökonomischen

Verhältnissen (Wasserwege!), möglichst naturnah § Kosten-Nutzungsbetrachtung berücksichtigt

• Was ist „geogene Grundlast“? o Schadstoffbelastung durch natürliche geologische Prozesse

§ SO42- Belastung im Karst § Schwermetallbelastung im Harz

3.0 Landschaftsstoffhaushalt • Was besagt die Aussage: „Heidelandschaft ist ein Kunstprodukt“?

o Die Heide ist die Folge einer Konzentrationswirtschaft, in der Nährstoffe in Form von Streu aus dem Wald in die Ställe eingestreut wurden. Die Einstreu (Mist) wurde Dorfnah auf die Felder gebracht (Nährstoffgradient) und der Wald verarmte zur Heide.

o Heute wird die Heide aus biodiversitären Gründen künstlich erhalten indem aufkommende Birken entfernt werden (Zivildienstleistende und FÖJler)

3.1 Stofftransport

• Was bedeutet „Piston-Flow“? o Kolbenartiges durchfließen eines Bodens von Wasser bzw. darin gelösten

Nährstoffen • Welche bodenphysikalische Größe ist entscheidend für die Geschwindigkeit der

Stoffverlagerung o Nutzbare Feldkapazität nFK

• Eine Nitratfront in einem Sandboden ist im Herbst in 40 cm Tiefe anzufinden. In welcher Tiefe wird sie im folgenden April sein, wenn über Winter 250 mm Niederschlag fallen?

o Verlagerungstiefe = Sickerwasser in mm / Wassergehalt (Vol% oder FK) o FK (Sand) = 10 mm/dm (Lehm wäre 30mm/dm) o Verlagerungstiefe = 250mm/10mm/dm + 40cm = 290cm

• Warum war seinerzeit der Gülleerlass eine besonders dumme Entscheidung des Gesetzgebers?

o Verbot des Ausbringens von Gülle von Oktober bis Februar o Konsequenz: Ausbringung (kurz) vor Oktober und damit vor der

Verlagerungsstärksten Zeit im Jahr o Nährstoffe sind dann zur Vegetationsperiode im nächsten Jahr soweit

verlagert, dass sie Pflanzen-unverfügbar sind und das Grundwasser gefährden.

4. Wärmehaushalt und -Transport • Welche bodenphysikalischen Größen sind entscheidend für den Wärmetransport im

Boden? o Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit

• „Bei reduzierter Bodenbearbeitung ist der Boden zu kalt“. Was ist mit dieser Aussage gemeint?

o Pflügen => Volumenvergrößerung des Bodens => weniger Vol% Wasser => schnellere Aufwärmung (wegen hoher Wärmekapazität des Wassers)

5. Gashaushalt

• Welche Art des Gastransports herrscht in Böden mengenmäßig vor? o Diffusiver Austausch auf Grund von Konz-Unterschieden (95%) o Rest konvektiv

• Ein behinderter Gasaustausch fördert den Austrag klimarelevanter Gase. Begründen Sie die Aussage.

o Unvollständige Denitrifizierung (N2O!) wenn Boden nicht komplett anärob (?) Sonstige Fragen

• Die Darcy-Gleichung und das erste Fick’sche Gesetz sehen zwar sehr ähnlich aus, haben aber einen entscheidenden Unterschied. Welchen?

• Was besagt das 2. Fick’sche Gesetz? Erosion

• Beschreiben Sie die Initialphase der Wassererosion. • Warum werden Regentropfen bei sehr großer Niederschlagsintensität wieder

kleiner? • Es gibt 3 Formen der Winderosion. Welche? • Warum sollte ein Regenmesser nicht direkt hinter einem Hindernis aufgestellt

werden? Abkürzungen OAE = Oberfläche eines Einzugsgebiets NF = Freilandniederschlag NB = Bestandsniederschlag (NB = N–I = NT+NS) NT = Kronendurchlass NS = Stammablauf I = Interzeption (I = NF-NB) QD = direkter Abfluss = QO+QL QO = Oberflächenabfluss QL = Zwischenabfluss (Interflow) QB = Basisabfluss Q = Abfluss ( Q = QB + QD ) QT = Trockenwetterabfluss (nach 4 Tagen nur noch aus QG) QG = Grundwasserbürtiger Abfluss GWL (hier) = Abk. Grundwasserleiter

BKU37 – Bodenkundlicher Teil Diversität und Multifunktionalität von Böden

• Wie lautet die Kausalkette der Pedogenese? o Funktionsgleichung der Pedogenese: B = f (G, K, O, R, M) x Z

Boden = f (Gestein, Klima, Organismen, Relief und Mensch) x Zeit o Kausalkette:

Faktoren (GKORM) wirken auf Prozesse (Transformation + Translokation) ein und bedingen Merkmale (Mineralkörper, Humuskörper, Bodenkörper, Pedon)

• Nennen Sie bodenbildende Prozesse o Transformation -> Bodenkörper wird gebildet

Prozesse bei denen Umwandlungen und Umformungen ohne Verlagerung stattfinden:

§ Verwitterung § Mineralneubildung § Verwesung § Humifizierung § Ionenaustausch § Redox-Vorgänge

o Translokation -> Bodenkörper bildet Profildifferenzierung aus Verlagerungs-, Verteilungs- und Durchmischungsvorgänge im/am Bodenkörper

§ Verlagerung von Salzen, Ton und/oder org. Substanzen § Turbationen

• Bioturbation z.B. Tiere • Hydroturbation (Quellung/Schrumpfung) • Kryoturbation (Frost)

§ Oberflächenverlagerung (Erosion, Deflation) • Welche Auswirkungen hat die Bodenart auf die Bodeneigenschaften?

o Bodenarten unterscheiden sich durch Anteile der Kornfraktionen Ton, Schluff und Sand im Feinboden => unterschiedliche Eigenschaften:

Naturraumgliederung

• Welche Faktoren bewirken die pedogene Diversität von Landschaften? o Geologie (Ausgangsgesteine, Lithosphäre) o Topographie (Gelände, Relief, Terrain) o Hydrologie o Klima

• In welchem Zusammenhang stehen Bodentyp und Relief? o Die Landschaft ist das Ergebnis der Geomorphologie (Relief, Gewässer) und

der Bedeckung und Nutzung der Böden, die sie gestaltet (Wald, Landwirtschaft, Städtebau). Die Bodenentwicklung wird daher im engeren Sinn durch Exposition (Lage eines Hanges in Bezug auf die Einfallsrichtung der Sonnenstrahlen) und Neigung im weiteren Sinn durch Höhendifferenzierungen mit Auswirkungen auf Niederschlag und Temperatur. Das Relief trägt daher, indem es mit den Faktoren Klima und Ausgangsgestein die Pedogenese stark beeinflusst, maßgeblich zur Ausprägung des Bodentyps bei. Durch Verlagerung, welche durchs Relief hervorgerufen wird, entstehen so am Hang unterschiedliche Böden:

§ Kuppen: Ranker (flachgründig durch Erosion) § Mittelhang: Braunerde § Talsohle: Kolluvium

Bodentyp und Relief stehen deshalb in enger Verbindung, da sich an bestimmten Reliefpositionen nur bestimmte Bodentypen bilden bzw. halten können.

Ausgangssubstrate und Bodenvielfalt

• Nennen Sie typische Ausgangsgesteine Mittelhessens o Basalt (Vogelsberg) o Buntsandstein (Marburg) o Grauwacken o Tonschiefer o Quarzite

• Welche Bodeneigenschaften resultieren aus den jeweiligen Ausgangsgesteinen? o Basalt: basenreiche Braunerde (durch viel Mg und Ca) o Granit: saure Braunerde o Buntsandstein: nährstoffarme Sandböden => Podsol o Löss: nährstoffreich, gute Wasserspeicherung, …

• Warum sind Sedimente von großer Bedeutung für Bodenbildung / Landnutzung? o Sedimente, welche mit 75% den größten Anteil an der Erdoberfläche

ausmachen, ein wichtiges Ausgangsmaterial der Bodenbildung. o fluviale Sedimente machen Kolluviumpaket – sehr nährstoffreich o Entwicklung von Hochkulturen nur auf besonders reichen und wertvollen

Böden • Warum finden sich auf Kuppen im Mittelgebirge Forstbestände?

(Geologie/Bodentyp) o erodierte Böden, flachgründige Braunerde -> Ranker / Rendzina o carbonatfrei, keine anderen Kulturen können wachsen o kaum Wurzelraum o nur für Forstwirtschaft zu gebrauchen

Rheinisches Schiefergebirge

Bodentypen • Nennen Sie typische Böden der Mittelgebirge? (min. 3 Stück)

o Ranker o (Pararendzina) o Braunerde o Parabraunerde o Pseudogley o Gley

• Wie unterscheiden sie sich bezüglich Horizontfolge, Reliefposition und Nutzungseignung?

Auch:

o Ranker: Ah/mC; Kuppen und Oberhänge; Wald o Braunerde: Ah/Bv/C; Oberhang, Mittelhang; Acker, Grünland o Parabraunerde: Ah/Al/Bt/C; Unterhang; Acker o Gley: Ah/Go/Gr; Niederungen, Auen; Grünland o Pseudogley: Ah/Sw/Sd; Plateaulagen; Grünland o Pararendzina: Ah/eC; Kuppen und erodierte Hänge; Acker

• Nennen Sie die 3 Klassen der semiterrestrischen Böden, was haben sie gemein? o Auenböden, Gley, Marschen o Gemeinsamkeit: G-Horizont für Grundwasserbeeinflusst

Böden im Landschaftshaushalt

• Warum sind Waldböden zu schützen? o Filter- und Puffer-Funktion

§ Filternde Wirkung von Waldböden rührt daher, dass die Waldböden das Niederschlagswasser speichern und nur langsam wieder abgeben. So kann im Verlauf der Versickerung durch den Waldboden das Niederschlagswasser von Schadstoffen gereinigt werden. Dies ist besonders für die Trinkwassergewinnung von Bedeutung.

o Erosionsschutz o Hochwasserschutz (Erklärung siehe Filterfunktion)