Thema vom 12. 5. 2011

Präferenzieller Wasser- und Stoffaustrag aus gedränt en Ackerstandorten -

Erfassung, Quantifizierung und Bedeutung für Landnu tzung und GewässerschutzRaum B3.20, Lehrgebäude 4B

Institut für Bodenlandschaftsforschung desLeibniz-Zentrums für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V., Müncheberg

PD Dr. habil. Horst H. Gerke

Lehrveranstaltung „Agrarökologie“, BTU Cottbus Modul „Pflanzenernährung und Pflanzenschutz“

Begriffe:

1. Agrarökologie

2. Wasser- und Stoffhaushalt

3. „Gedränter“ Ackerstandort

4. Präferenzieller Fluss

Hier: 2 Skalen

EinzugsgebietFeld

BodenGefüge

Mikroskopisch

Makroskopisch

Porenskala

A

B

C Kle

iner

e S

kale

n

Ökosystem

Bodenprofil

AgrarökologieSkizze: Wasser- und Stoffhaushalt, Raumskalen

Produktivität

Umweltwirkung

Anmerkung: Dies ist nur eine „Mini-Skizze“; konzeptionelle Aspekte können hier nicht vertieft

werden. Bitte Lehrbücher ‚Agrarökologie‘ ansehen.

Sinn und Aufbau einer Dränung von Ackerböden

• Schnellere Abtrocknung/Erwärmung des Oberbodens im

Frühjahr

• Frühere Befahrbarkeit des Ackers

(Technisch: Dränabstand, -tiefe, Sauger, Sammler, Vorfluter…)

Zwei unterschiedliche Situationen für die Anlage von Dränagen:

• Hoher Grundwasserspiegel (Gleye) (z.B. auf durchlässigen

Sanden)

• Stagnierende Feuchte (Pseudogleye) (z.B. auf schlecht

durchlässigen Boden (z.B. Parabraunerden mit Bt-Horizonten), die

relativ fruchtbar sind, aber problematisch aus ökologischer Sicht)

Berechnung einer Dränage von Ackerböden

• Gleichung nach Hooghoudt (1940)

• Darcy, Colding (1872),…

(Berechnung von Dränabstand, und –tiefe je nach Boden)

Aus: Wiskow, E., und van der Ploeg, RR. Calculation of drain spacings for optimal rainstorm flood control. JOURNAL OF HYDROLOGY, 272 (1-4): 163-174, 2003.

q= stationärer FlussK1=Durchlässigkeit Boden überK2=Durchlässigkeit Boden unterd= äquivalente Tiefe, f(L,D,r(m))L=Abstand zwischen Entwäss.D=Tiefe unter Entwässerungsniveauh=maximale Erhöhung d. Wasserspiegels zw. Dränen

K2 K1

Berechnung einer Dränage von Ackerböden

• Gleichung nach Colding (1872)

(Berechnung von Drän-Abstand, je nach Boden)

Aus: van der Ploeg, RR und Marquardt. Soil Science Society Am. J. 63: 33-39, 1999.

L= DränabstandK= hydr. Durchlässigkeit BodenR= konstante Regenrateh= maximale Erhöhung d. Wasserspiegels zw. Dränen

L^2=(4K/R)*h^2

Beispieltabelle für Drän-Abstände

1-1.515-251.5-5TonigerLehm

1-1.520-355-20Lehm

Tiefe, H

m

Abstand, L

m

Hydr. Leitfähigkeit

m/TagBodentyp

Aus: Hillel, D. Environmental Soil Physics, AP 1999.

Bsp. NO-Deutschland: Eiszeitlich geprägte Landschaft mit Söllen, abflusslose Senken

Lage

Laterale Flüsse (ober- und unterirdisch) laufen in Senken zusammen

Felder sind häufig dräniert und Dränteiche und Rohre untereinander verbunden!

Feuchtgebiete, Kleingewässer

Hügelige Grundmoränen-Landschaft bei Prenzlau

Müncheberg

0

50

100

150

200

250

300

01.1

1.19

93

01.0

5.19

94

01.1

1.19

94

01.0

5.19

95

01.1

1.19

95

01.0

5.19

96

01.1

1.19

96

01.0

5.19

97

01.1

1.19

97

01.0

5.19

98

01.1

1.19

98

01.0

5.19

99

01.1

1.19

99

01.0

5.20

00

01.1

1.20

00

wat

er d

epth

[cm

]

B203 E5 L19 P/soil not frozen P/soil frozen snowmelt

Typen

Klassifikation von charakteristischen Soll-Typen (Kalettka&Rudat), aber:

1994-1998

Wasserspiegelschwankungen, Typisierung

�Wie kann man das Verhalten erklären?�Was passiert mit dem Wasser (Wasserhaushalt)?�Wo bleiben die gelösten Stoffe (Stoffhaushalt)?�Längerfristig: Erosion-Sedimentation, Bodenentwicklung?

“temporär”

“semi-permanent”

“permanent”

Niederschlag

Aus: Gerke H.H., S. Koszinski, T. Kalettka, M. Sommer. 2010. Structures and hydrologic function of soil landscapes with kettle holesusing an integrated hydropedological approach. J. Hydrol. (2010), doi:10.1016/j.jhydrol.2009.12.047.

Bodenlandschaft3-D Verteilung von Bodentypen, nach Geologie und Topographie

Struktures :• Topographie• Bodenoberfläche & • unterirdische

Sedimentverteilung

�Verteilung derBodentypen hängt ab von Sedimentation, Auswaschung etc.…

Aus: Gerke et al. 2010. J. Hydrol.

Präferenzieller Fluss im Bodenprofil

Aus: Flury et al., 1994, Water Resources Research

heterogen

homogen

Brilliant BlueFarbtracer Experiment

Standardmodelle

Richards-GleichungFür ungesättigte / variabel gesättigt/ungesättigte

Wasserbewegung in homogenen Böden

Sqqq

Sqt

hC

z

z

y

y

x

x +∂

∂+∂

∂+

∂∂=

+−=∂∂

)(div

( ) Sz

hhK

zt

hC +

+∂∂

∂∂=

∂∂

1

h = pressure head (Matrixpotential)

dh

dC

θ= spezifische Bodenwasserkapazität

K(h) = ungesättigte hydraulischeLeitfähigkeit als Funktion des Matrixpotentials

Schema des Aufbaus des Drei-Phasen-Systems Boden

feste Partikel (z. B. Sandkörner)

Luft

Wasser

Wasser-“Film“(Adsorptionswasser)

Wasser-“Menisken“

( ) ( ) mn

rsr h−

+−+= αθθθθ 1 Van Genuchten, 1980

( ) ( ) ( )nmSSSKmmd

e

.de

der 1111

2150 −=

−−=

( )( )0

0

θθ

rs K

KK =

Standardmodelle

CDE: Konvektions-Dispersions-Gleichung

Transport gelöster (nichtreaktiver) Stoffe im Boden (hier 1D)

( ) ( )

∂∂⋅

∂∂+⋅

∂∂−=

∂∂

z

cD

zcq

zt

cθ c = Konzentration eines Stoffes in der Bodenlösung

D = Dispersionskoeffizient

Bewegung einzelner Partikel in einem porösen Medium

θλτ q

DD += 0

D0 = molekularer Diffusionskoeffizient

τ = Tortuosität

l = Dispersivität (Dispersionslänge L)

Häufigkeitsverteilung der Partikel nach einer besti mmten Zeit t 1

Einlass

t1

Partikel-Puls

Par

tikel

-Häu

figke

it

Konvektion - Massenfluß

Dispersionskoeffizient

Standardmodelle

Farbtracer-Infiltrationsversuch,

gefärbte Randbereiche von Wurmgängen

‚Brilliant Blue‘ Färbung mit räumlich aufgelöster

Feuchtefront im Unterboden

Noch viele ungelöste Probleme: z.B. Entkopplung von Fluss und Transport in den Fliessbahnen von der Bodenmatrix - lokale Ungleichgewichte

Wasserbewegung in strukturierten Böden

Photos: Homepage Soil & Water Lab, Cornell University, Ithaca, NY, USA

Farbtracerversuche, unterschiedliche Böden

Loamy arable soil from glacial till

Lennartz et al. (2009): Soil & Tillage Research.102 (2): 179-192

Loamy paddy soil from China

Forest-reclaimed lignitic mine soil

Photo: areal view at 10 cm depth Hangen et al.,

Geoderma 2004

Forest-reclaimed sandy mine soil

2D vertical “flow finger”

Gerke et al., Geoderma 2001

„Makroporenfluss“

„Fingerfluss“

aggregierte Böden

2-Regionen-KonzeptBodenstruktur

Modellentwicklung

Wurmgang mit Wurzel

„Matrix“

Grobporen, Riss-Makroporen-Netzwerk

Grenzflächen und Austausch

Polyedrische Aggregate im Löss-Bt-Horizont

Polyedrische Aggregate im Löss-Bt-Horizont

Bodengefüge mit Grenzflächen zwischen Riss- und Matrixporen

Vereinfachung

Reduktion auf wesentliche Teile

„Mikroskopisch“Model Bodenaggregate Matrix und MakroporenAus: Gerke und van Genuchten, Water Resources Research, 1993