Schwerpunktthema Juli 2011

Wasser und Boden

Kein Wasser ohne Boden, kein Boden ohne Wasser. Das scheint vielleicht etwas schlicht, trifft aber die enge Wechselwirkung zwischen der obersten Haut unseres Planeten und seinem speziellen "Saft" recht gut. Im Boden trifft sich die Atmosphäre mit der Hydro- und der Biosphäre und das Ganze im Ambiente der Geosphäre. Damit sind Böden wohl das komplizierteste Umweltkompartiment. Hier sorgt eine Vielzahl biogeochemischer Prozesse ständig für das Recycling von organischen und anorganischen Stoffen, bewerkstelligt von einer großen Vielfalt an Mikroorganismen und Bodentieren.

Bodenprobenahme im Nahen Osten von Dr. Tino Rödiger (links) und Dr. Christian Siebert (rechts), UFZ. Im Bohrstock lassen sich verschiedene Bodentypen unterscheiden und ihre spezifischen Eigenschaften auch in Bezug auf den Wasserhaushalt beurteilen.
Foto: André Künzelmann/UFZ

Im Boden leben deutlich mehr Organismen als auf dem Boden. Das gilt sowohl für die Artenanzahl als auch für deren Masse. Ohne Wasser als wesentliche Voraussetzung biologischer Aktivität und als Transportmittel für gelöste Stoffe wäre das nicht möglich - also kein Boden ohne Wasser. Darüber hinaus sorgt der Boden als biogeochemischer Reaktor dafür, dass viele Schadstoffe, die gewollt oder ungewollt in die Umwelt und in den Boden gekommen sind, in der Regel nicht bis ins Grundwasser gelangen, sondern in der biologisch aktiven Bodenzone herausgefiltert werden - also kein sauberes Wasser ohne Boden.

Boden ist nicht gleich Boden

Die Funktion als Lebensraum und reaktive Zone im globalen Stoffkreislauf gilt allgemein für Böden. Im Detail gibt es jedoch große Unterschiede. Je nach dem, wo man ein Loch gräbt, findet man verschiedene Bodentypen, die sich in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften deutlich unterscheiden können. In Abhängigkeit vom geologischen Ausgangsmaterial, vom örtlichen Klima, der Position im Relief der Landschaft und der lokalen Vegetation stellt sich an einem Standort eine Art Gleichgewicht im komplexen Wirkungsgefüge von Böden ein. Dieses Gleichgewicht manifestiert sich in charakteristischen physikalischen, biologischen und chemischen Eigenschaften - es entwickeln sich bestimmte Bodentypen. Dabei spielt der lokale Wasserhaushalt, der von all den genannten Standortfaktoren maßgeblich bestimmt wird, eine zentrale Rolle für die Bodenbildung.

Böden als Filter

Böden sind über sehr lange Zeiträume entstanden und sind in der Regel in ihren charakteristischen Eigenschaften stabil, zumindest auf den von uns typischerweise betrachteten Zeitskalen in der Größenordnung von Jahrzehnten. Wird jedoch das Gleichgewicht über die Maßen gestört, etwa durch Erosion, Abbau von organischer Substanz oder Zerstörung der Bodenstruktur durch Verdichtung, kann es eine kleine Ewigkeit dauern, bis das Gleichgewicht wieder hergestellt ist. Auch die an sich positive Filterwirkung von Böden kann letztlich dazu führen, dass sich Schadstoffe anreichern und schließlich das Gleichgewicht nachhaltig gestört wird. Und wenn er erst einmal voll ist, kann dieser Filter eben nicht einfach ausgewechselt werden wie bei einem Staubsauger. Genauso wie Wasser ist Boden eine nicht vermehrbare Georessource. Allerdings kann die Wasserqualität mit technischem Aufwand wieder hergestellt werden, bei Böden sind wir hier auf natürliche Prozesse angewiesen.

Böden als Wasserspeicher

Neben seiner Funktion als reaktive Zone ist der Boden auch ein effizienter Wasserspeicher. Er macht zum einen dadurch ein üppiges Pflanzenwachstum möglich. Zum anderen steuert er die Wasserflüsse in der Landschaft. Das Niederschlagswasser rieselt nicht einfach nach den Gesetzen der Schwerkraft durch den Boden in Richtung Grundwasser, sondern wird im Boden festgehalten. Der Grund dafür liegt in der feinporösen Struktur des Bodens und den speziellen Eigenschaften von Wasser. Die hohe Oberflächenspannung zwischen Wasser und Luft sorgt dafür, dass Wasser auch gegen die Schwerkraft in den Bodenporen wie in einem Schwamm gehalten wird. Je kleiner die Poren, desto stärker die kapillare Bindung des Wassers.

Regenwurm im Boden. Regenwürmer haben wichtige Funktionen. Sie lockern den Boden auf, vermischen die organische mit der mineralischen Substanz und ihre Röhren sorgen für eine hohe Wasserleitfähigkeit unter nassen Bedingungen und für die Belüftung des Untergrundes.
Foto: Dr. Otto Ehrmann

Im Unterschied zum ständig wassergesättigten Bereich des Grundwassers werden Böden oft auch als "ungesättigte Zone" bezeichnet. Sie können von trocken bis nass je nach vorhandenem Porenvolumen (meist zwischen 30 und 50 Volumenprozent) unterschiedliche Mengen an Wasser speichern. Aufgrund der Kapillarkräfte befindet sich das Wasser dabei immer in den kleinen, die Luft dagegen in den großen Poren. Diese Raumteilung begründet auch die besondere Qualität des Bodens als Lebensraum, der den Organismen sowohl Wasser als auch Sauerstoff bietet.

Wird der Boden feuchter, werden nach und nach auch die größeren Poren mit Wasser gefüllt, bis schließlich auch große Regenwurmröhren Wasser leiten, die dann als effektive Drainagen funktionieren. Hier gibt es dann tatsächlich kein kapillares Halten mehr. Dieses Phänomen sorgt aber auch dafür, dass unter nassen Bedingungen oder bei starken Niederschlägen gelöste Stoffe sehr schnell in die Tiefe verlagert werden und so die reaktive Zone des Oberbodens umgehen. So findet man mitunter auch solche Stoffe im Grundwasser, die dort aufgrund ihrer biochemischen Eigenschaften eigentlich gar nicht erwartet werden sollten. Was gut ist für die Drainage und den Gashaushalt hat manchmal auch unerwünschte Effekte für die Stoffverlagerung.

Die Speicherkapazität von Böden ist eine hydrologisch wichtige Größe auf der Skala von Einzugsgebieten. Sie bestimmt, ob Perioden mit hohen Niederschlagsintensitäten abgepuffert werden können oder ob der Pegel im Bach schnell über eine kritische Marke gehoben wird. Ist der Speicher einmal voll, landet der nächste Regentropfen mehr oder weniger direkt im Oberflächengewässer. Und damit steigt auch die Gefahr von Hochwasser. In diesem Zusammenhang ist die tägliche Flächeninanspruchnahme durch Siedlungs- und Verkehrsflächen in Deutschland kritisch zu sehen. Sie liegt bei etwa 94 Hektar, was etwa 134 Fußballfeldern entspricht.

Böden als Wasserleiter

Oberflächenabfluss und Erosion auf Ackerfläche findet, statt, wenn die Niederschlagsintensität größer wird als die Wasserleitfähigkeit des Oberbodens.
Foto: Dr. Otto Ehrmann

Auch die Wasserleitfähigkeit der obersten Bodenschichten ist eine wichtige Größe für das Abflussgeschehen. Sie bestimmt, welche Regenmengen noch geschluckt werden können, oder umgekehrt, ab welcher Niederschlagsintensität das Wasser nicht mehr in den Boden, sondern auf dem Boden zum nächsten Vorfluter fließt. Das Wasser nimmt dabei häufig auch einiges an Oberboden mitnimmt, der damit der Erosion zum Opfer fällt. Ein biologisch aktiver, lockerer Oberboden ist dabei deutlich günstiger als ein verdichteter oder verschlammter Oberboden.

Ohne die Wasserspeicherung von Böden wären grüne, blühende Landschaften schwer vorstellbar und die Produktion von Nahrungsmitteln müsste vollkommen andere Wege gehen. Um ein Kilogramm Getreide zu produzieren, werden auf dem Acker zwischen 400 und 750 Liter Wasser benötigt, die während der Vegetationsperiode von den Pflanzen aufgenommen wird und durch die Blätter in die Atmosphäre verdampfen (Transpiration) bzw. die direkt von der Bodenoberfläche verdunsten (Evaporation). Bei Mais sind dies noch deutlich mehr (ca 1500 l) und beim Nassreisanbau sogar bis zu 3000 Liter Wasser pro Kilogramm Reis!

Pflanzen entwickeln Strategien, um auch unter extremen Bedingungen das nötige Quantum Wasser zu bekommen. Die unmittelbare Umgebung ihrer Wurzeln wird dabei optimiert.
Foto: xjbxjhxm - Fotolia.com

Aus landwirtschaftlicher Perspektive sollte nach Möglichkeit das vorhandene Wasser in produktive Transpiration investiert werden und nicht durch unproduktive Evaporation verloren gehen. Dabei spielt einmal mehr die Wasserleitfähigkeit der obersten Bodenschicht eine wichtige Rolle. Und wieder ist ein lockerer Oberboden wesentlich günstiger als ein verdichteter. Doch jetzt geht es nicht um eine möglichst hohe Leitfähigkeit bei starken Niederschlägen, sondern um eine möglichst kleine Wasserleitfähigkeit unter trockenen Bedingungen. Tatsächlich hat eine aufgelockerte oberste Bodenschicht unter mäßig feuchten Bedingungen viele luftgefüllte Grobporen, die den kapillaren Aufstieg des Wassers an die Bodenoberfläche verhindern und damit die Evaporation deutlich reduzieren. Im Gegensatz dazu holt sich ein verdichteter Oberboden über die Kapillarkräfte das Wasser aus tieferen Bodenschichten an die Oberfläche. Das ist die physikalische Begründung der alten Bauernregel: "Einmal gehackt ist zweimal gegossen".

Wenn Wasser im Boden knapp wird

Weltweit werden etwa 70 Prozent des verfügbaren Frischwassers für die landwirtschaftliche Produktion eingesetzt, wobei über 40 Prozent dieser Produktion über Bewässerung erfolgt. Ungefähr 2,4 Millionen Quadratkilometer unserer Erdoberfläche werden zurzeit bewässert - und das natürlich vor allem in Regionen, wo Wasser eher Mangelware ist. Immer häufiger kommt dabei auch Abwasser zum Einsatz, und das enthält allerlei Unerwünschtes, vor allem aber auch eine große Menge an organischen Stoffen. Oft wird damit der Teufel mit dem Belzebub ausgetrieben. Denn diese organischen Verbindungen legen sich auf die inneren Oberflächen der Böden. Und sobald sie austrocknen und ihren Wassermantel verlieren, werden sie wasserabweisend (hydrophob). Dieses Phänomen findet man auch häufig im heimischen Blumentopf, wenn man eine Zeitlang vergessen hat, die organische Torferde feucht zu halten. Wenn dann gegossen wird, bleibt das Wasser an der Oberfläche stehen, obwohl die Erde darunter knochentrocken ist. Genau dasselbe passiert bei der Beregnung solcher hydrophobisierter Böden. Das Wasser infiltriert nicht gleichmässig, sondern nur punktuell, oder fliest gleich oberflächlich ab. Die Pflanzen haben wenig davon. Eine effiziente Bewässerungstechnik muss die physikalischen und chemischen Wechselwirkungen zwischen Wasser und Boden berücksichtigen.

Bodenforschung am UFZ

Der Röntgentomographie - kurz CT - erlaubt Einsichten in die ungestörte Struktur von Böden mit einer Auflösung bis zu fünf Mikrometern.
Foto: André Künzelmann/UFZ

3D CT-Aufnahme der Porenstruktur eines Bodenaggregates (Durchmesser 15 mm) mit der Verteilung von Wasser (blau), Luft (rot) und Quarzkörnern (gelb).
Abbildung: Steffen Schlüter/UFZ

Deshalb ist ein Forschungsschwerpunkt im Department Bodenphysik am UFZ die Beziehung zwischen strukturellen Eigenschaften von Böden und ihrer Funktion als Reaktor und Wasserspeicher. Ein altes Handicap der Bodenwissenschaftler ist die Tatsache, dass das Objekt ihrer Forschung im wahrsten Sinne des Wortes undurchsichtig ist. Am UFZ behelfen sich die Wissenschaftler mit einer Technik, die in der Medizin schon lange gebräuchlich ist, der Röntgentomographie, kurz CT. Allerdings ist der Tomograph der Bodenphysiker für die Materialforschung optimiert. Er erlaubt Einsichten in die ungestörte Struktur von Böden mit einer Auflösung bis zu fünf Mikrometern.

Damit erhalten die Forscher vollkommen neue Einblicke in den Lebensraum Boden. Sie haben auch Methoden entwickelt, die Komplexität der Bodenstruktur mit einer Auswahl von aussagekräftigen Parametern zu quantifizieren. Dazu gehören die Größenverteilung der Poren, ihre räumliche Verbindung (Konnektivität) und die Ausdehnung der inneren Grenzflächen. Die Porenstruktur des Bodens wird als Spiegel seines ökologischen Zustandes betrachtet. Bodenorganismen bauen sie aktiv auf und gestalten sie. Andererseits bestimmt die Porenstruktur, wie Wasser und Sauerstoff verteilt und transportiert werden. Sie charakterisiert damit den Gleichgewichtszustand des Bodens.

Die Reaktorfunktion des Bodens wird nicht nur von der Art und Menge der vorhandenen Organismen oder den chemischen Eigenschaften der Stoffe bestimmt, sondern eben auch ganz entscheidend von der physikalischen Struktur des Reaktors selbst: Ist ein organisches Molekül für Mikroorganismen überhaupt erreichbar oder wurde es etwa von einem Regenwurm in ein dichtes Bodenaggregat verpackt? Ist genügend Wasser und Sauerstoff für die nötigen Stoffwechselprozesse verfügbar?

Das ganze System Boden ist eben doch deutlich mehr als die Summe seiner Teile. Mit diesen Einsichten werden am UFZ Modelle für den Kohlenstoff- und Stickstoffhaushalt von Böden entwickelt, die insbesondere auch die strukturellen Bodeneigenschaften und somit die physikalischen Randbedingungen mit einbeziehen. Dasselbe gilt für die Modellierung des Wasserhaushaltes, der in hohem Maße strukturabhängig ist.

Mit diesen Ansätzen soll es möglich werden, einen engeren Zusammenhang zwischen Bodenfunktionen und den jeweiligen Standortbedingung, insbesondere Klima und Landnutzung, herzustellen. Die Wissenschaftler wollen besser verstehen, wie sich eine veränderte Niederschlagsverteilung oder eine veränderte Bewirtschaftung der Böden auf ihren Stoffhaushalt sowie auf den Wasser- und Stofftransport auswirken.

Eine wichtige Rolle spielen dabei auch die Pflanzen. Mit ihren Wurzeln und ihren Blättern vergrößern sie die Grenzfläche zwischen Boden und Atmosphäre um ein Vielfaches und sind dabei bemüht, die im Boden gespeicherten Wasservorräte optimal zu nutzen. Eine Arbeitsgruppe im Department Bodenphysik erforscht die bemerkenswerten Mechanismen, die es den Pflanzen ermöglicht, auch bei knappen Wasserressourcen zu überleben. Durch die Ausscheidung eines organischen Gels erleichtern sie sich nicht nur das Eindringen in den oft dichten Boden, sondern verändern dadurch auch das Wasserhaltevermögen und die Wasserleitfähigkeit in ihrer unmittelbaren Umgebung. Mit dieser Taktik können die einzelnen Wurzeln das Wasser aus einem größeren Volumen schöpfen. Die Wechselwirkung zwischen Boden und Pflanze und eine effiziente Nutzung der knappen Wasserressourcen bei der Produktion von Nahrungsmitteln wird in Zukunft immer wichtiger werden.

Hydropedologie - ein relativ neues Forschungsfeld

Für den regionalen Wasserhaushalt sind die Bodeneigenschaften wichtig. Allerdings ist es nicht ausreichend, diese Eigenschaften an einzelnen Punkten in der Landschaft detailliert zu studieren. Vielmehr ist die möglichst lückenlose Verteilung dieser Eigenschaften über größere Landoberflächen gefragt.

Damit beschäftigt sich, die sogenannte Hydropedologie. Wie der Name schon sagt, verbindet die Hydropedologie die Bodenwissenschaften mit der Hydrologie.

Das bodenkundliche Wissen über die Entwicklung von Böden in Abhängigkeit der Standortsbedingungen soll genutzt werden, um zu einer Wahrscheinlichkeitsverteilung von funktionellen Bodeneigenschaften wie Wasserspeicherkapazität und Wasserleitfähigkeit nicht nur punktuell, sondern in der Landschaft zu kommen. Dabei wird ein breites Spektrum von (Fern-)Erkundungsmethoden zur flächenhaften Messung solcher Standortfaktoren wie Relief, Vegetation oder Tongehalt eingesetzt (siehe Beitrag zum Monitoring, link). So bekommt die hydrologische Modellierung wertvolle Informationen über die Wasserdynamik in der ungesättigten Zone, die bis jetzt nur indirekt über die Analyse von Pegelständen geschätzt werden konnte.

Im kommenden Jahr findet zu diesem Forschungsfeld die "2nd International Conference on Hydropedology" am UFZ in Leipzig statt:
www.ufz.de/hydropedology2012

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Referenzen (Auswahl)

Carminati, A., Moradi, A.B., Vetterlein, D., Vontobel, P., Lehmann, E., Weller, U., Vogel, H.J., Oswald, S.E. (2010):
Dynamics of soil water content in the rhizosphere
Plant Soil 332 (1-2), 163 - 176

Carminati, A., Vetterlein, D., Weller, U., Vogel, H.J., Oswald, S.E. (2009):
When roots lose contact
Vadose Zone J. 8 (2), 805 - 809

Kuka, K., Franko, U., Rühlmann, J. (2007):
Modelling the impact of pore space distribution on carbon turnover
Ecol.Model. 208 (2-4), 295 - 306

Schlüter, S., Weller, U., and Vogel, H.-J., 2011:
Soil structure development including seasonal dynamics in a long-term fertilization experiment
J. Plant Nutr. Soil Sci., doi: 10.1002/jpln.201000103.

Vogel, H.J., Weller, U., Ippisch, O. (2010):
Non-equilibrium in soil hydraulic modelling
J.Hydrol. 393 (1-2), 20 - 28

Vogel, H.J., Weller, U., Schlüter, S. (2010):
Quantification of soil structure based on Minkowski functions
Computers & Geosciences 36 (10), 1236 - 1245

Weller, U., Ippisch, O., Köhne, J.M. and Vogel, H.-J.,2011:
Direct measurement of unsaturated hydraulic conductivity in soil including temporal dynamics, hydraulic non-equilibrium and hysteresis
Vadose Zone Journal, 10:654-661.

Werban, U., Kuka, K., Merbach, I. (2009):
Correlation of electrical resistivity, electrical conductivity and soil parameters at a long term fertilisation experiment
Near Surface Geophysics 7 (1), 5 - 14

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