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BODENPHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN DES - ResearchGate

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73
BODENPHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN DES
BODENSKELETTS UND EINFLUSS AUF DEN
WASSERHAUSHALT VON WALDBÖDEN
J. Willibalda & P. Hartmannb
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Email: willibaldjudith@web.de
b
FVA Baden-Württemberg, Abteilung Boden und Umwelt
a
1 EINLEITUNG
Im Rahmen einer Bachelorarbeit wurden anhand von Gesteinsfragmenten vier
unterschiedlicher Standorte innerhalb Deutschlands die physikalischen Eigenschaften der
Skelettfraktion untersucht. Der Skelettanteil der Böden, der aus Standortskartierungen der
Forstlichen Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg (FVA) hervorgeht,
schwankt dabei zwischen sehr geringen Anteilen von 1 % bis zu sehr hohen
Gesteinsfragmentanteilen von 80%. Über die verfügbaren Wassergehalte der
unterschiedlichen Gesteinsarten der untersuchten Waldstandorte innerhalb BadenWürttembergs und Thüringens wurden bisher keine Daten erhoben. Eine Literaturrecherche
ergab, dass ein erhöhtes Gesteinsfragmentvorkommen zu hydraulischen Eigenschaften im
Boden führen kann, die sich stark von denen der nicht-steinigen Böden mit hohem
Feinerdenanteil unterscheiden (MA et al. 2010; NOVÁK et al. 2011). Abhängig von der
Gesteinsart konnten INGELMO et al. (1994) sowohl positive als auch negative Effekte eines
zunehmenden Skelettgehalts auf den bodenverfügbaren Wassergehalt feststellen. So können
beispielsweise je nach Lagerung der Gesteinsfragmente nicht alle Lücken in einem
steinigen Boden mit Feinerde gefüllt werden, sodass die Feinerdenlagerungsdichte abnimmt
(POESEN & LAVEE 1994). Dies führt dazu, dass der Boden eine geringere nFK für Pflanzen
bietet. Andererseits kann ein mittlerer bis hoher Gesteinsfragmentgehalt bei Tonböden auch
positive physikalische Bedingungen für das Baumwachstum bieten, weil der Boden durch
die Gesteinsfragmente weniger stark verdichtet war und damit eine geringere
Lagerungsdichte aufwies (RAVINA & MAGIER 1984). COILE (1952) kam in seiner Arbeit
über den Feuchtegehalt von kleinen Steinen im Boden zum Schluss, dass sich aus der
Zunahme der Skelettfraktion zwar der verfügbare Wassergehalt verringert, die
Gesteinsfragmente aber dennoch einen Beitrag zur Wasserversorgung von Pflanzen leisten.
Zu diesem Schluss kamen auch UGOLINI et al. (1996), die herausfanden, dass die Porosität
des Bodenskeletts mit zunehmendem Verwitterungsgrad zunimmt, welcher wiederum mit
der abnehmenden Gesteinsfragmentgröße korreliert. Den Beitrag von Gesteinsfragmenten
zum bodenverfügbaren Wassergehalt verdeutlichten auch TETEGAN et al. (2011) für
unterschiedliche Lithologien und Größen.
In der vorliegenden Arbeit wurden für Gesteinsfragmente der verschiedenen Waldstandorte
die Lagerungsdichte, Festsubstanzdichte, Porosität und Wasserspeicherkapazität bestimmt.
Ziel der Untersuchungen war es, folgende Fragestellungen beantworten zu können: Welche
74
Lagerungs- bzw. Festsubstanzdichte besitzen die untersuchten lithologischen Klassen und
inwieweit variieren diese innerhalb einer lithologischen Klasse? Besteht innerhalb zweier
Horizonte desselben Standorts (Conventwald) ein Unterschied in der Lagerungs- und
Festsubstanzdichte und hat dieser Einfluss auf den Wassergehalt der Steine? Ist der
verfügbare Wassergehalt der mittleren Gesteinsfragmente (6,3-20mm) größer als der der
groben Gesteinsfragmente (20-63mm)? Welchen Einfluss hat die für die Gesteinsfragmente
bestimmte nFK auf die gesamte nFK eines Waldstandortes?
2 MATERIAL UND METHODEN
2.1 UNTERSUCHTE STANDORTE
Untersucht wurden insgesamt 187 Steine, die aus vier verschiedenen Waldstandorten
innerhalb Deutschlands stammen. Die drei Standorte Conventwald (Freiburg im Breisgau),
Ochsenhausen und Heidelberg (Dauerbeobachtungsstellen im europaweiten Level-IIProgramm) befinden sich in Baden- Württemberg. Der Standort Hainich befindet sich in
Thüringen (siehe Tabelle 1).
Tabelle 1: Charakterisierung der vier Waldstandorte in Baden-Württemberg (Conventwald, Ochsenhausen,
Heidelberg) und Thüringen (Hainich).
Conventwald
Bundesland
BadenWürttemberg
Hainich
Thüringen
Heidelberg
Ochsenhausen
Baden-
Baden-
Württemberg
Württemberg
RW
3422871
3599365
3482210
3572000
HW
5320858
5660780
5480525
5320000
700-800
460
505
650
Höhenlage
[m ü. NN]
Exposition
Süd- Südost
k. A.
West
Nord
Hangneigung [°]
~ 20
k. A.
18- 27
3,6-9
1400
775
1050
950
6,6
6,8
8
7,1
Muschelkalk
Mittlerer
Jahresniederschlag
[mm]
Mittlere
Jahrestemperatur [°C]
Moränenmaterial
Stratigraphie
Paragneis
Sandstein
Buntsandstein
(Gneis, Granit,
metamorpher
Sandstein)
(schwach
Bodensubtyp
podsolige)
Normbraunerde
Vegetationszone
Hauptbaumarten
Skelettanteil [%]
Gemäßigte
Zone
Tanne,
Buche, (Fichte)
45-65
BraunerdeTerra fusca
Gemäßigte
Zone
Rotbuche,
Fichte, Bergund Spitzahorn
10-80
Podsol-
Pseudogley-
Braunerde
Parabraunerde
Gemäßigte Zone
Gemäßigte Zone
Buche, Fichte,
Lärche, Fichte,
Hainsimse
3-13
Buche
2-15
75
2.2
PROBENAUFBEREITUNG
Um die Gesteinsfragmente von anhaftendem Bodenmaterial zu befreien, wurden sie
zunächst mit Wasser abgewaschen und anschließend in einem Ultraschallbad mehrfach
gereinigt. Nach der Säuberung der Oberflächen der Gesteinsproben wurden diese
entsprechend ihres Standorts bzw. der Gesteinsart nach der in Tabelle 2 aufgeführten
Nomenklatur beschriftet. Insgesamt wurden von jedem Standort 20 grobe und 20 mittlere
Gesteinsfragmente untersucht. Der Standort Ochsenhausen macht hier eine Ausnahme, da
aufgrund der geringen Probenmenge nur sieben grobe Gesteinsfragmente gefunden wurden.
Des Weiteren wurden an den Standorten Ochsenhausen und Hainich nicht nur die gesamten
Gesteinsfragmentproben betrachtet, sondern eine Aufspaltung in verschiedene Lithologien
an den jeweiligen Standorten vorgenommen, um die unterschiedlichen Gesteinsarten besser
vergleichen zu können.
Tabelle 2: Nomenklatur der Standorte mit ihren zugehörigen Gesteinsklassen. Einteilung der Gesteinsfragmente
in zwei unterschiedliche Korngrößenfraktionen. n= Probenumfang
Korngrößen 6,3-20 mm
(mittlerer Kies)
Korngrößen 20-63 mm
(grober Kies)
Conventwald I (0-30 cm Tiefe)
(Paragneis)
cI (n= 20)
CI (n=20)
Conventwald II (30-60 cm Tiefe)
(Paragneis)
cII (n= 20)
CII (n=20)
Heidelberg (Buntsandstein)
h (n= 20)
H (n= 20)
Hainich (Muschelkalk, Sandstein)
Muschelkalk
Sandstein
m_ges (n=20)
m (n=15)
ms (n=5)
M_ges (n=20)
M (n= 15)
MS (n= 5)
o_ges (n= 20)
o_Gneis (n= 6)
o_Granit (n= 3)
oO_Quarzit_H (n= 4)
oO_Quarzit_S (n= 11)
O_ges (n=7)
Ochsenhausen (Gneis, Granit, Quarz)
Gneis
Granit
Quarzit (H=Hornstein,
S= metamorph. Sandstein)
2.3
FESTSUBSTANZ- UND LAGERUNGSDICHTE
Die Festsubstanzdichte dF [g/cm³] ist das Verhältnis zwischen der totalen Masse der festen
Partikel zu ihrem totalen Volumen. Die Porenräume zwischen den Partikeln werden nicht
mit einbezogen (BLAKE & HARTGE 1986). Die dF lässt sich durch eine Gewichts- und
Volumenbestimmung ermitteln (HARTGE & HORN 2009). Die Lagerungsdichte dB [g/cm³]
hingegen bezieht das Porenvolumen mit ein (SCHEFFER et al. 2010, S. 179). Sie wird mit
Hilfe der Gleichung [1] berechnet (verändert nach SCHEFFER et al. 2010, S. 179), wobei mst
wieder die Masse des bei 105 °C getrockneten Steins [g] bezeichnet und Vg das Volumen
des Steins inklusive Hohlräume [cm³]:
݀஻ ൌ ௠ೞ೟
௏೒
[1]
76
Zur Bestimmung der Lagerungs- und der Festsubstanzdichte wurden zwei Methoden
verwendet: Flüssigkeits- und Luftpyknometrie. Die Ergebnisse, die im weiteren Verlauf
gezeigt werden, sind jedoch ausschließlich aus den luftpyknometrischen Messungen
abgeleitet, da bei den Ergebnissen der Flüssigkeitspyknometrie zu hohe
Messungenauigkeiten auftraten. Eine ausführliche Diskussion zu beiden Messprinzipien ist
der Originalfassung der Bachelorarbeit (WILLIBALD, 2012, unveröffentlicht) zu entnehmen.
2.4
BESTIMMUNG WASSERGEHALT UND NUTZBARE
FELDKAPAZITÄT
Ein Ziel der Arbeit war es, Wasserspannungs-Wassergehalts-Kurven, kurz pF-Kurven, für
die Gesteinsproben der unterschiedlichen Waldstandorte zu erstellen. Um alle pF-Werte der
Gesteinsproben eines Horizontes und damit die Porengrößen darstellen zu können, mussten
die Wassergehalte der Gesteinsfragmente bei verschiedenen Saugspannungen ermittelt
werden (BLUME et al. 2011). Dabei ist jedem der gegenwärtigen Sättigungsgrade mit
Wasser jeweils ein bestimmter pF-Wert zugeordnet. Zur Entwässerung der
Gesteinsfragmente wurden zwei Methoden angewendet: Unterdruckmethode und
Überdruckmethode. Beide Methoden beruhen darauf, dass der Druck im Bodenwasser,
beziehungsweise der Druck des Wassers in der Gesteinsprobe schrittweise geändert wird
(HARTGE & HORN 2009). Anhand der im Labor durchgeführten einzelnen
Entwässerungsschritte lässt sich der Zusammenhang zwischen dem Wassergehalt und der
Wasserspannung im Boden festlegen. Als Grundlage für die pF-Kurven diente der
volumetrische Wassergehalt (VWG) [Vol. %], der bei Sättigung (~ pF 0,6),
Saugspannungsdrücken von 60 hPa (~ pF 1,8, Sandbad), 900 hPa (~ pF 2,95), 2000hPa
(~pF 3,3, die letzten beiden im Drucktopf) und 15.000 hPa (~ pF 4,2,
Hygroskopizitätsmessung mit Na2SO4*10H2O (BLUME et al. 2011)), sowie nach Trocknung
bei 105°C (~ pF 7) ermittelt wurde. Der VWG wird berechnet aus dem gravimetrischen
Wassergehalt (GWG) [Gew. %], multipliziert mit der Lagerungsdichte (dB) der
Gesteinsprobe, geteilt durch die Dichte des Wassers, wobei diese in der Regel als eins
angesetzt wird (HARTGE und HORN 2009, S. 23). Nach Trocknung bei 105 °C liegt der
Wassergehalt bei 0 (~ pF 7). Der GWG mit der Masse des gesättigten Steins (msg) und der
Masse des bei 105 °C getrockneten Steins (mst) berechnet sich wie in Gleichung [2]
dargestellt (verändert nach HARTGE & HORN 2009, S. 23):
‫ ܩܹܩ‬ൌ
௠ೞ೒ ି௠ೞ೟
௠ೞ೟
ൈ 100
[2]
Die Entwässerung der Gesteinsproben diente dazu, Aussagen über die
Porengrößenverteilung im Allgemeinen und über die nutzbare Feldkapazität (nFK) der
Gesteinsproben im Speziellen treffen zu können, Mit Hilfe der im Labor ermittelten nFK
der Gesteinsfragmente sollte geklärt werden, inwieweit der Wassergehalt des Bodenskeletts
zur Wasserversorgung der Pflanzen beiträgt.
77
3 ERGEBNISSE UND DISKUSSION
3.1
FESTSUBSTANZ- UND LAGERUNGSDICHTE
Aus der Betrachtung der Mittelwerte der Lagerungsdichten ergibt sich, dass die dB der
Sandsteinfragmente am Standort Hainich mit 1,52 und 1,82 g/cm³ am geringsten sind. Die
zweitkleinste mittlere dB weisen die Sandsteinfragmente am Standort Heidelberg mit 1,96
und 2,09 g/cm³ auf. Die mittleren dB der Paragneisfragmente aus zwei verschieden tiefen
Bodenschichten am Standort Conventwald sind mit 2,19 und 2,43 g/cm³, sowie 2,31 und
2,43 g/cm³ sehr ähnlich, obwohl die mittlere Lagerungsdichte bei cI etwas höher ist als bei
cII. Die dB der Muschelkalkfragmente des Standorts Hainich sind mit denen des
Paragneises vergleichbar und liegen bei 2,25 und 2,45 g/cm³ (siehe Abbildung 1 sowie
Tabelle 3).
Die hohe Varianz der dB am Standort Hainich sowie dem Standort Ochsenhausen, als auch
die Abweichungen zwischen Median und Mittelwert, die in Abb. 1 zu erkennen sind, lassen
sich auf unterschiedliche Gesteinsklassen innerhalb der Standorte zurückführen. Die dB der
Sandsteine unterscheidet sich deutlich von der dB des Muschelkalks am Standort Hainich.
Tabelle 3: Mittelwerte der Lagerungsdichten dB [g/cm³] der Standorte Hainich (m, M, ms, MS), Conventwald (cI,
cII, CI, CII) und Heidelberg (h, H). Berechnet aus Luftpyknometer-Volumina mit STABW= Standardabweichung
und VK= Variationskoeffizient; Kleinbuchstaben = Fraktion 2-6,3mm; Großbuchstaben = Fraktion 6,3-20mm.
Standort
dB
STABW
VK
ms
1,52
0,17
0,11
h
1,96
0,27
cII
2,19
0,20
m
2,25
cI
2,31
Standort
dB
STABW
VK
MS
1,82
0,05
0,03
0,14
H
2,09
0,10
0,05
0,09
CII
2,43
0,08
0,03
0,25
0,11
M
2,45
0,11
0,05
0,26
0,13
CI
2,43
0,14
0,06
Tabelle 4: Mittelwerte der Festsubstanzdichten in g/cm³ der Standorte Hainich (m, ms, M, MS), Conventwald (cI,
cII, CI, CII) und Heidelberg (h,H). Berechnet aus Luftpyknometer-Volumina mit STABW= Standardabweichung
und VK= Variationskoeffizient; Kleinbuchstaben = Fraktion 2-6,3mm; Großbuchstaben = Fraktion 6,3-20mm.
Standort
dF
STABW
VK
ms
1,94
0,26
0,13
h
2,28
0,32
0,14
Standort
dF
STABW
VK
MS
2,5
0,09
0,04
H
2,49
0,12
0,05
m
2,35
0,25
0,10
M
2,55
0,12
0,05
cII
2,38
0,17
0,07
CII
2,59
0,09
0,03
cI
2,51
0,31
0,12
CI
2,63
0,16
0,06
78
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
Lagerungsdichte in g/cm³
3.5
Lagerungsdichten (LP)
cI
CI
cII
CII
m_ges
M_ges
h
H
o_ges
O_ges
Gesteinsarten der Standorte
Abbildung 1: Aus Luftpyknometer-Volumina errechnete Lagerungsdichten in g/cm³ für die untersuchten
Waldstandorte. Der Probenumfang (n) beträgt für die Gesteinsfragmente cI-o_ges n=20, sowie für O_ges n=7.
Dargestellt sind Boxplots der Lagerungsdichten mit Median, Quartilen, Whisker (95% der Werte), Ausreißern und
den Mittelwerten, durch graue Dreiecke gekennzeichnet.
Auch die mittleren dB der Gesteinsfragmentproben am Standort Ochsenhausen
unterscheiden sich voneinander, da hier sowohl Gneise, Granite und metamorphe
Sandsteine zu finden sind.
Insgesamt gilt, wie aus Tabelle 3 ersichtlich, dass die aus LP-Volumina berechneten dB der
großen Gesteinsfragmente CI, CII, M, MS und H (20-63 mm) höher sind als die der
mittleren Gesteinsfragmente cI, cII, m, ms und h (6,3-20 mm). Eine sehr ähnliche
Reihenfolge tritt auch bei den ermittelten Festsubstanzdichten auf, weshalb an dieser Stelle
nicht weiter auf die dF der einzelnen Standorte eingegangen wird. Tabelle 4 zeigt die
Mittelwerte der Festsubstanzdichten.
Die dF am Standort Ochsenhausen sind 2,63 g/cm³ für mittlere und große Hornsteine, 2,51
g/cm³ für mittlere Gneise, 2,38 g/cm³ für mittlere Granite und 2,17 g/cm³ für mittlere und
große metamorphe Sandsteine.
3.2 SÄTTIGUNGSWASSERGEHALT UND NUTZBARE
FELDKAPAZITÄT
Zur Bestimmung der Volumetrischen Wassergehalte im gesättigten Zustand VWG_ges
wurden die GWG mit dem Mittelwert (MW) der dB der jeweils 20 Gesteinsfragmente pro
Standort multipliziert. Abbildung 2 zeigt die VWG_ges der gesättigten Gesteinsfragmente
der verschiedenen Standorte und der zwei verschiedenen Größenklassen. Als Beispiel seien
die VWG_ges des Standorts Conventwald näher beschrieben. Bei der mittleren
Gesteinsfraktion des Standorts cI schwanken 95% der VWG_ges des Paragneises zwischen
4-13 % mit einem MW von 8,23 %. Bei CI sind die VWG_ges geringfügig kleiner und
schwanken zwischen 4-12 %. Der MW liegt hier bei 7,77 %. In der tieferen Bodenschicht
79
von 30-60 cm sind die VWG_ges bei cII mit 3-15 % und einem MW von 7,6 % etwas
höher als bei CII mit 2-10 % mit einem MW von 6,01 %. Die Steine am Standort
Conventwald weisen also im Mittel VWG von 6-8 % bei einer relativ geringen
Schwankungsbreite auf. Dabei haben die Steine der unteren Bodenschicht tendenziell
geringere VWG_ges.
Die Gesteine des Standorts Hainich weisen aufgrund der unterschiedlichen Gesteinsarten
hingegen hohe Variabilitäten auf bei MW der VWG_ges von 3,8-4,2 % für Muschelkalk
und 21-27 % für die verglichen mit den Sandsteinen am Standort Heidelberg (14-16%)
deutlich poröseren Sandsteine. Am Standort Ochsenhausen treten ebenfalls hohe
Variabilitäten in den MW der VWG_ges auf. Je nach Gesteinsart liegen die MW der
VWG_ges zwischen 3-18 %. Vergleichsweise hohe MW von 17 % und 14-16 % sind für
die Sandsteine am Standort Ochsenhausen und Heidelberg ermittelt worden. Wie der
Tabelle 5 zu entnehmen ist, wurden zusätzlich zu den VWG_ges auch die nFK der
Gesteinsfragmente bestimmt.
Neben der allgemeinen Übersicht über die VWG_ges wurden pF-Kurven für alle
Gesteinsfraktionen erstellt. Am Standort Conventwald verlaufen alle pF-Kurven sehr
ähnlich (Abbildung 3), mit geringen Unterschieden in der Quantität der
wasserspeichernden Poren. Die Gesteinsfragmente der mittleren Fraktion speichern mehr
Wasser als die der groben Fraktion am Standort Conventwald. Insgesamt ist der
Wassergehalt der Gesteinsfragmente der tieferen Bodenschicht (C II) etwa 0,6 - 1,8 %
niedriger als der der oberen Bodenschicht, was bedeutet, dass die Gesteinsfragmente aus
der Tiefe etwa 8 - 29 % weniger Wasser enthalten als die der Schicht von 0-30 cm. Die
nFK der mittleren (cI) und der groben Gesteinsfragmente (CI) in einer Tiefe von 0-30 cm
hingegen beträgt etwa 5,7 %. In einer Tiefe von 30-60 cm sinkt die nFK der Steine auf 4,2
% für CII und 4,6 % für cII ab. Die Abnahme der VWG_ges und der nFK aus der tieferen
Bodenschicht lässt vermuten, dass die Steine der oberen Schicht von 0-30 cm bereits
stärker verwittert sind, als die Steine der Tiefe 30-60 cm, auch wenn an der Oberfläche
keine sichtbaren Unterschiede zwischen den Steinen festgestellt wurden.
Tabelle 5 zeigt, dass für den Standort Heidelberg eine nFK der mittleren Gesteinsfragmente
von etwa 12,7 % (h) ermittelt wurde. Die nFK der groben Fraktion betrug etwa 14,05 %
(H). Damit ist die nFK der Buntsandsteinfragmente wie erwartet relativ hoch. Am Standort
Hainich wurde für die mittleren Muschelkalksteine (m) eine etwas höhere nFK mit 2,3 %
(m) als für die groben mit einer nFK von 1,9 % (M) ermittelt. Die groben
Sandsteinfragmente (MS) am Standort Hainich besitzen mit einer nFK von 24,3 % die
größte nFK. Für die mittleren Sandsteinfragmente hingegen wurde eine nFK von 19,4 %
ermittelt. Die Gesteinsfragmente am Standort Ochsenhausen reichen von Hornstein und
Gneis über Sandstein und Granit. Die nFK der Hornsteinfragmente ist hier mit 15,2 % am
höchsten. Die zweitgrößte nFK weisen die metamorphen Sandsteinfragmente mit 12,6 %
auf. Die mittleren Gneisfragmente weisen mit einem mittleren PV von 13,4 % eine hohe
nFK von 11,6 % auf. Verglichen mit den nFK der mittleren Paragneisfraktion des Standorts
Conventwald von 4,6 und 5,7 % liegt die nFK hier in etwa doppelt so hoch. Die
verschiedenen nFK für die Gneisfragmente werden vor allem standortsspezifischen
Unterschieden zugeordnet. Außerdem liegt die Vermutung nahe, dass die Gneisfragmente
80
am Standort Ochsenhausen bereits stärkeren Verwitterungserscheinungen unterliegen, als
die des Conventwalds. Die geringste nFK von 2,4 % weisen die Granite auf.
20
10
0
Vol. Wassergehalt in %
30
40
(VWG_ges)
cI
CI
cII
CII
m_ges
M_ges
h
H
o_ges
O_ges
Standorte
Abbildung 2: Volumetrische Wassergehalte im gesättigten Zustand VWG_ges der mittleren und großen
Gesteinsfraktionen der Standorte Conventwald, Hainich, Heidelberg und Ochsenhausen im gesättigten Zustand in
%. Der Probenumfang n beträgt jeweils 20, mit Ausnahme des Standorts Ochsenhausen (bei O ist n=7).
Dargestellt sind Boxplots der Festsubstanzdichten mit Median, Quartilen, Whisker (95% der Werte), Ausreißern
und den Mittelwerten, durch graue Dreiecke gekennzeichnet.
Um Aussagen über den Einfluss des Bodenskeletts auf den Wasserhaushalt der
Waldstandorte treffen zu können, wurde anhand von Gegenüberstellungen der nutzbaren
Feldkapazität der Feinerde mit aktivem oder inaktivem Bodenskelett eine Abschätzung des
pflanzenverfügbaren Bodenwassers gemacht. Von aktivem Skelett wird gesprochen, wenn
das Skelett nicht als Festsubstanz ohne Poren angesehen wird (inaktives Skelett), sondern
der Wassergehalt des Skeletts mit einbezogen wird. Der Unterschied zwischen aktivem und
inaktivem Skelett ist deutlich am Standort Conventwald zu erkennen, der mit 45-65% einen
starken bis sehr starken Grobbodenanteil besitzt. Somit ist die nFK des Bodens bei
Einbezug des aktiven Bodenskeletts bei einer Tiefe von 10 cm um 20 % höher, als beim
inaktiven Skelett. Mit zunehmender Tiefe speichert der Feinboden mit aktivem Skelett
sogar etwa 42 % mehr Wasser. Der Grobbodenanteil am Standort Heidelberg ist mit 3-13 %
als schwach bis mittel einzustufen. Hier zeigt sich der Unterschied zwischen Feinerde mit
aktivem und inaktivem Skelett nicht ganz so deutlich. Dennoch erhöht der Einbezug des
aktiven Skeletts die nFK in Abhängigkeit von der Tiefe um etwa 2-18 %. Mit
zunehmendem Skelettgehalt nimmt also auch hier der Einfluss des aktiven Skeletts auf die
nFK des Waldbodens zu. Dies gilt auch für die Standorte Ochsenhausen und Hainich,
wobei der Einfluss der nFK des Bodenskeletts am Standort Hainich höher ist als am
Standort Ochsenhausen, da hier der Skelettgehalt mit der Tiefe stark zunimmt.
81
Tabelle 5: Volumetrische Wassergehalte VWG_ges und pflanzenphysiologische Kenngrößen (PV=
Porenvolumen, TW= Totwasseranteil) der Gesteinsfragmentproben der Standorte Conventwald, Heidelberg,
Hainich und Ochsenhausen. Die Werte wurden aus den Mittelwerten der jeweiligen Gesteinsfragmente berechnet.
Das aus Lagerungs- und Festsubstanzdichte errechnete Porenvolumen unterscheidet sich dabei leicht von den
ermittelten VWG, was auf Messungenauigkeiten bei der Luftpyknometrie-Methode zurückzuführen ist. Alle
Angaben in %.
VWG_ges
PV
LK
nFK
FK
TW
Conventwald
cI
8,23
8,04
0,32
5,73
7,72
1,99
CI
7,78
7,74
0,2
5,7
7,54
1,84
cII
7,6
7,54
0,33
4,59
7,21
2,62
CII
6,01
5,99
0,28
4,19
5,71
1,53
h
14,25
14,12
0,81
12,65
13,31
0,66
H
16,07
16,04
1,24
14,05
14,8
0,75
Heidelberg
Hainich
m
4,15
3,83
0,36
2,26
3,47
1,21
M
3,79
3,92
0,45
1,92
3,48
1,56
ms
21,41
21,44
0,92
19,36
20,53
1,17
MS
27,11
27,24
0,33
24,34
26,91
2,56
Ochsenhausen
o_Gneis
13,27
13,44
0,43
11,62
13,01
1,39
o_Granit
2,98
2,91
0,19
2,39
2,72
0,33
oO_Quarzit_H
18,37
19,24
1,67
15,25
18,57
3,32
oO_Quarzit_S
17,08
19,57
2,61
12,59
16,96
4,37
4 FAZIT
In Abhängigkeit von der Gesteinsart und -größe sowie dem prozentualen Skelettanteil eines
Waldbodens ist der Einfluss des Bodenskeletts auf den Gesamtwasserhaushalt
unterschiedlich stark. Fakt ist, dass das Bodenskelett einen Beitrag zur Wasserversorgung
der Pflanzen liefert, der nicht unbeachtet bleiben sollte. Dennoch ist es anhand der im
Labor ermittelten Daten nicht ganz einfach zu beurteilen, wie stark die Zunahme der nFK
durch das Bodenskelett an den jeweiligen Standorten wirklich ist. Gründe hierfür sind, dass
zum Bodenskelett nicht nur die Fraktionen 6,3-20 mm und 20-63 mm gehören, sondern
auch kleinere und größere Gesteinsfragmente, die höhere oder niedrigere nutzbare
Feldkapazitäten aufweisen können, als die untersuchten Größenfraktionen. Den
Erkenntnissen von UGOLINI et al. (1996) zu Folge dürften die Wassergehalte der
Gesteinsfragmente > 63 mm als eher gering einzustufen zu sein, während bei den
Gesteinsfragmente zwischen 2-6,3 mm höhere Wassergehalte zu erwarten sind.
Des Weiteren kann im Rahmen der Arbeit keine Aussage darüber getroffen werden, wie
groß der Einfluss der Einlagerung der Gesteinsfragmente sowie die damit verbundene
Abnahme der Feinerdenlagerungsdichte auf die gesamte nutzbare Feldkapazität ist.
82
Abhängig vom Feinerdenmaterial sind, wie bereits zu Beginn beschrieben, die Einflüsse auf
die Wasserspeicherung mal positiv, zum Beispiel bei toniger oder lehmiger Feinerde
(POESEN und LAVEE 1994), und mal negativ (RAVINA und MAGIER 1984), vor allem in
sandigen Böden (POESEN und LAVEE 1994). Die bestimmten nutzbaren Feldkapazitäten der
verschiedenen Gesteinsarten und die einfache Rechnung unter Einbezug des aktiven
Skeletts zur Feinerde wie in Kapitel 3.2 dargestellt zeigen jedoch, dass der Wasseranteil des
Grobbodens in der Gesamtbetrachtung nicht außer Acht gelassen werden sollte. Vor allem
bei Böden, die ohnehin eine relativ geringe nutzbare Feldkapazität aufweisen, kann der
Beitrag, den das Bodenskelett zur Wasserversorgung leistet, von Bedeutung für den
Waldboden als Pflanzenstandort sein.
nFK
FK
LK
5
10
15
PWP
nFK
FK
LK
0
5
10
(cII)
(CII)
pF
nFK
FK
LK
5
10
Wassergehalt
15
1 2 3 4 5 6 7
Wassergehalt
1 2 3 4 5 6 7
Wassergehalt
PWP
0
1 2 3 4 5 6 7
pF
PWP
0
pF
(CI)
1 2 3 4 5 6 7
pF
(cI)
15
PWP
nFK
FK
LK
0
5
10
15
Wassergehalt
Abbildung 3: Mittlere Wasserspannungs- Wassergehaltskurven (pF-Kurven) des Standorts Conventwald (cI, CI,
cII und CII mit Probenumfang n= 20). Die gestrichelten Linien kennzeichnen den Bereich der nutzbaren
Feldkapazität nFK der Gesteinsfragmente (zwischen FK= Feldkapazität (pF ~ 1,8) und PWP= Permanenter
Welkepunkt (pF ~ 4,2)). LK = Luftkapazität der Grobporen (> 50 µm).
5 ZUSAMMENFASSUNG
Ziel der vorliegenden Studie war die Bestimmung der bodenphysikalischen Eigenschaften
von Gesteinsfragmenten unterschiedlicher Lithologien und Größenfraktionen von
Waldböden. Untersucht wurden die Gesteinsarten Granit, Paragneis, Gneis, Buntsandstein
und Muschelkalk. Neben Festsubstanz- und Lagerungsdichte wurden die Porositäten und
die Wasserretentionseigenschaften der Gesteinsfragmente bestimmt. Aus den
Untersuchungen ergab sich, dass die Lagerungs- und Festsubstanzdichten innerhalb einer
83
lithologischen Klasse nur leicht variabel waren. Fast immer waren die Mittelwerte der
Lagerungsdichten der groben Gesteinsfraktion höher als die der mittleren Fraktion. Die
Porositäten und nutzbaren Feldkapazitäten (nFK) unterschieden sich deutlich zwischen den
lithologischen Klassen mit zunehmenden Werten für Granit < Muschelkalk (mikritisch) <
(Para)gneis < Muschelkalk (Sandstein) < (Bunt-)Sandstein. Weil der verfügbare
Wassergehalt des Bodenskeletts in der Praxis fast immer vernachlässigt wird, wurde zudem
ein Vergleich angestellt zwischen Feinerde mit aktivem (wasserhaltigem) und inaktivem
Skelett. Bei mittel bis stark steinigen Böden ist der Einfluss der nFK der
Bodenskelettfraktion auf den Gesamtwasserhaushalt eines Bodens nicht zu unterschätzen.
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