Ableitung intrinsischer hydraulischer Bodeneigenschaften mittels Tensionsinfiltrationsmessungen unter Ausschluss von Grenzflächeneffekten
Final Report Abstract
Die Literatur der vergangenen Jahre zeigt deutlich, dass alle Böden mehr oder weniger benetzungsgehemmt sind. Im Projekt soll der Einfluss dieser Benetzungshemmung (BH) auf die hydraulischen Eigenschaften der Böden untersucht werden. Es wurde eine Methode entwickelt, mit der die intrinsische Wasserinfiltrationsrate in Böden gemessen werden kann. Die intrinsische Wasserinfiltrationsrate ist nur durch die Porengeometrie des Bodens bedingt – Oberflächeneigenschaften (Benetzungshemmung) werden nicht berücksichtigt. Die neue Methode ist im Labor validiert und in der zweiten Projektphase im Freiland angewendet worden. In Kombination mit der aktuellen Wasserinfiltrationsrate, die auf konventionelle Art z. B. mit einem Tensionsinfiltrometer bestimmt wird, kann der Einfluss der BH auf Infiltrationsprozesse quantifiziert werden. Die in dieser Studie benutzten Böden zeigen eine große Bandbreite an Benetzungshemmungen. Kontaktwinkel von 40° bis >100° konnten am trockenen Bodenmaterial gemessen werden. Der Einfluss der BH, selbst im subkritischen Bereich (Kontaktwinkel <90°) ist immens. Intrinsische Wasserinfiltrationsraten waren in Abhängigkeit von der BH, verglichen mit den aktuellen Wasserinfiltrationsraten (bis drei Zehnerpotenzen), deutlich erhöht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass 3 verschiedene Mechanismen für die benetzungsbedingte Reduzierung der Wasserinfiltrationsrate verantwortlich sind. 1) Die BH des Bodens reduziert das Matrixpotential und führt somit zu reduzierten Bodenwassergehalten (WG) und damit zu einer erniedrigten Infiltrationsrate im Vergleich zum benetzbaren Boden. 2) Die BH induziert diskontinuierliche Wasserfilme/Poren, die auch bei annähernd gleichen Wassergehalten in benetzungsgehemmten und benetzbaren Böden unterschiedliche Infiltrationsraten verursachen. 3) Die BH induziert präferentielle Flüsse von Wasser durch das Bodenprofil und damit eine Reduzierung des durchflossenen Bodenvolumens. Die Ergebnisse des Projektes lassen nur einen schwachen direkten Zusammenhang zwischen den kleinskalig gemessenen Kontaktwinkeln als Maß für die Benetzungshemmung des Bodens und der veränderten Wasserinfiltrationsrate erkennen. Deshalb können die kleinskaligen Kontaktwinkel, als Maß für die Benetzungshemmung des Bodens, nur für eine grobe Einschätzung des zu erwartenden hydraulischen Effektes dienen. Dies kann durch unterschiedliche Anfangs- und Randbedingungen zwischen der Infiltrationsmessung und der Kontaktwinkelmessung erklärt werden. Zusätzlich scheint die räumliche Verteilung der benetzungshemmenden organischen Substanz eine wichtige Rolle zu spielen. Diese wird üblicherweise bei der Kontaktwinkelmessung verändert (Messung an homogenisierten Bodenproben). Präferentielle Wasserflüsse treten i. d. R. im cm-dm Bereich auf, während Kontaktwinkel auf einer kleineren räumlichen Skala (wenigen Gramm Boden) bestimmt werden. Hier scheint zusätzlich ein Skalenproblem aufzutreten. Die neu entwickelte Methode der intrinsischen Wasserinfiltrationsrate und die daraus resultierende intrinsische hydraulische Leitfähigkeit eignet sich zur Charakterisierung des Porensystems des Bodens. Die neue Methode erlaubt zeitliche Veränderungen des Porensystems (z. B. Verdichtungen) besser zu detektieren, da Benetzungshemmungen bei der Bestimmung der Infiltrationsrate das Meßsignal nicht mehr verfälschen.
Publications
- 2010. Applicability of ethanol for measuring intrinsic hydraulic properties of sand with various water repellency levels. Vadose Zone Journal, 9(2): 445-450
Lamparter, A., Bachmann, J., Deurer, M. and Woche, S.K.
- 2010. Scale-dependent influence of soil water repellency on hydraulic processes and its impact on carbon sequestration in soils. PhD thesis. Faculty of Natural Sciences, Leibniz University, Hannover, Germany
Lamparter, A.
