Bodenkunde (Fach) / Bodenphysik 2 Wasser & Lufthaushalt (Lektion)

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• 1. Definieren Sie kurz 5 Flusskomponenten des ökosystemaren Wasserhaushaltes. 1. Stammablauf = Anteil des Niederschlags, der von den Baumkronen zum Stamm abgeleitet wird. Das Wasser fließt dabei entlang des Stammes nach unten ab. 2. Perkolation= Einsickerung des Wassers in den Boden. → kann die Bodenspeicher auffüllen, durchsickern oder von Wurzeln aufgenommen werden  3. Oberflächenabfluss = Anteil des Bestandesniederschlags, der nicht in den Boden einsickert, an der Oberfläche abfließt  4. Transpiration = Abgabe von Wasser über die Blätter der Pflanzen (Stomata) 5. Evaporation = Verdunstung von Wasser über den Boden
• !2. Erklären Sie den molekularen Aufbau des Wassers. Was sind Wasserstoffbrücken und welche Bedeutung haben diese für die Eigenschaften des Wassers bei Raumtemperatur? molekularer Aufbau von Wasser:  - besteht aus den Elementen Sauerstoff und Wasserstoff → H2O - es ist ein gewinkeltes Molekül- ausgeprägte Polarität: O elektronegativ (zieht elektronen zu sich), H gibt Elektronen gerne her - Das Sauerstoffatom O zieht bindende Elektronenpaare besonders stark an → O ist partiell negativ geladen. => starke Polarität --> Wasserstoffbrückenbindungen Welche Bedeutung der Aufbau für die Eigenschaften des Wassers bei Raumtemperatur? durch die Polarität des Wassers können sich Wasserstoffbrücken bilden = die partiell positiv geladenen H Atome und die elektronegativen O Atomen ziehen sich an über elektrostatische Kräfte  -> schränken deren Beweglichkeit ein → Wasser ist bei Raumtemperatur flüssig.
• !3. Beschreiben und erklären Sie die Oberflächenspannung des Wassers und 3 damit verbundene natürliche Phänomene. Oberflächenspannung = Grenzflächenspannung zwischen den Wassermolekülen gibt es Anziehungskräfte (Wasserstoffbrücken). Bei diesem Zusammenhalt innerhalb eines Stoffes spricht man auch von Kohäsion. Innerhalb einer Flüssigkeit herrscht ein Kräftegleichgewicht (die Kräfte, die an den Wassermolekülen „ziehen“, ziehen in alle Richtungen gleich) An der Oberfläche/ Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas haben die Wassermoleküle in die vertikale Richtung keine benachbarten Moleküle mehr→ es gibt ausschließlich Kräfte die nach unten bzw. zu den Seiten wirken und die Wassermoleküle Richtung Inneres der Flüssigkeit ziehen Um Wassermoleküle an die Oberfläche zu bringen muss gegen diese Kräfte Arbeit verrichtet werden. Oberflächenspannung= ist die Energiefreisetzung, wenn die Wassermoleküle ihre Grenzfläche zu Luft verringern.  Die Oberflächenspannung (also die Kohäsion) ist Ursache für: 1. Tropfenbildung: Die Molekularkräfte bewirken, dass es energetisch günstiger ist, dieOberfläche (grenzfläche) klein zu halten. 2.Wasserläufe auf der Oberfläche 3. Übervolle Gläser: Moleküle werden im Verbund gehalten durch die Oberflächenspannung  
• 4. Erklären Sie die Begriffe Adhäsion und Kohäsion in Zusammenhang mit dem Wassermolekül. → Kohäsion: Anziehungskräfte zwischen gleichen Molekülen/Zusammenhalt innerhalb eines Stoffes, bei Wasser über Wasserstoffbrücken zwischen dem partiell negativ geladenen Sauerstoff und dem partiell positiv geladenen Wasserstoff → Adhäsion: Anziehungskräfte zwischen verschiedenen Molekülen/Zusammenhalt zwischen verschiedenen Stoffen Wasser bildet durch seine polaren Eigenschaften eine dünne Adhäsionsschicht an polaren Oberflächen, wie z.B. Tonminerale (negative Oberflächenladung 
• 5. Wie verhält sich Wasser an geladenen bzw. polaren Oberflächen? Welche Substanzen im Boden besitzen solche Eigenschaften (3 Beispiele)? Wasser bildet durch seine polaren Eigenschaften eine dünne Adhäsionsschicht an polaren Oberflächen, wie z.B.  1. Tonminerale (negative Oberflächenladung 2. Huminstoffe (variable Ladung an Säuregruppen) 3. Fe-Hydroxide: Variable Ladung am O-Atom (Protoniert oder deprotoniert)  Die erste Adhäsionslage bindet sich in geordneter Form außerordentlich fest an die Oberflächen. Nach wenigen Moleküllagen nimmt doe Adhäsion stark ab
• !6. Beschreiben Sie das Konzept des Benetzungswinkels an einer ebenen Fläche.  = winkel, den die Oberfläche eines Flüssigkeitstropfens mit der Oberfläche eines Feststoffs bildet, also je flacher der Winkel desto flacher der Tropfen gibt aufschluss über verhältnis von Adhäsion zu Kohäsion. Adhäsion ist stärker als Kohäsion (zB Wasser auf sauberes Glas) : → Der Tropfen wird sich auseinanderziehen.  benetzbare Oberfläche= Benetzungswinkel < 90° Kohäsion größer als Adhäsion: die Oberflächenspannung führt zum „einigeln“ des Wassers in Tropfenformes bilden sich tropfenartige Gebilde, z.B. auf fettigen Wollpullovern oder auf hydrophoben KunststoffenKontaktwinkel > 90° Adhäsion = Kohäsion: Benetzungswinkel = 90° 
• 7. Beschreiben Sie den kapillaren Aufstieg von Wasser. → Ist eine Röhre voll benetzbar (Benetzungswinkel ca. 0°), so bildet sich eine Adhäsionsschicht an der Oberfläche. Durch Kohäsion werden weitere Moleküle mit „hochgezogen“. Es ist durch die Oberflächenspannung energetisch günstiger, wenn Wasser „hochklettert“,  weil dann die Oberfläche zur Luft verringert ist. Adhäsion =KOhäsion oder Kohäsion größer ist als die Adhäsion steigt das Wasser nicht auf 
• !8. Was passiert wenn Sie eine Röhre aus „hydrophobem“ Material in Wasser tauchen? Diskutieren Sie kurz den Begriff „hydrophob“ und ersetzen ihn durch einen physikalisch präziseren Begriff. → Oberflächen aus hydrophoben Material sind nicht benetzbar (bentzungswinkel > 90°), ist es günstiger, wenn das Rohr ganz leer bleibt.   Es entsteht ein konkaver Meniskus (Wölbung in der Oberfläche einer Flüssigkeit.) → Kohäsion ist stärker als Adhäsion deshalb wird die grenzfläche zur Röhre so klein wie möglich. hydrophob bedeutet wasserabweisend, besser unpolare Oberflächen oder nicht benetzbare Oberfläche  denn adhäsion nur auf polaren oberflächne!
• !!9. Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen Porendurchmesser und kapillarer Aufstiegshöhe. Nennen Sie zwei Größenordnungen. Der kapillare Aufstieg geht so weit, bis die Gewichtskraft der Säule gleich der freiwerdenden Oberflächenenergie ist.  Je kleiner der Porendurchmesser desto höher der Aufstieg:  Feinporen unter 0.2µm können eine 150 m hohe Wassersäule halten Grobporen mit 50µm Durchmesser lassen das Wasser nur 60cm steigen
• 10.Was ist der pF Wert im Kapillarmodell des Bodens? Beispiel: Feinporen unter 0.2µm können eine 150 m hohe Wassersäule halten, d.h. man braucht 15 bar um das Wasser aus einer solchen Kapillare zu drücken = 15 bar Entwässerungsdruck = Wasserspannung= negatives Wasserpotential = Gewichtskraft einer Wassersäule
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• !11. Was versteht man unter dem Porenäquivalentdurchmesser bei der Boden- pFKurve? → Im Boden sind die Poren keine geraden, gleichmäßigen Kapillarröhren.  Porenäquivalentdurchmesser = Durchmesser, den Poren bei bestimmten pF-Wert hätten/ bei einer bestimmten Entwässerungscharakteristik hätten, wären sie gerade und gleichmäßig
• !12.Welche zwei Darstellungen für die pF Kurve sind üblich. Warum wird in den Darstellungen die unabhängige (x) und abhängige (y) Variable vertauscht? → Die Entwässerungscharakteristik des Bodens (pF-Kurve) besagt, wie viel Wasser er bei einem bestimmten Entwässerungsdruck noch enthält. bzw gibt also Auskunft über die Wasserspannung → es sind üblich:  y: Wassergehalt in % und x: Wasserspannung in hPa (pF-wert)  oder umgetauscht  y: Wasserspannung in hPa (pF-Wert) und x: Wassergehalt in %   Diese Darstellungsform hat gewisse Vorteile bei bewässerungstechnischen Fragen, wenn die Frage besteht: “Wie viel Wasser muss ich zufügen, damit der Bodenspeicher aufgefüllt ist, ohne dass er überläuft?”  Die pF-Kurve beginnt bei der Sättigung (0 hPa, pF undefiniert) und endet bei der Trocknung (pF > 6.5)
• 13.Zeichnen Sie eine pF-Kurve für (Sand/Schluff/Ton). → Die Entwässerungscharakteristik des Bodens (pF-Kurve) besagt, wie viel Wasser er bei einem bestimmten Entwässerungsdruck noch enthält.
• 14.Definieren Sie die Begriffe Feldkapazität, Nutzbare Feldkapazität, Welkefeuchte, Luftkapazität → Feldkapazität:  Feuchtigkeit, die sich in Boden nach 3 Tagen befindet (nach einem längeren Regen, wenn man den Boden frei drainieren lässt (→Nach spätestens 3 Tagen geht die Abnahme des Wassergehaltes gegen 0, der Boden hält sein Wasser gegen die Schwerkraft, die Grobporen sind wasserfrei)  → Nutzbare Feldkapazität: Feuchtigkeit, die von Pflanzen genutzt werden kann (Feldkapazität bis Welkefeuchte)  → Welkefeuchte: Bodenfeuchte in so kleinen Poren enthalten, sodass Pflanzen nicht genug Saugkraft aufbringen können um es  nutzen, verwelken, =Restwasserspeicher = Totwasser   → Luftkapazität: entspricht dem Porenvolumen, das bei Feldkapazität mit Luft gefüllt ist /Volumen der Grobporen (die schnell wieder wasserfrei sind)
• 15.Beschreiben Sie die Wasserretentionseigenschaften bzw. die Porengrößenverteilung der Hauptbodenarten (Sand/Schluff/Ton) unter Verwendung der Begriffe Feldkapazität, Nutzbare Feldkapazität, Welkefeuchte, Luftkapazität. → Sand: überwiegend Grobporen (aus denen das Wasser schnell abfließt), hohe Luftkapazität (Porenvolumen, das bei Feldkapazität mit Luft gefüllt ist /Volumen der Grobporen), niedrige Feldkapazität und nFK und wenig Totwasser/ geringe Welkefeuchte Schluff: überwiegend Mittelporen, niedrige LK, mittlere FK, sehr hohe nFK, mittlerer Anteil Totwasser;  Ton: sehr geringe LK, niedrige nFK, sehr hoher Totwasseranteil/ Welkefeuchte → Ton hat die höchste Feldkapazität, die aber nur wenig pflanzenverfügbar ist
• ! 16.Erläutern Sie die bodenökologischen Porenklassen (Porenäquivalentdurchmesser, Entwässerungsdruck, ökologische Eigenschaften) Grobporen: Porenäquivalenzdurchmesser > 20µm, niedriger Entwässerungsdruck (schnell entwässernd, schlechter Speicher, hohe Luftkapazität, wenig natürliche Feldkapazität nFK ) Mittelporen: Porenäquivalenzdurchmesser 0.2 bis 20µm, hoher Entwässerungs Druck, langsam entwässernd, mittlere FK, sehr hohe nFK! Feinporen: Porenäquivalenzdurchmesser kleiner als 0.2 µm (sehr hoher Entwässerungsdruck, guter Speicher, aber sehr niedrige nFK (totwasser))
• 17.Erläutern Sie das Modell der Feldkapazität anhand einer Zeichnung. Wie wird die Feldkapazität für praktische Zwecke angenähert? Was ist die eigentliche Ursache für das Phänomen der Feldkapazität (denken Sie an die Wasserleitfähigkeit). Nach einem starken Regen stellt sich nach einiger zeit ein wassergehalt ein den der Boden gegen die schwerkraft (in mittel und feinporen) hält = Feldkapazität  Bei shcluff und ton ist der nach etwa 3 Tagen erreicht, bei Sand schon früher  Die Ursache für die Feldkapazität liegt in der vorliegenden Porenverteilung eines Bodens. Weist er viele Makroporen (Grobporen → zB Sand) auf, ist seine Wasserleitfähigkeit/Luftkapazität hoch, die Fähigkeit Wasser gegen die Schwerkraft zu halten und zu speichern und damit die Feldkapazität gering.
• 18.Erläutern Sie anhand des Giessverhaltens gegenüber einer Zimmerpflanze, wieso a) kein Wasser aus dem Drainageloch herausfließt b) in welchem Fall Wasser herausfließt c) das Wasser nicht in den Boden im Topf eindringt und seitlich abfließt. Verwenden Sie dazu die Fachbegriffe der Bodenphysik. Gießtyp 1:   Die Poren werden nur soweit aufgefüllt, wie sie das Wasser gegen die Schwerkraft halten können = Feldkapazität Gießtyp 2: täglich größere Mengen, dabei läuft häufiger der Unterteller über, Wasser fließt auf die Fensterbank → füllt das gesamte Porenvolumen auf und darüber hinaus,Feld- und Luftkapazität werden aufgefüllt, die Grobporen drainieren anschließend und das Wasser fließt auf den UntertellerGießtyp 3:  → lässt Boden austrocknen und die organische Substanz wird unpolar→  also hydrophob und durch fehlende Benetzbarkeit, fließt das Wasser oberflächlich ab
• 19.Beschreiben Sie ein einfaches Speichermodell für den Bodenwasserhaushalt. Modell:  der Boden wird vertikal in Speicherelemente aufgeteilt (die hier wie Becken aussehen)die Speicherelemente haben 2 entscheidenede Höhen: Welkefeuchte, wird dieser Wasserstand überschritten kann Wasser zu den Pflanzenwurzeln abfließen;  Feldkapazität:  darüber abfließen in nächstes Speicherelement Der Überlauf aus dem tiefsten Element (unterhalb des Wurzelraumes) ist die Grundwasserspende.  Die Wasserentnahme durch die Wurzeln wird so geschätzt: man teilt die gesamte Transpiration (gemäß der Tiefenverteilung der Wurzeln) auf die Elemente auf.
• !20.Erläutern Sie die Begriffe „gesättigte“ und „ungesättigte Wasserleitfähigkeit“. Welche Prozesse können mit den jeweiligen Leitfähigkeiten beschrieben werden (jeweils 2 Beispiele). gesättigte Wasserleitfähigkeit: ist die maximale Wasserleitfähigkeit.  Tritt ein, wenn alle Bodenporen mit Wasser gefüllt sind (2 Phasen System aus Boden und Wasser, keine Luft)  - Infiltrationsleistung  - Belüftung und Gastransport des Bodens Ungesättigte Wasserleitfähigkeit: wenn nicht alle Poren mit Wasser gefüllt sind, Mit zunehmender Entwässerung nimmt die Wasserleitfähigkeit exponentiell ab.(3 Phasen System) → Die ungesättigte Leitfähigkeit ist der Normalfall in Böden  - Wasserspeicherung (Feldkapazität)
• !!21.Was besagt das Darcy-Gesetz, welche Größen gehen ein? besagt: das durch einen Bodenquerschnitt fließende Wasser pro Zeit und Fläche=  Wasserleitfähigkeit (k) mal Druckgradient (Druckdifferenz pro Flieslänge). V/t⋅A = k ⋅ Δh/Δz V: perkoliertes Volumen t= Zeitdauer A: Fließquerschnitt k: Wasserleitfähigkeit h: Druckunterschied z: Fließlänge h + z = Druckgradient
• 22.Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen gesättigter Leitfähigkeiten und Körnung. Welche Rolle spielt die Sekundärstruktur? Je größer die Korngrößen, desto grober sind die Poren. Diese können das Wasser schneller leiten als Feinporen. → die Korngröße bedingt die Wasserleitfähigkeit Allerdings kommt es bei Tonböden/ feinkörnigen Böden auf die sekundäre Struktur an: Wenn sich Aggregatgefüge/ Einlagerungsverdichtungen (Füllung von Interpartikelhohlräumen mit feinerem Material) ausbilden, kann das Wasser trotzdem schneller transportiert werden, weil somit auch Makroporen entstehen. → je kleiner die Korngröße desto mehr wird die Leitfähigkeit durch die Sekundärstruktur beeinflusst. 
• !!23.Erläutern Sie mit jeweils einem (maximal 2 Sätzen) drei Gründe warum die ungesättigte Wasserleitfähigkeit mit abnehmender Bodenfeuchte exponentiell abnimmt.  1. Bei entwässerten Böden führen nur noch kleine Poren Wasser, das Wasser ist hier jedoch sehr viel fester an die Bodenoberfläche gebunden bzw. hier herrscht mehr Reibung und es fließt nicht so leicht  2.Wenn weniger Poren wasserführend sind, nimmt auch der Fließquerschnitt ab und somit die Wasserleitfähigkeit (nach Darcy). 3. es nimmt die Vernetzung der Poren ab, weil zwischen den Poren trockene Abschnitte liegen->  Wasserfluss  kommt zum Erliegen
• 24.Was versteht man unter Bodenrespiration und Bodenbelüftung? Welche Organismen sind daran beteiligt? → Bodenrespiration (Bodenatmung): Organismen im Boden bauen organische Substanz ab, verbrauchen O2 und setzen CO2 frei. beteilitgt sind: - Pflanzenwurzeln (Assimilate (z.B. Glukose) werden veratmet)- Mikroorganismen (in Symbiose mit Pflanzenwurzeln oder freilebend)- Pilze - Bodentiere  → Bodenbelüftung= der Austausch (meist Diffusion) von Gasen in Bodenporen mit der Atmosphäre. Vor allem die Versorgung des Bodens mit O2 und Entsorgung von CO2.
• !!25.Beschreiben Sie kurz zwei Prozesse des Gastransports. Welches ist der dominierende Transportprozess in der Bodengasphase? dominierend: 1. Diffusion= Zwischen Boden und Atmosphäre erfolgt kontinuierlich ein Konzentrationsausgleich. Die Gasmoleküle wandern von einem Bereich mit höherer Konzentration zu einem Bereich mit niedrigerer Konzentration -> bis Konzentrationsausgleich 2. Konvektion. Moleküle werden als ganzer Verband verschoben. D.h. im Idealfall sind alle Moleküle in einem Volumen gleichermaßen beteiligt. zB durch einen Luftstrom
• 26.Diskutieren Sie den Begriff einer „nutzbaren Sauerstoff-Kapazität“ im Boden. → Ist der im Boden enthaltene Sauerstoff nach Luftabschluss.  Wenn die Gasdiffusion z.B. durch oberflächliche Bodenverdichtungen oder nach einem Regen vermindert wird, können die Bodenorganismen noch eine Weile Sauerstoff aus den luftgefüllten Poren in ihrer Umgebung entnehmen. Dieser reicht allerdings nicht lange aus, die Speicherkapazität ist gering und die Bodenbelüftung (d.h. die Versorgung mit Sauerstoff und die Entsorgung des CO2 ) ist eher „transportkontrolliert” statt speicherkontrolliert. -> im gegensatz zum Wasser im Boden
• 27.Erläutern Sie die Sauerstoffkonzentrationen zwischen Atmosphäre, Interaggregatporen und Intraaggregatporen. Welche Bedeutung hat diese Verteilung für biologische Prozesse. Durch verschiedene Sauerstoffkonzentrationen kommt es zu einem Konzentrationsausgleich durch Diffusion. Diffusion ist der dominierende Transportprozess in der Bodengasphase. Die Gasdiffusion in Bodensystemen kann vereinfacht auf 3 Domänen aufgeteilt werden:  1.) Die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre beträgt ungefähr 21%. 2.) Interaggregatraum:   meist nicht unter 15 vol. %.  3.) (wassergefüllten) Intraaggregatraum:  hier diffundiert Sauerstoff sehr schlecht (viel geringer als in Luft)), d.h. im Aggrtegatinneren ist kein Sauerstoff mehr vorhanden, obwohl im Außenbereich noch mehr als genug Sauerstoff vorhanden ist.   -> entstehung von  „anaerobe Microsites“ entstehen, wo dann Denitrifikation stattfindet obwohl de rrestliche Boden gut belüftet ist
• 28.Was ist damit gemeint, dass die Bodenbelüftung „transportkontrolliert“ ist, der Bodenwasserhaushalt eher „speicherkontrolliert“? → Die Bodenbelüftung basiert auf dem stetigegen Nachschub/Austausch mit der Atmosphären Luft. “Transportkontrolliert” →  die „nutzbare Sauerstoffkapazität“ (gespeicherter Sauerstoff) ist  eher vernachlässigbar → Wasser wird im Boden gut gespeichert und Pflanzen/Böden benötigen keinen stetigen Nachschub. Speicher werden bei Niederschlag aufgefüllt “Speicherkontrolliert” → nutzbare Feldkapazität

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