Bodenkunde (Fach) / 08. Wasser- und Lufthaushalt (Lektion)

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• 1. Definieren Sie kurz 5 Flusskomponenten des ökosystemaren Wasserhaushaltes. Evaporation: Wasserdampfverlust des Bodens Wasseraufnahme durch die Pflanzen Kronentraufe: Der Anteil des Niederschlages, der durch das Blätterdach auf den Boden trifft (= Niederschlag abzüglich Interzeption und Stammablauf) Stammablauf: Anteil des Niederschlags, der am Stamm entlang an den Stammfuß fließt. Bei Buchen kann das 20% des Inputs sein. Perkolation: Einsickerung des Wassers in den Boden. Dieses Wasser kann die Bodenspeicher auffüllen, durch den Boden durchsickern oder direkt von Wurzeln aufgenommen werden.
• 2. Erklären Sie den molekularen Aufbau des Wassers. Was sind Wasserstoffbrücken und welche Bedeutungen haben diese für die Eigenschaften des Wassers bei Raumtemperatur? H2O ist sehr klein und leicht (18g/mol) und besteht aus 2 Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Der Sauerstoff zieht die Elektronen der Wasserstoffatome zu sich, wodurch das Molekül polare Eigenschaften erhält. Die räumliche Anordnung der Atome entspricht einem Dreieck, d.h. das Molekül ist untypisch geknickt, wodurch die Polarität erst entsteht. Über elektrostatische Kräfte bilden sich dann sogenannte Wasserstoffbrücken aus (eine relativ starke Verbindung zwischen einem O- und einem molekülfremden H-Atom). Diese Brücken bilden sich spontan und schränken die Beweglichkeit des Wassers ein, weshalb es bei Raumtemperatur flüssig ist.
• 3. Beschreiben und erklären Sie die Oberflächenspannung des Wassers und 3 damit verbundene natürliche Phänomene. Im Wasser ziehen sich die Moleküle aufgrund der Wasserstoffbrückenbindungen in alle Richtungen an (Kohäsion). An der Oberfläche fallen die Kraftvektoren, die nach oben zeigen, weg. Wenn ein Wassermolekül nun den Übergang zur Luft überwinden will, muss dieser Kraftvektor, der wegfällt, ersetzt werden. Diese Kraft wird als Oberflächenspannung definiert. Natürliche Phänomene: Tropfenbildung: Die Kräfte wirken zum Kugelmittelpunkt Wasserläufer Übervolle Gläser
• 4. Erklären Sie die Begriffe Adhäsion und Kohäsion in Zusammenhang mit dem Wassermolekül. Kohäsion: Kohäsion ist der Zusammenhalt eines Stoffes über Molekularkräfte. Die Kohäsion beim Wasser entsteht durch die Wasserstoffbrückenbildung. Adhäsion: Adhäsion wird der Zusammenhalt zwischen zwei unterschiedlichen Stoffen durch die polare Ladung genannt. Bei einer positiven Adhäsion sind die Ladungen unterschiedlich und es entsteht ein großer Zusammenhalt, bei einer negativen Adhäsion sind die Ladungen gleich und die Moleküle stoßen sich ab.
• 5. Wie verhält sich Wasser an geladenen bzw. polaren Oberflächen? Welche Substanzen im Boden besitzen solche Eigenschaften (3 Beispiele)? Die polaren Eigenschaften des Wassermoleküls wirken sich nicht nur im Zusammenspiel mit anderen Wassermolekülen, sondern mit allen polaren Oberflächen aus. Je nach Ladung der Oberfläche kann das Dipol-Molekül Wasser sich mit seiner positiven oder negativen Seite anhaften. Substanzen im Boden mit solchen Eigenschaften sind Tonminerale (negative Oberflächenladung), Huminstoffe (variable Ladung an Säuregruppen) und Glas/Quarz: Silanolgruppe (-Si-Oh, Si-O-, Si-OHH+).
• 6. Beschreiben Sie das Konzept des Benetzungswinkels an einer ebenen Fläche. Der Benetzungswinkel ist von dem Verhältnis der Adhäsion und Kohäsion abhängig. Adhäsion >> Kohäsion: Die Adhäsion ist deutlich stärker als die Kohäsion, wodurch der Wassertropfen auf der Oberfläche auseinandergezogen wird. Im Idealfall ist dann der Benetzungswinkel 0°. Bei einem Winkel von >90° spricht man von einer benetzbaren Oberfläche. Adhäsion = Kohäsion: Es besteht ein Kräftegleichgewicht zwischen Adhäsion und Kohäsion, der Benetzungswinkel ist 90°. Adhäsion << Kohäsion: Wenn die Kohäsion viel größer ist als die Adhäsion bilden sich tropfenartige Gebilde. Der Benetzungswinkel beträgt dann über 90°.
• 7. Beschreiben Sie den kapillaren Aufstieg von Wasser. In einer vertikalen Glasröhre, die in Wasser getaucht wird, kann die innere Oberfläche der Röhre vollständig mit einem Wasserfilm bedeckt sein, wenn die Adhäsionskräfte stärker sind, als die Kohäsionskräfte und der Benetzungswinkel kleiner 90° beträgt. Die Oberflächenspannung bewirkt, dass es energetisch günstiger ist, sich an die Kapillarwand zu heften und die Oberfläche zur Luft klein zu halten, was den Aufstieg des Wassers bewirkt. Die kapillare Aufstiegshöhe ist proportional dem Kapillardurchmesser und geht so weit, bis die Gewichtskraft der Säule gleich der frei werdenden Oberflächenenergie ist. Ist die Kapillarwand nicht benetzbar, kann die Röhre sogar leer bleiben und ein Aufstieg des Wassers bleibt aus. Ist der Benetzungswinkel 90°, so steigt das Wasser lediglich auf die Höhe des generellen Wasserspiegels.
• 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. Das Rohr bleibt leer und es bildet sich eine konvexe Wasserkuppe aus. Die Oberfläche an sich ist nicht wasserabweisend, es ist lediglich so, dass die Kohäsionskräfte der Wassermoleküle untereinander größer sind als die Adhäsionskräfte zwischen den Wassermolekülen und der Oberfläche, wodurch es zur Oberflächenspannung und damit zur Tropfenbildung kommt. Es ist energetisch günstiger, wenn das Rohr ganz leer bleibt. Bessere Begriffe für „hydrophob“ wären unbenetzbar bzw. unpolar.
• 9. Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen Porendurchmesser und kapillarer Aufstiegshöhe. Nennen Sie drei Größenordnungen. Je kleiner der Porendurchmesser, desto größer die kapillare Aufstiegshöhe, da der kapillare Aufstieg so weit geht, bis die Gewichtskraft der Wassersäule gleich der frei werdenden Oberflächenenergie der Oberflächenspannung ist. Das Prinzip ist also gleich dem Röhrenmodell. Grobporen: 1500μm bis 100μm →2-30 cm Wassersäule Mittelporen: 10μm bis 2μm → 300 – 2.000 cm Wassersäule Feinporen: <0,2μm → 15.000 cm Wassersäule
• 10. Was ist der pF-Wert im Kapillarmodell des Bodens? Der pF-Wert gibt die Energie an, mit der das Wasser gegen die Schwerkraft vom Boden gehalten  wird. Der pF-Wert ist der dekadische Logarithmus des negativen Wasserpotenzials, also der dekadische Logarithmus des Entwässerungsdruckes in cm Wassersäule.
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• 11. Was versteht man unter dem Porenäquivalentdurchmesser bei der Boden-pF-Kurve? Über das Kapillarröhrenmodell können über den Entwässerungsdruck den einzelnen Abschnitten der pF-Kurve Porenäquivalentdurchmesser zugeordnet werden. Will man das Modell für Boden verwenden, kann man nicht von geraden Glaskapillaren ausgehen, sondern man sagt: Wären die Kapillare des beobachteten Bodens gerade runde Kapillare, hätten diese Poren bei dieser Entwässerungscharakteristik diesen Durchmesser (äquivalent). So haben Feinporen (<0,2μm) einen pF-Wert von 4,2, während Grobporen (>50μm) nur einen pF-Wert von 1,6 haben.
• 12. Welche zwei Darstellungen für die pF-Kurve sind üblich? Warum wird in den Darstellungen die unabhängige (x) und abhängige (y) Variable vertauscht? Die pF-Kurve beginnt bei Sättigung (0 hPa) und endet bei der Trocknung. Darstellungsart 1: y = Wassergehalt in %, x = Wasserspannung in hPa (1hPa = 1 cm Wassersäule). Dies ist eine Summenkurve, mit steigendem Entwässerungsdruck sinkt der Wassergehalt (pF-Wert sinkt). Darstellungsart 2: y = Wasserspannung in hPa, x = Wassergehalt in %/cm³. Diese Art der Darstellung hat einen Vorteil bei Bewässerungsfragen (wie viel Wasser muss ich auffüllen, damit der Bodenspeicher aufgefüllt ist, ohne dass er überläuft.).
• 13. Zeichnen Sie eine pF-Kurve für Sand, Schluff und Ton. Sand: Beginnt bei 40% und fällt schnell ab Schluff: Beginnt bei 50% und fällt mittelschnell ab Ton: Beginnt bei 60% und fällt langsam ab x-Achse: pF-Wert y-Achse: Wassergehalt
• 14. Definieren Sie die Begriffe Feldkapazität, nutzbare Feldkapazität, Welkefeuchte, Luftkapazität. Feldkapazität ist der Feuchtegehalt, der sich in einem wassergesättigten Boden ohne Wasserentnahme durch Pflanzen nach 3 Tagen einstellt. Die nutzbare Feldkapazität ist das Wasser, das den Pflanzen zur Verfügung steht (liegt zwischen pF 4,2 und 2,5). Die Welkefeuchte ist der Wassergehalt im Boden, ab dem die Pflanze nicht lebensfähig ist (variiert je nach Pflanze, allerdings hat sich der pF-Wert 4,2 (15.000 hPa) als Standartwert durchgesetzt). Die Pflanze kommt nicht an das Wasser in den Mikroporen, die es allerdings lange halten (Totwasser). Die Luftkapazität ist das Volumen der Grobporen bzw. der Luftgehalt bei Einstellung der Feldkapazität (Volumen der nicht wasserhaltenden Poren).
• 15. Beschreiben Sie die Wasserretentionseigenschaften bzw. die Porengrößenverteilung der Hauptbodenarten (Sand/Schluff/Ton) unter Verwendung der Begriffe Feldkapazität, nutzbare Feldkapazität, Welkefeuchte, Luftkapazität. Sand weist eine große Zahl an schnelldränenden Makroporen auf und wenig langsamdränende Mikroporen, wodurch er eine hohe Luftkapazität hat, jedoch schon kurz nach einem Niederschlag wieder wasserfrei ist. Daher sind die Feldkapazität und die nutzbare Feldkapazität gering. Die Welkefeuchte wird schnell erreicht. Bei Ton ist die Luftkapazität und die nutzbare Feldkapazität gering und die Feldkapazität hoch. Die Welkefeuchte liegt auch bei hoher Wassersättigung des Bodens vor, wegen der vielen Mikroporen. Schluff hat langsamdränende Poren, die Luftkapazität ist gering, die nutzbare Feldkapazität hoch und die Feldkapazität mittel. Die Welkefeuchte wird erst nach langen Trockenperioden erreicht, da der Schluff viele langsamdränende Poren hat. Allerdings gibt es nicht so viel Totwasser, da größere Poren, teilweise Makroporen, vorliegen.
• 16. Erläutern Sie die bodenökologischen Porenklassen (Porenäquivalentdurchmesser, Entwässerungsdruck, ökologische Eigenschaften). Weite Grobporen: >50μm, 2-60 hPa, schnell dränende Poren, die schon kurz nach einem Niederschlag wieder wasserfrei sind, also geringe Wasserspeicherkapazitäten aufweisen, guter Abfluss. Enge Grobporen: 10 – 50 μm, 60 – 300 hPa, langsam dränend, mittelmäßige bis geringe Wasserspeicherung, mittelmäßiger Abfluss. Mittelporen: 0,2 – 20 μm, 300 – 15.000 hPa, gehören zu den langsam dränenden Poren, d.h. speichern das Wasser im Boden, schlechter Abfluss Feinporen: <0,2 μm, 15.000 hPa, sehr langsam bis kaum dränend, speichern Totwasser, nicht Pflanzenverfügbar
• 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)? Die Ursache für die Feldkapazität liegt in der vorliegenden Porenverteilung eines Bodens. Weist er viele Makroporen auf, ist seine Wasserleitfähigkeit/Luftkapazität hoch, die Fähigkeit Wasser gegen die Schwerkraft zu halten und zu speichern und damit die Feldkapazität ist gering. Nach 3 Tagen ist das meiste Wasser aus dem gesättigten Boden abgeflossen und es befindet sich nur noch in Poren, die es auch länger halten können. Daher nimmt die Wasserkurve ab dem Zeitpunkt der Feldkapazität nur noch sehr langsam ab.  Als Annäherung spricht man bei Sättigung der langsam dränenden Poren von Feldkapazität (ohne Einwirkung nach 3 Tagen eingestellter Zustand nach Regen).
• 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. a) Es werden nur die Poren aufgefüllt, die das Wasser gegen die Schwerkraft halten. b) Es wird mehr Wasser aufgefüllt, als das Porenvolumen puffern kann. Dadurch wird das überflüssige Wasser drainiert. (Möglicherweise hat die Pflanze zu wenig Luft und geht ein). c) Der Benetzungswinkel ist aufgrund von starker Eintrocknung des Bodens gestiegen. Die organische Substanz wurde unpolar. Dadurch lässt der Boden das Wasser abperlen. Der Boden ist ausgetrocknet und organische Substanz wird hydrophob und es kommt zu einem Oberflächenverschluss.
• 19. Beschreiben Sie ein einfaches Speichermodell für den Bodenwasserhaushalt. Der Boden wird in verschiedene Speicherelemente aufgeteilt, die man sich als übereinanderliegende Becken vorstellen kann. Sie werden vom Regen oder von einem darüber liegenden Becken, das seine Feldkapazität/Wassersättigung erreicht hat und überläuft, gefüllt. Der Überlauf des tiefsten Elements (unterhalb der Wurzeln) bildet die Grundwasserspende. Die Transpiration der Wurzeln wird geschätzt, indem man die Gesamttranspiration gemäß der Tiefenverteilung der Wurzeln auf die Becken aufteilt. Gebraucht wird: Niederschlag, Verdunstung, Wurzelverteilung, Feldkapazität des Bodens, Welkefeuchte und die Anfangsfeuchteverteilung.
• 20. Erläutern Sie die Begriffe „gesättigte“ und „ungesättigte Wasserleitfähigkeit“. Welche Prozesse können mit den jeweiligen Leitfähigkeiten beschrieben werden (jeweils 2 Beispiele)? Bei der gesättigten Wasserleitfähigkeit sind alle Bodenporen mit Wasser gefüllt (Grundwasser, Überflutungen). Es ist die schnellste Wasserleitfähigkeit. Hier herrscht ein 2-Phasensystem aus Boden und Wasser (keine Luft). Bei der ungesättigten Wasserleitfähigkeit sind die Bodenporen nur zum Teil mit Wasser gefüllt (Welkefeuchte, Regen; Wurzeln müssen an trockenen Standorten sehr nah an die Bodenaggregate heranwachsen), die Wasserleitfähigkeit ist gering. Es herrscht ein 3-Phasensystem aus Boden, Wasser und Luft. Dies ist der Normalzustand der meisten Böden. Der Fließquerschnitt nimmt ab und es kommt zu einem exponentiell langsamen Fluss des Wassers.
• 21. Was besagt das Darcy-Gesetz, welche Größen gehen ein? Das Darcy-Gesetz besagt, dass das durch einen Bodenquerschnitt fließende Wasser pro Zeit und Fläche gleich dem Produkt der Wasserleitfähigkeit (Proportionalitätsfaktor k) und dem Druckgradienten ist (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. Allerdings kommt es bei Tonböden auf die sekundäre Struktur an: Wenn sich Aggregatgefüge ausbilden, kann das Wasser trotzdem schneller transportiert werden, weil somit auch Makroporen entstehen. Je kleiner die Körnung, desto kleiner die Poren und desto schlechter ist die Leitfähigkeit. Kleine Poren leiten weniger Wasser aufgrund der höheren Wandreibung. Die Sekundärstruktur spielt gerade bei Tonböden eine große Rolle, da dort fast nur kleine Poren vorherrschen und die Leitfähigkeit hier enorm mehr durch die Sekundärstruktur beeinflusst wird.
• 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. 2. Wenn weniger Poren wasserführend sind, nimmt auch der Fließquerschnitt ab (nach Darcy). 3. Vernetzung der Poren untereinander nimmt ab (trockene Stellen dazwischen), ab einer bestimmten Häufigkeit von Unterbrechungen kann der Wasserfluss vollständig zum Erliegen kommen.
• 24. Was versteht man unter Bodenrespiration und Bodenbelüftung? Welche Organismen sind daran beteiligt? Gemeint ist die Bodenatmung, also der Verbrauch von O2 und Produktion von CO2 im Rahmen des Kohlenstoffumsatzes von Lebewesen. Sie umfasst in einem Gleichgewichtssystem den größten Teil der Nettoprimärproduktion, die als Blatt- und Wurzelstreu dem Boden zugeführt wird und ist temperaturabhängig. Bodenbelüftung ist der Austausch (meist Diffusion) von Gasen mit der Atmosphäre. Vor allem die Versorgung des Bodens mit O2 und Entsorgung von CO2. Wurzelatmung, Rhizosphärenatmung (Mykorrhiza), Atmung heterotropher Konsumenten, Destruenten, Wurzeln, Pilze, Mikroorganismen, Bodentiere.
• 25. Beschreiben Sie kurz zwei Prozesse des Gastransports. Welches ist der dominierende Transportprozess in der Bodengasphase? Diffusion: Zwischen Boden und Atmosphäre erfolgt kontinuierlich ein Konzentrationsausgleich. Die Moleküle bewegen sich hier individuell und zufällig (hauptsächlich von Temperatur bestimmt). Mit der Zeit kommt es zu einem Konzentrationsausgleich. Diffusion ist der dominierende Transportprozess in der Bodengasphase. Massenfluss: Konvektion. Moleküle werden als ganzer Verband eines Volumens verschoben. Angetrieben durch einen Druckgradienten advektiver Fluss. D.h. im Idealfall sind alle Moleküle in einem Volumen gleichermaßen beteiligt.
• 26. Diskutieren Sie den Begriff einer „nutzbaren Sauerstoff-Kapazität“ im Boden. Im gutbelüfteten Boden kommt etwa das gleiche Gasverhältnis wie in der Atmosphäre zustande (Bodenatmung wird vernachlässigt). Allerdings können von diesen ca. 20% O2 nur 5% genutzt werden, da alle Mikroorganismen von einem Wasserfilm umgeben sind und osmophag leben, wodurch eine hohe O2 Konzentration nötig ist. D.h. die nutzbare Sauerstoffkapazität ist abhängig von dem Sauerstoffpartialdruck. Ist ökologisch meist vernachlässigbar, da Sauerstoffversorgung transport- und nicht speicherabhängig ist und durch Diffusion ständig nach kommt.
• 27. Erläutern Sie die Sauerstoffkonzentrationen zwischen Atmosphäre, Interaggregatporen und Intraaggregatporen. Welche Bedeutung hat diese Verteilung für biologische Prozesse? Die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre beträgt ungefähr 21%. Im oberflächlichen Bereich sind die Gasgradienten sehr gering, die Nachlieferung findet einfach, kontinuierlich und schnell statt. Der Transport im luftgefüllten Interaggregatraum wird hauptsächlich vom zur Verfügung stehenden Transportvolumen und dessen räumlicher Vernetzung bestimmt (Porenkontinuität etc.). Auch im tieferen (gut belüfteten) Boden sinkt die Sauerstoffkonzentration meist nicht unter 15%. Im wassergefüllten Intraaggregatraum diffundiert Sauerstoff sehr schlecht (4 mal geringer als in der Atmosphäre), es können sich Gradienten von 20.000 hPa auf wenigen mm aufbauen, d.h. im Aggrtegatinneren ist kein Sauerstoff mehr vorhanden, obwohl im Außenbereich noch mehr als genug Sauerstoff vorhanden ist. Im Intraaggregat (Aggregatinneren) können somit „anaerobe Microsites“ entstehen. Zum Beispiel kann Denitrifikation auch in gut belüfteten Böden stattfinden, wenn sie an solchen Microsites stattfindet.
• 28. Was ist damit gemeint, dass die Bodenbelüftung „transportkontrolliert“ ist, der Bodenwasserhaushalt eher „speicherkontrolliert“? Damit ist gemeint, dass die Bodenbelüftung von Transportprozessen in dem Boden limitiert ist. Die Gase in der Atmosphäre sind permanent vorhanden. Die Bodenluft muss aber ausgetauscht werden, damit Mikroorganismen genügend O2 zur Verfügung steht. Der Bodenwasserhaushalt ist jedoch vom Niederschlag abhängig, der periodisch auftritt und von der Speicherkapazität (dem Vermögen des Bodens, Wasser gegen die Schwerkraft halten zu können).

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