Die Rolle des Bodens im Wasserkreislauf - Bayerisches ...

Lernort BodenReservoir und Filter –Die Rolle des Bodensim Wasserkreislauf1 Wasserkreislauf und Abfluss2 Infiltration – Der Weg des Wassersin und durch den Boden3 Wo steckt das Wasser im Boden?4 Pflanzenverfügbares Wasser – Nutzwasserkapazität5 Der Boden als Ausgleichskörper6 Wasser kann Boden zerstören – Bodenerosion7 Die unsichtbare Reinigung – Der Boden als Filterfür verschmutztes und belastetes Wasser8 Chemischer Stempel für das Wasser202203204205208209210213

DSachinformation Die Rolle des Bodens im WasserkreislaufReservoir und Filter –Die Rolle des Bodens im WasserkreislaufBöden regeln die Verfügbarkeit von Wasser und Nährlösungen für die Pflanzen. Sie dienen alsFilter und Reaktionsraum der Fixierung und dem Abbau von Schadstoffen und schützen damitdie Pflanzen als Grundlage unserer Ernährung sowie das Grund- und Trinkwasser. Durch dieAufnahme und zeitlich verzögerte Abgabe der Niederschläge (Retention) verhindern Böden inungestörten Systemen das Anwachsen der Flüsse zu reißenden Fluten.1 Wasserkreislauf und AbflussD1 | Wasserkreislauf undAbfluss. CDDas gesamte Wasser der Erde bewegt sich ineinem ständigen Kreislauf von Verdunstung,Kondensation, Niederschlag, Abfluss und erneuterVerdunstung. Innerhalb dieses Kreislaufesübernimmt der Boden die Rolle einerSchaltzentrale, wobei Humusgehalt des Oberbodens,Bodenart und Bodengefüge – zusammenmit dem geologischen Untergrundund der Reliefsituation – Einfluss darauf haben,welche Anteile des nicht verdunstetenNiederschlags über den Oberflächenabfluss,den Zwischenabfluss und die Grundwasserneubildungin die Gewässer gelangen ( D1).Die Fließgeschwindigkeit des Oberflächenabflussesliegt in Abhängigkeit von der Rauigkeitder Bodenoberfläche und von ihremBewuchs bzw. Bedeckungsgrad im Bereichvon einigen Zentimetern bis einigen Meternpro Sekunde. Rasche Abflüsse tragen dabeiim besonderen Maße zur flächenhaften undlinienhaften Bodenerosion bei ( Modul ELandwirtschaft). Über das Porensystem inden Boden gelangendes Sickerwasser ( Infiltrat)kann je nach Durchlässigkeit der oberenBodenschichten und entsprechenderHangneigung als Zwischenabfluss parallelzur Oberfläche abfließen. Dabei werden oberflächenparalleleFließgeschwindigkeiten vonnur noch einigen Metern pro Tag erreicht, dieallerdings stark von Bodenart und Bodenauf­202 Lernort Boden

Die Rolle des Bodens im Wasserkreislauf SachinformationDbau abhängen. Dieser Abfluss tritt vor allemdann auf, wenn sich innerhalb des Bodenaufbaueseine zur Oberfläche parallele undwasserstauende Schicht befindet (z. B. einTonanreicherungshorizont in einer Parabraunerde, Modul A „Was ist Boden?“).Der Anteil des infiltrierten Niederschlagswassers,der in die Grundwasserneubildungeingeht, ist unterschiedlich. Bei sandigemUntergrund kann dieser bis 70 Prozent betragen.Typische Grundwassersickergeschwindigkeitenbetragen wenige Meter pro Tag, jedochkönnen in Untergrundgesteinen miteinem hohem Anteil an Rissen und Spalten(z. B. in verkarsteten Kalksteinen) oder einemhohen Anteil an Hohlräumen (z. B. in grobenKiesen) auch Werte erreicht werden, die weitüber denen des Zwischenabflusses liegen.2 Infiltration – Der Weg desWassers in und durch den BodenDer globale WasserkreislaufSonnenenergie lässt Wasserfortwährend aus den Ozeanenverdampfen. Dieses gasförmigeWasser kondensiert in größererHöhe zu Wolken, die von denzirkulierenden Luftmassen derAtmosphäre um die Erde verfrachtetwerden und sich überden Kontinenten wieder abregnen.Der Niederschlag speistGrund- und Oberflächengewässerund fließt schließlich überdie Flüsse wieder in das Meer.Der Kreislauf des Wassers istdamit geschlossen.Jährlich setzt der globale Wasserkreislaufetwa 480.000 KubikkilometerWasser um. Das istallerdings nur ein Bruchteil derauf 8,3 Millionen Kubikkilometergeschätzten Süßwassermengeder Erde. Ein großer Teil diesesWassers ist im Inlandeis Grönlandssowie in den Eismassender Pole und in den Gletschernder Hochgebirge gebunden. Zuden Süßwasservorräten der Erdegehören auch sogenannte fossileGrundwässer in tiefen geologischenSchichten, die am Wasserkreislaufallerdings nichtteilnehmen. Solche Grundwasservorkommenstellen „Lagerstätten“dar, deren Nutzung –zumindest was historisch überschaubareZeiträume anbelangt– dem Abbau mineralischer Lagerstättengleichkommt.ExkursUnter Infiltration wird das Eindringen vonWasser in die Bodenoberfläche nach Niederschlägen,Beregnung oder Überstauung verstanden.Der Verlauf der Infiltration wirddurch die Infiltrationsrate (Versickerungsrate)gekennzeichnet, die das Wasservolumen beschreibt,das je Zeiteinheit in den Boden versickert.Diese Rate ist meist nicht konstant,da während des Sickervorganges biologischeAktivität, Quellvorgänge der Bodenpartikel(vor allem von Tonen) und die Lösung eingeschlossenerLuft die Durchlässigkeit des Bodensfür das Sickerwasser ständig verändern.Die maximal mögliche Wassermenge,die pro Zeiteinheit im Boden versickert, wirdals die Infiltrationskapazität bezeichnet.D2|Wasserbilanz Bayerns (Zahlenangaben in Litern pro Quadratmeter und Jahr). CDDie Infiltrationsrate wird von zahlreichen Faktorenbeeinflusst, vor allem von der Bodenartoder dem Verdichtungsgrad des Bodens( Modul E Landwirtschaft). Besondere Bedeutunghaben weite Makro- oder Grobporen(Ø > 50 μm, Tabelle D1), über die dasWasser rasch von der Oberfläche in denBoden abgeleitet wird. Wenn die Aufnahmefähigkeitder weiten Makroporen überschrittenist, kommt es zur Bildung eines Oberflächenabflusses.D3 | Die wichtigsten hydrologischenProzesse bei der Infiltration:1 = Niederschlag,2 = Oberflächenabfluss,3 = Sickerung in die Makroporen,4 = Sickerungin den Makroporen,5 = Sickerung in die Mikroporendurch die Bodenoberfläche,6 = Sickerungvon den Makroporen in dieMikroporen, 7 = Sickerungin den Mikroporen. CDLernort Boden203

DSachinformation Die Rolle des Bodens im WasserkreislaufExkursWasserverfügbarkeit bei landwirtschaftlicher NutzungD6 | Ohne den Wasserspeicher Boden wäre eineLandwirtschaft ohne ständige Bewässerungnicht möglich.Der durch Transpiration der Pflanzen und dieVerdunstung über die Bodenoberfläche hervorgerufeneWasserverbrauch beträgt fürlandwirtschaftliche Nutzflächen im Hochsommerin Mitteleuropa rund 4 – 6 mm proTag (das entspricht 4 – 6 Litern pro Tag undQuadratmeter). Für Sandböden (60 mmNutzwasserkapazität) bedeutet ein so angenommenerdurchschnittlicher Wasserverbrauchvon 5 mm pro Tag, dass die Pflanzennach 12 Tagen ohne Niederschlag kein Wassermehr aus dem Boden bekommen undsomit in der Regel irreversibel geschädigtwerden. 12 niederschlagsfreie Tage kommenso häufig vor, dass vielerorts auf Sandbödeneine landwirtschaftliche Nutzung ohneBeregnung nur bedingt möglich ist. Untersonst gleichen Voraussetzungen reicht dasWasser bei Lehmböden aufgrund deren höherenNutzwasserkapazität ( Tabelle D2)bis zu 48 Tage. Selbst in den niederschlagsärmstenGebieten Deutschlands mit Lössböden(Magdeburger Börde, Oberrheingraben)ist eine derartige Trockenperiodeallerdings nur sehr selten der Fall.Wie viel Wassernachschub aus dem Boden braucht ein Baum?Bäume brauchen für ihren Stoffwechselgroße Mengen Wasser. Der Wassertransportund mit ihm auch der Transport von Nährstoffenaus dem Boden zu den Blättern( Modul C Waldboden) erfolgt über das Leitbahnensystemim Holz teils durch Wurzeldruck,teils ohne eigenen Energieaufwanddurch den Verdunstungssog zwischenBoden, Pflanzenkörper und Atmosphäre. Derim Baum aufsteigende Wasserstrom erreichtGeschwindigkeiten, die bei Nadelbäumen 1bis 2 m, bei Laubbäumen je nach Leitungsdurchmesser1 m (Buche) bis 44 m (Eiche)je Stunde betragen. Nadelbäume verdunstenweniger Wasser als Laubbäume: Fichtenca. 10 Liter am Tag, Buchen ca. 30 Liter undEichen ca. 40 Liter. Birken können an heißenTagen weit über 100 Liter verbrauchen.D7 | Auch für Bäume lebenswichtig: der Wasserspeicher und Wasserlieferant Boden. CD206 Lernort Boden

DSachinformation Die Rolle des Bodens im Wasserkreislauf7 Die unsichtbare Reinigung – Der Boden als Filter für verschmutztes undbelastetes WasserBoden ist unter natürlichen Bedingungen daswichtigste Glied im Reinigungsprozess desNiederschlags auf seinem Weg in das Grundwasseroder zur Quelle und trägt damit we­sentlich zur Qualität unseres Trinkwassersbei. Die Reinigung des Sickerwassers ge­schieht dabei auf biologischem, chemischemoder mechanischem Wege. Die Aufnahme­kapazität des Bodens für Schmutzpartikelund besonders auch für Schadstoffe ist allerdingsbegrenzt ( Modul F Schadstoffe).Ist diese überschritten oder ist durch Bodenerosionund Flächenversiegelung die Fähigkeitzur Reinigung des Sickerwassers generellreduziert oder sogar verloren, gelangenSchadstoffe ungehindert in den weiterenWasserkreislauf.D13 | Die wichtigsten Elementeeines modernenTrinkwasserbrunnens.Sperrrohr und Abdichtungverhindern den raschenZutritt von Oberflächenwasser.DemFilterrohr fließt dasdurch den Boden undden geologischen Unter­grund gereinigte Grundwasserzu. CDExkursTrinkwasser aus UferfiltratZur Deckung des Wasserbedarfs werdenin flussnahen Städten und GemeindenFörderbrunnen in der Uferzone offenerGewässer angelegt, um das vorhandeneGrundwasser durch unterirdisch zufließendesFluss- oder Seewasser anzureichern.Wenn das verschmutzte Oberflächenwasserin den Untergrund eindringtund diesen durchsickert, wird es auf natürlicheWeise im Kies oder im Sand vonden meisten Schadstoffen gereinigt.In manchen Gebieten geht man nocheinen Schritt weiter: Man leitet das Flusswasserab, klärt es durch Rechen undAbsetzbecken grob vor und führt es in25 bis 50 Meter breite, 1.5 Meter tiefeund 100 bis 300 Meter lange Infiltrationsbecken.Diese in der Flussaue angelegtenSickerbecken sind mit einer Sandschichtausgekleidet. Das Wasserversickert und wird auf dem Weg zu denBrunnen durch die Kiese und Schotterim Untergrund gereinigt. Dort vermischtes sich mit dem natürlichen Grundwasser.Die Sandschicht des Beckens mussvon Zeit zu Zeit ausgetauscht werden.Aufgrund seines mechanischen Filtervermögens(„Siebfunktion“) bindet der Bodenfeinste Schmutz- und Schadstoffpartikel desSickerwassers. Selbst allerfeinste Partikel(< 0,2 μm) können in feinporenreichen Bödenaus dem Sickerwasser herausgefiltert werden.Die Filterleistung eines Bodens kennzeichnetdie Menge an Wasser (Niederschlagswasseroder Uferfiltrat), die proZeiteinheit den jeweiligen Boden passiertund dabei gereinigt wird. Die mechanischeFilterleistung wird vor allem durch den Porendurchmesserder Wasserleitbahnen undderen Kontinuität bestimmt. Sand- und kiesreicheBöden besitzen in der Regel eine hohe,ton- und schluffreiche Böden meist eine geringeFilterleistung. Sie nimmt stark ab, wenndie Leitbahnen im Laufe der Zeit durch diezurückgehaltenen Substanzen gefüllt werden.Das mechanische Filtervermögen desBodens macht man sich bei der Trinkwassergewinnungaus sogenanntem Uferfiltrat zunutze( Exkurs Trinkwasser aus Uferfiltrat).210 Lernort Boden

Die Rolle des Bodens im Wasserkreislauf SachinformationDD14 | Zum Schutz des Trinkwassers – Ausweisung von Schutzzonen mit unterschiedlich strengen Auflagen für die Nutzung des Bodens: Zone I schützt dieGrundwassergewinnungszone; Zone II reicht von Zone I bis zu einer Linie, von der aus das Grundwasser etwa 50 Tage bis zur Fassungsanlage benötigt.Sie bietet damit Schutz vor allem vor gesundheitsgefährdenden Mikroorganismen; Zone III schützt das Grundwasser vor weitreichenden Beeiträchtigungen,insbesondere vor nicht oder schwer abbaubaren chemischen Stoffen, die demnach innerhalb der Zonen I bis III nicht eingesetzt werden dürfen.Derzeit beträgt der Anteil der Wasserschutzgebiete an der Landesfläche in Bayern etwa 3.5 Prozent. CDDas chemisch-physikalische Filtervermögender Böden ermöglicht, dass gasförmige undvor allem gelöste Nährstoffe, aber auchSchadstoffe durch Adsorption an bestimmteBodenpartikel, die Ionenaustauscher,gebunden oder nach Reaktion mit bodeneigenenSubstanzen chemisch gefälltund im Boden fixiert werden. Sich änderndechemische Rahmenbedingungen im Bodenkönnen diese jedoch auch wieder freisetzen( Bodenversauerung Modul C Waldboden).Böden mit hohen Gehalten an organischerSubstanz und Ton sowie Eisen- (Fe-),Aluminium- (Al-) und Mangan- (Mn-)Oxidenzeigen in der Regel ein großes chemisch-physikalischesFiltervermögen, sandreiche Bödendagegen ein geringes.D15 | Die Herkunft des Trinkwassers in Bayern. CDLernort Boden 211

DSachinformation Die Rolle des Bodens im WasserkreislaufD16 | Reservoir und Filter – Der Beitrag des Bodens zur Trinkwasserversorgung.CDEine besondere Rolle spielt auch das biologischeFiltervermögen des Bodens. So haltendie Bodenbakterien unter anderem Eisen,Mangan und organische Stoffe zurück( Modul B Bodenleben). Im landwirtschaftlichenBereich sorgen sie für den Abbau vonchemischen Pflanzenschutzmitteln, bei einigenSubstanzen können dabei allerdings auchunerwünschte Spaltprodukte entstehen( Modul E Landwirtschaft). Andererseits istwiederum die mechanische und chemischphysikalischeFilterwirkung des Bodens fürdas Rückhalten und den Abbau bakteriellerKrankheitserreger verantwortlich, die damitebenfalls nicht in das Trinkwasser gelangen.Böden sind aufgrund ihrer genannten Fähigkeitenin der Lage, die chemischen Eigenschaftendes Sickerwassers und damit auchdie Einflüsse, die von außen auf sie einwirken,abzuschwächen (zu puffern). Von besondererBedeutung ist dabei die Pufferungvon Säureeinträgen aus der Atmosphäre. Siewirkt der natürlichen und der durch denMenschen bedingten Bodenversauerungentgegen. Böden enthalten verschiedene potenziellePuffersubstanzen ( Modul F Schadstoffe).212 Lernort Boden

Die Rolle des Bodens im Wasserkreislauf SachinformationD8 Chemischer Stempel für das WasserDer Boden hat einen wesentlichen Einflussauf die chemische Zusammensetzung des Bodenwasserssowie zusammen mit dem geologischenUntergrund auch auf die des GrundundTrinkwassers sowie der Oberflächengewässer.Aufgrund seiner geringen Kontaktzeitmit dem Boden ähnelt der Oberflächenabflussin seiner chemischen Zusammensetzung inviel stärkerem Maße dem Niederschlags- alsdem Bodenwasser. Zwischen- und Grundwasserabflüssehaben hingegen einen länger andauerndenund intensiven Kontakt mit demBoden und dem Untergrundgestein und spiegelndeswegen die Boden- und Gesteinsbeschaffenheitsehr deutlich wider. Besondersprägend sind die gut löslichen Substanzen imBoden und im Untergrund, die sich unter anderemin der Wasserhärte niederschlagen( Exkurs Wasserhärte). In Waldböden gut löslichsind die Huminstoffe der Humusauflagen.D17 | Nitratgehalte im Grundwasserin Bayern. DieBelastung ist in Nordbayernhöher als inSüdbayern. Dies liegtan den natürlichen Gegebenheitenund an derIntensität der landwirtschaftlichenBodennutzung.Die Prozentzahlenbeziehen sich auf die gewonneneWassermenge(Stand 1999). CDLernort Boden 213

DSachinformation Die Rolle des Bodens im WasserkreislaufExkursWasserhärteDie Wasserhärte kennzeichnet die Konzentrationender gelösten Erdalkalimetallsalzeim Wasser, wobei es sich haupt­2+sächlich um Calcium- (Ca ) oder2+Magnesiumionen (Mg ) handelt. Die Gesamthärtedes Wassers setzt sich dabeiaus zwei Anteilen zusammen: Der temporäre(vorübergehende) Anteil ist z. B.der Gehalt an Calcium-Hydrogenkarbonat(Ca(HCO 3) 2 ). Das zunächst im Wassergelöste Calcium-Hydrogenkarbonatgeht beim Erhitzen nach der ReaktionsgleichungCa(HCO 3 ) 2 º CaCO 3 + CO 2 + H 2 Oin Kohlendioxid und Karbonat (den sogenannten Kesselstein) über. Die permanente(bleibende) Härte des Wassersberuht auf Salzen mit anderen Anionen2- ­wie z. B. Sulfat (SO 4 ), Chlorid (Cl ) oder3-Phosphat (PO 4 ), die beim Erhitzen in Lö­sung bleiben.Im technischen Bereich wird die Härtedes Wassers in Grad der DeutschenHärte (Symbol °d) gekennzeichnet. 1 °dentspricht hierbei der Menge an Ionenpro Liter, die in 10 Milligramm Calciumoxid(CaO) enthalten sind. Leitungswasserwird durch die Wasserwerke in dieBereiche weich („1”, < 7 °d), mittelhart(„2”, 7 bis 14 °d), hart („3”, 14 bis21 °d) und sehr hart („4”, > 21 °d) eingestuft.Für die richtige Dosierung vonWaschmitteln ist die Kenntnis derWasserhärte wichtig, da die in denWaschmitteln enthaltenen Seifen durchAnwesenheit von Erdalkalimetallioneninaktiviert werden.D18 | Grund- und Trinkwasseraus Kalkgebietenhaben stets einehohe Wasserhärte.Besonders nach starken Niederschlägen istdies durch die schwarzbräunliche („Cola“) Färbungvon Waldbächen besonders gut zu beobachten( Modul C Waldboden).Die Karbonatlösung ist unter natürlichen Bedingungender Hauptprozess, der die chemischeWasserbeschaffenheit prägt. Er wirktder natürlichen und der anthropogen verursachtenVersauerung von Flüssen, Seen undGrundwasser entgegen, führt aber gleichzeitigdazu, dass die Pufferkapazität eines Bodensauf natürliche Weise ständig abnimmt.Die damit gegebene Bodenversauerung istim industriellen Zeitalter erheblich beschleunigtworden. Sie wiederum ist Ursache fürdie Mobilisierung von giftig wirkendenSchwermetallen ( Modul C Waldboden).Im landwirtschaftlichen Bereich kann Wasserbei seinem Durchgang durch den Bodeneine breite Palette an löslichen Nährstoffen– 2–wie Nitrat (NO 3 ), Sulfat (SO 4 ) oder organischeRückstände aufnehmen, die dann eineGefährdung für das Oberflächen- und dasTrinkwasser bedeuten können ( Modul ELandwirtschaft).214 Lernort Boden

Die Rolle des Bodens im Wasserkreislauf SachinformationDD19 | Verteilung der Wasserhärte in Bayern – Spiegelbilddes geologischen Untergrundes und der Böden. CDLernort Boden 215

Weiterführende Literatur (Auswahl):Baumgartner, A., Liebscher, H.-J. (1996): Allgemeine Hydrologie. Band 1. – 2. Aufl.,694 S., Berlin, Stuttgart (Gebr. Borntraeger).Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen, Staatsinstitutfür Schulqualität und Bildungsforschung (2000): Lernort Gewässer. Eine Handreichungfür den projektorientierten Unterricht in den Jahrgangsstufen 5 – 10 und den Einsatz inUmweltbildungsstätten und in der Umwelterziehung. – München.Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft (2004) (Hrsg.): Hochwasser. Naturereignisund Gefahr. – SpektrumWasser, Heft 1, 2. Aufl., 84 S., München.Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft (2004) (Hrsg.): Grundwasser. Derunsichtbare Schatz. – SpektrumWasser, Heft 2, 98 S., 2. Aufl., München.Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft (2004) (Hrsg.): Aus gutem Grund.Trinkwasser aus Wasserschutzgebieten. – Themenhefte des Bayerischen Landesamtesfür Wasserwirtschaft 24. S., 2. Aufl., München.Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen (2002) (Hrsg.):Wasserland Bayern. Nachhaltige Wasserwirtschaft in Bayern. – 95 S., 4. Aufl., München.Oberste Baubehörde im Bayerischen Staatsministerium des Innern (1998) (Hrsg.):Naturnaher Umgang mit Regenwasser. – Arbeitsblätter für die Bauleitplanung, Nr. 15,64 S., München ( www.stmi.bayern.de).Scheffer, F., Schachtschabel, P. (2002) (Hrsg.): Lehrbuch der Bodenkunde. – 15. Aufl.,528 S., Heidelberg (Spektrum Akademischer Verlag).Schroeder, D. (1992): Bodenkunde in Stichworten. – 5. Aufl., bearb. von W.E.H. Blum,Berlin, 175 S., Stuttgart (Ferdinand Hirt).Vereinigung Deutscher Gewässerschutz e.V. (2000)(Hrsg.): Naturstoff Wasser. – 64 S.,11. Aufl., Bonn.HerausgeberBayerisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz (StMUGV)Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung (ISB)