Bodenwasser – Gewinnung und Messung - Medienlinks

Philipps- Universität Marburg
Fachbereich Geographie
Unterseminar Hydrogeographie
Seminarleiter: U. Marold
Referentin: Alexandra Appel
Thema: Bodenwasser und Bodefeuchte – Gewinnung und Messung
Datum: 09.11.2005
Bodenwasser – Gewinnung und Messung
Gliederung: • 1. Einleitung
– 1.1 Der Boden
– 1.2 Der Wasserkreislauf der Erde
– 1.3 unterirdisches Wasser
• 2. Bodenwasser und Bodenfeuchte
– 2.1 Bodenwasser
• 2.1.1 Kapillarer Aufstieg
– 2.2 Funktionen und Eigenschaften des Bodenwassers
• 3. Gewinnung und Messung von Bodenwasser
– 3.1 Bestimmung der Bodenfeuchte bei
Bodenprofilaufnahmen
– 3.2 gravimetrische Wassergehaltsbestimmung
– 3.3 Saugkerze
– 3.4 Lysimeter
• 4. Zusammenfassung
• 5. Literatur
1

1. Einleitung
1.1 Der Boden
Der Boden ist ein Grenzphänomen der Erdoberfläche und gehört der Pedosphäre an. Hier
überlagern und durchdringen sich Lithosphäre, Hydrosphäre, Biosphäre und Atmosphäre.
Abb. 1: Die Pedosphäre als Grenzphänomen der Erdoberfläche
(Quelle: Schroeder 1992:10)
Definition: Boden ist das mit Wasser, Luft und Lebewesen durchsetzte, unter Einfluß der
Umweltfaktoren an der Erdoberfläche entstandene und im Ablauf der Zeit sich
weiterentwickelnde Umwandlungsprodukt mineralischer und organischer Substanzen mit
eigener morphologischer Organisation, das in der Lage ist, höheren Pflanzen als Standort zu
dienen und Lebensgrundlage für Tiere und Menschen bildet. (Quelle: Schroeder 1992)
Die erwähnten Umweltfaktoren sind Ausgangsgestein, Klima, Relief, Vegetation, Tierwelt,
menschliche Aktivitäten und die Zeit.
Abb. 2: Ablauf und Einflussfaktoren der Boden Genese (schematisch)
(Quelle: www.klett-verlag.de/index_tadb.html)
2

Der Bodenkörper besteht aus Wasser, Luft, organischen (Organismen der Bodenflora und -
fauna, Pflanzenwurzeln, unzersetzte und zersetzte Vegetationsrückstände, neugebildete
Humusstoffe) und mineralischen (Gesteinsbruchstücke, primäre und sekundäre Minerale,
amorphe Substanzen) Bestandteilen. Damit ist der Boden keine homogene Masse, sondern
besteht aus einer Vielzahl von Festkörpern unterschiedlicher Größe, zwischen denen
Hohlräume bleiben, die mit Wasser oder Luft gefüllt sind. Zahlreiche Kombinationen und
Konzentrationen der unterschiedlichen Bestandteile führen im Verlauf der Bodenentwicklung
(Pedogenese) zu einer Vielzahl verschiedener Bodentypen mit unterschiedlichen
Eigenschaften und Funktionen. Mit Hilfe einer morphologischen Differenzierung des
Bodenkörpers in einzelne, durch nationale und internationale Systematiken festgelegte,
Horizonte können die verschiedenen Bodentypen definiert werden. (Quelle: Schroeder 1992)
Des weiteren hat der Boden verschiedene Funktionen. Einerseits dient er als Lebensraum für
Menschen, Pflanzen und Tiere. Andererseits werden Nährstofftransport und –haushalt im
Boden geregelt. Auch dient er als Filter und Puffer von Schadstoffen. Dadurch wird das
Grundwasser rein gehalten. Eine weitere wichtige Funktion ist die der Biomasseproduktion
und der Grundwasserneubildung. Aber auch Informationen über die Entwicklung der Erde
und den damit einhergehenden Klimaveränderungen und menschlichen Aktivitäten können im
Boden gefunden werden.
1.2 Der Wasserkreislauf
Der Wasserkreislauf und die Wasserbilanz regulieren das im Boden verbleibende Wasser.
Durch die Sonneneinstrahlung wird die Erdoberfläche erwärmt. Dadurch kommt es zur
Verdunstung von Wasser über Wasserflächen (Meere, Flüsse, Seen) und aus der Vegetation,
also zu Evaporation und Transpiration. Dieses Wasser kann so in Form von Dampf in die
Atmosphäre aufsteigen und durch Wind transportiert werden. Da die Temperatur in der
unteren Schicht der Atmosphäre (Troposphäre) mit zunehmender Höhe sinkt, kommt es bei
erreichen einer bestimmten Höhe und Temperatur zur Kondensation des dampfförmigen
Wassers und Wolken und Niederschläge entstehen. Dadurch gelangt das Wasser wieder
zurück zur Erdoberfläche. Entweder fliesst es in Form von Oberflächenwasser wieder zurück
in die Weltmeere, wird von der Pflanzendecke aufgefangen (Interzeption) oder versickert im
Boden.
3

Abb. 3: Der Wasserkreislauf der Erde (schematisch)
(Quelle: Hempel 2003)
Im Folgenden werde ich das Wasser, das im Boden versickert näher betrachten und
beschreiben. Dies sind etwa 0,005 % des gesamten Wasservorrats der Erde, wohingegen die
Weltmeere ca. 95% des Weltwasservorrats beherbergen (Quelle: Hempel 2003).
1.3 unterirdisches Wasser
Abb. 4: Unterirdisches Wasser
(Quelle: Leser 2005)
Das unterirdische Wasser umfasst sowohl das Grundwasser als auch das Bodenwasser. Das
Grundwasser befindet sich im Gegensatz zum Bodenwasser in der gesättigten Zone des
4

Bodens. D. h. alle Hohlräume des Bodens sind mit Wasser ausgefüllt. Das Bodenwasser
hingegenbefindet sich in der sogenannten ungesättigten Zone des Bodens, d.h. die Hohlräume
zwischen den festen Bodenbestandteilen sind nicht vollständig mit Wasser ausgefüllt. Das
Bodenwasser ist in weitere Kategorien zu differenzieren.
2. Bodenwasser und Bodenfeuchte
2.1 Bodenwasser
Es gibt drei verschiedene Kategorien an Bodenwasser. Diese sind Stauwasser, Sickerwasser
und Haftwasser.
Abb. 5: Das Bodenwasser (Übersicht)
(Quelle: Hendl und Liedtke 1997: 247)
Als Stauwasser bezeichnet man jenen Teil des Bodenwassers, der durch einen
undurchlässigen Horizont im Boden, etwa einer Tonanreicherung, aufgestaut wird.
Charakteristisch hat das Stauwasser keinen Grundwasseranschluss und unterliegt
jahreszeitlichen Schwankungen in Abhängigkeit von Niederschlag und Witterung (Quelle:
www.klett-verlag.de/index_tadb.html).
5

Das Sickerwasser wird auch als Gravitationswasser bezeichnet, da es der Schwerkraft
folgend, durch die gröberen Poren des Bodens (größer als 0,01mm), nach unten sickert. Es hat
somit auch die Funktion des Stofftransports im Boden. Gelöste Salze und Gase können lateral
mit dem Sickerwasser, dem Relief entsprechend, verlagert werden. Dieser Vorgang ist vor
allem für die Pedogenese (Bodenbildung) wichtig (Quelle:Leser 2005).
Allgemein ist Haftwasser der Teil des Bodenwassers, der auf Grund atomarer und
molekularer Kräfte an den Bodenteilchen haftet. Das Haftwasser wird auch als Bodenfeuchte
bezeichnet und dient Pflanzen als Wassergrundlage. Wie aus der Abb.6 zu erkennen ist
richten sich die Dipole der Wassermoleküle wegen vorherrschender elektrostatischer Kräfte
dabei an der Ladung des Bodenteilchens aus.
Abb. 6: Das Haftwasser
(Quelle: Hintermaier- Erhardt und Zech 1997)
Jedoch ist das Haftwasser weiter zu differenzieren in Adsorptions- und Kapillarwasser. Das
Adsorptionswasser ist ein Film von Wassermolekülen am Bodenteilchen. Dieser Film entsteht
einerseits wegen der schon erwähnten elektrostatischen Kräfte, die in einem gewissen
Umkreis um das Bodenteilchen vorherrschen, andererseits wegen der Neigung des Wassers
zur Wasserstoffbrückenbildung. Dabei verbinden sich Sauerstoffatome des Bodenteilchens
mit Wasserstoffmolekülen des Wassers. Dies hat zur Folge, dass das Adsorptionswasser nicht
der Schwerkraft nach unten folgt, stattdessen aber am Bodenteilchen haften bleibt (Quelle: Leser
2005).
6

Das Kapillarwasser befindet sich im Kapillarröhrchen- und Porensystem (Feinporen) des
Bodens (siehe Abbildung 7). Es ist gekennzeichnet durch die Fähigkeit in den Feinporen des
Bodens gegen die Schwerkraft aufsteigen zu können. Diesen Vorgang nennt man
Kapillaraufstieg des Wassers (Quelle: Scheffer/ Schachtschabel 1998).
2.1.1 Kapillarer Aufstieg (Quelle: Scheffer/Schachtschabel 1998)
Abb. 7: Prinzip des Kapillaren Aufstiegs
(Quelle: www.klett-verlag.de/index_tadb.html)
Der Vorgang des Kapillaren Aufstiegs beschreibt den Aufstieg des Wassers im Porensystem
des Bodens. Die Neigungen des Wassers seine Oberfläche gegenüber der Luft zu verringern
und zur Wasserstoffbrückenbildung führen zur Bildung sogenannter Menisken. Als Meniske
bezeichnet man die Wölbung an der Oberfläche einer Flüssigkeit. Diese Menisken besitzen
eine gewisse „Tragkraft“ (Quelle: Scheffer/Schachtschabel 1998), die ab einem
Porendurchmesser kleiner als 10 μ m stärker ist als die Schwerebeschleunigung. Prinzipiell
gilt hierbei: Je kleiner der Porendurchmesser, desto stärker der Kapillare Aufstieg. Dadurch
kann das Wasser in diesen Poren zur Bodenoberfläche aufsteigen.
Durch diese atomaren und molekularen Wechselwirkungen zwischen Bodenteilchen und
Wassermolekülen kommt es auch zur Entstehung des Kapillarsaums, einer feuchten Zone
oberhalb des Grundwasserspiegels, der von Wassermolekülen benetzt ist (siehe Abb. 4 und 7).
2.2 Eigenschaften und Funktionen des Bodenwassers
Allgemein ist zu sagen, jeder Boden enthält Wasser. Das Bodenwasser wird reguliert über
Niederschläge, Grundwasser und Kondensation der Atmosphäre und unterliegt neben der
Schwerebeschleunigung, atomaren und molekularen Wechselwirkungen zwischen
7

Bodenteilchen und Wassermolekülen. Bodenwasser hat einerseits die Funktion des Transports
von Nährstoffen, in Form von gelösten Salzen und Gasen, was insbesondere für
pedogenetische Prozesse von hoher Bedeutung ist. Andererseits hat es die Funktion der
Wasserversorgung von Pflanzen, was im weiteren Sinne auch mit der Versorgung der
Menschen und der Tierwelt einhergeht. Damit nimmt das Bodenwasser, vor allem in
trockenen Klimaten, eine zentrale Rolle in Sachen Landwirtschaft ein.
Bodenwassermessungen in Bezug auf Vorkommen, sowie Nähr- und
Schadstoffkonzentrationen sind somit sinnvolle Anwendungen. Im Folgenden sollen einige
Methoden zur Gewinnung und Messung von Bodenwasser vorgestellt werden.
3. Gewinnung und Messung von Bodenwasser und Bodenfeuchte
3.1 Bestimmung der Bodenfeuchte bei Bodenprofilaufnahmen
Die Bestimmung der Bodenfeuchte bei Bodenprofilaufnahmen spielt eine wichtige Rolle für
das Verständnis der Pedogenese und des Stofftransports zwischen unterschiedlichen
Bodenhorizonten und Schichten. Unterirdische Wasserbewegungen nehmen großen Einfluss
auf die Entwicklung und Eigenschaften von Böden.
Die Bodenfeuchtebestimmung im Zuge einer Bodenprofilaufnahme geschieht in der Regel im
Gelände vor Ort. Nach eingehender Prüfung der unterschiedlichen Horizonte über den
Tastsinn auf den Bodenfeuchtegehalt, kann man über die Methode der Befeuchtung der
einzelnen Horizonte, festgelegten Maßstäben folgend, den Feuchtegrad klassifizieren. Dazu
werden die einzelnen Horizonte mit Hilfe einer Sprühflasche befeuchtet. An Hand der
Farbveränderung zu dem nicht befeuchteten Profilstellen können Feuchtegehalte mit Hilfe der
Bodenkundlichen Kartieranleitung (KA4), herausgegeben von den geologischen
Landesämtern, bestimmt werden. Beispiel hierfür ist der folgende Ausschnitt aus der
genannten Kartieranleitung (Abb. 8). Es soll nicht im einzelnen auf die Tabelle eingegangen
werden, stattdessen soll es als Beispiel für eine Art der Bodenfeuchtebestimmung dienen.
Daher liegt der Augenmerk auf Spalte 1, 2, 4 und 5.
8

Abb. 8: Auszug aus der bodenkundlichen Kartieranleitung (KA 4), Klassifizierung der
Bodenfeuchte
(Quelle: KA4 1982 )
In der ersten Spalte sind die Bodeneigenschaften bei tonhaltigen Böden eingetragen, in der
zweiten Spalte die der weniger tonhaltigen Böden. In Spalte vier kann die entsprechende
Bezeichnung des Bodenfeuchtegehalts abgelesen werden, und in Spalte fünf das dazugehörige
Kürzel, dass bei der Bodenprofilaufnahme in das Datenblatt eingetragen werden soll. Dies
dient der Vereinheitlichung der Kartiersystematik.
3.2 gravimetrsiche Wassergehaltsbestimmung (Quelle: Scheffer/Schachtschabel 1998)
Die gravimetrische Wassergehaltsbestimmung setzt eine Probenahme im Gelände voraus. Die
Untersuchung jedoch geschieht im Labor. Dazu wird die entnommene Bodenprobe gewogen
und danach bei 105°C getrocknet. Diese Temperatur wird auf Grund von Erfahrungswerten
gewählt, da hierbei das gesamte Wasser aus dem Boden getrieben wird, abgesehen von dem
chemisch gebundnen Kristallwasser, das nur durch Verwitterungsprozesse frei werden kann.
9

Bei organischen Böden, wie beispielsweise Moorböden, werden niedrigere Temperaturen
gewählt. Nach der Trocknung jedenfalls kommt es zu einer zweiten Wägung. Die
Gewichtsdifferenz zwischen den beiden erfolgten Gewichtsmessungen gibt Aufschluss über
den jeweiligen Wassergehalt.
3.3 Saugkerze (Quelle: Landesumweltamt Brandenburg 2004)
Eine Saugkerze ist ein Zylinder aus porösem Material, wie etwa Keramik oder Kunststoff, der
in den Boden eingelassen wird. Mit Hilfe einer Pumpe wird ein Unterdruck angelegt, sodass
das Bodenwasser das durchlässige Kerzenmaterial passieren kann. In einem Auffanggefäß
wird das so gewonnenen Bodenwasser gesammelt und kann anschließend im Labor untersucht
werden.
Abb. 9: Prinzip einer Saugkerze
(Quelle: Landesumweltamt Brandenburg 2004)
Das auf diese Weise gewonnene Bodenwasser kann auf Nähr- und Schadstoffgehalte
untersucht werden. Dennoch ist hierbei zu beachten, dass nicht alle Altlasten damit zu
erfassen sind. Zwar ist die Saugkerze (Auch Saugsonde) weit verbreitet, aber Schadstoffe in
geringen Mengen sind mit dieser Methode nicht eindeutig nachzuweisen. Auch gibt es
Altlasten, die sich nicht im Bodenwasser lösen, stattdessen Emulsionen mit dem Wasser
ergeben (Bsp.: Heizöl, Diesel). Auch hierfür ist die Verwendung von Saugkerzen nur wenig
sinnvoll.
10

Dennoch können auf diese Art und Weise vor allem kleinräumige Istzustände gemessen
werden. Bei entsprechender Versuchsanordnung und Messsystematik können auch größere
Gebiete und längere Zeiträume beobachtet werden.
3.4 Lysimeter (Quelle: Wilhelm 1976)
Lysimeter sind wägbare Kästen, die mit dem gewünschten Gestein- und Bodenmaterial gefüllt
und mit entsprechendem Bewuchs versehen werden. Diese werden dann bis zu ihrer
Oberkante im Erdboden versenkt. Lysimeter können 1m² bis 100m² Größe haben. Sie sollen
den natürlichen Bedingungen der Umgebung möglichst nahe kommen. Unterirdisch sind oft
Wagen montiert und Sickerwasserbecken angebracht.
Abb. 10: Prinzip des Lysimeters
(Quelle: http://www.ugt-online.de/NEU/Produkte/18_Lysimeter/183100.html)
Es liegt auf der Hand, dass es nicht sinnvoll ist Nähr- und Schadstoff- Untersuchungen mit
Hilfe von Lysimetern durchzuführen, da sie letztendlich nur eine Simulation der natürlichen
Bedingungen darstellen. Zur Messung von Niederschlag, Versickerung und
Wasseranreicherung sind sie jedoch gut geeignet. Über Berechnungen können weitere Werte,
wie etwa die Verdunstungsrate, errechnet werden. Die Anwendung von Lysimetern ist mit
hohem Kapitaleinsatz und Aufwand verbunden, dennoch finden sie in Deutschland zahlreich
Anwendung.
11

4. Zusammenfassung
Das Bodenwasser ist der Teil des unterirdischen Wassers, der sich in der ungesättigetn Zone
befindet, also dort wo nicht alle Hohlräume des Bodens mit Wasser gefüllt sind. Das
Bodenwasser beeinflusst die Bodenbildung sowie den Nähr- und Schadstofftransport im
Boden wesentlich und führt zur Ausbildung bestimmter Charakteristika und Bodentypen.
Über quantitative und qualitative Messungen von Bodenwasser können Informationen mit
landwirtschaftlicher und ökologischer Bedeutung gewonnen werden. Gesetzlich festgelegte
Messungen und Beobachtungen bieten Aufschluss über Altlast- verdächtige Gebiete. Damit
nimmt das Bodenwasser, auch wenn es nur ca. 0,005 % des Weltwasservorkommens
ausmacht, eine zentrale Rolle im Ökosystem Erde ein.
5. Literatur
• Barner, Jörg (1987): Hydrologie: Eine Einführung für Naturwissenschaftler und
Ingenieure - UTB Quelle und Meyer, Heidelberg, Wiesbaden
• Bundeamt für Geowissenschaften und Rohstoffe und geologische Landesämter
(1982): Bodenkundliche Kartieranleitung, 3. Auflage, Hannover
• Hempel, A. (2003): Infoblatt Wasserkreislauf, in Terra- Alexander Datenbank
www.klett-verlag.de/index_tadb.html• Hendl, M. und Liedtke (Hrsg.)(1997):
Lehrbuch der Allgemeinen physischen Geographie, Gotha; von www.klettverlag.de/index_tadb.html•
Hintermaier- Erhard, G. (1997): Wörterbuch der
Bodenkunde – Enke, Stuttgart
• Leser, H. (2005): Diercke Wörterbuch Allgemeine Geographie - 13. Auflage,
Deutscher Taschenbuch Verlag, München und Westermann Schulbuchverlag,
Braunschweig
• Scheffer, F.; Schachtschabel, P. et al. (1998): Lehrbuch der Bodenkunde - 14.
neubearbeitete Auflage; Ferdinand Enke Verlag Stuttgart
• Seidel, S. (2003): Infoblatt Bodenbildende Prozesse, in Terra- Alexander Datenbank
www.klett-verlag.de/index_tadb.html• Schroeder, D. (1992): Bodenkunde in
Stichworten – 5. revidierte und erweiterte Auflage / von W.E.H. Blum – Berlin;
Stuttgart
• Wilhelm, Friedrich (1987): Hydrogeographie – Verlags GmbH Höller und Zwick,
Braunschweig
• Wilhelm, Friedrich (1976): Hydrologie, Glaziologie – 3. Auflage Georg Westermann
Verlag, Braunschweig
• http://bfw.ac.at/400/smilex/saugkerze.jpg• http://www.ugtonline.de/NEU/Produkte/18_Lysimeter/183100.html•
www.mluv.brandenburg.de
(Landesumweltamt Brandenburg (2004):Fachinformation zur Altlastenbearbeitung Nr.
4, Potsdam)
(alle Internetzugriffe am 06.11.2005)
12