Lehm und Sand dargestellt. Die Abszisse ist in logarithmischem Maßstab eingeteilt, um den gesamten Bereich der Wasserspannungen (pF-Werte) sichtbar zu machen. In Renger et al. (2008) sind für alle Bodenarten und Trockenrohdichten sowie für unterschiedliche geologische Ausgangssubstrate pF-Kurven beschrieben.
Der stark unterschiedliche Verlauf der drei Kurven wird durch die unterschiedlichen Anteile an Grob-, Mittel- und Feinporen verursacht. Der Tonboden hat überwiegend Feinporen und verfügt über wenig Mittel- und Grobporen. Der Schluff dagegen hat sehr viele Mittelporen, deutlich weniger Feinporen und moderate Anteile an Grobporen. Der Sand schließlich hat überwiegend Grob- und Mittelporen und nur sehr wenig Feinporen.
Abb. 5-1 | Beziehung zwischen Wassergehalt und Wasserspannung für verschiedene Bodenarten (nach Horn et al. 2010).
Die Wassergehalte im Ton nehmen erst bei sehr hohen Wasserspannungen ab, und selbst bei einem pF-Wert von > 4,2 ist der Wassergehalt im Boden noch sehr hoch. Anders bei Schluff: Hier nimmt der Wassergehalt kontinuierlich bei steigenden Wasserspannungen ab. Im Sand schließlich tritt schon bei Erreichen niedriger Wasserspannungen ein schneller Abfall der Wassergehalte ein, und bei hohen pF-Werten befindet sich nur noch sehr wenig Wasser in den Poren. Der Lehm nimmt im Verlauf der pF-Kurve eine mittlere Stellung zwischen Sand und Ton ein. Aus Abb. 5-1 ist auch ersichtlich, dass bei gleichem Wassergehalt die Bindungsstärke, als Matrixpotenzial bezeichnet, in der Reihenfolge Sandboden < Lehm < Tonboden zunimmt, also mit steigendem Tongehalt. Dies erklärt, warum sich im Falle eines Wassergehalts von 20 % ein Sandboden nass, ein Schluffboden feucht und ein Tonboden trocken anfühlt. Die zunehmende Bindungsstärke des Wassers bei kleiner werdenden Bodenpartikeln beruht auf einer Zunahme der adsorbierenden Oberfläche. Ein Boden, der entwässert wird, hat bei gleicher pF- Stufe höhere Wassergehalte als bei Bewässerung. Dieser Effekt wird als Hysterese bezeichnet. Ursache sind diskontinuierliche Porenradien, die sich unterschiedlich auswirken.
Kennwerte der pF-Kurve
Gesamtporenvolumen (GPV): Das Gesamtporenvolumen stellt die Summe aller Hohlräume dar und entspricht dem Wassergehalt bei Sättigung, d.h., die Wasserspannung ist gleich null. Das GPV variiert zwischen ca. 48–50 Vol.-% in Tonböden, 40–45 Vol.-% in Schluffen und 38–42 Vol.-% in Sanden.
Feldkapazität (FK): Feldkapazität herrscht dann vor, wenn die Grobporen eines Bodens durch die Wirkung der Schwerkraft entwässert sind, d.h., nur noch Wasser in den Mittel- und Feinporen gegen die Schwerkraft im Boden gehalten wird. In Abhängigkeit von den Klimabedingungen entspricht der Wassergehalt zumeist im Winter FK, wenn das Wasserdefizit des Sommers (Verdunstung > Niederschlag, im Winter umgekehrt) wieder aufgefüllt ist. Die FK nimmt pF-Werte < 2,5 ein und liegt zumeist im Bereich von pF = 1,8 bis pF = 2,5.
Nutzbare Feldkapazität (nFK): Den Porenanteil der Mittelporen, der das pflanzenverfügbare Wasser enthält, bezeichnet man als nutzbare Feldkapazität (nFK): Sie ist die Wassermenge zwischen Feldkapazität und permanentem Welkepunkt und als Porenraum zwischen pF = 1,8 (pF = 2,0) und pF = 4,2 definiert.
Luftkapazität (LK): Der Porenanteil zwischen dem Gesamtporenvolumen und der Feldkapazität wird als Luftkapazität (< pF = 1,8) bezeichnet. Er umfasst den Anteil der weiten Grobporen. Diese Poren enthalten aufgrund der Wirkung der Schwerkraft nur dann kurzzeitig Wasser, wenn infiltrierendes Niederschlagswasser zu einem zwischenzeitlichen Wasserüberschuss oder sogar zu Bodensättigung führt. Ein Boden sollte mindestens 7–8 Vol.-% Luftkapazität haben, damit eine ausreichende Durchlüftung gewährleistet ist.
Merksatz: Die Kennwerte Gesamtporenvolumen, Luftkapazität, Feldkapazität und nutzbare Feldkapazität beschreiben den Porenraum im Boden.
Permanenter Welkepunkt (PWP): Beim permanenten Welkepunkt sind die Grob- und Mittelporen entwässert. Der verbleibende Restwasseranteil befindet sich in den Feinporen, in denen er mit einer Wasserspannung von pF > 4,2 (entspricht > 15 000 hPa) fest gebunden ist. Ab diesem Punkt beginnen Pflanzen irreversibel zu welken, weil die Wurzeln nicht in der Lage sind, diesen Poren das Wasser zu entziehen. Dieses restliche, aber nicht mehr pflanzenverfügbare Wasser bezeichnet man als Totwasser. Tab. 5-2 gibt einen Überblick über die Größenordnungen der o.g. Parameter sowie eine Bewertung durch fünf Stufen. Aus den oben dargelegten Zusammenhängen ergeben sich folgende einfache Beziehungen:
Tab. 5-2 | Einstufung bodenphysikalischer Kennwerte der Wasserbindung in Vol.-% (nach AG Boden 2005).
Box 5.1
Bestimmung der pF-Kurve
Die Bestimmung der pF-Kurve erfolgt häufig nach DIN/ISO 11274. Für den Bereich pF < 2,0 werden wassergesättigte Bodenproben schrittweise mittels Unterdruck entwässert. Dabei setzt man einen mit Boden gefüllten Stechzylinder auf eine keramische Platte oder Membran und entwässert die Probe bei einer bestimmten Druckstufe, bis sich der Wassergehalt nicht mehr ändert. Dann wird über eine Wägung der verbleibende Wassergehalt im Boden bestimmt. Danach wird die Entwässerung bis zur nächsten Druckstufe weitergeführt etc. In höheren pF-Stufen werden die Proben in einen speziellen Drucktopf (vgl. Abb. 5-2) eingebracht und mit Überdruck entwässert.
Abb. 5-2 | Drucktopfapparatur (Foto: Gerd Wessolek).
Abb. 5-3 | HYPROP© Verdunstungsverfahren (Foto: Gerd Wessolek; HYPROP© UMS GmbH München).
Eine weitere Methode ist das HYPROP© Verdunstungsverfahren (vgl. Abb. 5-3) zur Bestimmung der pF-Kurve und der ungesättigten Leitfähigkeit. In einen 250-ml- Stechzylinder werden dazu zwei Tensiometerzellen in unterschiedlichen Höhen eingebaut und während der Verdunstungsphase sowohl die Gewichtsveränderungen als auch die Wasserspannungen kontinuierlich aufgezeichnet. Somit können in verschiedenen Tiefen gleichzeitig die pF-Kurve und die ungesättigte Wasserleitfähigkeit ermittelt werden.
Die Bestimmung der pF-Kurve ist aufwendig, kostspielig und erfordert entsprechende Apparaturen. Daher wurden sogenannte Pedotransferfunktionen entwickelt. Dabei handelt es sich um Rechenansätze bzw. Gleichungen, die eine Abschätzung bodenhydraulischer Kennwerte aus einfach zu bestimmenden oder routinemäßig vorliegenden Daten ermitteln. So werden für die Berechnung der pF-Kurve Angaben wie Textur und Lagerungsdichte genutzt.
Nutzbare Feldkapazität im effektiven Wurzelraum
Um für Pflanzen den effektiv nutzbaren Bodenwasserspeicher zu beschreiben, werden neben Angaben zur nutzbaren Feldkapazität (nFK) zusätzliche Informationen zur Durchwurzelung des betreffenden Standorts benötigt. Zur Beschreibung der effektiv wirksamen Wasseraufnahme durch Wurzeln hat sich das Konzept des effektiven Wurzelraums (We) bewährt. Es erlaubt eine einfache geometrische Festlegung, bis in welche Tiefe die jeweiligen Pflanzenbestände den Wasservorrat des Bodens vollständig ausschöpfen können. Aus Geländeuntersuchungen zur Durchwurzelung und Wasserentnahme ist bekannt, dass der effektive Wurzelraum ungefähr aus der
