Bodenwasser-Dynamik

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Umweltdaten Bericht 2024 01.11.2024

Die Böden in Baden-Württemberg erleben seit 2015 eine Trockenphase

Veränderungen der Bodenwasser-Dynamik wirken sich auf die stoffliche Entwicklung der Böden aus.

Modellierter Verlauf der Bodenfeuchte unter dem Aspekt der im Boden herrschenden Saugspannung für den Zeitraum 2006 bis 2024 und bis 190 cm Tiefe.© LUBW
Modellierter Verlauf der Bodenfeuchte unter dem Aspekt der im Boden herrschenden Saugspannung für den Zeitraum 2006 bis 2024 und bis 190 cm Tiefe.© LUBW

Die LUBW hat im Rahmen ihres Langzeit-Monitoring-Programms der Bodendauerbeobachtung die Aufgabe, den Zustand und die Veränderungen der Böden in Baden-Württemberg festzustellen und zu dokumentieren. Am besten gelingt dies, wenn neben den momentanen Zustandsgrößen wie pH-Wert oder bestimmte Stoffgehalte zusätzlich die im Boden ablaufenden Prozesse miterfasst werden.

Die Bodenwasser-Dynamik beschreibt, was mit dem Regenwasser im Boden passiert

Ein wichtiger Prozess ist dabei die Durchdringung des Bodens mit Regenwasser. Regen fällt auf den Boden und sickert in den Porenraum des Bodens ein, wird dort zu bestimmten Anteilen durch Kapillarkräfte zurückgehalten, zu anderen Teilen in tiefere Bodenschichten weitergeleitet, während parallel dazu die Pflanzenwurzeln einen weiteren Teil für ihr Wachstum entziehen. Eng gekoppelt an diese Bodenwasser-Dynamik ist die Stoffdynamik der Böden, die zu den wichtigsten Treibern für Bodenveränderungen zählen. Stoffe werden gelöst und mit dem Bodenwasser transportiert, wo sie in tieferen Bodenschichten in unterschiedlichem Maße zurückgehalten werden oder ins Grundwasser gelangen.

Das Gesamtbild entsteht in einem Simulationsprogramm

Die Bodenwasser-Dynamik selbst ist leider nicht unmittelbar durch Messungen zugänglich. Sie kann derzeit nur mithilfe von numerischen Modellen berechnet werden, die aber so eingestellt werden können, dass sie die natürlichen Bedingungen in guter Näherung nachbilden.

Hier finden Sie Informationen zum Einsatz der numerischen Modelle

Zeitlicher Verlauf der Bodenfeuchte im Bodenprofil

Die Graphiken im Slider zeigen den modellierten Verlauf der Bodenfeuchte unter dem Aspekt der im Boden herrschenden Saugspannung für den Zeitraum 2006 bis 2023 und bis 190 Zentimeter Tiefe.

Informationen zur Saugspannung können Sie hier lesen.

Es zeigen sich regelmäßig die sommerlichen Austrocknungsphasen, die von oben nach unten in immer tiefere Bodenschichten vordringen. In diesen Zeiten erhöhter Verdunstung reichen die Niederschläge (die blauen Infiltrations“finger“) nicht mehr zur Versorgung der Pflanzen aus, die deshalb auf das im Boden gespeicherte Wasser zurückgreifen müssen. Erst im Winter, mit Beginn der Vegetationsruhe und deutlich abnehmender Verdunstung, vermögen die Niederschläge schließlich den Bodenwasserspeicher in der Regel wieder von oben nach unten aufzufüllen. War aber die Austrocknung des Bodens außerordentlich stark oder die winterliche Auffüllung außerordentlich schwach, wird der Bodenwasserspeicher nur zum Teil gefüllt, mit ungünstigen Konsequenzen für das Folgejahr. Kritisch kann es für manche Pflanzen werden, wenn mehrere solcher Trockenjahre in Folge auftreten, wie zuletzt in den Jahren 2018/19 und 2019/20 sowie in schwächerer Form anhaltend bis Ende 2023. Am Standort Baltmannsweiler wachsen jedoch große Nadelbäume, deren Wurzeln tiefer als die modellierten 190 cm reichen, so dass ihnen das dort vorhandene Wasser sehr wahrscheinlich bei der Überbrückung helfen kann.

Zeitlicher Verlauf des Bodenwasservorrats

Die Grafik zeigt die gesamte Wassermenge in mm bzw. Liter pro Quadratmeter, die im Bodenprofil bis 190 cm Tiefe gespeichert war, im jahreszeitlichen Verlauf der Jahre 2006 bis 2023. Zusätzlich sind die Minima und Maxima der Füllstände dargestellt, die für jeden Jahrestag innerhalb der Zeitreihe bisher aufgetreten sind.

Der maximale Bodenwasservorrat beträgt etwa 600 Liter pro Quadratmeter, das entspricht der Menge Wasser, die dieser Boden natürlicherweise in seinem Porensystem festzuhalten vermag (Fachbegriff: Feldkapazität). Der minimale Füllstand bewegt sich um die 160 Liter pro Quadratmeter und kann ab dem Frühsommer bis in den Winter hinein an diesem Standort auftreten. Unabhängig von der Stärke der jeweiligen Austrocknung wird er aber niemals unterschritten. Bei diesen 160 Liter pro Quadratmeter handelt es sich um das Wasser, an das die Pflanzen aufgrund sehr hoher Saugspannungen nicht mehr herankommen können (Fachbegriff: Totwasser). Der von den Pflanzen ausschöpfbare Bodenwasservorrat beträgt somit lediglich 440 Liter pro Quadratmeter (Fachbegriff: nutzbare Feldkapazität). Vorratsangaben aus der Literatur beziehen sich immer auf eine anzugebende Bodentiefe, konventionell wird dabei häufig von 1 Meter Bodentiefe ausgegangen.

Die beiden dargestellten Jahresverläufe des Bodenwasservorrats 2011 und 2023 folgen dabei den zugehörigen Profilverläufen bei den Saugspannungen.

Zeitlicher Verlauf ausgesuchter Wasserflüsse

Die bisher dargestellten zeitlichen Zustandsverläufe des Bodenwassers werden durch Wasserflüsse hervorgerufen. Diese sind für viele Fragestellungen das primäre Ziel bei der Untersuchung der Bodenwasser-Dynamik. An Intensiv-Messstellen beispielsweise werden die Sickerraten in den Einbautiefen der Saugsonden benötigt, um mit dem Sickerwasser transportierte Stofffrachten berechnen zu können (20 Jahre Bodendauerbeobachtung in Baden-Württemberg, LUBW 2008). Von Interesse können aber auch Interzeptionsprozesse im Kronenraum sein oder die Tiefensickerung aus dem Modell, die als Näherung für eine Grundwasserspende für den Landschaftswasserhaushalt dienen kann.

Es wird deutlich, wie die Flussraten vom Freiland-Niederschlag über den Bestands-Niederschlag unter den Baumkronen und anschließend während der Bodenpassage mit der Bodentiefe kontinuierlich abnehmen, da das Wasser vor allem durch Verdunstung, im Boden auch zur Auffüllung des Speichers, abgezogen wird. In entsprechenden Trockenjahren kann das dazu führen, dass kein Wasser das System nach unten verlässt, es also vollständig durch Verdunstung wieder in die Atmosphäre gelangt.

Warum es wichtig ist, die Bodenwasser-Dynamik zu untersuchen

Die Kenntnis der genauen Sickerraten und Wasserflüsse ist wichtig, um die mit dem Wasser transportierten Stofffrachten berechnen zu können. Denn eng gekoppelt an die Bodenwasser-Dynamik ist die Stoffdynamik der Böden, die zu den wichtigsten Treibern für Bodenveränderungen zählen. Stoffe werden gelöst und mit dem Bodenwasser transportiert, wo sie in tieferen Bodenschichten in unterschiedlichem Maße zurückgehalten werden oder ins Grundwasser gelangen.

Datenverfügbarkeit Bodenwasser-Dynamik

Die Daten können für weitere wissenschaftliche Zwecke auf Anfrage zur Verfügung gestellt werden, weitere Standorte sind sukzessive in Bearbeitung.


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