Vorlesung B06011 Boden- und Umweltphysik. Thilo Streck Universität Hohenheim

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1 Vorlesung B06011 Boden- und Umweltphysik Thilo Streck Universität Hohenheim

2 Der Bodenwärmehaushalt ist von großer Bedeutung für den Pflanzenwuchs die Verdunstung die mikrobielle Aktivität den Stoffumsatz, speziell den Gashaushalt, des Bodens.

3 Bodenwärmehaushalt 1. Solarkonstante 2. Globalstrahlung 3. Nettoeinstrahlung 4. Energiebilanz an der Bodenoberfläche 5. Auswirkung auf Tiefenprofile der Bodentemperatur im Tages- und Jahresverlauf Tages- und Jahresgänge der Bodentemperatur im Boden 6. Mathematische Formulierung der Wärmeleitung 7. Parameter der Wärmeleitungsgleichung

4 Strahlungsverteilung am Rand der Atmosphäre Jury et al. (1991)

5 Aufteilung der Einstrahlung Jury et al. (1991)

6 Albedo Jury et al. (1991)

7 Temperaturisochronen im Frühjahr Richter (1986)

8 Tagesgang der Temperatur im Frühjahr Richter (1986)

9 Temperaturprofile im Februar und August Richter (1986)

10 Maximale Globalstrahlung in Abhängigkeit von der geographischen Breite Lerch (1991)

11 Verteilung der Globalstrahlung (Jahressummen) Lerch (1991)

12 Einstrahlung (a) und Ausstrahlung (b) Lerch (1991)

13 Täglicher und jährlicher Temperaturgang im Boden Lerch (1991)

14 Temperaturen bei Ein- und Ausstrahlung Lerch (1991)

15 Strahlungsbilanz in einer Wiese im Mai Lerch (1991)

16 Beispiel Energie- Brache Ackerboden anteil trocken bewässert S/R N H v ET/R N J H /R N Jury et al. (1991)

17 Bodenwärmehaushalt Strahlungs- und Energiebilanz Strahlungsbilanz: R N = (1 a)r s + R nt Energiebilanz: R N = S + J H + H v ET wobei: R N Nettoeinstrahlung W m 2 a Albedo W m 2 R S Globalstrahlung W m 2 R nt langwellige Nettoeinstrahlung W m 2 S Strom fühlbarer Wärme W m 2 J H Bodenwärmestrom W m 2 H V ET Strom latenter Wärme W m 2 H V Verdampfungsenthalpie, Wasser J g 1 ET Evapotranspiration g m 2 s 1

18 Spezifische Wärmekapazität Material c m ρ c v = ρc m J g 1 K 1 g cm 3 J cm 3 K 1 Ton, Quarz Org. Substanz Wasser Eis Luft Sehr starke Abhängigkeit vom Wassergehalt des Bodens! Richter (1986)

19 Material Wärmeleitfähigkeit J cm 1 s 1 K 1 Quarz Ton Org. Substanz Wasser Eis Luft Trockener Sand Sehr starke Abhängigkeit vom Wassergehalt des Bodens! λ Richter (1986)

20 Wärme- und Temperaturleitfähigkeit als Funktion des Wassergehaltes im Boden Jury et al. (1991)

21 Volumetrische Wärmekapazität und Temperaturleitfähigkeit als Funktion des Bodenwassergehaltes Richter (1986)

22 Wärmeleitfähigkeit als Funktion von Wassergehalt und Wasserspannung Richter (1986)

23 Wärmeleitfähigkeit als Funktion von Wassergehalt und Lagerungsdichte Jury et al. (1991)

24 Periodizität der Bodentemperatur Tagesgang Jahresgang Jury et al. (1991)

25 Berechnete Temperaturprofile im Mittleren Westen der USA Jury et al. (1991)

26 Klassifikation der Randbedingungen von partiellen Differentialgleichungen 1. Art (Dirichlet) Beispiel u(rand, t) = f T (z = 0, t) = T 0 2. Art (Neumann) u T z (Rand, t) = f z = 0 3. Art (Cauchy) u(rand, t) + α u z (Rand, t) = f wobei

27 f = 0 f 0 f = f(t) homogene Randbedingung inhomogene Randbedingung zeitabhängige Randbedingung

28 Numerische Berechnung der Temperaturverteilung im Bodenprofil Richter (1986)

29 Grundgleichung zur Beschreibung des Wärmehaushaltes c v T t = z ( λ T ) z Parameter(funktionen) c v Volumenbezogene Wärmekapazität J m -3 K -1 λ Wärmeleitfähigkeit J m -1 s -1 K -1 α T Temperaturleitfähigkeit m 2 s -1

30 Realität Problem ist dreidimensional, transient Boden ist horizontiert, strukturiert und heterogen Rückkopplungen

31 Vereinfachungen Reduktion der Dimensionalität Vernachlässigung von Rückkopplungen Statistische Systematisierung oder Vernachlässigung der Heterogenität Konstanz der Randbedingungen Stationäres Gleichgewicht Statisches Gleichgewicht

32 Typische O 2 - und CO 2 -Profile im Boden Richter (1986)

33 CO 2 -Profile im Jahresverlauf Richter (1986)

34 CO 2 -Profile in der Bodenluft nach Stoppelumbruch Franken (1966)

35 Unterwasserlagerung von Gasproben Geries (1989)

36 O 2 - und CO 2 -Profile in der Porenluft eines Lößbodens Geries (1989)

37 Versuchsaufbau zur Volatilization von Methylbromid Jin & Jury (1995)

38 Volatilization von Methylbromid mit Wassersperrschichten 74% 99% Wiederfindung 32% 4% Jin & Jury (1995)

39 D S -Profile in einem bearbeiteten und einem unbearbeiteten Boden Richter (1986)

40 Berechnung des Tortuositätsfaktors in geschütteten Böden Jury et al.(1991)

41 Der Tortuositätsfaktor in ungestörten Böden Willembokel (1991)

42 Die Tortuosität in Ackerböden Willembokel (1991)

43 Abhängigkeit des scheinbaren Diffusionskoeffizienten vom relativen Luftgehalt Richter (1986)

44 Diffusionskoeffizienten-, Luft- und Wassergehaltsprofil θ Richter (1986)

45 Tiefenprofil des scheinbaren Diffusionskoeffizienten in einem Lößboden im Frühjahr Richter (1986)

46 Produktion, Konzentration und Fluß von CO 2 in einem oberflächlich verschlämmten Schluffboden Richter (1986)

47 CO 2 -Produktion in einer Parabraunerde aus Löß Scheffer/Schachtschabel (1989)

48 Tagesgang des CO 2 -Oberflächenflusses in einem Sandboden bewachsen unbewachsen Bewölkungseffekt Richter (1986)

49 Jahresgang des CO 2 -Oberflächenflusses in verschiedenen Böden Schluff Sand Lehm Richter (1986)

50 CO 2 -Produktion (Tagesmittel) in einem Sandboden Richter (1986)

51 CO 2 -Produktionsprofile in einem Sandboden im Juni Richter (1986)

52 CO 2 -Produktion und -umsatz von Baumschulböden Bodenart CO 2 -Jahresproduktion C-Umsatz C-Umsatz/C-Menge kg m -2 kg m -2 in 0.1 m Krume Sand % Schluff % Lehm % Annahme: Boden hat 2 % C org = 3 kg m kg ha -1 entsprechen etwa der C-Menge der ober- und unterirdischen Ernterückstände ackerbaulicher Kulturen. Richter (1986)

53 Der Bodenwasserhaushalt ist wichtig für die Wasseraufnahme der Pflanzen die Wärmespeicherung und -leitung im Boden den Gasaustausch und damit die Boden- und Wurzelatmung den Transport und Umsatz von gelösten Stoffen wie Ionen und Pflanzenschutzmitteln

54 Die klimatische Wasserbilanz N ET N: ET: S: Θ: Niederschlag Evapotranspiration Sickerwasser Speicheränderung S N - ET - S = Θ

55 Klimatische Wasserbilanz in Mecklenburg-Vorpommern Mittel der Jahre mm Niederschläge 663 mm 100 Evapotranspiration mm Sickerwasser/Grundwasserneubildung mm 0 50 Wasserspeicherung 0 ca. 0 mm -50 NOV DEZ JAN FEB MRZ APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT Lysimeter Lysewitz

56 Definitionen Volumetrischer Wassergehalt Wasservolumen pro Bodenvolumen, keine Einheit Gravimetrischer Wassergehalt Wassermasse pro Bodenvolumen, Einheit g dm -3

57 Messung des volumetrischen Wassergehaltes Gravimetrische Messung TDR-Sonde (time domain reflectometry) Gammasonde Neutronensonde Geophysikalische Verfahren

58 Gravimetrische Messung des volumetrischen Wassergehaltes 1. Entnahme von Bodenproben mit Stechzylindern, Wägung 2. Trocknung bei 105 o C, Wägung 3. Aus dem Massenverlust bei der Trocknung kann der volumetrische Wassergehalt errechnet werden: θ V = (M feucht M trocken ) 1 ρ W asser V Zylinder

59 Time domain reflectometry (TDR) Bestimmung des volumetrischen Wassergehaltes über die Laufzeit einer elektromagnetischen Welle im Boden Die Laufzeit hängt von der Dielektrizitätskonstante des Bodens ab, die ihrerseits entscheidend vom Wassergehalt beeinflußt wird. TDR-Sonden Meßbereich in z-richtung

60 Zustand des Wassers im Boden Gvirtzman et al. (1987)

61 Zustand des Wassers im Boden Vergrößerung Gvirtzman et al. (1987)

62 Zur Erklärung der Oberflächenspannung Bergmann/Schäfer (1990)

63 Zur Messung der Oberflächenspannung x

64 Der Kapillar- oder Krümmungsdruck In engen Bodenporen (Kapillaren) sind die Grenzflächen zwischen Bodenwasser und Bodenluft als Folge der Adhäsion an den Porenwänden bei gleichzeitigem Zug infolge der (kohäsiv vermittelten) Schwerkraft gekrümmt. Die Krümmung ist mit einem Drucksprung verbunden (1. Laplacescher Satz): P = σ ( 1 r r 2 ) wobei σ Oberflächenspannung J m 2 r 1, r 2 Hauptkrümmungsradien m

65 Sonderfälle In einer Kapillare aus sauberem Glas gilt: P = 2σ R Zwischen zwei parallelen Platten aus sauberem Glas gilt: P = σ R wobei σ Oberflächenspannung J m 2 R Radius der Kapillare bzw. m Abstand zwischen den Glasplatten

66 Sattelförmiger Wassermeniskus Gvirtzman et al. (1987)

67 Die Druckverteilung in einer Kapillare P = 1 atm z P = 2 σ r r Druck P

68 Anwendungsbeispiel

69 Saugplatte zur Messung der Retentionskurve Jury et al. (1991)

70 Drucktopf zur Messung der Retentionskurve Jury et al. (1991)

71 Oberflächenkrümmung und Matrixpotential Childs (1969)

72 Drucktopf zur Messung der Retentionskurve Miller & Miller (1956)

73 Retentionskurven für die Hauptbodenarten Scheffer/Schachtschabel (2002)

74 Die Retentionskurve, schematisch Vol. Wassergehalt nicht pflanzenverfügbar grundwasserstandsabhängig pflanzenverfügbar strukturelle texturelle Speicherung pflanzenverfügbar Ton Schluff Sand cm WS pf Matrixpotential ψ m, Wasserspannung nach Richter (1986)

75 Tensiometer zur Messung des Matrixpotentials FERG (2001)

76 Piezometer und Tensiometer

77 Matrixpotentiale in einem Löß mit Winterweizen McVoy (1993)

78 Matrixpotentiale in einem Löß in 1.5 m Tiefe McVoy (1993)

79 Die hydraulische Leifähigkeit Richter (1986)

80 Hydraulische Leifähigkeit und Bodenbearbeitung Richter (1986)

81 Zustandsvariable des Wasserhaushaltes im Boden Freeze & Cherry (1979)

82 Gesättigt-ungesättigte Wasseranströmung an einen Drän Freeze & Cherry (1979)

83 Definitions des Differentials Zachmann (1987)

84 Wirkung eines kurzen Niederschlages auf einen unbewachsenen Lößboden Richter (1986)

85 Wirkung eines Dauerregens auf einen unbewachsenen Lößboden Richter (1986)

86 Austrocknungsvorgang bei einem Lößboden Richter (1986)

87 Spezifische Speicherfähgikeit für verschiedene Bodenarten Richter (1986)

88 Auffüllung eines Schluffbodens im Winterhalbjahr Richter (1986)

89 Stationäre Profile des Matrix-Potentials, Sandboden Richter (1986)

90 Kapillarer Aufstieg und Wasserflußdichte Richter (1986)

91 Das hydraulische Potential im Soil-Plant-Atmosphere-Continuum Hillel (1998)

92 Matrixpotential und Abstand zur Pflanzenwurzel Gardner (1960)

93 Berechnung der potentiellen Verdunstung Penman-Gleichung Nettoeinstrahlung Lufttemperatur Sättigungsdefizit der Luft Windgeschwindigkeit Haude-Gleichung Sättigungsdefizit der Luft

94 Die Penman-Gleichung H V ET = φ (R N J H ) + H V ET φ + 1 mit wobei H v ET = (e e) f(u) H V : Verdampfungsenthalpie des Wassers J kg 1 ET : Evapotranspiration kg m 2 s 1 H V ET : Isothermer Strom latenter Wärme W m 2 R N : Nettoeinstrahlung W m 2 J H : Bodenwärmestrom W m 2 : Steigung der Dampfdruckkurve an der Stelle T Pa K 1 φ: Psychrometer-Konstante Pa K 1 u: Windgeschwindigkeit m s 1 Jury et al. (1991), nach Penman (1948)

95 Abhängigkeit der Transpirationsrate von der Wasserspannung Hillel (1998), nach Denmead und Shaw (1962)

96 Vergleich der Verdunstung nach Penman und Haude mit Lysimeterdaten Penman Penman Haude Haude Altfelder (1994)

97 Der Stoffhaushalt des Bodens ist wichtig für die Ernährung der Kulturpflanzen und deren Düngung die Belastung von Kulturpflanzen mit Schadstoffen die Auswaschung von grundwassergefährdenden Stoffen (z.b. Nitrat, Schwermetalle, Pflanzenschutzmittel)

98 Verlagerung von Chlorid in einem homogenen Lößboden Richter (1986)

99 Ist Chlorid ein idealer Tracer? Wierenga & van Genuchten (1989)

100 Anionen-Profile im Feld Vorbelastung November Januar März Salzmann (1993)

101 Kationen-Profile im Feld Vorbelastung November Januar März Salzmann (1993)

102 Stoffdurchbruch durch eine Bodensäule Verteilungskoeffizienten (L/kg) Bromid 0 Atrazin 0.09 Terbuthylazin 0.22 Lennartz (1992)

103 Verlagerung des Herbizides Chlortoluron in einem Sandboden Soil depth (cm) Total concentration (mg kg -1 ) Monat 54 mm 2 Monate 115 mm 4 Monate 305 mm Zander et al. (1999)

104 Abbau des Herbizides Chlortoluron in einem Sandboden Recovered mass (mg m -2 ) Measured data Modeled, daily temperature Modeled, 3 C Modeled, 3 C, 95% conf. limits Time (days) since application Zander et al. (1999)

105 Zur Erklärung der hydrodynamischen Dispersion Gisi (1997)

106 Transportmodellierung im aggregierten Boden A) Wirklichkeit B) Darstellung im Modell van Genuchten und Wierenga (1976)

107 Chlorid-Durchbruch durch gestörten und ungestörten sandigen Lehm Khan und Jury (1990)

108 Modellierung des Chlorid-Durchbruchs durch einen ungestörten sandigen Lehm Mobile-immobile model Convection dispersion eq. Khan und Jury (1990)

109 Klassifizierung von Sorptionsisothermen Sposito (1989)

110 Sorptionsisothermen Sorbierte Konzentration Lineare Isotherme Freundlich-Isotherme 20 Langmuir-Isotherme Lösungskonzentration Sigmoidale Langmuir-Isotherme

111 Schwermetall-Sorptionsisothermen mit Kompetition in einer Seemarsch Filius (1992)

112 Durchbruchskurven für den C-Horizont eines Podsols Verteilungskoeffizienten (L/kg) Bromid 0 Atrazin 0.09 Terbuthylazin 0.22 Lennartz (1992)

113 Problemfelder Heterogenität von Böden Präferentieller Fluß und Transport Kinetische Sorption und -festlegung von Umweltchemikalien, insbesondere auf grossen Zeitskalen Bildung und Festlegung von DOM (dissolved organic matter) Partikelgebundener Transport von Umweltchemikalien Transport von Pathogenen (Bakterien und Viren)

114 Wassergehalte und Bromid-Profile in einem Sandboden Vol. Wassergehalt Bromid - Konzentration (mg L -1 ) Bodentiefe (m) Langsamster Peak Schnellster Peak Zander et al. (1999)

115 Bromidtransport in einem lehmigen Sand Butters & Jury (1989)

116 Anstieg der Dispersivität mit der Transportdistanz Butters & Jury (1989)

117 Bromid- und Herbizid-Konzentrationen im Dränwasser eines sandigen Lehms Herbicide concentration (mg L -1 ) Bromide Carbetamide Bromide concentration (mg L -1 ) Dimefuron Date Michaelsen (1999)

118 Transport von Bromid, Latextracern und E. coli in einem Sandboden Unveröffentlichte Daten von J. Sommer, JLU Gießen

119 Transport von E. coli in einem Sandboden Messung und Modellierung 0.20 Säule Säule C/C C/C Porenvolumen Porenvolumen Moenickes et al. (2000)

120 Einfluß von Makroporen auf den Transport von E. coli Messung und Modellierung Säule Säule C/C C/C Tage Tage Moenickes et al. (2000)