HUMBOLDT-UNIVERSITÄT ZU BERLIN Landwirtschaftliche Gärtnerische Fakultät. TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fakultät VI- Planen, Bauen, Umwelt

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1 HUMBOLDT-UNIVERSITÄT ZU BERLIN Landwirtschaftliche Gärtnerische Fakultät in Kooperation mit TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN Fakultät VI- Planen, Bauen, Umwelt Einfluss von Biochar auf bodenphysikalische Parameter Masterarbeit im Studiengang: Integrated Natural Resource Management vorgelegt von: Abel, Stefan 1.Betreuerin: Prof. Dr. Zeitz, Jutta Fachgebiet Bodenkunde und Standortlehre Humboldt-Universität zu Berlin 2.Betreuer: Prof. Dr. Wessolek, Gerd Fachgebiet Standortkunde und Bodenschutz Technische Universität Berlin Berlin, den 16. Mai 2011

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3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Zielstellung 1 2 Stand der Forschung 3 3 Experimentelle Untersuchungen Wasserretention Stationäre Meßmethode Material und Methoden Ergebnisse Auswertung und Diskussion Methodische Probleme der Mess- und Erfassbarkeit Verdunstungsmethode Material und Methoden Ergebnisse und Diskussion Hysterese Material und Methoden Ergebnisse und Diskussion Hydrophobie Material und Methoden Ergebnisse Auswertung und Diskussion Freilandversuch Material und Methoden Ergebnisse und Diskussion Wasserretention Wasserleitfähigkeit, Erodibilität und Erwärmung Abschlieÿende Bewertung 52 5 Zusammenfassung 54 Literatur 57 Anhang 69 i

4 Tabellenverzeichnis 1 Korngrößenverteilung der verwendeten Bodensubstrate C t und Humusgehalt der verwendeten Bodensubstrate Kennwerte der Biochars TRD und GPV Regressionskoeffizient der TRD-Abnahme pro m% BC Luftkapazität Parameter des Van Genuchten Modells Totwasser Parameter des Van Genuchten Modells Hysterese Kennwerte des Wasserhaushaltes WDPT der Substrate mit Benetzungshemmung Korngrößenverteilung Freilandversuch Durchschnittliche TRD zu verschiedenen Zeitpunkten Porenverteilung Gesättigte Wasserleitfähigkeit Abbildungsverzeichnis 1 Struktur pyrolysierter BC Struktur hydrothermal karbonisierter BC Aufnahme einer in die Porenräume der BC eindringende Mykorrhiza Elektronenmikroskopische Aufnahme der verwendeten Biochars FK des Substrates A mit verschiedenen Mengenanteilen Biochar Anpassung der Ergebnisse des Substrates A mit P-BC an das Van Genuchten Modell Anpassung der Ergebnisse des Substrates A mit H-BC an das Van Genuchten Modell Anpassung der Ergebnisse des Substrates A mit BC an das bimodale Van Genuchten Modell Einfluss der BC auf die Porengrößenverteilung FK der Substrate B; C; D mit verschiedenen Mengenanteilen P-BC FK der Substrate B; C; D mit verschiedenen Mengenanteilen H-BC ii

5 12 Substrat: B; C; D: Differenz der nfk zwischen den mit P-BC versetzten Substrate und der Nullvariante Substrat B; C; D: Differenz der nfk zwischen den mit H-BC versetzten Substrate und der Nullvariante FK des Substrates E mit verschiedenen Mengenanteilen BC Skizze HYPROP c Anpassung der Ergebnisse des Substrates A mit P-BC an das Van Genuchten Modell Anpassung der Ergebnisse des Substrates A mit H-BC an das Van Genuchten Modell K u des Substrates A mit P-BC K u des Substrates A mit H-BC Skizze der Versuchsapparatur Equi-pF Hystereseschleife des Substrates A ohne BC Hystereseschleife des Substrates A mit 1 m% P-BC Hystereseschleife des Substrates A mit 2,5 m% P-BC Hystereseschleife des Substrates A mit 5 m% P-BC Elektronenmikroskopische Aufnahme abrupt endender Porenräume der BC Elektronenmikroskopische Aufnahme der Buchenholzkohle Verlauf des Wassergehaltes nach anhaltenden Niederschlägen Erosion Erwärmung Aufnahme der Substrate Liste der verwendeten Abkürzungen BC Biochar GPV Gesamtporenvolumen FK Feldkapazität H-BC Biochar, hydrothermaler LK Luftkapazität Herstellungsprozess nfk nutzbare Feldkapazität pf negativ dekadischer Logarithmus P-BC Biochar, Herstellung Pyrolyse der Wasserspannung TOT Totwasser TRD Trockenrohdichte Ψ Matrixpotential Θ, WG Wassergehalt iii

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7 Abstract Anhand von verschiedenen Bodensubstraten wurde im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss von BC auf die Wasserretention untersucht. Dabei wurden Reinsande und schwach lehmige Sande mit 1; 2,5 und 5 m% BC vermengt. Es wurde sowohl eine durch Pyrolyse hergestellte BC aus Mais als auch eine durch hydrothermale Karbonisierung erzeugte BC aus Maissilage verwendet. Zur Bestimmung der Wasserretention wurde die stationäre Methode und die Verdunstungsmethode nach SCHINDLER (1980) angewandt. Die durch Pyrolyse hergestellte Biochar wies zwischen der eingebrachten Menge und der nfk eine lineare Beziehung auf, mit einer maximalen Zunahme der nfk von 16 Vol%. Die hydrothermal karbonisierte Biochar zeigte hingegen keine lineare Beziehung zwischen Menge und nfk auf. Mit zunehmender Menge war eine abnehmende Steigerung der nfk zu beobachten. Die nfk erhöhte sich um maximal 21 Vol%. Die Ergebnisse der Verdunstungsmethode zeigten einen deutlich geringeren Einfluss der Biochars auf die Wasserretentionscharakteristik. Darüber hinaus wurde in einem weiteren Experiment die Hysterese bestimmt. Es zeigten sich geringe Unterschiede durch die Applikation von BC. Der Einfluss der BC auf bodenphysikalische Parameter wurde zusätzlich innerhalb eines Freilandversuches untersucht. Die BC aus pyrolysierten Buchenholz wurde mit gleichen Mengenanteil wie in den vorausgegangenen Versuchen mit dem Bodensubstrat (schwach lehmiger Sand) vermengt. Sechs Monate nach Auftragen der Substrate auf die Fläche wurden die Parameter FK, nfk und gesättigte Leitfähigkeit bestimmt. Die Ergebnisse der nfk wiesen eine Zunahme von über 4 Vol% auf. Anhand des WDPT-Test wurden alle in den Versuchen verwendete Substrate und deren unterschiedliche Mischungsverhältnisse auf ihre Benetzbarkeit untersucht. Es zeigten sich keine direkten Auswirkungen der BC auf die Benetzungseigenschaften des Bodens. v

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9 1 Einleitung und Zielstellung Eine der wichtigsten Funktionen des Bodens ist die Nutzungsfunktion als Standort für landund forstwirtschaftliche Produktion. Seit dem die horizontale Expansion der landwirtschaftlichen Flächen an ihre Grenzen gestoßen ist, ist es von großem Interesse die Ertragsfähigkeit eines Standortes zu erhöhen. Ein wesentlicher Bestandteil der Produktivitätssteigerung besteht darin, den Stoff- und Wasserhaushalt des Bodens durch gezielte Maßnahmen positiv zu beeinflussen. Neben mechanischen Eingriffen zur Verbesserung bodenphysikalischer Eigenschaften, wie z.b. die Lockerung des Bodens durch regelmäßige Bodenbearbeitung, besteht die Möglichkeit der Produktivitätssteigerung des Standortes durch den Einsatz von mineralischen oder organischen Bodenverbesserungsmittel. Mineralische Stoffe mit langzeitiger bodenverbessernder Eigenschaft werden in der Praxis seltener verwendet, häufiger hingegen werden organische Stoffe in den Boden eingebracht. Überwiegend ist der Einfluss dieser auf bodenphysikalische Parameter mineralischer Böden durch den mikrobiellen Abbau jedoch zeitlich begrenzt und nur ein geringer Teil bleibt in Form von Humin- und Fulvosäuren oder innerhalb von Ton-Humuskomplexen längerfristig im Bodenraum erhalten (MARTIN U. A., 1967). Eine besondere Resistenz gegenüber der Mineralisierung in der Klasse der organischen Verbindungen weisen Black Carbons auf (KUZYAKOV U. A., 2009). Dabei handelt es sich um hochpolymerisierte, aromatische Kohlenstoffverbindungen, die bei einer unvollständigen Verbrennung von organischer Substanz entstehen und als Meliorationsmittel in den Boden eingebracht werden können. Vor allem die nachhaltige Sequestrierung von Kohlenstoff steht bei der Applikation von Black Carbon auf landwirtschaftliche Nutzflächen im Vordergrund. Black Carbons, wie z.b. Holzkohle, weisen durch ihre räumliche und chemische Struktur Eigenschaften auf, die sich positiv auf die Fruchtbarkeit des Bodens auswirken können. So gelten z.b. die im Amazonasgebiet Brasiliens anzutreffenden Terra Pretas de Indio, die einen hohen Anteil an Black Carbons besitzen, als besonders ertragsreiche Böden. Black Carbons, die als Bodenverbesserungsmittel Biochar bezeichnet werden (LEHMANN UND JOSEPH, 2009), können durch Erhöhung der Kationenaustauschkapazität (LIANG U. A., 2006; LEHMANN, 2007) die Nährstoffverfügbarkeit erhöhen und gleichzeitig einer raschen Auswaschung von Nährstoffen entgegenwirken (GLASER U. A., 2002a). Aber auch bodenphysikalische Parameter werden durch die Eigenschaften von Black Carbons beeinflusst. In einer Reihe von Veröffentlichungen wird immer wieder auf deren positiven Einfluss auf die Wasserspeicherungsfähigkeit des Bodens im pflanzenverfügbaren Bereich hingewiesen (LEHMANN U. A., 2003; LEH- MANN, 2007; OGAWA UND OKIMORI, 2010; LEMMERMANN, 1933), bzw. hinsichtlich ihrer Auswirkung, mit verschiedenen organischen Bodensubstanzen verglichen (GLASER U. A., 1

10 2002b). Studien über die vergleichbare Kohlenstoffverbindung Braunkohle im Bodenraum weisen ebenfalls auf Änderungen in der Wasserspeicherungsfunktion hin (KATZUR, 1977; ILLNER UND THOMAS, 1970; EMBACHER, 2000). Der genauere Zusammenhang zwischen Black Carbon und der Änderung der Porenverteilung des Bodens ist jedoch bis zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht ausführlich erforscht worden. Neben dem positiven Einfluss auf den Bodenwasserhaushalt speichern Biochars Kohlenstoff über längere Zeiträume im Bodenraum und sind somit aus Sicht des Klimaschutzes von Relevanz (LEHMANN U. A., 2006). Unter diesen Aspekten scheinen Biochars ein zukunftweisendes Bodenmeliorationsmittel für ertragsarme Standorte darzustellen. Zielstellung Ziel der folgenden Arbeit ist es, den Einfluss auf bodenphysikalische Parameter genauer zu untersuchen und abzuschätzen, ob Biochars (BC) hinsichtlich einer möglichen Erhöhung der Wasserspeicherungskapazität ertragsarmer Böden als Bodenverbesserungsmittel positiv zu beurteilen sind. Darüber hinaus sollen Veränderungen in der Benetzbarkeit des Bodens durch die Einbringung der BC betrachtet werden, um eine Aussage über mögliche negative Auswirkungen auf den Wasserhaushalt treffen zu können. Dabei werden folgende Hypothesen untersucht: BC bewirkt eine effektivere Steigerung der nfk bei ton- und humusarmen Substraten als bei Substraten, die einen höheren Anteil an Ton und Humus besitzen zwischen der Menge der BC und der Zunahme der nfk besteht eine lineare Korrelation die Applikation von BC setzt die Benetzbarkeit des Bodens herab Darüber hinaus soll im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss der BC auf weitere bodenphysikalische Parameter, wie gesättigte und ungesättigte Wasserleitfähigkeit, und die Erwärmung des Bodens experimentell erfasst werden. 2

11 2 Stand der Forschung Biokohle (BC) weist einen vergleichbar hohen Kohlenstoffanteil wie Braun- und Steinkohle auf. Während Braun- und Steinkohle über Jahrmillionen durch den natürlichen Inkohlungsprozess gebildet wurden, wird heutzutage dieser Prozess künstlich nachvollzogen. Hierbei können zwei verschiedene Verfahrenstechniken angewandt werden, die Pyrolyse und die hydrothermale Karbonisierung. In beiden Verfahren treten thermo-chemische Prozesse in Erscheinung, in denen durch Dehydrationsprozesse und Polymerisierung bei anaeroben Bedingungen die organische Ausgangssubstanz in kohlenstoffreichere Produkte umgewandelt wird (vgl. BOA- TENG, 2007; SHOCK, 1993). Eine genauere Beschreibung der Reaktionen bei der klassischen Pyrolyse und der Einfluss der Prozessparameter, wie z.b. Temperatur, Druck, Verweildauer, liegen von diversen Autoren vor (vgl. ANTAL UND GRONLI, 2003; KALTSCHMITT U. A., 2009; YANG U. A., 2006). Während bei der klassischen Pyrolyse zur Optimierung des Prozesses der Wassergehalt des Ausgangsmaterials möglichst gering sein sollte, bietet sich bei der hydrothermalen Karbonisierung der Vorteil, dass das Ausgangssubstrat nicht einer Vortrocknung unterzogen werden muss. Denn im Gegensatz zur klassischen Pyrolyse läuft der Vorgang der hydrothermalen im feuchten Milieu ab. Dabei wird das Ausgangssubstrat in einem Autoklaven unter Druck bei anaeroben Bedingungen und Temperaturen um 200 C umgewandelt (SEVILLA UND FUERTES, 2009). Bei beiden Verfahren bleibt die ursprüngliche, poröse Struktur der organischen Ausgangssubstanz weitgehend erhalten (CUTTER U. A., 1980; TITIRICI U. A., 2007; PRIOR UND GASSON, 1993). Die dabei entstehende Biokohle besitzt je nach Ausgangsmaterial und Prozessparameter unterschiedliche räumliche und chemische Strukturen, die physikalische und chemische Kennwerte des Bodens verändern können. So wird z.b. durch die hohe Porosität der BC unmittelbar die Trockenrohdichte (TRD) verringert ((LEHMANN UND JOSEPH, 2009, S.254) zit. nach (GUN- DALE UND DELUCA, 2006)) und das Gesamtporenvolumen (GPV) des Bodens erhöht. Je nach Zusammensetzung, Größe und Form der Festkörper besteht eine bestimmte Anordnung der Bodenteilchen, die das GPV und die Porenverteilung determinieren (vgl. SCHEFFER UND SCHACHTSCHABEL, 2009). Die Anordnung der festen Bodenteilchen wird in Abhängigkeit der Größe der BC-Partikel verändert. Große BC-Partikel (>0,063 mm) können den intergranularen Grobporenanteil erhöhen, kleinere (<0,063mm) Partikel hingegen den Mittelporenanteil. Dennoch kann im Bezug auf die Porenverteilung der Bodenmatrix nicht ausschließlich die Größe der BC-Partikel betrachtet werden. Vielmehr sollte hierbei die intrinsische Porenstruktur der BC miteinbezogen werden und dessen Abhängigkeit von der Partikelgröße. Eine Minimierung des Partikeldurchmessers der BC bedeutet sogleich, dass die 3

12 Porenstruktur weitgehend zerstört wird. So kann zwar durch kleinere BC-Partikel der intergranulare Mittelporenanteil steigen, jedoch besitzt die BC kein eigenes Porenvolumen mehr. Größere BC-Partikel bewirken gegebenenfalls eine Erhöhung des intergranularen Grobporenanteils, jedoch bleibt die intrinsische Porenstruktur der BC erhalten. Inwiefern sich die positive Wirkung auf den Wasserhaushalt durch die Größe der BC-Partikel optimieren lässt, ist bis zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht genau bekannt. Neben der Größe der Partikel wird das GPV und die Porengrößenverteilung von der Form der BC Partikel und dessen Heterogenität beeinflusst (LEHMANN UND JOSEPH, 2009, S.24). Eine sperrige Form führt hierbei zu einer Zunahme des GPV ("Kartenhausstruktur"; (SCHEFFER UND SCHACHTSCHABEL, 2009)). Der Einfluss der äußeren räumlichen Struktur der BC auf den intergranularen Porenraum der Bodenmatrix ist jedoch nur auf Biokohle mit struktureller Stabilität gegenüber Verformbarkeit übertragbar. Hier unterscheidet sich die pyrolysierte BC (P-BC) von der hydrothermal karbonisierten BC (H-BC). Während die P-BCs eine harte Struktur mit hoher Resistenz gegenüber struktureller Zerstörung durch Auflast aufzeigen (vgl. BROCKSIEPE, 2000), können hydrothermal erzeugte BC eine plastische Konsistenz aufweisen (vgl. BRANDT, 2009). Folglich passen sich H-BC Partikel bei ausreichender Auflast räumlich an die Form der Mineralsubstanz an, was sich direkt auf intergranulare Porenräume auswirkt und dessen volumenbezogenen Anteil gegebenenfalls verringert. Grundsätzlich wird der Einfluss der BC auf das GPV sowie auf die Porenverteilung nicht der Veränderung des intergranularen Porenspektrums des Bodens, sondern deren hohen Porosität (OGAWA U. A., 2006), die mit einer schwammartigen Struktur verglichen werden kann ((TRYON, 1948) zit. nach (BURRAGE, 1933)), zugeschrieben. Die Porosität pyrolysierter organischer Substanz liegt hierbei zwischen 70 und 82 Vol% (BROCKSIEPE, 2000). Wissenschaftliche Untersuchungen der Porenstruktur und der genauen Porengrößenverteilung der Biokohlen beschränken sich jedoch auf den Mikro-, Meso- und Makroporenbereich, was im Rahmen von zahlreichen wissenschaftlichen Arbeiten hinsichtlich des Adsorptionspotentials und -mechanismus von Aktivkohlen beschrieben worden ist (vgl. PASTOR-VILLEGAS U. A., 2010; ISMADJI U. A., 2005; TUROV U. A., 2002). Dieser Porengrößenbereich, der in der Größenordung von Nanometer definiert wird (vgl. ROUQUEROL U. A., 1994), ist aus bodenkundlicher Sicht hinsichtlich dem Anteil nicht pflanzenverfügbaren Adsorptionswasser von Bedeutung. Genauere Untersuchungen der Grob- Mittel- und Feinporenanteile liegen bis zum jetzigen Zeitpunkt weder für P-BC noch für H-BC vor. Anhand der mikroskopischen Aufnahmen (vgl. Abb.1 und 2) kann jedoch deutlich gezeigt werden, dass die Spannweite der Porengröße auch im Bereich der Grob- und Mittelporen anzutreffen ist. Darüber hinaus weist LEHMANN UND JOSEPH (2009) darauf hin, dass sich das Porenspektrum von BC überwiegend im Bereich zwi- 4

13 schen 10 und 3000 µm befindet. Gleichzeitig deutet die nachgewiesene Steigerung der nfk durch Beimengung von BC (vgl. GASKIN U. A., 2007; TRYON, 1948; LAIRD U. A., 2010) und das bevorzugte Wachstum von Mykorrhiza in den Porenräumen der BC (vgl. Abb.3) indirekt darauf hin, dass BC ein hohes Porenvolumen im Bereich der engen Grobporen und Mittelporen besitzen. Neben dem hohen Porenvolumen weisen BC eine große spezifische Oberfläche auf. Je nach Ausgangsmaterial und Prozessparameter beträgt die Oberfläche für P-BC zwischen 20 m 2 g 1 (CHEN U. A., 2008) bis über 3000 m 2 g 1 (GUO U. A., 2002). Die spezifische Oberfläche der H-BC fallen auf Grund geringerer Porosität im Mikroporenbereich mit Werten <50 m 2 g 1 dementsprechend geringer aus (TITIRICI UND ANTONIETTI, 2010; DEMIR-CAKAN U. A., 2009). Da die Menge an hygroskopischem Wasser unmittelbar von der spezifischen Oberfläche abhängig ist, können BC eine hohe Menge an Wasser adsorbieren (vgl. TRYON, 1948). Dabei beeinflusst neben der Größe gleichzeitig die Affinität der Oberflächen der BC die Menge an Adsorptionswasser (PETERSEN U. A., 1996; PENDLETON U. A., 2002). Eine hohe Affinität Wasser anzulagern besitzen z.b. Carboxyl-, Carbonyl- und Hydroxylgruppen, funktionelle Gruppen, die an den Oberflächen von P-BC (SALAME UND BANDOSZ, 2001; CHENG U. A., 2008; ANTAL UND GRONLI, 2003) und H-BC (BACCILE U. A., 2009) nachgewiesen wurden. Über die Zeit kann die Anzahl dieser funktionellen Gruppen durch Oxidation zunehmen (GLASER U. A., 2001; LIANG U. A., 2006) und somit die Affinität der Oberfläche Wasser zu adsorbieren verstärken. Gleichzeitig agieren einige dieser funktionellen Gruppen als Puffersystem. Dadurch weisen Böden mit hohen Gehalten an BC einen relativ hohen ph Wert auf (GLASER U. A., 2000; RONDON U. A., 2007). Durch Steigerung des ph-wertes kann die Stabilität und Struktur des Bodengefüges und somit auch indirekt die Wasserretentionscharakteristik des Bodenraumes positiv beeinflusst werden (vgl.allg. SCHEFFER UND SCHACHT- SCHABEL, 2009) Partikelgröße, Porosität und Oberflächenbeschaffenheit der BC können nicht nur die Wasserhaltekapazität, sondern darüber hinaus weitere Kennwerte des Bodenwasserhaushaltes, wie Infiltrationsrate und Wasserleitfähigkeit, beeinflussen. Durch die Beimengung von BC kann, abhängig von der Bodenart, eine geringe Steigerung der Infiltrationsrate auf Grund der Erhöhung des GPV angenommen werden (ohne Betrachtung von Grenzflächeneffekten wie Hydrophobie). Eine sperrige, räumliche Struktur der BC kann darüber hinaus ein Anstieg des Grobporenanteils und eine Erhöhung der gesättigten Wasserleitfähigkeit (K f ) bewirken (vgl.allg. KUNTZE U. A., 1994). 5

14 Abbildung 1: Struktur pyrolysierter BC; links: Holzkohle (Ausgangsmaterial nicht bekannt; LEHMANN UND JOSEPH (2009)); rechts: Holzkohle aus Weide (Salix spec.); SOHI U. A. (2009) Abbildung 2: Struktur hydrothermal karbonisierter BC; Ausgangsmaterial: Eichenblatt; aus TITIRICI U. A. (2007) Abbildung 3: Aufnahme einer in die Porenräume der BC eindringende Mykorrhiza; OGAWA (1994) 6

15 Der dynamische Aspekt der Infiltration und der Perkolation wird neben der räumlichen Struktur der Bodenmatrix auch durch die Oberflächeneigenschaften der Bodenbestandteile determiniert. Benetzungshemmung kann die Infiltration zeitlich verzögern bis vollständig unterbinden. Grundsätzlich kann Hydrophobizität durch organische Substanz und dessen mikrobielle Abbauprodukte hervorgerufen werden (DEBANO U. A., 1981). Unpolare, hydrophobisch wirkende, funktionelle Gruppen wurden jedoch auch an P-BC (KAST, 1981) und H-BC (BACCILE U. A., 2009) nachgewiesen. Im Freiland zeigten sich negative Auswirkungen auf die Benetzbarkeit und die Infiltration des Bodens durch die bei natürlichem Feuer entstandenen Black Carbons (MARTIN UND MOODY, 2001). Auch Böden mit Anteilen an fossiler OS (Braunkohle) weisen periodische Benetzungsfeindlichkeit nach Austrocknung auf (KATZUR, 1977). Somit ist durch das Einbringen von BC eine Änderung der Benetzungseigenschaften des Bodens zu erwarten, wodurch die Gefahr besteht, Erosion auf Grund eines höheren Oberflächenabfluss zu verstärken. Durch die Beimengung von BC wird darüber hinaus das Farbenspektrum des Bodens verändert. Die schwarze Farbe der BC setzt die durchschnittliche Reflektion der Strahlungsenergie des Bodens herab. Die damit verbundene höhere Absorption der Strahlung bewirkt eine stärkere Erwärmung (vgl. ISWARAN U. A., 1980). Insgesamt weisen BC positive wie negative Effekte auf. Auch wenn Kohle bzw. anthropogene Kohlenstoffverbindungen bodenkundlich nicht der Klasse der Humusstoffe zuzuordnen sind (vgl. KA5), sollten bestimmte übereinstimmende Charakteristika hinsichtlich des Einflusses auf bodenphysikalische Kennwerte innerhalb der folgenden Versuche nachzuweisen sein. 7

16 3 Experimentelle Untersuchungen 3.1 Wasserretention Stationäre Meÿmethode Material und Methoden Bodensubstrat und Biokohle Ziel der Applikation von BC ist die Ertragsfähigkeit ertragsarmer Standorte zu erhöhen. Als ertragsarm gelten vor allem Standorte auf sandigen Böden, die mitunter eine niedrige nfk aufweisen und somit zu einer raschen Austrocknung neigen. Vier der fünf zur Untersuchung verwendeten Substrate wurden auf einer Geschiebedecksandhochfläche nördlich von Berlin, in der Nähe des Ortes Schönfließ entnommen. Es handelte sich hierbei um drei Substrate mit gering variierender Korngrößenverteilung des Ap-Horizontes einer ackerbaulich genutzten Parabraunerde (Substrat B; C; D; Decksand mit Flugsandanteil) und einem vierten, äußerst gering humosen Substrat des Ai Horizont eines vegetationslosen Lockersyrosems (Substrat A, Flugsand). Darüber hinaus wurde ein weiteres Substrat, charakterisiert durch einen überaus hohen Humusgehalt, zur Bestimmung des Einflusses der BC auf die Wasserretention herangezogen (Substrat E). Dieses wurde aus dem jrap-horizont eines über Jahrzehnte genutzten Rieselfeldes, südlich von Berlin, in der Nähe des Ortes Großbeeren entnommen. Die Rein- und Lehmsande (Ss und Sl2 nach KA5) weisen über Substrat A bis Substrat D steigende Anteile an Ton und Schluff auf. Substrat E wird im Rahmen der Untersuchungen auf Grund des hohen Humusgehaltes gesondert betrachtet. Die genaue Korngrößenverteilung ist der Tabelle 1, die Humusgehalte der Tabelle 2 zu entnehmen. Das Bodenmaterial wurde auf 2 mm gesiebt, wodurch der Grobbodenanteil entfernt, Aggregate zerstört und der Boden homogenisiert wurde. Die zwei verwendeten Biochars (BC) unterscheiden sich durch ihren Herstellungsprozess. Es wurde eine aus Pyrolyse (P-) gewonnene BC und eine aus hydrothermalen (H-) Karbonisierungsprozess gewonnene BC benutzt. Die P-BC wurde von der Pyreg GmbH aus Mais (Zea Mais) hergestellt, die H-BC von der Addlogic Labs GmbH aus Maissilage. Der Kohlenstoffgehalt der P-BC beträgt 65,9%, der der H-BC 62,2% (WAGNER, A., 2010). Die spezifische Oberfläche der H-BC fällt geringer aus (6,3 m 2 g 1 ) als die der P-BC (217,0 m 2 g 1 ) (WAG- NER, A., 2010). 8

17 Tabelle 1: Korngröÿenverteilung der verwendeten Bodensubstrate Gehalt in % (m%) Bezeichnung Bodenart Entnahmeort T fu mu gu fs ms gs A Ss Bieselfließ B Ss Bieselfließ C Sl2 Bieselfließ 5,2 2,5 3,7 10,2 56,5 18,8 3,1 D Sl2 Bieselfließ 6,1 3,3 5,1 8,2 50,9 22,4 4,1 E Sl2 Großbeeren 5,6 5,0 4,8 11,1 37,9 31,2 4,3 Substrat Ausgangsmaterial P Mais - <0,2 ( ~4,1 ) 11,7 22,3 61,8 H Maissilage - <0,1 ( ~1,1 ) 7,1 16,1 75,5 Bestimmung der Korngrößen nach DIN ISO 11277; Bestimmung der Größenverteilung der Kohle bis >0,063 mm durch Siebung; Der Anteil an der Fraktion <0,063 mm wurde anhand mikroskopischen Aufnahmen abgeschätzt, da auf Grund der geringen Dichte und des daraus resultierenden Auftriebes in der Dispersion nicht auf die Bestimmung durch die Sinkgeschwindigkeit nach dem Stokesschen Gesetz zurückgegriffen werden konnte; Die Größenordung der Schlufffraktion ist zusammengefasst dargestellt Tabelle 2: C t und Humusgehalt der verwendeten Bodensubstrate Bodenprobe A B C D E Gehalt C t (%) 0,08 0,60 0,86 0,73 5,30 Humusgehalt (%) 0,13 1,02 1,47 1,25 9,11 Bestimmung des Kohlenstoffgehaltes nach DIN 10694, Berechnung der Humusgehaltes durch 1,72*C t Die P-BC wurde lufttrocken auf <2 mm gesiebt. Um mögliche chemische Umwandlungsprozesse und Veränderungen der Oberflächeneigenschaften zu vermeiden, wurde die H-BC in ihrem feuchten Auslieferungszustand belassen. Dies hatte zur Folge, dass die Biokohle nicht gesiebt, jedoch auf Grund ihrer plastischen Konsistenz durch einen 2 mm Sieb mit geringen Druckaufwand gerieben werden konnte. Nach der Bestimmung des Wassergehaltes des Bodenmaterials und der Biochars wurden die verschiedenen Substrate mit steigenden Anteilen an Kohle (1; 2,5 und 5 m%; in Abh. der TRD entsprechender Volumenanteil ca. 6; 12 und 23%) vermengt und homogenisiert, in Stechzylinder von 100 cm 3 eingefüllt und manuell verdichtet. Es wurden jeweils drei Wiederholungen jeder einzelnen Variante gepackt. In Abhängigkeit des Kohle- und Humusgehaltes wurden TRD von 0,95 bis 1,50 gcm 3 erreicht. Die Nullvarianten der Substrate A-D wurden hierbei gezielt auf eine TRD von 1,50 gcm 3 gepackt. Dies entspricht nach der bodenkundlichen Kartieranleitung (KA5) einer mittleren TRD. Die Abweichung der TRD zwischen den einzelnen Wiederholungen wurde so klein wie möglich gehalten. 9

18 Analysemethoden Zur Ermittlung des Gesamtporenvolumens (GPV) wurde die Kornrohdichte (ρ p ) einer repräsentativen Teilprobe der verschiedenen Substrate und Mischungsverhältnisse nach dem Boyle- Marioettschen Gesetz mittels eines Pyknometers bestimmt ((vgl. ALTEN UND LOOFMANN, 1942); DIN 11508) und aus dem Verhältnis zu der Trockenrohdichte (TRD; ρ b ) berechnet. Die Kornrohdichte der Biokohle wurde parallel zu den Bodensubstraten anhand des Boyle- Marioettschen Gesetz bestimmt. Zur Ermittlung der TRD der BC wurde im ersten Schritt trockener Feinsand in ein Gefäß mit einem definierten Volumen gefüllt und das Gewicht gemessen. Im zweiten Schritt wurde eine bestimmte Menge an Kohle beigemengt und mit Feinsand in das Gefäß eingebracht. Durch die Verdrängung eines bestimmten Volumens an Feinsand und das bekannte Gewicht der Kohle konnte auf die TRD der BC rückgeschlossen werden. Die Ermittlung der Wasserretention erfolgte bei Matrixpotentialen pf 1,5; 1,8; 2,0 durch das Anlegen eines definierten Unterdrucks mittels einer hängenden Wassersäule an eine semipermeable Keramikplatte und die sich darauf befindenden gesättigten Bodenproben (DIN 19274). Der Wasserverlust der Bodenproben wurde bei jeder Stufe gravimetrisch bestimmt und nach Trocknung der Probe bei 105 C auf den absoluten Wassergehalt umgerechnet. Bei Matrixpotentialen pf 2,5; 3,0; 4,2 wurde das Überdruckverfahren angewandt. Die Messung des Wassergehaltes erfolgte nach Einstellung des hydrostatischen Gleichgewichtes ( Θ t = 0). Die Ergebnisse der Wasserretention wurden mit Hilfe des Computerprogramms SHYPFIT (Soil Hydraulic Properties Fitting nach DURNER UND PETERS (2009)) an die stetige Funktion der Wassergehalt-Matrixpotential Beziehung nach Van Genuchten (VAN GENUCHTEN, 1980) angepasst. Hier wurde neben dem klassischen Van Genuchten Modell (1) das bimodale Modell nach Van Genuchten/DURNER (1994) (2) angewandt. S e = S e = 2 i=1 w i [ (αψ) n ] 1 1 n (1) [ 1 ] 1 1 ni 1 + (α i Ψ) n i (2) α,α i Formparameter, n,n i Formparameter, abh. vom Lufteintrittspunkt abh. von Porengrößenverteilung Ψ Matrixpotential S e effektiver Wassergehalt w i Wichtungsparameter 10

19 Ergebnisse Gesamtporenvolumen Das Gesamtporenvolumen (GPV) beschreibt die Summe aller Hohlräume in einer bestimmten Volumeneinheit. Die Untersuchungen betrachten sowohl das Porenvolumen der Bodensubstrate und deren verschiedenen Mischungsverhältnissen als auch der reinen Biokohle (BC). Auf Grund der räumlichen Struktur (vgl. Abb.4) weisen BC ein hohes Porenvolumen auf. Die verwendete P-BC besitzt ein Porenvolumen von 82%, die H-BC ein Porenvolumen von 84% (vgl. Tab.3). Tabelle 3: Kennwerte der Biochars BC TRD KRD GPV P-BC 0,27 1,51 82 H-BC 0,23 1,46 84 TRD und KRD in gcm 3 ; GPV in Vol% Stichprobenumfang: TRD n=3; KRD n=1 Abbildung 4: Elektronenmikroskopische Aufnahme der verwendeten Biochars; links: H-BC aus Maissilage; rechts: P-BC aus Mais; 1000x Vergröÿerung Die Nullvarianten der Substrate A-D weisen ein GPV zwischen 42,8 und 44,0 Vol% auf (vgl. Tab.4). Das GPV steigt linear durch die Zugabe von BC an. Dieser Effekt ist bei der Verwendung von P-BC stärker als bei der H-BC zu beobachten. Das Maximum des GPV in den einzelnen Reihen der Substrate A; B; C und D besitzen die 5% Varianten. Die höchste Zunahme des GPV beträgt gegenüber der Nullvariante 13,8 Vol% bei der Verwendung von P-BC, 11

20 bzw. 4,9 Vol% bei der Verwendung von H-BC. Substrat E besitzt auf Grund des hohen Humusgehaltes ein GPV von 55,7 Vol%. Die Zunahme des GPV fällt durch die Zugabe von BC geringer aus, es steigt maximal um 4,6 Vol%. Die Werte des ermittelten GPV repräsentieren die Summe des Volumens aller Primärporen. Sekundärporen können auf Grund der manuellen Packung der Bodensubstrate ausgeschlossen werden. Mit zunehmenden GPV nimmt in direkter Abhängigkeit die Trockenrohdichte (TRD) ab. Es besteht eine lineare Beziehung zwischen Abnahme der TRD und BC-Menge (vgl. Tab.5). Tabelle 4: TRD und GPV; gemittelte Werte Substrat 0 1P 2,5P 5P 1H 2,5H 5H A B C D E 1,50 1,41 1,34 1,22 1,46 1,40 1,30 TRD 44,0 46,8 49,1 53,0 44,5 45,9 48,8 GPV 1,50 1,46 1,37 1,21 1,47 1,42 1,34 TRD 43,3 44,8 47,6 53,3 43,9 45,3 47,2 GPV 1,50 1,38 1,27 1,12 1,45 1,39 1,32 TRD 42,8 47,5 51,5 56,0 44,7 46,2 47,7 GPV 1,50 1,45 1,33 1,22 1,47 1,42 1,35 TRD 43,3 45,4 48,7 53,0 43,2 44,6 46,7 GPV 1,11 1,06 1,01 0,96 1,06 1,02 0,98 TRD 55,7 57,3 58,8 60,3 57,3 58,1 59,4 GPV TRD in gcm 3 ; GPV in Vol%; n=3 Tabelle 5: Regressionskoezient der TRD- Abnahme pro m% BC Substrat BC A B C D P 0,053 0,059 0,073 0,057 H 0,038 0,033 0,036 0,031 n=12; Abnahme in gcm 1, r 2 =0,96-0,99 12

21 Luftkapazität Die Luftkapazität (LK) beinhaltet das Porenspektrum >50 µm. Die Reinsande (Substrat A + B) besitzen die höchste LK (vgl. Tab.6). Substrat E besitzt auf Grund des hohen Humusgehaltes die geringste LK. Tendenziell ist durch Zugabe von BC eine Abnahme der LK bei den Substraten A, B und D zu beobachten. Substrat C, das in der Nullvariante eine niedrige LK im Verhältnis zu A, B und D aufweist, zeigt hingegen eine tendenzielle Steigerung der LK. Gleiches gilt für Substrat E. Betrachtet man die auf den elektronenmikroskopischen Aufnahmen die innere Porenstruktur der Biokohle, so weist diese nur ein geringes Volumen an Porenräume im Bereich >50 µm auf. Tabelle 6: Luftkapazität; gemittelte Werte Substrat 0 1P 2,5P 5P 1H 2,5H 5H A 33,8 26,3 32,3 25,6 18,2 12,1 19,8 B 23,3 23,3 24,1 16,8 12,0 9,0 9,7 C 13,3 18,3 21,9 15,1 13,6 10,6 15,3 D 20,7 21,6 18,9 19,2 17,9 16,3 13,2 E 10,0 15,2 16,5 15,0 15,3 17,8 15,0 LK in (Vol%); n=3 13

22 Feldkapazität und nutzbare Feldkapazität Die Feldkapazität (FK) bezieht sich auf den Porengrößenbereich <50 µm. Die nutzbare Feldkapazität (nfk) beinhaltet den Porengrößenbereich zwischen 50 µm und 0,2 µm. Sie ergibt sich aus der FK abzüglich des nicht pflanzenverfügbaren Totwassers. Das Substrat A besitzt auf Grund des niedrigen Ton-, Schluff- und Humusanteils die geringste Wasserspeicherungskapazität im pflanzenverfügbaren Bereich aller Substrate. Der Wert der nfk beträgt 9,2 Vol% (vgl. Abb.5). Durch die Beimengung der BC, deren Porenräume überwiegend die Größenordnung <50 µm besitzen (vgl Abb.4), steigt die nfk. Die maximale Zunahme der nfk im Rahmen der Untersuchungen mit P-BC ist bei einem Massenanteil von 5% zu verzeichnen. Die nfk beträgt hier 23,7 Vol%. Die Differenz zwischen den gemittelten Werten der 5%- und der Nullvariante liegt bei 14,5 Vol%. Zwischen der 1% und der 2,5% Variante ist ein geringer Abfall zu beobachten. Die maximale nfk der Versuchsreihe mit H-BC von 31,5 Vol%, entsprechend einer Zunahme von über 22 Vol%, ist bei der 2,5% Variante festzustellen. Bei höherem Masseanteil an BC fällt der Zuwachs der nfk geringer aus und nähert sich dem Wert der 1% Variante mit einer Steigerung von 15 Vol% gegenüber der Nullvariante. Abbildung 5: FK des Substrates A mit verschiedenen Mengenanteilen BC; gemittelte Werte; Balken gibt Maximum und Minimum an 14

23 Die Anpassung der Messergebnisse an das Van Genuchten Modell zeigt innerhalb der Reihe der P-BC eine Veränderung der pf/wg (Wassergehalt)-Beziehung bei der 5% Variante auf (vgl. Abb.6). Die modellierte pf/wg-beziehung der 1% und 2,5% Variante verläuft relativ parallel zur Nullvariante. Bei allen Substraten ist ein starker Abfall des Wassergehaltes zwischen einem Matrixpotential von pf 1,5 und 2,5 zu verzeichnen. Zwischen den gemessenen Werten des TOT und den modellierten Werten zeigt sich insbesondere bei der 2,5% und 5% Variante eine deutliche Diskrepanz. Die modellierte Wassergehaltsabnahme im Bezug auf das Matrixpotential verläuft bei den Substraten mit H-BC gleichmäßiger (vgl. Abb.7). Die modellierten Werte im unteren Bereich des Matrixpotentials zeigen eine deutliche Abweichung zu den gemessenen Werten. Der modellierte residuale Wassergehalt (Θ r ) ist hierbei nicht interpretierbar. Zur Anpassung an das bimodale Modell wurden die Varianten herangezogen, die die maximale nfk besitzen. Die pf/wg-beziehung zeigt bei dem Substrat mit H-BC deutliche Unterschiede zum klassischen Modell, insbesondere im Bereich zwischen dem Matrixpotential pf 3,0 und pf 4,2. Die Abweichungen zwischen den modellierten Werte des bimodalen Modells und den gemessenen ist im Vergleich zum klassischen Van Genuchten Modell geringer. In Abbildung 9 ist eine deutliche bimodale Porengrößenverteilung der Substrate mit BC zu erkennen. Abbildung 6: Anpassung der Ergebnisse des Substrates A mit P-BC an das Van Genuchten Modell 15

24 Abbildung 7: Anpassung der Ergebnisse des Substrates A mit H-BC an das Van Genuchten Modell Tabelle 7: Parameter des Van Genuchten Modells Parameter 0 1P 2,5P 5P 1H 2,5H 5H unimodales Modell Θ s (Vol%) 44,4 46,8 49,3 53,5 44,7 45,9 48,8 Θ r (Vol%) 2,0 3,5 7,1 7,7 (0,0) (0,0) (0,0) α 0,028 0,032 0,027 0,036 0,083 0,030 0,059 n 3,115 2,286 3,322 1,805 1,308 1,312 1,352 r 2 0,98 0,97 0,97 0,95 0,95 0,88 0,96 bimodales Modell Θ s (Vol%) ,0-45,9 - Θ r (Vol%) ,7-2,1 - α ,030-0,031 - α ,004-0,001 - n ,223-1,858 - n ,470-2,900 - w ,61-0,57 - w ,39-0,43 - r ,97-0,98 - Werte in () sind nicht interpretierbar; Θ s Sättigungswassergehalt; Θ r residualer Wassergehalt 16

25 Abbildung 8: Anpassung der Ergebnisse des Substrates A mit BC an das bimodale Van Genuchten Modell nach Durner; für die Nullvariante wurde das klassische Modell angewandt Abbildung 9: Einuss der BC auf die Porengröÿenverteilung anhand des bimodalen Modells 17

26 Auf Grund der großen Datenmenge beschränkt sich die Auswertung der verwendeten Substrate B; C; D und E auf die FK und nfk. Die komplette Übersicht aller Ergebnisse der verschiedenen pf-stufen sind dem Anhang zu entnehmen. Zunächst sollen die Ergebnisse des Substrates B; C und D zusammengefasst dargestellt werden. In den Abbildungen 10 und 11 sind jeweils die Mittelwerte der FK der verschiedenen Varianten zu entnehmen. Während die nutzbare Feldkapazität der Nullvarianten der Substrate C und D relativ eng bei 15 Vol% beieinander liegen, weist C-0 eine höhere nfk von 23 Vol% auf. Sowohl bei der Zugabe von P-BC als auch von H-BC ist eine Zunahme der nfk bei allen drei Substraten zu beobachten. Um die Steigerung der nfk durch die Beimengung von BC deutlicher hervorzuheben, ist in Abbildung 12 und 13 die Differenz der nfk zwischen den Nullvarianten und den einzelnen Mischungsverhältnissen dargestellt. Die maximale nfk der Substrate B; C; D mit P-BC besitzen jeweils die 5% Varianten. Mit einer nfk von 31 Vol% ist bei Substrat B die höchste Steigerung der nfk über 16 Vol% gegenüber der Nullvariante zu verzeichnen. Während der Anstieg der nfk bei der 1% Variante aller drei verwendeten Substrate relativ vergleichbar ist, weisen die Ergebnisse der 2,5% und 5% deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Substraten B, C und D auf. Abbildung 10: FK der Substrate B; C; D mit verschiedenen Mengenanteilen P-BC; gemittelte Werte; Balken gibt Maximum und Minimum an 18

27 Abbildung 11: FK der Substrate B; C; D mit verschiedenen Mengenanteilen H-BC;gemittelte Werte; gemittelte Werte, Balken gibt Maximum und Minimum an Abbildung 12: Substrat: B; C; D: Dierenz der nfk zwischen den mit P-BC versetzten Substrate und der Nullvariante 19

28 Abbildung 13: Substrat B; C; D: Dierenz der nfk zwischen den mit H-BC versetzten Substrate und der Nullvariante Mit H-BC beträgt der maximale Anstieg der nfk bei Substrat B mit 2,5% Biokohleanteil 16,4 Vol% gegenüber der Nullvariante. Die nfk weist hier einen Wert von 31,7 Vol% auf. Die maximale Zunahme der nfk des Substrates C ist ebenfalls bei der 2,5% Variante zu verzeichnen. Die Variante D besitzt eine maximale Zunahme von 7 Vol% auf insgesamt 23,1 Vol% bei einem Massenanteil der Kohle von 5%. Bei allen Werten ist zwischen der 1 und 2,5% Variante ein Anstieg der nfk, zwischen der 2,5% und der 5% Variante ist jedoch bei Substrat B und C ein Abfall der nfk zu beobachten. Das letzte zu besprechende Substrat E, charakterisiert durch den hohen Humusgehalt von 9,1%, weist bereits bei der Nullvariante im Mittel 33,6 Vol% nfk auf (vgl. Abb.14). Mit steigenden Anteil an Biokohle ist im Gegensatz zu den anderen Proben eine tendenzielle Verringerung der nfk zu verzeichnen. Der geringste Wert der nfk ist bei der Variante mit 2,5 m% H-BC zu beobachten und liegt 5,4 Vol% unter dem der Nullvariante. 20

29 Abbildung 14: FK des Substrates E mit verschiedenen Mengenanteilen BC Totwasser Da der volumenbezogene Anteil an Totwasser (TOT) maßgebend von der Trockenrohdichte, die zwischen den einzelnen Reihen variiert, beeinflusst wird, stehen die folgenden Ergebnisse im Bezug zur Masse, um den Einfluss der BC zu verdeutlichen. Die volumenbezogenen Werte sind den Abbildungen des vorausgehenden Abschnittes zu entnehmen. Tabelle 8: Totwasser in m% Substrat 0 1P 2,5P 5P 1H 2,5H 5H A 0,7 1,0 1,7 3,0 1,0 1,6 2,5 B 3,1 2,9 3,7 4,1 2,9 3,3 5,6 C 4,4 3,8 4,5 5,8 4,7 5,4 6,5 D 4,7 4,7 5,3 5,7 4,4 4,8 7,7 E 10,9 11,6 12,1 12,5 11,4 11,9 13,8 Zwischen den Ausgangssubstraten und den Varianten mit 1 m% BC ist kein eindeutiger Einfluss der BC auf den Totwassergehalt zu erkennen. Die 2,5% und 5% Varianten weisen eine Zunahme des TOT-Gehaltes mit steigendem Anteil an BC auf. Die Ergebnisse der Nullvarianten zeigen eine Abhängigkeit des TOT von der Textur und dem Humusgehalt der Substrate. Es 21

30 besteht eine positive Korrelation zwischen Anteil an Ton, Schluff und Humus. Der ermittelte Totwassergehalt der reinen BC beträgt für H-BC 43,5 m%, bzw. für P-BC 93,4 m% Auswertung und Diskussion Das zur Messung der Wasserretention verwendete Bodenmaterial wurde durch die Siebung vom Grobbodenanteil befreit. Gleichzeitig können im Gegensatz zu ungestörten Proben natürlicher Bodenhorizonte durch das manuelle Befüllen und dem geringen Tonanteil Sekundärporen, die das GPV wesentlich beeinflussen, ausgeschlossen werden. Die Ergebnisse der Wasserretention und der Porenverteilung hängen stark von der eingestellten TRD ab. Es ist darauf hinzuweisen, dass auf Grund der genannten Faktoren die Ergebnisse des Laborversuches nicht unmittelbar repräsentativ für natürlich gelagerte Bodenhorizonte sind. Die Lagerung der manuell gepackten Substrate kann jedoch durchaus mit der Lagerung eines anthropogen beeinflusstem Pflughorizontes verglichen werden, wodurch die ermittelte Tendenz des Einflusses der BC auf die Wasserretention des Bodens auf landwirtschaftlich genutzte Böden übertragbar ist. Gesamtporenvolumen Durch die manuelle Befüllung der Stechzylinder und gleichmäßige Einstellung der TRD, weisen die einzelnen Wiederholungen der Reihen relativ geringe Abweichungen des GPV voneinander auf. Mit zunehmender Menge an BC steigt das GPV linear an. Hierbei beruht der Einfluss der Biokohle auf das GPV insbesondere auf der hohen Porosität der BC. Auf Grund der unterschiedlichen räumlichen Struktur und der Konsistenz der zwei verschiedenen BC lassen sich geringe Unterschiede zwischen den Ergebnissen der Substrate mit P-BC und H-BC feststellen. Das höhere GPV der Substrate der P-BC Reihe erklärt sich unter anderem durch die sperrige, nadelförmige, harte Struktur der einzelnen Partikel. Hingegen können sich auf Grund der plastischen Konsistenz der H-BC die einzelnen Partikel an den Oberflächen der mineralischen Bestandteile anpassen. Dadurch kann ein geringeres GPV, verglichen mit den Varianten der P-BC, nachgewiesen werden. 22

31 Luftkapazität Durch die Beimengung von BC zeigt sich substratabhängig sowohl eine Zunahme als auch eine Abnahme der Luftkapazität (LK). Eine Zunahme der LK ist bei den Substraten gegeben, die in der Nullvariante auf Grund der Korngrößenverteilung und des Humusgehaltes eine geringe LK aufweisen (Substrat C und E). Insbesondere die P-BC bewirkt durch die räumliche Struktur und Partikelgröße eine lockernde Wirkung, wodurch sich das Volumenanteil intergranularen Poren im Bereich der schnell dränenden Grobporen erhöht. Gleichzeitig obliegt die höhere LK des Substrates C der geringeren TRD im Verhältnis zu A; B; und D. Die Substrate A; B; und D besitzen im Bezug zu C und E in der Nullvariante eine höhere LK. Dies ist insbesondere auf die Sortierung der Körnung zurückzuführen, wobei sich zwischen den mineralischen Partikeln ein höherer Anteil an weiten Grobporen ergibt, als bei Substrat C. Durch die Beimengung von BC ist eine ähnliche Anordnung der festen Bodenteilchen gegeben, wodurch sich der intergranulare Grobporenanteil nicht wesentlich erhöht. Im Bezug auf den gesamten Bodenraum sinkt die LK auf Grund der Größenverteilung der Poren der BC. Diese weisen kein nennenswertes Porenvolumen im Bereich >50 µm auf. Ein deutlicherer Abfall der LK ist durch die Beimengung von H-BC bei den Substraten A-D zu beobachten. Auf Grund der plastischen Konsistenz der H-BC können sich die einzelnen Partikel der mineralischen Fraktion räumlich anpassen, was insbesondere zu einer Minderung des Anteil an weiten Grobporen führt. Gleichzeitig zeigt sich aber auch der Einfluss der Größe der BC-Partikel bei Substrat E, das ohne BC eine geringe LK aufweist. Durch Zugabe von H- BC steigt hier die LK. Insgesamt zeichnet sich ab, dass sich, je niedriger die LK der Ausgangssubstrate auf Grund der Korngrößenverteilung, die Größe und Form der BC umso mehr auswirkt und eine Erhöhung der LK hervorgerufen werden kann. Somit kann eine BC-Beimengung in Böden, die zwar eine hohe nfk besitzen, jedoch auf Grund des geringen Anteil an weiten Grobporen aus pflanzenphysiologischer Sicht ungünstige Eigenschaften aufweisen, durchaus sinnvoll sein. Bei hoher LK der Ausgangssubstrate nimmt hingegen der Einfluss der Größe und Form der Partikel ab, der Einfluss der inneren Porenstruktur der BC zu. Dadurch verschiebt sich die Porenverteilung in den Bereich der FK. Dies gilt allerdings nur für die im Versuch verwendeten BC, deren Partikel eine bestimmte Größenverteilung aufweisen. Bei kleineren BC-Partikeln ist eine stärkere Abnahme der LK zu erwarten. 23

32 Nutzbare Feldkapazität Die Substrate A-D zeigen durch die Applikation von BC bei allen Mengenverhältnissen eine Zunahme der nfk. Bei den Substraten mit geringeren Anteil an Ton und Humus (A und B) ist tendenziell eine stärkere Zunahme der nfk im Vergleich zu den ton- und humusreicheren (C, D und E) zu beobachten. Besonders unter Betrachtung der relativen Zunahme zu der Nullvariante weist das Bodensubstrat A einen maximalen Anstieg von teils über 200% auf. Hingegen steigt die nfk der ton- und schluffreicheren Substrate maximal um 100%. Auch die absolute Zunahme der nfk der Substrate A+B liegt tendenziell über der Steigerung der nfk der Substrate C+D. Zwischen Substrat C und D zeigt sich keine Korrelation zwischen der effektiven Steigerung der nfk und den Ton- und Schluffgehalten. Es ist anzunehmen, dass die Unterschiede in der Körnung zu gering sind, um eine Tendenz erfassen zu können. Der pflanzenverfügbare Wassergehalt des Rieselfeldbodens (E) kann durch die Beimengung von BC nicht wesentlich beeinflusst werden. Schon der hohe Humusgehalt wirkt sich auf die nfk äußerst positiv aus. Durch die BC wird der Humus lediglich substituiert und gleichzeitig eine Lockerung der Bodenmatrix hervorgerufen, wodurch der Anteil intergranularer Mittelporen abnimmt. Ähnlicher Effekt ist bei Lehm- und Tonböden zu erwarten. Substrate A-D zeigen zwischen der Menge applizierter P-BC und der nfk einen linearen Zusammenhang. Die nfk der schwach lehmigen Sande (C+D) steigt hierbei um 2,32 Vol% (r 2 =0,52) pro Massenanteil P-BC, die nfk der Reinsande (A+B) um 2,76 Vol% (r 2 =0,57). Die Gültigkeit dieses Zusammenhanges beschränkt sich jedoch auf die in der Untersuchung angewandten Mengenverhältnisse. Bei höherem Anteil an P-BC (>5 m%) ist zu erwarten, dass die effektive Zunahme der nfk geringer ausfällt und ab einer bestimmten Menge kein weiterer Anstieg der nfk mehr erzielt werden kann. Im Gegensatz zur P-BC weist die H-BC keine lineare Beziehung zwischen der Menge und der nfk auf. Insgesamt zeigen neun der zwölf Substrate (Substrat E nicht miteinbezogen) eine maximale Steigerung der nfk bei 2,5 m%. Die effektive Zunahme der nfk pro m% H-BC nimmt über die Varianten 1; 2,5 und 5 m% ab. Auffallend ist, dass die genannten Varianten mit maximaler Steigerung der nfk gleichzeitig die geringste Luftkapazität im Vergleich zu den 1% und 5% Varianten besitzen. Eine, im Verhältnis zu den 1% und 5% Varianten beim manuellen Befüllen der Stechzylinder, zu hoch eingestellte TRD der 2,5% Variante, aus der ein geringerer Volumenanteil an weiten Grobporen resultieren kann, sollte auf Grund eines linearen Verlaufes (vgl. Tab.5) der TRD im Verhältnis zum BC-Anteil ausgeschlossen werden können. Da die intrinsischen Porenräume der H-BC kein nennenswertes Volumen im Grö- 24

33 ßenbereich der Grobporen aufweisen (vgl. Abb.4), ist der Anstieg der LK zwischen der 2,5% und 5% Variante auf das intergranulare Porenspektrum zurückzuführen. So können sich bei einer geringen eingebrachten Menge die einzelnen Partikel auf Grund der plastischen Konsistenz die intergranularen Porenräume verkleinern. Ab einer bestimmten Menge zeigt die H-BC jedoch eine lockernde Wirkung, wodurch der intergranulare Grobporenanteil wieder ansteigt und folglich die nfk abnimmt. Unter Betrachtung der Porengrößenbereiche zeichnet sich ab, dass der Anteil an engen Grobporen durch die Applikation von P-BC nur gering steigt. Besonders im Bereich der Mittelporen (<10 µm) ist hingegen ein volumenbezogener Zuwachs durch P-BC zu verzeichnen. Zwischen den Matrixpotentialen pf 2,5; 3,0 und 4,2 zeigen vor allem die Varianten mit 5 m% P-BC eine stetige Wassergehaltsabnahme, was auf ein weites Porenspektrum im Bereich der Mittelporen hinweist (vgl. Abb.9). Die Zunahme des Porenvolumens in diesem Porengrößenbereich ist auf die Porenstruktur der BC zurückzuführen. Unter Betrachtung der elektronenmikroskopischen Aufnahmen der BC ist deutlich deren Porenspektrum im Bereich <10 µm, also genau der Porenbereich dessen Volumen im Bodenraum zugenommen hat, zu erkennen. Die theoretisch berechnete Steigerung der nfk bestätigt tendenziell die Annahme, dass die Zunahme der nfk insbesondere auf der Porosität der BC beruht. Bei der Berechnung wird vorausgesetzt, dass der zum Massenanteil korrespondierender Volumenanteil der BC 6 Vol% (1 m%); 12 Vol% (2,5 m%) und 23 Vol% (5 m%) beträgt. Mit der Annahme, dass 90% des Spektrums der Porenräume der P-BC im Bereich zwischen 0,2 µm und 50 µm liegen, ergibt sich bei einer nfk des Ausgangssubstrates von 15% eine Steigerung der nfk um 3,5 (1 m%); 7,2 (2,5 m%) und 14,1 Vol% (5 m%). Die gemessenen Werte befinden sich in einem vergleichbaren Bereich. Der Einfluss der H-BC auf die Porenverteilung der Bodenmatrix weist eine deutliche Volumenzunahme des Porenspektrums zwischen Mittelporen <3 µm und Feinporen (entsprechend dem Wassergehaltverlust zwischen pf-stufe 3,0 und 4,2) auf. Die Ableitung des bimodalen Van Genuchten Modell nach Durner (Abb.9) zeigt hier eine deutliche bimodale Verteilung des Porensystems mit einem Maximum im Bereich zwischen 10 µm und 0,1 mm, das dem intergranularen Porensystem, und einem Maximum im Bereich 0,2 µm und 3 µm, das dem Porensystem der H-BC zuzuordnen ist. Auf den elektronenmikroskopischen Aufnahmen ist zu erkennen, dass das amorphe Porensystem kleinere Porenräume als die verwendete P-BC besitzt. Durch die Auflast können diese Poren auf Grund der plastischen Konsistenz der H-BC darüber hinaus komprimiert werden. Vergleichbar ist die Porenverteilung der H-BC insbesondere mit Detritusmudden intakter Niedermoore (vgl. CHMIELESKI, 2006). Der Anteil an leicht verfügbaren Haftwasser (optimal nutzbare FK; Ψ > pf 3,0; bzw. Äquivalent-Porendurchmesser 25

34 >3 µm; vgl. ZEITZ (1992)) steigt somit nur gering, die Wasserspeicherungskapazität nimmt dagegen besonders im schwer pflanzenverfügbaren Bereich zu. Angaben anderer Autoren bestätigen die Ergebnisse der ermittelten Zunahme der Wasserhaltekapazität durch die Beimengung von P-BC. LAIRD U. A. (2010) wies einen Anstieg der nfk von 4 Vol% bei 2 m% BC nach (lehmiges Substrat mit Holzkohle). NOVAK U. A. (2009) stellte bei 2 m% BC aus verschiedenen Ausgangsmaterialien eine messbare Erhöhung der nfk eines mittellehmigen Sandes um 2,8 bis 15,9 Vol% fest. Auch GASKIN U. A. (2007) stellte eine Erhöhung durch Zugabe von P-BC fest. TRYON (1948) wies durch die Beimengung von Holzkohle ebenfalls eine Erhöhung der nfk nach, wobei die Erhöhung der nfk stärker bei sandigen Substraten als bei lehmigen auftrat. Bei tonigen Substraten, die per se eine hohe nfk besitzen, beobachtete TRYON (1948) hingegen sogar eine Verringerung der nfk. Dies ist mit den innerhalb der Versuche gemessenen abfallenden nfk des humosen Substrates E durchaus vergleichbar. Bei den genannten Veröffentlichung wurde ausschließlich P-BC verwendet, Untersuchungen hinsichtlich H-BC liegen bis zum jetzigen Zeitpunkt nicht vor. Im Vergleich zur organischen Bodensubstanz beeinflussen BC die nfk in ähnlichen Maßen. Je Prozent OBS sind der nfk 0,6 Vol% (KA5) bis 1,4 Vol% (RIECK U. A., 1992) zuzuschlagen. Im Vergleich steigt die nfk pro m% P-BC über 2,3 Vol%, pro m% H-BC über 1,9 Vol%. Übereinstimmend mit der OBS ist ein effektiverer Einfluss auf die Wasserretentionskapazität bei leichten Böden als bei schweren Böden (vgl. RAWLS U. A., 2003). Parallelen bestehen darüber hinaus zu Braunkohle (KAPPEN, 1943), Torf (WALCZAK U. A., 2002) und Kompost (EHRIG UND STAHR, 1988), die als Bodenmeliorationsmittel eine vergleichbare Steigerung der nfk bewirken können. Totwasser Die Nullvarianten zeigen eine deutliche Abhängigkeit des TOT-Gehaltes zu dem Ton- und Humusanteil der jeweiligen Substrate. In Betrachtung der massebezogenen Gehalte an TOT der Substrate A-E ist eine Erhöhung durch die Beimengung von BC ersichtlich. Es besteht eine mit der Menge an BC positive Korrelation. Die Substrate mit H-BC zeigen tendenziell einen höheren Anstieg des TOT-Gehaltes als die Substrate mit P-BC. Betrachtet man die ermittelten TOT-Gehalte der reinen BC, so zeigen diese einen eindeutigen Zusammenhang zur spezifischen Oberfläche. Die H-BC mit einer Oberfläche von 6,3 m 2 g 1 weist hierbei einen geringeren TOT-Gehalt auf, als P-BC mit einer Oberfläche von 217,0 m 2 g 1 (WAGNER, A., 2010). Demnach sollten auch die Substrate mit P-PC höhere TOT-Gehalte 26

35 aufweisen, als die Substrate mit H-BC, jedoch zeigt die Mehrzahl der Beobachtungen dem widersprechende Ergebnisse. Es ist anzunehmen, dass keine Porenkontinuität zwischen den Porenräumen der H-BC und dem umgebenden Bodenraum gegeben war und eine vollständige Entwässerung der Biokohle wegen einer extrem geringen Wasserleitfähigkeit unterbunden wurde Methodische Probleme der Mess- und Erfassbarkeit Die einzelnen Wiederholungen der mit BC versetzten Substrate weisen teils sehr unterschiedliche Ergebnisse der ermittelten Wassergehalte auf. Diese können aus geringen Unterschieden in der eingestellten TRD resultieren. Da hier das Bodenmaterial sukzessiv, in mehreren Lagen, eingefüllt und verdichtet worden ist und die TRD lediglich im Bezug auf das komplette Volumen des Stechzylinders steht, besteht durchaus die Möglichkeit unterschiedlicher TRD innerhalb der einzelnen Schichtungen, was sich auf die Porenverteilung und somit auf die gemessenen Wassergehalte auswirken kann. Innerhalb des Versuches konnten des Öfteren höhere Wassergehalte bei niedrigeren Matrixpotentialen, als bei der vorangegangenen Entwässerungsstufe höheren Matrixpotentials, beobachtet werden. Dies widerspricht dem üblichen Modell der Wasserretentionsfunktion, bei der der Wassergehalt mit steigender Wasserspannung abnimmt. Dieses Phänomen trat, mit einer tolerierbaren Ausnahme innerhalb der Nullvarianten, ausschließlich bei den Varianten mit Biokohle auf. Auf einen Zusammenhang mit der Menge an eingebrachter Kohle konnte nicht rückgeschlossen werden, denn sowohl die 1% Varianten als auch die 2,5 und 5% Varianten wiesen diese Anomalien auf. Während zwischen den einzelnen Entwässerungsstufen pf 1,5 und 1,8, bzw. zwischen 3,0 und 4,2 bei allen Substraten der Wassergehalt abnahm, so war zwischen den pf-stufen 1,8 bis 3,0 bei rund einem Viertel der Proben ein höherer Wassergehalt als bei der vorangegangen Entwässerungsstufe zu verzeichnen. Mehrere Interpretationen zur Erklärung dieser Messwerte sind hierbei möglich. i) Das zeitliche Intervall zwischen Beginn der Entwässerung und der Messung des Wassergehalts kann zu kurz angesetzt worden sein, wodurch die Messung schon vor dem Erreichen des hydrostatischen Gleichgewichtes erfolgte bzw. lediglich im unteren Randbereich des Bodenraumes, der in Kontakt mit der Keramikplatte stand, ein hydrostatisches Gleichgewicht vorlag. Zwar war optisch kein Wasseraustritt aus den Bodenproben nach einer Entwässerungszeit von bis zu drei Wochen zu erkennen, dennoch besteht die Möglichkeit, dass auf Grund einer geringen ungesättigten Wasserleitfähigkeit weiter geringe Mengen an Wasser über einen längeren 27

36 Zeitraum auch nach dem Beenden der Experimentes aus dem Boden hätten austreten können. Insbesondere ist anzunehmen, dass bei niedrigem Matrixpotential, auf Grund der nicht vorhanden Porenkontinuität (Kapillarität unterbrechende Grobporen) zwischen dem intrinsischem Porensystem der BC und dem intergranularen Porensystem, das Porensystem der BC entsprechend gering entwässert wurde und dadurch höhere Wassergehalte gemessen wurden als sie dem Matrixpotential entsprechen. ii) Durch Lufteinschlüsse, vor allem in den Poren der Biokohle wurde zuerst ein zu geringer Wassergehalt, nach erneuter Aufsättigung und bei abnehmendem Volumen an Lufteinschlüssen, ein höherer Wassergehalt gemessen. Die einzelnen Messungen wurden somit innerhalb von stark voneinander abweichenden Hystereseschleifen durchgeführt (vgl. Kap.3.2). iii) Die Oberflächeneigenschaften der Kohle können sich über die Zeit verändert haben, was den Kontaktwinkel zwischen dem Medium Wasser und den Kohlepartikel und somit das Verhalten bezüglich der Be- und Entwässerung zu beeinträchtigen vermochte (vgl. Kap.3.2). iv) Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Entwässerungsstufen können den Kontaktwinkel und somit die Entwässerung beeinträchtigt haben (vgl. BACHMANN U. A., 2002). v) Ein zu kurzer Zeitraum der Aufsättigung ist angesetzt worden. Im Rahmen der Versuche betrug das übliche Zeitintervall zwischen Beginn der Aufsättigung und der Entwässerung 18 bis 24 Stunden. Zwar war nach diesem Zeitraum aus optischer Betrachtung der Boden vollständig gesättigt, jedoch weisen die Beobachtungen eines weiteren Versuches darauf hin, dass, um die vollständige Aufsättigung der Porenräume der Biokohle zu gewährleisten, ein längeres Zeitintervall vonnöten ist. Im Rahmen dieses Versuches wurde die P-BC in einem Stechzylinder auf eine keramische Platte bei einem Matrixpotential von 0 cm bewässert. Die Wasseraufnahme über die Zeit wurde gravimetrisch gemessen. Das Ergebnis zeigt, dass der Zeitraum bis zur vollständigen Sättigung der Poren der Kohle und der intergranularen Poren in etwa 72 Stunden betrug und das BC-Substrat ungefähr das Siebenfache des Eigengewichtes an Wasser aufgenommen hat. Somit besteht die Annahme, dass sich die Porenräume der eingebrachten Kohle nach 18 bis 24 Stunden noch nicht vollständig, bzw. erst in der darauffolgenden angesetzten Entwässerungsstufen mit vorausgehender erneuter Aufsättigung, vollständig mit Wasser füllten. 28

37 3.1.2 Verdunstungsmethode Material und Methoden Zur Ermittlung der Wasserretentionscharakteristik des Bodens unter dynamischen Aspekten wurde parallel zur stationären Methode die Verdunstungsmethode nach SCHINDLER (1980) angewandt. Auf Grund des zeitlichen und arbeitstechnischen höheren Aufwandes dieser Methode zur Messung der Wasserspeicherungsfunktion und der Wasserleitfähigkeit im teilgesättigten Bereich konnten nicht alle Substrate und dessen verschiedene Mischungsverhältnisse untersucht werden. Unter der Annahme, dass der Einfluss der Biokohle bei ton- und humusarmen Substraten am höchsten ist, wurde lediglich ein Substrat für die Messungen ausgewählt, das diese Charakteristika aufwies (Substrat A). Der Boden wurde auf <2 mm gesiebt und mit steigenden Anteilen von 1; 2,5 und 5 m% sowohl mit P-BC als auch mit der H-BC vermengt. Die Partikelgröße beider verwendeten Kohlen betrug maximal 2 mm. Die verschiedenen Proben wurden in Stechzylinder mit 250 cm 3 eingefüllt und manuell verdichtet. Der Verlauf der Wasserretentionskurve und der ungesättigten Wasserleitfähigkeit wurde durch die Laborverdunstungsmethode HYPROP erfasst (vgl. Abbildung 15). Der Wassergehalt wurde gravimetrisch bestimmt. Die Wasserspannung wurde durch zwei in verschiedenen Höhen eingebrachten Tensiometer erfasst und gemittelt. Stieg die Differenz der Wassergehalte in den zwei Kompartimenten (Tensiometer (T) 1 und 2) bildete sich ein Gradient der gemessenen Wasserspannung, aus der im Bezug auf den Wasserfluss die ungesättigte Leitfähigkeit nach dem Buckingham-Darcy-Gesetz abgeleitet werden konnte. Der Versuch endete bei Erreichen der maximalen messbaren Wasserspannung der Tensiometer. Das zeitliche Messintervall betrug zehn Minuten. Die durch die Verdunstungsmethode ermittelten Ergebnisse wurden mit Hilfe von SHYPFIT (Soil Hydraulic Properties Fitting nach DURNER UND PETERS (2009)) an das Modell von Van Genuchten angepasst. 29

38 Abbildung 15: Skizze HYPROP c Ergebnisse und Diskussion Wasserretention Im Gegensatz zu den Ergebnissen der Wasserretention der stationären Methode ist der Einfluss der Biokohle geringer. Zum Vergleich können allerdings nur die Wassergehalte (WG) bis zu einer Saugspannung von pf 2,5 herangezogen werden. Auffallend ist die große Diskrepanz zwischen den einzelnen Werten des Sättigungswassergehaltes, der bei allen Substraten unter dem theoretisch ermittelten GPV liegt (vgl. Abbildung 16 und 17). Dies deutet darauf hin, dass zu Beginn des Versuches die Poren des Bodenraums nicht vollständig mit Wasser gefüllt waren. Es ist anzunehmen, dass die Zeitspanne zwischen Aufsättigung und Start der Messung zu gering angesetzt wurde, bzw. Lufteinschlüsse eine vollständige Sättigung unterbanden. Da davon ausgegangen wird, dass alle Poren mit Wasser gefüllt sind, startet die Messung mit kalibrierten Werten der Wasserspannung, die dem Gravitationspotential der auflastenden Wassersäule der vollständigen Sättigung entsprechen. Praktisch weist jedoch die Probe bereits ein geringeres Matrixpotential auf Grund der nicht vollständigen Sättigung auf. Somit wird die pf/wg-beziehung nicht korrekt wiedergegeben. Auf Grund dieses methodischen Problems kann zur Interpretation des Einflusses der BC lediglich die Steigung (Formparameter n) der WG/pF-Beziehung zur Auswertung in Betracht gezogen werden. Direkte Rückschlüsse auf die zum Matrixpotential korrespondierenden Äquivalenzdurchmesser der Poren können nicht gezogen werden. 30

39 Abbildung 16: Anpassung der Ergebnisse des Substrates A mit P-BC an das Van Genuchten Modell Abbildung 17: Anpassung der Ergebnisse des Substrates A mit H-BC an das Van Genuchten Modell 31

40 Tabelle 9: Parameter des Van Genuchten Modells Substrat Θ s Θ r α n r ,4 2,5 0,025 5,428 0,96 1P 33,4 5,0 0,021 5,861 0,99 2,5P 39,5 6,9 0,028 4,722 0,99 5P 34,5 13,6 0,036 3,206 0,98 1H 38,8 4,1 0,033 3,419 0,98 2,5H 40,9 6,0 0,034 3,334 0,99 5H 30,4 8,0 0,035 2,694 0,99 Der Formparameter n hängt hierbei entscheidend von der Porengrößenverteilung ab. Ein steiler Abfall der Geraden (hoher Wert für n) zeigt ein enges Porengrößenspektrum, ein langsamer Abfall (kleiner Wert für n) ein weites Porengrößenspektrum. Natürlich gelagerte Sande weisen üblicherweise ein enges Porenspektrum auf (n= 2,7), Lehme hingegen ein weites Porenspektrum (n=1,6 (CARSEL UND PARRISH, 1988)). Das verwendete Substrat A besitzt ein extrem enges Porenspektrum, das mit Reinsanden, die z.b. für den Straßenunterbau verwendet werden und eine enge Korngrößenverteilung besitzen (vgl. LEBEAU UND KONRAD, 2009), verglichen werden kann. Mit steigenden Anteil an BC zeigt sich eine Abnahme des Wertes des Parameters n. Dies deutet darauf hin, dass sich das Spektrum der Äquivalent-Porendurchmesser, insbesondere bei der Applikation von H-BC, erweitert hat. Der modellierte residuale Wassergehalt (Θ r ) entspricht nicht dem zu erwartenden reellen residualen Wassergehalt, da die für die Anpassung verwendeten Werte im Bereich zwischen Ψ pf 2,0 und 2,5 im äußerem Randbereich des Messbereiches des Tensiometers liegt und im Zusammenhang mit der geringen Wasserleitfähigkeit sich in extrem kurzer Zeit ein hoher Gradient zwischen unterem und oberem Tensiometer gebildet hat, wobei jedoch der Wassergehalt nur gering abgefallen ist. Gleichzeitig kann durch das Van Genuchten Modell, das einen streng sigmoiden Kurvenverlauf definiert, eine bimodale Porenverteilung, wie sie bei dem Zweistoffgemisches Boden-BC vorliegt, nicht optimal beschrieben werden und somit der residuale Wassergehalt, insbesondere bei der Variante mit 5 m% P-BC, zu hoch angesetzt wird. Die Steigungen der pf/wg Beziehung der instationären Verdunstungsmethode unterscheiden sich deutlich von der pf/wg Beziehung der einzelnen Substrate, die innerhalb der stationären Methode (vgl ) ermittelt wurden. Durch die methodischen Probleme der Messund Erfassbarkeit innerhalb der stationären Methode (vgl ) ist anzunehmen, dass zu hohe Wassergehalte ab Ψ pf 2,0 auf Grund der geringen Leitfähigkeit ermittelt wurden. Dies spiegelt sich an der Steigung der pf/wg Beziehung wieder, wobei hier ein deutlich flacherer Abfall zu verzeichnen ist als bei der Verdunstungsmethode. 32

41 Ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit In natürlich gelagerten Böden wird angenommen, dass Mittelporen eine relativ gleichmäßige räumliche Verteilung im Bodenraum aufweisen und dadurch eine hohe Porenkontinuität besteht. Böden, mit einem hohen Anteil an Mittel- und Feinporenporen weisen bei niedrigen Matrixpotential einen relativ hohen Wassergehalt auf. Gleichzeitig ist der Anteil an luftgefüllten Porenräumen relativ gering, was den Transport von Wasser im ungesättigten Bereich begünstigt. Dadurch zeigen z.b. Tonböden eine höhere ungesättigte Leitfähigkeit als Sandböden mit einem hohen Grobporenanteil (vgl. SCHEFFER UND SCHACHTSCHABEL, 2009). Das Ergebnis des vorausgegangen Versuches zeigt, dass durch BC der volumenbezogene Anteil an Mittelporen im Verhältnis zur Nullvariante zunimmt. Dementsprechend sollte ein Anstieg des K u bei den Substraten mit BC zu verzeichnen sein. Dies wird jedoch anhand der Ergebnisse nicht bestätigt (vgl. Abb.18 und 19). Die ungesättigte Leitfähigkeit liegt bei einem Matrixpotential von 500 cm (pf 2,7) mit 0,1 mmd 1 in einem üblichen Bereich für Sande (vgl. RENGER U. A., 2009). Dass trotz höherem Wassergehaltes bei den Substraten mit BC keine höhere ungesättigte Wasserleitfähigkeit vorliegt, ist auf die Porenkontinuität zurückzuführen. Insbesondere Poren des Mittelporenbereiches weisen keine gleichmäßige räumliche Verteilung auf. So können die relativ engen Porenräume der BC wassergefüllt, die umliegenden intergranularen Porenräume der Bodenmatrix jedoch schon weitgehend entwässert sein. Dadurch verlängert sich der Fließweg des Wassers (Tortuosität) bzw. beschränkt den Transport von Wasser auf die dampfförmige Phase. Die Wasserleitfähigkeit ist somit von der Porenverteilung der mineralischen Bodenmatrix, die sich durch die Beimengung von BC nicht wesentlich verändert, abhängig. 33

42 Abbildung 18: K u des Substrates A mit P-BC Abbildung 19: K u des Substrates A mit H-BC 34

43 3.2 Hysterese Hysterese bezeichnet einen unterschiedlichen Verlauf der Wasserspannungskurve bei Ent- und Bewässerung. Faktoren, die den Verlauf der Kurve beeinträchtigen sind Porenengpässe, die sich bei Be- und Entwässerung unterschiedlich auswirken, Veränderungen des Kontaktwinkels, Luftinklusionen und eine Änderung des Gefüges (SCHEFFER UND SCHACHTSCHABEL, 2009). Eine Änderung des Gefüges kann im Rahmen der Untersuchung auf Grund des geringen Tongehaltes der verwendeten Bodenprobe ausgeschlossen werden Material und Methoden Zur Messung des Hystereseverhaltens bei Ent- und Bewässerung wurde Substrat A mit 1; 2,5 und 5 m% Biokohle (Partikelgröße <2 mm) vermengt. Das Bodenmaterial wurde auf <2 mm gesiebt und zusammen mit der BC in Stechzylinder von 380 cm 3 eingefüllt und verdichtet. Auf Grund der langen Zeitspanne eines einzelnen Versuchablaufes konnte der Versuch lediglich mit der P-BC durchgeführt werden. Die Versuchsapparatur Equi-pF von Streat Instruments (vgl. Abb.20) zeichnete bei verschiedenen Wasserspannung die bei der Entwässerung aus dem Bodenraum austretende Menge an Wasser auf 0,1 ml genau auf. Die Messapparatur schritt nach Erreichen des hydrostatischen Gleichgewichtes automatisch zur nächsten definierten Wasserspannung. Die maximale Wasserspannung betrug 100 cm (pf 2,0). Nachdem die Entwässerung abgeschlossen war, wurde die Bodenprobe aus einem Wasserreservoir bei steigendem Matrixpotential bewässert. Die aufgenommene Menge Wasser wurde auf 0,1 ml genau gemessen. Nach vollständiger Sättigung bei einer Wasserspannung von 0 cm wurde die Bodenprobe erneut entwässert. Zuletzt wurde der Wassergehalt gravimetrisch bestimmt. Im Bezug auf die Daten der aufgenommenen und abgegeben Menge an Wasser konnte der Wassergehalt bei den untersuchten Wasserspannungen ermittelt werden. 35

44 Abbildung 20: Skizze der Versuchsapparatur Equi-pF Ergebnisse und Diskussion Um die Hysterese der Ent- und Bewässerungskurve der einzelnen Substrate zu vergleichen, wurde die Differenz der Wassergehalte zwischen Ent- und Bewässerung bei jeden gemessen Matrixpotential Ψ bestimmt. Darüber hinaus wurde die Differenz des Integrals der Ent- und Bewässerungskurve zur Auswertung herangezogen. Hierbei handelt es sich allerdings lediglich um eine Annährung, da die genauere pf/wg-beziehung zwischen den gemessen Punkten nicht bekannt ist und zur Vereinfachung eine lineare Abnahme des Wassergehaltes im Bezug zum Matrixpotential angenommen wurde. Alle untersuchten Varianten weisen eine deutliche Hysterese zwischen Ent- und Bewässerungskurve auf (vgl. Abb ). Unter Betrachtung der maximalen Differenz der Wassergehalte bzw. der Differenz des Integrals zwischen der Erstentwässerungskurve und Bewässerungskurve, zeigt sich eine Erhöhung des Hystereseeffektes durch die Beimengung von BC (vgl. Tab.10). Allerdings ist kein Zusammenhang zwischen der Ausprägung der Hysterese und dem Anteil an BC zu erkennen. Die Dimension der maximalen Differenz der Wassergehalte zwischen Ent- und Bewässerung der Nullvariante entspricht den üblichen Werten für sandige Böden (vgl. CLAUSNITZER, 1978). Der Effekt der Hysterese vergrößert sich im Allgemeinen mit steigendem Anteil an Grobporen (ILNICKI, 1982), die den Flaschenhalseffekt der Porenengpässe verstärken. Unter Betrachtung der Porengrößenverteilung der einzelnen Substrate ist zwar eine geringe Abnahme an weiten 36

45 Grobporen (LK) durch die Applikation von BC zu verzeichnen (vgl. Tab.11), dennoch ist nicht auszuschließen, dass auf Grund der sperrigen Form der BC-Partikel größere intergranulare Porenräume in der Umgebung der BC-Partikel vorhanden sind. Gleichzeitig ist die Hysterese auf unterschiedliche Kontaktwinkel bei der Ent- und Bewässerung und Luftinklusionen zurückzuführen. Insbesondere ist eine Veränderung der Grenzflächeneigenschaften der BC über die Zeit und in Abhängigkeit von dem Wassergehalt anzunehmen. So kann im entwässerten Zustand der Kontaktwinkel an den Oberflächen der BC größer sein als im feuchten Zustand. Mit steigendem Wassergehalt bei Bewässerung sollte allerdings keine sofortige Veränderung der Oberflächeneigenschaften erwartet werden. Vielmehr kann angenommen werden, dass ein gewisses Zeitintervall überschritten werden muss, bis eine Änderung der Oberflächeneigenschaften der BC auftritt. Betrachtet man den Messvorgang, so ist zwischen jedem gemessenen Matrixpotential ein bestimmtes Zeitintervall vergangen. Somit kann imaginär auf die Abszissenachse der Darstellung der pf/wg-beziehung die Zeit aufgetragen werden. Diese Interpretation kann insbesondere die stärkere Wasseraufnahme bei höherem Matrixpotential der Substrate mit BC im Vergleich zur Nullvariante beschreiben. Auch die Unterschiede zwischen dem Verlauf der ersten und zweiten Entwässerung können auf der Änderung der Oberflächeneigenschaften beruhen. So weisen die Substrate mit BC einen bis 5 Vol% höheren Wassergehalt bei der letzten Entwässerungsstufe der zweiten Entwässerung auf, als der der Erstentwässerung. Neben dem Einfluss der Oberflächeneigenschaften kann die räumliche Struktur der Porenräume der BC die Hysterese verstärken. Besonders abrupt endende Porenräume, wie Abbildung 25 zeigt, können Lufteinschlüsse bei Bewässerung hervorrufen. Aber auch die längliche, kapillarförmige Struktur der Poren der BC (vgl. Abb.4, Kap 3.1.1), kann, bei gleichzeitigem Eindringen des Wasserminiskus an den jeweiligen Enden, den Einschluss von Luft begünstigen. Innerhalb des Versuches zeigt sich abermals eine Steigerung der nfk mit zunehmendem Anteil an BC (vgl. Tab.11). Im Vergleich zu den in Kap ermittelten Werten fällt diese jedoch etwas geringer aus, was insbesondere auf den geringen Wassergehalt bei Ψ= 0 cm zurückzuführen ist, der unter dem maximal zu erreichenden Wassergehalt (Θ s ) liegt. 37

46 Abbildung 21: Hystereseschleife des Substrates A ohne BC Abbildung 22: Hystereseschleife des Substrates A mit 1 m% P-BC 38

47 Abbildung 23: Hystereseschleife des Substrates A mit 2,5 m% P-BC Abbildung 24: Hystereseschleife des Substrates A mit 5 m% P-BC 39

48 Tabelle 10: Hysterese im Bezug 1. Entwässerungskurve und Bewässerungskurve Anteil BC max. Θ (bei Ψ) Fläche des Intergrals 0 12,8 (45 cm) ,8 (30 cm) 757 2,5 16,1 (30 cm) ,8 (20 cm) 466 Θ Differenz des Wassergehaltes in Vol% Tabelle 11: Kennwerte des Wasserhaushaltes im Bezug auf 2. Entwässerung Anteil BC TRD LK FK nfk TOT 0 1,49 35,1 9,1 8,0 1,1 1 1,42 32,2 14,4 13,0 1,4 2,5 1,39 31,7 15,8 13,5 2,4 5 1,24 33,9 18,3 14,7 3,7 TRD in gcm 1 ; LK, FK, nfk, TOT in Vol% Abbildung 25: Elektronenmikroskopische Aufnahme abrupt endender Porenräume der BC 40

49 3.3 Hydrophobie Material und Methoden Die Benetzungseigenschaften wurden anhand des WDPT-Tests (Water Drop Penetration Time) bei verschiedenen Wassergehalten der Substrate A-E und deren unterschiedlichen Mischungsverhältnissen ermittelt. Hierbei wurde mit einer Pipette drei Tropfen vollentsalztes Wasser auf das Substrat aufgebracht und die Zeit bis zur vollständigen Infiltration des Wassertropfens aufgezeichnet. Der Vorgang wurde nach jeder pf-stufe des in Kap beschriebenen Versuches bzw. nach Trocknung bei 105 C wiederholt, um den kritischen Wassergehalt (vgl. DEKKER U. A., 2001) abzuschätzen. Auch die Substrate des Freilandversuches und die verwendeten Biokohlen wurden auf ihre Benetzbarkeit untersucht, jedoch lediglich bei Feldkapazität (pf 1,8), im Bereich des permanenten Welkepunktes (pf 4,2) und nach Trocknung. Die maximale Aufzeichnungszeit zur vollständigen Infiltration betrug eine Stunde. Die Einteilung der Benetzungseigenschaften erfolgte nach DEKKER U. A. (2001), wobei das Substrat bei einer WDPT von <5 Sekunden als hydrophil, > 5 Sekunden als hydrophob eingestuft wird. Darüber hinaus wurde an Stichproben des Substrates des Feldversuches mit 5 m% BC die räumliche Elementverteilung durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) untersucht, um im Abgleich mit elektronenmikroskopischen Aufnahmen Schlussfolgerungen auf die Anlagerung von Kohlepartikel an die mineralischen Oberflächen (Coatings) ziehen zu können Ergebnisse Die Substrate A; B; C und D und die des Feldversuches weisen bezüglich ihrer Benetzbarkeit ein homogenes Verhalten auf. Bei den Nullvarianten sind keine hydrophobischen Eigenschaften feststellbar (vgl. Tab.12). Auch durch die Zugabe von Biochar lässt sich keine direkte Veränderung der Benetzbarkeit nachweisen. Die Zeit bis zur vollständigen Infiltration beträgt bei allen Varianten < 3 Sekunden. Durch die hohe Luftfeuchtigkeit in der pf-apparatur trat eine auffällige Schimmelpilzbildung bei den Substraten mit H-BC in Erscheinung. Die Hyphen des Pilzes waren optisch deutlich sichtbar. Diese Substrate weisen in den vom Pilz betroffenen Bereichen hydrophobische Eigenschaften auf, mit einer WDPT von > 10 Sekunden bis zur maximalen Beobachtungszeit von 60 Minuten. Die reinen Biocharsubstrate weisen keine Benetzungshemmung bei den betrachteten pf Stufen 1,8 und 4,2 und nach Trocknung auf. Substrat E zeigt ab einem bestimmten kritischen Wassergehalt eine Benetzungshemmung. Während bei einem Matrixpotential 41

50 Tabelle 12: WDPT der Substrate mit Benetzungshemmung pf-stufe 1,5 1,8 2,0 2,5 3,0 4,2 105 C Substrat < 5s < < 5s < < 5s < < 5s < < 5s < < 5s < < 5s < A B C D 0 x - x - x - x - x - x - x - 1-H x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) 2,5-H x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) 5-H x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) 0 x - x - x - x - x - x - x - 1-H x - x - x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) 2,5-H x - x - x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) 5-H x - x - x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) 0 x - x - x - x - x - x - x - 1-H x - x - x - x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) 2,5-H x - x - x - x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) 5-H x - x - x - x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) 0 x - x - x - x - x - x - x - 1-H x - x - x - x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) 2,5-H x - x - x - x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) 5-H x - x - x - x - (<) x - (<) x - (<) x - (<) 0 x - x - < > - x - x - x - x 1-P x - x - x - < > - x - x - x 2,5-P x - x - < > - x - x - x - x E 5-P x - x - < > - x - x - x - x 1-H x - x - x - - x - x - x - x 2,5-H x - x - x - - x - x - x - x 5-H x - x - x - - x - x - x - x - nicht zutreffend; x für alle Proben zutreffend; < teilweise; > häufig; in () nicht repräsentativ im Bezug zur BC, Werte gelten für von Pilzhyphen betroffene Stellen; Stichprobenumfang n=3; Actual Water Repellency: pf 1,5-4,2; Potential Water Repellency: nach Trocknung bei 105 C vgl. DEKKER U. A. (2001). pf 2,0, mit einem durchschnittlichen Wassergehalt von 38,7 Vol%, lediglich Substrat E-0; E-2,5P und E-5-P eine Benetzungshemmung zeigt, weisen bei pf 2,5 bereits alle Varianten hydrophobische Charakteristika auf. Die Werte des WDPT liegen zwischen 5 Sekunden und 60 Minuten. Der Wassergehalt beträgt im Mittel 32,4 Vol%. Aus den Ergebnissen der energiedispersiven Röntgenspektroskopie kann nicht eindeutig auf die Anlagerung von Kohlepartikel an die Mineraloberfläche rückgeschlossen werden. Der hohe Anteil an Humus, dessen Aufbau eine ähnliche Elementverteilung besitzt, überlagert den Effekt, der durch die Kohle zu erwarten gewesen wäre. Auf eine Abbildung wurde aus diesem Grund verzichtet. 42

51 3.3.3 Auswertung und Diskussion Die Annahme, dass die Benetzbarkeit durch die Beimengung von BC beeinflusst wird, hat sich anhand der Versuche nicht bestätigt. Auch die reinen BC weisen keine Benetzungshemmung auf. Dies weist darauf hin, dass die chemische Struktur der Oberflächen überwiegend hydrophile funktionelle Gruppen, wie z.b Carboxyl- und Hydroxylgruppen, besitzen muss. Auch die im Feldversuch verwendete Buchenholzkohle, die einen höheren Kohlenstoffanteil als die Biokohlen des Laborversuches besitzt, zeigt keine hydrophobische Eigenschaft. Die Benetzungshemmung des Substrates E ist auf den hohen Gehalt zersetzten Humus zurückzuführen. Die auftretenden hydrophobischen Eigenschaften bei Unterschreitung des kritischen Wassergehaltes kann auf das Vorhandensein von ampholytischer Gruppen der Substrate zurückgeführt werden (vgl. DOERR U. A., 2000)). Der kritische Wassergehalt des Substrates E ist mit den von DEKKER UND RITSEMA (1996) an humusreichen Substraten ermittelten kritischen Wassergehaltes von 38 Vol% vergleichbar. Auch die an den Substraten mit H-BC auftretende Hydrophobizität kann nicht direkt auf die Biochar zurückgeführt werden. Die Benetzungshemmung ist eindeutig durch die Oberflächeneigenschaften des Schimmelpilzes hervorgerufen worden. Da lediglich die Varianten mit H- BC eine Pilzbildung zeigten und dessen Ausprägung sich mit steigenden Anteil an BC verstärkte, ist anzunehmen, dass die H-BC als Nährsubstrat des Pilzes diente. Somit zeichnet sich ab, dass die H-BC keine vollständige Resistenz gegenüber einem biotischen Abbau besitzt. 43

52 3.4 Freilandversuch Material und Methoden Auf dem Versuchsgelände Berlin-Dahlem der Humboldt-Universität zu Berlin wurde im Zeitraum von Anfang August 2010 bis Anfang Februar 2011 der Einfluss von Biochar (BC) auf bodenphysikalische Kennwerte unter Freilandbedingungen untersucht. Die Fahlerde der Geschiebemergelhochfläche weist durch längere vorausgehende Bewirtschaftung als Grünland einen relativ hohen Humusgehalt von 2,1 m% vor. Die genaue Korngrößenverteilung des schwach lehmigen Sandes (Sl2) ist der Tabelle 13 zu entnehmen. Tabelle 13: Korngröÿenverteilung Gehalt in % Bodenart T fu mu gu fs ms gs Sl2 5,8 2,7 3,7 7,9 40,0 35,5 4,8 Bestimmung der Korngrößen nach DIN ISO 11277; Abbildung 26: Elektronenmikroskopische Aufnahme der Buchenholzkohle; links: 1000x rechts: 8000x Vergröÿerung Die Fläche des Versuches beschränkte sich auf 16 m 2, wobei die einzelnen Plots der Versuchsreihe zur Untersuchung von oberflächennahen Veränderungen 1 m 2 bzw. für die Nullvariante 3 m 2 umfassten. Für die Untersuchung der TRD und des Wasserhaushaltes wurde eine Fläche von 0,8 m 2 für jeden Plot beansprucht. Bei ersterer Versuchsreihe betrug die Einarbeitungstiefe der Biokohle 5 cm, bei letzterer wurde die Kohle bis in eine Tiefe von 30 cm eingebracht, was 44

53 der Mächtigkeit eines Pflughorizontes entspricht. Auf Grund Lieferungsprobleme seitens der Hersteller größerer Mengen hydrothermal karbonisierter Biokohle und hohen Kosten musste auf dessen Verwendung im Freilandversuch verzichtet werden. Die verwendete P-BC, eine handelsübliche Holzkohle aus Buche (von Degussa AG, Herstellungsprozess vgl. (BROCK- SIEPE, 2000)), wurde auf <5 mm gesiebt. Die Partikelgrößenverteilung der BC ist für >2 mm 46,3%; 2-0,063 mm 51,7%; <0,063 mm 2%. Die Kohle besitzt eine TRD von 0,43 gcm 3 (eigene Bestimmung; Werte stimmen mit Literatur weitgehend überein). Die Porosität beträgt 70 Vol%, der Kohlenstoffanteil >78% (BROCKSIEPE, 2000). Der Anteil eingebrachter Kohle entspricht mit 1; 2,5 und 5 m% den Verhältnissen der Laborversuche. Der zu den Mengenanteilen korrespondierender Volumenanteil beträgt ca. 3%, 8% und 16%. Nach Einbringen der BC in das ausgehobene Bodenmaterial und Homogenisierung wurde das Substrat auf die Fläche aufgebracht. Um die natürliche Sackung des Substrates zu untersuchen wurde auf eine Rückverdichtung verzichtet. Die Fläche wurde über den Messzeitraum von Vegetation freigehalten. Zu verschiedenen Zeitpunkten wurde zur Bestimmung der TRD ein definiertes Probevolumen in einer Tiefe von 0-10 cm entnommen. Die Veränderung der Oberfläche wurde visuell dokumentiert. Die Erwärmung des Bodens wurde im Labor anhand von Mischproben mittels Infrarotlampe und Wärmekamera gemessen. Zur Abschätzung des Einflusses der BC auf die Wasserretention wurde die Fläche nach anhaltenden Niederschlägen zur Unterbindung des Wasserverlustes durch Verdunstung mit einer wasserundurchlässigen Plane abgedeckt und der natürlichen Dränung ausgesetzt. Die gravimetrische Bestimmung des Wassergehaltes erfolgte anhand von Mischproben, anfangs in einem zeitlichen Intervall von zwei Tagen, später in größeren Abständen. Der gesamte Messzeitraum umfasste 21 Tage. Anfang Februar wurden mehrere ungestörte Proben jedes einzelnen Plots in einer Tiefe von 0-30 cm entnommen und im Labor die nfk, die gesättigte Wasserleitfähigkeit (K f ) sowie die TRD bestimmt. Hohe K f -Werte auf Grund von sichtbaren Sekundärporen, wie z.b. Regenwurmgänge, wurden nicht in die Auswertung miteinbezogen. 45

54 3.4.2 Ergebnisse und Diskussion Wasserretention Durch die natürliche Konsolidierung des locker eingebrachten Bodenmaterials ist eine Zunahme der TRD über die Zeit zu beobachten (vgl. Tab.14). Die Zeitspanne der ersten und letzten Messung der TRD ist hierbei mit der Zeitspanne zwischen Bodenbearbeitung nach der Ernte im Herbst und Aussaat zu Beginn der Vegetationsperiode vergleichbar. Anhand des Ergebnisses vom ist die negative Korrelation zwischen der Menge an eingebrachten BC und der TRD insbesondere an den Varianten mit 2,5 m% und 5 m% zu erkennen. Gleichzeitig steigt mit der Menge an BC unmittelbar das GPV. Grundsätzlich ist eine lineare Abnahme der TRD mit steigendem Anteil an BC zu erwarten. Die 1% Variante weist jedoch, trotz der Beimengung der hochporösen BC, eine mit der Nullvariante vergleichbare TRD auf, was darauf hinweist, dass eine dichtere Anordnung der festen Bestandteile vorliegt. Dies bestätigt sich anhand der Porengrößenverteilung. So weist das Substrat mit 1 m% BC eine niedrigere Luftkapazität (LK) auf als die Nullvariante. Die Substrate mit 2,5 m% und 5 m% besitzen eine deutlich geringere TRD im Vergleich zur Nullvariante. Trotz der geringeren TRD, ist jedoch nur ein geringer Anstieg der LK zu beobachten. Der geringe Anstieg ist hierbei auf die Größe der BC-Partikel, die die Porenstruktur zwischen der mineralischen Bodenteilchen und den Kohlepartikel beeinflussen, zurückzuführen. Eine stärkere Zunahme ist hingegen bei der FK zu verzeichnen, da die verwendete BC überwiegend Porenräume im Bereich <50 µm besitzt (vgl. Abb.26). In Gegenüberstellung der Substrate des Feldversuches und der manuell gepackten Substrate D, die eine vergleichbare Korngrößenverteilung besitzen, zeigen die Substrate des Feldversuches eine deutlich höhere LK. Bei der Gegenüberstellung sollte insbesondere der Zusammenhang zwischen BC und TRD der Substrate beachtet werden. Da die TRD der Substrate von der TRD der BC abhängig ist, sollte, theoretisch gesehen, die TRD der Substrate des Feldversuches auf Grund der höheren TRD der BC, über dem Wert der TRD der manuell gepackten Substrate liegen, dessen beigemengte BC eine niedrigere TRD aufweist. Dies bedeutet, dass vor allem das intergranulare Porenvolumen der Substrate mit 2,5 m% und 5 m% höher sein muss als bei den manuell gepackten Substraten, um eine niedrigere TRD zu besitzen. Auf Grund der Größe der BC-Partikel ist hier insbesondere der Anteil an weiten Grobporen gestiegen, der jedoch, im Bezug auf den gesamten Bodenraum, nur zu einer geringen messbaren Steigerung der LK führt, da insgesamt das intergranulare Porenvolumen durch die Applikation von BC abnimmt, der Anteil des intrinsischen Porenvolumens der BC zunimmt. 46

55 Eine Steigerung der nfk durch die Beimengung von BC ist bei allen Varianten zu beobachten (vgl. Tab.15). Die 1% und 2,5% Varianten weisen vergleichbare Werte auf. Sie liegen 3,4 Vol% über der Nullvariante, die eine nfk von 12,8 Vol% besitzt. Bei einer linearen Korrelation zwischen Menge BC und nfk läge die nfk der 1% Variante unter dem Wert der 2,5 m% Variante. Auf Grund der dichteren Lagerung der Bodenbestandteile, wie im oberen Abschnitt bereits beschrieben, ist jedoch eine höhere nfk gegeben. Die maximale nfk besitzt das Substrat mit 5 m% BC. Mit einem Wert von 17,2 liegt sie 4,6 Vol% über dem Wert der Nullvariante. Die Steigerung der nfk ist auf das Porenvolumen der BC zurückzuführen, dessen Spektrum sich überwiegend im Bereich <50 µm befindet. Im Vergleich zu den manuell gepackten Substraten fällt der Anstieg der nfk geringer aus. Zu einem beruht dies auf dem geringeren Porenvolumen der BC aus Buchenholz, das mit 70 Vol% deutlich unter dem Wert der BC aus Mais, die ein Porenvolumen von 82 Vol% besitzt, liegt, zum anderen da die intergranularen Porenräume auf Grund des lockernden Einflusses der Größe der BC-Partikel ein geringeres Volumen im Porenbereich der engen Grobporen und Mittelporen besitzen. Auch die Ergebnisse der gemessenen Wassergehalte nach anhaltendem Niederschlag zeigen den positiven Einfluss der BC auf das Wasserspeicherungsvermögen des Bodens (vgl. Abb.27). Im Mittel liegen die Werte der Substrate mit steigendem Anteil BC 1 Vol%, 2 Vol% und 4 Vol% über der Nullvariante, die zu Beginn der Messung ein Wassergehalt von 15 Vol%, am Ende von 12 Vol% aufweist. Der gemessene Wassergehalt 48 Stunden nach Niederschlag liegt bereits bei allen Substraten unter FK (vgl. Tab.15). Die Wassergehaltsabnahme verläuft über die Zeit zwischen den Varianten parallel, was auf eine vergleichbare ungesättigte Wasserleitfähigkeit aller Substrate hinweist. Der leichte Anstieg des Wassergehaltes zwischen Tag 13 und Tag 20 nach Messbeginn erklärt sich durch Niederschlag, der lateral in den Bodenraum der abgedeckten Versuchsfläche drang. Tabelle 14: Durchschnittliche TRD zu verschiedenen Zeitpunkten Aufnahmedatum Massenanteil BC ,20 ±0,05 (3) 1,28 ±0,01 (3) 1,35 ±0,01 (3) 1,43 ±0,04 (21) 1 1,24 ±0,04 (3) 1,32 ±0,02 (3) 1,31 ±0,02 (3) 1,42 ±0,04 (24) 2,5 1,22 ±0,05 (3) 1,18 ±0,01 (3) 1,26 ±0,03 (3) 1,32 ±0,03 (21) 5 1,07 ±0,06 (3) 1,15 ±0,02 (3) 1,15 ±0,05 (3) 1,21 ±0,03 (22) TRD in gcm 3 ; Stichprobenumfang in Klammern 47

56 Tabelle 15: Porenverteilung m% BC GPV LK FK nfk TOT n 0 45,7 ±1,4 26,4 ±1,8 19,3 ±0,6 12,8 ±0,6 6,5 ±0, ,8 ±1,3 23,5 ±3,1 22,3 ±2,2 16,2 ±2,1 6,1 ±0,2 24 2,5 49,2 ±1,2 26,5 ±2,0 22,8 ±1,4 16,2 ±1,4 6,5 ±0, ,9 ±1,3 29,1 ±1,7 24,2 ±0,9 17,2 ±0,9 7,0 ±0,2 22 Werte in Vol%; Abbildung 27: Verlauf des Wassergehaltes nach anhaltenden Niederschlägen; Die im September ermittelten TRD (vgl. Tab.14) dienten zur volumenbezogenen Umrechnung der ermittelten massebezogenen Wassergehalte Wasserleitfähigkeit, Erodibilität und Erwärmung Wasserleitfähigkeit Die gesättigte Wasserleitfähigkeit (K f ) wird neben der Tortuosität, Uniformität und der Porenkontinuität maßgebend von dem Porenradius beeinflusst. Nach dem Gesetz von Hagen- Poiseuille nimmt die Leitfähigkeit mit der vierten Potenz des Porenradius ab. Somit besteht eine direkte Abhängigkeit zwischen gesättigter Wasserleitfähigkeit und der Porengrößenverteilung. Besonders Sekundärporen können die Leitfähigkeit beeinflussen. Sekundärporen, auf Grund von Schrumpfungs- und Quellungsprozessen, können jedoch wegen der Textur des ver- 48

57 wendeten Substrates ausgeschlossen werden. Auch Sekundärporen wie Wurzelgänge können durch die Freihaltung des Standortes von jeglicher Vegetation während des Versuchszeitraums außer Acht gelassen werden. Ergebnisse, die eine hohe Wasserleitfähigkeit auf Grund von Sekundärporen wie Regenwurmgänge aufwiesen, wurden nicht in die Ergebnisse miteinbezogen. Die gesättigte Wasserleitfähigkeit der Nullvariante beträgt im Mittel 194,7 cmd 1. Ein deutlicher Abfall der Wasserleitfähigkeit ist zwischen der Nullvariante und der 1% Variante, basierend auf dessen geringeren Anteil an weiten Grobporen, zu verzeichnen (vgl. Tab. 16). Die Substrate mit 2,5 m% und 5 m% BC weisen eine mit der Nullvariante vergleichbare Leitfähigkeit auf. Unter dem Aspekt des Zusammenhanges zwischen Anteil weiter Grobporen und gesättigter Wasserleitfähigkeit sollte insbesondere das Substrat mit 5 m% BC eine zur Nullvariante deutlich höhere Leitfähigkeit besitzen. Das Ergebnis zeigt jedoch, dass die Leitfähigkeit gering unter dem Wert der Nullvariante liegt. Es ist somit anzunehmen, dass sich die Faktoren Tortuosität, Uniformität und Porenkontinuität durch die BC verändert haben. Auf Grund der Größe und der langen, kapillarförmigen, rauen Struktur der Porenräume der BC (vgl. Abb. 26) ist eine sehr geringe Leitfähigkeit in den Porenräumen der BC gegeben. Somit ist zu erwarten, dass in diesen Porenräume kein nennenswert messbarer Wassertransport im gesättigten Bereich stattfindet und die BC-Partikel umflossen werden. Im Hinblick auf die Größe der Partikel verlängert sich somit der Fließweg des Wassers, wodurch das Substrat mit 5 m% BC, trotz höheren Anteil an weiten Grobporen, eine niedrigere Wasserleitfähigkeit aufweist. Tabelle 16: Gesättigte Wasserleitfähigkeit in cmd 1 Gehalt BC in m% 0 1 2, ,7 ±91,3 84,1 ±52,9 179,3 ±93,8 201,2 ±83,3 ± Standardabweichung; n=21; Bestimmung nach DIN

58 Erodibilität Biokohlepartikel besitzen wegen ihrer geringen TRD eine hohe Anfälligkeit gegenüber der Erosion. Bei luftgefüllten Poren beträgt die TRD der BC 0,43 gcm 3. Dies bedeutet, dass Kohlepartikel auf der Wasseroberfläche schwimmen, sofern sich die Porenräume nicht mit Wasser füllen. Somit können oberflächennahe Kohlepartikel bei hoher Niederschlagsintensität durch Oberflächenabfluss mit dem Wasser verfrachtet werden. Im Feldversuch zeigt sich, trotz des geringen Gefälles des Makroreliefs, eine deutliche Erosion der BC-Partikel und dessen Akkumulation in Senken des Makroreliefs (vgl. Abb.28). Neben den in den Senken akkumulierten BC-Partikel, konnten einzelne BC-Partikel in größeren Abständen zu der mit BC versetzten Flächen angetroffen werden. Diese BC-Partikel können sowohl durch die Energie eines aufprallenden Regentropfen (Splash-Effekt) als auch durch Wind transportiert worden sein. Abbildung 28: Erosion; Kontraste überhöht dargestellt; rechts: Plot mit 5m%; links unten: Plot mit 2,5 m% 50

59 Erwärmung Die oberflächennahe Bodentemperatur wird entscheidend von der adsorbierten Strahlungsenergie beeinflusst. Das spezifische Adsorptionsvermögen von Böden beträgt 0,4-0,95 (entspricht Albedo von 0,05-0,6) der ankommenden Strahlungsenergie ((SCHEFFER UND SCHACHT- SCHABEL, 2009)). Ackerbaulich genutzte Böden weisen durch ihren Humusanteil eine Adsorptionsvermögen von 0,9-0,95 auf. Biochar, dessen Adsorptionsvermögen auf Grund der schwarzen Farbe gegen 1 geht, erhöht die adsorbierte Strahlungsenergie und wirkt sich somit auf die Bodentemperatur aus. Die im Experiment durch die Adsorption der von der Strahlungsquelle emittierte Infrarotstrahlung gemessene Erwärmung der Oberflächen des Substrates ohne BC und des Substrates mit 5m% BC ist in Abb. 29 dargestellt. Es zeigt sich ein deutlich schnellerer Anstieg und eine höhere Temperatur nach einer Bestrahlungszeit von zehn Minuten des Substrates mit BC im Vergleich zur Nullvariante. Abbildung 29: Erwärmung der Substrate (lufttrocken) Abbildung 30: Aufnahme der Substrate; links Nullvariante; rechts mit 5 m% BC (lufttrocken) 51

60 4 Abschlieÿende Bewertung Wasser ist einer der limitierenden Faktoren des Pflanzenwachstums. Schon kurzzeitige Defizite in der Wasserverfügbarkeit während der Wachstumsperiode kann zu einem spürbaren Ertragsausfall führen (vgl. BEGG UND TURNER, 1976). Das Wasserdargebot wird bei grundwasserfernen Standorten davon determiniert, welcher Anteil des in den Boden dringenden Niederschlags innerhalb des effektiven Wurzelraumes pflanzenverfügbar gespeichert werden kann. Der Einfluss der BC auf die Wasserverfügbarkeit im effektiven Wurzelraum (nfkw e ) ist somit direkt von der Einarbeitungstiefe abhängig. Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass BC maximal in eine dem Pflughorizont entsprechende Tiefe eingebracht wird. Mit einer Einarbeitungstiefe von 30 cm und einer durchschnittlichen Steigerung der nfk von 12 Vol% bei 5 m% BC erhöht sich die nfkw e um 36 mm. Dadurch verlängert sich die Zeitspanne bis zur Ausschöpfung des Wasserdargebots bei einer durchschnittlichen Evapotranspiration von 4 mmd 1 (vgl. STREBEL U. A., 1975) um neun Tage, was somit die Gefahr einer Ertragsminderung durch Trockenstress bei kurzfristig ausbleibenden Niederschlägen entgegenwirken kann. Hierbei handelt es sich jedoch lediglich um eine Annäherung, da vorausgesetzt wird, dass die Pflanze das Wasserdargebot bis zu einem Matrixpotential von pf 4,2 optimal auszunützen vermag und die Nachlieferung von Wasser aus der Bodenmatrix zur Wurzel konstant bleibt. In der Praxis tritt eine Ertragsminderung jedoch bereits ein, wenn nur die Hälfte des pflanzenverfügbaren Wasservolumens ausgeschöpft wurde (GOLLAN U. A., 1985). Insbesondere eine geringe Wassernachlieferung zur Wurzel durch eine geringe ungesättigte Wasserleitfähigkeit kann schon vor Erreichen des permanenten Welkepunktes die Primärproduktion der Pflanze negativ beeinträchtigen (GARDNER, 1965). Die Ergebnisse haben gezeigt, dass durch die Applikation von BC die ungesättigte Leitfähigkeit nicht erhöht werden konnte, wodurch der Einfluss auf die Wasserversorgung der Pflanze überschätzt werden kann, wenn das Wurzelsystem keinen direkten räumlichen Kontakt mit den porösen BC-Partikel besitzt. Die Änderung der Wasserspeicherungskapazität des Bodens wirkt sich auf Grund eines höheren Wasserdargebots direkt auf die reale Verdunstung und die Grundwasserneubildung aus. Nach dem TUB-BGR Verfahren (WESSOLEK U. A., 2004) ergibt sich die sickerwasserbürtige Grundwasserneubildungsrate (SWR) aus Niederschlag (Nd), reale Verdunstung (AET) und Oberflächenabfluss (Ro). SWR = Nd AET Ro (3) Bei einer effektiven Durchwurzelungstiefe von 70 cm, einer mittleren nfk des Bodenraumes von 18 Vol% und einen Oberflächenabfluss von 0 mm beträgt die Grundwasserneubildungsrate 52

61 bei den Klimaverhältnissen in Berlin/Brandenburg 1 unter Acker 122 mm. Die Erhöhung der nfk durch die BC um durchschnittlich 12 Vol% verringert die Grundwasserneubildungsrate auf 88 mm (Einarbeitungstiefe der BC von 30 cm), was bei großflächiger Anwendung durchaus zu einer Veränderung des Landschaftswasserhaushaltes führen kann. Obwohl innerhalb der Untersuchung keine direkte Benetzungshemmung im Bezug auf BC festgestellt worden ist, ist auch in der praktischen Anwendung hydrothermal karbonisierter organischer Substanz ein biologischer Abbau durch Pilze, dessen Ausscheidungen und Oberflächen sich auf die Benetzbarkeit auswirken, nicht auszuschließen. Durch eine Herabsetzung der Infiltration und Verstärkung des Oberflächenabflusses, basierend auf der Benetzungshemmung, erhöht sich somit die Gefahr der Erosion (vgl. SHAKESBY U. A., 2000). Wasserabweisende Oberflächen können darüber hinaus die Infiltrationsfront beeinflussen, wodurch sich präferentielle Fließwege des Wassers herausbilden ( Fingered flow ; (BAUTERS U. A., 2000)). Folglich können, auch bei ausreichendem Niederschlag, lokal trockene Stellen in der Bodenmatrix beobachtet werden, die das Pflanzenwachstum negativ beeinflussen. Inwiefern sich jedoch die Gefahr der Benetzungshemmung in Verbindung mit biologischem Abbau der H-BC auf die praktischen Anwendung übertragen lässt oder ob dies lediglich für die verwendete H-BC zutrifft bedarf weiterer Forschung. Positiv wirkt sich die BC auf die Erwärmung des Bodens aus, was eine frühere Aussaat bestimmter, auf die Bodentemperatur empfindlich reagierenden Saatguts von Nutzpflanzen wie z.b. Mais, ermöglicht. In Anbetracht, welche der beiden verschieden hergestellten BCs besser für die Praxis geeignet sind, müssen mehrere Faktoren berücksichtig werden. Eine eindeutig höhere Effizienz bezüglich der Steigerung der nfk weist die hydrothermal karbonisierte BC auf. Allerdings besteht die Gefahr eines negativen Einflusses auf die Benetzungseigenschaften. Die durch Pyrolyse hergestellte BC bewirkt bei gleicher Menge zwar eine geringere Steigerung der nfk, jedoch kann eine Beeinträchtigung der Benetzungseigenschaften weitgehend ausgeschlossen werden. Nicht außer Acht gelassen werden sollte, dass durch die Beimengung von H-BC die optimal nutzbare Feldkapazität nur gering erhöht wird, die Wasserretention hingegen insbesondere im schwer pflanzenverfügbaren Bereich gesteigert wird. Gleichzeitig sollte auch die Verweildauer der jeweiligen BC in Betracht gezogen werden. Während für P-BC eine mittlere Verweildauer im Bodenraum von mehreren Hundert Jahren nachgewiesen wurde (S.183 LEHMANN UND JOSEPH, 2009), beträgt diese für H-BC lediglich 4-29 Jahre (STEINBEISS U. A., 2009). Dies bedeutet, dass sich die H-BC durch eine längerfristige nährstoffliefernde Wirkung zwar positiv auf den Pflanzenertrag auswirken kann, der Einfluss auf die bodenphysikalischen Eigenschaf- 1 mit Nd= 540 mm; Nd (Sommer)= 307 mm; ET 0 = 585 mm (Wetterstation Dahlem; Hydrologischer Atlas) 53

62 ten des Bodens jedoch zeitlich begrenzt ist. Somit ist insgesamt aus dem bodenphysikalischen Aspekt, aber auch hinsichtlich einer nachhaltigen Kohlenstoffsequestrierung, die Applikation von P-BC die sinnvollere Wahl. Inwiefern die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Massenverhältnisse BC/Boden sich in eine praktische Anwendung übertragen lassen (5 m% BC auf 30 cm Tiefe entspräche einer Gabe von über 200 tha 1 ) bleibt fraglich und hängt besonders von der zukünftigen politischen Entwicklung im Bezug auf die Förderung von Kohlenstoffsequestrierung in landwirtschaftlichen Böden (Klimafarming) ab. 5 Zusammenfassung Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass der Einfluss der Biochar (BC) auf die Wasserretentionscharakteristik des Bodens wesentlich von folgenden Faktoren Größe der BC Partikel Art der BC im Bezug auf das Herstellungsverfahren Menge an eingebrachter BC Ton- und Humusgehalt des Bodensubstrates abhängig sind. Die Applikation von größeren BC-Partikel (<5 mm) bewirkt einen Anstieg des intergranularen Anteiles an weiten Grobporen, wodurch im Gegensatz zu kleineren BC- Partikel (<2 mm) eine geringere Steigerung der nfk erzielt wird. Die durch verschiedene Verfahren hergestellten Biokohlen weisen sowohl ein unterschiedliches Porenspektrum als auch eine unterschiedliche Konsistenz auf. Beide Charakteristika wirken sich unterschiedlich auf die Wasserretentionsfunktion des Bodens aus. Die Steigerung der nfk ist bei beiden BC auf deren hohe Porosität zurückzuführen. Die nfk steigt pro m% P-BC über 2,3 Vol%, pro m% H-BC über 1,9 Vol%. Die Applikation von, durch Pyrolyse hergestellter, BC (P-BC) erhöht insbesondere das Porenvolumen im Bereich der Mittelporen. Auch die hydrothermal karbonisierte BC (H-BC) erhöht das Volumen im Bereich der Mittelporen. Jedoch besitzen die H-BC ein enges Porenspektrum im Bereich <3 µm, wodurch sich durch die Applikation vor allem die Wasserspeicherungskapazität des Bodens im schwer pflanzenverfügbaren Bereich erhöht. Zwischen der Menge an eingebrachter P-BC und der nfk besteht ein linearer Zusammenhang. Der maximale Anstieg der nfk bei der Verwendung von H-BC ist bei der Zugabe von 2,5 m% zu verzeichnen. Bei einer höheren Gabe fällt die nfk tendenziell geringer aus. Besonders der Wasserhaushalt ertragsarmer, sandiger Böden lässt sich durch das Einbringen von BC verbessern. Bei hohem Humusgehalt der Bodensubstrate ist hingegen nur eine geringe 54

63 Steigerung, bzw. sogar ein Abfall der nfk zu beobachten. Dadurch, dass es sich um ein Zweiphasengemisch Biokohle-Boden handelt und keine optimale Porenkontinuität zwischen den Poren der BC und der des Bodenraumes gegeben ist, wird die ungesättigte Leitfähigkeit durch die Beimengung von BC nicht beeinflusst. Sie hängt insbesondere von den intergranularen Porenräumen ab. Die BC zeigen keine direkte Beeinträchtigung der Benetzbarkeit des Bodens. Allerdings können negative Auswirkungen auf die Benetzungseigenschaften durch den biotischen Abbau der H-BC durch die Ausscheidungen und Abbauprodukte des Destruenten hervorgerufen werden. Positiv wirkt sich die BC auf Grund der schwarzen Farbe auf die Erwärmung des Bodens aus. Es wurde eine schnellere Erwärmung und eine höhere Temperatur nach zehnminütiger Bestrahlung mit Infrarotlicht festgestellt. Wegen der hohen Porosität und der korrespondierenden geringen TRD können BC-Partikel durch Oberflächenabfluss leicht verfrachtet werden. Insgesamt ist insbesondere die P-BC durch ihre hohe Resistenz gegenüber mikrobiellem Abbau und der damit verbundenen nachhaltigen Kohlenstoffsequestrierung im Bodenraum als ein zukunftweisendes Bodenmeliorationsmittel zu beurteilen. 55

64 56

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73 Danksagung An dieser Stelle möchte ich mich bei allen Personen bedanken, die mich bei der Erstellung dieser Arbeit unterstützt haben. Ein besonderer Dank gilt an Michael Facklam, Steffen Trinks, Björn Kluge und Arvid Markert, die immer für ein Gespräch und eine Diskussion über Inhalte meiner Arbeit, aber auch über die aufgetretene Problematik bei manchen Experimenten, bereit waren. Darüber hinaus möchte ich mich bei meinen beiden Betreuern, Frau Prof. Dr. Zeitz und Herrn Prof. Dr. Wessolek herzlich bedanken. 65

74 66

75 Eidesstattliche Erklärung Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Studienabschlussarbeit selbstständig verfasst habe. Alle Ausführungen, die anderen Schriften wörtlich oder sinngemäß entnommen wurden, sind durch Literaturverweise kenntlich gemacht. Berlin, den 16. Mai

76 68

77 Anhang Buchenholzkohle P-BC Mais H-BC Maissilage, 20x Vergrößerung Bodensubstrat Dahlem 5 m% BC ph-werte Feldversuch zu verschiedenen Zeitpunkten Aufnahmedatum Anteil BC ,02 6,15 6,09 1 6,06 6,24 6,14 2,5 6,04 6,19 6,28 5 6,21 6,31 6,29 Mittelwert; n=3; Bestimmung nach DIN

78 Substrat A: Wassergehalt der gemessen Matrixpotentiale Kursive Werte weisen einen höheren Wassergehalt im Vergleich zur vorausgegangenen Entwässerungsstufe auf; Die Ergebnisse wurden nicht in die Auswertung miteinbezogen 70

79 Substrat B: Wassergehalt der gemessen Matrixpotentiale Substrat C: Wassergehalt der gemessen Matrixpotentiale 71

80 Substrat D: Wassergehalt der gemessen Matrixpotentiale Substrat E: Wassergehalt der gemessen Matrixpotentiale 72