Bodenfeuchte und -temperatur

Messstation an landwirtschaftlicher Fläche, Bodefeuchtemessung in 1m bis 8m Tiefe. Die Messrohre ragen aus dem Boden heraus Bild vergrössern Messstation an landwirtschaftlicher Fläche

Vom Boden mit seinem Wasserhaushalt wird das Abflussgeschehen einer Landschaft reguliert. Grundwasser wird aus absickerndem Bodenwasser neu gebildet. Messungen der Feuchte und Temperatur sind daher wichtige Elemente im übergreifenden Monitoring des Wasser- und Stoffhaushalts in den bayerischen Referenzgebieten.

Bodenwasser

Das Messnetz Stoffeintrag-Grundwasser (MSGw) dient der integrierenden Beobachtung von Stoffflüssen und Stoffbelastungen im Wasserkreislauf. Dazu wird in sieben landschaftstypischen Wassereinzugsgebieten der Weg des Wassers mit seinen Inhaltsstoffen vom Niederschlag über das Sickerwasser bis zum Grundwasser und zum Gebietsabfluss untersucht.

Hier dargestellt ist der Gang der Bodenfeuchte als Regulativ für die Entwicklung der Sickerwasserflüsse und der Grundwasserneubildung. Durchfeuchtung und Austrocknung des Bodens werden vom Wechselspiel aus Niederschlag und Verdunstung bestimmt. Bei hoher Bodenfeuchte bildet sich freies Sickerwasser, das in durchlässigen Böden dem Grundwasser zufließt.

Die Bodenfeuchte wird indirekt als Bodensaugspannung in Hektopascal (hPa) gemessen. In den Grafiken zeigen sehr niedrige Werte eine starke Austrocknung, Werte nahe Null eine starke Durchfeuchtung mit Bildung von Sickerwasser an. Bei Werten um oder über Null bildet sich Stauwasser, an Hängen auch lateraler Abfluss. Als Messgeräte sind pro Messtiefe je 4 Tensiometer für die Saugspannungsmessung und 8 Saugkerzen zur Entnahme von Bodenwasser eingebaut.
Für zwei Messstandorte in Ostbayern, einen Lößlehmstandort im Donautal und einen Mittelgebirgsstandort im Bayerischen Wald, wird die Spanne der Bodenwassercharakteristik 2006 dargestellt.

Der Lehmstandort bei Straubing wird von einem viehlosen Ackerbaubetrieb bewirtschaftet (2006: Weizen). Hier sind auf mehrere Meter mächtigen Lösslehmen schluffig-lehmige Böden entwickelt, die bis zu 190 l/m2 als pflanzen-verfügbare Wassermenge (nutzbare Feldkapazität) speichern können. Das Grundwasser wird in 9 bis 11 m Tiefe in den unterlagernden Terrassenschottern angetroffen. Bei einem durchschnittlichen Jahresniederschlag von nur 756 l/m2 (1997-2002) bildet sich Sickerwasser überwiegend im Winter und Frühjahr, wenn die Böden ausreichend durchnässt sind.

Jahresverlauf der Bodenfeuchte und Nitratkonzentration des Sickerwassers (100 cm Tiefe), Messstelle Straubing, Donau/Gäuboden (Acker).
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Jahresverlauf der Bodenfeuchte und Nitratkonzentration des Sickerwassers (100 cm Tiefe), Messstelle Straubing, Donau/Gäuboden (Acker)

Im Winter 2005/2006 blieb der Boden in 1 m Tiefe mit Saugspannungswerten unter -90 hPA außergewöhnlich lange trocken
(Bild 1). Bei geringen Niederschlägen und einer dauerhaften Schneedecke, zusammen mit lang anhaltendem Bodenfrost, konnte sich kein Sickerwasser bilden. Der Feuchteschub zur Jahreswende war zu schwach. Erst Ende März und April 2006 bewirkten höhere Niederschläge und Schneeschmelze eine starke Bodendurchfeuchtung und somit die einzige Grundwasserneubildungsphase des Jahres. Ab Mai trocknete der Boden, für die Jahreszeit typisch, dauerhaft aus. Die Niederschläge im feuchten August konnten die weitere Austrocknung abschwächen. Sie wurden jedoch überwiegend im Oberboden gespeichert und standen dort den Pflanzen zur Verfügung. Nach den zu trockenen Monaten September bis November wurde der Bodenwasserspeicher bis Jahresende merklich aufgefüllt, ohne jedoch Sickerwasser zu bilden. Da weitere Niederschläge bis dato (April 2007) mäßig ergiebig ausfielen. hat sich insgesamt eine defizitäre Phase der Grundwasserneubildung eingestellt. Über die weitere Entwicklung wird weitgehend das Sickerwasserangebot der kommenden Wintersaison entscheiden.

Die Nitratkonzentration des Bodensickerwassers schwankt am Ackerstandort saisonal sehr stark in Abhängigkeit von Bodenbewirtschaftung, Sickerwassermenge, Temperatur und Bewuchs. Ausgehend von einem niedrigen Niveau stiegen die Nitratkonzentrationen im Frühjahr 2006 auf Werte über 60 mg/l. Saisontypisch entstanden so genannte unvermeidbare Nährstoffverluste. In Verbindung mit gleichzeitig stattfindender Grundwasserneubildung verursachen sie im Grundwasser der Donauterrassen erhebliche Nitratbelastungen. Am Messstandort ist eine geschlossene, tiefgründige Lehmdecke ausgebildet. Hier wird das Nitrat nachweislich auf dem weiteren Sickerweg stark abgebaut (Denitrifikation). Ab Ende Juni wurde der Nitrat-Stickstoff von den Pflanzen so stark verwertet, dass die Nitratkonzentration wieder auf Werte unter 10 mg/l sank. Der Erntetermin des Weizens Mitte August zeigte in 1 m Tiefe keine Auswirkungen. Ungenutztes oder neu gebildetes Nitrat wird erst mit einem weiteren Sickerwasserschub in diese Tiefe verlagert.

Die anhaltende Kälte des Winters 2005/2006 bewirkte in 1 m Tiefe, gedämpft durch die Schneedecke und den mäßig wärmeleitenden Lehm, ein Minimum der Bodentemperatur am 27. März von 2,2 °C. Mit 17, 3 °C erreichte die Bodentemperatur im heißen Juli 2006 fast den Rekordwert des "Jahrhundertsommers" 2003 (17,9 °C). Im milden Dezember wurde mit 7,7 °C die höchste Durchschnittstemperatur seit Beginn der Aufzeichnungen (1998) registriert.

Jahresverlauf der Bodenfeuchte (50 cm Tiefe) und Grundwasserstand, Messstelle Racheldiensthütte, Nationalpark Bayerischer Wald.
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Jahresverlauf der Bodenfeuchte (50 cm Tiefe) und Grundwasserstand, Messstelle Racheldiensthütte, Nationalpark Bayerischer Wald

Der Mittelgebirgsstandort liegt im Nationalpark Bayer. Wald (Wassereinzugsgebiet Markungsgraben/Pegel Racheldiensthütte). Hier wird das Bodenwasser unter einem nachwachsenden Bergmischwald (nach Totalverlust des Altfichtenbestandes durch Borkenkäferbefall) in knapp 1.000 m Höhe beobachtet. Bodentyp ist eine für die Höhenlage typische, blockreiche Lockerbraunerde über einer glazialperiglazialen Sedimentdecke auf Granit. Der sandige Lehmboden bildet ab ca. 65 cm Tiefe einen stark verdichteten, für viele Mittelgebirge typischen "Grundschutt"., Er wirkt bei hohen Niederschlägen stauend und verstärkt den Direktabfluss im Hang. Die pflanzenverfügbare Wassermenge des Bodens (nutzbare Feldkapazität) beträgt nur 70 mm, wird aber in der Regel durch häufigen Niederschlag ausgeglichen. Der Grundwasserstand schwankt zwischen 2 und 12 m unter Gelände. Bei einem mittleren Jahresniederschlag von 1748 mm wird auch im Sommer und Herbst häufig Sickerwasser gebildet. Die Schneedecke erreicht Höhen bis 2 m und kann bis Ende April andauern.

Im Jahr 2006 blieb der Boden in 0,5 m Tiefe bis auf zwei intensive Trockenphasen weitgehend feucht (Bild 2). Schneeschmelze und Niederschläge verursachten von März bis Anfang Mai einen kräftigen Sickerwasserstrom und unmittelbaren Anstieg des Grundwasserstandes um 10 m. Über einige Tage wurde Stauwasser gebildet, das einen erheblichen Direktabfluss auslöste (zweithöchster Jahreswert am Abflusspegel). Im heißen Juli 2006 trocknete der Boden auf Saugspannungswerte bis unter -300 hPa aus. Die Augustniederschläge bewirkten dann eine starke Wiederbefeuchtung, bevor der Boden im Herbst nochmals ungewöhnlich lang austrocknete. Erst ab November wurde wieder Sickerwasser gebildet. Bei milden Temperaturen blieb der Boden bis Ende des Jahres feucht ohne jedoch weitere Direktabflüsse auszulösen.

Die Bodentemperatur in 0,5 m Tiefe schwankte 2006 zwischen 1 und 14 °C.

Die Nitratbelastung der Bodensickerwässer wird vom Stickstoffeintrag aus der Landnutzung und aus der Luft einerseits sowie der Umsetzung in Boden und Vegetation andererseits gesteuert. In Wäldern sind die Stickstoffumsätze wesentlich geringer als auf landwirtschaftlichen Flächen mit jährlicher Düngung und Ernte. Allerdings bilden sich langfristig auch in Waldböden Stickstoffvorräte von einigen Tausend kg/ha. Sie können in instabilen Phasen teilweise mobilisiert werden und dann die gute Grundwasserqualität gefährden.

Zeitliche Entwicklung der Nitratkonzentration im Bodensickerwasser, das zur Grundwasserneubildung beiträgt, bei unterschiedlicher Landnutzung.
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Zeitliche Entwicklung der Nitratkonzentration im Bodensickerwasser, das zur Grundwasserneubildung beiträgt, bei unterschiedlicher Landnutzung

Die mehrjährige Nitratdynamik wird vergleichend für vier typische Standorte vorgestellt (Abb. 3). Unterhalb der Wurzelzone, d.h. im Sickerwasser, das der Grundwasserneubildung dient, liegen die mittleren Nitratgehalte zwischen 0 und 27 mg/l. Die höchsten Gehalte werden im Ackerboden, die niedrigsten im Waldboden unter einem Buchenbestand registriert. In laubholzreichen Waldökosystemen werden Stickstoffverluste minimiert, insbesondere auch beim derzeitigen Überangebot an luftverfrachtetem Stickstoff aus Industrie, Verkehr und Landwirtschaft. Die Nitratkonzentration unter Fichtenbeständen ist dagegen häufig erhöht, wie das Beispiel aus dem Fichtelgebirge zeigt. Schädigungen des Fichtenbestandes in Verbindung mit geringem Stickstoffspeichervermögen können Nitratspitzen bis über 100 mg/l, hier 30 mg/l, verursachen. Grünland mit stabilisierter extensiver Bewirtschaftung zeigt eine schwache, von Klimaverlauf und Nutzungseingriffen gesteuerte Nitratdynamik.

Am Ackerstandort (viehloser Betrieb) werden überwiegend Kartoffeln, Zuckerrüben und Getreide im Wechsel angebaut. In der Regel steigt die Nitratkonzentration im Frühjahr/ Frühsommer auf Spitzenwerte von 50 bis 100 mg/l (2006 unter Weizen: 70 mg/l). In diesem Zeitraum können erhebliche Auswaschungsverluste auftreten.