Bodenwasserpotenzial und Bodenfeuchte-Charakteristikkurve

Bodenwasserpotenzial

Das Bodenwasserpotenzial charakterisiert den Energiezustand des Bodenporenwassers relativ zu einem Referenzpunkt (üblicherweise reinem Wasser). Es ist definiert als die Arbeit, die erforderlich ist, um ein bestimmtes Volumen oder eine bestimmte Masse an Bodenporenwasser aus den Bindungen an Bodenpartikel und Bodensalzlösung zu befreien und bei konstanter Temperatur den Zustand von freiem Wasser (reinem Wasser) zu erreichen. Entsprechend dieser Definition wird das Bodenwasserpotenzial in J/m³ oder J/kg angegeben.

Gebräuchliche Einheiten des Bodenwasserpotenzials

Gängige Einheiten des Bodenwasserpotenzials sind: J/kg, kPa, MPa, Bar. Die Umrechnungsbeziehung zwischen ihnen ist:

1 J/kg = 1 kPa = 0,001 MPa = 0,01 bar.

Das Bodenwasserpotenzial lässt sich auch durch die Höhe der Wassersäule ausdrücken (Einheit: cm, 1 cm = 0,981 hPa). Um das Bodenwasserpotenzial in die Höhe der Wassersäule umzurechnen, multipliziert man es mit -1 und bildet den Zehnerlogarithmus. Dieser Wert wird mit dem Symbol pF bezeichnet. Das Bodenporenwasser bewegt sich entlang des Wasserpotenzialgradienten von Bereichen mit hohem zu Bereichen mit niedrigem Potenzial. Die Wasseraufnahme der Pflanzenwurzeln lässt sich durch den Wasserpotenzialgradienten erklären: Ist das Bodenwasserpotenzial hoch, ist das Wurzelwasserpotenzial niedrig. Unterhalb dieses Gradienten können die Wurzeln Wasser aus den Bodenporen aufnehmen. Bei Trockenheit gleichen sich Boden- und Wurzelwasserpotenzial allmählich an, der Gradient verschwindet und es findet kein Wassertransport mehr statt. Verschärft sich die Trockenheit und sinkt das Bodenwasserpotenzial weiter, bis es unter das Wurzelwasserpotenzial fällt, kehrt sich der Gradient um. Die Pflanzenwurzeln verlieren Wasser, und die Pflanzen sind vom Absterben bedroht. Daher ist das Bodenwasserpotenzial von großer Bedeutung für das Verständnis der Wasserbewegung im „Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum“.

Bodenwasserpotenzialsensor

Der Bodenwasserpotenzialsensor besteht aus einem Feuchtigkeitssensor und einem porösen Material mit bekannter Feuchtigkeitsabgabekurve. Sobald das poröse Material ein Feuchtigkeitsgleichgewicht mit dem umgebenden Boden erreicht hat, misst der Feuchtigkeitssensor den Feuchtigkeitsgehalt des Materials und berechnet daraus anhand der Feuchtigkeitsabgabekurve das Wasserpotenzial.

Bodenfeuchte-Charakteristikkurve

Das Matrixpotential des Bodenwassers (oder die Bodenwassersaugspannung) ändert sich mit der Änderung des Bodenfeuchtegehalts, und die Beziehungskurve wird als Bodenfeuchte-Charakteristikkurve bezeichnet.

Im Allgemeinen verwendet die Kurve den Bodenwassergehalt Q (ausgedrückt in Volumenprozent) als horizontale und die Bodenwassersaugspannung S (ausgedrückt als atmosphärischer Druck) als vertikale Koordinate. Die Wirksamkeit des Bodenwassers für Pflanzen wird letztendlich durch das Bodenwasserpotenzial und nicht durch den Wassergehalt selbst bestimmt. Wird der Bodenwassergehalt gemessen, kann anhand der Bodenwasserkennlinie der Matrixpotenzialwert ermittelt werden, um so die Wirksamkeit des Bodenwassergehalts für Pflanzen zu bestimmen. Die Bodenwasserkennlinie kann die Wasserspeicher- und Wasserabgabeeigenschaften verschiedener Böden widerspiegeln und dient auch dazu, einige Bodenwasserkonstanten und charakteristische Indikatoren eines bestimmten Bodentyps zu verstehen. Der Kehrwert der Steigung der Kurve wird als spezifische Wasserkapazität bezeichnet, ein wichtiger Parameter bei der Anwendung der Diffusionstheorie zur Lösung der Wasserbewegung. Der Wendepunkt der Kurve gibt den Bodenfeuchtezustand bei dem entsprechenden Wassergehalt an. Beispielsweise ist der Boden nahe gesättigt, wenn die Saugspannung gegen 0 strebt, und der Wasserzustand besteht hauptsächlich aus Kapillarwasser. Bei leicht steigender Saugspannung und stark sinkendem Wassergehalt entspricht der durch den Unterdruck ausgedrückte Saugspannungswert annähernd der Aufstiegshöhe des Kapillarwassers. Steigt die Saugspannung hingegen und sinkt der Wassergehalt nur leicht, stellt das kapillar suspendierte Wasser im Boden den Hauptwassergehalt dar, der sich der Feldkapazität annähert. Die Differenz zwischen Sättigungswassergehalt und Feldkapazität gibt Aufschluss über die Bodenwasserversorgung. Daher ist die Bodenfeuchtekennlinie das wichtigste und grundlegendste Instrument zur Untersuchung der Bodenwasserbewegung, zur Regulierung und Nutzung des Bodenwassers sowie zur Bodenverbesserung.

Die Bodenfeuchte-Kennlinie hat folgende Anwendungsgebiete:

① Umrechnung von Matrixpotenzial und Wassergehalt. Die Bodenfeuchte lässt sich anhand der Bodenfeuchtekennlinie in Bodenmatrixpotenzial umrechnen. Auf Basis des Matrixpotenzials kann die Effektivität der Bodenfeuchte für Nutzpflanzen bestimmt werden. Umgekehrt lässt sich das Matrixpotenzial in Wassergehalt umrechnen. Feldwasserkapazität, Welkefeuchte und der entsprechende effektive Wasserbereich können mithilfe der Bodenfeuchtekennlinie ermittelt werden. Der Kehrwert der Steigung der Bodenfeuchtekennlinie, also die Änderung des Wassergehalts pro Einheit Änderung des Matrixpotenzials, wird als spezifische Wasserdichte bezeichnet. Sie ist ein wichtiger Indikator für die Effektivität der Bodenfeuchte für Pflanzen und spiegelt die Wasserspeicherkapazität des Bodens wider.

② Gibt die spezifische Wasserdichte an. Der Kehrwert der Steigung der Bodenfeuchtekennlinie, d. h. die Änderung des Wassergehalts, die durch eine Änderung des Matrixpotenzials pro Einheit verursacht wird, wird als spezifische Wasserdichte bezeichnet. Sie ist ein wichtiger Indikator zur Messung der Effektivität der Bodenfeuchte für Pflanzen und spiegelt die Wasserspeicherkapazität des Bodens wider.

③ Sie kann indirekt die Verteilung der Bodenporen widerspiegeln. Stellt man sich die Bodenporen als kreisförmige Kapillaren unterschiedlicher Größe vor, lässt sich der Zusammenhang zwischen der Bodenfeuchte S und dem Kapillardurchmesser d einfach als S = 4σd ausdrücken. Dabei ist σ die Oberflächenspannung von Wasser, die bei Raumtemperatur üblicherweise 75 × 10⁵ N/cm beträgt. Bei der Anwendung mathematischer und physikalischer Methoden zur quantitativen Analyse der Wasserbewegung im Boden ist die Feuchtekennlinie ein unverzichtbarer und wichtiger Parameter.

④ Die Bodenfeuchtekennlinie ermöglicht die Beurteilung der Bodenart und der Bodenfeuchteverteilung im Saugspannungsbereich. Der Wendepunkt der Kurve gibt den Bodenfeuchtezustand bei entsprechendem Wassergehalt wieder. Beispielsweise ist der Boden bei einem Saugspannungswert nahe null nahezu gesättigt, und die Feuchte besteht hauptsächlich aus kapillar gebundenem Wasser. Steigt die Saugspannung leicht an und sinkt der Wassergehalt stark, entspricht der durch den negativen Druck ausgedrückte Saugspannungswert annähernd der Aufstiegshöhe des kapillar gebundenen Wassers. Steigt die Saugspannung weiter an und sinkt der Wassergehalt leicht, überwiegt das kapillar gebundene Wasser im Boden, und der Wassergehalt nähert sich der Feldkapazität an. Die Differenz zwischen dem Sättigungswassergehalt und der Feldkapazität gibt Aufschluss über die Bodenwasserversorgung usw. Daher ist die Bodenfeuchtekennlinie das wichtigste und grundlegendste Instrument zur Untersuchung der Bodenfeuchtebewegung, zur Regulierung und Nutzung des Bodenwassers sowie zur Bodenverbesserung.