Zusammenfassung

Im Rahmen der Auswertung bodenphysikalischer Labordaten des Landesamtes für Geologie und Bergbau Rheinland-Pfalz werden Kennwerte für die Wasserbindung in Böden bereitgestellt. Den Tabellen und Grafiken können bodenphysikalische Daten für die Bodenarten der Bodenkundlichen Kartieranleitung (KA5) sowie FAO/WRB entnommen werden. Darüber hinaus liegen Kennwerte für Substrat-Horizont-Gruppen vor.

1. Einleitung
2. Datenbasis und Datenaufbereitung
3. Ergebnisse der texturorientierten Auswertung
4. Ergebnisse der substratsystematisch orientierten Auswertung
5. Schriften
6. Anhang

Im Rahmen der bodenkundlichen Landesaufnahme wurde am Landesamt für Geologie und Bergbau Rheinland-Pfalz seit Beginn der 1980er Jahre ein umfangreicher Datenbestand mit Messwerten zur Porengrößenverteilung in Böden aufgebaut. Es liegen Daten für ca. 3.000 Bodenhorizonte bzw. 770 Bodenprofile vor (Stand: Januar 2008).
Eine Auswertung der Datenbank steht hiermit online zur Verfügung. Mit Hilfe von Tabellen und Graphiken ist es möglich, über die Kenntnis einfacher bodenkundlicher Parameter Kennwerte der Wasserbindung wie Luft- und Feldkapazität sowie nutzbare Feldkapazität und Totwasser abzuschätzen.
Die Auswertung erfolgte in zwei Zielrichtungen:

• Auswertung auf der Basis von Textur und Trockenrohdichte (Textur orientierte Auswertung)
• Auswertung nach horizont- und substratsystematischen Kriterien (Substrat - Horizont-Kombinationen)

Textur und Trockenrohdichte sind wesentliche Steuerungsgrößen für die Porengrößenverteilung in Böden. Da beide Parameter ohne großen apparativen Aufwand ermittelt werden können, bietet die Bodenkundliche Kartieranleitung (KA5) einen Schätzrahmen mit Kennwerten der Wasserbindung in Böden (AD-HOC-AG Boden 2005). Seine Erstellung fußt auf der Basis der Auswertung umfangreicher Datenbestände, die von den Geologischen Diensten der Bundesländer bereitgestellt wurden (SCHREY o.J.). Ein aktueller Schätzrahmen unter Berücksichtigung differenzierter Druckspannungen, sog. Feuchteäquivalente, wurde von der DBG Arbeitsgruppe „Kennwerte des Bodengefüges“ (RENGER et al. 2009) vorgelegt.
Schätzrahmen bieten grundsätzlich den Vorteil der Übersichtlichkeit, haben aber den Nachteil, dass Werteschwankungen innerhalb der Bodenarten nicht abgebildet werden. Darüber hinaus enthalten sie ausschließlich Angaben für eine bestimmte Texturklassifikation. Sie sind damit nur bedingt auf andere Systeme wie z.B. das Korngrößendiagramm der FAO/WRB (FAO 2006) übertragbar. Innerhalb der vorliegenden Auswertung erfolgt eine Weiterentwicklung bisheriger Ansätze, in dem bodenphysikalische Daten über eine Kombination aus statistischen und graphischen Methoden ausgewertet und in Form von Tabellen und Diagrammen bereitgestellt werden (DEHNER et al. 2009).

Im Rahmen der substratsystematisch orientierten Auswertung werden bodenphysikalische Kennwerte für Bodenhorizonte bzw. Boden bildende Substrate ermittelt. Der Ansatz geht auf VETTERLEIN (1986) zurück. Er ging davon aus, dass wesentliche bodenphysikalische Parameter Bodentyp übergreifend durch die Substrat- und Horizonteigenschaften bestimmt werden. Demnach lassen sich bodenkundliche Datenkollektive in sog. Substrat-Horizont-Gruppen bzw. Substrat-Horizont-Kombinationen zerlegen, für die Durchschnittswerte berechnet werden. RIEK et al. (1995) sowie RENGER et al. (2009) berechneten nach diesem Prinzip bodenphysikalische Kennwerte für weit verbreitete Substrate Norddeutschlands. Darüber hinaus findet dieser Ansatz für die Bereitstellung von Flächendaten für Bodenkarten unterschiedlicher Maßstäbe Verwendung (DEHNER et al. 2000, BAURIEGEL 2004).

Datenbasis
Die bodenphysikalischen Untersuchungen wurden im Zeitraum von 1980 bis 2007 nach den in Tabelle 1 aufgelisteten Gelände- und Labormethoden durchgeführt.

Tabelle 1: Bodenphysikalische Gelände- und Labormethoden.

Neben den physikalischen Daten liegen substrat- und horizontsystematische Angaben sowie Analysendaten zu bodenkundlichen Standardparametern (Kornverteilung, Grobboden-, Humus-, Carbonatgehalt, pH-Wert) vor (vgl. Tabelle 2).

Tabelle 2: Kennzeichnung der Datensätze.

Abbildung 1 zeigt die räumliche Verbreitung der Probenpunkte innerhalb der Bodengroßlandschaften von Rheinland-Pfalz. Der Großteil der Untersuchungen liegt im Bereich des Mainzer Beckens bzw. der Nördlichen Oberrheinebene, so dass insbesondere Lössböden, Böden aus tertiären Sedimentgesteinen sowie Auenböden intensiv untersucht wurden. Darüber hinaus liegen regionale Schwerpunkte im Rheinischen Schiefergebirge sowie Neuwieder Becken.

Die Textur orientierte Auswertung und die Berechnung von Kennwerten für Substrat-Horizont-Gruppen erfordern unterschiedliche Strategien der Datenaufbereitung.
Das Datenkollektiv der Substrat-Horizont-Gruppen besteht aus ca. 3.200 Datensätzen. Hier wurden lediglich Proben mit Messfehlern und Unstimmigkeiten aussortiert. Damit blieb eine möglichst breite Datenbasis erhalten. Eine Überprüfung der Plausibilität erfolgte für den Einzelfall.
Die Textur orientierte Auswertung erfordert eine intensivere Analyse des Datenbestandes, da allgemein gültige Aussagen getroffen werden sollen (vgl. Tabelle 3). Ausgehend von einem Bestand von ca. 3.200 Proben wurden humose und skelettreiche Proben sowie Sonderfälle (vulkanische Aschen, Bims, anthropogene Aufschüttungen) aussortiert.
Ein letzter Bearbeitungsschritt erfolgte durch die Regressionsanalyse Tongehalt/ Totwasser. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Tongehalt die bestimmende Größe für die Höhe des Totwasseranteils ist.

Tabelle 3: Kriterien bei der schrittweisen Überprüfung des Datenkollektivs.

Abbildung 2 zeigt die Wertestreuung innerhalb des Datenkollektivs vor und nach der Aussortierung von Ausreißern. Als Kriterium für die Definition von Ausreißern wurde die doppelte Standardweichung der Residuenverteilung festgelegt.

Das Ergebnis ist ein Datensatz mit ca. 2.500 Bodenhorizonten.

Abbildung 3 zeigt die Verteilung der Proben innerhalb des Korngrößendreiecks der KA5. Der Schwerpunkt liegt im Bereich der Sande und Schluff-Ton-Gemische, wohingegen reine Schluffe und Tone sowie Ton-Sand-Gemische unterrepräsentiert sind.

Die Fraktion der reinen Sande (Bodenart „Ss“) setzt sich nahezu ausschließlich aus Fein- und Mittelsanden zusammen. Dies ist in sofern von Bedeutung, als Feinsande höhere Feldkapazitäten aufweisen als Grobsande.

Im Rahmen der texturorientierten Auswertung wurden zwei Schätzrahmen und mehr als 50 Diagramme erstellt. Die dargestellten bodenphysikalischen Kennwerte gelten für folgende Bedingungen:

• Lehme, Schluffe und Tone mit einem Humusgehalt < 4%,
• Sande mit einem Humusgehalt < 2%,
• skelettfreie Substrate, d.h. skeletthaltige Proben sind mit dem Faktor (100 - Vol.-% Grobboden)/100 zu multiplizieren.

Schätzrahmen für die Bodenarten der KA5

Einen ersten Überblick zu den bodenphysikalischen Kennwerten (LK, FK, NFK, TW) für verschiedene Bodenarten und Trockenrohdichten bietet der Schätzrahmen in Tabelle 4. Auf Grund der geringen Probenzahl für den pF-Wert 2,5 (Poren 10-50 µm) steht hier nur ein Schätzrahmen für die mittlere Trockenrohdichte (ρt3: 1,4-1,6 g/cm³) zur Verfügung (vgl. Tabelle 5).

Prinzipiell zeigen sich folgenden Tendenzen:

• Mit zunehmender Trockenrohdichte sinkt die Luftkapazität (LK) bei nahezu allen Bodenarten deutlich ab. Ausnahme bilden reine Tone, die auch schon bei geringer Trockenrohdichte niedrige Werte aufweisen. Da in der Datenbank keine reinen Tone oberhalb einer Trockenrohdichte von 1,43 g/cm³ vorkommen, werden für höhere Dichten keine Aussagen getroffen.
• Die Feldkapazität (FK) zeigt dagegen bei den meisten Bodenarten nur geringfügige Veränderungen bzw. eine geringfügige Abnahme mit steigender Trockenrohdichte. Ausnahmen bilden reine Sande mit deutlich zunehmenden Feldkapazitäten und nutzbaren Feldkapazitäten bei ansteigender Trockenrohdichte. Die Fallzahlen in den Datenkollektiven der TRD-Klassen ρt3 und ρt4 sind jedoch sehr unterschiedlich, so dass möglicherweise substratbedingte Unterschiede vorliegen. Denkbar ist aber auch ein bodenphysikalischer Effekt, in dem die Verdichtung von Sanden zu einem höheren Anteil an engen Grob- und Mittelporen führt. Bisher konnte dieses Phänomen in den Schätzrahmen anderer Autoren jedoch nicht beobachtet werden (vgl. Ad-hoc-AG BODEN 2005, RENGER et al. 2009). Die entsprechenden Werte wurden daher in Klammern gesetzt.
• Die Wassergehalte am permanenten Welkepunkt (Totwasser, TW) zeigen mit zunehmender Trockenrohdichte leicht ansteigende Werte. Dieser Effekt ist am deutlichsten bei Ton-Schluff-Gemischen ausgeprägt.
• Die nutzbare Feldkapazität (nFK) nimmt als Konsequenz des steigenden Totwasseranteils mit zunehmender Dichte ab.

Tabelle 4: Schätzrahmen für Kennwerte der Wasserbindung in Böden (Angaben in Vol.-%, TRD ρt2: 1,2-1,4; ρt3: 1,4-1,6; ρt4: 1,6-1,8 g/cm³).(Als PDF)

Tabelle 5: Schätzrahmen für Kennwerte der Wasserbindung in Böden bei pF 2,5 - 4,2 und TRD ρt3: 1,4 - 1,6 g/cm3 (Angaben in Vol.-%). (Als PDF)

Grafiken auf der Basis von Korngrößendiagrammen

Auf der Basis des Ton-Schuff-Diagramms der KA5 und des gleichseitigen Korndreiecks  der FAO/WRB wurden Raster- und Isoliniendiagramme für LK, FK, nFK und TW erstellt. Die Diagramme liegen für die TRD-Klassen ρt2 - ρt4 vor. Für den pF-Wert 2,5 existieren Diagramme für die mittlere Trockenrohdichte.

Tabelle 6 gibt eine Übersicht zu den Abbildungen. Durch Anklicken der Zahlen in der Tabelle gelangt man zum entsprechenden Diagramm. Ein Poster mit den Diagrammen für die mittlere Trockenrohdichte (ρt3) kann unter dem folgenden Link heruntergeladen werden.

Tabelle 6: Übersicht zu den Diagrammen für die Kennwerte der Wasserbindung in Böden.

Rasterdiagramme auf der Basis des Ton-Schluff-Dreiecks

Auf der Basis des Ton-Schluff-Dreiecks wurden für Rasterzellen mit einer Maschenweite von 5% Ton bzw. Schluff die Mittelwerte bodenphysikalischer Parameter berechnet. Dargestellt sind Zellen mit mindestens 3 Messwerten. Rot umrandet sind die Bodenarten der aktuellen Kartieranleitung.

Isoliniendiagramme für die Bodenarten der KA5

Grundlage für die Isoloniendiagramme sind Mittelwerte für die Bodenartenuntergruppen der KA5. Die Lage der Punkte ergibt sich aus den mittleren Ton- und Schluffgehalten, so dass die Stützpunkte für die Konstruktion der Isolinien nicht immer genau im Zentrum der betreffenden Bodenart liegen. Berücksichtigt wurden alle Bodenarten mit mindestens 3 Messwerten.

Raster- und Isoliniendiagramme auf der Basis des gleichseitigen Dreiecks

Die Graphiken im gleichseitigen Korngrößendreieck sind eine Kombination aus Rastern und Isolinien. Hier wurden für dreieckige Rasterzellen mit einer Maschenweite von 10% Ton, Schluff und Sand die Mittelwerte für LK, FK, nFK sowie TW berechnet. Auf Grundlage der Stützpunkte innerhalb der Rasterzellen erfolgte die Konstruktion der Isolinien. Dargestellt sind Zellen mit mindestens 5 Messwerten.

Da die Stützpunkte für die Interpolation der Isolinen ausschließlich auf der Basis der Kornverteilung in den Rasterzellen ermittelt wurden, können die Angaben dieses Diagrammtyps auf verschiedene Texturklassifikationen übertragen werden. Um dies zu verdeutlichen, wurden die Diagramme mit den Texturklassifikationen der KA5 und der FAO/WRB überlagert.