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Aktuelle Erodierbarkeit von Böden in verschiedenen Landschaftstypen der Schweiz : Methoden und Modelle

Siegrist, Sabine. Aktuelle Erodierbarkeit von Böden in verschiedenen Landschaftstypen der Schweiz : Methoden und Modelle. 2004, Doctoral Thesis, University of Basel, Faculty of Science.

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Official URL: http://edoc.unibas.ch/diss/DissB_6689

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Abstract

Die Erodierbarkeit ist per Definition der Widerstand des Bodens sowohl gegen Ablösung als
auch gegen Transport. Sie ist abhängig von Bodenfaktoren wie Bodenart, Aggregatstabilität,
Scherwiderstand, Infiltrationskapazität und organischen und anorganischen Bodenbestandteilen
wie Humus- und Carbonatgehalt sowie Mikroorganismen. Da die Erodierbarkeit
des Bodens nebst der Bodenbedeckung im Erosionsgeschehen der einzige Faktor ist, der
positiv beeinflussbar ist, spielt sie in der angewandten Bodenerosionsforschung eine wichtige
Rolle. Denn es geht um die optimale Bodenbearbeitung und die Erarbeitung von praxisrelevanten
Schutzmassnahmen, welche langfristig den Verlust von Boden durch Erosion
vermindern oder stoppen. Gefragt sind also Bodenerosionsmodelle, welche Voraussagen
zur Auswirkung verschiedener Bearbeitungsmassnahmen machen und damit den spezifischen
Einsatz dieser Schutzmassnahmen und Bearbeitungssysteme ermöglichen. Abhängig
vom Betrachtungsmassstab variiert die Erodierbarkeit stark. Im langfristigen Durchschnitt
gesehen stellt sie zwar eine einigermassen konstante Grösse dar, welche durch empirische
Modelle mit relativ wenig Aufwand erfasst werden kann. Detailliertere Untersuchungen zeigen
jedoch, dass die Erodierbarkeit sowohl zwischen den Jahren, als auch während des
Jahres und sogar während eines Niederschlagsereignisses stark variieren kann. Prozessorientierte
Modelle können zwar Aussagen zu Einzelereignissen machen, aber der Aufwand
zur Datenbeschaffung und Berechnung ist sehr hoch. Immer noch fehlt ein standardisiertes
Verfahren für die Erfassung der Erodierbarkeit, welches einen Vergleich verschiedener
Untersuchungsresultate ermöglicht. Um die Erodierbarkeit zu bestimmen wird der Zustand der Bodenoberfläche oder des Boden-
Mikroreliefs als die am besten geeignete Grösse angesehen. Sie ergibt sich aus der
summierten Wirkung verschiedenster Regler und Prozesse und und spielt im Erosionsprozess
eine zentrale Rolle. Ganz im Sinne des landschaftsökologischen Pragmatismus ist das Ziel
der vorliegenden Forschungsarbeit deshalb die Entwicklung einer einfachen Methode, welche
aufgrund von Oberflächenmerkmalen die momentane Erodierbarkeit messen kann und
dadurch eine Prognose des potentiellen Erosionsgeschehens ermöglicht. Der Entwicklung
einer solchen Methode liegt die Hypothese zugrunde, dass die momentane Erodierbarkeit
durch das vorherige Niederschlags- und Erosionsgeschehen verändert wird und selber die
Möglichkeit eines nachfolgenden Erosionsereignisses beeinflusst. Für die Entwicklung und Validierung dieser Erodierbarkeits-Messmethode wurden an verschiedenen
Standorten in der Region Basel Untersuchungen in der topischen bis subtopischen
Dimension vorgenommen. Das Erfassen von Parametern, die als Schätzgrössen
für die Erodierbarkeit genannt werden, diente als Vergleichsgrösse zu der neuen Methode.
Diese Parameter sind die Aggregatstabilität und der oberflächliche Scherwiderstand. Als weitere Hilfsgrösse, wurde die Oberflächenrauhigkeit bestimmt. Die Feldmessungen und
die Probenahme für die Labortests fanden einerseits auf den langjährigen, schwarzbrach
gehaltenen Erosionstestparzellen in den Gebieten „Hochrhein“ (T1) und „Tafeljura“ (T50)
statt und andererseits auf kurzfristig ausgeschiedenen Testparzellen auf landwirtschaftlich
genutzten Flächen. Während die Erosionstestparzellen vielfältige Messungen unter standardisierten
Bedingungen ermöglichen, stellen die Landwirtschaftsparzellen das realistische
Szenario dar, welches die Verwendung der neuen Methode in der Praxis gewährleistet.
Die Untersuchungen fanden in regelmässigen Abständen und nach intensiven Niederschlägen
statt. Die Validierung der neuen Methode geschah durch die Korrelation mit den oben
genannten Parametern und verschiedenen Erodierbarkeits-Indices aus gängigen Erosionsmodellen.
Eine Einfachstmodellierung erfolgte mit Hilfe der schrittweisen Regression. Als wichtigste Rahmenbedingung wurde auf den jeweiligen Testparzellen das Niederschlagsgeschehen
erfasst. Auf den Erosionstestparzellen wurde die Erosivität aufgezeichnet, auf
den Landwirtschaftsparzellen standen nur Daten zur Niederschlagsmenge der nächstgelegenen
SMA-Stationen zur Verfügung. Während es sich beim Jahr 1995 um ein überdurchschnittlich
nasses Jahr handelte, waren die Jahre 1996 und 1997 eher trocken. Ähnlich ist
die Niederschlagserosivität 1995 ausserordentlich hoch und in den Jahren 1996 und 1997
unterdurchschnittlich tief. Die höchsten Erosivitäts-Werte finden sich im Sommerhalbjahr
während den Monaten Juni bis August.
Entsprechend der Erosivität der Niederschläge konzentrieren sich auch die Abträge und
Abflüsse auf den Erosionstestparzellen fast ausschliesslich auf das hydrologische Sommerhalbjahr
ohne dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Niederschlagserosivität und
dem Abtrag oder Abfluss gefunden wurde. Im langjährigen Vergleich ist die Verteilung der
Abtragswerte auf der Testparzelle T50 extrem linksschief, das heisst die 16 grössten Ereignisse
von insgesamt 92 liefern bereits 80% der gemessenen Abträge. Die auf der Testparzelle
T50 für die Ereignisse mit Hilfe der USLE rückgerechnete Erodierbarkeit zeigt sehr grosse
Schwankungen zwischen den Jahren und weicht vom K-Faktor der USLE zum Teil massiv
ab. Die speziellen Untersuchungen auf den Erosionstestparzellen zeigen deutlich die starke räumliche
und zeitliche Variabilität der Bodenfaktoren. Trotz höchstem Ton- und organischem CGehalt
ist die Aggregatstabilität im unteren Parzellenbereich am niedrigsten, was mit der
Verschlämmungsanfälligkeit des angeschwemmten Materials interpretiert wird. Im Verlauf
der Vegetationsperiode weist die Aggregatstabilität ein Maximum im Juli auf um im August
eher wieder abzunehmen. Das Niederschlags- und Erosionsgeschehen hat über die Bereitstellung
und den Abtransport von losgelöstem instabilem Bodenmaterial einen wichtigen
Einfluss auf die Aggregatstabilität.
Der Scherwiderstand ist in allen drei Parzellenbereichen ähnlich. Er nimmt im Verlauf der
Vegetationsperiode mit Schwankungen grundsätzlich zu, sinkt aber im August dann wieder
ab, was mit dem Zerfall der verschlämmten obersten Bodenschicht erklärt wird. Der
Scherwiderstand ist von der Bearbeitung abhängig. Bei der unbearbeiteten Parzelle ist er zuerst grösser, als bei den bearbeiteten. Mit der Zeit stellt sich aber bei allen Parzellen ein
ähnlicher Oberflächenzustand und Scherwiderstand ein. Die starke Abhängigkeit von der
Bearbeitung schränkt jedoch die Brauchbarkeit des Scherwiderstandes als
Erodierbarkeitsparameter ein. Die Oberflächenrauhigkeit nimmt vom Bearbeitungszeitpunkt
in Abhängigkeit der Niederschlagsintensität kontinuierlich bis zu einem ”steady state” ab.
Anschliessend schwankt sie im Wechsel zwischen Einebnung (Verschlämmungsschicht) und
der Zerstörung dieser Verschlämmungsschicht durch intensive Niederschläge. Die Aggregatstabilität ausgedrückt als die Verschlämmungsneigung ist umso kleiner, je feuchter
der Boden ist und sie ist nach intensiven Niederschlägen aufgrund des Abtransportes
von losgelöstem, instabilem Bodenmaterial grösser. Der Scherwiderstand ist nach intensiven
Niederschlägen aufgrund der ausgebildeten Verschlämmungsschicht am grössten, ein
Zusammenhang mit dem Bodenwassergehalt konnte nicht nachgewiesen werden. Die
Aggregatstabilität kann durch die aufsummierte Niederschlagsintensität, die Zeit seit dem
letzten Abtragsereignis und den Bodenwassergehalt gut beschreiben werden. Um die Eignung der Bodenfaktoren Aggregatstabilität, Scherwiderstand und Oberflächenrauhigkeit
als Erodierbarkeitswerte zu testen, wurden sie mit Erodierbarkeits-Indices aus
bekannten Erosionsmodellen sowie dem tatsächlichen Abtrag und Abfluss korreliert. Die
Erodierbarkeits-Indices weisen in den dynamischen Erosions-Modellen grundsätzlich einen
Jahresverlauf auf, allerdings weisen die verschiedenen Erodierbarkeits-Indices bereits untereinander
kaum Korrelationen auf. Die über die USLE rückgerechnete aktuelle Erodierbarkeit
drückt sich in der im Anschluss gemessenen Aggregatstabilität resp. im Scherwiderstand
aus. Während die Bodenfaktoren Aggregatstabilität, Scherwiderstand und Oberflächenrauhigkeit
kaum Voraussagen zur Erodierbarkeit für ein nächstes Ereignis machen können,
ergibt ein Modell, welches Boden- und Niederschlagsparameter berücksichtigt gute Werte.
Durch die Bestimmung der Bodenparametern alleine, ergibt sich kein befriedigendes Modell
zur Vorhersage von Abtrag und Abfluss. Die Kombination von Bodenparameter mit
Niederschlagsfaktoren ergeben hingegen ein gutes Modell für die Voraussage von Abtrag
und Abfluss. Auf den Landwirtschaftsparzellen ist die Erosion bei allen vier Standorten und bei beiden
Feldfrüchten ist transportlimitiert. Die Transportlimitierung nimmt entsprechend von: Weizen
tonig > Weizen schluffig > Mais tonig > Mais schluffig ab. Der Wirkung eines groben
Mikroreliefs resp. eines höheren Tongehaltes als Reduktoren der Splasherosion scheint bei
schluffreichen Lössböden durch die Ausformung einer Verschlämmschicht aufgehoben.
Schluffreiche Böden, welche oberflächlich stark verschlämmen, neigen im Gegensatz zu
tonreichen Böden zu erhöhtem Abflussverhalten und damit verbunden auch zu grösseren
Abträgen. Durch die oberflächliche Verschlämmungsschicht, wird allerdings die
Splasherosion eingedämmt. Der Maisanbau wirkt durch die ausgeprägten Fahrspuren
abtrags- und abflussfördernd, der Weizenanbau durch die lockere Oberfläche splasherosionsfördernd.
Abfluss und Abtrag können besser durch die Niederschlagsmenge charakterisiert
werden, als durch die Bodenfaktoren. Um die Splasherosion zu erklären ist der
Scherwiderstand die beste Grösse. Die Fotomethode wurde entwickelt, um die momentane Erodierbarkeit auf grund von
Oberflächenmerkmalen (Mikroreliefmerkmalen) erfassen. Das Mikrorelief wird grundsätzlich
von denselben Faktoren beeinflusst wie die Erodierbarkeit: von Aggregatstabilität, Bodenfeuchte
und physikalischen sowie chemischen Bodeneigenschaften. Es entscheidet sich also
am Zustand der Bodenoberfläche, ob ein Niederschlagsereignis Erosion auszulösen vermag
oder nicht, weshalb es nahe liegend ist, den Mikroreliefzustand als Indikator für die
Erodierbarkeit zu verwenden. Die Fotomethode zur Erfassung der momentanen Erodierbarkeit zeigt grundsätzlich gute
Resultate im Vergleich mit anderen Erodierbarkeitsfaktoren und Erodierbarkeitsindices, was
für die Brauchbarkeit der Methode spricht. Die negative Korrelation der Fotomethode mit
der Aggregatstabilität, sowohl auf der Testparzellen wie auch auf einzelnen Landwirtschaftsparzellen,
drückt die Einebnung des Mikroreliefs mit zunehmender Verschlämmungsneigung
des Bodens aus. Die positive Korrelationen zwischen den Werten der Fotomethode und
dem nachfolgenden reellen Abtragsgeschehen auf allen Parzellen bestätigen die Brauchbarkeit
der Methode für prospektive Aussagen aufgrund der momentanen Erodierbarkeit.
Bereits SCHAUB ET. AL. (1987) stellten fest, dass die K-Werte-Klassen bestimmter Gebiete und
der effektive Abtrag nicht unbedingt korrelieren. Eine zukünftige Forschungsarbeit sollte
deshalb der Frage nachgehen, ob sich die Fotomethode wirklich eignet, um langfristig geltende
werte für Erodierbarkeitskarten zu ermitteln. Die ebenfalls positiven Korrelationen
der Resultate der Fotomethode mit dem vorherigen Erosionsgeschehen zeigt, dass die durch
die Fotomethode gemessene, momentane Erodierbarkeit durch den Abtrag und Abfluss
des vorherigen Erosionsereignisses beeinflusst wird. Im einfachen prospektiven Modell der schrittweisen Regression ergibt das Zusammenspiel
von Bodenfaktoren, der Fotomethode und einfach zu ermittelnden Niederschlagsfaktoren
befriedigende Resultate. Der Zustand der Bodenoberfläche kann, wie bereits erwähnt, als
Summenparameter aufgefasst werden, dessen Ausprägung durch das Wirken verschiedener
Prozesse und Regler bestimmt wird. Die Fotomethode bestimmt damit als eine einfache
Screening-Methode einen der Schlüsselgrössen im Bodenerosionsprozess. Als grossen
Vorteil verglichen mit anderen Methoden erfasst die Fotomethode die momentane
Erodierbarkeit unter Berücksichtigung des vorherigen Erosionsgeschehens, wie es zum
Beispiel von RÖMKENS (1985) explizit gefordert wird. Wie die vorliegende Arbeit zeigt, ist dies
ein Faktor, der in einem dynamischen Erosionsmodell unbedingt berücksichtigt werden muss.
Dadurch weist die Fotomethode grosse Vorteile gegenüber der Methode zur Erfassung des
K-Faktors auf, welche der Dynamik der Erodierbarkeit in keiner Weise gerecht wird. Die Fotomethode erfüllt die Ansprüche der Landschaftsökologie einer einfachen, grossflächig
anwendbaren Methode. Sie erfüllt aber auch die Ansprüche des Bodenschutzes nach einer
ereignis- und damit massnahmenorientierten, prospektiven Methode. Sie misst die Auswirkungen
des vorherigen Erosionsgeschehens, der Erosivität und der Einebnung des Mikrorelief
und eignet sich gut für die Beschreibung der momentanen Erodierbarkeit.
Advisors:Leser, Hartmut
Committee Members:Schaub, Daniel
Faculties and Departments:05 Faculty of Science > Departement Umweltwissenschaften > Geographie
UniBasel Contributors:Leser, Hartmut
Item Type:Thesis
Thesis Subtype:Doctoral Thesis
Thesis no:6689
Thesis status:Complete
Bibsysno:Link to catalogue
Number of Pages:165
Language:German
Identification Number:
Last Modified:22 Jan 2018 15:50
Deposited On:13 Feb 2009 14:45

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