Der Wasserhaushalt des Bodens

Der Boden enthält natürlicherweise Wasser. Je nach Bodenart, Bodentiefe, Niederschlagsmenge, Lufttrockenheit und Vegetationszeit kann der Bodenwasser-Gehalt sehr unterschiedlich sein und im Jahresverlauf durch die Klimabedingungen erheblich variieren. Da das Bodenwasser vor allem im Porenraum zwischen der Bodenmatrix zu finden ist, teilt es sich dort den Raum mit der Bodenluft (siehe Kapitel „Bodenluft“) und kann diese verdrängen. In Abbildung 67 ist der Wasserhaushalt eines Bodens im Groben zusammengestellt:

Abb. 67: Komponenten des Boden-Wasserhaushalts

Wasserzufuhr

Niederschläge sorgen dafür, dass die Bodenporen mit Wasser gefüllt werden, welches von der Oberfläche nach unten sickert und zunächst in die unteren Mittel- und Feinporen des Unterbodens gelangt und dann auch die Grobporen im oberen Bereich füllt. Bei starken Regenfällen fällt mehr Wasser an als kurzfristig in den Boden versickern kann, vor allem in einen lehmigen, teils tonigen Boden wie im Rumbecker Holz. Dies führt dazu, dass ein erheblicher Teil des Niederschlags als Oberflächenwasser abfließt und Laufe der Zeit auf hängigem Gelände des Nordabfalls der Mittelterrasse zur Ruhr hin Erosionsrinnen mit steilen Rädern, sogenannte Siepen, ausgespült werden (siehe Abbildung 68). Zusätzliches Oberflächenwasser gelangt durch Wasserablauf von benachbarten versiegelten Flächen in die Untersuchungsfläche mit der Folge zusätzlicher Bodenvernässung (siehe Abbildung 70). Dies hat lokal eine deutliche Veränderung des Pflanzenbewuchses zur Folge (siehe z.B. „Verbreitung der Rasenschmiele“). 

Wasserverlust

An der Bodenoberfläche findet vor allem bei höheren Temperaturen, niedrigen Luftfeuchtewerten und Wind eine Verdunstung des Bodenwassers (Evaporation) statt. Zu einem deutlichen Verlust an Bodenwasser führt auch die Transpiration der Pflanzen und die damit verbundene Wasseraufnahme durch die Wurzeln während der Vegetationszeit. Bei länger anhaltender Trockenheit wird Wasser aus dem Sicker-, Stau- und Grundwasserreservoir aus tieferen Bodenbereichen nachgesogen. Der Porenraum wird wasserarm und zusätzlich mit Luft aufgefüllt. Durch die Verdunstung können im Bodenwasser gelöste Ionen nach oben transportiert und dort angereichert werden.

Sickerwasser

Das durch den Boden sickernde (perkolierende) Niederschlagswasser löst, transportiert und verlagert auf seinem Weg durch den Boden eine Reihe von Stoffen:

  • Humusstoffe aus dem Oberboden gelangen auch in den Unterboden und stehen hier Bodenbakterien und -pilzen als Nähstoffquelle zur Verfügung.
  • Tonminerale werden teilweise nach unter verlagert (siehe Abbildung 64)
  • Lösliche Metalloxide und -hydroxide werden nach unter verlagert
  • Gelöste Ionen werden nach unten verlagert, teilweise ausgewaschen (siehe Kapitel „Kationen-Gehalt“)

Durch nachfließendes Sickerwasser wird der Stauwasserkörper zusätzlich aufgefüllt. Dadurch wird Stauwasser über dem stauenden Sd-Horizonte hangabwärts gedrückt. An den durch Erosion entstandenen Hanganschnitten in den Siepen oder auch an Wegeböschungen tritt anschließend an vielen Stellen im Rumbecker Holz Bodenwasser aus und bildet lokal Sickerhorizonte (siehe Abbildungen 68, 69).

Abb. 68 : Siepen (Erosionsrinne) im Rumbecker Holz
Abb. 69 : Sickerhorizont im Rumbecker Holz

 

 

 

 

 

 

 

Stau- und Grundwasser

Über einem stark wasserdichten Stauhorizont bildet sich ein Staukörper mit frei beweglichem Wasser. Ist das gestaute Wasser immer vorhanden, handelt es sich um Grundwasser. Stauwasser tritt nur zu bestimmten Jahreszeiten auf, wie z.B. in besonders ausgeprägter Form beim Pseudogley.

Haftwasser

Nur ein Teil des Bodenwassers ist frei beweglich. Ein anderer Teil wird aufgrund von Adhäsions- und Kohäsionskräften im Boden gebunden:

Adsorptionswasser umschließt als dünne Schicht feste Bodenpartikel. Fast alle Bodenpartikel sind auf ihren Oberflächen elektrisch geladen (siehe Kapitel „Feldspat“ und „Tonminerale“). Dadurch werden die Wasserdipole in mehreren Schichten an die Bodenpartikel angebunden. Untereinander sind die Wasserdipole über H-Brücken verbunden.

Kapillarwasser haftet im Bereich der Berührungsstellen von Bodenpartikel an der Grenzfläche zwischen Bodenpartikel und Wasser. Dort bilden sich durch den Wasseranstieg an den Grenzflächen zum Wasser hin stark gekrümmte Menisken aus. Ursache hierfür ist das Zusammenwirken von Adhäsionskräften an den Grenzflächen der Bodenpartikel und den Kohäsionskräften innerhalb des Wassers. Je kleiner der Durchmesser der Poren ist, desto stärker wird das Wasser gebunden. Bei hohem Wasserverlust kommt es in den kleinen Poren zum kapillaren Wasseraufstieg und somit zur Wassernachlieferung aus dem Stau- und Grundwasserbereich.

Ein großer Teil des Haftwassers wird so stark an die Bodenpartikel gebunden, dass der Sogmechanismus der Pflanzenwurzel nicht ausreicht, um der Saugspannung der Bodenmatrix entgegenzuwirken und diesen Wasseranteil auch verfügbar zu machen.

Bodenwasser als Lebens- und Reaktionsraum

  • Das Bodenwasser, insbesondere das an den Grenzflächen zur den Bodenpartikeln, ist der Lebensraum verschiedenen Bakterienarten, die anaerobe Atmungsprozesse und andere Stoffwechselprozesse durchführen (siehe Kapitel "Bodenluft" Abbildung 51).
  • Das Bodenwasser enthält als Lösungsmedium Nährstoff-Ionen der Pflanzen, transportiert diese, was auch eine Auswaschung einzelner Ionen zur Folge haben kann.
  • Im Bodenwasser findet die Wasser- und Nährionenaufnahme durch die Wurzelhaare der Pflanzen sowie die Abgabe von Kohlensäure, organischen Säuren und anderen organischen Stoffen u.a. für den Ionenaustausch statt.
  • Als Suspensionsmedium transportiert des Bodenwasser die sehr kleinen Tonpartikel sowie Humusstoffe und verlagert diese in den Unterboden.

Bestimmung des Bodenwasser-Gehalts im Oberboden

Die Messung des Bodenwasser-Gehalts wurde aus Gründen einer praktikablen Durchführung in der Schule mittels eines eichfähigen Einstech-Messstabs mit Messeinheit im Oberboden (ca. 10 cm Tiefe) an 223 Messpunkte im Rumbecker Holz durchgeführt. Die Messung basierte auf einer volumetrischen Kapazitäts-Hochfrequenzmessung. Es waren die Bodenarten Sand, Lehm, und Ton einstellbar. Der lokale Messwert wurde als Mittelwert aus drei Messungen auf einer Fläche von 0,5 m² ermittelt. Messzeitraum waren drei hintereinander liegende Tage mit gleichen Wetterbedingungen während einer Trockenperiode im August. 

 Aus Karte 1 (Abbildung 70) lässt sich die Lage der Bodenfeuchte entnehmen. Zusätzlich sind die Stellen angegeben, an denen auf unterschiedliche Weise Bodenwasser zugeführt wird und dadurch der Boden meist dauerhaft nass ist: Wasseraustritt in einem Quellbereich, Wasseraustritt an Sickerhorizonten an Siepenrändern, Eintrag von zusätzlichem Oberflächenwasser durch versiegelte Straßen. In Karte 2 (Abbildung 71) wurden die Ergebnisse an den Messpunkten zur Bodenfeuchte in Bereiche mit grob unterschiedlichem Bodenwasser-Gehalt zusammengefasst. Diese Karte wurde als thematischer Hintergrund für die Verbreitungskarten der Pflanzenarten im Rumbecker Holz verwendet, um eine Beziehung zwischen dem Verbreitungsmuster einer Art und dem Bodenwasser-Gehalt ablesen zu können (z.B. „Verbreitung der Rasenschmiele“). 

Abb. 70: Lage der Messpunkte für die Bodenfeuchtigkeits-Bestimmung
Abb. 71: Bereiche unterschiedlicher Bodenfeuchtigkeit