Der Kontrast zwischen den stark wassergesättigten Böden im Frühjahr und den trockenen Böden im Sommer scheint mehr und mehr zuzunehmen. Durch die Schneeschmelze oder nach zahlreichen Niederschlägen sind die Böden im Frühjahr ausreichend mit Wasser gefüllt, während sie in den Sommermonaten scheinbar austrocknen. Wie stark sich diese Effekte ausprägen, hängt von den Faktoren im Boden und speziell von deren Wasserkapazität ab.
Die Wasserkapazität beschreibt die Gesamtmenge an Wasser, die ein Boden speichern und binden kann. Es ist die Summe von Gravitationswasser (abfließendes Wasser) und Feldkapazität.
Die Bindung des Wassers im Boden erfolgt nach den Gesetzmäßigkeiten der Kapillarität und der Adsorption: Engere Kapillaren oder Poren führen zu einem höheren Wasseranstieg und zu stärkeren Kapillar- und Adsorptionskräften, die das Wasser im Boden halten. Damit die Pflanze Wasser aufnehmen kann, muss sie höhere Saugspannungskräfte aufbringen als die Kapillar- und Adsorptionskräfte sind, mit denen das Wasser im Boden festgehalten wird.
Die Spannung, mit der das Wasser im Boden gegen die Schwerkraft gehalten wird, wird durch den pF-Wert gemessen. Je höher der pF-Wert, desto trockener der Boden.
Als einfaches Maß für die Wasserkapazität lässt sich die Feldkapazität (FK) oder die maximale Wasserkapazität bestimmen. Das entspricht der Wassermenge, die ein Boden maximal gegen die Schwerkraft halten kann.
Die für die Pflanzen verfügbare Wassermenge wird als nutzbare Feldkapazität (nFK) bezeichnet und durch den permanenten Welkepunkt (PWP) begrenzt. Der PWP liegt herkömmlich bei pF 4,2. Das Wasser, das in feinsten Poren mit einer Saugspannung von mehr als pF 4,2 festgehalten wird, ist nicht zugänglich für die Pflanzen und wird Totwasser (TW) genannt. Die nFK ergibt sich somit aus der FK abzüglich des TW und erstreckt sich von pF 1,8 bis 4,2.
Den vermeintlich größten Einfluss auf die Wasserkapazität haben die Poren des Bodens. Ein durchschnittlicher Ackerboden besteht aus ca. 50 % festen mineralischen Bestandteilen, zu ca. 7 % aus Humus und zu ca. 43 % aus Hohlräumen. Diese Hohlräume sind in Abhängigkeit von ihrem Durchmesser und des Wasserhaushalts des Standorts entweder mit Luft oder Wasser gefüllt. Sie werden in die weiten Grobporen (> 50 µm), die engen Grobporen (10- 50 µm), die Mittelporen (10-0,2 µm) sowie die Feinporen (< 0,2 µm) eingeteilt.
Die weiten Grobporen sind mit Luft gefüllt. In Regenperioden füllen sie sich mit Wasser und leiten dieses in den Unterboden ab. Nach ein bis zwei Tagen sind sie wieder entleert, da sie nicht in der Lage sind, das Wasser gegen die Schwerkraft festzuhalten, und dienen dann der Bodenbelüftung. Sie sind auch der Lebensraum für Mikroorganismen und die Pflanzenwurzeln.
In den engen Grobporen kann das Wasser nur langsam versickern und wird während der Vegetationszeit noch von Pflanzen genutzt. Sobald das Wasser versickert oder von Pflanzen aufgenommen ist, strömt auch in diese Poren Luft nach.
In die Mittelporen wird das Wasser entgegen der Schwerkraft gehalten. Zusammen mit dem Wasservorrat in den engen Grobporen zählt das Wasser zur nutzbaren Feldkapazität. Längerfristig ist für die Pflanzen demnach das Wasser in den Mittelporen am bedeutsamsten. Sie speichern das pflanzenverfügbare Wasser und können über den kapillaren Aufstieg Pflanzen mit Wasser aus tieferen Schichten versorgen. Die Wurzeln mit ihren feinen Seitenwurzeln und Wurzelhaaren der Pflanzen dringen bis in die mittleren Poren vor.
In den Feinporen ist das Bodenwasser durch Adhäsionskräfte so stark gebunden, dass es die Pflanzen nicht mehr entnehmen können. Hier ist dann die Rede von Totwasser. Dies bedeutet, dass die Saugspannung der Wurzeln nicht mehr ausreicht, um dem Boden das Wasser zu entziehen. Trocknet ein Boden so stark aus, dass nur noch die Feinporen Wasser führen (pF 4,2), ist für viele Pflanzen der PWP erreicht. In den Leitungsbahnen reißt die Wasserzufuhr von den Wurzeln her ab und die Pflanzen werden welk.
Einen weiteren hohen Einfluss auf die Wasserkapazität hat die Bodenart. Die unterschiedlichen Bodenarten unterscheiden sich in Körnung, Bodengefüge, Gehalt an organischer Substanz und Porengrößenverteilung. In der Regel gilt mit Blick auf die Wasserkapazität: Sand < Lehm < Schluff < Ton < Torf.
Leichte Böden, Sand und schwach lehmiger Sand, haben aufgrund ihrer großen Partikel und ihrem hohen Anteil an Grobporen eine geringe Wasserkapazität. Wasser durchdringt schnell den Boden und steht der Pflanze nicht lange zur Verfügung. Diese Böden haben wenig Potenzial zur Wasserspeicherung.
Mittlere Böden, stark lehmiger Sand bis schluffiger Lehm, haben bei guter Struktur eine mittlere Wasserkapazität, sind ausreichend belüftet und gut bearbeitbar. Mit ihrer feinen Textur können diese Böden mehr Wasser speichern als Sandböden, da die kleinen Partikel und der höhere Anteil an Mittel- und Feinporen das Wasser besser zurückhalten können.
Schwere Böden, toniger Lehm bis Ton, haben eine sehr hohe Wasserkapazität. In diesen Böden ist vor allem der Feinporenanteil und somit auch der Totwasseranteil sehr hoch. Außerdem halten Quellvorgänge von Tonkolloiden und Humusteilchen das Wasser im Boden, sodass das verbleibende Wasser dünne Wasserfilme um die Bodenteilchen bildet.
Für die Praxis heißt das, dass bei feuchteren Bedingungen sandige Böden wesentlich mehr pflanzenverfügbares Wasser bereitstellen, während wiederum lehmige Böden oder Tonböden in Trockenperioden ein größeres Wasserhaltevermögen haben.
Der Verlauf der Wasserkapazität eines Bodens wird als Wasserspannungskurve in Abhängigkeit zum relativen Wasseranteil des Bodens dargestellt. Diese Kurve korreliert mit den oben genannten Faktoren.
Sieht man sich die Wasserspannungskurven der verschiedenen Böden an, so ist zu erkennen, dass mit abnehmendem volumetrischen Wasseranteil des Bodens die Saugspannung des Bodens gegen die Schwerkraft zunimmt. Betrachtet man beispielsweise die Wasserspannungskurve des reinen Sands, fällt auf, dass sie bei einer Saugspannung von 105 oder bei einem pF-Wert von 5 abbricht. Dies lässt darauf schließen, dass ein reiner Sandboden durch seine großen Poren kaum Feinporen aufweisen und somit die Saugspannung nicht in gleichem Maße ansteigt. Im Kontrast dazu zeigt sich, dass Böden aus reinem Ton weniger weite Grobporen besitzen.
Neben den Bodenporen und der Bodenart spielt auch der Humusgehalt eine große Rolle hinsichtlich der Wasserkapazität des Bodens. Da Humus die bodenphysikalischen Eigenschaften beeinflusst, wirkt er sich auch auf die Wasserkapazität aus. Humus verklebt die mineralischen Bodenteilchen zu einem hohlraumreichen Bodenverband und wirkt stabilisierend auf das Bodengefüge und verbessernd auf die Bodenstruktur. Zudem erhöht er das Porenvolumen und schafft damit günstige Voraussetzungen für den Luft- und Wasserhaushalt. Da vor allem der Anteil der Mittelporen im Boden erhöht wird, steigt dadurch auch die Wasserkapazität bzw. die nFK.
Wie oben beschrieben, hängt die Gesamtmenge, die an Wasser im Boden gespeichert werden kann, von zahlreichen Faktoren ab.
Prinzipiell kann man sagen, dass…
… Sandböden etwa 6 - 10 % ihres Gewichts an Wasser speichern können.
… Lehmböden etwa 20 - 30 % ihres Gewichts an Wasser halten.
… Tonböden bis zu 40 % oder mehr ihres Gewichts an Wasser speichern.
Auch der Humusgehalt bestimmt die im Boden gespeicherte Wassermenge. Die Werte, wie hoch die Wasserspeicherung durch Humusaufbau tatsächlich ist, schwanken. Generell gilt die Regel, dass Humus das 3- bis 5-fache seines Eigengewichts in Form von Wasser speichern kann. Das BMEL gibt in einem Artikel Werte von einer Steigerung von 2 - 4 % für die Wasserkapazität und 13 - 28 % für die nutzbare Feldkapazität an, bedingt durch einen Aufbau von 500 Humusäquivalenten/ha (ein Humusäquivalent entspricht 1 kg Humus-Kohlenstoff). Humusaufbau ist daher einer der effektivsten Wege, die Wasserspeicherkapazität zu erhöhen.
Angesichts des Klimawandels und der damit verbundenen, auftretenden Wetterextreme rückt der Wasser- und Lufthaushalt unserer Böden immer mehr in den Fokus. In Nässeperioden soll der Boden das überschüssige Wasser möglichst schnell in den Unterboden und das Grundwasser abfließen lassen. Für Trockenperioden soll der Boden möglichst viel pflanzenverfügbares Wasser speichern und somit eine möglichst hohe nFK aufweisen.
Für die Produktion einer Tonne Weizen werden ungefähr 40 – 85 mm/m2 an Niederschlag benötigt. Dies entspricht bei einem Ertrag von 10 t/ha einem Wasserbedarf von 400 - 850 mm/m2 während der Vegetationsperiode. Im Vergleich dazu ist der durchschnittliche Jahresniederschlag in Deutschland mit 830 mm/Jahr zu betrachten. Der Wasserverbrauch des Weizens erscheint daher beträchtlich, insbesondere, wenn man bedenkt, dass die Niederschlagsmenge auch noch zum optimalen Zeitpunkt erfolgen muss. Es wird schnell deutlich, dass das Wasser oftmals der limitierende Faktor ist.
Der Wasserverlust auf landwirtschaftlichen Anbauflächen ist hauptsächlich zurückzuführen auf Transpiration (Verdunstung über die Blätter der Pflanze), Evaporation (Bodenverdunstung), Oberflächenabfluss und Versickerung.
Die Transpiration der Pflanze ist ein natürlicher Vorgang und für das Pflanzenwachstum und somit den Ertrag erforderlich. Aufgrund dieses unvermeidbaren Wasserbedarfs ist entscheidend, zumindest die anderen Verluste auf landwirtschaftlichen Anbauflächen zu minimieren. Dieses Ziel ist stark mit der Bewirtschaftungsweise und insbesondere der Bodenbearbeitung der Ackerflächen verknüpft.
Ziel der Bodenbearbeitung ist es, die Wachstumsbedingungen für Kulturpflanzen zu verbessern und dabei Bodenstruktur, Bodenfruchtbarkeit und Bodenleben nicht zu zerstören, sondern bestenfalls sogar zu verbessern.
Heute werden im Ackerbau verschiedene Bodenbearbeitungs- und Bestellsysteme eingesetzt, die demnach den Wasser- und Lufthaushalt unterschiedlich beeinflussen.
Der Pflug ist ein zuverlässiges und bewährtes Verfahren. Hierbei wird der Boden nicht nur tief gelockert, sondern auch gewendet und Ernterückstände sowie Unkraut untergearbeitet. Was bedeutet das für den Wasserhaushalt des Bodens?
Durch die tiefe Lockerung und Durchmischung des Bodens werden Bodenstruktur und Porenkontinuität gestört, sodass ein rasches Ableiten des Wassers in tiefere Schichten eingeschränkt ist. Zudem wird mit jeder Bearbeitungsmaßnahme die Regenwurmpopulation gestört. Weniger wasserleitende Gänge und Poren sind die Folge. Dadurch wird auch der kapillare Aufstieg und somit die Wasserversorgung der Pflanzen aus den tieferen Bodenschichten behindert. Zudem können sich mehrere Schichten bilden. Dazu gehören beispielsweise verdichteter Untergrund, Schmierschicht auf dem Furchengrund und Strohmatratze. Weitere mögliche Schichten sind Bearbeitungsschicht der eingesetzten zapfwellenbetriebenen Eggen oder Verschlämmung an der Bodenoberfläche. Auch das beeinflusst die Kontinuität der Poren und den Wasserhaushalt des Bodens negativ. Ebenso werden die Ausbildung und das Wachstum von Wurzeln in die Tiefe durch diese anthropogenen Schichtungen behindert. All das führt zu geringen Infiltrationsleistungen und daraus resultierend zu vermehrtem Oberflächenabfluss. Weiterer Wasserverlust entsteht durch die markante Vergrößerung der Bodenoberfläche durch das Pflügen. Das Bodenwasser der obersten Bodenschicht verflüchtigt sich durch Evaporation leichter in die Atmosphäre. Zusätzlich absorbiert der kahle, dunkle Boden ohne Oberflächenauflage durch organische Substanz die Sonnenstrahlen und fördert die Evaporation und das Erhitzen des Bodens.
Es ist schnell ersichtlich, dass die Bodenbearbeitung mit dem Pflug mit Blick auf die Wassereffizienz mangelhaft ist. Die Bewirtschaftung mit dem Pflug ist auf trockenen Standorten oder bei starken Trockenphasen problematisch, da eine Wassernachlieferung aus den tieferen Schichten durch den zerstörten kapillaren Aufstieg nicht gewährleistet werden kann. Bei diesem Verfahren sollte die Wasserversorgung von „oben“ mit regelmäßigen Niederschlägen gesichert sein.
Unter Direktsaat wird eine Saatmethode ohne vorherige Bodenbearbeitung verstanden. Zur Aussaat sind spezielle Direktsämaschinen erforderlich, die Säschlitze öffnen, in die das Saatgut abgelegt wird. Anschließend wird dieses mit Boden bedeckt. Bodenstruktur und Bodenleben werden dabei gefördert. Doch was bedeutet dieses sogenannte No-Till-System für den Wasserhaushalt des Bodens?
Böden, die mit dem Verfahren der Direktsaat bewirtschaftet werden, haben eine hohe Wasserinfiltrationskapazität und einen hohen kapillaren Anstieg des Wassers. Ein Grund dafür ist die ausgeprägte Porenkontinuität, die den vertikalen Wassertransport begünstigt. Die natürliche Schichtung des Bodens bleibt bei diesem ackerbaulichen Verfahren weitestgehend erhalten. Das gewährleistet, dass die durchgängig existierenden Kapillaren zum kontinuierlichen Wasseraufstieg aus tieferen Bodenschichten beitragen. Außerdem kann Niederschlagswasser besser in den Boden infiltrieren und dort gehalten werden.
Der Verzicht auf Bodenbearbeitung fördert außerdem das Bodenleben und vor allem große Regenwurmpopulationen, was die Bodenstruktur und Bodenfruchtbarkeit verbessert. Ebenso wird die Kapillarität und die Infiltrationsleistung des Bodens begünstigt.
Durch die an der Bodenoberfläche liegenden Pflanzenreste und die erhöhte Perkolationsstabilität der Oberbodenaggregate verfügen Böden, die mit dem Direktsaatsystem bewirtschaftet werden, über einen hohen Verschlämmungsschutz.
Die Mulchschicht verhindert nicht nur Verschlämmung und Erosion, sondern hat auch eine interzeptionistische Wirkung. Stichwort Albedo-Effekt: Dieser beschreibt das Rückstrahlvermögen einer Oberfläche. Vergleicht man also eine Direktsaatfläche mit einer Fläche, die mit dem Pflug bewirtschaftet wurde, so ist die Reflexion der Direktsaatfläche deutlich höher. Die reflektierte Strahlung kann den Boden nicht bzw. weniger erwärmen, was zu einer geringeren Verdunstung führt. Die Feuchtigkeit, die aus den tieferen Bodenschichten nach oben transportiert wird, bleibt also im Boden und die oberen Bodenschichten neigen so weniger zum Austrocknen. Dies führt zu einem höheren Wassergehalt in den tiefer liegenden Bodenschichten und die Pflanzen leiden so in Trockenphasen weniger unter Wasserstress. Neben der Mulchschicht verhindert die ungelockerte Bodenfläche eine verstärkte Evaporation.
Generell erweist sich die Direktsaat als äußerst wassersparendes Aussaatverfahren und spielt besonders in Nord- und Südamerika eine große Rolle. Angesichts der extremen Klimabedingungen und den zunehmenden Trockenperioden gewinnt die Direktsaat auch hier zunehmend an Bedeutung.
Die Mulchsaat ist das am häufigsten angewendete Verfahren. Darunter versteht man die Einsaat einer Hauptfrucht in die Erntereste der Vorfrucht oder Zwischenfrucht. Der Boden wird vor der Saat tief- bis flachgründig gelockert, jedoch nicht gewendet. In der Regel verwendet man dafür den Grubber, möglich sind aber auch Scheibeneggen oder zapfwellenbetriebene Bodenbearbeitungsgeräte. Vor oder gleichzeitig mit der Aussaat kann noch eine Saatbettbereitung in Form einer flachen Bodenbearbeitung stattfinden.
Je nach Art und Tiefe der Lockerung bei der Mulchsaat beeinflusst es den Wasser- und Lufthaushalt unterschiedlich.
Bei der tiefgründigen Lockerung und Durchmischung des Bodens wird der Wasserhaushalt ähnlich beeinflusst wie bei der Bearbeitung mit einem Pflug: Bodenstruktur, Porenkontinuität, Regenwurmgänge und Kapillarität werden gestört. Die Folgen umfassen eine Behinderung der Wasserversorgung der Pflanzen aus tieferen Schichten, verminderte Infiltrationsleistung und vermehrter Oberflächenabfluss.
Die flachgründige Lockerung hingegen kann annähernd mit dem Verfahren der Direktsaat verglichen werden. Hierbei wird nur eine flache Bearbeitung durchgeführt, somit bleibt die Bodenstruktur mit ihren natürlichen Schichten, Porenkontinuität, Regenwurmgänge und der kapillare Aufstieg weitestgehend erhalten. Die Wasserversorgung der Pflanzen aus tieferen Schichten und die Infiltrationsleistung sind daher besser als bei einer tiefgründigen Lockerung.
Grundsätzlich kann bei der Mulchsaat das Erhitzen des Bodens sowie die Evaporation durch die Mulchschicht der Pflanzenrückstände vermindert und der Wasserverlust somit reduziert werden.
Selbstverständlich ist die Bodenbearbeitung ein bedeutender Einflussfaktor, der auf den Wasserhaushalt des Bodens einwirkt und diesen idealerweise sogar verbessert. Dennoch sind auch andere wesentliche Faktoren zu berücksichtigen, die auf den Wasserhalt des Bodens Einfluss nehmen. Zu den weiteren relevanten Einflussfaktoren gehören:
Eine Rückverfestigung nach der Bearbeitung ist maßgeblich, um den Bodenschluss und den kapillaren Aufstieg wiederherzustellen. Außerdem verbessert sie die Verteilung der Grob-, Mittel- und Feinporen und somit den Luft- und Wasserhaushalt. Um dem Saatgut nach der Saat optimale Bedingungen und besonders den Zugang zu Wasser zu erleichtern, sollte es auf die wasserführende Schicht abgelegt und für die bessere Kapillarität rückverfestigt werden.
Zwischenfrüchte haben eine Vielzahl positiver Effekte auf den Boden und beeinflussen somit auch den Wasserhaushalt. Sie tragen zur Förderung der Bodenstruktur und des Humusaufbaus bei, beispielsweise durch eine ganzjährige Durchwurzelung und ihre organische Substanz. Dies führt zu einer erhöhten Wasserkapazität und verbesserten Infiltrationsleistung der Böden, was wiederum Oberflächenabfluss verhindert. Darüber hinaus tragen Zwischenfrüchte dazu bei, die Winterfeuchte zu speichern. Die konstante Bodenbedeckung bietet zudem Schutz vor Überhitzung und vermindert die Evaporation.
Bei allen Bewirtschaftungssystemen müssen die Bearbeitungsgänge an Witterung und Bodenfeuchtigkeit angepasst werden. Entscheidend ist, dass der Boden zur Bearbeitung trocken ist. Eine nasse Bearbeitung bringt eine Vielzahl von Problemen mit sich. Bodenverdichtung durch schwere Maschinen sowie Verdichtungen und Schmierschichten im Bearbeitungshorizont der Zinken und Schare sind zwei davon.
Verdichtungen führen zu schlechter Wasseraufnahme und –speicherung. Bei einem verdichteten Boden sind die Grobporen und die Porenkontinuität zerstört. Dies führt dazu, dass ursprünglich luftgefüllte Poren mit zusammengepresstem Porenvolumen wasserverfüllt sind, wodurch das Bodenwasser oberflächlich abfließt und nicht versickert. Außerdem werden Wurzelwachstum und –entwicklung eingeschränkt, was eine mangelnde Wasserversorgung für die Pflanze bedeutet.
Verdichtete Böden mit geringer Infiltrationsleistung können über gezielte Untergrundlockerung und über Bodenbearbeitung in ihren Versickerungseigenschaften verbessert werden. Bedingung hierfür ist jedoch ein absolut trockener Boden! Grundsätzlich kann aber eine Bodenbearbeitung die Bodenstruktur nicht wieder zurückbringen.
Die Devise lautet also: je weniger der Boden bearbeitet wird, desto weniger Wasser geht verloren. Wird doch bearbeitet, dann gilt: je flacher gearbeitet und je weniger gemischt wird, desto wassersparender. Eine Bodenbearbeitung führt zur Austrocknung der oberen Bodenschicht und Unterbrechung der Kapillarität. Ist man auf kapillaren Anstieg/Wassernachlieferung von unten angewiesen, sollte also auf (tiefe) Bodenbearbeitung verzichtet werden.
Eine weitere Maßnahme zur Vermeidung des Wasserverlusts ist die Bodenbedeckung mit Pflanzenrückständen. Der Mulch hat eine isolierende Wirkung und schützt vor Erosion und Oberflächenabfluss.
GEFA FABRITZ: https://www.gefafabritz.de/amfile/file/download/file/427/
Wikipedia: de.wikipedia.org/wiki/Wasserkapazit%C3%A4t
Ahabc.de: www.ahabc.de/bodeneigenschaften/wasserspeichervermoegen/
Hyper SoiL: hypersoil.uni-muenster.de/1/01/02.htm
Bodenwelten: www.bodenwelten.de/content/boden-wird-versiegelt
Topagrar: www.topagrar.com/dl/3/8/1/8/3/1/5/T_092_097_03_21.pdf
