Benetzbarkeit der Böden Deutschlands - Ausmaß und räumliche Verteilung

Land / Region: Deutschland

Projektanfang: 01.01.2020

Projektende: 31.12.2021

Projektstand: 01.03.2020

Hintergrund

Der Boden versorgt die Pflanzen nicht nur mit Nährstoffen, sondern auch mit Wasser. Verschiedene Böden können in Abhängigkeit ihrer Eigenschaften wie der Benetzbarkeit unterschiedliche Wassermengen pflanzenverfügbar speichern. Die wichtige Rolle des Bodenwasserhaushaltes für die Produktion unserer Nahrungsmittel zeigte sich eindrucksvoll in den Trockenjahren 2018 und 2019. Während Pflanzen auf Böden mit geringer Wasserspeicherkapazität schon früh im Jahr Symptome von Trockenstress zeigten, konnten auf Böden mit hoher Wasserspeicherkapazität die Pflanzen der Trockenheit länger trotzen.

Abbildung 1: Wassertropfen auf benetzungsgehemmter Bodenoberfläche Quelle: BGR

Forschungsergebnisse der letzten Jahre zeigen, dass nahezu jeder Boden im trockenen Zustand mehr oder weniger gut mit Wasser benetzbar ist. Die Böden lassen sich nicht spontan mit Wasser befeuchten, sind also benetzungsgehemmt (s. Abbildung 1). Im trockenen Zustand der Böden wird die potentielle Benetzungshemmung der Böden aktiv und somit sichtbar. Im Zuge des Klimawandels muss zukünftig mit tendenziell trockeneren Böden und somit zu einer Zunahme deren Benetzungshemmung gerechnet werden. Dies könnte dazu führen, dass aktuell genutzte bodenhydrologische Methoden (z. B. Abschätzung der Sickerwasserrate) ggf. an die veränderte Benetzbarkeit des Bodens angepasst werden müssen, um die Bewertungs- und Prognosefähigkeit der Methoden für die Zukunft zu erhalten bzw. zu verbessern.

Wie ausgeprägt die Benetzungshemmung ist und wie lange sie anhält variiert von Boden zu Boden. Sie hängt auch stark vom Grad der Austrocknung des Bodens ab. Benetzungshemmung kann den Wasserhaushalt der Böden zeitweise verändern:

Abbildung 2: Präferentiell fließendes Wasser, eingefärbt mit blauem Farbstoff (Brillant-Blue), in einem sandigen Boden in der Nähe von Hannover Quelle: BGR

(1) Benetzungsgehemmte Böden zeigen oft ein vermindertes Vermögen, Wasser pflanzenverfügbar zu speichern. Den Pflanzen steht demnach an diesen Standorten weniger Wasser zur Verfügung.
(2) Wenn das Regenwasser durch die Benetzungshemmung nicht im Boden versickert, kann es besonders im unebenen Gelände vermehrt zu oberflächlichem Abfluss kommen. Dies begünstigt den Bodenabtrag und damit die Bodenerosion.
(3) Benetzungshemmung kann auch dazu führen, dass Teile des Bodens umflossen werden (präferentieller Wasserfluss) und somit der Eintrag von Stoffen (z. B. Nitrat) in das Grundwasser steigt, weil nur ein Teil der Filter- und Pufferkapazität des Bodens genutzt werden kann (s. Abbildung 2).

Studien zu Benetzungshemmungen in Böden wurden meist an ausgewählten, oft stark benetzungsgehemmten und somit nicht repräsentativen Standorten durchgeführt. Eine repräsentative Abschätzung des Ausmaßes der Benetzungshemmung für größere Gebiete Deutschlands (bzw. das gesamte Bundesgebiet) lässt sich auf Grundlage dieser Daten nicht durchführen. Diese Abschätzung ist jedoch wichtig, wenn die Relevanz der Benetzungshemmung für die Böden Deutschlands bewertet werden soll.

Projektziele und Projektdurchführung

Ziel des Projekts ist es, erstmals die Benetzbarkeit der Böden Deutschlands darzustellen. Zusätzlich soll die zukünftige, durch den Klimawandel beeinflusste Benetzbarkeit der Böden dargestellt werden.
Da bisher kein repräsentativer Datensatz zur Benetzungshemmung für die Böden Deutschlands vorliegt, wird im Projekt die Benetzbarkeit von repräsentativen Bodenproben durch Messungen bestimmt. Zusätzlich zur Benetzungshemmung im trockenen Zustand soll der Wassergehalt bestimmt werden, unterhalb dessen die Benetzungshemmung auftritt (sog. kritischer Wassergehalt). Auch die Dauer der Benetzungshemmung (nach Kontakt des Bodens mit Wasser) ist eine wichtige Größe, wenn man den Einfluss der Benetzungshemmung auf den Bodenwasserhaushalt ermitteln möchte. Für die Proben, an denen im Projekt eine Messung der Benetzbarkeit geplant ist, liegen in den Datenbanken der BGR bereits Basisbodendaten wie Textur, Kohlenstoffgehalt und pH-Wert (FISBoBGR) vor, die in früheren Projekten gemessen wurden. Aus den Daten der Benetzbarkeit werden, mit Hilfe der Basisbodendaten, mathematische Berechnungsvorschriften (sog. Pedotransferfunktionen) erstellt. Mit diesen Pedotransferfunktionen kann anschließend die Benetzbarkeit eines beliebigen Bodens - ohne zusätzliche aufwendige Messungen - aus dessen Bodenbasisdaten berechnet werden.
Mit Hilfe der Bodenkarten (BÜK 1000N bzw. BÜK 200) werden anschließend eine deutschlandweite Karte mit dem Status quo der Benetzbarkeit der Böden im trockenen Zustand erstellt. Als weitere Möglichkeit zur Regionalisierung wird geprüft, ob aus Hyperspektralmessungen der Böden die Benetzbarkeit vorhergesagt werden kann. Wenn sich diese Methode als zuverlässig erweist, sollen diese durch Satelliten gemessene Daten zur Regionalisierung der Benetzbarkeit auf größerem Kartenmaßstab genutzt werden.
Um Regionen mit unterschiedlicher Benetzungshemmung der Böden bewerten und vergleichen zu können, wird aus vorliegenden Berechnungen der Bodenfeuchte bestimmt, wie häufig und wie lange der kritische Wassergehalt im Jahresverlauf unterschritten wird und somit die Benetzungshemmung im Feld wirksam wird. So können Regionen mit unterschiedlicher Benetzungshemmung der Böden bewertet, verglichen und dargestellt werden. Zudem werden Klimaszenarien genutzt, um zu ermitteln, inwieweit sich das Risiko zur Verstärkung der Benetzungshemmung der Böden im Zuge des Klimawandels ändert.

Mit Hilfe der Ergebnisse des Projekts kann die Notwendigkeit abgeschätzt werden, bestehende bodenhydrologische Methoden an die veränderte Benetzbarkeit des Bodens anzupassen. Anhand der Ergebnisse des Projektes könnten weiterhin Managementmaßnahmen zur Bewässerung von benetzungsgehemmten Böden sowie zum Erosionsschutz entwickelt bzw. verbessert werden. So könnten Boden- und Wasserressourcen geschont werden.

Dieses Projekt trägt zu den Nachhaltigkeitszielen (SDG´s) der Vereinten Nationen bei: SDG 2 Kein Hunger - Den Hunger beenden, Ernährungssicherheit und eine bessere Ernährung erreichen und eine nachhaltige Wirtschaft fördern - und SDG 13 Maßnahmen zum Klimaschutz - Umgehend Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels und seiner Auswirkungen ergreifen -.