Auswirkungen landnutzungsabhängiger Bodengefügedynamik auf die präferenzielle Verlagerung von Wasser und gelösten Stoffen in `Paddy`-Reisfeldern in Abhängigkeit der Raumskala
Final Report Abstract
Das Projekt befasst sich mit Wechselwirkungen zwischen Bodengefüge und Transportvorgängen in Böden von Nassreis-Feldern. Präferenzieller Fluss ist die Wasserbewegung entlang von bevorzugten Flußbahnen unter Umgehung der porösen Bodenmatrix, wodurch die Speicher- und Filterfunktion des Bodens eingeschränkt wird. Während für die meisten landwirtschaftlichen Kulturen eine Bodenverdichtung u.a. wegen eingeschränkter Dränage als schädlich gilt, so verhält es beim Reisanbau genau entgegengesetzt: Der Wasser-Überstau ist eine Voraussetzung für den Anbau von Nassreis. Die Stauwirkung basiert auf einer verdichteten ,Pflugsohle'; sie wird beim ,Puddeln' regelmäßig erneuert und intensiviert. Gefügebildung durch Schrumpfrisse oder Bioporen führt daher bei Nassreisböden zur Gefahr verstärkter Wasserverluste aufgrund zunehmender Sickerung durch die Pflugsohle in den meist ungesättigten Unterboden oder durch Dämme in tiefer liegende benachbarte Felder. Gleichzeitig sind umweltrelevante Wirkungen durch die im Sickerwasser gelösten Stoffe auf die Wasserqualität zu erwarten; dies insbesondere da die Agrochemikalien direkt auf und in das Stauwasser appliziert werden. Ziel des Projekts war die Identifizierung und Beschreibung von präferenziellem Fluss in Böden von Paddy- Feldern auf der „Pedonskala" als Basis zur Modellierung. Da von chinesischer Seite kein entsprechender Doktorand realisiert wurde, konnten auch keine längeren Zeitreihen zum Wasserhaushalt untersucht werden. Die Arbeiten konzentrierten sich daher auf die (1) Identifizierung der Fliesswege mittels Farbtracer- Infiltrationsversuchen, (2) Analyse des Bodengefüges mit Röntgen- Computertomographie, (3) Volumenbestimmung von Aggregaten, (4) experimentelle Beobachtung und (5) numerische Modellierung der Effekte von Wurmgängen auf den präferenziellen Fluss sowie (6) das hydraulische Verhalten der Pflugsohle. Die Feldmessungen zeigen, dass präferenzieller Fluss durch die verdichtete Pflugsohle unter Überstaubedingungen vorkommt und die Versickerung in den Untergrund kanalisiert. Als Fliesswege konnten vertikale Schrumpfrisse im Oberboden, horizontale auf der Pflugsohle und Bioporen (Wurmgänge und Wurzelkanäle) identifiziert werden. Während die Poren der Risse im Oberboden durch das Puddeln regelmäßig zerstört werden, bleiben die tieferen Strukturen intakt. Da im Gegensatz zu den Poren der Rissstrukturen die Bioporen auch bei Aufsättigung stabil bleiben, könnten die Bioporen möglicherweise für die präferenzielle Versickerung bedeutsamer sein als die Risse; zumindest sollten die zwei Gefügetypen getrennt betrachtet werden. Regenwürmer scheinen in den hier untersuchten Reisböden eine (für uns) überraschend große Bedeutung für die Porenstruktur zu haben. Ausgehend von Maximalwerten in der Nähe der Dämme, nimmt die Anzahl der Wurmgänge im Boden mit der Entfernung zum Damm ab. Die Infiltrationsraten durch Pflugsohlen mit Wurmgängen erreichten Werte von 10 bis 400 cm/Tag. Zudem erhöhen vertikale Poren von ehemaligen Pflanzenwurzeln in der Pflugsohle die hydraulische Leitfähigkeit. Die Ergebnisse der numerischen 2D Simulationen unterstützen die Annahme einer im Randbereich von Wurmgängen verminderten hydraulischen Leitfähigkeit, wodurch die Kanalisierung des Flusses in den Gängen zusätzlich verstärkt wird. Das Bodengefüge von älteren und jüngeren Reisböden unterscheidet sich deutlich. Die Böden der nur etwa 20-Jalire alten Paddy-Felder konnten noch keine ausgeprägte Pflugsohle entwickeln. Vor dem Hintergrund der Ergebnisse scheint insbesondere die Gefügeentwicklung in der Pflugsohle von Bedeutung im Hinblick auf die zunehmende Intensivierung der Nutzung. Für die Paddy- Reisböden verläuft die Bodengefügedynamik nicht nur saisonal zyklisch (Puddling, Vegetation, Be- und Entwässerung) sondern enthält auch längerfristig andauernde Komponenten (Pflugsohle, konservierte Makroporen). Hier besteht eine direkte Rückkopplung zwischen Bewirtschaftung (z.B. bei Mechanisierung, Veränderung der Bewässerung) und hydraulischem Verhalten des Systems über die Bodengefügedynamik. Die Kenntnisse der Parameter die den präferenziellen Fluss in Reisböden steuern, könnten dazu beitragen, Bewirtschaftungsverfahren zu testen, mit denen sich das Risiko von Wasserverlusten und Schadstoffauswaschungen ins Grundwasser besser kontrollieren ließe.
