Einführung in die Bodenphysik

Rainer Horn ist Direktor am Institut für Pflanzenernährung und Bodenkunde an der Universität Kiel. Er studierte Gartenbau in Hannover und promovierte 1976 im Bereich Bodenkunde. Fünf Jahre später schloss er an der Technischen Universität Berlin seine Habilitation ab. Er ist Ehrenmitglied der Bodenkundlichen Gesellschaft Rumäniens und Fellow der Soil Science Society of America. Von 2003 bis 2006 war er Präsident der International Soil Tillage Research Organisation (ISTRO).

Vorwort 3
Einleitung 11
Der Boden als Teil unserer Umwelt 11
Die Bodeneigenschaften 12

1 Körnung 14
1.1 Einteilung 14
1.1.1 Korngrößen 15
1.1.2 Kornformen 16
1.1.3 Kornmischungen 18
1.2 Häufig vorkommende Körnungen und Ursachen ihrer Entstehung 23
1.2.1 Sedimentationsgleichung 24
1.2.2 Trennungsvorgänge 25
1.3 Räumliche Verteilung von Körnungen 27
1.4 Veränderungen von Korngrößenverteilungen im Boden 28
1.5 Beziehungen zu anderen Bodeneigenschaften 29
1.6 Bestimmungsmethoden 32

2 Gefüge und Gefügefunktionen 34
2.1 Morphologie des Bodengefüges 34
2.2 Lagerungsdichte, Dichte des Bodens 36
2.3 Porenvolumen und Porenziffer 37
2.3.1 Theoretische Größen von Porenvolumina 38
2.3.1.1 Einfluss von Form und Sortierung 38
2.3.1.2 Einfluss der Teilchengröße 40
2.3.2 Kontaktzahlen 41
2.3.2.1 Zusammenhang zwischen Kontaktzahlen und Porenanteil 41
2.3.2.2 Natürliche Körnung und Aggregate 42
2.3.3 Einfluss der Bodenentwicklung 43
2.4 Porengrößenverteilungen 46
2.4.1 Einteilungen 46
2.4.2 Formen, Größen und Entstehungsweisen von Poren 49
2.4.3 Auswirkungen der Porengrößenverteilungen 50

3 Mechanisch-hydraulische Kräftesysteme in Böden 51
3.1 Stabilität und Lagerung 51
3.1.1 Kräfte und Spannungen im Boden 51
3.1.2 Aufteilung der im Boden wirksamen Kräfte und Spannungen 55
3.1.2.1 Teilchengewicht 56
3.1.2.2 Über die feste Phase übertragene Auflagerkräfte 56
3.1.2.3 Über die flüssige (oder die gasförmige) Phase übertragene Kräfte 56
3.1.2.4 Kräfte zwischen Oberflächen benachbarter Teilchen 57
3.1.3 System der Hauptspannungen im dreidimensionalen Raum 57
3.2 Stabilität als Gleichgewicht der Kräfte 59
3.2.1 Scherwiderstand als Bodeneigenschaft 59
3.2.1.1 Scherwiderstand des Bodens und seine Erfassung 59
3.3 Druck- und Zeitsetzungsvorgang 66
3.3.1 Drucksetzung 66
3.3.2 Zeitsetzungsverhalten 68
3.3.3 Bedeutung der während der Belastung auftretenden neutralen Spannungen 69
3.4 Spannungs-/Verformungs- u. Bewegungsvorgänge in 3D 71
3.4.1 Spannung und Verformung im dreidimensionalen Raum 71
3.4.2 Druckfortpflanzung im Boden 72
3.4.3 Grundbruch als Resultierende des aktiven und passiven Rankine’schen Zustands 75
3.5 Fließverhalten: Spannungen zwischen Einzelpartikeln 78
3.6 Beeinflussungen des Scherwiderstands durch Bodensubstanzen 83
3.7 Veränderung der Lagerung durch mechanische Einflüsse 84
3.7.1 Auswirkungen menschlicher Eingriffe 84
3.7.2 Auswirkungen von Tierbewegungen und Pflanzenwuchs 86
3.7.3 Auswirkungen des Gefrierens 88
3.7.4 Technische Verdichtung 88

4 Wechselwirkungen zwischen Wasser und Boden 90
4.1 Wasseradsorption 90
4.1.1 Mechanismen der Adsorption 90
4.1.2 Eigenschaften des adsorbierten Wassers 92
4.2 Flockung und Peptisation 93
4.3 Schrumpfung 96
4.3.1 Ursachen der Schrumpfung 96
4.3.2 Schrumpfung in Böden 99
4.4 Quellung 101
4.4.1 Ursache der Quellung und des Quellungsdrucks 101
4.4.2 Quellungshemmung 105
4.5 Rissbildungen 106
4.6 Stabilitätsfaktor Wasser 109
4.6.1 Statischer Wasserdruck 109
4.6.2 Strömungsdruck 111
4.7 Benetzungseigenschaften 114
4.7.1 Ursachen und Auftreten von Benetzungshemmungen 114
4.7.2 Kontaktwinkel und Kapillarität 115
4.7.3 Methoden zur Bestimmung der Benetzungseigenschaften 119
4.7.4 Auswirkungen auf die physikalischen Standorteigenschaften 120
4.8 Elektrische Strömungspotenziale 122
4.9 Aggregatformen und -funktionen 123
4.9.1 Natürliche Aggregatbildung 124
4.9.2 Anthropogen veränderte Aggregatformen 128
4.10 Auswirkung von Aggregatgröße, -form und -alter auf die Hohlraumverteilung129

5 Verbreitung und Hydrostatik des Bodenwassers 131
5.1 Verbreitung und Herkunft des Wassers 131
5.2 Kräfte im Bodenwasser 132
5.3 Grundwasseroberfläche als Bezugsebene 134
5.4 Potenzial des Bodenwassers 135
5.4.1 Gesamtpotenzial und Teilpotenziale 137
5.4.1.1 Das Matrixpotenzial Ψm 137
5.4.1.2 Das Gravitationspotenzial Ψz 138
5.4.1.3 Das osmotische Potenzial Ψ0 138
5.4.1.4 Das Auflastpotenzial ΨΩ 139
5.4.1.5 Das Druckpotenzial Ψp 139
5.4.2 Kombination von Teilpotenzialen 140
5.4.3 Messgeräte 141
5.5 Potenzialgleichgewicht 143
5.6 Matrixpotenzial und Wassergehalt 145
5.6.1 Einfluss der Körnung auf die Matrixpotenzial–Wassergehaltskurve 146
5.6.2 Einfluss des Gefüges auf die Matrixpotenzial–Wassergehaltskurve 147
5.6.3 Hysteresis der Matrixpotenzial–Wassergehaltskurve 148
5.6.4 Bestimmung der Matrixpotenzial-/Wassergehaltskurve 149
5.6.5 Mathematische Beschreibung der Matrixpotenzial-Wassergehaltsbeziehung151


6 Wasserbewegung im Boden 152
6.1 Wasserbewegung im gesättigten Boden 152
6.1.1 Physikalische Phänomene der Fluiddynamik 152
6.1.2 Strömungsfelder 156
6.1.3 Rand- und Grenzbedingungen von Strömungsfeldern 157
6.1.4 Eindimensionale Strömung 158
6.1.5 Zwei- und dreidimensionale Strömungen 160
6.2 Wasserbewegung im ungesättigten Boden 164
6.3 Nichtstationärer Fluss 166
6.3.1 Hydraulische Diffusivität 171
6.4 Wasserleitfähigkeit als Bodeneigenschaft 172
6.5 Dampfförmiger Wassertransport 180
6.6 Infiltration 182
6.7 Dränung 188
6.8 Evaporation 195

7 Die Gasphase im Boden 204
7.1 Energetische Lage der Gasphase 204
7.2 Zusammensetzung der Gasphase 206
7.3 Transportprozesse 208
7.3.1 Diffusion 208
7.3.2 Massenfluss 210
7.3.3 Umverteilungen 211

8 Das thermische Verhalten des Bodens 214
8.1 Thermische Bodeneigenschaften 214
8.1.1 Definitionen 214
8.1.2 Wärmekapazität 215
8.1.3 Thermische Leitfähigkeit 219
8.1.4 Temperaturleitfähigkeit 222
8.1.5 Wärmetransportmechanismen 222
8.2 Modelle für thermische Leitfähigkeit 224
8.3 Messmethoden 224
8.4 Phasenübergänge des Wassers und seine Folgen 225
8.4.1 Feuchteumverteilung durch thermischen Dampffluss 225
8.4.2 Gefriervorgang und Eisbildung 226
8.4.3 Gefriervorgang und Wasserbewegung 228
8.4.4 Gefügebildung 229

9 Wasser-, Wärme- und Gashaushalt von Böden 232
9.1 Grenzfläche „Atmosphäre – Bodenoberfläche“ 232
9.1.1 Strahlungskomponenten und Strahlungsbilanz 232
9.1.2 Energiebilanz an der Bodenoberfläche 235
9.2 Wasserhaushalt 237
9.2.1 Grund- und Stauwasser 239
9.2.2 Gang der Matrixpotenziale 243
9.2.3 Kennwerte des Wasserhaushaltes 249
9.2.3.1 Feldkapazität 249
9.2.3.2 Permanenter Welkepunkt 252
9.3 Wärmehaushalt 252
9.3.1 Verteilung der Temperaturen im Boden 253
9.3.2 Wärmequellen 254
9.3.3 Temperaturgänge im Boden 255
9.3.4 Einflussnahme auf den Wärmehaushalt 259
9.4 Gashaushalt 261
9.4.1 Wassergehalte und Verteilung der Gasphase im Bodenprofil 262
9.4.2 Jahreszeitliche Veränderungen 265

10 Der Pflanzenstandort und seine physikalische Veränderung 268
10.1 Anforderungen der Pflanzen an die Wasserversorgung 268
10.2 Interaktionen zwischen mechanischen und hydraulischen Vorgängen 271
10.2.1 Mechanische und hydraulische Bodendeformation 272
10.2.2 Porenfunktionsänderungen infolge mechanischer und hydraulischer Spannungen 275
10.2.3 Wechselwirkungen zwischen hydraulischen Porenfunktionen und mechanischen
Kenngrößen 278
10.2.4 Dynamik physikalischer Bodenkenngrößen als Grundlage zur Beurteilung von
Bodenbewirtschaftungsmaßnahmen 279
10.3 Eingriffe in das hydraulische Spannungssystem 281
10.3.1 Entwässerung 281
10.3.2 Bewässerung 285
10.3.3 Perkolation 287
10.4 Eingriffe in das mechanische Spannungssystem 289
10.4.1 Verdichtung 289
10.4.2 Lockerung 290
10.4.3 Materialumlagerungen 291

11 Erosion 293
11.1 Allgemeine Gesetzmäßigkeiten 293
11.1.1 Ablösung von Teilchen oder Aggregaten 294
11.2 Ansätze für Erosionsschutzmaßnahmen 298
11.2.1 Erodierbarkeit 299
11.2.2 Erodierende Wirkung 301
11.3 Erosionsgleichungen 301
11.3.1 Bodenerosion durch Wasser 302
11.3.2 Bodenerosion durch Wind 305

12 Lösungstransport und Filterprozesse in Böden 306
12.1 Grundlagen des Stofftransportes 307
12.1.1 Durchbruchskurven in porösen Medien 307
12.1.2 Molekulare Diffusion 309
12.1.3 Konvektiver Fluss und hydrodynamische Dispersion 311
12.1.4 Adsorption 313
12.1.5 Konvektions-Dispersionsmodell des Lösungsstofftransportes 314
12.1.6 Weitere Einflussfaktoren auf den Stofftransport 316
12.1.7 Modelle zur Beschreibung des Stofftransportes 317
12.2 Filtervorgänge in Böden 318
12.2.1 Filtertypen 318
12.2.2 Böden als Filter 319
12.2.3 Wirksamkeit eines Filters 320
12.2.4 Optimierung von Filtervorgängen 322

13 Perspektiven der Bodenphysik 324

14 Literaturverzeichnis 333

15 Häufige Maßeinheiten und Umrechnungen 356
Bedeutung der Abkürzungen 356
Basisumrechnungen: Dichte und Porenraum 357
Transport in porösen Medien 358
Ableitung der Haushaltsgleichung 359
Energiebilanz an der Bodenoberfläche 360
Tensoren 361
Umrechnung von Messwerten 362

Sachregister 363