Boden und Klimawandel

Monitoring der Bodenfeuchte

Der Wasserhaushalt des Bodens ist für Pflanzen elementar, ob im Wald oder unter Acker. Die Bodenfeuchte ist ein wichtiger Kennwert, der viel über den Wasserhaushalt des Bodens aussagt. Untersuchungen dieses Kennwertes sind vor allem mit Blick auf den Klimawandel für eine nachhaltige Nutzung der Böden von großer Bedeutung.

Zurzeit gibt es 26 Bodenfeuchte-Messstationen vom GD NRW, vom Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW (LANUV) und der Landwirtschaftskammer NRW. Sie decken unterschiedliche Regionen des Landes ab und berücksichtigen verschiedene Bodentypen und Bodenarten. Denn die Anteile von Sand, Schluff und Ton im Boden entscheiden darüber, wie viel Wasser den Pflanzen zur Verfügung steht. Das Wasser versickert in einem sandigen Boden viel schneller in tiefere Schichten. In einem schluffig-tonigen Boden verbleibt es dagegen länger und ist auch bei anhaltender Trockenheit über einen längeren Zeitraum für die Pflanzen verfügbar.

Seit 2009 misst der GD NRW im Auftrag des Umweltministeriums NRW den Verlauf der Bodenfeuchte an 8 verschiedenen Messstellen, deren Standorte typische Böden mit Wald-, Acker- und Grünlandnutzung repräsentieren. Die Landwirtschaftskammer NRW richtete weitere 11 Stationen auf Ackerstandorten und eine im Gartenbau ein. Das LANUV erweiterte das Messnetz um 6 Standorte im Wald.
In Abhängigkeit von den Bodenverhältnissen wird in 3 – 4 verschiedenen Tiefen zwischen 25 und maximal 150 cm gemessen. Technisch sind die Stationen der Landwirtschaftskammer, des LANUV und des GD NRW identisch ausgestattet. Die Daten werden in gleicher Weise gespeichert und aufbereitet.

 

Bodenfeuchte-Messstationen des GD NRW, des LANUV und der Landwirtschaftskammer NRW

 

Messtellen im Wald

Der GD NRW betreibt 4 Messstationen im Wald. Die erste wurde im Kottenforst bei Bonn installiert. Später kamen Münster II, Viersen II und Arnsberg hinzu. Durch das LANUV wurden 6 weitere Bodenfeuchtemessstellen im Wald installiert: in Kranenburg (Klever Reichswald), in Rott (Eifel), in Kempen-Egge (Weserbergland), in Wipperfürth (Bergisches Land), in Elberndorf-Buche (Rothaarsteig) und in Warendorf. Mit Außnahme der Station Kottenforst, handelt es sich dabei gleichzeitig um Flächen des intensiven Forstlichen Umweltmonitorings. Für dieses Gemeinschaftsprojekt des GD NRW, des LANUV und des Landesbetriebes Wald und Holz soll das Messnetz in den Folgejahren weiter ausgebaut werden.

Eine Messstation der Bodenfeuchte

Bodenfeuchte und Bodentemperatur werden kontinuierlich in verschiedenen Tiefen gemessen. Zusätzlich werden Niederschlagsdaten und zum Teil weitere Klimadaten erhoben.

Die Messdaten werden automatisch plausibilisiert und in einer Datenbank erfasst. So können die Daten über Jahre hinweg verglichen und ausgewertet werden.

Aktuelle Messdaten der Bodenfeuchte aller Stationen in Nordrhein-Westfalen

Boden unter Trockenstress

In den Jahren 2018 und 2019 trockneten die Böden bis in größere Tiefen aus und waren – verglichen mit den Vorjahren – über einen längeren Zeitraum sehr trocken. Dies gilt auch für den untersuchten Waldstandort. Die oberflächennahen Bodenschichten bis etwa 100 cm konnten sich in den Winterhalbjahren 2018/2019 und 2019/2020 wieder auffüllen, sodass hier die Bodenfeuchte zum Vegetationsbeginn im Frühjahr 2019 und 2020 ein ähnliches Niveau erreichte wie im März 2018.

Möglicherweise weist der tiefere Untergrund im Wald ein größeres Wasserdefizit auf, das erst über einen längeren Zeitraum ausgeglichen werden kann. Dies ist messtechnisch bislang nicht belegt, da unsere Messungen bis Mitte 2020 nur den Bereich bis etwa 1 Meter Tiefe abdecken. Bei unseren bodenkundlichen Kartierungen im Wald beobachten wir, dass die Herbst- und Winterniederschläge die Waldböden nicht mehr komplett bis in größere Tiefen auffüllen. Hinzukommt die früher einsetzende Vegetationsperiode. Der Wald ist also früher und somit länger auf das im Boden gespeicherte Wasser angewiesen. Besonders in Trockenphasen geraten damit die tiefer wurzelnden Waldbäume unter Stress, da sie das tiefere Wasserreservoir benötigen.

Auf Ackerflächen beobachten wir, dass die Böden zum Beginn des Frühjahrs wassergesättigt sind. Jedoch trocknen sie dann im oberen Bereich aus, weil es zu wenig regnet. Im zweiten Meter ist in der Regel immer noch eine Restfeuchtigkeit im Boden. Allerdings erstreckt sich der Hauptwurzelraum der Ackerkulturen maximal bis in 1 Meter Tiefe, sodass auch sie unter der Trockenheit leiden.

 

pF-Wert – Kennwert der Bodenfeuchte

Die Bodenfeuchte wird über die Wasserspannung erfasst. Die Wasserspannung entspricht dem Saugdruck, den die Pflanzen aufwenden müssen, um dem Boden Wasser zu entziehen. Üblicherweise wird der Saugdruck in Zentimeter Wassersäule gemessen. Wegen des großen Wertebereichs wird er auf einen logarithmischen Maßstab bezogen. Ein pF-Wert von 2,0 entspricht dem Druck einer Wassersäule von 100 cm. Je höher der pF-Wert, umso trockener ist der Boden. Bei einem pF-Wert von 4,2 – das entspricht einer Wassersäule von 15 800 cm – ist das Wasser so stark im Boden gebunden, dass es von den Pflanzen nicht mehr aufgenommen werden kann. Dieses Wasser können die Pflanzen dem Boden nicht mehr entziehen. Es wird daher Totwasser genannt. Hingegen können Böden mit einem hohen Anteil an Grobporen (diese zeichnen sich durch eine hohe Luftkapazität aus) das Wasser nicht halten, da es schnell versickert. Für eine sichere Versorgung der Pflanzen mit Wasser ist der Bereich zwischen pF 1,8 und pF 4,2 von zentraler Bedeutung, da in diesem Bereich das Wasser im Boden pflanzenverfügbar ist. In den engen Grobporen und den Mittelporen ist das langsam bewegliche Sickerwasser und Haftwasser für Pflanzen verfügbar und wird auch als nutzbare Feldkapazität bezeichnet. Die Tabelle veranschaulicht den Zusammenhang von Wasser- und Lufthaushalt und dem für Pflanzen verfügbaren Wasser und der Wasserspannung.

 

Grafik vergrößern, PDF (700 KB)