Anisotropy of the hydraulic conductivity of soils in the geological regions of Schleswig-Holstein (Northern Germany) under arable und grassland use

Die Diskussion um die steigende Weltbevölkerung (9,7 Milliarden Menschen im Jahre 2050 nach Prognosen der UN 2017) bei ständig abnehmender landwirtschaftlicher Produktionsfläche (Abnahme ca. 70 ha d⁻¹ in Deutschland (Statistisches Bundesamt, 2015) oder 300 km²d⁻¹ weltweit) verstärkt die Notwendigkeit, auch die Ursachen der Bodendegradation näher zu beleuchten, um hieraus neue Ansätze für eine nachhaltige Bodenbewirtschaftung abzuleiten. Durch ein nicht standortangepasstes Bodenmanagement, z. B. durch wiederholtes Befahren mit zu schweren landwirtschaftlichen Maschinen, wird der Degradation von Böden Vorschub geleistet, und es treten irreversible Veränderungen der Böden und deren Funktionen ein bzw. sind bereits eingetreten (Pagliai et al., 2004; Peth et al., 2006; Kim et al., 2010). Eine der wesentlichen Ursachen liegt in der immer noch ungebremsten Zunahme der Landmaschinengewichte auch weit über das z. B. auf Autobahnen zulässige Gewicht hinaus. Selbst bei Berücksichtigung der seitens der Industrie hervorgebrachten Argumente u. a. bezüglich einer effizienteren Bewirtschaftung, führen die mit dem Klimawandel zu erwartenden häufigeren Starkniederschläge (IPCC, 2014) zu weniger stabilen Böden, sodass die Gefahr von irreversiblen Bodenschäden erhöht sein wird (Jones et al., 2003; Horn und Fleige, 2009; Rogger et al., 2017).

Eine der negativen Folgen der Bodendegradation ist die Verstärkung des Oberflächenabflusses (z. B. Jones et al., 2003; Dörner und Horn, 2006; Bertolino et al., 2010), der mit als entscheidende Ursache für die in den letzten Jahren häufiger auftretenden Überflutungen an Flussläufen zu sehen ist. Nach van der Ploeg (1999) beruht die Zunahme des Oberflächenabflusses nicht nur auf der seit Mitte des letzten Jahrhunderts verstärkt durchgeführten Entwässerung landwirtschaftlich genutzter Flächen, sondern auch auf dem Verlust von Dauergrünland, das zunehmend als Ackerland umgebrochen wurde (1951– 1989 von 15,7 auf 10,8 % Westdeutschlands, van der Ploeg et al., 2002).

Hochwasserereignisse mit häufig katastrophalen Eigentumsschäden für die Bevölkerung sowie weitreichenden Folgen für die weitere Landnutzung kommen in den letzten Jahrzehnten sehr viel häufiger vor (Van der Ploeg und Schweigert, 2001; van der Ploeg et al., 2000 und 2002). Diese Überflutungen z. B. an Elbe, Oder und Donau, aber auch die als Folge von intensiveren Niederschlägen im Jahresverlauf entstehenden „Seenlandschaften“ lassen den Eindruck entstehen, dass die Böden tiefreichend vollständig wassergesättigt seien und dadurch diese Wassermassen nicht mehr aufgenommen und abgeführt werden können. Die Entnahme von Bodenproben nach solchen Extremereignissen zeigt, dass die Wassersättigung zwar im Oberboden tatsächlich gegeben ist, der Wassergehalt allerdings in den Bodentiefen > 40 cm wieder absinkt (Alaoui et al., 2018; Rogger et al., 2018), und folglich noch luftgefüllte Poren im Boden für eine zusätzliche Wasseraufnahme vorhanden wären. In verdichteten Böden ist die Wasserinfiltration jedoch am Übergang von der Ackerkrume zum Unterboden durch eine kompakte Pflugsohle aufgrund einer geringen vertikalen Wasserleitfähigkeit deutlich eingeschränkt (Bertolino et al., 2010; Dörner und Horn, 2006). Darüber hinaus können irreversible (plastische) Bodendeformationen eine entsprechende Umorientierung der richtungsabhängig leitenden Fließquerschnitte herbeiführen. Jede senkrechte Spannungsentlastung führt hierbei zu einer horizontalen Rissbildung (Horn, 1994), mit der Folge, dass nicht nur die vertikal durchgängigen Fließwege für Wasser oder Gas unterbrochen werden, sondern es gleichzeitig zur Bildung eines Plattengefüges kommt, das die Wasserinfiltration in tiefere Schichten reduziert. Zwischen den Plattenstrukturen steigt die horizontale Leitfähigkeit dagegen an, während durch den größeren Fließquerschnitt zwischen den Platten der kapillare Aufstieg infolge von wirksamen Kapillarsperren weitestgehend unterbunden sein kann (Beck-Broichsitter et al., 2017). Somit zeigen Plattenstrukturen unterhalb der Pflugsohle eine horizontale Anisotropie in der Fließbewegung auf (Dörner und Horn, 2009; Zink, 2009), die auch eine erhöhte Gefahr der Bodenerosion im geneigten Gelände nach sich zieht (Weißkopf et al., 2000; Bertolino et al., 2010; DeLaune und Sij, 2012; Horn, 2015; Bogunovic et al., 2018).

Inwieweit derartige negative Strukturänderungen in den landwirtschaftlich genutzten Böden in den vier Hauptnaturräumen Schleswig-Holsteins (Abbildung 1) nachweisbar sind, wurde anhand eines Datensatzes des LLUR S.-H. (Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes SchleswigHolstein) zu vertikalen und horizontalen gesättigten Wasserleitfähigkeiten analysiert. Dabei wurden mögliche Einflussgrößen wie die Landnutzung, den Tongehalt und den Bodentyp auf die Wasserleitfähigkeit und deren Richtungsabhängigkeit berücksichtigt.

Abbildung 1

Abbildung 2 informiert über die gesättigten Wasserleitfähigkeiten (k_f ) sowohl in horizontaler als auch vertikaler Richtung bis in 40 cm Bodentiefe für Acker- und Grünlandstandorte aus den vier Hauptnaturräumen Schleswig-Holsteins. Ohne Berücksichtigung des geologischen Ausgangsmaterials weisen Böden unter ackerbaulicher Nutzung im Mittel signifikant höhere k_f -Werte in horizontaler als in vertikaler Richtung im Unterboden auf (p < 0,01). Dabei reduziert sich die k_f signifikant in beiden Richtungen mit höherem Tongehalt (≥ 12 % Ton) auf Werte < 10 cm d⁻¹ (Mittelwert) (p < 0,001) und weist außerdem auf eine nach Ad-hoc-AG Boden (2005) „geringe“ Fließgeschwindigkeit hin. Die richtungsabhängige k_f zeigt außerdem eine sich mit höherem Tongehalt stärker ausprägende Anisotropie unterhalb des gepflügten A-Horizontes. Unter Grünlandnutzung kommt es im Oberboden zu einer deutlichen horizontal ausgeprägten Anisotropie, die in Böden < 12 % Ton signifikant (p < 0,001) und in denen ≥ 12 % Ton nur schwach ausgeprägt ist. Im Unterboden zeichnet sich dieser Effekt weniger deutlich ab bzw. es ist bei höherem Tongehalt sogar ein vertikal anisotropes Fließverhalten auszumachen (p < 0,05).

Abbildung 2

Die geometrisch gemittelten horizontalen (k_f(h)) und vertikalen k_f(v)-Werte in den vier Hauptnaturräumen SchleswigHolsteins sind als Übersicht tabellarisch für Acker- (Tabelle 1) und Grünlandstandorte (Tabelle 2) aufgeführt. Wie zu erwarten, sind die durchlässigsten Böden in der Niederen Geest mit überwiegend sandigen Böden (< 12 % Ton) zu finden, deren k_f -Werte im Mittel im „sehr hohen“ Bereich (> 100 cm d⁻¹, nach Ad-hoc^-AG Boden, 2005) liegen. Unabhängig von der Landnutzung nehmen die mittleren k_f-Werte im Unterboden bis ≤ 60 cm Tiefe der tonarmen Standorte (< 12 % Ton) in der Reihenfolge Niedere Geest > Hohe Geest ≈ Östliches Hügelland („mittel“ bis „hoch“) > Marsch („gering“) ab. Bei höherem Tongehalt (≥ 12 % Ton) nähern sich die k_f-Werte im Unterboden weiter an, sind damit mit Ausnahme der Werte in der Niederen Geest signifikant geringer als bei < 12 % Ton (p < 0,05) und liegen größtenteils unterhalb des „mittleren“ Bereiches (< 40 cm d⁻¹).

In Hinblick auf die Richtungsabhängigkeit der k_f -Werte zeigt sich in Tabelle 1, dass im Mittel eine horizontale Anisotropie im Unterboden bis in 60 cm Tiefe der Ackerstandorte mit Tongehalten < 12 % in allen Hauptnaturräumen vorliegt, die allerdings nicht signifikant ist. Steigt der Tongehalt (≥ 12 %), weisen ausschließlich die Unterböden aus der Hohen Geest eine signifikant ausgeprägte horizontale Anisotropie (k_f(h)/k_{f (v)} > 10) unter Ackernutzung bis in 60 cm Tiefe auf (p < 0,05). Das horizontal anisotrope Fließverhalten verschärft sich für diese Böden mit höherem Tongehalt und ist für Unterbodenhorizonte unterhalb der Pflugsohle, d. h. ≤ 40 cm Tiefe, betragsmäßig, jedoch nicht signifikant, höher (k_{f (h)}/k_{f (v)} > 25) als in ≤ 60 cm Tiefe.

Unter Grünlandnutzung liegen in den besonders intensiv genutzten Böden der Niederen und Hohen Geest die Anisotropie-Werte sowohl im Oberboden (A-Horizonte) als auch im Unterboden ≤ 60 cm deutlich > 1 (Tabelle 2). Für die Oberböden der Hohen Geest sind Unterschiede in der horizontalen und vertikalen k_f dabei signifikant (< 12 % Ton: p < 0,001, > 12 % Ton: p < 0,1). Insgesamt ist die horizontale Anisotropie in Böden ≥ 12 % größer als in denen mit < 12 % Ton, wohingegen die vergleichsweise tonhaltigeren Unterböden des Östlichen Hügellands (nicht signifikant) und der Marsch (p < 0,05) ein eher vertikal anisotropes Fließverhalten bis ≤ 60 cm Tiefe aufweisen. In der Niederen Geest sind die tonangereicherten Böden ≥ 12 % Ton jedoch wegen ihrer geringen flächenmäßigen Ausbreitung und der damit zusammenhängenden geringen Beprobungshäufigkeit (n < 6) als nicht-repräsentativ anzusehen.

Differenziert man weiterhin nach den besonders empfindlichen Bodentypen und Bodenhorizonten, dann können vor allem die nicht pedogen/geogen verdichteten Sw-Al-Horizonte der Pseudogley-Parabraunerden, die M-Horizonte der Kolluvisole sowie tendenziell die Sw-Horizonte der primären und sekundären Pseudogleye unter Ackernutzung, aber z. T. auch unter Grünlandnutzung im Mittel mit einem bevorzugten Wasserfluss in horizontaler Richtung definiert werden (Abbildung 3). Signifikante Unterschiede treten dabei nur für den Bodentyp „Kleimarsch“ hinsichtlich der Landnutzung (p < 0,001) und Entnahmerichtung (p < 0,01) auf, die wie auch bei der Kalkmarsch eine vertikale Anisotropie aufzeigt.

Abbildung 3

Abbildung 4 zeigt die zeitliche Änderung der k_f in Unterböden des Östlichen Hügellands. Für die anderen Hauptnaturräume fehlen geeignete Datensätze, um eine kontinuierliche Entwicklung der k_f-Werte über den Beprobungszeitraum von 1970–2015 zu dokumentieren. Insbesondere die Unterböden ≤ 40 cm, aber auch diejenigen ≤ 60 cm weisen bei Tongehalten >12 % eine mit der Zeit signifikant (R²= 0,73 bzw. 0,74, p < 0,001) größer werdende horizontale Wasserleitfähigkeit auf. Bei Tongehalten ≤ 12 % lässt sich dieser positive Trend weniger deutlich nachweisen (R²= 0, 24 bzw. 0,25).

Abbildung 4

Um einen Hinweis auf die besonders empfindlichen Böden bzw. Bodenhorizonte zu erhalten, ist in Abbildung 5 die zeitliche Veränderung der k_f in horizontaler Richtung für Pseudogley-Parabraunerden und Norm-Pseudogleye in den beiden untersuchten Bodentiefen über die Zeit dargestellt. Der zeitliche Trend weist dabei auf signifikante Zunahmen der horizontalen k_f in (Sw)-Al- (p < 0,01) sowie Sw-Horizonten (p < 0,001) bis in die Bodentiefe ≤ 60 cm mit der Zeit hin.

Abbildung 5

Bodenfunktionen wie die hydraulische Leitfähigkeit, aber auch die Luftpermeabilität und Gasdiffusion sowie die Wärmeleitfähigkeit sind als richtungsabhängige Werte zu betrachten. Generell sind in Böden keine isotropen Fließ- und Diffusionsbedingungen zu erwarten, da diese nur unter der Annahme eines Kugelmodells von gleich großen Kugeln mit 12 Kontaktpunkten (hexagonal dichteste Packung, Hartge und Horn, 2014) vorherrschen. In allen anderen Konfigurationen kommt es zu einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Anisotropie. Solche Abweichungen von der Partikelordnung werden zudem durch natürliche (u. a. geogene oder pedogene Verdichtungen, Gefüge-/Strukturbildung, Bioturbation) als auch anthropogene Vorgänge (mechanische Verdichtung durch externe Auflasten) verursacht. So besitzen Bodenhorizonte mit prismatischer Struktur eine vorrangig vertikale Anisotropie, hervorgerufen durch die Entwicklung von sekundären groben Poren zwischen den Aggregaten (Risse). Der Tongehalt, ab dem mit einer deutlichen Strukturbildung gerechnet werden kann, wird häufig bei 12 % für mitteleuropäische Bodenverhältnisse festgelegt, da bei höheren Gehalten ausgeprägte Quell-/Schrumpfungsprozesse mit einer deutlichen Zunahme der Leitfunktionen sowie der Bodenstabilität einhergehen (Horn, 1981 und 1994). Dies spiegelt sich insbesondere für die untersuchten Unterböden aus der Marsch mit hohem Quellungs- und Schrumpfungspotenzial wider, die unabhängig von der Landnutzung eine vertikal ausgerichtete Anisotropie der hydraulischen Leitfähigkeit für Böden ≥ 12 % Ton aufweisen (Tabellen 1 und 2, Abbildung 4). Die Ergebnisse legen außerdem nahe, dass sich eine stärker ausgeprägte vertikale Fließrichtung durch strukturbedingte Sekundärporen nur in tonreicheren Unterböden (≥ 12 % Ton) unter Grünlandnutzung ausgebildet hat, die im Vergleich zu denen unter Ackernutzung mutmaßlich geringeren mechanischen Belastungen ausgesetzt sind bzw. deren externen Spannungseinträge weniger tief reichen, sodass Strukturbildungsprozesse im Unterboden ungestörter ablaufen konnten.

Ursachen einer verstärkt horizontal ausgeprägten Anisotropie können hingegen sowohl natürlich als auch anthropogener Herkunft sein. Eine Differenzierung ist über die Betrachtung einzelner Bodenhorizonte und Tongehaltsklassen annäherungsweise möglich. Hier kann beispielsweise die festgestellte schwach ausgeprägte horizontale Anisotropie in Bhs-Horizonten sandiger (Gley-)Podsole mitunter auch auf eine pedogene Verfestigung (Kittgefüge) zurückgeführt werden, während nicht natürlich verdichtete Horizonte wie (Sw-)Al- der (Pseudogley-)Parabraunerden, Sw- oder M-Horizonte der Pseudogleye bzw. der Kolluvisole auf anthropogen bedingte Strukturänderungen hindeuten (Abbildung 4).

Werden die Ergebnisse der Wasserleitfähigkeiten in horizontaler und vertikaler Richtung in den Unterböden unter Ackernutzung betrachtet, so kann insbesondere die innerhalb von 40 cm Bodentiefe ausgeprägte horizontale Anisotropie als Indiz dafür gelten, dass es unterhalb des gepflügten A-Horizontes mit seinen sehr stark wechselnden, instabilen Strukturverhältnissen infolge der über Jahrzehnte durchgeführten Pflugarbeit und wiederholten Befahrungen (einschließlich der durch Schlupf hervorgerufenen Scherung) zu einer verstärkten Einregelung und vermehrt auftretenden Plattenstrukturbildung gekommen ist (Horn und Peth, 2011; Glinski et al., 2011; Holthusen et al., 2018). Bezüglich der Marschböden, die wie bereits erwähnt keine horizontale Anisotropie im Unterboden aufweisen, ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass die Beprobungen Mitte der 1990er-Jahre weitgehend abgeschlossen waren, sodass anthropogen bedingte Strukturänderungen (Plattengefüge) infolge der fortschreitenden Mechanisierung der Landwirtschaft und zunehmenden Beanspruchung durch die steigenden Maschinengewichte in den Datensätzen nicht abgebildet werden können.

Für die untersuchten Böden der anderen Hauptnaturräume geht aus Tabelle 1 hervor, dass die horizontale Anisotropie in Unterböden des Östlichen Hügellands und der Hohen Geest unter Ackernutzung in ≤ 40 cm Tiefe am stärksten ausgeprägt ist und für die tonreicheren Böden (≥ 12 % Ton) jeweils zunimmt. In ≤ 60 cm Tiefe ist der Tongehaltseffekt jedoch nur noch für die Unterböden der Hohen Geest auszumachen. Eine Ursache könnte der zunehmende Anteil geogener und pedogener Dichtlagerungen in dieser Tiefe sein, der mögliche anthropogene Effekte überlagert. So stehen bspw. in Böden des Östlichen Hügellands in dieser Tiefe (≤ 60 cm) häufig von Natur aus dichtgelagerte Tonanreicherungshorizonte (Bt bzw. Sd-Bt der (Pseudogley-) Parabraunerden) an, während derartige natürliche Einflüsse in der Hohen Geest in Form von geogenen Schichtungen (z. B. Geschiebedecksand über Geschiebelehm) erst in tieferen Lagen (> 60 cm) zu erwarten sind. Werden nur die horizontalen k_f-Werte der nicht von Natur aus verdichteten Bodenhorizonte im Östlichen Hügelland (z. B. Al-, Sw-, M- und B-Horizonte) berücksichtigt und über die Zeit betrachtet (Abbildung 3), so wird deutlich, dass die horizontale Anisotropie dieser Böden unabhängig vom Tongehalt tendenziell zugenommen hat. Für verdichtungsempfindliche, tonreichere Böden (≥ 12 % Ton) sind die Zunahmen über die Zeit sogar besonders deutlich ausgeprägt.

Auf den Böden der Hohen Geest, die seit Ende der 1970er-Jahre verstärkt für die Milchvieherzeugung genutzt werden (Statistikamt Nord, MELUND, 2018), ist auch zu diskutieren, welche Bodenbelastungen durch den intensiven Maschineneinsatz bei der Futterernte oder Wirtschaftsdüngerausbringung sowie durch Trittbelastungen auf Weideflächen zu anthropogenen Strukturänderungen geführt haben. Denn selbst unter Grünlandnutzung weisen diese Geestböden bis in eine Tiefe von 60 cm eine im Mittel stärker horizontal ausgerichtete Anisotropie auf. Strukturschädigungen unter Grünland ließen sich schon mehrfach nachweisen (Mulholland’ und Fullen, 1991; Peth, 2004; Holthusen et al., 2018), wobei die Gefahr gerade auf den für die Grünlandnutzung bevorzugten grund- und stauwasserbeeinflussten und damit sehr verdichtungsempfindlichen Standorten (hydromorphe Böden) als hoch einzustufen ist. Demzufolge ist eine aussagekräftige Bewertung der Anisotropieeffekte in den einzelnen Hauptnaturräumen generell erst unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Bodentypen möglich. Nur eine nicht durch geogene Schichtung bzw. pedogene Verdichtung bedingte horizontale Anisotropie in Böden mit einer natürlichen Genese ist somit Ausdruck einer irreversiblen Bodendegradation und führt in der Folge in geneigtem Gelände zu einem entsprechend erhöhten lateralen Massentransport in Senken, Vorfluter, und letztendlich in natürliche Fließgewässer (van der Ploeg et al., 2000; Rogger et al., 2017; Alaoui et al., 2018).

Wenn der Wasserfluss bevorzugt auf dem Plattengefüge der Pflugsohle erfolgt, bedeutet dies gleichzeitig, dass die Nachlieferung von kapillar aufsteigendem Wasser in die Ackerkrume durch das Vorliegen eines solchen wurzelbegrenzenden und in vertikaler Richtung schlecht wasserleitenden Plattengefüges häufig unzureichend ist, was u. a. auch zu den im Sommer 2018 sehr deutlichen Trockenschäden beigetragen haben kann.

Für ein Aufbrechen dieser Plattenstrukturen empfiehlt sich gerade unter sehr trockenen Bodenbedingungen eher eine bis in 40 cm Tiefe lockernde, nicht wendende Bodenbearbeitung (z. B. mittels Paraplow), um die vertikale Wasserleitfähigkeit und die Durchwurzelbarkeit im Pflugsohlenbereich wieder zu erhöhen. Sollte der Einsatz eines entsprechenden Lockerungsgerätes nicht möglich sein, könnten durch die gezielte Heterogenisierung in Form von vertikalen Röhren kontinuierliche und von der Pflanzenwurzel bevorzugt genutzte sowie wie für die Belüftung und Wasserableitung wirksame Poren bis in größere Tiefe geschaffen werden (Jayawardane und Stewart, 1994; Zhai und Horn, 2018a und b). Im Zusammenhang mit wiederholt durchgeführten Meliorations- bzw. Gesundungskalkungen könnte durch die Anwendung von Branntkalk (CaO) zudem eine verstärkte Austrocknung und damit einhergehende Schrumpfrissbildung erreicht werden (Mordhorst et al., 2018). Schließlich ist auch durch den mindestens zweijährigen Anbau von Luzerne mit einem entsprechend tiefreichenden Wasserentzug und dadurch induzierter Schrumpfrissbildung zu rechnen, wodurch eine bessere Durchwurzelung, Wasser- und Gasleitung sowie verbesserte Erreichbarkeit von im Untergrund vorhandenen Nährstoffen erreicht werden kann (Uteau et al., 2013).

Bodendeformationen durch mechanische Belastungen können zu einer deutlichen horizontalen Anisotropie des Porensystems im Boden als Folge der anthropogen induzierten Plattenstrukturbildung führen. Inwieweit sich solche negativen Strukturänderungen in den landwirtschaftlich genutzten Böden Schleswig-Holsteins zeigen, wurde anhand eines Datensatzes des LLUR zu vertikalen und horizontalen gesättigten Wasserleitfähigkeiten analysiert.

Die vorhandenen Datensätze machen deutlich, dass die Unterböden unter Ackernutzung im Mittel eine horizontal signifikant ausgeprägte Anisotropie im Bereich der Pflugsohle (≤ 40 cm) aufweisen, wobei das Ausmaß der Anisotropie in den Hauptnaturräumen und in Abhängigkeit vom Tongehalt variiert. Die tendenziell festgestellte horizontale Anisotropie nicht von Natur aus verdichteter Bodenhorizonte (Al-, Sw-, M-Horizonte) bestärkt den Verdacht, dass anthropogene Strukturänderungen (Plattenbildung) durch die im Laufe der Zeit angestiegenen Maschinengewichte ebenso wie häufigere Befahrungen auch bei ungünstigeren Witterungswetterverhältnissen stattgefunden haben. Eine standortangepasste Bodenbewirtschaftung durch entsprechende Landmaschinen ist zwingend erforderlich, um die Bodenfunktionen auch langfristig zu erhalten.

Die Autoren bedanken sich für die Bereitstellung der Daten aus der Datenbank des Landesamtes für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume Schleswig-Holstein (LLUR).