Modellentw. zur Prognose nutzungsbedingter Veränderungen des Bodenporenraumes

Die steigende Nachfrage nach Agrarprodukten und das zunehmende Auftreten meteorologischer Extreme rücken weltweit die Ressourcen Boden und Wasser in den Fokus der Öffentlichkeit. Deshalb gewinnt eine adaptierte Landnutzung als vorbeugendes Element des Boden- und Gewässerschutzes an Bedeutung. Die Planung von Anpassungsstrategien beruht meist auf dem Einsatz numerischer Modelle. Dadurch kann die Wirkung hypothetischer Änderungen der Landnutzung (Landnutzungsszenarien) bei gegenwärtigem und verändertem Klima (Klimaprojektionen) auf Pflanzenwachstum und Wasserhaushalt abgeschätzt und bewertet werden. Vorausgesetzt wird dabei, dass die hydrologisch relevanten Bodeneigenschaften unveränderlich sind. Vorangegangene Studien haben jedoch gezeigt, Bodenstruktur und damit Wasserspeicherfähigkeit und Wasserleitvermögen der Böden können sich signifikant ändern durch die Landnutzung. Bleiben diese Bodenveränderungen unberücksichtigt, erhöht sich die Unsicherheit der Modellergebnisse. Die Folge könnten Fehlplanungen und eine stärker ressourcenverbrauchende Landnutzung sein. Ziel der Studie ist daher a) die Messung der durch Landnutzung ausgelösten Änderungen in der Bodenstruktur und damit in den bodenhydraulischen Eigenschaften und b) die Implementierung dieser Ergebnisse in hydrologische Modelle, welche diese Änderungen mittels mathematischer Funktionen quantifizieren. Diese Funktionen beschreiben die Änderungen der Porengrößenverteilung und darauf aufbauend die zeitlichen Änderungen im Wasserspeicher- und Wasserleitvermögen für verschiedene Maßnahmen der Landnutzung(Bodenbearbeitung,Fruchtfolgen,Aufforstung).Umverallgemeinerbare Gesetzmäßigkeiten zum Einfluss der Landnutzung auf die hydrologisch relevanten Bodeneigenschaften abzuleiten, untersuchen wir vergleichbare Landnutzungmaßnahmen bei ähnlichen Böden entlang eines Klimagradienten von Brandenburg über Sachsen und Niederösterreich bis in die Steiermark. Zur Charakterisierung der hydraulischen Bodeneigenschaften werden Feldmethoden (Haubeninfiltrations- und Farbtracerversuche) und Labormethoden (instationäre Verdunstungs- experimente) miteinander kombiniert. Dies ermöglicht eine verbesserte Trennung zwischen Makroporen- und Matrixporenregion, was grundlegend für die Entwicklung von Funktionen zur Beschreibung nutzungsbedingter Änderungen des Porenraums sein könnte. Wir erwarten, dass sich die verschiedenen Maßnahmen der Landnutzung eher auf die Makroporen auswirken. Die Studie wird unser Wissen über Änderungen des Porenraums bei unterschiedlichen Landnutzungsmaßnahmen vertiefen. Basierend auf dem besseren Prozessverständnis entwickeln wir Methoden und Modelle, die den Einfluss einer adaptiven Landnutzung auf die hydrologisch relevanten Bodeneigenschaften, auf den Wasserhaushalt (Bodenwasservorrat, Grundwasserneubildung und Wasserqualität), und die Biomassebildung quantifizieren können. Damit werden Grundlagen für die Entwicklung nachhaltiger Landnutzungssysteme geschaffen.

Die steigende Nachfrage nach Agrarprodukten und das zunehmende Auftreten meteorologischer Extreme rücken weltweit die Ressourcen Boden und Wasser in den Fokus der Öffentlichkeit. Deshalb gewinnt eine adaptierte Landnutzung als vorbeugendes Element des Boden- und Gewässerschutzes an Bedeutung. Die Planung von Anpassungsstrategien beruht meist auf dem Einsatz numerischer Modelle. Dadurch kann die Wirkung hypothetischer Änderungen der Landnutzung (Landnutzungsszenarien) bei gegenwärtigem und verändertem Klima (Klimaprojektionen) auf Pflanzenwachstum und Wasserhaushalt abgeschätzt und bewertet werden. Vorausgesetzt wird dabei, dass sich die wasserhaushaltsrelevanten Bodeneigenschaften nicht ändern. Vorangegangene Studien haben jedoch gezeigt, dass sich die Bodenstruktur und damit die Wasserspeicherfähigkeit und das Wasserleitvermögen als Folge der Landnutzung signifikant ändern können. Bleiben diese Bodenveränderungen unberücksichtigt, erhöht sich die Unsicherheit der Modellergebnisse. Die Folge könnten Fehlplanungen und eine stärker ressourcenverbrauchende Landnutzung sein. Ziel dieses Projektes war daher a) die Messung der durch Landbewirtschaftung ausgelösten Änderungen in der Bodenstruktur und damit in den bodenhydraulischen Eigenschaften und b) die Implementierung dieser Ergebnisse in hydrologische Modelle, welche diese Änderungen mittels mathematischer Funktionen quantifizieren. Im Fokus des Projektes standen zeitliche Änderungen im Wasserspeicher- und Wasserleitvermögen hervorgerufen durch verschiedene Maßnahmen der Landnutzung (Bodenbearbeitung, Fruchtfolgen, Änderung der Landnutzung). Dazu wurden an verschiedenen Standorten in Sachsen und Niederösterreich Feldexperimente durchgeführt und Änderungen in der Porenstruktur der untersuchten Böden mathematisch modelliert. Die neuartige Kombination verschiedener Messmethoden ermöglichte dabei eine verbesserte Trennung zwischen Makroporen- und Matrixporenregion, was grundlegend für die Entwicklung von Funktionen zur Beschreibung nutzungsbedingter Änderungen des Porenraums ist. Die Untersuchungen haben bestätigt, dass sich die meisten Maßnahmen der Landnutzung eher auf die Makroporen auswirken. Basierend auf dem besseren Prozessverständnis konnte die Änderung der Bodenporen mit einem Modell beschrieben werden, mit dem Einflüsse einer adaptiven Landnutzung auf hydrologisch relevante Bodeneigenschaften und den Wasserhaushalt quantifizieren werden können. Die Nutzung solcher Modelle kann helfen, standortspezifisch Landnutzungssysteme zu identifizieren, die hydrologisch nachhaltig sind und damit eine höhere Resilienz gegenüber zunehmenden Trockenperioden aufweisen.