Relationship between surface roughness decay and surface seal development and its effects on interril erodibilty and pesticide transport

1. Zielsetzung Im Rahmen dieses Vorhabens wurden grundlegende Zusammenhänge zwischen dem Zerfall von Bodenaggregaten bzw. der Verminderung der Oberflächenrauhigkeit durch die Einwirkung der kinetischen Energie des Niederschlages und der Verschlämmung der Bodenoberfläche sowie deren Einfluss auf Wasser-, Sediment- und Pestizidtransport untersucht. 2. Material und Methoden Die Versuche wurden einerseits im Labor mit Hilfe eines Starkregensimulators und andererseits im Feld unter natürlichen Regenbedingungen durchgeführt. Der verwendete Boden wurde als Lehm klassifiziert. Drei unterschiedliche Ausgangsrauhigkeiten wurden im Feld mittels Bearbeitung mit Kreiselegge (Saatbettzustand), Grubber und Pflug, im Labor durch Verteilung entsprechender Aggregate auf der Oberfläche (Aggregate < 20 mm fein`, < 63 mm mittel`, < 200 mm rauh`) erzeugt. Im Labor wurde luftgetrockneter Boden in Erosionswannen eingebaut und mit unterschiedlichen Intensitätsabfolgen (konstant mit 40 und 60 mm h-1 , ansteigend mit 20-40-60 mm h-1 und abfallend mit 60-40-20 mm h-1 ) mit einem Starkregensimulator beregnet. Während der Simulation wurden Bodenabtrag, Splash-Erosion, Abfluss und Perkolation in 5 Minuten Intervallen gemessen. Zusätzlich wurden zu ausgewählten Zeitpunkten Bodenwassergehalt und Scherfestigkeit erfasst. Jeder Versuch wurde mindestens einmal wiederholt. Die Messungen im Feld wurden während der Vegetationsperioden 1998-2000 durchgeführt. Für jede Ausgangsrauhigkeit wurden 1m Flächen in mindestens einfacher Wiederholung angeordnet. Abfluss, Oberflächenrauhigkeit und Bodenabtrag wurden für jedes erosive Niederschlagsereignis gemessen. Der zeitliche Verlauf der Oberflächenrauhigkeit wurde 1998 mit einem Reliefmeter, 1999 und 2000 mit einem Laser-Scanner bestimmt. 3. Ergebnisse Im Labor wurden insgesamt 33 Regensimulationen durchgeführt. Verschiedenste Rauhigkeitsindizes wurden berechnet und miteinander verglichen. Alle untersuchten Indizes nahmen infolge Niederschlagseinwirkung zwischen 2 und 80 % ab. Die Beziehung zwischen Rauhigkeitsabnahme und akkumuliertem Niederschlag konnte mit quadratischen Polynomfunktionen gut angepasst werden. Beim Oberflächenabfluss zeigte sich eine signifikante Abhängigkeit sowohl von der Ausgangsrauhigkeit als auch von der Intensitätsabfolge. Geringere Ausgangsrauhigkeit und höhere Anfangsintensitäten führten zu früherem Abflussbeginn und zu einem rascheren Anstieg der Abflussraten. Der Bodenabtrag war signifikant von der Intensitätsabfolge, nicht jedoch von der Rauhigkeit abhängig. Die Werte für Splash-Erosion durch die Regentropfen waren etwa viermal höher als der gemessene Bodenabtrag. Die Sedimentverfügbarkeit war also nicht der limitierende Faktor beim Erosionsprozess. Die Splash-Erosion zeigte keine Abhängigkeit von der Ausgangsrauhigkeit, jedoch signifikante Abhängigkeit vom Intensitätsverlauf. Rasche Befeuchtung bzw. hohe Anfangsintensitäten forcierten den Aggregatzerfall durch Luftsprengung und führten zu signifikant höheren Splash-Raten. Die Feldmessungen ergaben analog zu den Laborversuchen die größten prozentuellen Rauhigkeitsabnahmen für die Saatbettvariante, die geringsten für die Pflugvariante. Für alle Varianten konnten exponentielle Regressionsgleichungen für die Rauhigkeitsabnahme in Abhängigkeit von der Niederschlagsenergie gefunden werden. Bei den Feldversuchen zeigten sich wie im Laborversuch im Dreijahresdurchschnitt signifikant höhere Abflusssummen für die mit der Kreiselegge (feine Ausgangsrauhigkeit) bearbeiteten Versuchsflächen als für die Pflug- und Grubbervariante. Der Abfluss in Prozent des Niederschlages war für die Variante Kreiselegge am höchsten (2,51 %), für die Pflug- (0,87 %) und Grubbervariante (0,82 %) etwa gleich hoch. Der durchschnittliche Bodenabtrag variierte nicht signifikant bezüglich der verschiedenen Rauhigkeiten, was auch den Laborergebnissen entspricht. Der mittlere Bodenabtrag während der Vegetationsperiode betrug 9,22 t ha -1 für Saatbett, 7,49 t ha -1 für Grubber und 6,37 t ha -1 für Pflug.