Untersuchung der physikochemischen und mechanischen Eigenschaften von vulkanischen Ascheböden in Südchile und der Konsequenzen für die daraus resultierende Erodibilität
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Intensivierung der landwirtschaftlichen Nutzung im südlichen Chile hat zu einer Veränderung der hydraulischen Eigenschaften und zur Verdichtung der dortigen Ascheböden geführt, was mit einer erhöhten Anfälligkeit gegenüber Wassererosion einhergeht und zur Degradation der Böden führen kann. Um dieser Entwicklung entgegenzuwirken, muss die Erosionsgefährdung der Böden bewertet werden. Leicht zugängliche Informationen hinsichtlich der Erodibilität sind daher wünschenswert. Wichtige Faktoren für die Erodibilität eines Bodens sind u.a. die hydraulische Leitfähigkeit und die Aggregatstabilität (AS). Diese Parameter wurden daher als Zielgrößen zur Einschätzung der Erodibilität definiert. Für die Untersuchungen wurden insgesamt vier Gebiete ausgewählt, die entlang eines etwa 150 km langen vom Westabhang der Zentralkordillere bis an den Ostrand der Küstenkordillere reichenden Transekts liegen. Um die lokalen, nutzungsbedingten Einflüsse und Veränderungen der Bodeneigenschaften zu analysieren, wurden innerhalb der Untersuchungsgebiete Flächen unterschiedlicher Nutzung ausgewählt. Eine Bodenkartierung (Catenenkartierung) einer von vulkanischer Asche überlagerten weichselzeitlichen Endmoränenlandschaft am Lago Ranco westlich der Zentralkordillere ergab, dass durch Erosion eine laterale Umverlagerung der Asche stattgefunden hat. Problematisch ist hierbei weniger die Kolluvierung in den Senken, als vielmehr der Abtrag der fruchtbaren Andosole an den Kuppen und Oberhängen, so dass bereits teilweise der pleistozäne Geschiebesand zu Tage tritt. Aufgrund der zunehmenden Bodenheterogenität sind Bewirtschaftungserschwernisse und deutliche Ertragsverluste zu erwarten. Die untersuchten Leitprofile zeigten bei dem Vergleich Regosol-Stadium (junge vulkanische Ascheböden, tonfrei, „tephric Eigenschaften“) und Andosol-Stadium (ältere vulkanische Ascheböden, tonhaltig) Gemeinsamkeiten, aber auch deutliche Unterschiede im Hinblick auf bodenphysikalische, -hydraulische und -mechanische Eigenschaften. Die Andosole zeigen entsprechend ihrer „andic Eigenschaften“ höhere Gesamtporenvolumina und aufgrund des größeren Feinporenanteils deutlich höhere Feldkapazitäten und ein hohes Schrumpfungspotential. Auch die Vorbelastung als Maß für die mechanische Stabilität ist bei den Andosolen trotz geringerer Lagerungsdichte höher als bei den Regosolen. Im trockenen Zustand (-300 und 500 hPa) ist die Eigenstabilität der Andosole sogar als hoch zu bewerten. Die Bedeutung der Aggregierung für die Andosole konnte über den Vergleich strukturiert zu homogenisiert abgeleitet werden, letzerer Zustand ist eindeutig instabiler. Das Überschreiten der Vorbelastung führt in Abhängigkeit von der Auflast zu einer Reduzierung der Wasserleitfähigkeit. Bei den Weidestandorten der Andosole zeigen sich beispielsweise kritische Grenzwerte der Pv bei ca 100 kPa. Im Hinblick auf Schutz vor Wassererosion sind die Andosole von größerer Bedeutung als die Regosole. Die durch Deformation und Scherung resultierende Zerstörung der Nadelstruktur der Aschen im Regosol-Stadium ist zwar irreversibel, bedingt aber weiterhin bei nun dichterer Kugelpackung hohe Wasserleitfähigkeiten. Eine Verdichtung bei Überschreiten der Vorbelastung der Andosole führt zu einer Verformung der krümeligen Aggregate und dadurch zum Plattengefüge mit veränderter Porengeometrie und geringeren Leitfähigkeiten. Die Ergebnisse zeigen auch deutliche Unterschiede zwischen Regosolen und Andosolen hinsichtlich der C-Gehalte sowie der Fe- und Al-(Hydr)Oxid-Gehalte, die damit den unterschiedlichen Entwicklungszustand der Böden charakterisieren. Ein großräumiger Trend konnte auch für die AS gefunden werden, die im Allgemeinen mit der Entfernung von der Zentralkordillere zunimmt und damit mit den oben genannten Parametern korreliert ist. Bemerkenswert dabei ist die vergleichsweise hohe Stabilität der Aggregate, deren Messung sich als schwierig darstellte und die Entwicklung eines speziellen Messverfahrens bedurfte. Es wurde ein exponentieller Zusammenhang zwischen Benetzbarkeit und AS gefunden: bei Kontaktwinkeln > 30° (Grenzwert) ist sie grundsätzlich sehr hoch. Dieser Grenzwert bleibt auch bestehen, wenn die Benetzbarkeit der Aggregate z.B. durch pH-Wert-Modifikation verändert wird. Dies deutet auf einen universellen Charakter dieses Grenzwertes hin. Darüber hinaus zeigt sich, dass eine pH-Wert-Veränderung nur einen geringen Einfluss auf die AS hat, was zum Teil auf einen gegenläufigen Stabilisierungseffekt durch die Benetzbarkeit und die Oberflächenladung zurückgeführt werden kann. Es zeigt sich darüber hinaus ein enger Zusammenhang zwischen der Frequenzabhängigkeit der magnetischen Suszeptibilität (MS) und der Menge an pedogen gebildeten (Hydr)Oxiden. Da die AS wiederum in einem großen Maße von diesen Parametern beeinflusst wird, erweist sich die Frequenzabhängigkeit als geeigneter Proxy für die Bewertung der AS. Abschließend lässt sich festhalten, dass Feldmessungen der MS dazu beitragen können, kostengünstig und mit relativ geringem Zeitaufwand Informationen bezüglich der AS zu ermitteln. Die Kombination mit Kontaktwinkel-Daten erlaubt darüber hinaus eine genauere Differenzierung der AS am jeweiligen Standort, wobei hier der gefundene KW-Grenzwert von ca. 30° bereits wichtige Anhaltspunkte liefern kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2013): Microstructural development in volcanic ash soils from South Chile. Soil. Till. Res., 129, 48-60
Baumgarten, W., Dörner, J., Horn, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.still.2013.01.007) - (2013): pH-Abhängigkeit von physikochemischen Oberflächeneigenschaften und deren Bedeutung für die Aggregatstabilität von vulkanischen Ascheböden. In: Jahrestagung der DBG - Böden - Lebensgrundlage und Verantwortung, 7.–13. September 2013, Rostock
Krüger, J., Bachmann, J., Brüggemeyer, H., Neumann, P., Fleige, H., Horn, R.
- (2013): Physikalische Eigenschaften von Vulkanascheböden in Südchile. In: Jahrestagung der DBG - Böden - Lebensgrundlage und Verantwortung, 7.–13. September 2013, Rostock
Neumann, P., Fleige, H., Krüger, J., Bachmann, J., Horn, R.
