Nicht-invasive Detektion von Neutronen an der Landoberfläche (CRNS) zur Messung der Bodenfeuchtedynamik in der Wurzelzone auf landwirtschaftlich genutzten Flächen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Sabine Attinger; Professor Dr. Sascha E. Oswald
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 357874777

Der Schwerpunkt dieses Forschungsmoduls baut auf den Arbeiten auf, die im Teilprojekt GW in der ersten Phase von Cosmic Sense durchgeführt wurden. Hier wurde vor allem der Einsatz von CRNS zur Abschätzung der nur schwer erfassbaren Grundwasserneubildung und der Einfluss vertikaler Bodenfeuchteverteilung auf die Interpretation von CRNS-Bodenfeuchte untersucht. Tägliche Neubildungsraten auf Feldskala konnten mit Hilfe von 1D-Bodenfeuchte-Modellen abgeschätzt und verschiedene Möglichkeiten zur Integration von CRNS in solche Modelle getestet werden. Das Konzept involviert begleitende Messungen von Bodenfeuchteprofilen, und ein einfacher und robuster Ansatz wurde entwickelt, um die vertikal abnehmende Sensitivität des CRNS Sensors auszugleichen. In der zweiten Phase wird die Forschungsaktivität zum Einfluss vertikaler Bodenfeuchteverteilungen auf CRNS für verschiedene landwirtschaftliche Standorte ausgeweitet, von nahezu natürlichen Bedingungen bis zu stark gemanagten Systemen. Zunächst werden dazu experimentell vertikale Bodenfeuchteverteilungen unter Einfluss von flachem Grundwasser und Entwässerungsmaßnahmen erhoben bzw. existiernde Datensätze ausgewertet. Die große Bandbreite an Profilen ermöglicht dann eine systematische Bewertung der CRNS-Eindringtiefe, speziell mit dem Fokus auf landwirtschaftliche Nutzflächen.Basierend auf der Untersuchung dieses fundamentalen Zusammenhangs können nun erstmalig Wasserspeicherung und -flüsse in der Wurzelzone umfassend mithilfe von CRNS-Messungen untersuchen werden. Die explizite Berücksichtigung von Pflanzen-Boden-Wechselwirkung bei der Berechnung der Wasserflüsse ermöglicht eine genauere Abschätzung der Wiederauffüllung der tieferen Bodenschichten nach Trockenheit und der Grundwasserneubildung. Gleichzeitig ist der landwirtschaftliche Bestand aber auch potenziell von Wasserstress betroffen und kann von CRNS-basierten Bodenwasserspeicherbeobachtungen profitieren, z.B. hinsichtlich einer Bewässerungssteuerung. Das verbesserte Verständnis der vertikalen Heterogenität der Bodenfeuchteprofile im Einfluss auf CRNS-Messungen ist auch zentral für die Abschätzung vertikaler Wasserflüsse und Wasserhaushaltsberechnungen, auch in anderen Teilprojekten. So werden vertikale Bodenfeuchteinformationen auch in die Tiefenskalierungsansätzen der Hydrogeodäsie integriert, sie unterstützen die Ansätze zur Regionalisierung und sollen zu genaueren Abschätzungen des Schneewasseräquivalents aus CRNS-Daten beitragen. Zusätzlich werden synthetische Bodenfeuchte-Datensätze bis zum Grundwasserspiegel definiert, bis maximal zur Skala eines Kleineinzugsgebiet, um CRNS-Interpretation, Strahlungs-Transfer-Modelle und Hydrogravimetrie-Ansätze gemeinsam zu testen.Insgesamt ist die Verwendung von CRNS im landwirtschaftlichen Kontext, die methodischen Verbesserungen und die Integration von CRNS-Bodenfeuchte in landwirtschaftlich angewandten Modellen auch ein wichtiger Schritt hin zur Anwendung für agrarische Fragestellungen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2694: Large-Scale and High-Resolution Mapping of Soil Moisture on Field and Catchment Scales - Boosted by Cosmic-Ray Neutrons
• Internationaler Bezug: Italien, Niederlande
• Kooperationspartner: Professor Dr. Gabriele Baroni; Professor Dr. Jos C. van Dam; Dr. Joost Iwema