Effekte des Ringschneidereinsatzes zur pfluglosen Boden-bearbeitung auf physikalische Eigenschaften sandiger Böden

Organic farming on sandy soils in Brandenburg is especially vulnerable to climate change impacts like drought and heavy rainfall. Reduced tillage is considered as one possible adaptation measure. For technical implementation the ring cutter allowing shallow non-inversion tillage with overall root-cutting is under investigation. Its effects on soil bulk density, soil organic matter content, root mass and soil water retention as well as the yield of winter rye were quantified. Results from the spring showed a significant accumulation of organic matter in the tilled top layer and both a significant increase of bulk density and a significant decrease of root mass in the non-tilled lower topsoil. Water retention in the non-tilled layer was reduced. The yield of winter rye was 27 % lower. Due to a compaction the non-tilled layer of the soil was less penetrable by roots. The showed results of only one date do not allow reasoning to a whole tillage system. In the present case it is recommended to loosen the compacted non-tilled layer with additional non-inversion tillage

Neutronenradiographische Untersuchungen der kleinräumig heterogenen Wasserbewegung in kohlehaltigen Kippböden

Böden, die sich aus Abraum des Braunkohletagebaus entwickeln, weisen u.a. durch Sedimentmischungen eine starke Heterogenität auf. Die Wasserbewegung in diesen Kippböden ist komplex; sie scheint vornehmlich entlang von präferentiellen Fließbahnen statt zu finden. Um diese Fließbahnen experimentell zu erfassen und zu quantifizieren wurden Fließexperimente an ungestört entnommen Bodenproben durchgeführt, und mit Hilfe der Neutronen-radiographie (PSI Villingen) visualisiert. Exemplarisch werden Infiltrationsvorgänge an vier 2D-Radiographiesequenzen bei zwei verschiedenen Wasserspannungen gezeigt. Des Weiteren wurde ein Multistep-In-Outflow-Experiment durchgeführt um 3D-Wasserverteilungen während der stationären Phasen zu visualisieren, installierte Tensiometer zeichneten den Verlauf der Wasserspannungen während der instationären Phasen auf. Die Ergebnisse zeigen, dass unter den Versuchsbedingungen nahe Wassersätti-gung die Wasserbewegung vornehmlich in der Sand-Kohlestaub-Matrix stattfindet. Die porösen kohligen Fragmente werden dabei teilweise umflossen

3D-räumliche Beschreibung initialer Sedimentumverteilung in einem künstlichen Einzugsgebiet

Die räumliche Verteilung des Ausgangsmaterials stellt neben dessen Zusammensetzung eine zentrale Anfangsbedingung für die Entwicklung von Böden dar. In sich neu entwickelnden Systemen können allerdings Prozesse der Sedimentumlagerung innerhalb kurzer Zeiträume eine wesentliche Veränderung dieser Bedingungen bewirken. Erosion und Sedimentation führen so zur räumlichen Differenzierung einer (Boden-) Landschaft in Regionen verschiedener Ausgangsbedingungen und Entwicklungsalter. Grundlage für die Untersuchung von Boden-Landschaftsentwicklung ist es daher, die initiale Sedimentverteilung unter Beachtung erster Umverteilungsprozesse raumzeitlich zu quantifizieren. Ziel dieser Studie war es, in einem dreidimensionalen (3D) Modell den initialen Sedimentkörper eines künstlichen Wassereinzugsgebiets sowie seine ersten Entwicklungsphasen zu beschreiben und zu bilanzieren. Im Folgenden werden die dafür entwickelte Methodik sowie erste Ergebnisse vorgestellt

Ein 3D Modell zur Darstellung der Initialstruktur eines künstlichen Einzugsgebietes

Die Internstrukturen eines künstlich geschaffenen Einzugsgebiets werden in einem digitalen 3D Modell dargestellt mit dem Ziel der Analyse von Strukturen und Quantifizierung von Massen. Es werden weitere Ansätze vorgestellt, wie die wesentlichen internen Bauelemente des Einzugsgebiets digital rekonstruiert werden können

Analyse von Wechselwirkungen zwischen Infiltration und Abfluss in Abhängigkeit von Oberflächenstrukturen mit einem komplexen Beregnungsexperiment

Unser Forschungsprojekt zielt auf die Analyse der Wechselwirkungen zwischen Iniltration und Oberflächenabfluss vor allem unter dem Aspekt der Strukturdynamik während der initialen Boden- und Ökosystementwicklung. Es wurde ein komplexes Beregnungsexperiment realisiert, mit dem sich sowohl Infiltration als auch Flüusse im und auf dem Boden sowie die Entwicklung von Strukturen im Feldversuch gleichzeitig beobachten und quantifzieren lassen. Ein Regensimulator mit zentraler FullJet-Düse erzeugt eine Niederschlagsintensität von ca. 120mm/h. Die Tropfenspektren und Fallgeschwindigkeiten entsprechen denen natürlicher Starkregen. Ein Laser-Distrometer erfasst das Tropfenspektrum; eine Digitalkamera zeichnet das Regenereignis auf; Tensiometer registrieren den Potentialverlauf im Boden und die Abflussmengen und Sedimentfrachten werden im Zeitverlauf erfasst. Oberflächenstrukturen und Bodenproben werden vor und nach dem Ereignis vermessen bzw. entnommen. Im Feldexperiment mit sandigem quartärem geschüttetem Sediment konnten alle Komponenten im zeitlichen Ablauf erfasst werden. Die Änderung der Fließpfade an der Oberfläche korrespondierte direkt mit einer Änderung in der Abussrate

Modellierung der strukturellen Heterogenität in einem künstlichen Wassereinzugsgebiet und Ableitung von hydraulischen Eigenschaften mittels Pedotransferfunktionen.

Wir präsentieren ein prozessbasiertes Strukturgenerator-Modell mit dem Ziel, exemplarisch die Strukturen und heterogenen Sedimentverteilungen eines künstlichen Einzugsgebiets möglichst realistisch abzubilden. Dieses Strukturmodell dient als Basis für eine räumlich verteilte hydrologische Modellierung von Wassereinzugsgebieten

Simulated preferential water flow and solute transport in shrinking soils

We present follow-up work to previous work extending the classical rigid (RGD) approach formerly proposed by Gerke and van Genuchten, to account for shrinking effects (SHR) in modeling water flow and solute transport in dualpermeability porous media. In this study we considered three SHR scenarios, assuming that aggregate shrinkage may change either: (i) the hydraulic properties of the two pore domains, (ii) their relative fractions, or (iii) both hydraulic properties and fractions of the two domains. The objective was to compare simulation results obtained under the RGD and the SHR assumptions to illustrate the impact of matrix volume changes on water storage, water fluxes, and solute concentrations during an infiltration process bringing an initially dry soil to saturation and a drainage process starting from an initially saturated soil. For an infiltration process, the simulated wetting front and the solute concentration propagation velocity, as well as the water fluxes and water and solute exchange rates, for the three SHR scenarios significantly deviated from the RGD. By contrast, relatively similar water content profiles evolved under all scenarios during drying. Overall, compared to the RGD approach, the effect of changing the hydraulic properties and the weight of the two domains according to the shrinkage behavior of the soil aggregates induced a much more rapid response in terms of water fluxes and solute travel times, as well as a larger and deeper water and solute transfer from the fractures to the matrix during wetting processes

Water table effects on measured and simulated fluxes in weighing lysimeters for differently-textured soils

Weighing lysimeters can be used for studying the soil water balance and to analyse evapotranspiration (ET). However, not clear was the impact of the bottom boundary condition on lysimeter results and soil water movement. The objective was to analyse bottom boundary effects on the soil water balance. This analysis was carried out for lysimeters filled with fine- and coarse-textured soil monoliths by comparing simulated and measured data for lysimeters with a higher and a lower water table. The eight weighable lysimeters had a 1 m2 grass-covered surface and a depth of 1.5 m. The lysimeters contained four intact monoliths extracted from a sandy soil and four from a soil with a silty-clay texture. For two lysimeters of each soil, constant water tables were imposed at 135 cm and 210 cm depths. Evapotranspiration, change in soil water storage, and groundwater recharge were simulated for a 3-year period (1996 to 1998) using the Hydrus-1D software. Input data consisted of measured weather data and crop model-based simulated evaporation and transpiration. Snow cover and heat transport were simulated based on measured soil temperatures. Soil hydraulic parameter sets were estimated (i) from soil core data and (ii) based on texture data using ROSETTA pedotransfer approach. Simulated and measured outflow rates from the sandy soil matched for both parameter sets. For the sand lysimeters with the higher water table, only fast peak flow events observed on May 4, 1996 were not simulated adequately mainly because of differences between simulated and measured soil water storage caused by ET-induced soil water storage depletion. For the silty-clay soil, the simulations using the soil hydraulic parameters from retention data (i) were matching the lysimeter data except for the observed peak flows on May, 4, 1996, which here probably resulted from preferential flow. The higher water table at the lysimeter bottom resulted in higher drainage in comparison with the lysimeters with the lower water table. This increase was smaller for the finer-textured soil as compared to the coarser soil

Organic waste recycling in agriculture and related effects on soil water retention and plant available water: a review

The decrease of organic matter content in agricultural soils is a problem of great concern to farmers around the world. Indeed, it lowers soil fertility that directly impairs agricultural crop production and affects a number of other soil properties like water retention capacity, aggregation and structure formation, soil mechanical strength or compactibility. Scarcity in plant available water poses a risk to agriculture, especially in drought-prone areas. However, the increase of organic waste recycling in agriculture may also lead to an increase in soil organic matter contents and to changes in related soil properties. Here, we review 17 long-term field experiments (≥9 years) that investigated the effects of organic amendments on organic carbon and water availability in topsoils. We paid particular attention to the effects of added organic matter on soil bulk density or porosity and consequently on plant available water. Our main findings are that (1) plant available water generally improves after organic waste addition (relative changes from −10 to +30 vol%; p = 0.052), (2) organic matter quality affects changes in organic carbon (p < 0.05), (3) it is more suitable for plant available water quantification to use volumetric rather than gravimetric water contents, (4) the value of the matric potential defining field capacity is an issue, (5) pedotransfer functions developed for American soils adequately predicted most water contents at field capacity and wilting point, and (6) prevailing climate and initial organic carbon content may affect plant available water. This review confirms that organic amendments generally induce beneficial effects on plant available water and other soil properties. It also highlights the influence of organic matter quality on soil organic carbon. Compared with a previous review, this study reinforces reported trends of increasing plant available water with organic waste additions. This may be due to a more restrictive selection of recently published data and the use of volumetric water contents. Our findings are significant for sustainable agriculture regarding the sustainable use of organic wastes and water