Die Wald-Kiefer (Pinus sylvestris L.) ist in den Wäldern des südlichen Brandenburgs die dominierende Baumart und besiedelt als Pionierbaumart die nährstoffarmen Sandböden der Offenlandschaften. Unter und neben den Kiefern wird aufgrund der Akkumulation hydrophob wirkender organischer Substanzen oft verstärkte Benetzungshemmung beobachtet. Wir untersuchten die Entwicklung von Benetzungshemmung ca. 20 km südlich von Cottbus in situ und im Labor anhand von Water Drop Penetration Time (WDPT)-Tests und Kontaktwinkelmessungen in verschieden alten Kiefernbeständen

Bens, Oliver

Fischer, Thomas

Hüttl, Reinhard F.

Lange, Philipp

Raab, Thomas

Spröte, Roland

Veste, Maik

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                                                   Tagungsbeitrag zu: Jahrestagung der DBG Kommission II  Titel der Tagung: Böden verstehen – Böden nutzen – Böden fit machen Veranstalter: DBG, September 2011, Berlin Berichte der DBG  (nicht begutachtete online Publikation), http://www.dbges.de die Infiltration in den Boden zu vermindern, ist schon lange bekannt (DEBANO, 1981, DOERR et al., 2000). Benetzungshemmung tritt auf, wenn die kohäsiven Kräfte der Wassermoleküle zwischen den Wasser-molekülen und dem Substrat bzw. dem Boden stärker sind als die adhäsiven Kräfte (WESSEL 1988). Dadurch infiltriert das Niederschlagswasser nur langsam oder gar nicht. Verantwortlich dafür sind organische Substanzen wie Wachse (NEINHUIS u. BARTHLOTT 1997), Lipide und Lignine (GERKE et al. 2001) sowie Exsudate von Pilzhyphen und Algen (BOND u. HARRIS 1964). Diese verminderte Infiltration der Niederschläge hat gerade in den Gebieten Brandenburgs mit relativ großer Sommertrockenheit negative Aus-wirkungen auf den Bodenwasserhaushalt. Wir untersuchten deshalb die Entwicklung von Benetzungshemmung in verschieden alten Kiefernbeständen bei Groß Oßnig, ca. 20 km südlich von Cottbus.  Schlüsselwörter: Pinus sylvestris L., Wald-Kiefer, Benetzungshemmung, Hy-drophobizität, Sandboden, Bodenhydrolo-gie, Water Drop Penetration Time (WDPT)-Test, Kontaktwinkelmessung, Ökosystementwicklung    Abb. 1: Untersuchungsstandort bei Groß Oßnig mit vier Altersklassen des Kiefernwachstums (siehe Tab. 1)  Material und Methoden  Die Untersuchungen wurden in Kiefern-beständen bei Groß Oßnig durchgeführt. In Folge der ehemaligen militärischen Nutzung des Gebiets findet hier eine na-türliche Wiederbesiedlung der offenen Sandflächen durch  1) Brandenburgische Technische Univer-   sität (BTU) Cottbus, Lehrstuhl für Boden-   schutz und Rekultivierung,    Postbox 101344, 03013 Cottbus            2)CEBra – Centrum für Energietechologie   Brandenburg e. V., Friedlieb-Runge-Str.   3, 03046 Cottbus        3) BTU Cottbus, Zentrales Analytisches   Labor, Postbox 101344, 03013 Cottbus       4)BTU Cottbus, Forschungszentrum Land-   schaftsentwicklung und Bergbaufolge-   landschaften (FZLB), Postbox 101344,   03013 Cottbus 5)Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches    GeoForschungsZentrum - GFZ, Telegra-   fenberg, 14473 Potsdam  6)BTU Cottbus, Lehrstuhl für Geopedologie   und Landschaftsentwicklung, Postbox   101344, 03013 Cottbus Wie beeinflussen Kiefern (Pinus sylvestris L.) die Entwicklung der Benetzungshemmung auf Sandböden?  Roland Spröte1, Maik Veste2, Thomas Fischer3, Philipp Lange4, Oliver Bens5, Thomas Raab6, Reinhard F. Hüttl1,5  Einleitung  Die Wald-Kiefer (Pinus sylvestris L.) ist in den Wäldern des südlichen Brandenburgs die dominierende Baumart. Als Pionier-baumart besiedelt sie die nährstoffarmen Sandböden der Offenlandschaften und wurde in den vergangenen Jahrzehnten großflächig in Reinbeständen angebaut. Negative Auswirkungen der Kiefer auf die Infiltration wurden von BUZCKO et al. (2005) beschrieben. In Kiefernbeständen wurde eine verstärkte Benetzungshem-mung beobachtet. Diese Eigenschaft eines Bodens, hydrophobe Stoffe aus organi-schen Substanzen anzulagern und damit                                                     Sandflächen durch die Wald-Kiefer statt. Die Bestände wurden in vier Altersklassen beprobt (Abb. 1, Tab. 1). Zwischen und unter Kiefern wurden in situ WDPT-Tests in verschiedenen Tiefenstufen durchge-führt (Abb. 2a). Dazu wurden 6 Tropfen auf die Substrat- bzw. Bodenoberfläche pipettiert und die Zeit bis zum vollstän-digen Infiltrieren des Tropfens gemessen (Abb. 2b-d). Dauerte die vollständige Infil-tration länger als 300 Sekunden wurde die Messung abgebrochen. Der Test erfolgte auf der Oberfläche und horizontbezogen. In den Altersklassen I – III war dies in Tiefenstufen von 1 cm möglich. Die Mess-ungen wurden in die Tiefe fortgesetzt, bis keine Benetzungshemmung mehr auftrat. In Altersklasse IV wurde der Test nur horizontbezogen angewendet (Abb. 2e). Die getesteten Flächen bzw. Horizonte wurden beprobt, luftgetrocknet und auf     < 2mm gesiebt. Dann wurde der WDPT-Test im Labor unter einem Goniometer sechsfach wiederholt, zeitgleich wurden Kontaktwinkel gemessen. Weiterhin erfolg-ten Korngrößenanalysen (DIN ISO 11277), pH-Wert-Messungen (Boden:H2O = 1:2,5) und Corg-Analysen per trockener Ver-aschung (Elemental Analyser).  Tab. 1 Bestandsklassifizierung der Kiefern bei Groß Oßnig   Ergebnisse und Diskussion  Während in Altersklasse I in situ keine Benetzungshemmung festgestellt wurde, konnte bereits in Altersklasse II auf der Substratoberfläche Benetzungshemmung gemessen werden (Ø 27 sec. (n=6)). Bei Altersklasse III trat schon sehr starke Benetzungshemmung bis in 2 cm Tiefe auf (über 300 sec., n=6), jedoch ab 3 cm Tiefe war das Substrat feucht und deshalb keine Benetzungshemmung mehr messbar. In Altersklasse IV nahm die Benetzungs-hemmung                     Abb. 2: a – Bezeichnung der Horizonte in Al-          tersklassen I-III, b – Infiltration der Tropfen in          Altersklasse I, c – WDPT-Test in Altersklasse         II, d – WDPT-Test in Altersklasse III,  e – Hori-         zontierungen in der Altersklasse IV a b c d e he                       hemmung dann kontinuierlich zu und erreichte in 2 cm Tiefe auch Werte über 300 sec. Die Zunahme der Benetzungs-hemmung über die Bestände spiegelt sich auch in den im Labor durchgeführten WDPT-Tests und Kontaktwinkelmessun-gen wider. Im Gegensatz zu den WDPT-Tests in situ war allerdings unter Labor-bedingungen Benetzungshemmung be-reits ab Altersklasse I messbar. Während die Benetzungshemmung bei den in situ-Messungen in die Tiefe zunimmt (Alters-klassen III und IV), nimmt sie bei den Labormessungen in die Tiefe ab. In Klasse I waren Kontaktwinkel mit Ø 71° bzw. 72° (n=6) in den oberen beprobten Bereichen (Ai, AiC) messbar, der C-Horizont war benetzbar. Mit Ø 102° (n=6) an der Oberfläche (Ai) ist die Oberfläche in Altersklasse II hydrophob, jedoch bereits im AiC-Horizont war kein Kontaktwinkel mehr messbar. Auch in Altersklasse III war die Substratoberfläche mit Ø 103° (n=6) hydrophob. In 1 cm Tiefe (AiC) war immer noch ein Kontaktwinkel von 51° messbar. In Altersklasse IV nimmt die Hydrophobizi-tät von Ø 111° (n=6) an der Oberfläche (Ahe) kontinuierlich ab und steigt nur im IIIC-Horizont noch einmal geringfügig (Abb. 3). Die Korngrößenzusammensetzung (Abb. 3) zeigt, dass der Sandgehalt im Unter-suchungsgebiet am höchsten ist. Auffällig ist der hohe Gehalt an Feinmaterial (Schluff und Ton) in Altersklasse IV gerade im Oberboden (Ahe), jedoch auch im IIIfAe-Horizont. Die je Profil zusammengefassten pH-Wer-te sind durchgehend mäßig sauer und Abb. 3 WDPT-Tests in situ (WDPTin situ) und im Labor (WDPTlab) sowie Kontaktwinkelmessungen im  Labor (CAlab) und Textur in den vier Altersklassen des Kiefernwachstums (Tab. 1)  AheAheAhe                                                   te sind durchgehend mäßig sauer und durch eine Abnahme von 5,2 (Klasse I) bis 4,3 (Klasse IV) gekennzeichnet (Tab. 2). Die über das jeweilige Profil zusammen-gefassten Corg-Gehalte (Tab. 2) nehmen von 0,5 (Klasse I) über 0,7 (Klasse II), 0,9 (Klasse III) zu 10,6 (Klasse IV) zu.  Tab. 2 zusammengefasste pH-Werte und Corg-Ge- halte der vier Bestandsklassen    Die verkrustete Substratoberfläche sowie das Substrat unmittelbar unter der Oberflä-che waren trocken. In diesem Bereich war die Intensität und Persistenz der Hy-drophobizität deutlich erkennbar. Erst das feuchte Substrat darunter mit fehlendem Eintrag neuer bzw. zusätzlicher hydropho-ber organischer Substanz war nicht mehr benetzungshemmend. Wo das Substrat trocken war, stieg wie erwartet die Benet-zungshemmung mit fortschreitendem Be-standsalter und steigender Menge organi-scher Substanz auch in der Tiefe. Dennoch zeigen die relativ niedrigen Werte unseres Initialstandortes und der relativ jungen Kiefern im Vergleich mit wesentlich höheren Werten bei älteren Populationen im nördlichen Brandenburg und in der Slowakei (BUZCKO et al. 2005, LICHNER et al. 2010), wie sich die Benet-zungshemmung eventuell weiter entwi-ckeln kann. Auch die Abnahme der pH-Werte und die Zunahme des Corg-Gehalts entsprachen den Erwartungen. Bemerkenswert sind die unterschiedlichen Werte zwischen den in situ und den im Labor gemessenen WDPT-Werten, was die verschiedenen Verhältnisse zwischen Freiland und Labor dokumentiert. Der höhere Gehalt an Feinmaterial an der Oberfläche in Altersklasse IV kann durch den äolischen Eintrag von den spärlich bewachsenen Flächen des Offenlandes hin zu den dichter bewachsenen Flächen mit älteren Kiefern erklärt werden. Insge- samt zeigt sich der Einfluss der benet-zungshemmenden Eigenschaften der Kie- zungshemmenden Eigenschaften der Kie- fernnadelstreu bereits in jungen Kiefern-beständen. Somit kann Benetzungshem-mung ein wichtiger Faktor für hydrolo-gische Prozesse schon im Initialstadium sein und bedeutsame Folgen für das Funktionieren eines Gesamtökosystems haben.  Literatur  BOND, R.D., HARRIS, J.R. (1964): The influ-ence of the microflora on physical properties of soils. – I. Effects associated with filamentous algae and fungi. Australian Journal of Soil Re-search 2 (1), 111-122 BUZCKO, U., BENS, O., HÜTTL, R.F. (2005): Variability of soil water repellency in sandy forest soils with different stand structure under Scots pine (Pinus sylvestris) and beech (Fagus sylvatica). – Geoderma 126, 317-336 DEBANO, L.F. (1981): Water repellent soils: a state-of-the-art. – USDA Forest Service Gene-ral Technical Report PS W-46. Berkeley, CA, 21 pp. DOERR, S.H., SHAKESBY, R.A., WALSH, R.P.D. (2000): Soil water repellency: its causes, cha-racteristics and hydro-geomorphological signi-ficance. – Earth-Science Reviews 51, 33-65 GERKE H.H., HANGEN, E., SCHAAF, W., HÜTTL, R.F. 2001. Spatial variability of potential water repellency in a lignitic mine soil afforested with Pinus nigra. – Geoderma 102, 255-274 LICHNER, L., HALLETT, P.D., ORFÁNUS, T., CZACHOR, H., RAJKAI, K., ŠÍR, M., TESAŘ, M. (2010): Vegetation impact on the hydrology of an aeolian sandy soil in a continental climate. – Ecohydrology 3, 413-420 NEINHUIS, C., BARTHLOTT, W. (1997): Charac-terization and distribution of water repellent, self-cleaning plant surfaces. – Annals of Bota-ny 79, 667-677 WESSEL, A.T. (1988): On using the effective contact angle and the water drop penetration time for classification of water repellency in dunesoils. – Earth Surface Processes and Landforms 13, 555-561.  Danksagung  Wir danken Herrn Oberförster Thomas Conrad, Landesbetrieb Forst Brandenburg, für die umfangreichen Informationen und die Unterstützung des Projektes. 

Wie beeinflussen Kiefern (Pinus sylvestris L.) die Entwicklung der Benetzungshemmung auf Sandböden?

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Wie beeinflussen Kiefern (Pinus sylvestris L.) die Entwicklung der Benetzungshemmung auf Sandböden?

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