Bodenphysikalische Untersuchungen zur Prozessanalyse der Wasserbewegung und des Stofftransportes in ungesättigten, strukturierten Böden unter besonderer Berücksichtigung der Mechanismen der präferentiellen Wirkstoff-Verlagerung

Abstract

In einer Freilandlysimeterstudie (ungestörte Bodenkerne landwirtschaftlich relevanter Böden von 1,14 m Durchmesser und 1,10 m Profiltiefe) wurde als reaktive Testsubstanz der 14C-markierte Herbizidwirkstoff Benazolin-Ethyl zeitgleich mit den Wassertracern Bromid und Deuteriumoxid auf zwei verschiedene Böden (Parabraunerde und Gley-Pseudogley) appliziert und über einen Zeitraum von 3 Jahren der Verbleib der Chemikalien in den relevanten Kompartimenten mit hoher Auflösung erfaßt. Die unter den Freilandbedingungen ermittelte Halbwertzeit der Benazolin-Säure betrug im Mittel 76 Tage. Die Massen-verlagerung der Benazolin-Säure erreichte im Studienverlauf, bedingt durch einen zweiphasigen Adsorptionsprozeß unter Bildung gebundener Rückstände, nur eine Verlagerungstiefe von etwa 12 cm. Dies ist in Übereistimmung mit der Vorhersage klassischer chromatographischer Transportmodelle. Bei der Bestimmung der Wirkstoffgehalte im Boden war für beide Böden eine starke Schwankung der Konzentrationen einer Tiefe feststellbar, weches charakteristisch ist für das Vorliegen präferentieller Transport-prozesse. Ebenso zeigten die Versickerungskurven im Perkolat aller untersuchten Boden-monolithe für alle eingesetzten Testsubstanzen (Wirkstoff und Tracer) einen zeitlich zweigipfeligen Konzentrationsverlauf. Neben dem durch die Matrixverlagerung hervorgerufenen Hauptpeak war zusätzlich ein präferentieller Versickerungspeak bereits kurze Zeit nach der Applikation beobachtbar. Die generelle Ursache hierfür ist eine spezifische bodenimmanente Transportcharakteristik in der Art eines schnellen Massenflusses, der sich insbesondere in strukturierten Böden findet und durch Modell-rechnungen nur qualitativ beschrieben aber nicht quantitativ vorgesagt werden kann. Die Langzeitversuche unter transienten Bedingungen wurden ergänzt durch Detailversuche in Lysimetern und Bodensäulen unter quasi-stationären Flußbedingungen. Hierzu wurde zusätzlich der stärker sorbierende Herbizidwirkstoff Methabenzthiazuron sowie der Farbstofftracer Brilliant Blau eingesetzt. Es zeigte sich, daß, bezogen auf den gesamten Stoffaustrag, das Auftreten der präferentiellen Versickerung stark von den experimentellen Bedingungen und weniger von der relativen Sorptionsstärke der verlagerten Substanz abhängt. Hohe Flußraten, die in den Versuchen mit höheren Bodenfeuchten einhergingen, verstärkten sowohl den relativen als auch den absoluten präferentiellen Stoffaustrag. Bei höherer Bodenfeuchte gewinnt der Bereich der Grobporen, bei dem insbesondere für die Parabraunerde ein zweites Maximum in der Porengrößenverteilung angenommen werden kann, für den Transport an Bedeutung. Die Grobporen zeigen ein quantitativ besseres Wasserleit-vermögen als die Bodenmatrix und im Bodenwasser gelöste Umweltchemikalien werden schneller in tiefere Schichten verlagert sofern die Grobporen durch eine hinreichend hoher Feuchte aktiv sind. Infiltrationsversuche mit den Farbstoff Brilliant Blau verdeutlichten zusätzlich, daß die präferentielle Versickerung mit einer räumlich Heterogenität des Stofftransportes im Boden einhergeht. Die Farbstoffinfiltrationsversuche ermöglichten ein direkte Visualisierung präferentieller Fließwege. Es konnte eine Korrelation zwischen den beobachteten Infiltrationsmustern und der Verteilung der organischen Bodensubstanz aufgezeigt werden. Multistep-Ausfußmessungen ermöglichten durch inverse Modellierung die Bestimmung hydraulischer Materialfunktionen und mikroskaliger Transportparameter, wobei die Messungen für unterschiedliche Bodentiefen der Parabraun-erde durchgeführt wurden. Die ungesättigte Leitfähigkeit der Parabraunerde konnte für alle vermessenen Tiefen nur unter Annahme einer bimodalen Porengrößen-verteilung aus den Messungen abgeleitet werden. Die auf der Lysimeterskala auffällige räumliche Variabilität der pF-WG-Charakteristik konnte mit dem Ansatz eines Scaling-Parameters auf effektive Mittelwerte zurückgeführt werden, die als Modellparameter geeignet sind. Zur zerstörungsfreien Abbildung der Makroporen und der drei-dimensionalen Feinporenstruktur des Bodens wurde ein besonderes kernphysikalisches Meßverfahren angepaßt. Es handelt sich bei der �X-ray Mikrotomographie� um eine spezielle, hochauflösende Tomographie, die für die bodenphysikalischen Fragestellungen optimiert wurde. Das Verfahren eignet sich insbesondere für eine mikroskalige Analyse der Bodenkerne, die in die hydraulischen Multistep-Messungen verwendet wurden. Die Verteilung und Kontinuität der Bodenporen kann mit diesem Verfahren zerstörungsfrei abgebildet werden. Die Ergebnisse zeigen, daß die verwendeten großvolumigen Lysimeter ein ideales Bindeglied zwischen unterschiedlichen Prozeßskalen und Versuchen in Labor und Feld darstellen und eine detailierte Untersuchung präferentielle Verlagerungs-prozesse erlauben