Institut für
AK Agrarklimaschutz
Labor für Bodenphysik und Torfe
Leitung: Dr.-Ing. Ullrich Dettmann
Im Labor für Bodenphysik und Torfe (kurz Moorlabor) des Thünen-Instituts für Agrarklimaschutz werden bodenphysikalische Parameter an volumengetreuen ungestörten Proben (Stechzylinder) und gestörten Mischproben bestimmt. Im Vordergrund stehen dabei die Bestimmung von Retentionsfunktion (Wasserretentionseigenschaft, pF-Kurve) und hydraulische Leitfähigkeitsfunktion. Zusätzlich wird durch genaue Volumenbestimmung mittels 3D-scanning die Schrumpfung und Quellung an Proben untersucht. Der Schwerpunkt des Labors liegt auf Torfen und anderen organischen Böden.
Bestimmung hydraulischer Eigenschaften
Im Moorlabor werden hydraulische Eigenschaften für den gesättigten, feuchten (Saugspannungen bis -800 hPa) und trockenen (Saugspannungen kleiner -10000 hPa) Bereich der Retentions- und Leitfähigkeitsfunktion bestimmt.
Unter gesättigten Bedingungen wird die hydraulische Leitfähigkeit bei konstantem Überstau (Reynolds et al., 2002) an ungestörten Stechzylindern gemessen. Im feuchten Bereich, werden die hydraulischen Eigenschaften mit Verdunstungsversuchen (Gardner and Miklich, 1962; Schindler, 1980; Dettmann et al., 2019) bestimmt. Dabei wird die Retentionsfunktion und ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit, simultan an einer ungestörten Stechzylinderprobe gemessen. Bodenphysikalische Basisparameter wie Lagerungsdichte und Porosität, ergeben sich zu Versuchsende durch Massenbilanzierung. Im trockenen Bereich wird der Wassergehalt am permanenten Welkepunkt (pF 4.2 = log10(15000) hPa) mit der „Überdruckmethode“ (Dane and Hopmans, 2002; Bechtold et al., 2018) an gestörten Mischproben bestimmt. Ergänzend kann das Wasserpotential im trockenen Bereich mit einem Taupunkt-Potentiameter gemessen werden.
Geräte
Haubenpermeameter nach Hartge
Mit dem „Haubenpermeameter nach Hartge“ (Umwelt-Geräte-Technik GmbH, Müncheberg, Deutschland) wird im Labor die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit an ungestörten Stechzylinderproben gemessen. Bei stationärer Strömung wird unter Einhaltung eines konstanten Druckgefälles, das innerhalb der Messzeit durch die Probe strömende Wasservolumen ermittelt (Reynolds et al., 2002). Im Anschluss erfolgt die Berechnung mit der Darcy-Gleichung (Darcy, 1856).
ku-pF-Apparatur
Mit der „ku-pF-Apparatur“ (Umwelt-Geräte-Technik GmbH, Müncheberg, Deutschland) werden hydraulische Eigenschaften für Saugspannungen > -800 hPa bestimmt. Mit dem Gerät können an 10 Proben parallel Verdunstungsversuche (Gardner und Miklich, 1962; Schindler, 1980; Dettmann et al., 2019) durchgeführt werden. Das Messprinzip beruht auf der Erfassung der Flussrate durch periodische Wägung, bei gleichzeitiger Bestimmung des hydraulischen Gradienten über zwei Tensiometer. Dabei werden die Retentions- und Leitfähigkeitsfunktion als kontinuierliche Datenreihe von 0 bis -800 hPa simultan an einer Probe gemessen.
Der Versuch startet mit gesättigten Proben aus denen im Verlauf des Versuches Wasser verdunstet. Dabei rotieren die 10 Messkörbe der „ku-pF-Apparatur“ und die abnehmenden Gewichte und Saugspannungen werden für jede Probe zu einem einstellbaren Intervall (z.B. 10 Minuten) erfasst. Der Verdunstungsversuch endet, wenn bei einer Saugspannung von etwa -800 hPa die untere Messgrenze der Tensiometer erreicht ist. Eine detaillierte Versuchsbeschreibung ist in Dettmann et al. (2019) zu finden.
Druckmembranpresse
Mit der „Druckmembranpresse“ (Membranpresse, Eijkelkamp, Giesbeek, Niederlande) können Wassergehalte durch einen angelegten Überdruck an der Gasphase bestimmt werden (Dane and Hopmans, 2002). Der Druckbereich kann je nach Anforderung zwischen 1000 hPa bis 16000 hPa individuell eingestellt werden. Von Besonderer Bedeutung ist die Messung des Wassergehaltes beim permanenten Welkepunkt (pF 4,2 = log10(15.848) hPa).
Für die Messung werden zwei poröse, gesättigte, Celluloseacetatmembranen in der Druckmembranzelle ausgelegt. Es wird sichergestellt, dass die Membranen faltenfrei und ohne Luftblasen darunter aufliegen. Im Anschluss werden die feldfrischen Proben in Plastikringe (Ø 3,50 cm, Höhe 1,00 cm) auf die Celluloseacetatmembranen gelegt, die Druckmembranzelle geschlossen und der gewünschte Druck (z.B. 15.848 hPa) angelegt. Während der Versuchsdurchführung wird die Menge des aus der Druckmembranzelle laufenden Wassers regelmäßig kontrolliert. Der Versuch ist beendet, wenn die Proben Gleichgewichtszustand erreicht haben, d.h. kein weiteres Wasser mehr aus der Membranpresse läuft. Im Anschluss wird der gravimetrische Wassergehalt der Proben bestimmt. Detaillierte Versuchsbeschreibungen sind in Bechtold et al. (2018), Dettmann et al. (2019) und der Anleitung zu finden (Eijkelkamp, 2022).
WP4C Taupunkt-Potentiameter
Mit dem „WP4C Taupunkt-Potentiameter“ (Decagon Devices, Inc., Pullman, WA) kann das Wasserpotential zwischen -1000 bis -3000000 hPa gemessen werden. Zwischen -1000 bis -5000 hPa muss mit größeren Messunsicherheiten gerechnet werden. In einer geschlossenen Messkammer wird die Taupunkt- und Probentemperatur gemessen und daraus die relative Luftfeuchte und das Gesamtpotential des Wassers bestimmt. Mehr Informationen sind in Schelle et al. (2013) und der Anleitung (Decagon Devices, 2014) zu finden.
pF-Druckstufenmodul
Mit dem „pF-Druckstufenmodul“ (ecoTech Umwelt-Meßsysteme GmbH, Bonn, Deutschland) können Stechzylinderproben zu einer eingestellten Saugspannung (ca. -3 bis -750 hPa) entwässert werden. Die Stechzylinderproben werden dabei auf eine Luftundurchlässige Membran gestellt, an der ein Unterdruck anliegt. Durch gravimetrische Feuchtebestimmung werden Wassergehalte einzelnen Saugspannungen zugeordnet, wodurch einzelne Punkte der Retentionsfunktion bestimmt werden können. Die genaue Einstellung von Saugspannungen ermöglich es außerdem, Proben mit einem definierten Saugspannungspotential für weiterfolgende Laborversuche vorzubereiten. Mögliche Anwendungen sind hierbei z.B. die Volumenbestimmung mittels 3D-Scanner oder Inkubationsversuche.
RangeVision Spectrum
Der „RangeVison Spectrum“ (RangeVision EU, Brno, Tschechische Republik) ist ein modularer hochauflösender 3D-Scanner der mit der „Structured-Light-Technologie“ arbeitet. Die gescannten Objekte können als 3D-Modell weiterverarbeitet werden. Im Bodenphysiklabor wird der 3D-Scanner zur genauen Volumenbestimmung von ungestörten Torfproben zu unterschiedlichen Saugspannungen bzw. Wassergehalten verwendet. Weitere mögliche Anwendungen sind z.B. das Scannen von Pflanzenwurzeln.
Kontakt
Ansprechperson
Literatur
Bechtold, M., Dettmann, U., Wöhl, L., Durner, W., Piayda, A. and Tiemeyer, B. 2018. Comparing Methods for Measuring Water Retention of Peat Near Permanent Wilting Point. Soil Sci. Soc. Am. J. 82 No. 3, 601-605. doi: https://doi.org/10.2136/sssaj2017.10.0372.
Dane, J. and Hopmans, J.W. 2002. Laboratory. In: Dane, J.H. and Topp, G.C. (eds): Methods of Soil Analysis: Part 4 - Physical Methods. 675-719, Soil Science Society of America, Madison. doi: https://doi.org/10.2136/sssabookser5.4.c25.
Darcy, H.P.G. (1856) Dètermination des lois d'ècoulement de l'eau à travers le sable.
Decagon Devices (2014) WP4C Dewpoint PotentiaMeter Operator's Manual, Decagon Devices, Inc., Pullmann, WA.
Dettmann, U., Bechtold, M., Viohl, T., Piayda, A., Sokolowsky, L. and Tiemeyer, B. 2019. Evaporation experiments for the determination of hydraulic properties of peat and other organic soils: An evaluation of methods based on a large dataset. J. Hydrol. 575, 933-944. doi: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.05.088.
Eijkelkamp (2022) Pressure membrane apapratus user manual, Royal Eijkelkamp, Giesbeek, the Netherlands.
Gardner, W.R. and Miklich, F.J. 1962. Unsaturated conductivity and diffusivity measurements by a constant flux method. Soil Sci. 93(4), 271-274. doi: https://doi.org/10.1097/00010694-196204000-00008.
Reynolds, W.D., Elrick, D.E., Youngs, E.G., Booltink, H.W.G. and Bouma, J. 2002. The Soil Solution Phase - Laboratory Methods. In: Dane, J.H. and Topp, G.C. (eds): Methods of Soil Analysis; Part 4 - Physical Methods. 802-816, Soil Science Society of America, Inc., Madison.
Schelle, H., Heise, L., Jänicke, K. and Durner, W. 2013. Water retention characteristics of soils over the whole moisture range: A comparison of laboratory methods. Eur. J. Soil Sci. 64(6), 814-821. doi: https://doi.org/10.1111/ejss.12108.
Schindler, U. 1980. Ein Schnellverfahren zur Messung der Wasserleitfähigkeit im teilgesättigten Boden an Stechzylinderproben. Archiv für Acker- und Pflanzenbau und Bodenkunde - Archives of Agronomy and Soil Science 24(1), 1-7.
