Ausgangslage
Fruchtbare, nicht verdichtete Böden sind Voraussetzung für optimale landwirtschaftliche Erträge. Zudem weisen sie eine bedeutende Wasserspeicherfähigkeit bzw. Retentionskapazität bei Niederschlägen auf.
Aufgrund des zeitlichen Druckes bei der Bewirtschaftung der Böden sowohl in der Land- als auch in der Bauwirtschaft und der zunehmend schwereren Maschinen werden unsere Böden „schleichend“ verdichtet. Die Fruchtbarkeit wird eingeschränkt und die Erträge gehen zurück. Der Boden kann zudem seine Hochwasserschutzfunktion nicht mehr im gewünschten Masse erfüllen.
Das Ziel des Messnetzes ist, den betroffenen Bewirtschaftern ein einfach zu handhabendes Instrument zur Verfügung zu stellen, um die aktuelle Befahrbarkeit des Bodens schnell und kostengünstig einschätzen und entsprechend reagieren zu können. Dem Messparameter Saugspannung kommt bei der Beurteilung der Tragfähigkeit der Böden eine zentrale Bedeutung zu. Mit der Saugspannung kann die aktuelle Verdichtungsgefährdung des Bodens beurteilt werden. Die Grundlage zur Einschätzung der jeweils aktuellen Zustände der Böden bilden einige wenige, jedoch repräsentative Messstandorte (mit zugänglichen Daten) im Kanton Luzern, auf denen die Saugspannung laufend gemessen wird.
Das Messnetz
Seit Herbst 2010 hat der Fachbereich Boden damit begonnen, ein automatisches Bodenfeuchtemessnetz aufzubauen und zu betreiben. Die Bodenfeuchte oder Saugspannung wird mit Tensiometern gemessen. Zusätzlich zur Bodenfeuchte werden die Niederschläge und Bodentemperaturen erfasst. Neben den Bodenfeuchtemessstationen steht zudem das Niederschlagsmessnetz der Abteilung Gewässer des uwe zur Verfügung. Dieses umfasst insgesamt 10 Niederschlagsmessstationen innerhalb des Kantons Luzern.
Die Stationen repräsentieren in erster Linie die verschiedenen Klimazonen des Kantons Luzern auf den für die Region jeweils typischen Böden. Die meist normal durchlässigen und tiefgründigen Böden werden durchwegs als Dauerwiese genutzt (Zusätzliche Informationen zu den Standorten und den Böden können bei „Standortbeschreibung“ eingesehen werden).
Die Saugspannung wird mit je 3 Tensiometern im Oberboden (20 cm u.T.) und im Unterboden (35 cm u.T.) automatisch gemessen. Im Herbst 2010 wurde der „Doppelstandort“ mit den Stationen Urswil 1 und Urswil 2 realisiert, welche zusätzlich noch in 60 cm u.T. die Saugspannung automatisch aufzeichnen. Die Daten werden über ein Modem abgerufen und stündlich auf dieser Seite veröffentlicht.
Im Kantonsgebiet sind 3 weitere Stationen in Planung, die in den nächsten Jahren aufgebaut und ins Messnetz aufgenommen werden sollen.
Zweck der Messungen
Die Saugspannung ist ein indirektes Maß für die Bodenfeuchte und ermöglicht eine Bewertung der jeweiligen Tragfähigkeit des Bodens. Der Saugspannung kommt somit bei Erdarbeiten eine zentrale Bedeutung zu.
Zulässige Belastungsgrenzen bei der Bodenbearbeitung können je nach Bodenfeuchte-Situation direkt von der gemessenen Saugspannung abgeleitet werden. Somit dienen die Saugspannungsdaten (unter Einbezug der Kenndaten von Fahrzeugen und Maschinen) als Entscheidungsgrundlage für bodenverträgliche Maschineneinsätze sowohl in der Bau- als auch in der Landwirtschaft.
Die Fachstelle Bodenschutz des Kantons Luzern verfolgt mit der Betreibung des Messnetzes folgende Ziele:
- Förderung der schonenden Bearbeitung von Böden.
- Bereitstellen von Saugspannungsdaten als Dienstleistung für alle Interessierten.
- Bereitstellen eines Hilfsmittels zur realistischen Planung von Bodenrekultivierungen nach den kantonalen Richtlinien.
- Förderung des Verständnisses für das Abtrocknungsverhalten von Böden.
- Motivation aller Akteure (Bauleute, Kiesabbauer, Landwirte, Planer und Berater), die Saugspannung als handliches Kriterium in die tägliche Planung und Durchführung von Erdarbeiten einzubeziehen.
Weitere Informationen zur Ermittlung der zulässigen Maschineneinsatzgrenze (bzw. der minimalen erforderlichen Saugspannung) befinden sich unter der Rubrik „Maschineneinsatz“.
Aussagekraft der Messdaten
Die Saugspannung als indirektes Maß für die Bodenfeuchte wird nicht nur vom Niederschlag, sondern maßgeblich von den Bodeneigenschaften am Messort beeinflusst. Messungen an einem einzelnen Standort sind streng genommen nur für diesen Standort aussagekräftig. Bei der Übertragung der Resultate auf die Standort-Gemeinde oder eine ganze Region, ohne Kenntnis der jeweiligen Boden- und Niederschlagsverhältnisse, ist daher Vorsicht geboten. Unterschiedliche Boden- und Niederschlagsverhältnisse sind daher für einzelne Standorte unbedingt zu berücksichtigen. Für genaue Aussagen an einem bestimmten Standort oder Projekt müssen allenfalls zusätzliche Tensiometer und Niederschlagsmesser eingesetzt werden. Dank den Daten aus dem Messnetz lassen sich aber saisonal- oder witterungsbedingte Tendenzen ohne weiteres ableiten.
Was versteht man unter Saugspannung
Ein Boden besteht aus festen Bestandteilen (Matrix) und dazwischenliegenden Hohlräumen. Diese sind strukturiert und stellen ein zusammenhängendes Porensystem für den Gas- und Wasserhaushalt im Boden dar. Bei Wassersättigung (z.B. nach einem starken Niederschlag oder in der Vegetationsruhe) sind alle Poren mit Wasser gefüllt. Bedingt durch die Schwerkraft entleeren sich große Poren sehr schnell. In den mittleren und den feinen Poren dagegen wird das Bodenwasser aufgrund der hier wirkenden Kapillarkräfte zurückgehalten.
Die Kraft (physikalisch gesehen ein Unterdruck), mit der das Wasser in den Poren des Bodens zurückgehalten wird, nennt man Saugspannung („Sog“). Sie stabilisiert mit zunehmendem Unterdruck (Trockenheit) die festen Bodenteilchen immer besser und hat damit einen direkten Einfluss auf die mechanische Belastbarkeit des Bodens. Bei hoher Saugspannung ist daher auch die Tragfähigkeit des Bodens viel größer und die Gefahr von Bodenschäden durch Verdichtung ist klein. Hingegen ist bei feuchten oder gar nassem Boden und der damit verbundenen geringen Saugspannung die Verdichtungsgefährdung entsprechend größer.
Saugspannungsbereiche und zugehörige Bodenzustände
Die Saugspannung entspricht auch der Kraft, die Pflanzenwurzeln aufbringen müssen, um dem Boden Wasser zu entziehen.
Wie wird die Saugspannung gemessen?
Die Saugspannung wird mit sogenannten Tensiometern gemessen. Ein poröser Hohlkörper aus Keramik (Keramikkerze) am unteren Ende eines geschlossenen, wassergefüllten Rohrs wird in die gewünschte Bodentiefe eingebaut (Standardtiefe 35 cm). Wenn der Boden um die Keramikkerze herum austrocknet, wird Wasser vom Inneren dieser Kerze in den Boden geleitet. Es wird so viel Wasser „gezogen“, bis sich zwischen der Keramikkerze und dem umliegenden Bodenwasser ein Gleichgewicht eingestellt hat. Der entstehende Unterdruck wird mit einem Manometer gemessen. Bei den hier eingesetzten, elektronischen Tensiometern wird dieser Unterdruck mit einem nahe der Tensiometerkerze eingebauten Druckabnehmer bzw. Drucksensor gemessen (siehe Abb. 1).
Die gebräuchlichsten Maßeinheiten für die Saugspannung sind cmWS (cm Wassersäule), hPa (Hektopascal) und die am häufigsten verwendete Druckeinheit cbar (Centibar).