Bodenwasser

Abb. 1: Sammlung von Bodenwasser im Wald. Photo: Elisabeth Graf Pannatier

Abb. 2: Gelöster organischer Kohlenstoff im Bodenwasser. Photo: Frank Hagedorn

Abb. 3: Tensiometer für die Messung der Wasserspannung im Boden. Photo: Oliver Schramm

Abb. 4: Bodenverdichtung nach Befahren mit schweren Holzernte-Maschinen Photo: Beat Frey

In diesem Forschungsthema untersuchen wir die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Wassers in Böden von naturnahen Ökosystemen wie Wäldern. Bodenwasser ist essentiell für Pflanzen und Bodenorganismen. Es ist aber auch wichtig für uns Menschen, da Grundwasser aus bewaldeten Einzugsebieten oft als Trinkwasserquelle dient. Wir interessieren uns für die Reaktion des Bodenwassers auf Luftverschmutzung, Klimaveränderungen und forstliche Eingriffe. Die Resultate dienen als wichtige Grundlagen für Umweltpolitiker und Förster.

Die Bedeutung des Bodenwassers

Das Wasser im Porenraum von Böden, oft auch Bodenlösung genannt, ist essentiell für das Wachstum und die Vitalität von Pflanzen und Bodenorganismen. Dies liegt daran, dass diesen Organismen mit dem Wasser gelöste mineralische Nährstoffe in gut verfügbarer Form zugeführt werden. Wasser in Waldböden ist aber auch von grosser Bedeutung für uns Menschen, da Grundwasser aus bewaldeten Einzugsgebieten meist von guter Qualität ist und deshalb oft als Trinkwasser Verwendung findet.

Luftverschmutzung, die zu saurer atmosphärischer Deposition, erhöhtem atmosphärischem Stickstoff-Eintrag oder erhöhten Kohlendioxid-Konzentrationen führt, kann die Nährstoffkreisläufe und die Funktionen von naturnahen Ökosystemen derart beeinflussen, dass die Menge und die stoffliche Zusammensetzung des Bodenwassers verändert werden. Klimaveränderungen wie eine Erwärmung oder eine erhöhte Häufigkeit extremer meteorologischer Ereignisse können die Wasserqualität und die Menge an pflanzenverfügbarem Wasser ebenfalls stark beeinflussen.

Menschliche Aktivitäten wie forstliche Eingriffe können die Bodenwasser-Qualität und den Wasserhaushalt der Böden direkt beeinflussen. Dieser Einfluss kann positiv sein, wenn z.B. bei der Baumartenwahl die Verbesserung der Bodenqualität berücksichtigt wird, aber auch negativ, wenn z.B. Bodenverdichtung infolge der Verwendung schwerer Forstmaschinen zu Verjüngungsproblemen führt.
Alle direkten oder indirekten menschlichen Einflüsse, welche die Nährstoff- und Wasser-Kreisläufe in naturnahen Ökosystemen verändern, können wichtige Bodenfunktionen wie die Speicherung von Wasser und Nährstoffen oder die Pufferung und Filterung von atmosphärischen Einträgen gefährden.

Forschungsziele

Mit einer Kombination von langfristigen Beobachtungen, Feld- und Labor-Experimenten und Modellrechnungen wollen wir

• die Dynamik von Kohlenstoff und Hauptnährstoffen (N, P, Mg, K, Ca) in Böden besser verstehen. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Wurzelzone in naturnahen Ökosystemen.
• die Reaktionen des Bodenwassers (qualitativ und quantitativ) in naturnahen Ökosystemen auf Klimaveränderungen und Luftverschmutzung erfassen.
• den Einfluss von schweren Forstmaschinen auf den Bodenwasser-Haushalt erfassen und die entsprechende Verdichtungsempfindlichkeit verschiedener Waldböden bestimmen.
• den Einfluss von Baumwurzeln auf den Bodenwasserhaushalt bestimmen. Insbesondere interessiert uns wie dominante einheimische Baumarten wie Fichte, Tanne oder Buche die Wasserdurchlässigkeit und Wasserspeicherkapazität von Böden mit ihren charakteristischen Wurzelsystemen beeinflussen.

Die Resultate dieser Untersuchungen liefern wichtige Datengrundlagen für Umweltpolitiker für die Aufsetzung internationaler Vereinbarungen (z.B. “Convention on Long-range Transboundary Air Pollution”, Kyoto Protokoll) oder für die Überprüfung von umweltpolitischen Massnahmen. Im weiteren helfen sie Forstfachleuten dabei, bewaldete Einzugsgebiete so zu bewirtschaften, dass sie weiterhin sauberes Trinkwasser liefern und gegen Fluten schützen.

Projekte

Langfristige Umweltbeobachtung:

• Soil solution chemistry and soil water availability in long-term monitoring forest plots
  
• Kartierung, Erhebung und Analyse der Böden auf LWF-Flächen
  

Stickstoff- und Kohlenstoffkreisläufe in Waldökosystemen:

• Swiss Canopy Project: Dissolved organic matter dynamics in a mature deciduous forest under elevated CO2
• Alpine treelines in a CO2-rich and warm world
  
• Nitrogen deposition effects on soil organic matter

Standortskunde und Bodenwasserhaushalt:

• Der Boden als Standortsfaktor im Schweizer Wald

Bodenwasser in der Rhizosphäre:

• Plant-soil-microbe interactions at different succession stages as key for understanding and process-based modeling of C and N transformations in floodplains
  
• Ecological interactions between higher plants and microorganisms in the acquisition of biolimiting nutrients N, P and K - Soil Solution Part
  

Bodenwasser in schwermetallbelasteten Böden:

• From Cell to Tree: the soil

Wurzelentwicklung und Bodenwasserhaushalt:

• Wurzelverteilung und Wasserhaushaltseigenschaften im Boden
  

Bodenverdichtung und Bodenwasser:

• Physikalischer Bodenschutz im Wald

Einige neuere Publikationen (2003-2007)

• Graf Pannatier E., Luster J., Zimmermann S., Blaser P. 2005. Acidification of soil solution in a chestnut forest stand in southern Switzerland: are there signs of recovery? Environmental Science & Technology, 39, 7761-7767.
• Graf Pannatier E. Walthert L., Blaser P. 2004. Solution chemistry in acid forest soils: Are the BC:Al ratios as critical as expected in Switzerland. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 167, 160-168.
• Hagedorn F., Machwitz M. 2007. Controls on dissolved organic matter leaching from forest litter grown under elevated atmospheric CO2. Soil Biology & Biochemistry 39, 1759-1769.
• Hagedorn F., Saurer M., Blaser P. 2004. A 13C tracer study to identify the origin of dissolved organic carbon in forested mineral soils. European Journal of Soil Science 55, 91-100.
• Lüscher P., Thees O., Frutig F., Sciacca S. 2006. Physikalischer Bodenschutz im Wald als Teil der Arbeitsqualität. BGS-Bulletin 2006
• Luster, J., Finlay, R. (eds.). 2007. Handbook of Methods used in Rhizosphere Research, Swiss Federal Research Institute WSL, Birmensdorf, 536 pp.
• Rais D., Nowack B., Schulin R., Luster J. 2006. Sorption of trace metals by standard and micro suction cups in the absence and presence of dissolved organic carbon. Journal of environmental quality 35(1):50-60.
• Waldner P., Schaub M., Graf Pannatier E., Schmitt M., Thimonier A., Walthert L. 2007. Atmospheric Deposition and ozone levels in Swiss forests: Are critical values exceeded? Environmental Monitoring and Assessment 128, 5-17.
• Walthert L., Blaser, P., Lüscher, P. 2003. Langfristige Waldökosystem-Forschung LWF in der Schweiz, Kernprojekt Bodenmatrix: Ergebnisse der ersten Erhebung 1994-1999, Eidgenössische Forschungsanstalt WSL, Birmensdorf.

Im Druck:

• Blaser P., Graf Pannatier E., Walthert L. The base saturation in acidified Swiss forest soils on calcareous and noncalcareous parent material. A pH-base saturation anomaly. Journal of Plant Nutrition and Soil Science.
• Luster, J., Goerg-Günthardt, M.S., Schulin, R., Nowack, B. Initial soil chemical changes in lysimeters refilled with metal polluted topsoil and acidic and calcareous subsoils. Water, Air and Soil Pollution.

Mitarbeitende

Elisabeth Graf Pannatier (Langfristige Umweltbeobachtung, Bodenwasserhaushalt)
Frank Hagedorn, (CO2-Anreicherungsexperimente, Kohlenstoff- und Stickstoff-Kreislauf)
Jörg Luster (Rhizosphären-Prozesse)
Stephan Zimmermann (Bodenschutz)
Lorenz Walthert (Standortskunde, langfristige Umweltbeobachtung)
Peter Lüscher (Bodenverdichtung, Standortskunde)
Stéphane Sciacca (Bodenverdichtung)
Daniel Christen (Labor)
Aloïs Zürcher (Labor)
Noureddine Hajjar (Labor)
Oliver Schramm (Feld)
Marco Walser (Feld)
Roger Köchli (Feld)
WSL Zentrallabor (chemische Analysen)
Adrian Kammer (Doktorand, Stickstoff-Deposition und organische Bodensubstanz)
Benjamin Lange (Doktorand, Wurzelverteilung)

Kontakt

• Elisabeth Graf Pannatier