Zusammenfassung Band 39

Schmelmer, Karin: Bodenerosionsprozesse, Oberflächenabfluss- und Feststoffretention von Grasfilterstreifen – Experimentelle Untersuchungen und Anwendung von Prognosemodellen. Bonner Bodenkundl. Abh. 39 (2003), 267 S.

In den Jahren 1997 - 1999 wurde die Oberflächenabfluss- und Feststoffretention von Grasfilterstreifen bei konventionellem Maisanbau und 10 % Hangneigung untersucht. Die Messungen er-folgten bei natürlichen Niederschlägen und bei künstlichem Starkregen. Zur Bewertung der Erosionsdisposition und Charakterisierung des Filterstreifeneintrages wurden auch Untersuchungen zur Aggregatstabilität und zur Regentropfenerosion durchgeführt.

Die Aggregatstabilität wies ein Maximum im Sommer bei mittleren Bodenwassergehalten auf. Unabhängig von der Jahreszeit sank sie sehr stark bei einem Bodenwassergehalt um Feldkapazität. Im Winter bei niedrigen Temperaturen und hoher Bodenfeuchte war die Aggregatstabilität besonders gering. Bei Beteiligung von Luftsprengung am Aggregatzerfall neigt der Boden zu gemäßigter bis regelmäßiger Verschlämmung. Im Winter ist mit regelmäßiger Verschlämmung infolge von Schluffdispergierung zu rechnen. Die stabilsten Aggregatbruchstücke waren jene der Mittelsandfraktion. Die Abnahme der Aggregatstabilität war durch den Rückgang der Fraktion > 2 000 µm und die Zunahme der Fraktionen 63 - 200 µm und < 63 µm gekennzeichnet.

Künstlicher Starkregen löste aufgrund seiner geringeren kinetischen Energie weniger und feineres Bodenmaterial ab als natürlicher Starkregen. Für die Bodenablösung durch natürlichen Regen ist NI2 der bestimmende Niederschlagsparameter. In Abhängigkeit von der Stabilität und dem Anteil an Primärpartikeln und Aggregaten weisen einzelne Partikelgrößen des Splash-Sedimentes eine individuelle Beziehung zur Niederschlagsintensität auf. Mit Hilfe der für verschiedene Bo-denzustände ermittelten Erodibilitätskoeffizienten sind Menge und Zusammensetzung des Sedimentes prognostizierbar. Die kinetische Regenenergie ist zur Vorhersage der Splash-Sedimentmenge weniger gut geeignet. Zur Vorhersage der Sedimentzusammensetzung ist sie nicht geeignet.

Bei unverschlämmtem Boden waren 10-Minuten-Intensitäten von ≥ 50 mm/h und 30-Minuten-Intensitäten von ≥ 30 mm/h erforderlich, um Oberflächenabfluss auszulösen. Starkregen ≤ 10 mm bewirkten dann Oberflächenabfluss, wenn die hohen Intensitäten möglichst spät innerhalb des Regens bei nachlassender Infiltrationskapazität auftraten. Aufgrund der geringeren bodenverdich-tenden Wirkung künstlichen Regens war bei Beregnung eine größere Regenmenge zur Oberflächenabflussbildung auf anfangs unverschlämmtem Boden erforderlich als bei natürlichem Regen. Die größere Erosivität natürlicher Starkregen und die größere Parzellenlänge bewirkten bei einem natürlichen Abflussereignis höhere Abflussraten und Sedimentkonzentrationen sowie eine gröbe-re Sedimentzusammensetzung als bei den Beregnungen.

Die flächenbezogene Oberflächenabflussretention durch Grasfilterstreifen erreichte bei einer Bodenvorfeuchte um Feldkapazität 45 % und bei anfangs trockenem Boden bis zu 100 %. Die Verdopplung der Filterstreifenbreite bewirkte eine um 15 %-Punkte erhöhte Oberflächenabflussretention. Bei kleineren Abflussereignissen bot ein Ackerrandstreifen mit 60 % Pflanzenbedeckung einen ebenso guten Schutz wie ein Grasstreifen. Während eines größeren Ereignisses betrug die flächenbezogene Retention der Ackerrandstreifen bei 40 % und 60 % Pflanzenbedeckung nur 10 % und 44 %. Die Feststoffretention der Ackerrandstreifen war deutlich höher als die Abflussretention. Während Beregnungsversuchen senkte ein Grasfilterstreifen die Sedimentkonzentration unabhängig von der Höhe des Eintrags um ca. 85 %. Tiergänge bewirkten große Unterschiede bei der Oberflächenabflussretention, nicht bei der Feststoffretention. Die Feststoffretention der Grasstreifen lag meist zwischen 88 - 100 %. Die Feinschluff- und Tonretention betrug dabei 80 - 100 %. Die Filterstreifenbreite hatte keinen Einfluss auf die Höhe der Feststoffretention. Nach 1 m Filterstrecke enthielt das Grasfilterkolluvium bereits keinen primären Sand mehr. Mit zunehmen-der Filterstrecke reicherten sich feinere Partikel in Mittelsandaggregaten gebunden relativ an. Nach 3 m Fließstrecke nahm die Effektivität bezüglich der Sedimentablagerung stark ab. Höhere Zuflussraten führten bei natürlichen Abflussereignissen zu einer stärker konzentrierten Abflussverteilung im Filterstreifen und daher zu einer geringeren Filterausnutzung. Daher sind die bei natürlichen und künstlichen Starkregen erzielten Ergebnisse zur Abflussretention – bei sonst gleichen Randbedingungen (Bodenzustand) – nicht vergleichbar.

Das ereignisbezogene Erosionsmodell EUROSEM simuliert die Oberflächenabflussretention von Grasfilterstreifen bei hohem Anfangsbodenwassergehalt oder bei konzentriertem Filterstreifenabfluss sehr gut. Der Infiltrationsrückgang bei trockenem Boden wird überschätzt, die Retention daher unterschätzt. Das Modell berechnet die während der Beregnungen gemessene Feststoffretention etwas zu hoch. Die Feststoffretention während eines natürlichen Ereignisses wird etwas unterschätzt. Aufgrund der geringen bodenverdichtenden Wirkung des Kunstregens sind mit dem Langzeitsimulationsmodell OPUS/OPUS_2 natürliche und künstliche Abflussereignisse nicht zusammen in einer Simulation darstellbar. Das noch in der Testphase befindliche OPUS_2 simuliert die Abflussretention zufriedenstellend. Die Feststoffretention während des natürlichen Ereignis-ses (s.o.) wird überschätzt. Die Reduktion des Sedimentgehaltes durch einen Grasfilterstreifen während einer Beregnung wurde von OPUS_2 dagegen dem Messwert entsprechend berechnet.

Summary Band 39

Schmelmer, Karin: Soil erosion processes, surface runoff reduction and sediment trapping effectiveness of grass buffer strips – Field measurements and application of prediction models. Bonner Bodenkundl. Abh. 39 (2003), 267 p.

In the years 1997 - 1999 field studies were conducted to determine the surface runoff reduction and sediment trapping effectiveness of grass buffer strips. The 10 % inclined field was conven-tionally tilled with maize. Measurements were realized making use of natural and simulated (40 mm/h) rainfall. To evaluate the time variable erodibility of the soil and to characterize buffer strip input, examinations of aggregate stability and splash-erosion were added.

Aggregate stability was at maximum in summer with moderate soil moisture. A soil moisture of field capacity or higher caused a heavy decrease of aggregate stability. The lowest values were obtained in winter. Aggregate slaking due to entrapped air compression caused moderate to regu-lar soil surface sealing in summer. In winter regular surface sealing was the result of silt disper-sion. The most stable aggregate breakdown products were those of 200 - 630 µm diameter. De-creasing aggregate stability was characterized by a decline of aggregate fragments > 2000 µm and an increasing portion of fragments 63 - 200 µm and those < 63 µm.

Due to the lower kinetic energy, simulated rain detached lesser and finer soil material than natu-ral rain did. The natural rain parameter NI2 determines the amount of detached soil. The different particle sizes show an individual relationship to rain intensity, depending on their stability and their portion of primary and aggregated particles. With aid of erodibility coefficients, which were calculated for different soil conditions, total amount and particle size distribution of splash-material are predictible. Kinetic rain energy is less appropriate for the prediction of total splash amount than rain intensity is. The prediction of particle size distribution is not possible using kinetic rain energy values.

To cause surface runoff on antecedent unsealed soil, 10 min-intensities of ≥ 50 mm/h and 30 min-intensities of ≥ 30 mm/h were necessary. High intense rain ≤ 10 mm total amount caused surface runoff if the peak intensities occurred late in the rainfall event, when infiltration capacity was de-creasing. Because of its lower compressive force, a higher amount of simulated rain was needed for surface sealing and runoff to cause as compared to natural rain. The higher erosivity of natural rain and a greater plot length resulted in higher runoff rates and sediment concentration as well as a coarser sediment load as compared to the rainulator-runoff events.

Grass buffer strips reduced surface runoff by 45 % if soil moisture was about field capacity, and up to 100 % at a antecedent soil moisture up to 30 Vol.-%. Doubling the grass buffer length furthered surface runoff reduction by additional 15 %. During small runoff events a “field border strip” (an annual plant cover consisting of grass and herbes, which could grow on the field area due to renunciation of herbicides) with a plant cover of 60 % offered a comparable effectiveness like a permanent grass buffer strip with a plant cover of 90 - 100 %. During one greater runoff event the surface runoff reduction by “field border strips” with a plant cover of 40 % and 60 % amounted only 10 % and 44 %, respectively. Sediment removal by “field border strips” was sig-nificantly higher than surface runoff reduction. During simulated rain grass buffer strips caused a decrease of sediment concentration by 85 %, independend on the concentration of the incoming sediment. Animal burrows caused highly variable surface runoff retention, while sediment remo-val was hardly affected. Also the buffer strip length did not influence sediment removal. Total sediment load was removed mostly by 88 - 100 %. The load of fine silt and clay was reduced by 80 - 100 %. In a flow distance ≥ 1 m the sediment deposited in the grass buffer area contained no more primary sand. The relative enrichment of finer primary particles with increasing flow dis-tance was the effect of an enrichment of middle sand sized aggregates. In a flow distance ≥ 3 m the sediment trapping effectiveness of grass buffer strips decreased largely.

The higher incoming surface runoff rates of a natural runoff event caused a more concentrated flow inside the buffer strip and therefore a lesser portion of the buffer area to be involved in redu-cing runoff amount by infiltration as compared to the rainulator-runoff events. Consequently the surface runoff retention performance of the grass buffers appears less during natural events, pre-suming similar antecedent soil conditions for the natural and rainulator-runoff events.

The event based soil erosion model EUROSEM simulates the surface runoff retention by grass buffer strips very good for high antecedent soil moisture conditions or for concentrated buffer strip effluent. It overestimates the infiltration decline for dry antecedent soil conditions, so that surface runoff retention is underestimated for these cases. Sediment removal was somewhat over-estimated for the rainulator-runoff events and underestimated for the natural one. Due to the lo-wer soil compaction by simulated rain the artificial and the natural runoff events cannot be simu-lated with OPUS/OPUS_2 in the same simulation run. OPUS_2 is not yet officially released. It simulates surface runoff reduction by grass buffer strips properly. Sediment trapping however is overestimated for the natural runoff event. For a rainulator-runoff event the model calculates se-diment concentration reduction corresponding to the measured values.