Zusammenfassung Band 24

Everding, Christoph (1998): Kennzeichnung des Erosionsverhaltens und der Erosionsanfälligkeit verschieden texturierter Ackerböden Nordrhein-Westfalens mit Hilfe von Feldberegnungen.

Zur Abschätzung der potentiellen Bodenerosionsgefährdung durch Wasser wurden auf 28 nach ihrer Textur repräsentativ ausgewählten Ackerstandorten in Nordrhein-Westfalen Beregnungsversuche mit einem Regensimulator durchgeführt. Je Untersuchungsfläche wurden dabei zwei 10 m lange Erosionsmeßparzellen mit weitgehend abgetrocknetem Saatbett einem singulären künstlichen Starkregen von 40 mm/h Niederschlagsintensität und 90minütiger Dauer ausgesetzt. Die Korngrößenzusammensetzung der Ap-Horizonte der Versuchsflächen deckte ein breites Bodenartenspektrum ab und reichte von den schwach schluffigen Sanden bis zu den lehmigen Schluffen und lehmigen Tonen mit maximal 80, 82 bzw. 47 % Sand-, Schluff- oder Tonanteil. Die Bestimmung des zeitlichen Verlaufs von Oberflächenabfluß, Sedimentkonzentration und Bodenabtrag diente der Kennzeichnung des Erosionsverhaltens. Bei dessen Beschreibung wurden neben der Körnung weitere, die Erosionsdisposition beeinflussende Krumeneigenschaften, wie insbesondere die Struktur und Feuchte des Saatbetts, der Steinbedeckungsgrad und bodenchemische Kennwerte berücksichtigt. Als Maß für die Erosionsanfälligkeit der Versuchsböden wurden empirische K-Faktoren (KF-Faktoren mit Index F für Feld) ermittelt, die sich nach der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung (ABAG) von SCHWERTMANN et al. (1987) aus der auf die Regenerosivität bezogenen Bodenabtragsmenge bei standardisierter Hanglänge und Hangneigung ergeben. Diese KF-Faktoren wurden den aus mehreren Bodeneigenschaften berechneten K-Faktoren nach Schätzgleichungen von SCHWERTMANN et al. (1987) und MARTIN (1988a) gegenübergestellt (KS bzw. KM).

Für die Darstellung und Diskussion der Ergebnisse wurden die Standorte drei Texturgruppen (I-III) zugeordnet, die sich in der Erosionsdynamik und Bodenerodierbarkeit wie folgt unterscheiden: Die zehn Versuchsböden aus slU oder lU (Texturgruppe I) wiesen insgesamt einen relativ frühen Erosionsbeginn, eine schnelle Infiltrationsabnahme, hohe Abflußmengen und Sedimentfrachten sowie hohe bis sehr hohe Abtragsraten auf. Mit KF-Faktoren bis zu einer Höhe von 0,48 verhielt sich die Mehrzahl der Böden dieser Gruppe gegenüber den erosiven Kräften sehr labil. Auf zwei der schluffreichen Böden kam es auf den Parzellen zur Bildung von Rillen, die die höchsten Bodenverluste verursachten. Zwei andere Standorte zeigten sich hingegen vergleichsweise strukturstabil, so daß in der Texturgruppe I auch einzelne niedrige KF-Faktoren von 0,04 bzw. 0,05 ermittelt wurden.

Von den neun Böden aus uS, lS, sL oder stL (Texturgruppe II) wiesen fünf Standorte eine den lehmigen Schluffen vergleichbare Erosionsempfindlichkeit auf. Nur drei sehr sandreiche Flächen und der einzige sandig-tonige Lehmboden dieser Gruppe zeichneten sich durch einen höheren Erosionswiderstand aus. Weil die sich auf der Bodenoberfläche formende Verschlämmungsschicht aufgrund der größeren Sandanteile durchlässiger blieb, lagen die Versickerungsraten etwas höher, die Abflußraten somit etwas niedriger als in der ersten Texturgruppe. Aufgrund des schwachen Aggregatzusammenhaltes stellten sich aber rasch Gleichgewichtsbedingungen im Abfluß- und Abtragsverhalten ein. Der Sedimentgehalt im Abflußwasser verharrte jedoch auf mittlerem Niveau, da vermehrt schwere Einzelkörner abgeschwemmt werden mußten. Insgesamt erwiesen sich die sandigen Lehme erosionsanfälliger als die lehmigen Sande, da sich die auf ihnen von den Regentropfen abgescherten Bodenpartikel in eine dichtere Verschlämmungskruste einregelten. Die Folge waren hohe KF-Faktoren mit Werten bis zu 0,32.

Im ganzen waren die neun Böden aus uL, utL, tL oder lT der Texturgruppe III durch eine gute Aggregatstabilität, eine mithin niedrige Bodenablösbarkeit und eine nur mittlere bis sehr geringe Bodenverlagerung gekennzeichnet. Die geringere Erosionsgefährdung drückte sich in KF-Faktoren von maximal 0,12 aus. Eine Zunahme des Tongehaltes, aber auch der Humosität, der Steinbedeckung oder der durchschnittlichen Aggregatgröße senkt die Erodibilität also deutlich. Auf vier der neun Standorte, auf denen es durch Wasserrückstau im nahen Untergrund, daraus folgender Krumenaufsättigung und Exfiltration zu erhöhten Abflüssen kam, muß jedoch von einem größeren Erosionsrisiko ausgegangen werden. Aufgrund einer zumeist geringen Gründigkeit ist bei den hier untersuchten tonreichen Böden der tolerierbare Bodenabtrag ohnehin niedriger anzusetzen. Die im Feld gemessene Bodenerodierbarkeit (KF) lag fast ausnahmslos unterhalb der aus den Bodenkennwerten geschätzten (KS, KM). Während die Rangfolge der KF-Faktoren der drei gebildeten Texturgruppen mit der nach der Gleichung von MARTIN (1988a) berechneten übereinstimmte, wurde die Erosionsgefährdung der Böden mit hohen Sandgehalten nach der Gleichung von SCHWERTMANN et al. (1987) zu niedrig eingeschätzt. 

Summary Band 24

Everding, Christoph: Characterization of dynamics and susceptibility of erosion on cultivated soils with different textures in North Rhine-Westphalia (Germany) using rainfall simulation.

Field experiments with a rainfall simulator were carried out on 28 cultivated sites to estimate the risk of soil erosion by water. On each site a single artificial rain at an intensity of 40 mm/h was applied for 90 min on two clean-tilled dry fallow plots of 10 m length. The particle size distributions of the Ap-horizons reflected a wide range of soil textures from silty sands (max. 80 % sand) to loamy silts (max. 82 % silt) and loamy clays (max. 47 % clay). The evaluation of erosion behavior is based on changes in surface runoff, sediment concentration and soil loss with time. In addition to soil texture other topsoil properties like structure and moisture of the seedbed, stone cover and chemical soil parameters were considered. Empirical K-factors (KF-factors with index F for field) were determined as a measure for the erodibility of the examined soils. The K-factors were derived from the Universal Soil Loss Equation (USLE) adapted by SCHWERTMANN et al. (1987). They were compared with calculated K-factors according to equations given by SCHWERTMANN et al. (1987) and MARTIN (1988a), which were estimated from several soil properties (KS respectively KM).

For discussion the 28 sites were grouped into three soil textural classes (I-III) with differing soil erosion dynamics and soil erodibilities:

The ten experimental field plots in texture class I (sandy loam silts and loamy silts) showed a relatively early runoff generation, a fast infiltration decrease, a high amount of runoff water and soil content of the surface flow as well as high to very high erosion rates. With KF-factors up to 0,48 the majority of these soils reacted very unstable with respect to the erosive forces. On two silty sites small furrows were formed that caused the highest loss of soil. Two other sites, however, were comparatively stable so that also some low KF-factors from 0,04 respectively 0,05 were determined in texture class I.

Five out of nine plots of silty sands, loamy sands, sandy loams or sandy clay loams (texture class II) showed erosion susceptibilities comparable to the loamy silts. Only three very sandy soils and the only sandy clay loam in this class were characterized by a higher erosion resistance. Compared to texture class I, the water infiltration rate was slightly higher and the runoff rate therefore lower due to the higher permeability of the more sandy surface seal. Because of the modest soil aggregate stability steady state conditions in overland flow and soil loss quickly occured. The sediment concentration in the runoff remained on an average level because heavy primary sand particles had to be transported by the water. The sandy loams proved to be more erodible than the loamy sands because their raindrop-detached soil particles arranged themselves in a denser surface crust. As a result the KF-factors were up to 0,32.

All at all the nine plots of texture class III (silty loam, silty clay loam, clayey loam or loamy clay) showed a high aggregate stability, therefore a low soil detachability and only a moderate to very low soil loss rates. The low erosion susceptibility was expressed by KF-factors of 0,12 maximum. An increase of the clay and organic matter content, the stone cover or the aggregate size obviously reduces erodibility. On four of the nine sites higher surface flow occured due to backwater in the subsoil leading to saturation of the Ap-horizon and exfiltration of free water. Therefore a higher soil erosion risk has to be expected under these conditions. Because of a mostly low soil depth of the epipedon the tolerable erosion has to be estimated lower on these soils rich in clay.

The erodibility (KF) of the examined plots was mostly below the calculated K-factors (KS, KM). The ranking of the KF-factors of the three texture classes is in accordance with the calculated K-factors predicted by MARTIN's equation whereas calculations according to SCHWERTMANN et al. (1987) lead to an underestimation of the erosion hazard of soils with a high sand content.