Porenvolumen (Boden)
Porenvolumen ist ein Begriff der Bodenkunde und bezeichnet das gesamte, mit Luft oder Wasser gefüllte Hohlraumvolumen des Bodens.
Allgemein
Der Bodenkörper lässt sich gedanklich in das Volumen der festen Bodensubstanz und in das Porenvolumen aufteilen.
Das Porenvolumen eines Bodens teilt sich auf in Primärporen, die von der Korngrößenverteilung der mineralischen Substanz sowie auch von Art und Zusammensetzung der organischen Bestandteile (Humus) abhängen, und in die Sekundärporen, die vom Bodengefüge und damit von chemischen Eigenschaften der Minerale, vom Einfluss der Pflanzen (Wurzeln bilden Wurzelröhren) und Tiere (bilden Gänge, graben, durchmischen, …) abhängen.
Sättigt man den Boden vollständig mit Wasser auf (Porenvolumen = Wasservolumen) und entzieht ihm das Wasser stufenweise mit bekannten Unterdrücken (Bodenwasserspannung), dann lassen sich nacheinander die weiten (schnell dränenden) und die engen (langsam dränenden) Grobporen, die Mittelporen und die Feinporen entwässern. Die Summenkurve der Porengrößen, aufgetragen in Abhängigkeit von der Bodenwasserspannung, ergibt die Bodenwasserspannungskurve. Sie beschreibt unter anderem die Verfügbarkeit des Bodenwassers für die Pflanzen.
Primärporen und Sekundärporen
Primärporen sind körnungsbedingte Poren zwischen den Einzelkörnern. Deshalb bestimmt die Größe der mengenmäßig überwiegenden Einzelkörner auch bestimmte Porengrößenbereiche.
- In Sandböden sind dies die Grobporen.
- In den vom Grobschluff dominierten Lössböden sind es die Mittelporen.
- In Tonböden sind es die Feinporen und der Übergang zu den Mittelporen.
Als Faustregel kann gelten, dass die durchgängigen, kanalartigen Poren etwa einem Drittel der dominierenden Korngröße entsprechen.
Weil kleine Körner schlechter gegeneinander verschiebbar sind als große, nimmt mit abnehmender Größe der Einzelkörner auch das Gesamtporenvolumen zu; kleine Einzelkörner sind also natürlicherweise nicht so dicht gepackt wie große Einzelkörner.
Sekundärporen sind gefügebeeinflusste Grobporen (auch Makroporen genannt) mit Äquivalentdurchmessern von über 50 µm zwischen den Aggregaten (also nicht zwischen den Einzelkörnern) und Bioporen.
Aggregate bilden sich (Bodengefüge):
- rein physikalisch durch wiederholtes Nass- und Trockenwerden, also durch den Wechsel der Bodenfeuchte, der mit steigendem Tongehalt von deutlicher ausgeprägter Quellung und Schrumpfung begleitet wird.
- chemisch durch umhüllende Eisenoxide oder verkittende Karbonate
- biologisch durch verklebende Schleimstoffe aus dem Darm von Erdfressern wie Regenwürmern oder durch die verbauende Wirkung von (Feinst-)Wurzeln und Pilzhyphen
- sowie als Wurzel- oder Regenwurmgang; im extrem auch Gänge von Mäusen und Maulwürfen o. ä.
Die Verteilung der sekundären Poren ist oft ungleichmäßig (anisotrop); ihre Ausrichtung vorwiegend senkrecht. Das sekundäre Porensystem ist ein wichtiger Gesichtspunkt in Bezug auf den Luft- und Wasserhaushalt besonders feinkörniger Böden.
Einteilung des Porenvolumens nach der Saugspannung
Die folgende Einteilung des Porenvolumens zeigt den Zusammenhang von Porengröße und Saugspannung (Bodenwasserspannung).
Für Böden, die nicht durch Grundwasser oder Staunässe beeinflusst werden, können die „engen Grobporen“ auch der Luftkapazität zugeschlagen, also von der (nutzbaren) Feldkapazität abgezogen werden.
(1) tragender Meniskus
(2) Bodenpartikel
(3) Luft führende Bodenpore
(4) Kapillarwasser
(5) Adsorptionswasser
(6) Grund- oder Stauwasser
| Kategorie | Ausprägungen | |||
|---|---|---|---|---|
| Porenbereiche | weite Grobporen | enge Grobporen | Mittelporen | Feinporen |
| Saugspannung in hPa | unter 60 | 60 bis 300 | 300 bis 15000 | über 15000 |
| pF-Wert | unter 1,8 | 1,8 bis 2,5 | 2,5 bis 4,2 | über 4,2 |
| Äquivalentdurchmesser in µm | über 50 | 50 bis 10 | 10 bis 0,2 | unter 0,2 |
| Funktion der Poren | schnell bewegliches | langsam bewegliches | pflanzen- verfügbares |
nicht pflanzen- verfügbares |
| Sickerwasser | Haftwasser | |||
| Kennwerte Kurzzeichen |
Luftkapazität LK |
nutzbare Feldkapazität nFK |
Totwasser TOT | |
| Feldkapazität FK | ||||
| Gesamtporenvolumen GPV | ||||
Anmerkungen: 1 hPa entspricht 1 cm Wassersäule
Das ist die Höhe, bis zu der Wasser in einer Kapillare des jeweiligen Äquivalentdurchmessers aufsteigt, und dann unter dem Meniskus hängt.
pF-Wert = log10 (Saugspannung in hPa)
Porengrößenbereiche für Bodenarten-Hauptgruppen
Zu den Porengrößenbereichen gibt es für die bodenphysikalischen Parameter Luftkapazität, nutzbare Feldkapazität, Feldkapazität und Totwasser für jede Bodenart spezifische Kennwerte in der Bodenkundlichen Kartieranleitung bzw. der DIN 4220. Wenn man im Gelände mit der Fingerprobe die Bodenart oder zumindest die Bodenarten-Hauptgruppe bestimmt, dann gibt die Tabelle „Spanne der Porengrößenbereiche für Bodenarten-Hauptgruppen“ einen ersten Eindruck der Porengrößenverteilung vor Ort.
Die Spalte der Wasserleitfähigkeit für gesättigte Böden zeigt eine Auswirkung der unterschiedlichen Porengrößenverteilungen; für die Wasserleitfähigkeit sind Schwankungen von einem Fünftel bis zum Dreifachen normal!
| Bodenarten-Hauptgruppen | weite Grobporen in % | enge Grobporen in % | Mittelporen in % | Feinporen in % | Wasserleitfähigkeit in cm /d |
|---|---|---|---|---|---|
| Sandböden | 10 bis 20 | 8 bis 20 | 10 bis 15 | 2 bis 8 | 300 |
| Schluffböden | 0 bis 10 | 5 bis 15 | 10 bis 20 | 10 bis 20 | 30 |
| Lehmböden | 5 bis 10 | 0 bis 10 | 5 bis 15 | 5 bis 20 | 30 |
| Tonböden | 0 bis 5 | 0 bis 5 | 10 bis 15 | 25 bis 40 | 3 |
| Torfböden | 7 bis 30 | 0 bis 10 | 30 bis 55 | 15 bis 25 | 200 |
Kennzahlen des Porenvolumens
Üblicherweise wird das Volumen der Poren Vp auf das gesamte Volumen des Bodens Vges bezogen. Dann ergibt sich als Kennzahl:
- das Porenvolumen PV = Vp / Vges×100 (wie in der obigen Tabelle) mit der Angabe der Maßeinheit als %, Vol.-% oder % (v/v)
- die Porosität ε = Vp / Vges mit 1 ≥ ε ≥ 0 und der Angabe der Maßeinheit als „m³/m³“ oder „cm³/cm³“
Die Angabe der Maßeinheit zum PV erfolgt häufig auch als „mm/dm“. Diese Reduzierung von Volumenprozent auf Längenprozent wird anschaulich, wenn man ausgehend von der Angabe „dm³/dm³“ einen Würfel von 1 dm³ gedanklich auf der Fläche von 1 m² verteilt: man erhält einen 1 mm hohen Körper. Demnach sind je dm Tiefe im Boden so viele Poren, dass sie – gedanklich zusammengefasst – 1 mm „Höhe“ ausmachen. Hält man gedanklich an der Bezugsfläche von 1 m² fest und berücksichtigt, dass 1 dm³ = 1 Liter ist, dann lassen sich die Angaben zum Porenvolumen nicht nur als mm (Porenanteil) je dm Tiefe (im Boden) machen, sondern für eine gegebene Tiefe auch als mm/m² oder als Liter/m².
Das Volumen der Poren Vp kann auch auf das Volumen des Festkörpers Vf bezogen werden. Dann ergibt sich als Kennzahl:
- die Porenziffer e = Vp / Vf mit e auch > 1
Die Porenziffer erlaubt es, Änderungen des Porenvolumens auch bei erheblichen Änderungen des gesamten Volumen des Bodens miteinander zu vergleichen (beispielsweise bei Verdichtungen), weil hier im Gegensatz zur Kennzahl Porenvolumen oder Porosität der Bezugswert gleich bleibt.
Porosität und Porenziffer können ineinander umgerechnet werden:
- ε = e / (e + 1)
- e = ε / (1 - ε)
Siehe auch
Literatur
- Ad-hoc-Arbeitsgruppe Boden: Bodenkundliche Kartieranleitung. Herausgegeben von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe in Zusammenarbeit mit den Staatlichen Geologischen Diensten. 5. verbesserte und erweiterte Auflage. Schweizerbart, Stuttgart 2005, ISBN 3-510-95920-5.
- DIN 4220:2008-11 – Bodenkundliche Standortbeurteilung – Kennzeichnung, Klassifizierung und Ableitung von Bodenkennwerten (normative und nominale Skalierungen).
- Winfried Blum: Bodenkunde in Stichworten. 6. völlig neu bearbeitete Auflage. Borntraeger, Berlin u. a. 2007, ISBN 978-3-443-03117-6 (Hirt’s Stichwortbücher).
- Fritz Scheffer, Paul Schachtschabel: Lehrbuch der Bodenkunde. 15. Auflage, Nachdruck. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2008, ISBN 978-3-8274-1324-6 (Spektrum Lehrbuch).