Einfluss von Regenmustern auf Splash-Erosion von sandigem Lehm
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Die Bodenkultur: Journal of Land Management, Food and Environment
Volume 71, Issue 3, 157–167, 2020. 10.2478/boku-2020-0014
ISSN: 0006-5471 online, https://content.sciendo.com/view/journals/boku/boku-overview.xml
Research Article
Einfluss von Regenmustern auf Splash-Erosion
von sandigem Lehm
Influence of rainfall patterns on splash-erosion
of a sandy loam soil
Lorenz Loos*, Nives Zambon, Andreas Klik
Institut für Bodenphysik und landeskulturelle Wasserwirtschaft, Muthgasse 18, 1190 Wien, Österreich
* Korrespondierender Autor: lorenz.loos@posteo.de
Einreichung: 13. Juli 2020, überarbeitete Einreichung: 29. Oktober 2020, Annahme: 30. Oktober 2020
Zusammenfassung
Die Wirkung unterschiedlich intensiver Regenereignisse auf Splash-Erosion ist noch nicht genau bekannt. Um diese zu untersuchen,
wurde sandiger Lehm in einem Laborversuch durch einen Starkregensimulator mit zunehmender, abnehmender oder konstanter Regen-
intensität beregnet. Alle Intensitätsabfolgen wiesen im Mittel eine Regenintensität von 24,7 mm h−1 auf und bestanden aus drei Inten-
sitätsstufen mit einer Beregnungsdauer von je 20 min. Der ausschließlich durch Splash-Erosion abgetragene Boden wurde nach jeder
Beregnungsphase gesammelt. Die Ergebnisse zeigen, dass Regenereignisse mit hoher Intensität am Anfang zu 32 % mehr Splash-Erosion
führen als jene mit maximaler Intensität am Ende. Die kumulativ wirkende kinetische Energie der Regentropfen, verstärkt durch einen
dünnen Wasserfilm auf den Proben, führt dazu, dass die Splash-Erosion am Ende einer Simulation stärker wirkt als zu Beginn. Aus den
Untersuchungsergebnissen kann zudem durch Extrapolation der Regressionsgeraden eine minimale Regenintensität zwischen 10 mm h−1
und 15 mm h−1 zur Erzeugung von Splash-Erosion angenommen werden.
Schlagworte: Bodenerosion, Spritzerosion, Regenintensität, Regensimulator, Morgan splash cups
Summary
There are still uncertainties in defining the impact of different rainfall intensities on splash erosion. To explore them, a laboratory
study with a rainfall simulator has been conducted with an increasing, decreasing and a constant rainfall intensity. The simulated rain
has been applied on a sandy loam soil. All patterns had an average rainfall intensity of 24.7 mm h−1 and consisted of three intensity
levels which were applied for 20 min per level. The eroded soil was collected after each intensity level. The decreasing rainfall pattern
led to 32% more splash erosion than the increasing one. Splash erosion was more intense, applied at the end of a simulation, due
to the cumulative effect of the raindrop’s kinetic energy and a thin water layer. By extrapolation of the linear regression, a minimum
rainfall intensity to initiate splash erosion can be accepted between 10 mm h−1 and 15 mm h−1.
Keywords: Soil erosion, splash erosion, rainfall intensity, rainfall simulator, Morgan splash cups
Open Access. © 2020 Lorenz Loos, Nives Zambon, Andreas Klik, published by Sciendo. This work is licensed under the Creative Commons
Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 3.0 License.
https://doi.org/10.2478/boku-2020-0014
158 Lorenz Loos, Nives Zambon, Andreas Klik
1. Einführung Ziele dieser Studie waren zu untersuchen, wie sich unter-
schiedliche Intensitätsverteilungen auf die Splash-Erosion
Splash-Erosion ist ein Teilprozess der Bodenerosion durch auswirken und welchen Einfluss die Bodenfeuchtigkeit zu
Wasser und findet am Anfang der Wirkungskette eines Beginn des Regenereignisses auf die Splash-Erosion besitzt.
erosiven Regenereignisses statt (Quansah, 1981; Mahmoo- Eine weitere Frage, die sich diese Studie stellt, ist, ob es eine
dabadi und Sajjadi, 2016). Unter dem Begriff „Splash- minimale Regenintensität gibt, ab der Splash-Erosion auftritt.
Erosion“ versteht man das Loslösen und Transportieren Eine direkt vergleichbare Studie stammt von Parson und
von Bodenteilchen sowie das Zerkleinern von Aggregaten Stone (2006). Sie haben in einer Abflussrinne den Einfluss
durch den Aufprall der Regentropfen (Blume et al., 2010). fünf unterschiedlicher Intensitätsabfolgen auf unterschied-
Das Destabilisieren und Lösen der Aggregate erfolgt liche Formen der Erosion untersucht. Bei allen verwen-
durch Aufquellen von Tonpartikeln in den Aggrega- deten Böden haben Parson und Stone (2006) die größte
ten, durch Luftsprengung und Dispersion sowie durch Menge Splash-Erosion beim Regenmuster mit zunehmen-
die von der kinetischen Energie der Regentropfen her- der Intensität festgestellt. Bei einem sandigen Lehm hat die
vorgerufene mechanische Zerstörung (Auerswald, 1998; Beregnung mit zunehmender Intensität in ihren Unter-
Blume et al., 2010). Ein wichtiges Charakteristikum der suchungen zu 18 % mehr Splash-Erosion geführt als die
kinetischen Energie der Regentropfen ist, dass ihr Ein- Beregnung mit abnehmender Intensität. Die Ergebnisse
fluss von der aufgebrachten Gesamtenergie abhängt, die korrelieren mit anderen, allerdings nicht direkt mit dieser
sich im Laufe des Niederschlagsereignisses aufsummiert Studie vergleichbaren Veröffentlichungen (Mermut et al.,
(Blume et al., 2010). 1997; Mohamadi und Kavian, 2015; Wang et al., 2017).
Oberflächenabfluss oder ein Wasserfilm auf der Bodeno- In Bezug auf die Frage nach einer minimalen Regenin-
berfläche sind Erscheinungen, die häufig im weiteren Ver- tensität zur Erzeugung von Splash-Erosion ist eine Stu-
lauf eines Starkregenereignisses auftreten. Sie verstärken die die von Zumr et al. (2020) relevant. Sie kamen mit einem
Wirkung der Regentropfen auf den Boden und damit die vergleichbaren Boden zu dem Ergebnis, dass es einen sol-
Splash-Erosion bis zu einem gewissen Ausmaß (Auerswald, chen Grenzwert gibt. Laut ihren Ergebnissen liegt dieser
1998; Walker et al., 2007). Ein Wasserfilm auf dem Boden bei 18,94 mm h−1.
hindert die Tropfen daran, die Energie seitlich abzuleiten. In der vorliegenden Studie wird Splash-Erosion mit einem
Die virtuelle Masse des Regentropfens und dadurch des- Starkregensimulator untersucht. Regensimulatoren kön-
sen Energie werden erhöht (Klik et al., 1999). Als kritische nen zwar nicht exakt die natürlichen Verhältnisse wider-
Höhe des Wasserfilms, bei welcher die sogenannte Plan- spiegeln (Dunkerley, 2008), trotzdem ist dieses Instrument
schwirkung am stärksten wirkt, hat Palmer (1965) den für die Versuche in dieser Arbeit unverzichtbar, da ohne
Tropfendurchmesser vorgeschlagen. Wird der Wasserfilm Langzeitversuche gezielt die Abfolgen unterschiedlicher
noch höher, beginnt er, die kinetische Energie der Tropfen Regenintensitäten simuliert und miteinander verglichen
aufzunehmen. Das schützt den Boden vor Splash-Erosion werden können.
(Morgan, 1986; Zambon et al., 2020). In Versuchen mit Regensimulatoren werden häufig Nie-
Es wirkt eine Vielzahl natürlicher Einflussfaktoren auf derschläge mit sehr hohen Intensitäten (>39,6 mm h−1)
Splash-Erosion, deren Wirkung von Intensität und Dauer (Zachar 1982; Auerswald 1998) simuliert. Die Repro-
des Regens und von deren zeitlicher Verteilung abhängt. duktion von Tropfen mit ausreichend hoher kinetischer
Niederschläge mit starker Regenintensität in den ersten Energie bei realistischer Tropfengrößenverteilung ist vor
Minuten erzeugen nicht zwingend die gleiche Menge Ero- allem bei niedrigen Intensitäten schwierig (Parson und
sion wie solche mit gleicher Gesamtintensität, aber dem Stone, 2006). Wegen ihres häufigen Vorkommens sollten
stärksten Regen am Ende (Fernández-Raga et al., 2017). sie jedoch mehr Aufmerksamkeit bekommen (Dunkerley,
Dieser Zusammenhang zwischen Variationen der Inten- 2008). Die kinetische Energie eines Niederschlagsereig-
sität während eines Regenereignisses und der zeitlichen nisses wird von Tropfengröße und Fallgeschwindigkeit der
Verteilung von Splash-Erosion ist noch nicht bekannt Tropfen sowie ihrer Verteilung beeinflusst. Regensimula-
(Fernández-Raga et al., 2017). Variationen in natürlichen toren erzeugen die Tropfen häufig mit Düsen. Die Fall-
Regenereignissen beeinflussen die Splash-Erosion, diese geschwindigkeit wird dabei von der Fallhöhe der Trop-
Spektren sollten in Regensimulationen reproduziert wer- fen und vom Austrittsdruck an den Düsen bestimmt.
den (Fernández-Raga et al., 2017). Wird der Druck an der Düse verringert, nimmt der
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Einfluss von Regenmustern auf Splash-Erosion von sandigem Lehm 159
Tropfendurchmesser zu und die Geschwindigkeit ab, bei vorbereiteten Boden wurden die Probenzylinder mit einer
einer Erhöhung des Austrittsdruckes ist das Gegenteil der Genauigkeit von ± 5 g randvoll mit Boden gefüllt. Die
Fall (Fernández-Raga et al., 2017). Lagerungsdichte der Proben wurde anhand der Bodenmasse
Es werden drei Intensitätsabfolgen eines im Mittel star- und des Volumens der Probenzylinder (V = 471,2 cm³)
ken Regens (15–39,6 mm h−1) (Zachar, 1982; Auerswald, berechnet. Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der
1998) auf einen sandigen Lehm angewandt. Jede Abfolge Aggregate auf der Bodenoberfläche zu erzielen, wurde der
besteht aus drei Intensitätsstufen von je 20 min Dauer. Boden in mehreren Lagen eingebaut und durch vorsichtige
Der Bodenabtrag wird nach jeder 20-minütigen Bereg- Stechbewegungen mit einem Edelstahlspieß (Durchmes-
nungsphase gesammelt und stammt nur aus Splash-Ero- ser: 1 mm) verdichtet, um eine annähernd gleiche Trocken-
sion. Dadurch können erstmals detaillierte Daten über dichte wie im Feld zu erlangen. Die Probenzylinder haben
die Splash-Erosionsraten eines typischen landwirtschaft- einen Innendurchmesser von 10 cm, die exponierte Proben-
lich genutzten Bodens während eines Regenereignisses mit fläche beträgt 78,5 cm2. An der Unterseite der Probenzylin-
variabler Intensität erhoben werden und darüber hinaus der befinden sich 55 Löcher mit einem Durchmesser von
auch der Verlauf des Bodenabtrags abgebildet werden. 5 mm, über die zwei Kunststoffnetze (500 und 1000 µm) in
den Probenzylinder gelegt werden. Die abgedeckten Löcher
garantieren den Abfluss des infiltrierten Wassers bei mini-
2. Material und Methoden malem Bodenverlust.
Die Durchführung der Experimente erfolgte mit einem
Die Probenahme des verwendeten Bodens erfolgte 30 „Norton Ladder Type“-Regensimulator des U. S. National
Monate vor Versuchsbeginn am Standort 16°32'46.07"E, Soil Erosion Research Laboratory (Meyer und Harmon,
49°25'46.46"N im mittelböhmischen Býkovice aus den 1979). Dieser wurde eine halbe Stunde vor Versuchsbeginn
oberen 10 cm des Ah-Horizontes eines Cambisol. Der im Leerlauf eingeschaltet, um die Luft aus dem Wasserkreis-
Standort ist landwirtschaftlich genutzt und wurde nach lauf zu entfernen und so einen möglichst konstanten Betrieb
der Vorbereitung des Saatbettes beprobt. Die Ergebnisse zu gewährleisten. Die wichtigsten Elemente des Versuchs-
der Laboranalysen aus Balenovic (2018) in Tabelle 1 zei- aufbaus sind in Abbildung 1 zu sehen. Ein Steuergerät regelt
gen, dass der verwendete Boden aufgrund der Korngrö- die Dauer des Versuchsvorgangs und die Oszillationsfre-
ßenverteilung nach Bodenkundlicher Kartieranleitung quenz der Veejet 80100 Flachstrahldüsen (1; Die Nummern
als Sl4, als stark lehmiger Sand, einzustufen ist (Ad-Hoc- verweisen auf die in Abbildung 1 dargestellten Bauteile). An
Arbeitsgruppe Boden, 2005). Die Aggregatstabilität wurde zwei Motoren (2) ist je eine Achse mit zwei Düsen befes-
im Vorfeld der Versuche mithilfe eines Tauchsiebver- tigt. Der Achsenabstand beträgt 0,75 m. Die Geschwindig-
fahrens nach Kemper und Koch (1966) untersucht. Der keit der Motoren ist so gewählt, dass ein Schwenkvorgang
Boden weist eine hohe Aggregatstabilität auf, verglichen über die Untersuchungsfläche < 0,5 s dauert (Meyer und
mit anderen Böden mit ähnlicher Korngrößenverteilung Harmon, 1979). Die beiden Achsen schwenken immer um
und ähnlichem Gehalt an organischem Kohlenstoff (Zam- die Hälfte der Oszillationsfrequenz zeitversetzt. Eine Krei-
bon et al., 2020). selpumpe fördert kontinuierlich Wasser aus dem mit entio-
Vor den Versuchen wurde der lufttrockene Boden ohne Zer- nisiertem Wasser gefüllten Wasserbehälter (3) in die Düsen.
störung der Aggregate auf < 11,2 mm gesiebt. Mit dem so Mithilfe eines Druckreduzierventils wird ein Überdruck
von 0,45 bar an der Düse eingestellt (Meyer und Harmon,
Tabelle 1. Einige physikalische und chemische Bodeneigenschaften nach
1979), wodurch Tropfen mit einem mittleren Durchmes-
Balenovic (2018) ser von 1,1 mm produziert werden (Wild, 2017). Das ent-
Table 1. Some physical and chemical soil properties (Balenovic, 2018) spricht in etwa der Tropfengröße natürlicher Regenereig-
nisse derselben mittleren Intensität (Zachar, 1982). Im
CaCO3− [%]
160 Lorenz Loos, Nives Zambon, Andreas Klik
1 / Flachstrahldüse
3 / Wasserbehälter
2 / Motor
5 / Probenzylinder
4 / Morgan splash cup
6 / Kollektor
Abbildung 1. Der Regensimulator von oben
Figure 1. The rainfall simulator from above
Morgan splash cups (4) und auf die neun darin platzierten, Ziel war es, starken Regen (15–39,6 mm h−1) (Zachar,
ebenfalls nicht geneigten, Probenzylinder (5). Die Morgan 1982; Auerswald, 1998) mit einer Dauer von 60 Minuten
Splash cups haben einen Innendurchmesser von 45,5 cm. zu simulieren, dessen Regenintensität im Laufe der Bereg-
Die durchschnittliche Regenintensität, die auf die Morgan nung variiert. Zu diesem Zweck wurde die Versuchsdauer
splash cups und somit auf die Probenzylinder trifft, vari- von 60 Minuten in drei Abschnitte mit jeweils 20 Minuten
iert aufgrund der Position unter den Düsen. Der vertikale gleichbleibender Beregnungsintensität unterteilt. Es wur-
Abstand zwischen den Düsen und den Probenzylindern den drei Szenarien simuliert: Ein Regenereignis mit kons-
beträgt 2,4 m. Das gelöste Sediment soll vollständig aus der tanter, eines mit zunehmender und eines mit abnehmender
Splash-Erosion hervorgehen, es soll kein Oberflächenabfluss Intensität. In Abbildung 2 sind die drei Settings dargestellt.
stattfinden. Dies wird durch die optische Auswertung einer Die niedrigste Intensitätsstufe hatte je nach Position des
Fotodokumentation überprüft, für die jede Probe nach jeder Morgan Splash cups unter dem Regensimulator eine Inten-
20-minütigen Beregnungsphase fotografiert wird. Über ein sität zwischen 9,1 und 19,4 mm h−1, im Durchschnitt lag
Rohr gelangen das in den Morgan Splash cups gesammelte sie bei 12,2 mm h−1. Die Regenintensität der mittleren
Wasser und der abgetragene Boden in den Kollektor (6). Intensitätsstufe betrug zwischen 19,0 und 37,6 mm h−1
Der Kollektor ist wasserdicht verschlossen, sodass Wasser und lag durchschnittlich bei 24,7 mm h−1. Auf der höchs-
und Sediment nur aus dem jeweiligen Morgan splash cup ten Intensitätsstufe wurde mit Intensitäten zwischen 28,7
in den Eimer fließen können. Eine detaillierte Beschreibung und 57,2 mm h−1 beregnet, der Durchschnitt lag hier bei
der Morgan Splash cups und der Probenzylinder ist in Zumr 37,6 mm h−1. Für jedes Szenario wurde für die 20-minüti-
et al. (2020) zu finden. gen Regenintervalle die Splash-Erosion bestimmt. Hierfür
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40 dreimal wiederholt, ohne dass der Versuch unterbrochen
Regenintensität [mm/h]
35 wurde. Hierbei wurde nur die Gesamtmasse erodierten
Durchschnittliche
30 Bodens ermittelt, um diese mit dem Szenario mit konstan-
25 ter Intensität zu vergleichen, bei dem mit Unterbrechung
20 beregnet wurde. Alle Versuche in dieser Studie wurden in
15 dreifacher Wiederholung durchgeführt.
10 Der Inhalt der Eimer wurde filtriert und der Filterrück-
5 Zunehmende stand bei 105 °C im Trockenofen bis zur Gewichtskons-
Intensität tanz getrocknet und gewogen. So ergibt sich das Splash-
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Gewicht in Gramm. Die Splash-Erosion wurde als Masse
Zeit [min]
des erodierten Bodens auf die Beregnungszeit und die
Oberfläche der Splash cups bezogen.
Um Ausreißer zu ermitteln, wurde ein statistischer Test
40
nach Grubbs (1969) mit einem Konfidenzniveau von 95 %
Regenintensität [mm/h]
35
durchgeführt. Es sollten alle Einzelergebnisse für Splash-
Durchschnittliche
30
Erosion und Regenintensität geprüft werden. Außerdem
25
sollte die Lagerungsdichte aller präparierten Bodenproben
20
miteinander verglichen werden. Der Ausreißertest nach
15 Grubbs (1969) prüft, ob die normalverteilte Stichprobe
10 frei von Ausreißern ist.
5 Abnehmende
Intensität
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 3. Ergebnisse und Diskussion
Zeit [min]
Tabelle 2 zeigt die Menge abgetragenen Bodens als Mit-
40 telwert aller Positionen und Beregnungsabschnitte. Aus
Regenintensität [mm/h]
35 ihr geht hervor, dass kein signifikanter Unterschied zwi-
Durchschnittliche
30 schen der Beregnung mit konstanter Regenintensität und
25 der Beregnung mit zunehmender Regenintensität besteht.
20 Die Werte liegen zwischen 0,32 und 0,3 kg m−² h−1. Der
15 Unterschied ist damit kleiner als die mittlere Standardab-
10 weichung beider Werte.
5 Konstante Ein größerer Unterschied besteht zwischen den Regenmustern
Intensität mit abnehmender und konstanter Intensität. Das Setting mit
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
abnehmender Beregnungsintensität führt zu 0,09 kg m−² h−1
Zeit [min]
Splash-Erosion, das entspricht ca. 30 % mehr Bodenabtrag.
Abbildung 2. Die drei angewandten Regenmuster
Figure 2. The three applied rainfall patterns
Tabelle 2. Mittlere Erosionsrate aller Positionen und Phasen
Table 2. Average erosion rate of all positions and phases
wurden nach jeder 20-minütigen Beregnungsphase die
Setting Splash-Menge Standardabweichung
Kollektoren getauscht, in denen der durch Splash ero- [kg m−² h−1] [kg m−² h−1]
dierte Boden und das Regenwasser aus den Morgan splash Zunehmende Intensität 0,31 0,02
cups gesammelt wurden. Um zu prüfen, ob die Unterbre- Abnehmende Intensität 0,41 0,03
chungen, die durch das Wechseln der Kollektoren ent- Konstante Intensität
0,32 0,06
stehen, einen Einfluss auf das Ergebnis hatten, wurde unterbrochen
die Simulation des konstanten Regenmusters (siehe Bal- Konstante Intensität
0,35 0,02
ununterbrochen
kengrafik „konstante Intensität“ in Abbildung 2) weitere
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Die statistische Auswertung der Standardabweichungen zeigt Versuche von Parson und Stone (2006) abnahm. In einer Ver-
jedoch keinen Unterschied zwischen beiden Varianten. öffentlichung von Mermut et al. (1997), die zu einem ähnli-
Ein eindeutig signifikanter Unterschied bei der mittle- chen Ergebnis kommt wie die von Parson und Stone (2006),
ren Splash-Erosion ist nur zwischen den Regenmustern wird formuliert, dass die Splash-Erosion womöglich wegen
mit abnehmender und mit zunehmender Regenintensität eines Wasserfilms auf der Probenoberfläche (Mermut et al.,
zu erkennen. Die Beregnung mit abnehmender Intensität 1997) im Laufe des Versuches abnimmt.
führt zu einer 32 % höheren Splash-Erosion als das Regen- Bei einem Regenmuster mit abnehmender Intensität könnte
muster mit zunehmender Intensität. Der absolute Unter- dieser Effekt in den Versuchen dazu führen, dass zu Beginn
schied beträgt im Mittel 0,10 kg m−² h−1, die Standardab- hohe Splash-Mengen auftreten und wegen der Verschläm-
weichungen betragen 0,02 kg m−² h−1 bzw. 0,03 kg m−² h−1. mung dann bald der Wasserfilm des Oberflächenabflusses
Laut einer Studie von Parson und Stone (2006) führt ein Rege- eine Höhe erreicht, die die Splash-Erosion verringert. Bei
nereignis mit zunehmender Regenintensität zu mehr Splash- einem Regenmuster mit zunehmender Intensität würden
Erosion als eines mit abnehmender. Die Durchführung der die Verschlämmung und das Verhindern von Splash-Ero-
Versuche von Parson und Stone (2006) erfolgte in Messrin- sion durch einen Wasserfilm später auftreten und insgesamt
nen, in denen ein Oberflächenabfluss gemessen wurde. Die mehr Splash-Erosion zulassen. Da durch den gewählten Ver-
Messrinnen beregneten sie im Mittel mit 95 mm h−1, also suchsaufbau in dieser Arbeit kein Oberflächenabfluss statt-
mit einer 2,8-mal höheren Regenintensität als in dieser Stu- fand, kann die Splash-Erosion relativ isoliert von anderen
die. Der Oberflächenabfluss, dessen Höhe nicht angegeben Erosionsformen und den damit verbundenen Auswirkun-
wurde, nahm mit zunehmender Versuchsdauer zu (Parson gen auf Splash-Erosion betrachtet werden. Dieser Umstand
und Stone, 2006). Die allgemein hohen Oberflächenabflüsse vermindert jedoch die Vergleichbarkeit mit Versuchen, in
mit zunehmender Versuchsdauer und die hohen Beregnungs- denen Oberflächenabfluss (in einer Messrinne) stattfindet.
intensitäten lassen die Vermutung zu, dass die Splash-Erosion So lassen sich unter den jeweiligen Versuchsbedingungen
wegen eines Wasserfilms mit der Höhe des > 3-fachen Trop- sowohl die Ergebnisse in der Literatur als auch die in dieser
fendurchmessers auf der Probenoberfläche gegen Ende der Arbeit als plausibel bewerten.
0,70
0,60 0,65
Splash-Erosion [kg/(m²*h)]
0,50 0,46
0,51
0,40 0,45
0,31
0,30
0,20
0,27
0,20
0,21
0,10
0,08
0,00
1 2 3
Phase [-]
Abnehmend Zunehmend Konstant
Abbildung 3. Durchschnittliche Splash-Erosion in den drei Beregnungsphasen als Mittelwert aller Positionen
Figure 3. Mean splash erosion rate during the three phases of the experiment as average value of all positions
Die Bodenkultur: Journal of Land Management, Food and Environment 71 (3) 2020
Einfluss von Regenmustern auf Splash-Erosion von sandigem Lehm 163
In Abbildung 3 sind die Mittelwerte der neun Positionen gleichbleibenden Tropfeneigenschaften wird die kinetische
in die einzelnen 20-minütigen Beregnungsphasen aufge- Energie von Regenintensität und -dauer bestimmt (Auers-
teilt. Alle Regenintensitäten führten zu mehr Splash-Ero- wald, 1998). Sie wirkt kumulativ (Blume et al., 2010).
sion, je später im Verlauf eines Experimentes sie angewandt Je intensiver und länger es regnet, desto mehr werden die
wurden, d. h. je höher der Wassergehalt des Bodens war. Partikel voneinander gelöst, die dann verspritzt werden
Wurde die niedrigste Regenintensität am Ende des Versu- können. Zusätzlich verstärkt wird die kinetische Energie
ches auf den bereits beregneten Boden angewandt, führte durch den Wasserfilm auf der Bodenoberfläche (Palmer,
sie zu 2,4-mal mehr Splash-Erosion, als sie am Anfang des 1965; Auerswald, 1998). Ein Wasserfilm oder Oberflä-
Versuches ergab. Die mittlere Regenintensität führte in chenabfluss mit einer Fließtiefe des > 3-fachen Tropfen-
Phase drei zu 1,3-mal mehr Splash als in Phase eins und durchmessers würden den Boden vor Splash-Erosion schüt-
in Phase zwei zu 70 % mehr Splash als in Phase eins. Die zen, traten aber in keinem der Versuche auf, was durch die
höchste Regenintensität führte in Phase drei zu 44 % mehr Fotodokumentation optisch überprüft werden konnte. Ein
Splash-Erosion als in der ersten Phase. Der Einfluss der dünnerer Wasserfilm war jedoch auf den Fotos der intensiv
Phase, in der beregnet wurde, war bei der niedrigen Inten- beregneten Proben zu erkennen (Abbildungen 4 und 5).
sität größer als bei der hohen. Das lässt sich dadurch erklä- Deshalb ist anzunehmen: Die kumulativ wirkende kineti-
ren, dass der Beregnung mit der niedrigsten Intensität am sche Energie der Regentropfen, verstärkt durch einen Was-
Schluss zwei Phasen intensiveren simulierten Regens vor- serfilm auf den Proben, führt dazu, dass die Splash-Erosion
ausgingen, während beim Muster mit der höchsten Intensi- am Ende eines Regenereignisses stärker wirkt als zu Beginn.
tät in Phase 3 zwei Beregnungsphasen geringerer Intensität In den Abbildungen 6 bis 8 sind die Regenintensität und
vor der letzten Phase angewandt wurden. Die kumulierte die Menge des erodierten Bodens gegeneinander aufgetra-
Regenmenge und damit die kumulierte kinetische Ener- gen. Die Punkte stellen die einzelnen Ergebnisse der neun
gie, die vor Phase 3 auf den Boden aufgebracht wurde, war Probenzylinder unter dem Regensimulator mit den jewei-
also im Muster mit abnehmender Intensität deutlich höher ligen Standardabweichungen als Fehlerindikation dar. Die
als im Regenmuster mit zunehmender Intensität. drei Phasen werden gemeinsam betrachtet. Es wurde eine
Die Beobachtungen lassen sich durch mehrere während des lineare Regression gewählt. In Veröffentlichungen von Elli-
Vorgangs der Splash-Erosion wirkende Teilprozesse erklä- son (1952) sowie von Park et al. (1983) wird Splash-Ero-
ren. Zu Beginn der Beregnung führen Slaking und Auf- sion als Potenzfunktion der Regenintensität beschrieben.
quellen zu einer Destabilisierung der Aggregate (Blume et Schon bei minimalen Regenintensitäten tritt nach ihrer
al., 2010). Auf die destabilisierten Aggregate wirkt die kine- Einschätzung, wenn auch wenig, Splash-Erosion auf. Die
tische Energie der Regentropfen als destruktive Kraft. Bei niedrigsten in dieser Arbeit gemessenen Regenintensitäten
Abbildung 4. Probenzylinder auf der Position mit der höchsten durch- Abbildung 5. Probenzylinder auf der Position mit der höchsten durch-
schnittlichen Regenintensität nach Beregnung mit zunehmender Intensität schnittlichen Regenintensität nach Beregnung mit abnehmender Intensität
Figure 4. Sample cup in the position with the highest rainfall intensity Figure 5. Sample cup in the position with the highest rainfall intensity
after applying the rainfall pattern with an increasing intensity after applying the rainfall pattern with a decreasing intensity
Die Bodenkultur: Journal of Land Management, Food and Environment 71 (3) 2020164 Lorenz Loos, Nives Zambon, Andreas Klik
0,90
y = 0,0289x - 0,4034
0,80
R² = 0,9081
Splash-Erosion [kg/(m²*h)]
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0
Regenintensität [mm/h]
Abbildung 6. Zunehmende Regenintensität. Mittelwerte für Splash-Erosion und Regenintensität der neun Probenzylinder
Figure 6. Increasing rainfall intensity. Average values for splash erosion and rainfall intensity of all nine splash cups
0,90
y = 0,0375x - 0,5214
0,80
R² = 0,8774
Splash-Erosion [kg/(m²*h)]
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0
Regenintensität [mm/h]
Abbildung 7. Abnehmende Regenintensität. Mittelwerte für Splash-Erosion und Regenintensität der neun Probenzylinder
Figure 7. Decreasing rainfall intensity. Average values for splash erosion and rainfall intensity of all nine splash cups
betragen 9,1 und. 9,4 mm h−1 und führten zu 0,05 und Niedrige Regenintensitäten werden sowohl in dieser Arbeit
0,11 kg m−² h−1 Splash-Erosion. als auch bei den Versuchen von Park et al. (1983) und Elli-
Eine Potenzfunktion könnte die Ergebnisse also durchaus son (1952) durch eine niedrigere Schwingfrequenz der
beschreiben, da auch die geringsten simulierten Regenin- Düsen erzeugt. Die durch eine einzelne Schwenkbewegung
tensitäten zu Splash-Erosion führten. Die Heterogenität aufgebrachte Energie und die Tropfengrößenverteilung
echter Regenereignisse und die Vielzahl an Einflussfakto- bleiben dabei gleich. Es ist möglich, dass das die Menge
ren verlangen aber eine genauere Betrachtung der Simula- des erodierten Bodens in den Experimenten bei niedri-
tionstechnik, damit die Werte auf reale Bedingungen über- gen Regenintensitäten künstlich erhöht, da echte Regener-
tragen werden können (Fernández-Raga et al., 2017). eignisse geringerer Intensität meist kleinere Tropfen und
Die Bodenkultur: Journal of Land Management, Food and Environment 71 (3) 2020
Einfluss von Regenmustern auf Splash-Erosion von sandigem Lehm 165
0,90
0,80
y = 0,0311x - 0,4546
R² = 0,8957
Splash-Erosion [kg/(m²*h)]
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0
Regenintensität [mm/h]
Abbildung 8. Konstante Regenintensität. Mittelwerte für Splash-Erosion und Regenintensität der neun Probenzylinder
Figure 8. Constant rainfall intensity. Average values for splash erosion and rainfall intensity of all nine splash cups
damit weniger Energie haben (Mirtskhulava, 1970). Diese messen konnten. Dieser weicht mit 18,9 mm h−1 nur
Hypothese wird auch von Dunkerley (2008) in einer ver- gering von den Ergebnissen dieser Arbeit ab.
gleichenden Studie über den Unterschied zwischen Regen- Die durchschnittliche Dauer der Unterbrechung, die zum
simulationen und natürlichem Regen unterstützt. Ob tat- Wechseln der Kollektoren und zum Einstellen der neuen
sächlich eine Potenzfunktion oder eine lineare Gleichung Beregnungseigenschaften nötig war, beträgt 16 min. Aus
das Verhältnis aus Regenintensität und Splash-Erosion Tabelle 2 geht hervor, dass sich die Settings mit konstanter
unter realen Bedingungen besser beschreibt, hängt auch Regenintensität, die mit und ohne Unterbrechung durch-
von den Eigenschaften des Bodens ab. Die Überschät- geführt wurden, um 0,03 kg m−² h−1 unterscheiden. Eine
zung der Splash-Erosion bei niedrigen Regenintensitäten gleichbleibende Beregnung, bei der ohne Unterbrechung
legt aber den Schluss nahe, dass selbst wenn bei geringsten beregnet wird, führt zu durchschnittlich 9,4 % mehr Splash-
simulierten Intensitäten schon Erosion auftritt, diese unter Erosion als eine konstante Beregnung mit Unterbrechung.
realen Bedingungen zu vernachlässigen ist. Die durchschnittliche Standardabweichung des Settings mit
Durch Extrapolation der linearen Näherungsgleichungen Unterbrechung beträgt 0,06 kg m−² h−1, die des Settings
kann ein Grenzwert für Regenintensität berechnet werden, ohne Unterbrechung beträgt 0,02 kg m−² h−1. Da die mitt-
ab welchem Splash-Erosion auftritt. In den (auf alle Pha- lere Standardabweichung größer ist als der durchschnittliche
sen) gemittelten Näherungsgleichungen der unterschiedli- Unterschied zwischen den Settings, besteht kein signifikanter
chen Versuche tritt ab einer Regenintensität zwischen 13,8 Unterschied in der Menge des durch Splash-Erosion abgetra-
und 15,1 mm h−1 Splash-Erosion auf. genen Bodens zwischen den Beiden Versuchen.
Bestärkt wird dies durch den R-Faktor der Allgemeinen Der statistische Test der Lagerungsdichte gibt null von 108
Bodenabtragsgleichung (USLE; Wischmeier und Smith, Werten als Ausreißer an. Im Mittel beträgt sie 1,18 g cm−1.
1978), der nur Regenereignisse von mehr als einem hal- Der Test der insgesamt 270 unterschiedlichen Regeninten-
ben Zoll pro Stunde (12,7 mm h−1) berücksichtigt (Wisch- sitäten markiert elf Werte als Ausreißer. Zehn davon lie-
meier und Smith, 1978). Regenereignisse kleinerer Inten- gen in Stichproben, die nur sechs Werte umfassen. Diese
sität bewirkten zu wenig Erosion, um eine praktische Stichprobengröße genügt, um einen Hinweis auf systema-
Signifikanz für die Bodenerosion zu haben (Wischmeier tische Fehler zu geben, reicht aber nicht aus, um das Ver-
und Smith, 1978). In einer Veröffentlichung von Zumr et werfen von Werten zu begründen. Gleiches gilt für den
al. (2020) wird unter vergleichbaren Bedingungen eben- Test der erodierten Bodenmenge, für den nur eine Stich-
falls ein Grenzwert formuliert, ab dem sie Splash-Erosion probengröße von je drei Werten zur Verfügung stand, da
Die Bodenkultur: Journal of Land Management, Food and Environment 71 (3) 2020166 Lorenz Loos, Nives Zambon, Andreas Klik
jedes Setting und jede Position einzeln betrachtet werden Le Bissonais, Y. (2016): Aggregate stability and assessment
musste. Obwohl 57 der 270 getesteten Werte als Ausreißer of soil crustability and erodibility: I. Theory and metho-
angezeigt werden, ist kein Muster erkennbar. Da die ein- dology. European Journal of Soil Science 67, 1–21.
zelnen als Ausreißer angezeigten Werte auch nicht durch Blume, H., Brümmer, G., Horn, R., Kandeler, E., Kögel-
Aufzeichnungen erklärbar sind, führte der statistische Test Knabner, I., Kretzschmar, R., Stahr, K. und B.-M.
nicht zu einer Wiederholung von Versuchen. Wilke (2010): Scheffer/Schachtschabel, Lehrbuch der
Bodenkunde. 16. Aufl., Springer, Berlin, Heidelberg.
Dunkerley, D. (2008): Rain event properties in nature and
4. Fazit in rainfall simulation experiments: a comparative review
with recommendations for increasingly systematic study
Es kann aufgrund der Ergebnisse dieser Studie davon and reporting. Hydrological Processes 22, 4415–4435.
ausgegangen werden, dass Splash-Erosion erst ab einer Ellison, W. (1952): Raindrop energy and soil erosion.
bestimmten Regenintensität auftritt, welche für den ver- Empire Journal of Experimental Agriculture 20, 81–97.
wendeten sandigen Lehm zwischen 13,8 und 15,1 mm h−1 Fernández-Raga, M., Palencia, C., Keesstra, S., Jordán, A.,
liegt. Diese Werte entstehen durch Extrapolation der line- Fraile, R., Angulo-Martínez, M. und A. Erdà (2017):
aren Näherungsgleichungen der Regensimulationen. Splash erosion: A review with unanswered questions.
Außerdem kann aus den Resultaten abgeleitet werden, Earth-Science Reviews 171, 463–477.
dass erosive Regenereignisse mit abnehmender Intensität García-Díaz, A., Bienes, R., Sastre, B., Novara, A., Gristina,
zu mehr Splash-Erosion führen als solche, deren Intensität L. und A. Cerdàc (2017): Nitrogen losses in vineyards
im Laufe des Regenereignisses zunimmt. Grund ist neben under different types of soil groundcover. A field runoff
den Eigenschaften des untersuchten Bodens die kumulativ simulator approach in central Spain. Agriculture, Eco-
wirkende kinetische Energie der Regentropfen, verstärkt systems & Environment 236, 256–267.
durch einen dünnen Wasserfilm auf der Bodenoberfläche. Grubbs, F. (1969): Procedures for Detecting Outlying
Im direkten Zusammenhang damit steht, dass alle angewand- Observations in Samples. Technometrics 11, 1–21.
ten Regenintensitäten zu mehr Splash-Erosion führten, je Jain, S. und V. Singh (2003): Reservoir Sedimentation.
später im Verlauf eines Experimentes sie angewandt wurden, Developments in Water Science 51, 681–741.
da der Boden schon gelöster und destabilisierter war. Karlen, D., Andrews, S., Weinhold, B. und J. Doran (2003):
Die Ergebnisse dieser Laborstudie demonstrieren, wie kom- Soil quality: humankid’s foundation for survival. Journal
plex das Zusammenspiel unterschiedlicher Einflüsse die of Soil and Water Conservation 58.4, 171–177.
Splash-Erosion beeinflusst und erweitern den Detailreich- Kemper, W. und E. Koch (1966): Aggregate Stability of
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