Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4058
Burkhardt, Michael
Feldversuche zur Erfassung des Transportverhaltens von gelösten und partikulären Tracern mittels Multitracing-Technik in einem schluffigen Boden
226 S., 2003
Die bodenphysikalische Heterogenität in strukturierten Böden und die
Niederschlagsintensität sind zwei der wichtigsten Faktoren für den gelösten und partikulären
Transport durch die ungesättigte Bodenzone in das Grund- oder Oberflächenwasser. Zur
Identifizierung und Charakterisierung von Transportphänomenen wurde ein
Multitracing- Verfahren mit dem Herbizid Isoproturon, dem Wassertracer Bromid, dem
Farbtracer Brilliant Blue (BB) sowie 1 und 10 µm großen Mikrosphären (MS) gewählt.
Auf einem schluffigen Boden sind acht Beregnungsversuche auf Plots mit jeweils 2 m2
Fläche durchgeführt worden, auf denen die Bearbeitungstiefe und die
Beregnungsintensität variiert wurden. Zur Simulation des partikulären Transports wurden MS erstmals
auf feldnaher Skala getestet. Vier Plots wurden direkt nach der Beregnung aufgegraben
und die vier anderen nach einem Witterungseinfluss von 90 d. Nach Versuchsende
wurden auf jedem Plot horizontale Profilschnitte in 5 und 10 cm Abständen präpariert
und für die digitale Bildanalyse fotografiert. Aus jeder Tiefe sind Bodenproben zur
Analyse der applizierten Substanzen und Bestimmung weiterer bodenchemischer
Parameter sowie ungestört gelagerte Proben für bodenphysikalische Analysen entnommen
worden. Für die Analyse von Bromid und Isoproturon sind je Tiefe 15 Bodenproben, für
die MS 50 Proben ausgewählt worden. Die Quantifizierung der MS erfolgte mittels
Fluoreszenz-Mikroskop und digitaler Bildanalyse. Die photometrisch bestimmten
BB-Konzentrationen wurden auf zwei Plots für jede Tiefe mit dem Farbspektrum der
digitalisierten Farbverteilungsbilder mit zwei Polynomen 2. Ordnung korreliert. Zur
weiteren Gewinnung von räumlich hochaufgelösten Konzentrationsverteilungen wurden
die Funktionen auf die anderen Plots übertragen. Die vergleichbaren Wiederfindungen
für BB auf 1 m2 Fläche und in 15 Proben ließen auf eine repräsentative Beprobung
schließen. Basierend auf Konzentrationsprofilen und der Momentenanalyse wurde das
Transportverhalten der Substanzen miteinander verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass
die tiefgründigere Bodenbearbeitung zu einer größeren Verlagerung des
Massenschwerpunktes und reduziertem präferentiellem Transport führte. Die Konzentrationsprofile
und Farbbedeckung ergaben für alle Tracer eine präferentielle Transportdistanz bis
120 cm Tiefe, wenn direkt nach der Applikation eine Infiltration mit 6,7 mm h-l folgte.
Aus den Ergebnissen für die gelösten und partikulären Tracer war zu schließen, dass
diese unabhängig von ihren physikochemischen Eigenschaften präferentiell verlagert
wurden. Nur der Massenschwerpunkt wurde durch die substanzspezifischen Merkmale
beeinflusst. Die effektive Retardation von BB lag direkt nach der Beregnung bei 2 und
nach 90 Tagen bei 4, von den MS auf allen Plots zwischen 1 und 7. Für Bromid wurde
zwischen dem Massenschwerpunkt und der maximalen Transportdistanz ein konstantes
Verhältnis von 0,2 gefunden. Die Konzentrationsprofile von Bromid konnten mit
Ausnahme des präferentiellen Vorauseilens durch die Konvektions-Dispersions-Gleichung
am besten gefittet werden. Darauf basierend wurden die Transportparameter berechnet.
Eine möglicherweise bedeutende Randbedingung für präferentiellen Fluss ist eine ver-
schlämmte Bodenoberfläche nach hohen Beregnungs- oder Niederschlagsintensitäten,
auf der Wasser ohne Überschreiten der Infiltrationskapazität heterogen infiltriert. Auf
diesen Oberflächen wurden immer die höchsten MS-Gehalte bestimmt. Der
Witterungsverlauf erschloss keine neuen präferentiellen Fließwege, erhöhte aber die
Transportdistanz in den bereits erschlossenen Fließwegen. Die Farbverteilungen und das lokale
Stauwasser auf der Pflugsohle deuteten auf präferentiellen Fluss im teilgesättigten
Boden hin. Darüber hinaus zeigte die Farbverteilung, dass ab 70 cm Tiefe nur noch
einzelne Regenwurmgänge am präferentiellen Transport beteiligt waren.
The spatial variability of physical properties in structured soils and the precipitation rate
are two important factors that determine the transport behaviour of dissolved and
particulate substances through the vadose zone into ground and surface waters. A
multitracing-technique was used to identify and characterize the transport phenomena
using the herbicide isoproturon, the conservative tracer bromide (Br), the dye tracer
Brilliant Blue (BB) and fluorescent microspheres (MS) with 1 and 10 µm diameter.
Eight irrigation experiments on plots with an area of 2 m2 were performed in a silty soil
under different tillage and irrigation conditions. MS were used for the first time on field
scale to mimic particulate transport. Four plots were excavated directly after irrigation
whilst the other four were excavated after an exposure of 90 days to the weather
conditions, which were constantly monitored. For each plot, horizontal cross-sections
were photographed at intervals between 5 to 10 cm for digital imaging analysis.
Disturbed soil samples were taken from all cross-sections to analyse the applied
substances and the chemical soil properties. Br and isoproturon concentrations were
determined on 15 samples, whereas MS were determined on 50 samples. Furthermore,
undisturbed soil cores were used to determine the physical properties. The
quantification of the MS was done by fluorescence microscopy and digital imaging. The
BB concentrations were determined photometrically and then related to the colour
spectra of the digitised photographs using two second-order, polynomial regression
functions. These functions were successfully transferred to all plots to get spatially
highly resolved concentration patterns of each horizontal cross-section. The
representativeness of the sampling strategy based on 15 samples was confirmed by
similar recoveries of the dye tracer on 1 m2. The transport behaviour of the applied
substances were compared by quantifying depth distributions and spatial moment
analysis. The results showed that the depth of tillage directly influenced the mean
transport distance and the occurrence of preferential flow: deeper tilled soils showed a
larger mean transport distance of the tracers and preferential flow was reduced. The dye
coverage and the depth distributions indicated that all substances were transported
preferentially up to 120 cm depth if an irrigation rate of at least 6.7 mm h-1 followed
directly after application. All results for the dissolved and particulate tracers showed,
that small quantities of these substances are transported preferentially irrespective of
their physico-chemical properties. However, the mean transport distance through the
soil matrix is influenced by these properties. The mean effective retardation of BB was
about 2 and 4 on the plots excavated 1 day and 90 days, respectively, that of the MS
between 1 and 7. A constant ratio of approximately 0.2 was found between the mean
transport distance of Br and the maximum distance. The convection-dispersion-equation
(CDE) was able to describe the bulk transport of Br with depth. The CDE could not
account for the tailing part of the depth distribution probably caused by preferential
flow. A possible explanation for the occurrence of preferential flow is that the higher
irrigation and precipitation intensity destroy aggregates at the soil surface and water
ponded at the surface. This results in a heterogeneous infiltration, although the
infiltration capacity of the matrix is not exceeded. The highest concentrations of MS
were always determined on these consolidated soil surfaces. The precipitation rates had
no influence on the number of preferential flow pathways created, however it directly
influenced the transport distance within the existing pathways and the mean transport
distance. Dye distribution and zones with local saturation indicated that the plough layer
is an important zone, which may induce preferential flow.
Neuerscheinungen
Schriften des Forschungszentrums Jülich
Ihre Ansprechperson
Heike Lexis
+49 2461 61-5367
zb-publikation@fz-juelich.de