Porenvolumen (Boden)

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Porenvolumen ist ein Begriff der Bodenkunde und bezeichnet das gesamte, mit Luft oder Wasser gefüllte Hohlraumvolumen des Bodens.

Der Bodenkörper lässt sich gedanklich aufteilen in das Volumen der festen Bodensubstanz und in das Porenvolumen.

Das Porenvolumen eines Bodens teilt sich auf in:

  • Primärporen; sie hängen ab von der Korngrößenverteilung der mineralischen Bodenbestandteile sowie von Art und Zusammensetzung der organischen Bestandteile (Humus)
  • Sekundärporen; sie hängen ab vom Bodengefüge und damit von chemischen Eigenschaften der Minerale sowie vom Einfluss der Pflanzen (Wurzeln bilden Wurzelröhren) und Tiere (bilden Gänge, graben, durchmischen, …).

Sättigt man den Boden vollständig mit Wasser (Porenvolumen = Wasservolumen) und entzieht man ihm dann das Wasser stufenweise mit bekannten Unterdrücken (Bodenwasserspannung), so lassen sich nacheinander entwässern:

  • die weiten (schnell dränenden) Grobporen
  • die engen (langsam dränenden) Grobporen
  • die Mittelporen
  • die Feinporen.

Grobporen sind Poren mit einem Durchmesser von mehr als 0,01 mm (> 10 µm). Das Wasser in diesen Poren wird nicht gegen die Erdanziehungskraft zurückgehalten und sickert daher als Sickerwasser durch den Boden.[1] 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 sind körnungsbedingte Poren zwischen den Einzelkörnern. Deshalb bestimmt die Größe der mengenmäßig überwiegenden Einzelkörner auch bestimmte Größenbereiche der Primärporen (vgl. Tab. im folgenden Unterkapitel):

Als Faustregel kann gelten, dass die Größe der durchgängigen, kanalartigen Poren etwa einem Drittel der dominierenden Korngröße entspricht. Konkrete Größenwerte finden sich unten in der Tabelle "Einteilung nach ...".

Weil kleine Körner schlechter gegeneinander verschiebbar sind als große, nimmt mit abnehmender Größe der Einzelkörner das Gesamtporenvolumen zu; kleine Einzelkörner sind also natürlicherweise nicht so dicht gepackt wie große Einzelkörner.

Verteilung der Porengrößenbereiche für Bodenarten-Hauptgruppen

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Wenn man im Gelände mit der Fingerprobe die Bodenart oder zumindest die Bodenarten-Hauptgruppe bestimmt, dann gibt die folgende Tabelle einen ersten Eindruck der Porengrößenverteilung vor Ort. Diese Tabelle stammt aus der Bodenkundlichen Kartieranleitung bzw. der DIN 4220, die außerdem für jede Bodenart und die ermittelten Porengrößenbereiche spezifische Kennwerte der bodenphysikalischen Parameter Feldkapazität, nutzbare Feldkapazität, Luftkapazität und Totwasser enthält.

Grobporen Mittelporen
in Vol.-%
Feinporen
in Vol.-%
Wasserleitfähigkeit
in cm/d
weite
in Vol.-%
enge
in Vol.-%
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

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!

Sekundärporen sind gefügebeeinflusste Grobporen (auch Makroporen genannt) mit Äquivalentdurchmessern von über 50 µm zwischen den Aggregaten (Bodengefüge, also nicht zwischen den Einzelkörnern) und Bioporen.

Aggregate bilden sich:

  • 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, durch die verbauende Wirkung von (Feinst-)Wurzeln und Pilzhyphen oder durch die mechanische Wirkung von Wurzel- oder Regenwurmgängen; im Extrem auch durch Gänge von Mäusen, Maulwürfen o. ä.

Die räumliche Verteilung der sekundären Poren ist oft ungleichmäßig (anisotrop); ihre Ausrichtung vorwiegend senkrecht. Das sekundäre Porensystem ist wichtig für den Luft- und Wasserhaushalt besonders feinkörniger Böden.

Einteilung nach der Saugspannung

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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.

Boden mit Porenvolumen: (1) tragender Meniskus (2) Bodenpartikel (3) Luft führende Bodenpore (4) Kapillarwasser (5) Adsorptionswasser (6) Grund- oder Stauwasser
Einteilung der Poren und Kennwerte des Bodenwasserhaushaltes
Kategorie Ausprägungen
Porenbereiche weite Grobporen enge Grobporen Mittelporen Feinporen
Saugspannung
in hPa
unter 60 60 bis 300 300 bis 15.000 über 15.000
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)

Üblicherweise wird das Volumen der Poren auf das gesamte Volumen des Bodens bezogen. Dann ergeben sich die dimensionslosen Kennzahlen:

  • das Porenvolumen mit der Hilfsmaßeinheit %, Vol.-% bzw.  % (v/v) (wie in obiger Tabelle "Verteilung der Porgengrößenbereiche ...")
  • die Porosität mit und der Hilfsmaßeinheit 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 kann auch auf das Volumen des Festkörpers bezogen werden, dann ergibt sich als Kennzahl:

  • die Porenziffer , die auch größer als 1 werden kann.

Die Porenziffer erlaubt es, Änderungen des Porenvolumens auch bei erheblichen Änderungen des gesamten Bodenvolumens miteinander zu vergleichen (beispielsweise bei Verdichtungen), weil hier anders als beim Porenvolumen oder der Porosität der Bezugswert gleich bleibt.

Porosität und Porenziffer können ineinander umgerechnet werden:

.
  • 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).

Einzelnachweise

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  1. Holger Seipel: Fachkunde für Gärtner/-innen. Hauptband (= Gartenbau). 11., überarbeitete und erweiterte Auflage. Dr. Felix Büchner, Handwerk und Technik, Hamburg 2021, ISBN 978-3-582-85867-2.