Starkregen schwemmt fruchtbaren Boden weg

Karge mediterrane Landschaften wie in Griechenland empfinden wir heute als ästhetisch, doch sie sind das Produkt einer bereits in der Antike begonnenen Bodenerosion nach der Abholzung der dortigen Wälder. Die Geschichte kann als Warnung dienen, denn in der EU gelten hunderte Millionen Hektar Boden als durch Erosion gefährdet, davon zwei Drittel durch wasserverursachte Abtragung des Bodens. Letztere haben Andreas Klik und sein Team von der Universität für Bodenkultur Wien in einem vom Wissenschaftsfonds FWF finanzierten Projekt nun genauer untersucht. Denn über die Zusammenhänge von Bodenerosion und Regen gibt es noch eine Reihe offener Fragen.

„Ausschlaggebend für Erosion ist die kinetische Energie der Regentropfen“, erklärt Projektleiter Klik. Die Tropfen wirbeln Bodenpartikel auf, die dann abtransportiert werden. Die Stärke des Effekts hängt von der Größe der Tropfen und ihrer Fallgeschwindigkeit ab. Regentropfen verhalten sich je nach Größe sehr unterschiedlich, wie Klik schildert: „Ein Regentropfen sieht nicht aus, wie man sich das vielleicht vorstellt – wie eine Träne oder eine Kugel. Er flacht sich durch den Luftdruck beim Fallen ab, wölbt sich dann, bis er schließlich die Form eines kleinen Fallschirms annimmt und in mehrere kleinere Tropfen zerplatzt. Das geschieht ab einer Größe von etwa sechs Millimetern.

Fehler bei Messgeräten

„Seit den Neunzigerjahren gibt es Geräte, um die Verteilung der Tropfengröße und Fallgeschwindigkeiten zu bestimmen“, so der Forscher. Diese Messgeräte, Distrometer genannt, die unter anderem mithilfe von Lasern vorbeifliegende Regentropfen vermessen können, sind in den vergangenen zehn Jahren erschwinglich geworden, doch ihr Einsatz ist immer noch selten. „Wir haben uns ein Distrometer angeschafft, um speziell die Loslösung von Bodenpartikeln in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Tropfen zu untersuchen.“

Eigentlich ging es darum, bereits vorhandene Modelle für Erosion zu testen und dafür Messdaten von Distrometern aus Österreich, Tschechien und Neuseeland zu vergleichen. Doch dabei tauchte ein Problem auf, wie Klik berichtet: „Wir hatten verschiedene Partner; das Bundesamt für Wasserwirtschaft hat dasselbe Gerät wie wir, ein Team in Tschechien ein anderes Gerät, in Neuseeland gab es ein drittes Gerät. Wir haben diese Distrometer alle an einen Ort bei uns in Petzenkirchen bei Wieselburg in Niederösterreich gebracht und gesehen, dass sie komplett unterschiedliche Ergebnisse liefern.“ Der Unterschied dabei sei signifikant gewesen, teilweise bis zu 30 Prozent. Klik stellte bei manchen der Geräte eine große Zahl sehr feiner Tropfen fest, die eigentlich zu klein für Regentropfen sind, und vermutet den Fehler dort.

Abschätzung der Energie von Regentropfen

Der Bodenphysiker und seine Kolleg:innen machten sich also daran, die Energie der Tropfen direkt aus der Regenintensität zu berechnen. Messungen in Wieselburg und bei einer langjährigen Messstelle in Mistelbach zeigten, dass die Tropfenenergie sich mit einer Bestimmung der Niederschlagsintensität alle fünf Minuten gut abschätzen lässt. Die Messungen machten dabei starke regionale Unterschiede sichtbar. „Mistelbach hat 550 Millimeter Niederschlag im Jahr, das ist weniger als in Wieselburg, wo wir 900 Millimeter gemessen haben. Der mittlere Tropfendurchmesser war aber in Mistelbach 1,1 Millimeter und in Wieselburg 0,8 Millimeter. Das bedeutet, dass Niederschläge in Mistelbach eigentlich erosiver sind“, berichtet Klik. Trotz der geringeren Tropfengröße sei die Erosion in Wieselburg aber wegen der höheren Regenmenge in Summe stärker.

Trockener Boden gefährdet

Wie genau Regentropfen mit dem Boden wechselwirken, untersuchte Kliks Team dann in einer Feldstudie. Die Ergebnisse der Messstellen in Österreich sollten durch Messungen in Prag und Christchurch in Neuseeland ergänzt werden. Neuseeland lieferte aber aufgrund niedriger Regenmengen zu wenige Daten. „Wir betrachteten sehr kleine Flächen eines nicht bewachsenen Bodens, etwa zwei Quadratdezimeter groß. Nach jedem Niederschlag sind wir hinausgefahren und haben uns angesehen, wie viel Erde von den Messflächen gelöst und in die Umgebung verspritzt wurde“, erzählt Klik. Dabei zeigte sich, dass besonders bei trockenen Böden ein hohes Risiko der Erosion besteht. Feuchter Boden sei wesentlich stabiler: „Da besteht eine bessere Bindung des Bodens und er wird nicht so leicht verspritzt. Trockener Boden ist gefährdet, weil größere Brocken in Einzelpartikel zerschlagen werden, die mit dem Oberflächenfluss leichter abgetragen werden“, so der Forscher.

Gefahr durch Wetterextreme

Die Ergebnisse dieser Grundlagenforschung liefern die wissenschaftlichen Belege für seit Langem beobachtete Phänomene und untermauern, dass das Problem durch zunehmende Wetterextreme an Brisanz gewinnen wird. „Wir messen in Mistelbach seit 25 Jahren und haben 150 Ereignisse dokumentiert. Unter diesen sind vier oder fünf besonders starke Regenfälle, die für mehr als 80 Prozent des Bodenabtrages verantwortlich sind“, sagt Klik.

Der Forscher, der seine Ergebnisse regelmäßig mit landwirtschaftlichen Fachschulen teilt, betont, dass gesunder Boden nicht nur für die Landwirtschaft lebensnotwendig ist: „Wir beziehen in Österreich 100 Prozent unseres Trinkwassers aus dem Grundwasser. Jeder Tropfen Niederschlag kommt mit Boden in Kontakt, der wie ein Filter wirkt. Je länger diese Filterstrecke und je sauberer ein Boden ist, desto besser ist das Grundwasser.“

Die gewonnenen Erkenntnisse aus dem Projekt, an dem Partner aus Tschechien und Neuseeland beteiligt waren und das vom Tschechischen Wissenschaftsfonds GACR kofinanziert wurde, sollen künftig helfen, die erosive Wirkung von Regenfällen besser abzuschätzen und gezielte Maßnahmen zu setzen.

Zur Person

Andreas Klik ist Bodenphysiker und Hydrologe. Er arbeitete am Institut für Bodenphysik und landeskulturelle Wasserwirtschaft der Universität für Bodenkultur Wien und ist seit Kurzem im Ruhestand. Sein Interesse gilt dem Schutz des Bodens und der Bodengesundheit. Das österreichisch-tschechische Projekt, das eine Laufzeit von dreieinhalb Jahren hatte, wurde vom Wissenschaftsfonds FWF mit 341.000 Euro gefördert und 2021 abgeschlossen.

Publikationen

Johannsen L.L., Zambon N., Strauss P., Dostal T., Neumann M., Zumr D., Cochrane T.A., Blöschl G., Klik A.: Comparison of three types of laser optical disdrometers under natural rainfall conditions, in: Hydrological Sciences Journal, Vol. 65, 2020

Johannsen L.L., Zambon N., Strauss P., Dostal T., Neumann M., Zumr D., Cochrane T.A., Blöschl G., Klik A.: Impact of Disdrometer Types on Rainfall Erosivity Estimation, in: Water Vol. 12, 2020

Zambon N., Johannsen L.L., Strauss P., Dostal T., Zumr D., Neumann M., Cochrane T.A., Klik A.: Rainfall parameters affecting splash erosion under natural conditions, in: Applied Sciences 2020

Zumr D., Mützenberg D.V., Neumann M., Jerabek J., Laburda T., Kavka P. et al.: Experimental Setup for Splash Erosion Monitoring – Study of Silty Loam Splash Characteristics, in: Sustainability Vol. 12, 2020