Hier messen die Forschenden die Spritzerosion mit Hilfe von „Splashcups“. © Andreas Klik

Karge mediterrane Landschaften wie in Griechenland empfinden wir heute als Ă€sthetisch, doch sie sind das Produkt einer bereits in der Antike begonnenen Bodenerosion nach der Abholzung der dortigen WĂ€lder. Die Geschichte kann als Warnung dienen, denn in der EU gelten hunderte Millionen Hektar Boden als durch Erosion gefĂ€hrdet, davon zwei Drittel durch wasserverursachte Abtragung des Bodens. Letztere haben Andreas Klik und sein Team von der UniversitĂ€t fĂŒr Bodenkultur Wien in einem vom Wissenschaftsfonds FWF finanzierten Projekt nun genauer untersucht. Denn ĂŒber die ZusammenhĂ€nge von Bodenerosion und Regen gibt es noch eine Reihe offener Fragen.

„Ausschlaggebend fĂŒr Erosion ist die kinetische Energie der Regentropfen“, erklĂ€rt Projektleiter Klik. Die Tropfen wirbeln Bodenpartikel auf, die dann abtransportiert werden. Die StĂ€rke des Effekts hĂ€ngt von der GrĂ¶ĂŸe der Tropfen und ihrer Fallgeschwindigkeit ab. Regentropfen verhalten sich je nach GrĂ¶ĂŸe sehr unterschiedlich, wie Klik schildert: „Ein Regentropfen sieht nicht aus, wie man sich das vielleicht vorstellt – wie eine TrĂ€ne 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 GrĂ¶ĂŸe von etwa sechs Millimetern.

Fehler bei MessgerÀten

„Seit den Neunzigerjahren gibt es GerĂ€te, um die Verteilung der TropfengrĂ¶ĂŸe und Fallgeschwindigkeiten zu bestimmen“, so der Forscher. Diese MessgerĂ€te, 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 AbhĂ€ngigkeit von der kinetischen Energie der Tropfen zu untersuchen.“

Eigentlich ging es darum, bereits vorhandene Modelle fĂŒr Erosion zu testen und dafĂŒr 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 fĂŒr Wasserwirtschaft hat dasselbe GerĂ€t wie wir, ein Team in Tschechien ein anderes GerĂ€t, in Neuseeland gab es ein drittes GerĂ€t. 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 GerĂ€te eine große Zahl sehr feiner Tropfen fest, die eigentlich zu klein fĂŒr Regentropfen sind, und vermutet den Fehler dort.

AbschÀtzung der Energie von Regentropfen

Der Bodenphysiker und seine Kolleg:innen machten sich also daran, die Energie der Tropfen direkt aus der RegenintensitĂ€t zu berechnen. Messungen in Wieselburg und bei einer langjĂ€hrigen Messstelle in Mistelbach zeigten, dass die Tropfenenergie sich mit einer Bestimmung der NiederschlagsintensitĂ€t alle fĂŒnf Minuten gut abschĂ€tzen lĂ€sst. 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 NiederschlĂ€ge in Mistelbach eigentlich erosiver sind“, berichtet Klik. Trotz der geringeren TropfengrĂ¶ĂŸe sei die Erosion in Wieselburg aber wegen der höheren Regenmenge in Summe stĂ€rker.

Trockener Boden gefÀhrdet

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 ergĂ€nzt werden. Neuseeland lieferte aber aufgrund niedriger Regenmengen zu wenige Daten. „Wir betrachteten sehr kleine FlĂ€chen eines nicht bewachsenen Bodens, etwa zwei Quadratdezimeter groß. Nach jedem Niederschlag sind wir hinausgefahren und haben uns angesehen, wie viel Erde von den MessflĂ€chen gelöst und in die Umgebung verspritzt wurde“, erzĂ€hlt 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 gefĂ€hrdet, weil grĂ¶ĂŸere Brocken in Einzelpartikel zerschlagen werden, die mit dem OberflĂ€chenfluss leichter abgetragen werden“, so der Forscher.

Gefahr durch Wetterextreme

Die Ergebnisse dieser Grundlagenforschung liefern die wissenschaftlichen Belege fĂŒr seit Langem beobachtete PhĂ€nomene 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 fĂŒnf besonders starke RegenfĂ€lle, die fĂŒr mehr als 80 Prozent des Bodenabtrages verantwortlich sind“, sagt Klik.

Der Forscher, der seine Ergebnisse regelmĂ€ĂŸig mit landwirtschaftlichen Fachschulen teilt, betont, dass gesunder Boden nicht nur fĂŒr 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 lĂ€nger 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 kĂŒnftig helfen, die erosive Wirkung von RegenfĂ€llen besser abzuschĂ€tzen und gezielte Maßnahmen zu setzen.


Zur Person

Andreas Klik ist Bodenphysiker und Hydrologe. Er arbeitete am Institut fĂŒr Bodenphysik und landeskulturelle Wasserwirtschaft der UniversitĂ€t fĂŒr 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., MĂŒtzenberg 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