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Boden-Dauerbeobachtung – Was ist das?

Was passiert in dem Haus auf dem Feld?

Das Bild zeigt das Häuschen und Messtechnik der BDF II in Colditz.
BDF II Colditz  © Holger Forberg

Dieses Häuschen beherbergt viel Technik und Know-How für die Boden-Dauerbeobachtung. Was ist das und wofür benötigen wir Dauer-Beobachtung?

Böden unterliegen im Laufe der Zeit dauernden natürlichen und menschengemachten Veränderungen, deren Ursachen und Auswirkungen zu untersuchen sind.

Um die Art und das Ausmaß von Veränderungen feststellen zu können, werden auf reprräsentativen Flächen die Veränderungen des Bodenzustandes und der Bodenfunktionen langfristig überwacht.

Ziele der Boden-Dauerbeobachtung sind:

  • Erfassung des IST-Zustandes,
  • langfristige Überwachung von Bodenveränderungen,
  • Ableitung von Prognosen,
  • Auswertung der Boden-Dauerbeobachtung mit Empfehlungen für umweltgerechte, nachhaltige Flächennutzung.

Dafür betreibt der Freistaat Sachsen unter Führung des Sächsischen Landesamtes für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie seit 1995 insgesamt 56 Boden-Dauerbeobachtungsflächen (BDF). Dort werden Bodenproben entnommen und analysiert sowie Informationen zur landwirtschaftlichen Nutzung dokumentiert.

Lommatzscher Pflege  © Holger Forberg

Diese Boden-Dauerbeobachtungsflächen werden in die zwei Kategorien BDF I  (Boden-Dauerbeobachtungsflächen vom Typ 1, Basismessfläche) und BDF II  (Boden-Dauerbeobachtungsflächen vom Typ 2, Intensivmessfläche) unterteilt.

BDF-Karte

Überblick über die eingerichteten Boden-Dauerbeobachtungsflächen innerhalb der Bodenlandschaften in Sachsen.

BDF-Standortcharakteristika

Broschüre über ausgewählte Charakteristika der Boden-Dauerbeobachtungsflächen.

Diese Boden-Dauerbeobachtungsflächen BDF I befinden sich auf gebietstypische Böden. Sie liefern grundlegende Informationen über deren physikalischen und chemischen Eigenschaften. Die BDF I werden in größeren Zeitabständen – ein bis fünf Jahre – beprobt.

Kriterien für die Auswahl der BDF I-Standorte:

Erfasst werden durch mindestens eine BDF:

  • Alle sächsischen Bodenlandschaften (Pedoregionale Repräsentanz),   
  • alle sächsischen Naturräume (Naturraumrepräsentanz),
  • alle wichtigen geologischen Einheiten (Geologische Repräsentanz),
  • proportionale Aufteilung entsprechend der prozentualen Nutzungsverteilung (Nutzungsrepräsentanz). Die Waldflächen bearbeitet der Staatsbetrieb Sachsenforst.

Die Erstaufnahme umfasst bei allen Boden-Dauerbeobachtungsflächen (BDF I + BDF II) identische Parameter. Sie dient der Dokumentation des Ist-Zustandes. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen ermöglichen eine Charakterisierung gebietstypischer und weit verbreiteter Böden hinsichtlich ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften. Durch die Wiederholungsbeprobungen im Fünfjahreszyklus lassen sich substratbezogene Entwicklungstendenzen abschätzen.

Allgemeine Charakterisierung

  • Bodenregion
  • Bodenform
  • Naturraum
  • Klima

Bodenphysikalische Eigenschaften

  • Korngrößenzusammensetzung
  • Wasserdurchlässigkeit
  • Rohdichte
  • Gesamtporenvolumen (Grob-, Mittel-, Feinporen)

Bodenchemische Eigenschaften

  • pH-Wert
  • potenzielle und effektive Austauschkapazität
  • Gesamtgehalte an Hauptelementen
  • Gesamtgehalte an Schwermetallen und Arsen
  • Gesamtgehalte an Nichtmetallen
  • mobile Anteile an Schwermetallen und Arsen (Extraktion)
  • pflanzenverfügbare Nährstoffe

Bewirtschaftungsdaten

Das Bild zeigt ein Bodenprofil eines Pseudogley
Schurf der BDF Großschirma zum Zeitpunkt der Erstaufnahme  © Ronald Symmangk, 1995

Einige der Boden-Dauerbeobachtungsflächen besitzen aus Sicht des Bodenschutzes besondere Bedeutung (Stoffbelastung, Empfindlichkeit des Bodens usw.). Deshalb werden sie zunächst analog zu den BDF I überwacht. Dementsprechend liegen die gleichen Grundinformationen vor. Als Besonderheit sind sie zudem dauerhaft mit Messgeräten ausgestattet, welche im stündlichen bis monatlichen Turnus Boden- und Klimadaten speichern. Zusätzlich befinden sich auf diesen Flächen Probenahmegeräte, um Bodenwasser und Niederschläge gewinnen und analysieren zu können.

Das Bild zeigt ein eingezäuntes Häuschen mit Messgeräten und zwei Schornsteinen im Hintergrund.
Standort Hilbersdorf als Beispiel für eine BDF II  © Holger Forberg, 2012

Boden-Dauerbeobachtungsflächen BDF II (Intensivmessflächen) dienen u. a. als Frühwarnsystem für schädliche Bodenveränderungen. Das Auftreten spezieller Schadstoffe, die über die Luft oder das Niederschlagswasser in den Boden gelangen können bzw. durch Veränderungen der chemischen Bodenverhältnisse eine Verlagerung erfahren, ist auf diese Weise frühzeitig nachweisbar. Ein entsprechendes Gefährdungspotenzial, wie es z. B. von Schwermetallanreicherungen oder ‑verlagerungen im Boden ausgeht, kann so rechtzeitig erkannt und seinen Auswirkungen durch geeignete vorsorgende Maßnahmen begegnet werden.

Das dauerhafte Untersuchungsprogramm der BDF II umfasst zahlreiche meteorologische, bodenchemische und bodenphysikalische Parameter, die kontinuierlich registriert und ausgewertet werden.

Parameter der kontinuierlichen Untersuchungen (BDF II)

Oberirdisch

  • Globalstrahlung
  • Luftfeuchtigkeit
  • Lufttemperatur
  • Windgeschwindigkeit
  • Windrichtung
  • Niederschlagsmenge
  • Hauptelemente als Gesamtdeposition
  • Schwermetalle als Gesamtdeposition
  • Nichtmetalle als Gesamtdeposition

Unterirdisch (in ausgewählten Horizonten)

  • Bodentemperatur
  • Wassergehalt
  • pH-Wert im Sickerwasser
  • elektrische Leitfähigkeit im Sickerwasser
  • Hauptelemente im Sickerwasser
  • Schwermetalle im Sickerwasser
  • Nichtmetalle im Sickerwasser

Zusätzliche Parameter

  • Pflanzeninhaltsstoffe

weiterführende Informationen

Die entnommenen Bodenproben wurden bei der Ersteinrichtung der BDF und deren wiederholten Beprobungen analysiert, die Ergebnisse ausgewertet und hier in Form von Übersichtskarten zum Download zur Verfügung gestellt. Sie zeigen, getrennt in Ober- und Unterboden, den Ist-Zustand von organischen Spurenstoffen auf den BDF zum Einrichtungszeitpunkt. Die Bewertung der Stoffgehalte erfolgte gemäß Bundes-Bodenschutzverordnung (BBodSchV). Über­schreitungen entsprechender Referenzwerte der BBodSchV (Direktpfad Boden bzw. Pfad Boden-Pflanze) treten in einzelnen wenigen BDF auf.

Parameterkarten BDF-Oberboden

Parameterkarten BDF-Unterboden

Rechtliche Grundlagen zur Weiterverwendung der Karten

Diese Daten werden nur in ihrer vorliegenden Form bereitgestellt. Es besteht kein Anspruch auf weitere Konvertierungen oder Konfektionierungen durch das Sächsische Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG).

Das LfULG behält sich alle Rechte an den Daten vor, insbesondere auch das der Änderung ohne vorherige Ankündigung.

Jede Haftung des Sächsischen Landesamtes für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie für Schäden aller Art aus der Überlassung und der Weiterverarbeitung der Daten ist ausgeschlossen.

Werden die Daten oder aus diesen abgeleitete Daten für Präsentations-, Informations- oder Veröffentlichungszwecke verwendet, so ist bei jeder Präsentation und auf jeder Darstellung die Herkunft der Daten an deutlich sichtbarer Stelle wie folgt anzuzeigen:

»Darstellung auf der Grundlage von Daten des Sächsischen Landesamtes für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie, Dresden.«

Entwicklung von Bodenfeuchte und pflanzenverfügbarem Wasservorrat von den Dürrejahren 2018/2019 bis Anfang August 2020

Dargestellt sind die Auswertungen der Messungen an drei Boden-Dauerbeobachtungsflächen (BDF II) des LfULG:

  • BDF Köllitsch (Nordsachsen, Aue): Vega aus Auensediment (Elbaue)
  • BDF Hilbersdorf (Osterzgebirge): Braunerde aus Lösslehm über Gneis (Östlicher Erzgebirgsnordrand)
  • BDF Schmorren (Mittelsachsen): Kolluvial über Parabraunerde-Tschernosem aus Lösslehm (Mittelsächsisches Lösshügelland)
Das Bild zeigt die Lage der drei BDF im Freistaat Sachsen

Die Dürrejahre 2018/2019 haben in den pflanzenverfügbaren Wasservorräten der Böden Sachsens bis zum Winter 2019/2020 ein großes Defizit verursacht. Erst im Februar 2020 fiel genug Niederschlag, um diese Vorräte zumindest einigermaßen aufzufüllen.

Der Auffüllstand des Wasserspeichers im Boden erreicht seinen höchsten Punkt üblicherweise zu Beginn des Frühjahrs nach der Schneeschmelze. Bleiben Winterniederschläge und Schnee aus, starten die Böden mit einem deutlich niedrigeren Wasservorrat in das Frühjahr. So stiegen auch im Winter 2018/2019 die Bodenwasservorräte an, jedoch konnte das große Defizit vom Sommer 2018 nicht ausgeglichen werden. Am Ende des Jahres 2019 waren wieder deutliche Defizite der pflanzen­verfügbaren Wasservorräte zu verzeichnen.

Entwicklung der Bodenfeuchte

Im August bis Oktober der Jahre 2018/2019 erreichte die Bodenfeuchte aufgrund der langanhaltenden Trockenheit ein absolutes Minimum (Abb.1–4) und sank auf der BDF Hilbersdorf fast bis auf den permanenten Welkepunkt. In dieser Situation kann die Pflanze die im Boden immer noch verbliebene Restfeuchte nicht mehr aufnehmen. Ohne zeitnahen Regen verdorrt sie.

Die Auffüllung des Wasservorrats im Boden erfordert entweder eine langsame Schneeschmelze oder aber einen Landregen, weil nur dann das Wasser in den Boden einsickern kann. Starkregen führt fast ausschließlich zu Oberflächenabfluss und Bodenerosion.

Abb. 1: BDF II-Hilbersdorf – Verlauf der Bodenfeuchten und der Niederschläge 2016 bis August 2020

Die Grafik zeigt den Verlauf der Bodenfeuchten und Niederschläge an der BDF in Hilbersdorf.
Monatsdurchschnitte der Bodenfeuchten [Vol%] (rot), Monatssummen der Niederschläge [l/m²] (blau) 

Abb. 2: BDF II-Hilbersdorf – Verlauf der Bodenfeuchten und der Niederschläge 2018 bis August 2020

Tagesdurchschnitte der Bodenfeuchten [Vol%] (rot), Tagessummen der Niederschläge [l/m²] (blau) 

Abb. 3: BDF II-Köllitsch – Verlauf der Bodenfeuchten und der Niederschläge 2016 bis August 2020

Monatsdurchschnitte der Bodenfeuchten [Vol%] (rot/braun), Monatssummen der Niederschläge [l/m²] (blau) 

Abb. 4: BDF II-Köllitsch – Verlauf der Bodenfeuchten und der Niederschläge 2018 bis August 2020

Stundenwerte der Bodenfeuchten [Vol%] (rot/braun), Stundensummen der Niederschläge [l/m²] (blau) 

Pflanzenverfügbarer Wasservorrat

In normal feuchten Jahren liegt der Auffüllstand des verfügbaren Wasserspeichers im Oberboden je nach Jahreszeit und Bodenart zwischen 40 und 80 % und kann in extremen Trockenzeiten (meist zum Ende des Sommers) bis unter 10 % absinken (Sandböden).

Die Auswertungen haben gezeigt, dass der pflanzenverfügbare Wasservorrat in den obersten 40 cm der Lössboden seit 2014 kontinuierlich um ca. 20 l/m² gesunken ist (Abb. 5), dieses Wasser fehlt dann gerade in den extremen Hitze- und Trockenperioden. Das maximale Wasserdefizit wurde hier jedoch am Ende des Dürrejahrs 2003 gemessen.

Abb. 5: Verhältnis zwischen pflanzenverfügbarem Wasservorrat und Bodenfeuchte in der Bodenschicht bis 40 cm am Beispiel eines Lössstandortes – BDF II Schmorren

Maximal verfügbarer Wasservorrat [l/m²] in 0–40 cm Teufe (braun), Real pflanzenverfügbarer Wasservorrat [l/m²] in 0–40 cm Teufe (grün), Überschuss/Defizit an pflanzenverfügbarem Wasservorrat [l/m²] in 0–40 cm Teufe (rot), Tagesmittelwerte der Bodenfeuchten [Vol%] (magenta), Tagessummen der Niederschläge [l/m²] (blau) 

Eine dünne Schicht Boden von nur 1 cm Mächtigkeit kann bei Sandböden ca. 0,5 bis 1 l/m² und bei Lössböden ca. 2 bis 3 l/m² Wasser speichern. Um den Hauptdurchwurzelungshorizont von 0 bis 40 cm in diesem Frühjahr wieder ausreichend zu befeuchten, hätte man es am Anfang Mai 2020 zwischen 13 und 24 l/m² Niederschlag als ausdauernden Landregen gebraucht.

Die Situation in Lössböden am Anfang Mai 2020 war noch kein Problem, weil der absolut verfügbare Wasservorrat dort immer noch sehr groß war. In Sandböden war das jedoch in diesem Frühjahr ein großes Problem, weil der absolute Vorrat an pflanzenverfügbarem Wasser fast aufgebraucht wurde und die Hauptwachstumsphase der Pflanzen noch bevorstand.

Aktuell befindet sich ca. 50 l/m2 (Stand: Anfang August) an pflanzenverfügbarem Wasser im Oberboden der Lössböden. Im Vergleichszeitraum 2016/2017 waren es etwa 60-64 l/m2. In sandigen Substraten sind aktuell nur 5 l/m2 an pflanzenverfügbarem Wasser im Oberboden vorhanden. In den Jahren 2016/2017 wurden Anfang August etwa 26-30 l/m2 gemessen.

Abb. 6: Verhältnis zwischen pflanzenverfügbarem Wasservorrat und Bodenfeuchte in der Bodenschicht bis 40 cm am Beispiel eines lehmig-sandigen Standortes – BDF II Köllitsch

Maximal verfügbarer Wasservorrat [l/m²] in 0–40 cm Teufe (braun), Real pflanzenverfügbarer Wasservorrat [l/m²] in 0–40 cm Teufe (grün), Überschuss/Defizit an pflanzenverfügbarem Wasservorrat [l/m²] in 0–40 cm Teufe (rot), Tagesmittelwerte der Bodenfeuchten [Vol%] (magenta), Tagessummen der Niederschläge [l/m²] (blau) 

Aufgrund der sich sehr stark unterscheidenden Wasserspeicherkapazitäten verschiedener Bodenarten in verschiedenen Bodenlandschaften ist die Kenntnis des relativen verfügbaren Wasservorrats (in %) nur sehr bedingt für die realistische Beurteilung der Wasserversorgung der Böden geeignet. So entsprechen 40 % verfügbarer Wasservorrat in den obersten 40 cm von lehmig-sandigen Böden einer Wassermenge von 24 l/m2 (BDF Köllitsch, Abb. 6), in Lössböden sind das aber immerhin noch 40 l/m2 (BDF Schmorren, Abb. 5). Aus diesem Grund ist der jeweils absolute verfügbare Wasservorrat in l/m2 für ein definiertes Bodenvolumen (z. B. die effektive Wurzeltiefe) viel besser zur Beurteilung des jeweiligen erreichten Status der Trockenheit geeignet.

Datenbankmanagementsystem der Boden-Dauerbeobachtung

Das Bild zeigt einen Schurf mit installierten Bodenfeuchtesensoren.
Saugkerzen und Sensoren im Schurf 

Einweihung BDF Köllitzsch

BDF-Standortcharakteristika

ab 2015

Stoffkreisläufe an Boden-Dauerbeobachtungsflächen. – In: LfULG-Schriftenreihe, Heft 11/2019     Link

Stickstoffmonitoring sächsischer Böden. – November 2016     Link

Einrichtung einer neuen Boden-Dauerbeobachtungsfläche vom Typ II  im Lehr- und Versuchsgut Köllitzsch. – In: Grundwasser-Altlasten-Boden-Aktuell, LfULG-Schriftenreihe, Heft 26/2015     Link

FIS Boden-Datenbank Boden-Dauerbeobachtung. – In: Grundwasser-Altlasten-Boden Aktuell, LfULG-Schriftenreihe, Heft 26/2015     Link

Boden und Klimawandel. – In: Klimawandel in Sachsen – wir passen uns an. – Dresden, 2015     Link

2010–2014

Erfassung langjähriger Stickstoff-Depositionseinträge auf Boden-Dauerbeobachtungsflächen (BDF II) in Sachsen. – In: Grundwasser-Altlasten-Boden Aktuell, LfULG-Schriftenreihe, Heft 38/2014     Link

Zur zeitlichen Entwicklung ausgewählter Parameter des Stickstoffs auf Boden-Dauerbeobachtungsflächen in Sachsen. – In: Grundwasser-Altlasten-Boden Aktuell, LfULG-Schriftenreihe, Heft 38/2014     Link

Bodenwasserhaushaltsmodellierung im Rahmen der Analyse von Stoffkreisläufen auf Boden-Dauerbeobachtungsflächen. – In: Grundwasser-Altlasten-Boden Aktuell, LfULG-Schrfitenreihe, Heft 30/2013     Link

Entwicklung der Bodenfeuchte auf Boden-Dauerbeobachtungsflächen (BDF II) in Sachsen. – Grundwasser-Altlasten-Boden Aktuell, LfULG Zeitschriftenreihe Heft 41/2012     Link

Ausarbeitung drei Bodenindikatoren für Klimamonitor des LfULG, 2012     Link

Boden-Dauerbeobachtung – Stoffvorratsänderungen im Boden am Beispiel des organischen Kohlenstoffs. – In: Grundwasser-Altlasten-Boden Aktuell, LfULG-Schriftenreihe, Heft 45/2011     Link

2005–2009

Untersuchungen zu Corg und DOC im Rahmen der Boden-Dauerbeobachtung Veranstaltung „Bodenschutz im Klimawandel II“, Dresden, 2009

Climate Change – A Challenge for Saxon Soils? EUROSOIL 2008 in Wien 25.–29.08.2008, Tagungsband, Wien   Link 

Abbildung von Klimaereignissen in Messungen des Bodenmonitorings. – Workshop »Böden im Klimawandel – Was tun?!«, UBA-Texte, 25/08, Dessau-Roßlau, 2008     Link     

Abbildung von Wetterereignissen in Messungen des Bodenmonitorings. – Veranstaltung »Bodenschutz im Klimawandel«, Dresden, 2008

Bodenmonitoring des LfUG. – Veranstaltung  »TerraTec«  am 20.02.07 in Leipzig, 2007

2000–2004

Mikrobiological Indicators and their Temporal Variation in Selected Soils included in Monitoring Sites Programm in Saxony. – EUROSOIL 2004 an Albert-Ludwigs-Universität Freiburg 04.–12.09.2004

Temporal Variability of Microbial Biomass and Activity Related to Different Soil Quality Conditions. – 2004 Seattle, 31.10.–04.11.2004

Stoffliche Untersuchungen auf der Boden-Dauerbeobachtungsfläche (BDF) Hilbersdorf  im Zeitraum 1995–2000. – 54. Berg- und Hüttenmänischer Tag an TU Bergakademie Freiberg, 18.–20.06.2003, Tagungsband, Freiberg, 2003

Auswertung einer BDF II am Beispiel Colditz: Reliktgley-Vega aus Auensand über tiefem Fluvikiessand. – Workshop Boden-Dauerbeobachtung in Deutschland. Ergebnisse aus den Ländern, 16.–17.04.2002, UBA-Texte 66/02, Berlin, 2002

Bodenmonitoring in Sachsen. – Materialien zum Bodenschutz. – Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft, Sächsische Landesanstalt für Forsten, 2001

Bodenmikrobiologische Untersuchungen an landwirtschaftlich genutzten Bodendauerbeobachtungsflächen (BDF II) in Sachsen. – Mitteilgn. Dtsch. Bodenkundl. Gesellsch., 96, 2001

Boden-Dauerbeobachtung. Einrichtung und Betrieb von Boden-Dauerbeobachtungflächen. – In: Rosenkranz/Einsele/Harreß: Handbuch Bodenschutz, Band 3, KennNr: 9152, 2000

1994-1999

Bodenzustandserhebung und Bodenmonitoring in Sachsen. – Tagungsband »Umwelt 2000«, Dresden, 1999

Erste Ergebnisse zur Stoffbilanzierung bei zwei Intensivmessflächen des BDF-Programms von Sachsen. – Mitteilgn. Dtsch. Bodenkundl. Gesellsch., 87; Veranstaltung in Freising, 1998

Boden-Messstationen in Sachsen: Erste Ergebnisse und Möglichkeiten zur Interpretation am Beispiel der Stationen Hilbersdorf und Lippen. – Mitteilgn. Dtsch. Bodenkundl. Gesellsch., 87, Veranstaltung in Freising, 1998

Bodendauerbeobachtungflächen in Sachsen. Projektstudie. – Bericht, Sächsisches Landesamt f. Umwelt u. Geologie, Dresden,1994

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