Feldversuche zur Erfassung des Transportverhaltens von gelösten und partikulären Tracern mittels Multitracing-Technik in einem schluffigen Boden

Abstract

Die bodenphysikalische Heterogenität in strukturierten Böden und die Niederschlagintensität sind wichtige 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, die vier anderen nach einem Witterungseinfluss von 90 d. Nach Versuchsende wurden horizontale Profilschnitte in 5 und 10 cm Abständen präpariert und für die digitale Bildanalyse fotografiert. Aus jeder Tiefe sind Bodenproben zur Bestimmung 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-Mikrokop 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^-1 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 bedeutende Randbedingung für präferentiellen Fluss ist eine verschlämmte Bodenoberfläche, auf der das Wasser ohne Überschreiten der Infiltrationskapazität heterogen infiltriert. Auf diesen Oberflächen wurden immer die höchsten MS-Gehalte bestimmt. Die Farbverteilung und das Stauwasser auf der Pflugsohle zeigten präferentiellen Transport im teilgesättigten Boden an. Die Witterung erhöhte in bereits erschlossenen präferentiellen Fließwegen die Transportdistanz.

<strong>Field studies for describing the transport behaviour of dissolved and particulate tracers in a silty soil using a multitracing-technique</strong><br /> 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. For each plot, horizontal cross-sections were photographed at intervals between 5 to 10 cm for digital imaging analysis. Soil samples were taken from all cross-sections to analyse 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 related to the colour spectra of the digitised photographs using two second-order, polynomial regression functions. These functions were 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 ^-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 intensities 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.