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Bestimmung der USLE-Faktoren

Im folgenden Kapitel wird ausführlich erläutert, wie die USLE-Faktoren für die vorliegende Arbeit ermittelt wurden und welche Probleme dabei auftraten bzw. welche Ergebnisse berechnet wurden.

Der Regenfaktor R

Der R-Faktor drückt den Durchschnittswert der gebietsspezifischen Erosionswirksamkeit der Niederschläge in einem Untersuchungsraum aus. Niederschläge gelten nur dann als erosiv, wenn sie eine bestimmte Menge oder Intensität überschreiten. Für Modellanwendungen in Deutschland gelten als Grenzwerte 10 mm Niederschlagsmenge oder 10 mm/h Niederschlagsintensität (SCHWERTMANN et al. 1987). Die Niederschlagsintensität wird als maximale 30-Minuten-Intensität (I30) formuliert. Liegt zwischen zwei Niederschlagsereignissen ein Zeitraum von weniger als sechs Stunden, so gelten sie als Einzelereignis. Der R-Faktor ist die Summe der R-Werte der Einzelniederschläge (Re), welche die genannten Kriterien erfüllen. Der Re-Wert eines Starkregenereignisses wird wie folgt berechnet:
Re = Ee * I30 (7-2) mit: Ee = kinetische Energie in kJ/m2
Die kinetische Energie des Starkregenereignisses ergibt sich aus der Summation seiner Abschnitte nach der Formel:
Ee = (11.89 + 8.73 log Ii) * Ni (7-3) mit: Ii = Intensität des Niederschlagsabschnitts i Ni = Niederschlagsmenge des Abschnitts i
Der R-Faktor läßt sich anschließend nach folgender Formel berechnen (AUERSWALD 1984):
R = Ee * I30 in: kJ/m2*mm/h = N/h (7-4)
Die Erosivität der Niederschläge in Schleswig-Holstein ist von NAUNIN (1990) untersucht worden. Als Meßnetz standen 18 Stationen zur Verfügung. Die Stationen Kiel, Plön und Neumünster sind die nächstgelegenen Meßstationen des Untersuchungsgebietes Bornhöveder Seenkette. Niederschlagsereignisse mit einer Gesamtniederschlagsmenge > 10 mm oder einer Niederschlagsintensität > 10 mm/h gingen in die Untersuchung ein. Der Untersuchungszeitraum umfaßte in der Regel die Jahre 1976 bis 1987. Infolge hoher Ausfallzeiten in den Wintermonaten liegen Ergebnisse nur für den Zeitraum März bis November vor. In Kiel wird mit 45.90 N/h der zweithöchste R-Faktor in Schleswig-Holstein erreicht, in Plön mit 44.49 N/h der dritthöchste im Land; für Neumünster wird ein Wert von 41.22 N/h errechnet. Zur Ermittlung von Jahreswerten ist es notwendig, einen Zuschlag zu den von NAUNIN (1990) vorgestellten R-Faktoren zu errechnen (SAUERBORN 1994). Der Zuschlag ergibt sich aus dem prozentualen Verhältnis der Niederschlagssummen von März bis November zu der Jahressumme. Durch Addition dieses Zuschlags erreicht Kiel einen (Jahres-) R-Faktor von 56.81 N/h, Plön einen R-Faktor von 55.25 N/h und Neumünster den Wert 50.94 N/h.

Um flächenhafte Ergebnisse zur Regenerosivität zu erhalten, werden die statistischen Zusammenhänge, der an Meßstationen ermittelten R-Faktoren mit den flächendeckend vorhandenen Niederschlagssummen untersucht. Die dabei ermittelte Regressionsfunktion der Regenerosivität des Untersuchungszeitraums (1976-1987) zur langjährigen mittleren Niederschlagssumme (1951-1980) steht in keinem engen statistischen Zusammenhang (r = 0.31), so daß die R-Faktoren der 18 schleswig-holsteinischen Meßstationen nicht flächenrepräsentativ sind (SAUERBORN 1994). Werden zu den langjährigen mittleren Monatssummen von März bis November prozentuale Zuschläge hinzugerechnet (s.o.), ergeben sich modifizierte Niederschlagsjahressummen. Diese Jahreswerte erzielten in der folgenden Regressionsfunktion für die Erosivität der Niederschläge die höchste Korrelation (SAUERBORN 1994):
y = -21.08 + 0.0905 Jx (r = 0.59) (7-5) mit: Jx=langj. mittlere Niederschlagssumme
Die Isoerodentkarte (siehe Abb. 7-1) von Schleswig-Holstein, die von SAUERBORN (1994) mit Hilfe der obengenannten Regressionsfunktion, Daten von NAUNIN (1990) und Verdichtungsdaten aus dem Klimaatlas von Schleswig-Holstein durch gewichtete Interpolation erstellt wurde, zeigt für das Untersuchungsgebiet einen R-Faktor von ca. 50 N/h an.
In der Datenbank des Projektzentrums Ökosystemforschung konnten Niederschlagsdaten der letzten sechs Jahre (April 1989 bis Mai 1995) ausgewertet werden. Die Daten lagen in der zeitlichen Auflösung von Stundenwerten vor. Dadurch konnte nicht die geforderte maximale 30-Minuten-Intensität berechnet werden. Darüber hinaus läßt die Auswertung von nur sechs Jahren noch keinen gültigen Mittelwert zu (SCHWERTMANN et al. 1987). Der aus den Projektdaten berechnete R-Faktor mit einer Höhe von 52 N/h liegt dennoch im realistischen Rahmen. Er bestätigt den R-Faktor, der aus der Isoerodentkarte bei SAUERBORN (1994) abgelesen wurde. Von den insgesamt 1161 erfaßten Niederschlagsereignissen waren 143 (24 pro Jahr) im Sinne der USLE erosionsrelevant.

Abb. 7-1: Die Isoerodentkarte von Schleswig-Holstein (aus: SAUERBORN 1994)
In den folgenden Erosionsberechnungen für das Untersuchungsgebiet wird mit dem von SAUERBORN (1994) ermittelten R-Faktor in Höhe von 50 N/h gerechnet. Dieser Wert bedeutet nach der Einteilung der R-Faktoren Deutschlands in Gefahrenstufen eine geringe Erosionsgefährdung durch Niederschläge (SAUERBORN & GRUNERT 1995).

Bodenerodierbarkeitsfaktor K

Die Erosionsgefährdung von Böden hängt von vielen Bodeneigenschaften ab, läßt sich aber mit fünf Bodeneigenschaften hinreichend gut quantifizieren (WISCHMEIER & SMITH 1978, SCHWERTMANN et al. 1987). Demnach kann der Bodenerodierbarkeitsfaktor K durch die Bodeneigenschaften
  1. Gehalt [%] an Schluff + Feinstsand (Korngröße 0.002-0.1 mm),
  2. Gehalt [%] an Sand - Feinstsand (Korngröße 0.1-2 mm),
  3. Humusgehalt [%],
  4. Aggregatklasse und
  5. Durchlässigkeitsklasse

berechnet werden. Obwohl die Erosionsgefährdung nicht ausschließlich von diesen Variablen abhängt, beschreiben sie nach WISCHMEIER & SMITH (1965, 1978) das Gefährdungspotential hinreichend genau.
Die fünf genannten Bodeneigenschaften werden mit Hilfe der folgenden Gleichung zum K-Faktor verrechnet (SCHWERTMANN et al. 1987):
K = 2.77 * 10-6 * M1.14 * (12-OS) + 0.043 * (A-2) + 0.033 * (4-D) (7-6)
M = (% Schluff + % Feinstsand) * (% Schluff + % Sand - Feinstsand)OS = % organische Substanz; für OS > 4% 4 einsetzenA = Aggregatklasse nach K3D = Durchlässigkeitsklasse nach K3
Der Boden ist nach der USLE erosionsanfälliger bei:
  1. abnehmendem Tongehalt,
  2. zunehmendem Schluff- und Feinstsandgehalt,
  3. abnehmendem Anteil organischer Substanz,
  4. abnehmender Permeabilität und
  5. größeren Aggregaten.
Bei Steinbedeckung der Böden ist eine Korrektur des berechneten K-Faktors vorgesehen (SCHWERTMANN et al. 1987). Der Korrekturwert kann aus eigens dafür entwickelten Nomogrammen entnommen werden. Die Einbeziehung der Steinbedeckung bei der Berechnung der K-Faktoren für das Arbeitsgebiet wurde nicht berücksichtigt.
Meßmethodische Erfassung des K-Faktors
Durch die Definition der USLE-Faktoren kann abgeleitet werden, daß unter Standardbedingungen der USLE (WISCHMEIER & SMITH 1965, 1978) der K-Faktor gleich dem Quotienten A/R ist, da die übrigen Faktoren (LS, P, C) gleich eins sind. In Versuchen wird der Bodenabtrag (A) bei künstlichen Starkregen (R) auf Standardparzellen (22 m Länge, 9% Neigung, Schwarzbrache, keine Erosionsschutzmaßnahmen) gemessen. Der R-Faktor kann bei künstlichen Starkregen leicht berechnet werden. Durch diese Definition ergibt sich die Dimension des K-Faktors: .
Untersuchungen dieser Art (AUERSWALD 1984, BOTSCHEK 1991, MARTIN 1988) geben Aufschluß darüber, ob die von WISCHMEIER & SMITH (1978) postulierte Korrelation und die von SCHWERTMANN et al. (1987) für deutsche Verhältnisse quantifizierte Beziehung zwischen der Bodenerodibilität und den genannten fünf Bodeneigenschaften zutrifft.
Bestimmung des K-Faktors aus dem Beschrieb der Reichsbodenschätzung
Vereinfacht kann der K-Faktor aus dem Klassenbeschrieb der Bodenschätzung abgeleitet werden. Die Tabelle 7-1 zeigt die den Klassenbeschrieben zugeordneten K-Werte. Diese vereinfachte Ermittlung ist nur für die Ackerstandorte zulässig. Den Grünlandbeschrieben können keine K-Faktoren zugeordnet werden (SCHWERTMANN et al. 1987).




Tab. 7-1: Mittlere K-Faktoren der Ackerbeschriebe der Reichsbodenschätzung (aus: SCHWERTMANN et al. 1987)

Bodenart nach Entstehung
K-Faktor
Reichsboden- schätzung
Zustandstufe
S D, Al, V
0.100
Sl D, Al, V
0.150
lS D, Al, V
0.200
SL D, Al, V
0.300
0.250
sL D, Al
0.400
L D, Al
0.500
LT D, Al
0.400
0.350
T D, Al
0.300


Die Daten der Bodenschätzung bilden die einzige Bodeninformationsebene, die für alle landwirtschaftlichen Nutzflächen im Untersuchungsgebiet vorhanden ist. Mit Hilfe der Tabelle 7-1 kann der K-Faktor für diese Flächen abgeschätzt werden. Unbefriedigend ist, daß Grünlandschläge keine Wertzuweisung erhalten können.

Regression zwischen Bodendaten und berechneten K-Faktoren
Körnungsdaten, wie sie zur Ermittlung des K-Wertes nach der Gleichung 7-6 nötig sind, liegen nicht flächendeckend vor. Die aus dem Beschrieb der Bodenschätzung übersetzten Bodenarten, die für das gesamte Gebiet verfügbar sind, differenzieren die Körnung nur in die Hauptbodenarten Ton, Schluff und Sand. Daten zur Bodenart mit einer Fraktionierung in Grob-, Mittel- und Feinsand bzw. -schluff sind für 100 repräsentative Bodenhorizonte vorhanden. Hierbei handelt es sich um Bodenproben von den Testflächen, die REICHE (1991) zur Validierung der Modellergebnisse im Bereich der Bornhöveder Seenkette untersucht hat.
Der Feinstsandanteil kann vereinfacht ermittelt werden, indem man ein Drittel des Feinsandgehaltes als Feinstsand definiert (SCHWERTMANN et al. 1987).
Alternativ hierzu kann der Feinstsandanteil mittels der folgenden Regressionsgleichung bestimmt werden (SCHWERTMANN et al. 1987):
Anteil Feinstsand [%] = 2.6 + 0.285 [% Feinsand] - 0.138 * [% Mittelsand] (7-7) (r = 0.875)
Die über Bodenartenklassen gemittelten K-Faktoren zeigen, daß der Unterschied zwischen beiden Berechnungsverfahren sehr gering ist. Nachteil des zweiten Rechenverfahrens ist allerdings, daß bei hohem Anteil an Mittelsand bei gleichzeitiger Armut an Feinsand eines Bodens negative Werte berechnet werden können. Diese Methode kam daher nicht zur Anwendung und der Feinstsandgehalt wurde als ein Drittel des Feinsands bestimmt. Die Tabelle 7-2 zeigt die für die Bodenartenklassen (K3) gemittelten Ergebnisse der Berechnung des Feinstsandanteils der 100 Bodenproben und die K-Faktoren.

Tab. 7-2: Gemittelte Feinstsandanteile [%] und daraus berechnete K-Werte für 100 Boden- horizonte

Bodenart (KA 3)
ffS = fS / 3
K-Wert
ffS berechnet n. Gleichung 7-7 [%]
K-Wert
n
Ls3 7,39 0,26 7,61 0.260 11,00
Ls4 8.700 0,26 8,61 0,26 2,00
Lt2 4,94 0,31 6,03 0,32 3,00
S 4,85 0,08 -0,61 0,06 16,00
Sl2 5,59 0,16 1,76 0,14 27,00
Sl3 8,13 0,24 7,25 0,23 15,00
Sl4 8,13 0,26 7,97 0,26 15,00
Su2 8,20 0,23 4,90 0,21 7,00
Su3 6,51 0,32 4,27 0,30 4,00


Nachdem die K-Faktoren mit der Gleichung 7-7 kalkuliert wurden, konnte mittels Regressionsanalyse festgestellt werden, mit welchen flächenhaft vorliegenden Bodeneigenschaften der K-Faktor vereinfacht für Böden im Bornhöveder Seengebiet beschrieben werden kann. Mit dieser Regressionsgleichung kann nun auch für einige Grünlandböden der Reichsbodenschätzung der K-Wert bestimmt werden. Erwartungsgemäß ist der Anteil an Schluff [%] am besten geeignet:
K-Wert = 0.272926 * Schluff [%]0.67933 (r2 = 0.88) (7-8)
Zu ähnlichen Ergebnissen kamen auch AUERSWALD (1984) und MARTIN (1988) bei der statistischen Analyse der gemessenen K-Faktoren mit ausgewählten Bodeneigenschaften.

Abb. 7-2: Regressionsanalyse zwischen berechneten K-Faktoren und Schluffgehalt der Bo- denhorizonte
Mit der Gleichung 7-8 konnte der K-Faktor für den Gesamtbodendatensatz des Untersuchungsgebietes errechnet werden. Für die sog. Standardflächen, die bei der Bodenschätzung nicht erfaßt worden sind, können keine Angaben zur bodenbedingten Erosionsgefährdung gemacht werden. Für Moorböden kann ebenfalls keine Angabe gemacht werden, da kein Ton oder Schluff im Boden vorhanden ist. Dies trifft auf viele Grünlandstandorte zu. Der K-Wert der Moorböden wird auf 0.02 festgelegt, damit diese Flächen nicht völlig aus der Modellierung herausfallen. Zur Veranschaulichung der Ergebnisse, ist in Tabelle 7-3 dargestellt, wie hoch der K-Faktor gemittelt über die im Untersuchungsgebiet vorkommenden Bodenartenklassen ist.

Tab. 7-3: K-Faktoren der Bodenartenklassen im Untersuchungsgebiet und ihr prozentualer Anteil an der Größe Arbeitsgebietes
Bodenart K-Faktor Anteil [%]
S 0.100 13.500
Su2 0.190 10.000
Sl2 0.170 12.200
Sl3 0.230 16.800
Sl4 0.250 6.800
Ls3 0.300 11.900
Ls4 0.220 1.300
Lts 0.250 1.200
Tu4 0.440 0.200
Moorböden 0.020 5.500
Standardflächen ---- 20.400


Ein Vergleich der in dieser Arbeit berechneten K-Faktoren mit denen von HUTH (1993), der die USLE-Faktoren für einem ca. 80 km2 großem Gebiet südwestlich von Trier bestimmte, zeigt eine hohe Übereinstimmung der Bodenerodibilitätswerte für die meisten Bodenartenklassen. Allein bei den Bodenartenklassen Sl4 und Ls4 ergeben sich mit K-Faktoren bei HUTH (1993) von 0.46 für Sl4 und 0.5 für Ls4 große Unterschiede. Die K-Werte der Untersuchung zur Bodenerosion für das Gebiet der ehemaligen DDR (DEUMLICH & FRIELINGHAUS 1994) stimmen in der Größenordnung ebenfalls gut mit denen des Bornhöveder Seengebietes überein. Abb. 7-3 zeigt eine Karte der Bodenerodibilität.

Abb. 7-3: Karte der K-Faktoren im Untersuchungsgebiet (Ausschnitt)
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