Rheologische Untersuchungen an tidebeeinflussten Uferböden der Elbe als Grundlage für die Entwicklung mikromechanischer Pedotransferfunktionen

Die Bodenmikrostruktur ist das Produkt einer Vielzahl physikalischer, chemischer und biologischer Wechselwirkungen und bestimmt das Verhalten gegenüber mechanischer Belastung auf der Meso- bzw. Makroebene (Aggregatebene bzw. Bodenvolumen). Aufgrund der Komplexität der möglichen Interaktionen zwischen physiko-chemischen Eigenschaften und Textur sowie daraus resultierender Partikelanordnung, Porengrößenverteilung und Wassergehalte, ergibt sich für die Boden(mikro)struktur ein viskoelastisches Deformationsverhalten, dass durch rheologische Analyseverfahren untersucht und charakterisiert werden kann. In der vorliegenden Arbeit wurde das rheologische Verhalten tidebeeinflusster Uferböden der Unteren Elbeniederung mittels Amplitudentests (AST) im Platte-Platte-Messsystem unter Vorgabe der Scherdeformation bei unterschiedlichen Matrixpotentialen (quasi-gesättigt, -6 kPa, -15 kPa) analysiert. Auf Grundlage des Flächenparameters Integral z, welcher die Mikrostabilität quantifiziert, konnte gezeigt werden, dass die mikrostrukturelle Stabilität deutlich von Textur und Wassergehalt abhängt. Hierbei erfolgt der Abbau der Mikrostruktur bei zunehmender Deformation je nach Textur in charakteristischer Art und Weise. Eine zunehmende Austrocknung stabilisiert die Mikrostruktur durch Meniskenkräfte, wobei die Reaktion auf Entwässerung in feinkörnigen Proben deutlicher ausgeprägt war als in grobkörnigen Substraten. Des Weiteren unterstreichen die gewonnenen Ergebnisse, dass strukturungünstige oder strukturgünstige Kombinationen der physiko-chemischen Eigenschaften nicht zwangsläufig an einen bestimmten Bodenentwicklungsgrad geknüpft sind. Besonders bei weiter fortgeschrittener Pedogenese können in den hier untersuchten Marschböden sowohl strukturgünstige als auch strukturungünstige Kombinationen auftreten. Unter Berücksichtigung der kombinierten Effekte der bodenchemischen Parameter wurden mit Hilfe statistischer Tests die für die Mikrostruktur signifikanten bodenchemischen Parameter identifiziert. Basierend auf den ermittelten statistischen Beziehungen wurden plausible Pedotransferfunktionen für definierte Bodengruppen entwickelt, die eine rechnerische Ableitung des Integral z erlauben. Stabilisierende Faktoren sind demnach: organische Bodensubstanz, Calciumkonzentration, Carbonatgehalt und dithionitlösliche, pedogene Eisenoxide; dagegen stellen Natriumkonzentration und Wassergehalt strukturungünstige Faktoren dar.

Soil structure is the product of a variety of physical, chemical and biological interactions and determines the deformation behavior with respect to external stress on mesoscale resp. macroscale (i.e. soil aggregates resp. bulk soil). Due to the complexity of possible interactions between physicochemical properties and texture and the resulting particle arrangement, pore size distribution and water content, the soil´s microstructure exhibit viscoelastic deformation behavior, which can be evaluated and characterized by rheological measurements. In the present work the rheological behavior of tide influenced Marshland soils of the River Elbe (North Germany) were analyzed. Soil samples were equilibrated to different matric potentials (quasi-saturated, -6 kPa, -15 kPa) and amplitude sweep tests (AST) were conducted with a parallel-plate measuring system under controlled shear deformation. Based on the area parameter integral z, that quantifies the microstructural stiffness, it could be shown that microstructural stability clearly depends on water content and texture. Therefore, the gradual depletion of microstructural stiffness takes place in a characteristic manner depending on texture. With increased desiccation the microstructure is stabilized by menisci forces. The reaction of drying is much more pronounced in fine textured samples than in coarse grained substrates. Furthermore, the results obtained emphasize that structurally unfavorable or favorable combinations of physicochemical properties are not inevitably linked to a certain degree of pedogenesis. Especially for more advanced soil development both structurally unfavorable and favorable combinations can occur in the studied soils. Taking into account the combined effects the physicochemical factors influencing microstructural stability could be identified using statistical tests. Based on the determined statistical relationships between rheological and physicochemical parameters influencing soil microstructure, plausible pedotransfer functions have been developed for defined texture groups, which allow a mathematical estimation of the rheological value integral z. Thus, stabilizing factors are: soil organic matter, calcium concentration, carbonate content and dithionite soluble, pedogenic iron oxides; whereas the concentration of sodium and water content represent structurally unfavorable factors.