Bodenphysikalische Untersuchungen zur Prozessanalyse der Wasserbewegung und des Stofftransportes in ungesättigten, strukturierten Böden unter besonderer Berücksichtigung der Mechanismen der präferentiellen Wirkstoff-Verlagerung

Reinken, Gerald (2004). Bodenphysikalische Untersuchungen zur Prozessanalyse der Wasserbewegung und des Stofftransportes in ungesättigten, strukturierten Böden unter besonderer Berücksichtigung der Mechanismen der präferentiellen Wirkstoff-Verlagerung. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

In einer Freilandlysimeterstudie (ungestörte Bodenkerne landwirtschaftlich relevanter Böden von 1,14 m Durchmesser und 1,10 m Profiltiefe) wurde als reaktive Testsubstanz der 14C-markierte Herbizidwirkstoff Benazolin-Ethyl zeitgleich mit den Wassertracern Bromid und Deuteriumoxid auf zwei verschiedene Böden (Parabraunerde und Gley-Pseudogley) appliziert und über einen Zeitraum von 3 Jahren der Verbleib der Chemikalien in den relevanten Kompartimenten mit hoher Auflösung erfaßt. Die unter den Freilandbedingungen ermittelte Halbwertzeit der Benazolin-Säure betrug im Mittel 76 Tage. Die Massen-verlagerung der Benazolin-Säure erreichte im Studienverlauf, bedingt durch einen zweiphasigen Adsorptionsprozeß unter Bildung gebundener Rückstände, nur eine Verlagerungstiefe von etwa 12 cm. Dies ist in Übereistimmung mit der Vorhersage klassischer chromatographischer Transportmodelle. Bei der Bestimmung der Wirkstoffgehalte im Boden war für beide Böden eine starke Schwankung der Konzentrationen einer Tiefe feststellbar, weches charakteristisch ist für das Vorliegen präferentieller Transport-prozesse. Ebenso zeigten die Versickerungskurven im Perkolat aller untersuchten Boden-monolithe für alle eingesetzten Testsubstanzen (Wirkstoff und Tracer) einen zeitlich zweigipfeligen Konzentrationsverlauf. Neben dem durch die Matrixverlagerung hervorgerufenen Hauptpeak war zusätzlich ein präferentieller Versickerungspeak bereits kurze Zeit nach der Applikation beobachtbar. Die generelle Ursache hierfür ist eine spezifische bodenimmanente Transportcharakteristik in der Art eines schnellen Massenflusses, der sich insbesondere in strukturierten Böden findet und durch Modell-rechnungen nur qualitativ beschrieben aber nicht quantitativ vorgesagt werden kann. Die Langzeitversuche unter transienten Bedingungen wurden ergänzt durch Detailversuche in Lysimetern und Bodensäulen unter quasi-stationären Flußbedingungen. Hierzu wurde zusätzlich der stärker sorbierende Herbizidwirkstoff Methabenzthiazuron sowie der Farbstofftracer Brilliant Blau eingesetzt. Es zeigte sich, daß, bezogen auf den gesamten Stoffaustrag, das Auftreten der präferentiellen Versickerung stark von den experimentellen Bedingungen und weniger von der relativen Sorptionsstärke der verlagerten Substanz abhängt. Hohe Flußraten, die in den Versuchen mit höheren Bodenfeuchten einhergingen, verstärkten sowohl den relativen als auch den absoluten präferentiellen Stoffaustrag. Bei höherer Bodenfeuchte gewinnt der Bereich der Grobporen, bei dem insbesondere für die Parabraunerde ein zweites Maximum in der Porengrößenverteilung angenommen werden kann, für den Transport an Bedeutung. Die Grobporen zeigen ein quantitativ besseres Wasserleit-vermögen als die Bodenmatrix und im Bodenwasser gelöste Umweltchemikalien werden schneller in tiefere Schichten verlagert sofern die Grobporen durch eine hinreichend hoher Feuchte aktiv sind. Infiltrationsversuche mit den Farbstoff Brilliant Blau verdeutlichten zusätzlich, daß die präferentielle Versickerung mit einer räumlich Heterogenität des Stofftransportes im Boden einhergeht. Die Farbstoffinfiltrationsversuche ermöglichten ein direkte Visualisierung präferentieller Fließwege. Es konnte eine Korrelation zwischen den beobachteten Infiltrationsmustern und der Verteilung der organischen Bodensubstanz aufgezeigt werden. Multistep-Ausfußmessungen ermöglichten durch inverse Modellierung die Bestimmung hydraulischer Materialfunktionen und mikroskaliger Transportparameter, wobei die Messungen für unterschiedliche Bodentiefen der Parabraun-erde durchgeführt wurden. Die ungesättigte Leitfähigkeit der Parabraunerde konnte für alle vermessenen Tiefen nur unter Annahme einer bimodalen Porengrößen-verteilung aus den Messungen abgeleitet werden. Die auf der Lysimeterskala auffällige räumliche Variabilität der pF-WG-Charakteristik konnte mit dem Ansatz eines Scaling-Parameters auf effektive Mittelwerte zurückgeführt werden, die als Modellparameter geeignet sind. Zur zerstörungsfreien Abbildung der Makroporen und der drei-dimensionalen Feinporenstruktur des Bodens wurde ein besonderes kernphysikalisches Meßverfahren angepaßt. Es handelt sich bei der �X-ray Mikrotomographie� um eine spezielle, hochauflösende Tomographie, die für die bodenphysikalischen Fragestellungen optimiert wurde. Das Verfahren eignet sich insbesondere für eine mikroskalige Analyse der Bodenkerne, die in die hydraulischen Multistep-Messungen verwendet wurden. Die Verteilung und Kontinuität der Bodenporen kann mit diesem Verfahren zerstörungsfrei abgebildet werden. Die Ergebnisse zeigen, daß die verwendeten großvolumigen Lysimeter ein ideales Bindeglied zwischen unterschiedlichen Prozeßskalen und Versuchen in Labor und Feld darstellen und eine detailierte Untersuchung präferentielle Verlagerungs-prozesse erlauben.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Soil physical studies on the process analysis of water movement and chemical transport in unsaturated structured soils under special consideration of the mechanisms relevant for a preferential translocation of active substances	English

Translated abstract:

Abstract

Language

In an outdoor lysimeter study (undisturbed soil cores of agriculturally relevant soils, 1.14 m in diameter and 1.10 m profile depth) 14C-labelled herbicide benacolin-ethyl was applied as reactive test substance at the same time as the water tracer bromide and deuterium oxide on two different soils (orthic luvisol and gleyic cambisol) The fate and behaviour of the applied chemicals was determined for the relevant compartments with high sampling intensity throughout the study period of three years. An average dissipation half-life of 76 days was determined for benacolin acid under the experimental outdoor conditions. Sorption behaviour of benacolin acid was found to follow a two-phase sorption process including the formation of bound residues. As a result, the translocation of benacolin acid reached during the three year study only an average depth of about 12 cm, which is in good accordance with the prediction of classical one-dimensional transport models. The measured benacolin soil residues showed a wide variability for samples taken from the same soil depth, which is characteristic for the presence of preferential flow processes. Breakthrough curves determined for the leachate of all soil monoliths showed two distinctive concentration peaks for all applied test substances (active substance and tracer). The main peak could be explained by chromatographic movement through the soil matrix. In addition, a second concentration peak appeared a short time after the chemical application. This observation can be well explained by a transport mechanism in the sort of a rapid mass flow which is typical for structured soils. This rapid or preferential mass flow can be described qualitatively only by specialised transport models; a quantitative model prediction is not possible due to the high degree of uncertainty. Detailed lysimeter and soil column experiments under transient flow conditions were conducted in order to complement the long-term experiments under stationary flow conditions. Additional test chemicals were the stronger sorbing herbicide methabenzthiazuron and the tracer dye brilliant blue. Results showed that the appearance of preferential flow is strongly influenced by the experimental conditions and less dependant on the sorption strength of the translocated chemical. High flow rates, which in the experiments were always connected to a higher soil moisture, amplified the relative as well as the absolute material outflow via preferential flow. Macropores have a significant higher water conductivity compared to micropores. Thus, the transport of dissolved chemicals is increased and accelerated under the increased soil moisture conditions, at which a larger fraction of macropores contribute to the soil water movement. This macropore effect is specially important for the structured orthic luvisol, because its pore structure can be characterised by a bi-modal pore size distribution. Infiltration experiments with the tracer dye brilliant blue demonstrated that the preferential flow characteristic is connected to a spatial flow heterogeneity. Preferential flow pathways were directly visualised by dye infiltration pattern. A certain correlation could be observed between the dye infiltration pattern and the distribution of soil organic matter. Multistep outflow experiments were conducted in order to determine hydraulic material functions and microscale transport parameter by inverse modelling. Hydraulic parameters were determined for different soil layers of the orthic luvisol. The hydraulic conductivity of the orthic luvisol could be described only by employing a bi-modal pore size distribution model which is not implemented in standard transport models. Effective macroscopic average values for the relevant hydraulic parameter could be calculated using a scaling parameter. Nevertheless, the measurements demonstrated clearly a wide variability of the hydraulic properties in the orthic luvisol lysimeter. This is another reason for the observed preferential flow phenomena. A novel method of three-dimensional x-ray computed tomography has been adapted and improved for applications in soil science. This special high resolution technique is called �x-ray microtomography�. In contrast to other tomographic methods used in soil science, this method is able to characterise a microscale soil pore structure including the full continuity of the pore space. The tomographic method was optimised to characterise the pore structure in those soil cores which were employed for the multistep outflow experiments. The results demonstrate that the employed lysimeter technique is an ideal experimental bridge to analyse and differentiate processes relevant for experiments under laboratory and field scale. A detailed process analysis of preferential flow phenomena and their underlying processes.

English

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