Der Boden als Reaktor: Modelle für Prozesse im Boden ; 10 Tabellen
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Stuttgart
Enke
1986
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adam_text | Titel: Der Boden als Reaktor
Autor: Richter, Jörg
Jahr: 1986
Inhalt
Seite
1 Einleitung und Problemstellung.................................................... 1
1.1 Betrachtungsweise................................................................... 1
1.1.1 Statik und Kinetik.............................................................. 1
1.1.2 Dynamische Betrachtungsweise........................................... 2
1.1.3 Bilanzierende Betrachtungsweise......................................... 4
1.1.4 Das System in der Thermodynamik...................................... 5
1.1.5 Grundlagen des Potentialkonzeptes...................................... 8
1.1.6 Makroskopische Betrachtungsweise..................................... 10
1.1.7 Aggregation und Pufferung................................................ 12
1.1.8 Ein Wort zum Begriff des Modelles..................................... 13
1.2 Klassifizierung von Prozessen im Boden.................................... 14
1.3 Inhalt und Aufbau des Textes................................................... 14
1.4 Literatur................................................................................ 16
2 Warmeleitung in Boden................................................................ 17
2.1 Bedeutung der Warmeausbreitung im Boden............................. 17
2.2 Phanomene............................................................................ 17
2.2.1 Beispiele fur Tagesgange der Temperatur........................... 18
2.2.2 Beispiel fur einen Jahresgang der Temperatur...................... 20
2.3 Warmeleit- und Speicherfahigkeit in Abhangigkeit von
Bodenzusammensetzung und -struktur...................................... 20
2.4 Gewinnung der Transportgleichung mit Hilfe von lokaler
Bilanz und Kausalprinzip........................................................ 24
2.4.1 Lokale Mengenbilanz fur Materie bzw. Energie
bei fehlendem Umsatz ....................................................... 24
2.4.2 Eindimensionale Transportgleichung fur Materie bzw.
Energie ........................................................................... 26
2.4.3 Gleichung fur die Warmeausbreitung .................................. 27
2.5 Analytische Losungen der Warmeleitungsgleichung mit
konstantem aj........................................................................ 30
2.5.1 Stationarer Fall ................................................................. 30
2.5.2 Temperatursprung als Randbedingung ................................. 30
2.5.3 Periodisch veranderliche Temperatur als Randbedingung....... 31
2.6 Numerische Losung der Warmeleitungsgleichung mit
konstantem ay........................................................................ 32
2.7 Boden-Warmehaushalt; Warmeumwandlung.............................. 36
2.7.1 Abschatzung der vom Boden aufgenommenen Energie........... 36
2.7.2 Verdunstungswarme fur 1 mm Wasser 37
2.8 Literatur................................................................................ 38
3 Bodenlufthaushalt ........................................................................ 39
3.1 Bedeutung des Bodenlufthaushaltes............................................ 40
3.2 Phanomene ............................................................................. 41
3.2.1 CO2- und O2-Konzentrationsprofile im Boden....................... 42
3.2.2 C02-Produktionsprofile und -Zyklen ................................... 45
3.3 Parameter des Bodengashaushaltes............................................ 49
3.3.1 Scheinbarer Gasdiffusionskoeffizient Ds .............................. 49
3.3.2 Speicherung von Gasen im Boden ....................................... 51
3.4 Quantitative Beschreibung des Bodengashaushaltes...................... 52
3.4.1 Erweiterung der Transportgleichung .................................. 52
3.4.2 Partialdruck und diffusiver Gastransport ............................. 55
3.5 Losungen der Gashaushaltsgleichung ........................................ 58
3.5.1 Analytische Losung fur den stationaren Fall.......................... 58
3.5.2 Numerische Losung fur stationares Beispiel.......................... 61
3.6 Anwendungen der Gastransport- und Gashaushaltsgleichung......... 62
3.6.1 Zur Messung des Diffusionskoeffizienten Ds.......................... 62
3.6.2 Die tortuose Makropore als Strukturmodell ....................... 65
3.6.3 Mikro-Anaerobie als Beliiftungsproblem;
das Redoxpotential AEh .................................................... 69
3.7 Literatur ............................................................................... 73
4 Bodenwasserhaushalt.................................................................... 74
4.1 Bedeutung des Wassers im Boden; Jahresbilanzen ...................... 74
4.2 Phanomene ........................................................................... 77
4.2.1 Wasserspannungs- und Wassergehaltsprofile im Boden......... 77
4.2.2 Fliisse an der Grenzflache und im Boden ............................. 80
4.3 Hydraulische Leitfahigkeit und die sog. Wasserspannungskurve.... 84
4.3.1 Die hydraulische Leitfahigkeit K(ym) ................................. 84
4.3.2 Die sog. Wasserspannungskurve Ym(6) ............................... 86
4.4 Die Wasserhaushaltsgleichung ................................................. 90
4.4.1 Die lokale Wasserbilanz .................................................... 91
4.4.2 Die Gleichung fur den WasserfluB qw .................................. 92
4.4.3 Das hydraulische Potential yh ............................................ 92
4.4.4 Verschiedene Formulierungen der Wassertransport-
gleichung ......................................................................... 94
4.5 Charakteristische FlieBzustande des Wassers im vegetationsfreien
Boden .............................................................................. 96
4.5.1 Gleichgewicht und Quasi-Gleichgewicht.............................. 96
4.5.2 Stationarer bzw. quasistationarer Zustand........................... 98
4.5.3 Nicht-stationares FlieBen................................................... 99
4.6 Anwendungsbeispiele und numerische Losungsverfahren zur
Wasserhaushaltsgleichung .................................................. 100
4.6.1 Wasser-Gleichgewicht im Boden ........................................ 100
4.6.2 FlieBgleichgewicht im Boden bei sommerliche Austrocknung 101
4.6.3 Losungsverfahren fur nicht-stationares FlieBen..................... 105
4.6.4 Einfache Wasserhaushaltsmodelle fiir den ebenen, homogenen,
starren und bewachsenen Boden; die Wurzelentzugs-
funktion P(z,t) .................................................................. Ill
4.6.5 Berechnung der Evapotranspiration E ................................ 113
4.6.6 Der Wasserhaushalt eines Weizenschlages auf L6B-Parabraun-
erde ................................................................................ 118
4.7 Literatur .............................................................................. 121
5 Stoffhaushalt des Bodens................................................................ 123
5.1 Einleitung.............................................................................. 123
5.1.1 Bedeutung der Stoffe im Boden........................................... 123
5.1.2 Erweiterung der Transportmodelle ..................................... 123
5.2 Phanomene ............................................................................ 124
5.2.1 Verlagerung nicht-wechselwirkender Ionen im Winter........... 124
5.2.2 Verlagerung wechselwirkender Ionen uber Winter................ 125
5.3 Parameter des Stofftransportes ................................................. 127
5.3.1 Transportparameter: effektiver Dispersionskoeffizient DB..... 128
5.3.2 Quantitats-Intensitats-Beziehungen fur Komponenten,
die mit der Bodenmatrix in physikalischer Wechsel-
wirkung stehen und spezifische Speicherfahigkeit B .............. 129
5.3.3 Spezifische Speicherfahigkeiten C und Diffusionskoef-
fizienten D ........................................................................ 136
5.4 Kopplung der Transportfliisse fur nicht mit der Bodenmatrix
wechselwirkende Komponenten................................................ 138
5.4.1 Allgemeine Beschreibung der Kopplung............................... 138
5.4.2 Transport geloster, nicht-wechselwirkender Komponenten
durch den Boden ............................................................... 140
5.4.3 Beriicksichtigung der Teilchenladung.................................. 142
5.5 Einfiihrung in die Reaktionsdynamik......................................... 143
5.5.1 Grundvorstellungen zum Reaktionsablauf............................. 143
5.5.2 Reaktionsordnungen bei Elementarreaktionen
in homogenen Systemen ..................................................... 145
5.5.3 Ein besonderer Fall: Reaktionen 2. Ordnung mit
sigmoidalem Verlauf.......................................................... 147
5.5.4 Komplexreaktionen in homogenen Systemen......................... 151
5.5.5 Heterogene Reaktionen (Wechselwirkungen mit Ober-
flachen der Festphase) ........................................................ 156
5.6 Modelle fur das Verhalten reaktiver Stoffe und Ionen im Boden.... 161
5.6.1 Dynamische Beschreibung der Wechselwirkungen von
Stoffen mit der festen Phase................................................ 162
5.6.2 Beschreibung der Wechselwirkungen von Ionen mit
geladenen Oberflachen der festen Phase (Ionenaustausch)....... 165
5.7 Einfache Modelle zum Boden-Stoffhaushalt................................ 169
5.7.1 Modelle fur die Nitrifikation bei gleichzeitiger Verlagerung.... 169
5.7.2 Simulation des Stickstoffhaushaltes von LoB-Ackerboden
iiber Winter ...................................................................... 173
5.7.3 Punktmodell fur die Verlagerung physikalisch wechsel-
wirkender Ionen am Beispiel der Kaliumdiingung.................. 176
5.7.4 Simulation des Abbaus von Herbiziden im Boden................... 179
5.7.5 Ansatze fur das Verhalten von Schwermetallen im Boden........ 182
5.7.6 Vollstandige Stoffhaushaltsmodelle................................... 186
5.8 Literatur ................................................................................ 187
6. SchluB........................................................................................ 191
6.1 Jenseits der Annahmen .............................................................. 191
6.2 Der Boden als nicht-starrer Festkorper....................................... 193
6.2.1 Mechanische Deformation und Anderung des Spannungs-
zustandes ........................................................................... 193
6.2.2 Mechanische Ursache-Wirkungs-Beziehungen....................... 198
6.2.3 Veranderungen der Parameter bei mechanischen
Deformationen .................................................................. 205
6.3 Die explizite Modellierung der Stoffaufnahme der Pflanzen.......... 206
6.4 GroBraumige Modelle: Flachen- und Gebietsmodelle.................... 211
6.4.1 Simulation der Stoffverlagerung in heterogenen
Porensystemen .................................................................. 211
6.4.2 Geostatistische Darstellung der raumlichen Variability.......... 213
6.4.3 Verkniipfung deterministischer und stochastischer Modell-
ansatze: Monte-Carlo-Simulation der Salzverlagerung............ 214
6.4.4 Ein vollig anderer Weg: Platten- und Kompartiment-
modelle ............................................................................ 216
6.5 Modellierung der Bodenentwicklung ......................................... 224
6.6 Literatur ................................................................................ 224
7. Anhang...................................................................................... 228
7.1 Numerische Losungen fiir den nicht-stationaren Wassertransport
und den Stofftransport bei stationaren FlieBbedingungen.............. 228
7.2 Gasloslichkeiten in Wasser ....................................................... 236
7.3 Umrechnungstabelle MaBeinheiten ............................................ 237
7.4 Liste der Symbole und Indizes ................................................... 238
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author | Richter, Jörg |
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