Porenvolumen (Boden)

Porenvolumen bezeichnet das gesamte, mit Luft oder Wasser gefüllte Hohlraumvolumen des Bodens.

Allgemein

Der Bodenkörper lässt sich gedanklich in das Volumen der festen Bodensubstanz und in das Porenvolumen aufteilen.

Das Porenvolumen eines Bodens teilt sich auf in Primärporen, die von der Korngrößenverteilung der mineralischen Substanz sowie auch von Art und Zusammensetzung der organischen Bestandteile (Humus) abhängen, und in die Sekundärporen, die vom Bodengefüge und damit von chemischen Eigenschaften der Minerale, vom Einfluss der Pflanzen (Wurzeln bilden Wurzelröhren) und Tiere (bilden Gänge, graben, durchmischen, …) abhängen.

Sättigt man den Boden vollständig mit Wasser auf (Porenvolumen = Wasservolumen) und entzieht ihm das Wasser stufenweise mit bekannten Unterdrücken (Bodenwasserspannung), dann lassen sich nacheinander die weiten und die engen Grobporen, die Mittelporen und die Feinporen entwässern. Die Summenkurve der Porengrößen aufgetragen in Abhängigkeit von der Bodenwasserspannung ergibt die Bodenwasserspannungskurve. Sie beschreibt unter anderem die Verfügbarkeit des Bodenwassers für die Pflanzen.

Primärporen und Sekundärporen

Primärporen sind körnungsbedingte Poren zwischen den Einzelkörnern. Deshalb bestimmt die Größe der mengenmäßig überwiegenden Einzelkörner auch bestimmte Porengrößenbereiche.

• In Sandböden sind dies die Grobporen.
• In den vom Grobschluff dominierten Lössböden sind es die Mittelporen.
• In Tonböden sind es die Feinporen und der Übergang zu den Mittelporen.

Als Faustregel kann gelten, dass die durchgängigen, kanalartigen Poren etwa einem Drittel der dominierenden Korngröße entsprechen.
Weil kleine Körner schlechter gegeneinander verschiebbar sind als große, nimmt mit abnehmender Größe der Einzelkörner auch das Gesamtporenvolumen zu; kleine Einzelkörner sind natürlicher Weise nicht so dicht gepackt wie große.

Sekundärporen sind gefügebeeinflusste Grobporen (auch Makroporen genannt) mit Äquivalentdurchmessern von über 50 µm zwischen den Aggregaten (also nicht zwischen den Einzelkörnern) und Bioporen.
Aggregate bilden sich (Bodengefüge):

• rein physikalisch durch wiederholtes Nass- und Trockenwerden, das mit steigendem Tongehalt von Quellung und Schrumpfung begleitet wird.
• chemisch durch umhüllende Eisenoxide oder verkittende Karbonate
• biologisch durch verklebende Schleimstoffe aus dem Darm von Erdfressern wie Regenwürmern oder durch die verbauende Wirkung von (Feinst-) Wurzeln und Pilzhyphen
• sowie als Wurzel- oder Regenwurmgang; im extrem auch Gänge von Mäusen und Maulwürfen o. ä.

Die Verteilung der sekundären Poren ist oft ungleichmäßig (anisotrop); ihre Ausrichtung vorwiegend senkrecht. Das sekundäre Porensystem ist ein wichtiger Gesichtspunkt in Bezug auf den Luft- und Wasserhaushalt besonders feinkörniger Böden.

Einteilung des Porenvolumens nach der Saugspannung

Die folgende Einteilung des Porenvolumens zeigt den Zusammenhang von Porengröße und Saugspannung (Bodenwasserspannung).
Für Böden, die nicht durch Grundwasser oder Staunässe beeinflusst werden, können die "engen Grobporen" auch der Luftkapazität zugeschlagen, also von der (nutzbaren ) Feldkapazität abgezogen werden.

Boden mit Porenvolumen: *tragender Meniskus(1) *Bodenpartikel(2) *Luft führende Bodenpore(3) *Kapillarwasser(4) *Adsorptionswasser(5) *Grund- oder Stauwasser(6)

Einteilung der Poren und Kennwerte des Bodenwasserhaushaltes

Kategorie	Ausprägungen
Porenbereiche	weite Grobporen	enge Grobporen	Mittelporen	Feinporen
Saugspannung in hPa	unter 60	60 bis 300	300 bis 15000	über 15000
pF-Wert	unter 1,8	1,8 bis 2,5	2,5 bis 4,2	über 4,2
Äquivalentdurchmesser in µm	über 50	50 bis 10	10 bis 0,2	unter 0,2
Funktion der Poren	schnell bewegliches	langsam bewegliches	pflanzen- verfügbares	nicht pflanzen- verfügbares
	Sickerwasser		Haftwasser
Kennwerte	Luftkapazität	nutzbare Feldkapazität		Totwasser
		Feldkapazität      FK
	Gesamtporenvolumen      GPV
Kurzzeichen	LK	nFK		TOT

Anmerkungen: 1 hPa entspricht 1 cm Wassersäule
Das ist die Höhe, bis zu der Wasser in einer Kapillare des jeweiligen Äquivalentdurchmessers aufsteigt, und dann unter dem Meniskus hängt.
pF-Wert = log10 (Saugspannung in hPa)

Porengrößenbereiche für Bodenarten-Hauptgruppen

Zu den Porengrößenbereichen gibt es für die bodenphysikalischen Parameter Luftkapazität, nutzbare Feldkapazität, Feldkapazität und Totwasser für jede Bodenart spezifische Kennwerte in der Bodenkundlichen Kartieranleitung bzw. der DIN 4220. Wenn man im Gelände mit der Fingerprobe die Bodenart oder zumindest die Bodenarten-Hauptgruppe bestimmt, dann gibt die Tabelle „Spanne der Porengrößenbereiche für Bodenarten-Hauptgruppen“ einen ersten Eindruck der Porengrößenverteilung vor Ort.
Die Spalte der Wasserleitfähigkeit für gesättigte Böden zeigt eine Auswirkung der unterschiedlichen Porengrößenverteilungen; für die Wasserleitfähigkeit sind Schwankungen von einem Fünftel bis zum Dreifachen normal!

Spanne der Porengrößenbereiche für Bodenarten-Hauptgruppen

Bodenarten-Hauptgruppen	weite Grobporen in %	enge Grobporen in %	Mittelporen in %	Feinporen in %	Wasserleitfähigkeit in cm /d
Sandböden	10 bis 20	8 bis 20	10 bis 15	2 bis 8	300
Schluffböden	0 bis 10	5 bis 15	10 bis 20	10 bis 20	30
Lehmböden	5 bis 10	0 bis 10	5 bis 15	5 bis 20	30
Tonböden	0 bis 5	0 bis 5	10 bis 15	25 bis 40	3
Torfböden	7 bis 30	0 bis 10	30 bis 55	15 bis 25	200

Kennzahlen des Porenvolumens

Üblicherweise wird das Volumen der Poren Vp auf das gesamte Volumen des Bodens Vges bezogen. Dann ergibt sich als Kennzahl:

• das Porenvolumen PV = Vp / Vges * 100 (wie in der obigen Tabelle) mit der Angabe der Maßeinheit als "%", "Vol.-%" oder "% (v/v)"
• die Porosität ε = Vp / Vges mit 1 ≥ ε ≥ 0 und der Angabe der Maßeinheit als "m³/m³" oder "cm³/cm³"

Die Angabe der Maßeinheit zum PV erfolgt häufig auch als "mm / dm". Diese Reduzierung von Volumenprozent auf Längenprozent wird anschaulich, wenn man ausgehend von der Angabe "dm³/dm³" einen Würfel von 1 dm³ gedanklich auf der Fläche von 1 m² verteilt: man erhält einen 1 mm hohen Körper. Demnach sind je dm Tiefe im Boden so viele Poren, dass sie - gedanklich zusammengefasst - 1 mm "Höhe" ausmachen. Hält man gedanklich an der Bezugsfläche von 1 m² fest und berücksichtigt, dass 1 dm³ = 1 L ist, dann lassen sich die Angaben zum Porenvolumen nicht nur als mm (Porenanteil) je dm Tiefe (im Boden) machen, sondern für eine gegebene Tiefe auch als mm / m² oder als L / m².

Das Volumen der Poren Vp kann auch auf das Volumen des Festkörpers Vf bezogen werden. Dann ergibt sich als Kennzahl:

• die Porenziffer e = Vp / Vf mit e auch > 1

Die Porenziffer erlaubt es, Änderungen des Porenvolumens auch bei erheblichen Änderungen des gesamten Volumen des Bodens miteinander zu vergleichen (beispielsweise bei Verdichtungen), weil hier im Gegensatz zur Kennzahl Porenvolumen oder Porosität der Bezugswert gleich bleibt.
Porosität und Porenziffer können ineinander umgerechnet werden:

• ε = e / (e + 1)
• e = ε / (1 - ε)

Siehe auch

• Porosität

Quellen

• Ad-hoc-Arbeitsgruppe Boden: Bodenkundliche Kartieranleitung. Herausgegeben von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe in Zusammenarbeit mit den Staatlichen Geologischen Diensten. 5. verbesserte und erweiterte Auflage. Schweizerbart, Stuttgart 2005, ISBN 3-510-95920-5 (http://www.schweizerbart.de/pubs/isbn/bgr/bodenkundl-3510959205-desc.html).
• DIN 4220:2008-11 – Bodenkundliche Standortbeurteilung – Kennzeichnung, Klassifizierung und Ableitung von Bodenkennwerten (normative und nominale Skalierungen).
• Winfried E. H. Blum: Bodenkunde in Stichworten. 6. völlig neu bearbeitete Auflage. Borntraeger, Berlin u. a. 2007, ISBN 978-3-443-03117-6 (Hirt's Stichwortbücher).
• Scheffer, Paul Schachtschabel: Lehrbuch der Bodenkunde. 15. Auflage, Nachdruck. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2008, ISBN 978-3-8274-1324-6 (Spektrum Lehrbuch).