Bodenkunde I: Vorlesungsskript

Bodengenese und -systematik Kausalkette der Pedogenese Faktoren der Bodenbildung
Prozesse
Merkmale Bodenbildungsfaktoren, Bodenbildungsprozesse und Bodenmerkmale als Kausalkette der Pedogenese Relief

Klima

Zeit Faktoren

Transformation

Abbau Aufbau

Gestein

Lebewesen

Verwitterung Mineralneubildung

Mineralisierung Humifizierung

Mineralkörper

Humuskörper

Aggregation Segregation

Gefügebildung

Prozesse

Translokation

Bodenkörper Poren Matrix

Mobilisierung Transport Immobilisierung

Nährorg. Gase Wasser stoffe, Kolloide Substanz Ionen Merkmale Bodenökologie, Gisi, 1997

Pedon

Bodenbildungsfaktoren     

Ausgangsgestein (chemische und mineralische Zusammensetzung) Lebewesen (Tiere, Mikroorganismen, Pflanzen, -wurzeln, Mensch) Klima (Temperatur, Niederschlag) Relief (Lage und Form der Geländeoberfläche, Beziehung zum Grundwasserspiegel) Zeit (nicht beeinflussbarer Faktor)

Bodenbildung (Pedogenese) - vier grundlegende Bodenbildungsprozesse:  Verwitterung  Humusbildung  Gefügebildung  Verlagerung laufen miteinander ab und beeinflussen sich gegenseitig

Umlagerung/Verlagerung von Bodeninhaltsstoffen    

Tonminerale Fe-, Al-Oxide Huminstoffe Salze, gelöste Stoffe

Bodenkunde

Bodengenese und -systematik - 1 -

Bodentyp Bodentyp: gekennzeichnet durch Kombination bestimmter Bodenmerkmale, die häufig gemeinsam vorkommen und miteinander gekoppelt sind (vgl. Bodenart, s. Körnung)

Prozesse der Bodenbildung
Merkmale
Horizonte Lagen mit gleichen Merkmalen, die durch bodenbildende Prozesse entstehen
Horizonte Definition: annähernd parallel zur Bodenoberfläche verlaufende, durch Prozesse der Pedogenese entstandene und annähernd einheitlich ausgeprägte Bereiche des Bodens dagegen: Lagen aus gleichem Material im geologischen Ausgangsmaterial (Gestein) gebildet
Schichten Horizonte sind in ihren Eigenschaften an der Bodenoberfläche streuähnlich und mit zunehmender Tiefe immer mehr gesteinsähnlich

Genetischer Bodentyp: 1) gleiche Horizontfolge 2) ähnliche Ausprägung der Horizonte 3) gleiche pedogene Eigenschaften (nicht notwendigerweise gleiche geogene (lithogene) Eigenschaften)

Allgemeine Regeln zur Definition und den Symbolen der Bodenhorizonte  Horizonte durch Großbuchstaben symbolisiert ( = Hauptsymbole) z.B.: L = Streu, weitgehend unzersetzt; O = Auflagehorizont über Mineralboden, organisch A = oberster Mineralbodenhorizont B = Unterbodenhorizont, in dem Bodenbildung stattgefunden hat C = Ausgangsmaterial, evtl. verwittert  Kennzeichnung der Horizontmerkmale durch Kleinbuchstaben ( = Merkmalsymbole) Geogene und anthropogene Merkmale vor dem Hauptsymbol (Materialkennzeichnung) z.B.: l = Lockermaterial, z.B. Kies m = festes Material, z.B. anstehendes Gestein f = fossil, alte Bodenbildung y = anthropogen umgelagertes, künstliches Substrat Pedogene Merkmale hinter dem Hauptsymbol z.B.: h = humos (Anreicherung von organischer Substanz) p = gepflügt, bearbeitet (Ackerflächen, auch ehemalige) v = verwittert, verbraunt t = tonangereichert l = tonverarmt z.B.:

mCv = verwittertes Festgestein, im wesentlichen im Gesteinsverband Bt = mit Ton angereicherter Unterbodenhorizont

Eine bestimmte Horizontkombination drückt aus, dass Böden den gleichen Entwicklungszustand unter einer bestimmten Kombination von bodenbildenden Faktoren besitzen. z.B.:

Bodenkunde

Bodentyp Braunerde Bodentyp Parabraunerde

Ah/Bv/C Ah/Al/Bt/C

Bodengenese und -systematik - 2 -

Beispiele für Profil-Differenzierung: Flussmarsch

Halbwüstenboden auf Basalt

Anmoorgley

Aufn.: H.H.Becher Hiddigwarden bei Bremen

nördl. Erivan (Armenien)

Kempten

Boden ist eine wesentliche Ressource, die nicht vermehrt werden kann: kein Substrat, das beliebig manipuliert werden kann, wie z.B. Kultursubstrate oder Bauschutt

Humusformen Humusform

L-Mull

F-Mull

Mullartiger Moder

Horizontfolgen

L/Ah/...

L/Of/Ah/...

L/Of/(Oh/)Ah/... z. T. L/Of/(Oh/)Aeh/...

Mull

Mächtigkeit des Ah-Horizontes

>8 cm häufig 10-15 cm

<10 cm häufig 5-7 cm

2-8 cm häufig 3-4 cm

Gefüge des Ah-Horizontes

bei Lehmböden überwiegend krümelig, bei tonigen Böden meist polyedrisch

überwiegend feinsubpolyedrisch, z.T. krümelig oder schwach kohärent

i.d.R. schwach kohärent, z.T. feinsubpolyedrisch, vereinzelt schwach plattig

Begrenzung des Ah-Horizontes

undeutlich (2-5 cm) bis fließend (>5 cm) bei schweren Böden auch deutlich (<2 cm)

deutlich (<2 cm) bis sehr deutlich (<1 cm), z. T. scharf (<3 mm)

sehr deutlich (<1 cm), bis scharf (<3 mm)

   

Ausbildung des Oh-Horizontes

+1 0 B lattförna

cm

i. a. nur 2-3(5) mm mächtig und der Mineralbodenoberfläche filmartig aufliegend

L Of Oh Ah

0 Ah

-1 0

B v zun ehm end b asenreich er

Typischer Moder L/Of/Oh/Aeh/...oder L/Of/Oh/Ahe/...oder L/Of/Oh/Aeh+Ae/...oder L/Of/Oh/Ah/...

Mächtigkeit des Oh-Horizontes Lagerungsart des Oh-Horizontes Durchwurzelung des Oh-Horizontes Mächtigkeit des Ol-Horizontes Lagerungsart des Ol-Horizontes Schärfe d. Übergänge zwischen den Horiz. Trennbarkeit des Auflagehumus vom Mineralboden

feinhumusarm <2 cm feinhumusreich >2 cm meist bröckelig, z. T. schichtig mittel bis sehr stark (Feinwurzeln) 1-3 (5) cm

Rohhumusartiger Moder L/Of/Oh/Ahe/...oder L/Of/Oh/Ahe+Ae/...oder L/Of/Oh/Ahe/Ae/B(s)h/... feinhumusarm <3 cm feinhumusreich >3 cm kompakt, z. T. unscharf brechbar schwach (Feinwurzeln) zahlreiche Grobwurzeln 2-4 (6) cm

meist vernetzt, z. T. schichtig oder verfilzt unscharf (3-6 mm), z. T. sehr unscharf (>6 mm) schlecht trennbar

scharf (<3 mm), z. T. sehr scharf gut trennbar

schichtig oder sperrig

Rohhumus L/Of/Oh/Ahe+Ae/...oder L/Of/Oh/Ahe/Ae/B(s)h/... feinhumusarm <4 cm feinhumusreich >4 cm kompakt, scharfkantig brechbar, z. T. lagig zahlreiche Grobwurzeln 2-4 (8) cm sperrig, z. T. schichtig, z. T. biegefähig meist sehr scharf (linienhaft) sehr gut trennbar, z. T. schollig ablösend

Rohhumus

+10

Nadelförna

cm 0 -10

Bv zunehmend basenärm er -20

Bodenkunde

L Of Oh

Aeh Ahe

Moder  Bildung unter weniger günstigen Milieu-Bedingungen - neutral bis schwach sauer - feucht bis gelegentlich vernässt  Merkmale - mittlere Bioturbation - typisch für krautreiche Nadelwälder, Laub- und Mischwald

-2 0

Humusform Horizontfolgen

aktives Bodenleben hohe Bioturbation neutral bis schwach saure Böden typisch für - laubbaum- und krautreiche Wälder - artenreiches Grünland

Ahe + Ae Bsv

 saure, nasse oder trockene Böden  geringe biologische Aktivität  Vorherrschen von Pilzen

Ahe Ae Bs/Bh

Bodengenese und -systematik - 3 -

Bodensystematik der BRD Rohböden

Kl. Terrestrische Rohböden

die ersten Stadien der Bodenbildung Horizontfolge Ai / C Unterscheidung nach Ausgangsgestein (C-Horizont): Syrosem aus Festgestein, innerhalb 3 dm unter der Oberfläche beginnend Lockersyrosem aus Lockergestein, innerhalb der obersten 3 dm kein Festgestein

Ai

Ai

mC

IC

Syrosem

Lockersyrosem

Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997

Vorkommen:  in sehr jungen Sedimenten (zu kurze Entwicklungszeit)  an Stellen intensiver Erosion (Abtrag stärker verwitterten Materials) Entwicklung im gemäßigt-humiden Klima je nach Ausgangsgestein zu Ah/C – Böden

Lockersyrosem in W att-Schlick (reduziert) Aufn.: H.H.Becher, nordwestlich Husum, südlich Verbindungsdamm Festland – Insel Nordstrand

LockersyrosemGenerationen in Dünensand über fAh

Lockersyrosem aus Sand Aufn.: H.H.Becher Heiligenhafen, Lkr. OH

Aufn.: H.H. Becher Weststrand bei Prerow, Lkr. NVP

Bodenkunde

Bodengenese und -systematik - 4 -

Ah/C - Böden Ah-Horizont mit Akkumulation von Humus über weitgehend unverwittertem Ausgangsgestein (C-Horizont); Kl. Ah/C-Böden bei Ackernutzung: Ap-Horizont Ah

Ah

Ah

Ah

imC

ilC

cC

eC

Ranker

Regosol

Rendzina

Pararendzina

Übersicht Kl. Ah/C – Böden Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997

Vorkommen: in jungen Sedimenten oder bei Erosion von stärker verwittertem Material. Die wichtigsten Bodeneigenschaften werden weitgehend vom Ausgangsgestein bestimmt: - bodenphysikalische Kenngrößen (Wasserspeicherung oder Durchwurzelungswiderstand) - bodenchemische Eigenschaften (z.B. Versauerungswiderstand, Nährstoffnachlieferung). Durch Humusakkumulation werden nur die Eigenschaften des Ah-Horizonts verändert (Färbung, Wasserspeicherung, Ionenbindung usw.). Je nach Ausgangsgestein unterscheidet man:  Ranker aus silikatischem (carbonatarmem oder -freiem) Festgestein  Regosol aus silikatischem (carbonatarmem oder -freiem) Lockergestein  Rendzina aus Kalk- oder Gipsgestein  Pararendzina aus carbonathaltigem silikatischem Gestein. Weiterentwicklung der Ah/C - Böden führt zu folgenden Klassen:

Pelosole Braunerden Lessivés Podsole Schwarzerden

Terrae calcis Stauwasserböden Auenböden Gleye Marschen Moore

Diese weiteren Klassen werden im Rahmen der Bodenentwicklungsreihen behandelt. Eine zusammenfassende Übersicht finden Sie unten. Neben der deutschen Systematik wurden eine Vielzahl nationaler sowie einige internationale Klassifikationssysteme entwickelt. Für die Arbeit außerhalb Mitteleuropas von besonderer Bedeutung sind folgende Systeme: Soil Taxonomy (USA) FAO Weltbodenkarte World Reference Base for Soil Resources (WRB)

Bodenkunde

Bodengenese und -systematik - 5 -

Bodenentwicklungsreihen In den gemäßigten Breiten spielt das Ausgangsgestein eine wesentliche Rolle in der Bodenentwicklung. Deshalb lassen sich Bodenentwicklungsreihen basierend auf den flächenmäßig bedeutendsten Ausgangsgesteinen darstellen. Schematische Darstellung wichtiger terrestrischer Bodentypensequenzen aus unterschiedlichen Substraten (in Klammern Äquivalente nach WRB) Tonarme, quarz- und silikatreiche Gesteine

Kalk-Silikat-Mischgesteine (Mergelgesteine, Löss)

Carbonatgesteine (Kalk, Dolomit)

Tongesteine und Tonmergelgesteine

Ai imC

Ai ilC

Ai emC

Ai elC

Ai cmC

Ai clC

Ai mC

Ai lC

Syrosem (Lithic Leptosol)

Lockersyrosem (z.B. Regosol)

Syrosem (Lithic Leptosol)

Lockersyrosem (z.B. Regosol)

Syrosem (Lithic Leptosol)

Lockersyrosem (z.B. Regosol)

Syrosem (Lithic Leptosol)

Lockersyrosem (z.B. Regosol)

Ah imC

Ah ilC

Ah eC

Ah eC

Ah cC

Ah cC

Ranker (z.B. Umbric Leptosol)

Regosol (z.B. Umbrisol)

Rendzina (z.B. Rendzic Leptosol)

Rendzina (z.B. Phaeozem)

Ah Bv C Braunerde (Cambisol)

(Ahe) Ae B(s)h B(h)s C Podsol (Podzol)

(Ahe) Ae Al-Bsh Bt C PodsolParabraunerde (z.B. Albic Alisol)

Pararendzina Pararendzina (z.B Mollic (z.B. Phaeozem) Leptosol)

(P-)Ah P C Pelosol (z.B. Vertisol)

Ah Al Bt C

Axh Axh+IC(c) C

Ah Tv C

Ah Bv-P C

Ah Sw-P P-Sd C

Parabraunerde (Luvisol, Alisol)

Tschernosem (Phaeozem, Chernozem)

Terra fusca (z.B. Vertic Cambisol)

BraunerdePelosol (Vertic Cambisol)

PseudogleyPelosol (Stagnic Cambisol)

Ah Sw Sd

Sw-Ah S(e)rw (II)Srd

Pseudogley Stagnogley (z.B. Stagnosol) (z.B. Stagnosol)

Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997 verändert nach Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, 2005 World Reference Base for Soil Resources (WRB), IUSS Working Group WRB, 2006 (World Soil Resources Reports 103, FAO, Rom)

Die Bodenentwicklung der Landböden Mitteleuropas durchlief diese Entwicklungsstadien. Allerdings ist das Endstadium nicht immer erreicht, da die Bodenentwicklung in Mitteleuropa erst nach dem Ende der letzten (Würm-)Eiszeit begann, also vor etwa 10 000 bis 12 000 Jahren.

Bodenkunde

Bodengenese und -systematik - 6 -

Bodenentwicklung auf tonarmen, quarzund silikatreichen Gesteinen Ausgangsmaterial Carbonatfreie oder carbonatarme (meist < 2%) Quarz- oder Silikatlockergesteine Carbonatfreie oder carbonatarme (meist < 2%) Quarz- oder Silikatfestgesteine Aus nährstoffarmen Ausgangsgesteinen, wie z.B. Quarzit oder Sandstein, entstehen basenarme, saure und nährstoffarme Böden. Relativ nährstoffreiche Böden entwickeln sich auf basenreichen Ausgangsgesteinen, z.B. Basalt.

Bodenentwicklungsreihe Tonarme, quarz- und silikatreiche Gesteine Ai imC

Ai ilC

Syrosem

Lockersyrosem

(Lithic Leptosol)

(z.B. Regosol)

Ah imC

Ah ilC

Ranker

Regosol

(z.B. Umbric Leptosol)

(z.B. Umbrisol)

Ah Bv C Braunerde (Cambisol)

(Ahe) Ae B(s)h B(h)s C

Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997, verändert nach Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, 2005 World Reference Base for Soil Resources (WRB), IUSS Working Group WRB, 2006 (World Soil Resources Reports 103, FAO, Rom)

Podsol (Podzol)

Ranker aus Festgestein oder Blockschutt Regosol aus Lockergestein Horizontfolge: Ah / C Als Klimaxstadium nur in kühlgemäßigten Klimaten oder in Hanglage, wo eine Weiterentwicklung zur Braunerde nicht möglich ist.

Horizontfolge und Eigenschaften eines Regosols Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997

Ah

ilC

humoser Oberboden stets carbonatfrei

silikatisches Lockermaterial carbonatfrei bis -arm (< 2 %)

quarz- und silikatreiche Gesteine - 1 -

Stoffbestand Prozesse

Ah

Ah-C

imC

pH

Humus Tonminerale

Humifizierung

einzelne Steine

Versauerung Verwitterung

Tonminerale Humus

Humifizierung

Steine (Skelett)

Versauerung Verwitterung

Ton Humus

Profildarstellung: Ranker

Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen. http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip

kompaktes (Verwitterung) Gestein oder Blockschutt

Ranker aus Diabas Aufn.: U. Schwertmann, Harz

Regosol aus Dünensand (Aufn.: Reuter, Kreis Wollgast)

Braunerde Horizontfolge: Ah / Bv / C diagnostischer Horizont: Bv-Horizont durch Verwitterung verbraunter und verlehmter, mineralischer Unterbodenhorizont

Bodenbildende Prozesse
Humusbildung
Verbraunung: bei der Verwitterung der primären Silikate entstehen feinverteilte Eisen(hydr)oxide, vor allem Goethit, die Überzüge auf Tonmineralen und Quarzkörnern bilden und so die typische Verbraunung hervorrufen
Verlehmung: Bildung von Tonmineralen und Eisen(hydr)oxiden führt zu einer Verschiebung in der Bodenart hin zu feinerer Körnung, die neugebildeten Tonminerale unterliegen aber keiner Verlagerung Bv-Horizont: gleichmäßig braun, neutral bis sauer reagierend, KAK > 16 cmolc kg-1 Ton; Abgrenzung zum darunter folgenden Horizont aufgrund der Bodenfarbe, der Bodenart, der Gefügeprägung, des pH-Wertes sowie der Kationenaustauschkapazität (der Tonfraktion) Übergangs-Bv-Horizonte: Anreicherung mit Sekundärcarbonat (Bcv), Humusanreicherung (Bhv), Anreicherung mit Sesquioxiden (Bsv), Tonanreicherung (Btv) quarz- und silikatreiche Gesteine - 2 -

Stoffbestand Prozesse

Ah

Bv

pH

Humus

Humus Humifizierung Tonminerale Verwitterung Eisenoxide Mineralneubildung

Profildarstellung: Braunerde Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen, http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip

Tonminerale Verwitterung Eisenoxide Mineralneubildung

Fe-Oxide Tonminerale

C

Ausgangsgestein

(Verwitterung)

In der WRB-Klassifikation gehören die meisten Braunerden zur Gruppe der Cambisols, in der Soil Taxonomy zu den Inceptisols. Differenzierung nach Nährstoffgehalt/Basensättigung:
Eutrophe Braunerde aus silikatreichen Gesteinen (Humusform Mull, Moder) hoher Versauerungswiderstand aufgrund des Mineralbestands (viele Glimmer, Augite, Amphibole, Hornblenden) Nährstoffvorrat deshalb hoch bei der Verwitterung entstehen größere Mengen an sekundären Mineralen, die sich günstig auf das Gefüge sowie auf den Nährstoff- und Wasserhaushalt auswirken
Basenreiche Braunerde aus silikatärmeren, meist schwach carbonathaltigen Gesteinen (Humusform Mull, Moder) kann sich zur Parabraunerde weiterentwickeln
Dystrophe/basenarme Braunerde aus silikatarmen, quarzreichen Gesteinen (Humusform Moder)


Die basenarme Braunerde entwickelt sich weiter zum Podsol. Braunerde aus Basalt Ah (0–25cm) dunkelgraubrauner, sehr stark humoser, steiniger, schluffiger Lehm Krümelgefüge sehr gut durchwurzelt Bv (25-60cm) graubrauner, stark humoser, stark steiniger, schluffiger Lehm krümelig-subpolyedrisches Gefüge gut durchwurzelt Bv-Cv (60-100cm+) brauner, humoser, stark steiniger, schluffiger Lehm Subpolyedergefüge schwach gegliedert

Merkblatt der Bayerischen Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau; Abteilung Boden- und Landschaftspflege

quarz- und silikatreiche Gesteine - 3 -

Braunerde aus Terrassensand (Burgsandstein) Ap (0–20cm) dunkelgraubrauner, humoser Sand, Einzelkorn- und Krümelgefüge, stark porös, zahlreiche Wurmgänge sehr gut durchwurzelt Bv (20-65cm) rötlichgelbbrauner, schwach steiniger Mittelsand, Einzelkorngefüge, stark porös, zahlreiche Wurmgänge gut durchwurzelt

Cv (65-100cm+) hellgraubrauner, schwach steiniger Grobsand mit rötlichbrauner unregelmäßiger Bänderung Einzelkorngefüge, stark porös Merkblatt der Bayerischen Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau; Abteilung Boden- und Landschaftspflege

Braunerde mittlerer Entwicklungstiefe aus Gneis Ap (0–20cm) dunkelgraubrauner, humoser, lehmiger Sand, Krümelgefüge Bv (20-40cm) gelbbrauner, schwach steiniger, stark lehmiger Sand, kohärent, porös, gut durchwurzelt Bv-Cv (40-55cm) braungelber, schwach steiniger, schluffiger Sand, kohärent, porös, durchwurzelt Cv (55-100cm+) grüngrauer, dichtgepackter Gesteinsschutt

Merkblatt der Bayerischen Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau; Abteilung Boden- und Landschaftspflege

Ökologische Eigenschaften und Nutzung Ranker/Regosol Eigenschaften maßgeblich vom Ausgangsgestein beeinflusst Geringe nutzbare Wasserspeicherleistung, niedrige Nährstoffvorräte Regosol gut durchwurzelbar, Ranker häufig skelettreich Ranker meist nur in Hanglage zu finden, deshalb als extensives Grünland oder forstlich genutzt Regosole oft sandig ausgeprägt, ackerbauliche Nutzung nur möglich bei ausreichender Beregnung oder Bewässerung und ständiger organischer Düngung

Braunerde Braunerden aus Sanden können bei gesicherter Beregnung ackerbaulich genutzt werden, sehr gut für den Sonderkulturanbau (z.B. Spargel, Tabak) Braunerden aus Löss gehören neben den Parabraunerden aus Löss zu den ertragreichsten und ertragsichersten Böden ackerbauliche Nutzung bei Flachgründigkeit und hohem Kies- und Steingehalt eingeschränkt; dann oft forstwirtschaftlich genutzt

quarz- und silikatreiche Gesteine - 4 -

Podsol Horizontfolge: Ahe/Ae/Bh/Bs/C Name stammt aus dem russischen Sprachraum, fahle Farbe im Ae-Horizont für „Asche-Boden“ Profilkennzeichnung: aschgrauer Ae-Horizont (Eluvialhorizont); meist mit scharfem Übergang zum dunklen Bh- und Bs-Horizont (Illuvialhorizont); dieser kann enormen Verfestigungsgrad besitzen (Ortstein) Horizontgrenzen oftmals nicht oberflächenparallel, ineinander verzahnt, keil-, zapfen- und tropfenförmig Stoffbestand Prozesse

Ahe Ae Bh Bs C

Humus basenarmer Sand

Humusbildung Verwitterung Auswaschung

basenarmer Sand

Verwitterung

Huminstoffe

Ausfällung

Fe-Oxide pH

Humus

Profildarstellung: Podsol (Mineralboden)

Auswaschung

Fe-, Al-Oxide Koagulation Komplexe

Akkumulation

je nach Ausgangsgestein

evtl. Entkalkung

Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen, http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip

Die Podsolierung beinhaltet die Sauerbleichung des Oberbodens (Ae-Horizont). Sie findet bei niedrigem (saurem) pH-Wert statt und führt zur intensiven Zerstörung primärer und sekundärer Minerale. 1. In der Humusauflage bilden sich reichlich saure, niedermolekulare organische Säuren (DOM = dissolved organic matter, Fulvosäuren), die als Komplexbildner fungieren können. 2. Im A-Horizont werden bei sehr sauren pH-Werten die Silikate und Eisen(hydr)oxide zerstört und die freiwerdenden Kationen durch die organischen Säuren komplex gebunden. 3. Die Ionen wandern frei und/oder im Komplex gebunden mit dem Sickerwasser im Profil nach unten.  Durch diese Prozessabfolge entsteht ein sauergebleichter Auswaschungs- oder Eluvialhorizont (Ae). 4. Im Unterboden können diese Komplexe bei höheren pH-Werten wieder hydrolysieren, und es bilden sich unlösliche Fe- und Al-Oxide (Sesquioxide). Gelöste organische Substanz wird daran sorbiert. 5. Durch den mikrobiellen Abbau der organischen Liganden verändert sich das Verhältnis von Metall-Ion/C, so dass die dadurch unlöslich gewordenen Komplexe ausfällen.  Durch diese Prozessabfolge entsteht ein Anreicherungs- oder Illuvialhorizont (Bh, Bs). Im oberen Bereich des B-Horizonts werden die organischen Stoffe angereichert (Bh, braunschwarz), darunter die Sesquioxide (Bs, rostbraun). Die Sesquioxide des Bs-Horizonts können sich zu Ortstein verfestigen. Der Ortstein wirkt sich ungünstig auf das Pflanzenwachstum und die Kulturfähigkeit der Podsole aus, da er zu Staunässe führen kann und den Wurzelraum stark begrenzt. quarz- und silikatreiche Gesteine - 5 -

Die Podsolierung wird durch solche Bedingungen gefördert, die die eben genannten Prozesse begünstigen:
durchlässiges Material
Ausgangsmaterial mit geringem Versauerungswiderstand
nährstoffarmes Ausgangsmaterial und damit nährstoffarme Streu vor allem von Koniferen (Kiefern, Wacholder), Erica, Calluna und Rhododendron. Die typische Humusform der Podsole ist der Rohhumus.
kühl-feuchtes Klima und hohe Niederschläge WRB: Podzol US-Soil Taxonomy: Spodosol Humuspodsol aus SandsteinVerwitterung unter

Sand Podsol aus

Aufn.: H.H.Becher, “Auf der Bünte“, Lkr. ROW

Aufn.: U. Schwertmann, Eifel

Wald

Ökologische Eigenschaften und Nutzung Nährstoffsorptions- und Nachlieferungsvermögen sehr gering, hauptsächlich an die organische Substanz gekoppelt geringes Wasserspeichervermögen häufig forstwirtschaftlich genutzt, mit Baumarten, die geringe Nährstoffansprüche haben und säureverträglich sind wegen der ungünstigen, bodenphysikalischen Eigenschaften für die landwirtschaftliche Nutzung nur beschränkt geeignet; geeignet für Anbau von Kartoffeln und Roggen Bodenzahlen von 20 bis 25 Punkten landwirtschaftliche Kulturen müssen evtl. in Abhängigkeit von der Witterung bewässert werden regelmäßige und standortsangepasste Düngung erforderlich Nutzbarkeit eingeschränkt, wenn verfestigte Ortsteinhorizonte oberflächennah vorhanden; können durch eine Tieflockerungsmaßnahme beseitigt werden; landwirtschaftliche Bearbeitung ist aber insgesamt einfach, d.h. es kann unter Umständen auf den Einsatz eines Pfluges verzichtet werden;

quarz- und silikatreiche Gesteine - 6 -

Bodenentwicklung auf Löss und anderen Kalk-Silikat-Mischgesteinen Typisches Ausgangsmaterial Löss, Geschiebemergel, kalkhaltige FlussSchotter (z.B. im Voralpenland), Kalksandstein enthalten 2-75% Carbonat meist Lockersedimente, häufig eiszeitliche Sedimente physikalische Verwitterung wenig bedeutend, tiefgründig vor allem in Flach- oder Hügelländern verbreitet Löss-Sedimente haben hohen Anteil an der Erdoberfläche (~10%), wichtiges Ausgangsmaterial für Bodenbildung in China, Ungarn, Nordamerika, Ukraine Löss in Deutschland: Norddeutschland, um Würzburg, um Straubing, unterbayer. Hügelland, Alpenvorland Geschiebemergel: Alpenvorland Löss

Geschiebemergel

Wichtige Eigenschaften von Löss und Geschiebemergel

Lockersedimente Carbonathaltig

gemeinsam

Pleistozän (jung) Ebene bis hügelige Lagen gut sortiert

schlecht sortiert

vorwiegend Schluff

alle Korngröß en Korngrößen

äolisch

glazigen

periglazialer Raum

Gletscherbereich

unterschiedlich

Bodenentwicklungsreihe Kalk-Silikat-Mischgesteine (Mergelgesteine, Löss) Ai emC

Ai elC

Syrosem

Lockersyrosem

(Lithic Leptosol)

(z.B. Regosol)

Ah eC

Ah eC

Pararendzina

Pararendzina

(z.B. Mollic Leptosol)

(z.B. Phaeozem)

Ah Al Bt C

Axh Axh+IC(c) IC(c)

Parabraunerde

Tschernosem

(Luvisol, Alisol)

(Phaeozem, Chernozem)

Ah Sw Sd

Sw-Ah S(e)rw IISrd

Pseudogley

Stagnogley

(z.B. Stagnosol)

(z.B. Stagnosol)

Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997 verändert nach: Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, 2005 World Reference Base for Soil Resources (WRB), IUSS Working Group WRB, 2006 Resources Reports 103, FAO, Rom)

(World Soil

Löss und Kalk-Silikat-Mischgestein - 1

Bodenentwicklungsreihe in der Landschaft LockerPararendzina Braunerde Parabraunerde ParabraunerdeParabraunerde Ah/Bv/IC  Ah/Al/Bt/IC  Pseudogley syrosem  Ah/IC Ai/IC Ah/AlAh/Al-Sw/BtSw/Bt-Sd/IC Schwarzerde Axh/lC

Ah

Ah Al Bt

Ah Al-Sw Bt-Sd

lC

lC

Entwicklungsreihe aus Löss und Geschiebemergel

lC

Syrosem / Lockersyrosem Horizontfolge Ai/C Syrosem aus Festgestein Lockersyrosem aus Lockergestein

Pararendzina Horizontfolge Ah/eC Ah < 40 cm mächtig (sonst Schwarzerde) Wichtige bodenbildende Prozesse
Carbonatverarmung (aber Ah noch carbonathaltig),
Gefügebildung (Krümelgefüge), häufig koprogene Aggregate (aus Tierlosung)
Humusakkumulation
Physikalische Verwitterung Stoffbestand Prozesse

Ah

Humus

Humifizierung

Carbonate

Entkalkung

(Calcit,Dolomit)

Glimmer

Humusgehalt (Ap)

(Ah)

Profildarstellung: Pararendzina

Freisetzung von Kationen

Feldspäte Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen (verändert), http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip

Carbonate

eC

Glimmer

Neubildung von Carbonaten

Carbonat

Feldspäte usw.

Als Klimaxstadium nur in semiariden Gebieten (z.B. auf Löss in der Oberrheinebene) und in Hanglagen, wo durch Erosion ständig carbonathaltiges Material freigelegt wird Weiterentwicklung meist zur Parabraunerde (oft über kurzes Braunerdestadium), z.T. auch zur Schwarzerde Löss und Kalk-Silikat-Mischgestein - 2

Pararendzina aus schluffig-kiesigem Geschiebelehm (Würmmoräne) Ah (0–25cm) schwarzbrauner, stark humoser, steiniger, sandig-schluffiger Lehm Krümelgefüge, porös, zahlreiche Wurmröhren Cv (25-50cm) hellbraungrauer, kalkreicher, sandig-lehmiger Kies

Cn (50-100cm) kalkreicher, sandig- schluffiger Kies (Würmmoräne)

Merkblatt der Bayerischen Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau, Abteilung Boden- und Landschaftspflege

Eigenschaften und Nutzung Flachgründige Pararendzinen (aus Festgestein) meist forstlich oder für Weidewirtschaft genutzt Pararendzinen aus Löss und Geschiebemergel können für Ackerbau oder Weinbau genutzt werden, da tiefgründig (gut durchwurzelbar auch im C-Horizont), gut durchlüftet und nährstoffreich; hohe nFK Pararendzinen aus Schotter oder Bauschutt (anthropogene Böden) haben hohe Steingehalte und deshalb geringe Wasserspeicherkapazität

Parabraunerde Horizontfolge Ah/Al/Bt/(Bv/)C Wichtige bodenbildende Prozesse
Entcarbonatisierung
Tonneubildung (durch Verwitterung primärer Silikate), Verbraunung
Tonverlagerung (Lessivierung) Unter Lessivierung versteht man die mechanische Verfrachtung von Teilchen der Tonfraktion (überwiegend Feinton; Tonminerale, Oxide, organomineralische Assoziate) in kolloidaler Form aus dem Oberboden in den Unterboden mit dem Sickerwasser. Dadurch entsteht ein tonverarmter Oberbodenhorizont (Al) und ein tonangereicherter, intensiv braun gefärbter Unterbodenhorizont (Bt). Stoffbestand

Prozesse

Humus Bodenart: oft Lehm

Humifizierung

Al

Schluff

Tonauswaschung Einlagerung

Bt

Schluff, Ton, Fe-Oxide, wenig Huminstoffe

oft Carbonat

Entkalkung

Ah

C

Humus Ton

pH

(Tonauswaschung)

Profildarstellung Parabraunerde aus Löss Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen, http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip

(Ton, Fe-Oxide, Huminstoffe)

Verdichtung

Carbonat

Löss und Kalk-Silikat-Mischgestein - 3

Bei der Lessivierung laufen folgende Prozesse ab:
Das Bodenprofil ist im Oberboden entkalkt und erreicht pH-Werte zwischen 6,5 und 5,0.
In diesem pH-Bereich kommt es zu einer Dispergierung der Aggregate in Einzelteilchen.
Die dispergierten Einzelteilchen der (Fein-)Tonfraktion wandern mit dem Sickerwasser (in den Grobporen) nach unten.

 Der Al-Horizont ist deshalb an Ton verarmt, humusarm, fahlbraun, häufig plattig.

Dispergierbereitschaft

Ca-Brücken keine Ca-Brücken hohe Ca-Konzentration niedrige Ca-Konzentration der Bodenlösung der Bodenlösung

Al-Brücken

(Ca2+)

(Al3+ )

Dispergierbereitschaft des Tones

Ca Ca

Ca

H

+ H+ 

Ca

Ca Ca

H

Ca Ca Ca

Ca

H

Ca

H

Ca Ca

H

Ca Ca

H Ca

Ca

H

Ca

+ H+ 

H

H Ca

Al

Al

H

Al

Ca

Al

H Al

pH 6,5- 5,5 dispergiert 7

Al

H

H

pH>7 geflockt

Al

Al

H

Ca

Al

pH <5 geflockt

6

5 pH

CaCO3

Im Unterboden werden die Kolloide wieder festgehalten. Dafür können verschiedene Faktoren eine Rolle spielen:
mechanische Ausfilterung der Teilchen,
höhere Elektrolytgehalte der Bodenlösung (da Unterboden noch carbonathaltig) und dadurch Ausflocken der Teilchen.  Dadurch entstehen im Bt-Horizont typische Auskleidungen der Grobporen in Form von glänzenden Tonhäutchen (Toncutane).

Grobpore Mineralkörner

Bodendünnschliff einer Parabraunerde mit parallel orientierten Toncutanen an den Wänden einer Grobpore Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997

Bodenmatrix

parallel angeordnete Toncutane

Löss und Kalk-Silikat-Mischgestein - 4

Parabraunerde aus Löss Ap (0–25cm) dunkelgraubrauner, humoser, lehmiger Schluff Krümelgefüge, porös, zahlreiche Regenwurmgänge Al (25-45cm) hellgraubrauner, sehr schwach humoser, schluffiger Lehm; subpolyedrischkrümeliges Gefüge, porös, zahlreiche Wurmgänge; stark durchwurzelt Bt (45-80cm) Dunkelbrauner schluffig-toniger Lehm;feinpolyedrisches Gefüge, porös, zahlreiche Wurmgänge; stark durchwurzelt (der Horizont ist häufig stärker rötlichbraun gefärbt und kann noch toniger sein) Cv (80-100cm+) braungelber stark kalkhaltiger, stark lehmiger Schluff; kohärent, porös; schwach durchwurzelt Merkblatt der Bayerischen Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau, Abteilung Boden- und Landschaftspflege

Die Tonverlagerung kann zu Tongehaltsunterschieden zwischen Al und Bt von bis zu 20 % führen. Der Bt hat im Vergleich zu Al- und C-Horizont meist weniger Grobporen und mehr Feinporen. Dennoch ist er im Normalfall gut durchwurzelbar und gut durchlüftet. Eine Fahlerde mit Ah/Ael/(Ael+Bt/)Bt/C-Profil liegt vor, wenn der tonverarmte Oberboden durch intensive Tonauswaschung stark aufgehellt ist, wobei der Ael oft zungenförmig in den Bt greift. Bei fortschreitender Lessivierung kann es zu einem dichten Bt und zu Stauwasser kommen, dann Weiterentwicklung zum (sekundären) Pseudogley.

Eigenschaften und Nutzung Hohe nFK (150 – 250 mm), keine Durchwurzelungsbegrenzung, hoher nativer Gehalt an Makround Mikronährstoffen, ausreichender Versauerungswiderstand Fruchtbare Ackerböden, da günstige physikalische Eigenschaften (Wasser- und Lufthaushalt) und chemische Eigenschaften (hohe Nährstoffvorräte), hohe Bodenzahl (50-90) Aber: in Hanglagen stark erosionsgefährdet! Gefüge im Al durch den hohen U-Anteil instabil; neigt zur Verschlämmung und Versiegelung Am Oberhang geköpfte Profile, Kolluvisole am Hangfuß Erosion schwach

stark

Akkumulation schwach

Geköpfte Profile / Kolluvisole

Löss

Ah Ah Al Bt Bt

heutige Oberfläche alte Oberfläche

C

Ah

geköpfte Parabraunerde

M

Sand, Kies

Bodenabtrag am Hang mit Bildung geköpfter Profile (= Erosionsbereich) im Oberhang und Verlagerung des erodierten Materials zum Hangfuß (= Kolluvium bzw. Kolluvisole).

Löss II

Kolluvisol

Wörterbuch der Bodenkunde, HintermeierErhard und Zech, 1997

Günstige Standorte auch bei forstlicher Nutzung; Humusform meist Mull oder Moder. In Abhängigkeit von den klimatischen Bedingungen können eine Reihe von Laub- oder Nadelhölzern gedeihen. Unter Wald sind Parabraunerden mäßig bis stark versauert.

Löss und Kalk-Silikat-Mischgestein - 5

Schwarzerde (Tschernosem) Axh/C-Profil Axh > 40 cm mächtig Schwarzerden (Tschernoseme) können aus einer Pararendzina (mit Humusform Mull) entstehen. Sie haben einen mächtigen, humosen und daher dunklen Axh- (oder Axp-) Horizont, der durch intensive Bioturbation (Durchmischung aufgrund hoher Aktivität der Bodenfauna) und hohe Anteile von Ton-Humus-Assoziaten gekennzeichnet ist. Der Axh-Horizont ist oft entkalkt, die Basensättigung ist aber immer nahe 100 %. Schwarzerden entstehen in kontinentalem Klima (d.h. trockene Sommer und kalte Winter) unter Steppenvegetation. Unter diesen Bedingungen kommt es zu einer hohen Biomasseproduktion, insbesondere auch hoher Input von Wurzelstreu aus der Grasvegetation. Man nimmt an, dass die Mineralisierung der Biomasse im Spätsommer und Herbst durch Trockenheit gehemmt, Einarbeitung durch größere Bodentiere und Humifizierung aber noch möglich ist. Die Mineralisierung ist im Winter durch Kälte gehemmt. Humusgehalte: bis 10 %. Im hellen Unterboden (C-Horizont) von Schwarzerden oft dunkle Gänge von Bodenwühlern (sog. Krotowinen). Sekundäre Kalkausscheidungen im Unterboden möglich. Finden sich sekundäre Kalkausscheidungen im ganzen Boden, so heißt er Kalktschernosem.

Stoffbestand Prozesse

Axp

Humus (Glimmer, Feldspäte usw.) Glimmer

Axh

Cc

Humusgehalt pH

Humifizierung (Mineralisierung)

Profildarstellung: Tschernosem

(Versauerung) Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen (verändert), http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip

Freisetzung von Kationen Feldspäte usw.

Entkalkung

Feldspäte Glimmer

Neubildung von Carbonaten

Carbonate

(“Lösskindl“)

Carbonat

Schwarzerde (Tschernosem) aus Löss Aufn.: E. A. Niederbudde, Kursk

Eigenschaften und Nutzung Sehr gute Pflanzenstandorte (günstiger Wasser- und Lufthaushalt, 50-60 % PV im Axh, mächtiger Axh-Horizont, hohe nFK, stabiles Gefüge, nährstoff- und humusreich), meist unter Acker. Bei intensiver Ackernutzung (mechanische Bodenbearbeitung, Erhöhung der Mineralisierungsrate) Gefahr der Degradierung. Ertragsbegrenzung durch Wasser-mangel. Für Wald häufig zu trocken.

Löss und Kalk-Silikat-Mischgestein - 6

Bodenentwicklung auf Carbonatgesteinen Ausgangsmaterial Festgestein oder Gesteinsschutt mit hohen Gehalten an Carbonaten (Calcit, Dolomit) oder Sulfat (Gips). Kalke, dolomitische Kalke und Dolomite mit Nichtcarbonatanteil < 5 % Mergelige Kalke (Nichtcarbonatanteil 5 - 15 %) Mergelkalke und Kalkmergel (Nichtcarbonatanteil 15 – 25 %) Generell: Carbonatgesteine mit > 75 % Carbonatgehalt

Bodenentwicklungsreihe Carbonatgesteine (Kalk, Dolomit) Ai cmC

Ai clC

Syrosem

Lockersyrosem

(Lithic Leptosol)

(z.B. Regosol)

Ah cC

Ah cC

Rendzina

Rendzina

(z.B. Rendzic Leptosol)

(z.B. Phaeozem)

Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997 verändert nach: Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, 2005

Ah Tv C

World Reference Base for Soil Resources (WRB), IUSS Working Group WRB, 2006 Resources Reports 103, FAO, Rom)

Terra fusca (z.B. Vertic Cambisol)

(World Soil

Die Bodenentwicklung auf Carbonatgestein ist geprägt durch den Entwicklungsprozess der Carbonatlösung und die Anreicherung eines tonigen Lösungsrückstands, der aus den Beimengungen (nichtcarbonatischer Anteil) des Ausgangsgesteins besteht. Die Mächtigkeit der Bodenentwicklung hängt also wesentlich vom Anteil des Lösungsrückstands im Ausgangsgestein ab. Bei geringen Anteilen nichtcarbonatischer Beimengungen verläuft die Bodenentwicklung sehr langsam.

Rendzina Horizontfolge Ah/cC Ah/C-Profil mit < 40 cm Ah-Horizont Humusform: meist Mull. Stoffbestand Prozesse

Ah

Humus Tonminerale Einzelne Kalksteine

Humifizierung

cC

Profildarstellung: Rendzina Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen (verändert), http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip

Humus

Humifizierung

Kalkstein (Skelett)

Entkalkung

Kalkstein

Ton Humus

Entkalkung

Tonminerale

Ah-C

Carbonat

(Verwitterung)

Kap4- Bodenentwicklung auf Carbonatgesteinen - 1 –

Bodenbildende Prozesse
Humusakkumulation
Carbonatauflösung
Ausbildung eines Krümelgefüges Ah-Horizont noch kalkhaltig; pH-Wert im Neutralbereich; gut entwickelt, krümelig, stark belebt Der mineralische Anteil des Ah-Horizonts ist aus dem Lösungsrückstand der Carbonatverwitterung entstanden Rendzina aus Wellenkalk Aufn.: Zezschwitz

Im gemäßigt-humiden Klima entwickelt sich die Rendzina bei reinen Kalksteinen (wenig silikatische Beimengungen) oft zur Terra fusca, bei mehr nichtcarbonatischen Beimengungen zur basenreichen Braunerde.

Eigenschaften und Nutzung Abhängig von Ausgangsgestein, Gründigkeit und Skelettanteil Rendzinen sind oft Trockenstandorte, da oft flachgründig, geringe nFK (30 – 50 mm); auch das Festgestein kann Wasser nicht pflanzenverfügbar speichern Neutrale Bodenreaktion, hohe BS, hohe Gehalte an Ca und Mg; hohe Humusgehalte im Ah (5 - 10 %) Enges C/N-Verhältnis (10-15) Hoher Tongehalt, hohe Aggregatstabilität Acker- und Obstbau möglich (bei Hängen Terrassierung nötig), aber meist weide- oder forstwirtschaftliche Nutzung erosionsgefährdet

Terra fusca Horizontfolge: Ah / Tv / cC Tv-Horizont entsteht aus Lösungsrückständen (meist feinkörnige Silikate) bei der Verwitterung von reinen Kalksteinen. Der Tv-Horizont ist tonreich und durch Eisenoxide (Goethit) gelbbraun bis rotbraun gefärbt.

Bodenbildende Prozesse Humusakkumulation Entcarbonatisierung Ausbildung eines Polyedergefüges im Tv-Horizont Verstärkte Anreicherung von Carbonatlösungsrückstand Die Basensättigung im Tv-Horizont ist oft noch relativ hoch. Der Tv-Horizont ist aber zumindest im oberen Bereich entkalkt, der Tongehalt des Tv-Horizonts ist ≥ 65 %. Er hat ein ausgeprägtes und stabiles Polyedergefüge, dadurch eine hohe Wasserleitfähigkeit. Auch das Ausgangsgestein ist meist klüftig, daher kommt es nicht zu Wasserstau. Die ockerbraune Farbe des Tv-Horizonts stammt überwiegend aus dem Lösungsrückstand des Ausgangsgesteins, zusätzlich kann aber eine Oxidation von Eisen, das während der Verwitterung Kap4- Bodenentwicklung auf Carbonatgesteinen - 2 –

aus silikatischer oder carbonatischer Bindung freigesetzt wurde, stattgefunden haben (Verbraunung). Häufig entspricht der Silikatmineralbestand noch dem des Ausgangsgesteins. Die gegenüber dem Tv-Horizont geringeren Tongehalte im Ah sind selten auf eine Tonverlagerung zurückzuführen, sondern sind meist bedingt durch Lösseinwehungen im Oberboden (sog. lehmige Albüberdeckung auf Fränkischer und Schwäbischer Alb). Lössbeimischungen im Tv können zu Tongehalten von unter 65 % führen (aber nicht unter 45 %). Terra fusca. Horizontfolge einer Terra fusca und ihre chemischen Eigenschaften Horizontfolge humoser, meist krümeliger, z.T. auch (sub-)polyedrischer Mineralboden, carbonatfrei

Ah

gelb- bis rotbraun, i. d. R. fossiler Residualton (≥ 65 % Ton, bei Lössbeimischung 45 - 65 % Ton), polyedrisches Gefüge, gut durchlässig, carbonatfrei

Tv

brauner Übergangshorizont, oft taschenförmig, subpolyedrisches Gefüge, carbonathaltig

Chemische Eigenschaften C (‰ (‰)

Ton (%)

TvTv-Cv

cC

Fed (g kg-1)

BS (%) KAKpot cmol(+) cmol(+) kg-1

pH (CaCl2) CaCO3 (%)

Carbonatgestein 0

100

Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997 verändert nach: Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, 2005

Die Terra fusca gehört mit der Terra rossa (verbreitet aus Carbonatgesteinen im Mittelmeerraum und in anderen subtropischen Klimaten; durch Hämatit kräftig rot gefärbter Unterbodenhorizont mit der Bezeichnung Tu) zu den Terrae calcis. Man nimmt an, dass die Terra fusca in Mitteleuropa meist eine Bildung aus früheren wärmeren Klimaten (Tertiär, Interglaziale) ist.

Terra fusca

Aufn.: H.H. Becher, 1991, Buchfart, Lkr. Weimar

Eigenschaften und Nutzung Die nFK liegt zwischen 50 und 150 mm; obwohl tiefgründiger als die Rendzina, ist die nFK wegen der hohen Totwassergehalte beschränkt Nutzung überwiegend als Weide oder Forst Ackerbauliche Nutzung begrenzt wegen schwerer Bearbeitbarkeit und starkem Wechsel mit flachgründigen, steinreichen Rendzinen

Kap4- Bodenentwicklung auf Carbonatgesteinen - 3 –

Bodenentwicklung auf Tongestein Ausgangsmaterial Tonreiche Ausgangsmaterialien wie Tongestein, Tonschiefer oder Tonmergelgestein; diese sind z.T. carbonathaltig

Bodenentwicklungsreihe Tongesteine und Tonmergelgesteine Ai mC

Ai lC

Syrosem

Lockersyrosem

(Lithic Leptosol)

(z.B. Regosol)

Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997 verändert nach: Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, 2005 World Reference Base for Soil Resources (WRB), IUSS Working Group WRB, 2006 (World Soil Resources Reports 103, FAO, Rom)

(P-)Ah P C Pelosol (z.B. Vertisol)

Ah Bv-P C

Ah Sw-P P-Sd C

Braunerde-Pelosol

Pseudogley-Pelosol

(Vertic Cambisol)

(Stagnic Cambisol)

Pelosol Horizontfolge Ah / P / C Beim Pelosol hat das Ausgangsmaterial einen dominierenden Einfluss auf die Bodeneigenschaften und Bodenfunktionen. Der Name stammt aus der griechischen Sprache: pelós = Ton.

Wichtige Bodenbildungsprozesse
Entkalkung (falls Ausgangsgestein carbonathaltig)
Humusakkumulation
Gefügebildung Das Ausgangsmaterial ist reich an quellfähigen Tonmineralen. Physikalische Verwitterungsvorgänge und häufiges Quellen und Schrumpfen (bei Austrocknung/ Wiederbefeuchtung) führen zur Auflösung des bei der Diagenese entstandenen schiefrigen oder feingeschichteten Gefüges des Ausgangsgesteins. Bei carbonathaltigen Ausgangsgesteinen ist dies nur nach Entkalkung möglich. Durch die Quellungs- und Schrumpfungsprozesse entsteht ein Polyeder- oder Prismengefüge. Der Mineralkörper der Pelosole ist chemisch wenig gegenüber dem Ausgangsmaterial verändert. Intensive Silikatverwitterung und Verbraunung haben kaum stattgefunden. Mächtigkeit der Ah- und P-Horizonte (zusammen) mehr als 30 cm. P-Horizont mit hohen Gehalten (≥ 45%) an Ton; mineralischer Unterbodenhorizont aus Ton- oder Tonmergelgestein; besonders im unteren Bereich grobes, in sich dichtes Prismen- und Polyedergefüge (oft slicken sides = glänzende, geriefelte Stresscutane durch ausgeprägte Quellungs- und Schrumpfungsdynamik), meist hochplastisch, zeitweilig Trockenrisse bis > 50 cm Tiefe. Aufgrund des Ausgangsmaterials skelettarm. Kap5 - Bodenentwicklung auf Tongestein - 1 –

Das Gefüge ist im nassen Zustand kohärent, bei Austrocknung ausgeprägt polyedrisch oder prismatisch. Der typische Pelosol kann neutral bis stark sauer sein; in der Regel ist er kalkfrei. Bei Staunässe Übergänge zum Pelosol-Pseudogley. Pelosol

Aufn.: H.H. Becher, 1990, Gerolfingen

Bodensystematische Einordnung: Terrestrische Böden, Klasse der Pelosole. In der WRB gehört ein Teil der Pelosole zu den Vertisolen. Vertisole sind häufig in wechselfeuchten Klimaten zu finden und gekennzeichnet durch einen Selbstdurchmischungsvorgang aufgrund der Quellung und Schrumpfung.

Eigenschaften und Nutzung Die Eigenschaften der Pelosole sind dominiert von den hohen Tongehalten und der ausgeprägten Schrumpfungs- und Quellungsdynamik. Pelosole haben günstige chemische Eigenschaften; allerdings sind die physikalischen Eigenschaften ungünstig: überwiegend Feinporen, daher geringe nFK, geringe Luftkapazität. Wasserbindefähigkeit in aller Regel hoch bis sehr hoch, größter Anteil des in der Bodenmatrix gebundenen Wassers nicht pflanzenverfügbares „Totwasser“. In Perioden geringer Niederschläge daher Welksymptome, obwohl die Bodenmatrix feucht ist. Pflanzenverfügbarer Wasseranteil (=nutzbare Feldkapazität) bei durchaus hohem Gesamtporenvolumen niedrig, so dass Pflanzen in feuchtem Boden vertrocknen können! Bei Vernässung leiden Pflanzen oft an Luftmangel, besonders in Pseudogley-Pelosolen. Vielfach ist die Durchwurzelbarkeit der Aggregate wegen der hohen Rohdichten ungenügend. Pelosol landläufig auch als „schwerer Boden“ bezeichnet. Die hohen Tongehalte der Pelosole schränken ihre landwirtschaftliche Nutzung sehr stark ein. Dies hängt mit der schlechten Bearbeitbarkeit zusammen, aber auch mit der ungünstigen pflanzenbaulichen Eignung. Probleme bei Ackernutzung, da nur in sehr kurzen Zeiträumen bei mittleren Wassergehalten bearbeitungsfähig (sog. Minutenböden); Pelosole sind regelmäßig im Frühjahr zu nass, um bearbeitet werden zu können. Bearbeitbarkeit auch bei Austrocknung durch Verhärtung stark eingeschränkt. Ein derartiger Boden kann nur mit großen Aufwendungen beackert werden. Er erfordert enorm hohe Zugkräfte. Bodenzahlen der Reichsbodenschätzung 25 bis maximal 40. Pelosole werden daher überwiegend als Grünland, Obstbaumwiesen und Wald (vor allem für Tiefwurzler) genutzt.

Kap5 - Bodenentwicklung auf Tongestein - 2 –

Auenböden und Moore Auenböden Böden aus Sedimenten in Tälern von Bächen oder Flüssen. Der Grundwasserspiegel schwankt stark, da er mit dem Flusswasserspiegel in Verbindung steht, er liegt mindestens 80 cm unter GOF, häufig tiefer als 2 m. Entsprechend tief liegen die G-Horizonte. Durch den variablen Grundwasserstand, der sehr rasch ansteigen und wieder abfallen kann, und die periodischen Überflutungen entwickeln sich die Auenböden mit einer besonderen Dynamik. Bei Hochwasser lagern sich frische Sedimente auf der Bodenoberfläche ab. Dies wird durch die Filterfunktion einer dichten Vegetation unterstützt. Je höher die Bodenoberfläche liegt, desto feinkörniger sind diese Sedimente. Nach dem raschen Ablaufen des Hochwassers wird der Boden sofort wieder gut durchlüftet; für intensive Redoximorphie ist die Überflutungszeit zu kurz. Die mit dem Wasser zugeführten Minerale und Nährstoffe fördern nicht nur eine hohe Biomasseproduktion, sondern auch ein intensives Bodenleben, wodurch die Streu rasch und weitgehend mineralisiert wird. Die verbleibenden Huminstoffe wie auch die frisch sedimentierten Minerale werden intensiv mit dem Mineralboden vermischt. Durch die ständige Zufuhr von Mineralpartikeln findet sich unter dem Ah-Horizont oft ein MHorizont, der im Bereich des Niedrigwasserstandes in einen Gr übergeht. Ein Go ist im Profil oft nur undeutlich zu erkennen. Hochflutlehm

Typische Substratschichtung von Auenböden an der Basis sandig

Sand unten kiesig

Schotter (Waldböden, Rehfuess, 1990)

Bei den Auenböden unterscheidet man:
Rambla (Auenrohboden/Auenlockersyrosem), Horizontfolge aAi / alC / aG
Paternia (Grauer Auenboden/Auenregosol), Horizontfolge aAh / ailC / aG: Hier besteht der CHorizont aus jungen Flussablagerungen, die meist aus Gesteinsabrieb stammen und kalkarm bzw. kalkfrei sind, bei der Kalkpaternia (Auenpararendzina: aAh / aelC / aG) jedoch z.T. hohe Kalkgehalte haben.
Vega ("Brauner Auenboden"), Horizontfolge aAh / aM / (II)alC / (II)aG: Die Vega entsteht aus dem erodierten Bodenmaterial der Talhänge, kann sich aber auch in situ im Talboden bilden. Bei einer Regulierung des Wasserstandes entwickelt sich ein Auenboden oft zu einem terrestrischen Boden (Regosol, Pararendzina etc.), bei hohem Grundwasserstand auch zu einem Gley. Natürliche Auenstandorte sind wegen ihres Artenreichtums wertvolle Biotope, die wegen der Grundwasserabsenkungen bzw. Flussregulierungen selten geworden sind und nur noch bei einigen Flüssen zwischen den Hochwasserdeichen vorkommen.

Kap6 Teil3 - Hydromorphe Böden - 1 –

Moore werden Böden aus Torf bezeichnet, wenn dessen Mächtigkeit ≥ 3 dm beträgt. Sie entstehen, wenn bei anhaltender Biomasseproduktion (Pflanzenwuchs) die Mineralisierung durch Sauerstoffmangel bei Wassersättigung gehemmt ist und dadurch die Gehalte an organischer Substanz über 30% ansteigen. Böden mit Torfhorizonten von < 3 dm Mächtigkeit heißen Moorgley. Böden mit Gehalten an organischer Substanz zwischen 15 und 30% bezeichnet man als Anmoorgley. Je nach dem Ursprung der Wassersättigung und damit nach den ökologischen Eigenschaften unterscheidet man Niedermoor, Quell- bzw. Hangmoor und Hochmoor.

Niedermoor Moortyp, der sich durch das Wachstum von Pflanzen in flachen Gewässern bildet. Mit dem Wasser werden in gelöster Form oder als Schwebstoffe meist ausreichend Nährstoffe angeliefert, und der pH-Wert liegt oft im Neutralbereich (Carbonatpuffer). Daher sind die Niedermoortorfe meist relativ stark zersetzt (dunkel) und haben einen hohen Aschegehalt. Ohne Störung von außen kann ein Niedermoor bei hohen Niederschlägen auch über den Wasserspiegel hinauswachsen und über das Zwischenstadium des Übergangsmoores ein Hochmoor bilden.

Bildungsbedingungen für Niedermoore in Abhängigkeit von Relief und Hydrologie - Aus Kuntze, Roeschmann & Schwerdtfeger (1994): Bodenkunde, 5. Aufl., Stuttgart Horizontfolge eines Niedermoors Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, 2005 Ah Go Gr

nHw (nHr) (II fF)

(...)

Ah Go, Sw Gr, Sd

Verlandungsmoor

Versumpfungsmoor (Talniedermoor)

Überflutungsmoor (Moormarsch)

Hangmoor (Quellmoor), soligen

Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997

Kap6 Teil3 - Hydromorphe Böden - 2 –

Hochmoor Bildung oberhalb des Grundwasserspiegels bei hohen Niederschlägen und kühlem Klima. Das Niederschlagswasser wird in der abgestorbenen Vegetation wie in einem Schwamm gespeichert, so dass der gesamte Torfkörper wassergesättigt ist. Da das Wasser hier nur aus den Niederschlägen stammt, ist es sehr nährstoffarm. Daher hemmen neben dem Sauerstoffmangel auch Nährstoffmangel und ein sehr tiefer pH-Wert die Humusmineralisation. Die wenigen Nährstoffe werden aus den absterbenden Pflanzen freigesetzt und sofort wieder von der wachsenden Vegetation aufgenommen. Stoffeinträge mit fließendem Wasser finden nicht statt, und die mineralischen Bestandteile stammen nur aus Staubeinträgen. Daher haben Hochmoortorfe einen besonders geringen Aschegehalt. Hochmoore können sich bei kühlem Klima mit hohen Niederschlägen auch auf nährstoffarmen Sanden ohne Grundwasseranschluss bzw. ohne eine Niedermoorphase bilden ("wurzelechtes" Hochmoor).

Bildungsbedingungen für Hochmoore in Abhängigkeit von Relief und Hydrologie - Aus Kuntze, Roeschmann & Schwerdtfeger (1994): Bodenkunde, 5. Aufl., Stuttgart Horizontfolge eines Hochmoors Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, 2005 Hochmoore der Moränenlandschaft

hHw (hHr) (uHr)

Ah Go, Sw Gr, Sd

über Versumpfungsmoor

Ah Ae Bhs Bv

wurzelecht über fossilem Podsol

Ah Go Gr

über Verlandungsmoor

(nHr) (II fF)

Gebirgshochmoore

(...)

Hanghochmoor Kammhochmoor ombrogen

ombro-soligen Sattelhochmoor

Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997

Kap6 Teil3 - Hydromorphe Böden - 3 –

Hydromorphe Böden Grundwasserböden Böden, bei denen ein Teil des Profils ganzjährig mit Wasser gesättigt ist; bilden die Abteilung Semiterrestrische Böden:
Gleye: Grundwasserspiegel schwankt im Jahresverlauf nur geringfügig
Auenböden: stark schwankender Grundwasserstand bis hin zur Überflutung Weitere Abteilungen der hydromorphen Böden: Semisubhydrische und subhydrische Böden:
Watten: semisubhydrisch
Unterwasserböden: subhydrisch Moore

Gley Horizontfolge Ah / Go / Gr Redoximorphie bei hoch anstehendem, sauerstoffarmem Grundwasser; mittlerer Grundwasserspiegel 40 - 80 cm unter GOF, oberhalb des Grundwasserspiegels Kapillarwassersaum.

Bodenbildende Prozesse


Humusakkumulation im Ah, Ah aber durch das Grundwasser unbeeinflusst




Umverteilung von Fe- und Mn-Verbindungen

Sauerstoffarmes Grundwasser führt zu einem permanent reduzierenden Milieu; Reduktion (und damit Lösung) der Fe- und Mn-Verbindungen; diese werden entweder mit dem Grundwasser abgeführt oder steigen mit dem Kapillarwasser auf.

 Bildung eines Reduktionshorizonts (Gr) im grundwasserbeeinflussten Bereich Gelöste Fe2+- und Mn2+-Ionen wandern in den Kapillaren bis in den Bereich der luftgefüllten Grobporen, wo sie an der Aggregatoberfläche bzw. in Wurzelröhren wieder oxidiert werden.

 Entstehung eines Oxidationshorizonts (Go) Prozesse

Ah

Go

Fe-Oxide Humus

Profildarstellung: Gley

Humifizierung

Oxidation von löslichen Fe(II)verbindungen, Ausfällung von Fe(III)-Oxiden

Redoxpotential

Sorption gelöster Stoffe (Phosphat, Schwermetalle usw.) Reduktion von Fe(III)-Oxiden

Gr

Anlieferung von Fe(II) mit dem Grundwasser

Grundwasserlinie

Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen (verändert), http://www.unics.unihannover.de/fischer/typen.zip

Kap6 Teil2 - Hydromorphe Böden - 1 –

Go-Horizont durch den Luftkontakt beeinflusster Oxidationshorizont, durch die Akkumulation von Eisen(III)Oxiden (v.a. Ferrihydrit) fleckig rostbraun gefärbt; Flächenanteil der Rostflecken ≥ 5 % gibt in der Regel den Grundwasserschwankungsbereich zu erkennen

Gr-Horizont fahlgrauer, blaugrauer oder auch graugrüner Reduktions-Horizont; mehr als 300 Tage im Jahr nass, rH-Wert < 19 bildet die Bodentiefe ab, in der das Grundwasser regelmäßig ansteht Humusakkumulation

Ah

O2-Diffusion in Grobporen

kapillarer Aufstieg

Wichtige Prozesse der Vergleyung (schematisch) rostfarben: rostfarben die mit Kapillarwasser aufsteigenden Fe2+- und Mn2+Ionen werden oxidiert und fallen auf Aggregatflächen aus (

v.a. Ferrihydrit)

Go

werden Gleye von kalkreichen Grundwässern durchströmt, kann Wiesenkalk (Alm) ausfallen

langsam ziehendes Grundwasser

Gr

Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997

reduktomorph; graue, graue blaue und schwarze Reduktionsfarben, ständig wassergesättigt, O2-Mangel; aszendente Verlagerung von Fe2+ und Mn2+ in Kapillaren

O2

Morphodynamik beim Gley

Go Kapillarsaum

Fe--Oxide Fe

Grundwasserspiegel

Gr

Fe2+ + 2H2O

FeOOH + e- + 3H+ Pore

Intensität der ablaufenden Reduktionsvorgänge hängt bei Sauerstoffarmut von der mikrobiellen Aktivität und dem Gehalt an zersetzbarer, organischer Substanz ab; Redoxsysteme im Boden fast ausschließlich mikrobiell induziert. Werden mit dem Grundwasser über längere Zeit lösliche Eisen(II)verbindungen zugeführt, kann sich im Go Raseneisenerz (verhärtete Ausfällung von Fe-Oxiden; früher abgebaut und verhüttet) bilden. pH-Wert, Verwitterungsgrad und Nährstoffgehalte je nach Ausgangsgestein unterschiedlich; Anlieferung von Nährstoffen und Basen (Hydrogencarbonat) durch das ziehende Grundwasser, daher oft günstiger Pflanzenstandort.

Kap6 Teil2 - Hydromorphe Böden - 2 –

Gley

Aufn.: H.H.Becher, Burk, nördl. vom Hesselberg, Lkr. AN

Wenn sauerstoffreiches Grundwasser ansteht, führen die hydrogeologischen Verhältnisse nicht zu reduzierenden Bedingungen, die Merkmale eines Gr-Horizontes sind nicht vorhanden; man findet dann den Oxigley mit der Horizontfolge Ah / Go. Bei höherem Grundwasserniveau können stark erhöhte Humusgehalte bis hin zum Anmoor oder Moor auftreten; hier fehlt dann wegen des hohen Grundwasserstandes ein Go-Horizont. Unter solchen Bedingungen finden wir den Nassgley

Horizontfolge Go-Ah / Gr

Anmoorgley Horizontfolge Go-Aa / Gr Moorgley

Horizontfolge H / Gr

Vergleich der Fe-Dynamik und der morphologischen Ausprägung von Gley und Pseudogley:

FeFe-OxidOxid-Verteilung im Mikrobereich

FeFe-OxidOxid-Verteilung im Profil Gley Ah OxidationsOxidationshorizont

Gley

Pseudogley

Pseudogley

+O2

Stauwasser

Ah

Go

Stauzone

Sw

GW

GW

GWO

- O2 ReduktionsReduktionshorizont

- O2 +O2

Staukö Staukörper Gr Sd

rot: Fe-Oxid-Anreicherung

+O2

Pore

Pore

rot: Fe-Oxid-Anreicherung

Kap6 Teil2 - Hydromorphe Böden - 3 –

Gley

Pseudogley Fe 2+

Fe 2+

Eh

Eh

Pore

Verbreitung Gleye in Deutschland zwar weitverbreitet, jedoch nur kleinflächig; entscheidend für die Entwicklung dieses Bodentyps ist oberflächlich anstehendes Grundwasser, die Entwicklung ist nicht an bestimmte Ausgangsgesteine gebunden Braunerde (m) 0

Gley

1

Naßgley 2

3

Anmoorgley

A-Go Gr

Ah Go

GleyBraunerde BraunerdeGley

Ah Bv

Bodengesellschaft in Abhänigkeit vom Grundwasser (Schema stark überhöht)

C Go Gr

Gr

Eigenschaften und Nutzung Gleye sind für die ackerbauliche Nutzung von sehr geringer Bedeutung, insbesondere bei niedrigen Grundwasserflurabständen. Sie sind nur als Grünland genutzt oder forstwirtschaftlich mit nässeverträglichen Baumarten. Einschränkend für das Wurzelwachstum ist nicht der Wasserüberschuss sondern die Sauerstoffarmut. Im Gegensatz zu Pseudogleyen können die Eigenschaften von Gleyen nicht durch geeignete Meliorationsmaßnahmen verbessert werden. Gleye sind generell natürliche Standorte nässeverträglicher Pflanzengesellschaften. Grundwasser aber in vielen Landschaften inzwischen künstlich abgesenkt, so dass die Gleydynamik nicht mehr oberflächennah vorkommt.

Kap6 Teil2 - Hydromorphe Böden - 4 –

Hydromorphe Böden Einführung


Bisher wichtigstes Kriterium Ausgangsgestein;




jetzt neues Kriterium Hydromorphie; bedingt durch Stau- oder Grundwasser und damit gekoppelte Redoxund Verlagerungsvorgänge von Eisen-, Manganund Schwefelverbindungen. Dies wirkt sich morphologisch in der Ausprägung spezifischer diagnostischer Horizonte aus.

Stauwasser tritt oberflächennah auf (Stauwassersohle i.d.R. < 130 cm unter GOF); wird durch pedogenen oder geogenen Stauhorizont am Versickern gehindert; Stauwasser tritt nur temporär auf, besonders zu Zeiten hoher Niederschläge oder nach Schneeschmelze (Nassphase); Stauwasser verschwindet während einer Trockenphase. Es fließt nur langsam über dem dichten Staukörper. Bei Grundwassser ist der Staukörper stets ein geologischer Körper. Es ist tiefliegend (Grundwassersohle i.d. R. > 130 cm unter GOF) und füllt kohärent alle Poren der Erdrinde aus. Es ist permanent (ganzjährig) vorhanden, der Grundwasserspiegel kann aber schwanken. Das Grundwasser bewegt sich entlang von Gefälleoder Druckgradienten, und strömt lateral häufig über weite Strecken.

Pseudogleye

Gleye GWO

Stauwasser

Sw Sd

Go Gr

Grundwasser

Stauwasserböden Böden mit periodischem, klimatisch bedingtem Wechsel zwischen Trocken- und Nassphasen. Redoximorphe Merkmale als Folge von Stauwasser; Dabei hängt die Ausprägung des Profils von den klimatischen Bedingungen, vom Verwitterungsgrad und von der Lage des Staukörpers ab. Man unterscheidet daher den typischen Pseudogley vom Stagnogley, bei dem die Reduktion zu einem vollständig gebleichten Horizont im Oberboden geführt hat. Parabraunerde

ParabraunerdePseudogley

Pseudogley

Stagnogley

zunehmende Vernässung

Ah

Ah

Al

AlSw

Bleichung

BtSd

starke Marmorierung

Profildarstellung: Stauwasserböden

Ah

Humusanreicherung Versauerung

SwAh

Sw

laterale Auswaschung

Srw

Verdichtung

Bt

C

Stauwasser Sauerstoffmangel

C

Sd

Srd Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen, http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip

C

C

Kap6 Teil1- Hydromorphe Böden - 1 –

Pseudogley Voraussetzung ist ein stauender Unterbodenhorizont. Stauwasser füllt zeitweilig alle Hohlräume aus und erzeugt daher Staunässe, gekennzeichnet durch periodischen Sauerstoffmangel und niedrige Redoxpotentiale. Charakteristisch für den Pseudogley sind als diagnostische Horizonte ein durchlässiger, wasserleitender Horizont (Sw), der über einem dichten, wasserstauenden Horizont (Sd) liegt.

Ah

nährstoff- und humushaltiges Sickerwasser wandert in Schrumpfrissen abwärts

Sw

Sd: Verschluss der Poren durch Quellung bei Wassersättigung Sw: Wasserstau

Sd

C

Mikroflora wird aktiviert in Poren: Sauerstoffmangel, Eisenreduktion Eisenwanderung in die Aggregate, dort wieder Oxidation

Ökologische Folgen:

Profildarstellung: Pseudogley

zeitweise zu nass zeitweise zu trocken Sauerstoffmangel und Verdichtung begrenzen den Wurzelraum

Entwicklung aus Tongestein: oft nährstoffreich Entwicklung aus Parabraunerde: oft ausgewaschen

Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen (verändert), http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip

Je nach Entstehung des Staukörpers werden unterschieden:

• Primärer Pseudogley Horizontfolge Ah / Sw / IISd / IIC Entsteht auf geschichteten Substraten, es handelt sich also um Zweischichtprofile; z.B. Löss über Ton, sandige Fließerde über Ton; häufig auch in periglazialen Lagen; Die Bodenbildung erstreckt sich über mindestens zwei unterschiedliche Ausgangsgesteine¸ wobei das unter der Stauzone liegende Material (der Staukörper) weniger durchlässig ist als das darüberliegende Material. Der Staukörper ist von Anfang an vorhanden.

• Sekundärer Pseudogley Horizontfolge Ah / Sw / Sd / C Hier wird der Staukörper von einem weit entwickelten Bt-Horizont gebildet, in dem der Anteil an Grob- und Mittelporen durch Einlagerungsverdichtung abgenommen hat. Der sekundäre Pseudogley ist also eine Weiterentwicklung der Parabraunerde. Der Staukörper bildet sich erst während der Pedogenese. Die häufig auftretenden Übergangsformen haben die Horizontfolge Ah / Al-Sw / Bt-Sd / C.

Bodenbildende Prozesse


Humusakkumulation




Nassbleichung durch periodischen Wechsel von Vernässung und Austrocknung

Im Sw-Horizont dominiert oftmals hellgraue Grundfarbe mit rostbraunen Konkretionen. Im SwHorizont kann das Stauwasser je nach Relief mehr oder weniger langsam lateral abziehen. Die Mn-/Fe-Konkretionen reichern sich häufig an der Basis des Sw-Horizonts an. Im darunter folgenden Sd-Horizont findet man die typische Marmorierung, die durch den kleinräumigen Wechsel von rostbraunen Oxidationsbereichen und hellgrau gefärbten Bleichzonen entsteht. Die temporäre Staunässe bzw. Wassersättigung mit sauerstoffarmem Wasser führt zur Reduktion von Eisen- und Manganoxiden. Eisen und Mangan werden in Form gelöster Fe2+- und Mn2+-Ionen innerhalb der Horizonte umlagert. Die fahlgraue Färbung als charakteristisches Erkennungsmerkmal der Fe- und Mn-verarmten Zonen entsteht durch den Verlust dieser färbenden Komponenten. Kap6 Teil1- Hydromorphe Böden - 2 –

Verhalten von Eisen und Mangan bei Wasserüberschuss

Fe

Mn

reduziert

oxidiert

mobil grü blau grün-blau 2+ Fe

immobil braun-rot braun rot Fe(III)-Oxide

farblos Mn2+

schwarz Mn(III, IV)-Oxide

Während der Nassphase erfolgt diese Reduktion zuerst in Bereichen von Wurzelbahnen und Aggregatoberflächen. Die gelösten Fe- und MnIonen diffundieren ins Aggregatinnere und fällen dort im Kontakt mit eingeschlossener Luft wieder als Ferrihydrit oder Lepidokrokit aus. Es bilden sich so gebleichte Aggregatoberflächen und Rostflecken im Aggregatinneren. Dies führt im Profilanschnitt zur typischen Marmorierung im Sd-Horizont, während der Sw-Horizont neben den Konkretionen infolge lateraler Stoffabfuhr überwiegend fahle Farben aufweist.

Wasser

Morphodynamik im Pseudogley

FeOOH

FeO Fe OH OO H + e - + 3H+  Fe2+ + 2H2O

Wurzel Sw

+O2

Sd

Humusakkumulation

Ah

periodisches Stauwasser

Eintrag org. Komplexbildner

laterale Stoffverlagerung (Sesquioxide, Basen)

S(e)w Stauzone (kf ≥10 cm d-1)

Konkretionsbildung kleinräumige laterale Verlagerung der Sesquioxide (II) Sd durch Diffusion Staukörper (kf <10 cm d-1, häufig <1 cm d-1) Marmorierung: Aggregate innen rostfarben, Hindiffusion außen gebleicht Rückdiffusion

Fe2+

FeOOH MnO2

Teilprozesse der Pseudovergleyung (schematisch) Diffusion ins Aggregatinnere (=Hindiffusion während der Nassphase), Diffusion aus dem Aggregat (=Rückdiffusion während der Trockenphase)

Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997

Kap6 Teil1- Hydromorphe Böden - 3 –

Braunerde-Pseudogley aus lehmig-sandiger Deckschicht über Tonmergel im Sandsteinkeuper Sw-Ap (0–27cm) dunkelgraubrauner, humoser, schluffiger Lehm, zahlreiche Konkretionen; Subpolyeder- bis Krümelgefüge II P-Swd (27-55cm) hellgraubrauner rostfleckiger, lehmiger Ton, zahlreiche Konkretionen; polyedrisches Gefüge; mäßig durchwurzelt II Sd1 (55-90) überwiegend grau- und braunmarmorierter lehmiger Ton, zahlreiche große Konkretionen; prismatisch-polyedrisches Gefüge, Kluftwände gebleicht; Durchwurzelung auf Klüfte beschränkt II Sd2 (90-100cm+) ockerbrauner, lehmiger Ton, zahlreiche mittlere und große Konkretionen; Prismengefüge, sehr dicht, Kluftwände gebleicht Merkblatt der Bayerischen Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau, Abteilung Boden- und Landschaftspflege

Die Dauer der Vernässungsphasen wird von der Wasserleitfähigkeit, der Mächtigkeit und der Neigung des Staukörpers bestimmt, außerdem von den Niederschlagshäufigkeiten, -intensitäten und -zeiten. Wasserleitfähigkeit des Staukörpers (Sd-Horizont) oft < 1 cm d-1 (=1,16*10-7m s-1), die des stauwasserführenden Horizontes (Sw) > 10 cm d-1.

Klasse 1 sehr gering

Permeabilität cm d-1 mm h-1 <1

< 0,4

2 gering

1 - 10

3 mittel

10 - 40

4 - 16

4 hoch

40 - 100

16 - 40

100 - 300

40 - 120

> 300

> 120

5 sehr hoch 6 extrem hoch

0,4 -

4

Haftpseudogley Unter Haftnässe versteht man Nässe in dichten, schluffigen, grobporenarmen Horizonten. Das dabei in den Mittel- und Feinporen gehaltene Haftwasser füllt alle Hohlräume aus und führt daher zu reduzierenden Bedingungen, ohne dass ein Stauhorizont vorhanden ist. Es gibt also keine Differenzierung in Stauzone und Staukörper. Man spricht dann von einem Haftpseudogley (früher: Haftnässepseudogley); er hat die Horizontfolge Ah / Sg. Haftnässe kann auch infolge eines kapillaren Bruches auftreten, wenn im Profil eine Schichtung von schluff- und tonreichem Bodenmaterial über sandig-kiesigem Substrat auftritt (z.B. häufig im Tertiärhügelland, Löss über Kies oder Sand). Die kapillaren Adhäsionskräfte des feinkornreichen Materials mit Mittel- und Feinporen sind wesentlich höher als die des darunter liegenden groben Materials.

Kap6 Teil1- Hydromorphe Böden - 4 –

Stagnogley Horizontfolge Sw-Ah / Srw / (II)Srd Durch extrem lange Nassphasen geprägter Stauwasserboden. Entsteht bei sehr hohen Niederschlägen. Bleichung des Oberbodens durch intensive laterale Verlagerung von Fe- und MnVerbindungen. Das hier mobilisierte Eisen wird hauptsächlich lateral weggeführt und kommt oft am Unterhang an die Bodenoberfläche (Bildung von Ockererden, einer Varietät der Braunerde mit eisenoxidreichem, rostbraunem Bv-Horizont). Eine Verlagerung in den Unterboden findet kaum statt, da dieser ständig mit stagnierendem Wasser gesättigt ist. Durch Stoffverlagerung, Versauerung und Entbasung kommt es auch zu einer Tonzerstörung in der Stauzone. Dabei entsteht ein Profil, das über dem dichten, stark marmorierten Srd-Horizont einen intensiv gebleichten, nährstoffarmen Srw-Horizont aufweist. Die geringe biologische Aktivität im nassen, luftarmen Material führt zur Ausbildung von Feuchtrohhumusformen als organischer Auflage. Bei ganzjähriger Wassersättigung gehen Stagnogleye in Moor-Stagnogleye oder Moore über.

Eigenschaften und Nutzung Pseudogleye erfordern eine angepasste Standortsnutzung. Vielfach nur Grünland- und Waldstandorte mittlerer bis guter Ertragsfähigkeit. Ackernutzung häufig aufgrund der lange ins Frühjahr reichenden Vernässung nicht möglich, Bearbeitung und/oder Bestellung nicht den Vegetationserfordernissen der Kulturpflanzen entsprechend möglich. Die Feuchtphasen wirken sich durch das Wasserüberangebot bzw. den Sauerstoffmangel im Boden limitierend auf das Pflanzenwachstum aus. Pseudogleye sind für die obstbauliche Nutzung wegen der Empfindlichkeit gegenüber Bodenluftmangel ungeeignete Standorte. Ausnahme bildet lediglich die Pflaume (Prunus domestica), die auch auf stauwasserbeeinflussten Böden ausreichende Erträge bringt. Bei der forstlichen Nutzung der Pseudogleye ist auf tiefwurzelnde Baumarten zu achten (Weißtanne, Stieleiche, Aspe, Schwarzerle). Arten mit hohem Sauerstoffanspruch (wie z. B. die Fichte) entwickeln sehr flache Wurzelteller, die nur im Ah und Sw verankert sind: eingeschränkte Wasser- und Nährstoffversorgung, erhöhte Windwurfgefahr. Stagnogleye fast ausschließlich als Waldstandorte genutzt. Vorhandene Dauerbestockung aus tiefwurzelnden Baumarten sollte erhalten bleiben, Wiederaufforstung nach Kahlschlag äußerst schwierig. Häufig tragen Stagnogleye eine spezifische Feuchtbiotopvegetation.

Kap6 Teil1- Hydromorphe Böden - 5 –

Anionenaustausch Wichtige Anionen im Boden Cl-, NO3-, SO42-, BO33-, MoO43-, SiO44-, PO43-, organische Anionen und gelöste Huminstoffe (meist Säuren; DOC = dissolved organic carbon), F-

Faktoren der Anionenbindung Art des Anions, Konzentration des Anions in der Bodenlösung, Zusammensetzung der Sorbenten, pH-Wert 1) Sorbierte Menge steigt mit steigender Konzentration in der Lösung, gilt für alle Anionen (wie Kationen) 2) Starker pH-Einfluss: Zunahme mit sinkendem pH 3) Verschiedene Anionen können miteinander konkurrieren, Beispiel PO4 und SiO4 4) Sorbenten: Tonminerale und vor allem Al-Fe-Hydroxide und Oxide, Allophane; nur variable Ladung

Sorptionsmechanismen
Unspezifische Sorption elektrostatische Bindung, positive Ladung am Austauscher zieht Anion an, in Doppelschicht, keine Reaktion mit Bestandteilen der Oberfläche, Ladung des Anions entscheidend; v.a. im stark sauren Bereich, da dann positive Ladungen, (d.h. pH < LNP)

Al - OH2+Cl- + NO3-

-

Al - OH2+ NO 3 + Cl-


Spezifische Sorption chemische Bindung an (Hydr)oxidoberflächen über Ligandenaustausch viel fester als unspezifische Sorption; nur bei bestimmten Ionen mit hoher Affinität zu (Hydr)oxidoberflächen: P, Mo, Si, B

OH Fe - OH2+ + H2PO4-


Fe - O - P = O + H2O OH

Fe - OH2+ O

Fe - O 2-

+ HPO4
O Fe -

OH2+

O P

Fe - O

+ 2H2O OH

Bodenökologie, Gisi, 1997

Bodenkunde

Anionenaustausch - 1 -

 Anionensorption in Böden

PO43Sorbierte Menge (cmolc/g) 2-

SO4

NO3-, ClGleichgewichtskonzentration (cmolc/L)

Sorption in Böden:

PO43- > SiO44- > MoO43- >> SO42- > NO3- ~ ClCl-, NO3-, SO42- nur im stark sauren Bereich, daher in Böden der gemäßigten Breiten kaum gebunden; deshalb Nitratbelastung des Grundwassers;

 Anionensorption in Abhängigkeit vom pH-Wert PO4

3-

Sorbierte Menge

SO4 -

NO3 , Cl

3

2-

-

4

6

8 pH

34

PO sehr fest gebunden, besonders im sauren Bereich, Problem für P-Verfügbarkeit (Borat-, Molybdat-Mangel) in Fe-Oxid-haltigen Böden (Ferralsole bzw. Oxisole) und allophanreichen Böden (Andosole) Folgende Abb. zeigt die pH-Abhängigkeit der Sorptionsisotherme für Sulfat. Es ist außerdem zu erkennen, dass die Sorption im B-Horizont deutlich höher ist, da im A-Horizont die Konkurrenz von organischen Anionen höher ist. Sulfat-Adsorption des Ap- und B-Horizonts eines Oxisols in Abhängigkeit von der SO4Gleichgewichtskonzentration bei unterschiedlichen pH-Werten Scheffer/Schachtschabel,

Adsorbiertes SO4 (cmolc/kg)

2002

Bodenkunde

1,5

Ap-Horizont

1,5

B2-Horizont

pH 4,5 5,0

1,0

1,0 pH

0,5

0

4,5 5,0 6,0 6,5

0,5

6,0 6,5

0 0,1 0,2 0,1 0,2 SO4-Konzentration der Gleichgewichtslösung (cmolc/L) Anionenaustausch - 2 -

Bodenacidität pH-Wert des Bodens
negativer dekadischer Logarithmus der H3O+-Aktivität in der Bodenlösung beruht auf Gehalt des Bodens an 1. austauschbaren/dissoziationsfähigen H+ 2. austauschbaren Al3+-Ionen Al3+ liegt in der Bodenlösung in hydratisierter Form vor und kann H+ dissoziieren

AI(H2O)63+

AIOH(H2O)52+ + H+

Al-Ionen treten erst ab pH < 5 in der Bodenlösung auf 6 Al-Konzentration (mmolc/L)

Beziehung zwischen dem pH und der AlKonzentration der Bodenlösung von sauren Sandböden unter Wald in den Niederlanden und in Dänemark

4

Scheffer/Schachtschabel, 2002

2

0 4

5 pH in der Bodenlösung

Die Messung des pH-Werts erfolgt meist in Aufschlämmung von 1 Teil Boden in 2,5 Teilen Lösung  Wasser  0,01 M CaCl2 (oder 0,1 M KCl)

Die pH-Werte in Böden liegen meist zwischen 3 und 8. Einstufung der Böden nach dem pH-Wert (gemessen in 0,01 M CaCl2) Reaktionsbezeichnung neutral schwach sauer mäßig sauer stark sauer sehr stark sauer extrem sauer

Bodenkunde

pH 7,0 6,9 - 6,0 5,9 - 5,0 4,9 - 4,0 3,9 - 3,0 < 3,0

Reaktionsbezeichnung schwach alkalisch mäßig alkalisch stark alkalisch sehr stark alkalisch extrem alkalisch

pH 7,1 - 8,0 8,1 - 9,0 9,1 - 10,0 10,1 - 11,0 > 11,0

Bodenacidität - 1 -

Der pH-Wert beeinflusst viele wichtige Prozesse im Boden, wie z.B. die Nährstoffverfügbarkeit, Redoxreaktionen, die biologische Aktivität, Verwitterung und Mineralisierung. 3

4

5

6

7

8 pH (CaCl2)

sauer< Optimalbereich >alkalisch

chem. Verwitterung Mineralneubildung Mineralisierung Humifizierung biotische Aktivität Gefügebildung Tonverlagerung Al-Fe-Verlagerung Al-Toxizität H-OH-Toxizität N+S P+B Ca + Mg K Cu + Zn Fe + Mn Mo

Beziehung zwischen pH-Wert und verschiedenen ökologischen und pedogenetischen Faktoren. Je breiter das Band, desto intensiver ist der Vorgang bzw. die Verfügbarkeit der Elemente Bodenökologie, Gisi, 1997 (nach Schroeder 1992)

Protonenquellen im Boden Bildung von Kohlensäure  Wurzelatmung  mikrobielle Atmung (Oxidation von Biomasse)

CO2 + H2O

H2CO3

HCO3- + H+

aus Biokreislauf, unerschöpflich, schwache Säure CO2-Partialdruck in der Bodenluft zwischen 0,2 und 0,7 kPa Entsprechend steigt in der Bodenlösung die CO2-Konzentration und (oberhalb pH 5 - 5,5) die der Kohlensäure. Gegenüber dem biologisch gebildeten CO2 fällt das CO2 im Regenwasser kaum ins Gewicht. Da das CO2 nur oberhalb pH ~5 Kohlensäure bildet, ist diese für die Versauerung der meisten landwirtschaftlich genutzten Böden von erheblich größerer Bedeutung als bei den häufig stärker sauren, forstlich genutzten Böden. Dieser Prozess ist somit der Hauptversauerungsvorgang natürlicher Böden im pH-Bereich zwischen 7 und 5.

Freisetzung organischer Säuren  aus der Pflanzenwurzel

 Oxidation während der Humifizierung Abgabe von H+-Ionen durch die Wurzeln bei Kationenaufnahme Bodenkunde

Bodenacidität - 2 -

pH-Wert in der Rhizosphäre deutlich niedriger als im Boden

Eintrag saurer Niederschläge  HCl, H2CO3  HNO3, H2SO4

Oxidation von NH4+ und NH3  Aus Pflanzenresten

NH4+ + R-OH

R-NH2 + H2O + H+

(N-Mineralisierung oder Ammonifikation)

NH4+ + 2O2

NO3- + 2H+ + H2O (Nitrifikation)

Weitere Quellen für NH4+  aus Düngern  aus der Atmosphäre (stammt überwiegend aus Emissionen der Landwirtschaft)

Oxidation von Fe2+, Mn2+, Fe-Sulfiden

Fe2+ + 1/4 O2 + 3/2 H2O FeS2 + 33/4 O2 + 21/2 H2O

FeOOH + 2H+ FeOOH + 2H2SO4

Der Boden als Puffersystem Im Boden wirken verschiedene Puffersysteme, die H+-Ionen reversibel oder irreversibel binden (verbrauchen) und damit den pH-Wert stabilisieren können. Der pH-Wert wird auf einem bestimmten Niveau gehalten, bis die Puffersubstanz verbraucht ist. Dabei hängt der Pufferbereich von der Säurestärke der protonierten Puffersubstanz ab, die dem Puffersystem zugrunde liegt. Je schwächer die entsprechende Säure ist, desto höher liegt der pH-Bereich, in dem sie puffert. Im Boden wirken verschiedene Puffersysteme:


Carbonatpuffer

CaCO3 + CO2 + H2O CaCO3 + H+

Ca (HCO3)2

Ca2+ + HCO3-

In carbonathaltigen Böden wird der pH-Wert durch die Löslichkeit des CaCO3 und den CO2-Partialdruck (PCO2) bestimmt: pH

=

-0,67 log PCO2 + 7,23

für PCO2

=

0,03 - 1,0 kPa liegt der wirksame pH-Bereich des Carbonatpuffers zwischen 8,2 - 7,2

Das Carbonat löst sich bei dieser Pufferreaktion auf und wird als lösliches Hydrogencarbonat ausgewaschen. Solange in Böden feinverteiltes Carbonat vorhanden ist, sinkt der pH-Wert nicht unter ca. pH 7.


Variable Ladungen Bodenkunde

Bodenacidität - 3 -

Wichtigste Bodenbestandteile mit variabler Ladung: Organische Substanz, Eisen- und Aluminium(hydr)oxide; Tonminerale sind von geringerer Bedeutung. Im neutralen bis schwach sauren pH-Bereich sind diese meist mit Ca2+ belegt. Protonen werden wie folgt gebunden: -

R-COO Ca2 + + H+ [ Fe-O ]- Ca2 + + H+ [ Fe-OH] + H+

R-COOH + Ca2 + [ Fe-OH] 0 + Ca2 + [ Fe-OH2 ]+

Bodenökologie, Gisi, 1997

Pufferbereich pH 5,7 – 4,9 Durch diese Pufferreaktionen werden basisch wirkende Kationen von den Austauscherplätzen verdrängt. Bei nachfolgender Auswaschung werden sie aus dem Boden vollständig entfernt. Unterhalb ihres Ladungsneutralpunkts können die variablen Ladungen der Tonminerale und Oxide ein weiteres H+ anlagern und sind dann positiv geladen. Dadurch kann die Anionenaustauschkapazität ansteigen. Die Säureneutralisationskapazität ist im Oberboden von Ackerböden höher als im Unterboden, bei gleichem pH, da sie mehr organische Substanz enthalten. KAK und austauschbares Ca können durch Kalkung im Oberboden stärker erhöht werden als im Unterboden.


Silicate Reaktionen mit Silicaten, insbesondere Tonmineralen (Protolyse), und (Hydr)oxiden. Die Pufferung durch Silicate besteht in der Protonierung der Si-O-Me-Gruppen (s. Silicatverwitterung). Dabei entstehen Silanol-Gruppen (-Si-OH), und Metallkationen werden aus silicatischer Bindung freigesetzt.

-(SiO)K + H+ -(SiO)3Al + 3H+

-(SiOH) + K+ -(SiOH)3 + Al3+ (unter pH 5)

Pufferbereich 5,0 – 4,2 Es kommt zur Freisetzung von Kationen (K, Na, Mg, Al) aus Silicaten, die dabei zerstört werden. Die freigesetzten Aluminiumionen hydratisieren und werden entweder in die Zwischenschichten von Tonmineralen eingebaut oder an den äußeren Oberflächen sorbiert. Sie ersetzen dann K, Na, Mg und Ca an den Austauschern.


Aluminium- und Eisenoxidhydroxide Protonierung von OH-Gruppen am Aluminiumhydroxid und dessen Auflösung, Pufferbereich < pH 4,2

Al(OH)3 + 3H+ FeOOH + 3H+

Al3+ + 3H2O

Fe3+ + 2H2O (nur bei pH <3)

Saure Niederschläge wirken sich besonders in schwach gepufferten, sandigen Böden (meist forstlich genutzt) stark auf den pH-Wert aus. In landwirtschaftlich genutzten Böden wird die natürliche und anthropogene Versauerung durch Kalkung kompensiert. Außerdem ist hier die Versauerung durch die Oxidation von Düngern 4-16 mal höher als durch saure Niederschläge. Bodenkunde

Bodenacidität - 4 -

Ein besonderes Problem stellen stark saure Böden dar, die aufgrund der Oxidation von Pyrit entstanden sind. Dies sind die sog. Acid sulfate soils. Sie bilden sich bei Trockenlegung von sulfidhaltigen Küstensedimenten sowie auf pyrithaltigen Kippen des Braunkohletagebaus oder Halden des Steinkohlebergbaus. Ihre (Re)kultivierung ist erst möglich, wenn die pH-Werte angehoben wurden.


Kalkung Zufuhr neutralisationsfähiger basischer Stoffe: Kalkstein, Mergel, Dolomit, Branntkalk (CaO) bewirkt  Beseitigung von austauschbarem Al, das pflanzenschädlich ist und den Ertrag verringern kann  Erhöhung der KAKeff und der Basensättigung  Verhinderung der Zerstörung von Silicaten Weitere Wirkungen  Zufuhr von Ca  Veränderung der Nährstoffverfügbarkeit: Mg, Mn, P  Erhöhung der biologischen Aktivität und damit Effekt auf Gefügebildung (Regenwürmer), schnellerer Umsatz der organischen Reste, in Waldböden Verbesserung der Humusform (Rohhumus  Moder  Mull) Bei der Kalkung kommt es zu einer Entprotonisierung protonisierter Positionen; man kann nicht den pH der Bodenlösung erhöhen, ohne die sorbierten H+ zu neutralisieren. Der optimale pH-Bereich ist bodenspezifisch.

pH-Wert Puffersysteme

Kalkbedarfseinstufung je nach Bodenart

ackerbaulich relevante pH-Bereiche humose Sandböden

3,8

4,2

5

starke Säuren Oxide von Silicate Fe Al Austauscher <5,0

E

6,5

H2CO3

CaCO3

5,0 - 6,5

r

h

andere Sandböden lehmige Sandböden sandige und schluffige Sandböden tonige Lehm- und Tonböden

6,2

Gesundungskalkung

a

l

t

u

>6,5

kein Kalkbedarf n

g

s

k

a

l

k

u

n

g

Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997

Bodenkunde

Bodenacidität - 5 -

Bodentemperatur Die Bodentemperatur beeinflusst
Materialeigenschaften der Bodenbestandsteile (z.B. Oberflächenspannung, Viskosität der Bodenlösung)
Geschwindigkeit chemischer Reaktionen
Stoffwechsel und Wachstumsprozesse von Organismen (z.B. Keimung von Samen, Wachstum von Mikroorganismen)

 Wärmetransport erfolgt durch drei Transportmechanismen


Strahlung Wärmetransport über Ausbreitung elektromagnetischer Wellen; besonders wichtig für den Energieaustausch mit der Atmosphäre an der Bodenoberfläche


Wärmeleitung wichtigster Wärmetransportmechanismus in humiden Böden


Strömung (Konvektion) z.T. durch Wasserdampftransport, im Untergrund durch Wasserfluss (Grundwasser)

 Thermische Eigenschaften der Bodenbestandteile Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Wärme einer Substanz wird durch ihre Wärmekapazität ausgedrückt. Die volumetrische Wärmekapazität (CV) ist die Wärmemenge, die einer Volumeneinheit Boden zugeführt werden muss, um die Temperatur um ein K (oder Grad C) zu erhöhen (bei konstantem Druck). Sie setzt sich additiv aus den Wärmekapazitäten der einzelnen Phasenbestandteile zusammen. Die Wärmeleitfähigkeit KH ist eine materialspezifische Konstante. Die Wärmediffusivität DH (DH = KH/CV) charakterisiert die Geschwindigkeit, mit der sich eine Temperaturwelle durch Wärmeleitung im Boden ausbreitet.

Substrat Wasser Eis (bei 0°C) Luft Quarz Tonminerale organische Substanz

volumetrische Wärmekapazität CV (J cm-3 K-1)

4,2 1,9 1,3 x 10-3 2,0 2,0 2,5

Wärmeleitfähigkeit KH

Wärmediffusivität DH x 10-2

6 22 0,3 88 30 2,5

0,14 1,15 20 4,4 1,5 0,1

(mJ cm-1K-1s-1)

(cm2s-1)

Thermische Eigenschaften verschiedener Bodenbestandteile aus Gisi (1997)

Da die Zusammensetzung der festen Bodenbestandteile im allgemeinen als konstant angenommen werden kann, sind die Wärmekapazität, die Wärmeleitfähigkeit und damit auch die Wärmediffusivität eines Bodens vor allem vom Wassergehalt abhängig.

Bodenkunde

Einführung - 1 -

Wärmeleitfähigkeit λ (J cm-1s-1K-1)

10-1

Quarz Calcit

bö eral n i M

10-2

Tor

10-3

den

Wasser

Wärmeleitfähigkeiten von Mineralböden und Torfen als Funktion des Wassergehalts. Aufgrund ihrer hohen OS-Gehalte leiten Torfe die Wärme nicht so gut wie Mineralböden (rechts: Leitfähigkeiten einiger Bodensubstanzen)

Humus

aus Wörterbuch der Bodenkunde (Hintermaier-Erhard und Zech)

Granit Eis

fe

Ton (trocken)

10-4

Luft

0

20 40 60 80 Wassergehalt θ (Gew. %)

Die Wärme(energie)aufnahme des Bodens ist abhängig von der Albedo (Wärme-, Lichtrückstrahlung der Bodenoberfläche). Die Albedo wiederum ist abhängig von Bodenfarbe und Vegetationsbedeckung:
dunkle Farbe = geringe Abstrahlung bzw. hohe Wärme(energie)aufnahme
helle Farbe = hohe Abstrahlung bzw. geringe Wärme(energie)aufnahme d.h. also dunkle, humusreiche Böden haben eine hohe Aufnahme, helle, humusarme Böden eine geringe; Nasse Böden erwärmen sich nur langsam, weil viel Energie zum Erwärmen des Wassers benötigt wird, trockene erwärmen sich schnell. Extremsituation bei Moorböden: dunkel, nass, schlechte Wärmeleitfähigkeit und –diffusivität.

 Temperaturregime Die Bodentemperatur ist starken räumlichen und zeitlichen Schwankungen unterworfen. Das Temperaturregime eines Bodens wird durch einen Tages- und Jahresgang der Temperatur geprägt. Dieser ist wiederum bedingt durch den Tages- und Jahreszyklus der solaren Einstrahlung. Der Tagesgang der Temperatur im Boden und in der bodennahen Luftschicht ist in der folgenden Abb. dargestellt. Die Temperatur der bodennahen Luftschicht ist tagsüber höher als in der Nacht, dagegen ist nachts die Temperatur der obersten Bodenlagen höher als die der bodennahen Luftschichten. Generell finden wir eine zunehmende Amplitudendämpfung und verschiebung mit zunehmender Bodentiefe. Tiefe(cm)

Temperatur (°C)

0 1 5

Tiefe(m) 0,5

20

10 50

1,0 4,0

10

Jahresgang der Temperatur in verschiedenen Bodentiefen. Je tiefer im Boden, umso stärker ausgeprägt ist die Phasenverschiebung des Temperaturgangs (z.B. wird in 12 m Tiefe das Temperaturmaximum erst im Februar erreicht).

12,0

aus Wörterbuch der Bodenkunde (Hintermaier-Erhard und Zech)

5 J F M A M J J A S O N D J F M A M

Monat des Jahres

Bodenkunde

0

6

12

18

24

Tageszeit (h)

Einführung - 2 -

Bodenlebewesen (Edaphon) Gesamtheit der im Boden lebenden Organismen, zusammengesetzt aus
Bodenflora

Bakterien (Prokaryoten) Archaeen (Prokaryoten) Pilze Algen unterirdische Pflanzenorgane


Bodenfauna

Protozoen Nematoden Mollusken (Weichtiere), Anneliden (Ringelwürmer), Arthropoden

Einteilung der Organismen in Böden nach der Körpergröße: Mikroflora, Mikrofauna, Mesofauna, Makrofauna Mikroflora und Mikrofauna = Mikroorganismen Oberirdische Pflanzenteile sind Produzenten der organischen Substanz (durch Photosyntheseleistung) viele Bodentiere sind Konsumenten (Verbraucher) der Pflanzenmasse Mikroorganismen und einige Kleintiere sind Reduzenten (Zersetzer oder Destruenten), die organisches Material weiterverwerten und zu anorganischen Endprodukten umwandeln (= Mineralisierung) aus diesem Stoffkreislauf gewinnen Organismen Energie und Baustoffe für den Körperaufbau weniger als 5 % der Bodenbakterien und nur wenige Archaeen bisher kultivierbar Funktion im Boden nur teilweise bekannt

Lebensweise und Funktion der Organismen in Böden Ernährungsweise der Bodenorganismen Energie- und Nährstoffquelle nötig
phototroph: Strahlungs- (Licht)Energie als Energiequelle
chemotroph: Energie aus der Oxidation von chemischen Stoffen
(C-)autotroph: Kohlenstoff aus anorganischen Quellen
heterotroph: Kohlenstoff aus organischen Verbindungen

4 Grundernährungstypen
Photoautotrophe Organismen Licht als Energiequelle, CO2 als C-Quelle höhere Pflanzen (oberird. Teile), Algen, Cyanobakterien photoautotrophe Bakterien im Boden unbedeutend

Bodenkunde

Bodenlebewesen - 1 -


Photoheterotrophe Organismen Energie aus Sonnenlicht, C aus org. Substanzen, im Boden unbedeutend
Chemoautotrophe Organismen Energie aus Oxidation anorg. Verbindungen, CO2 als C-Quelle wichtige spezialisierte Bodenbakterien, z.B. Nitrifizierer (Oxidation von NH4+, NO2-) S-Oxidation durch Thiobacillus
Chemoheterotrophe Organismen organische Verbindungen als Energie- und C-Quelle alle Tiere (incl. Protozoen), alle Pilze, die meisten Bakterien, unterird. Pflanzenorgane

Mikrobielles Wachstum Wachstumskinetik zweier Populationstypen (A, B) von Bodenmikroorganismen in Abhängigkeit von der Substratkonzentration (KM = Michaelis-Menten-Konstante, µ = spezifische Wachstumsrate) (aus Gisi 1997)

µmax (A) Spezifische Wachstumsrate µ

A zymogen µmax (B) B autochthon

½ µmax (A) ½ µmax (B)

KM (B)

KM (A)

Substratkonzentration


autochthone Bodenorganismen (Populationen) an niedriges Nährstoffangebot angepasst bei niedrigem Nährstoffangebot kompetitiver als andere Populationen immer im Boden gegenwärtig wachsen bei plötzlichem Nährstoffangebot rasch gehen bei Nährstoffentzug sofort in Ruhestadium überdauern lange
zymogene Bodenorganismen (Populationen) in speziell nährstoffreichen Situationen wichtig müssen sich erst der neuen Nährstoffsituation anpassen bei höherer Stoffzufuhr kompetitiver als andere Populationen bei niedrigem Stoffangebot kaum kompetitiv sind kein dauernder Anteil der mikrobiellen Gesamtpopulation des Bodens werden leicht überschätzt, da leichter (auf Agrarmedien) zu isolieren

Bodenkunde

Bodenlebewesen - 2 -

Bakterien klein, 0,5 - 2 µm (meist) einzellig keine Kernhülle, Prokaryoten Form unterschiedlich: Kokken, Stäbchen, Spirillen, Vibrionen wichtige Organismengruppe in Böden empfindlich gegen Austrocknung einige Formen bilden ausdauernde Endosporen oder Kapseln Lebensraum: dünner Wasserfilm um Bodenpartikel und Rhizosphäre beweglich nur durch Geißeln oder passiv mit dem Bodenwasserstrom bevorzugen neutrale bis basische Umgebung meist (chemo)heterotroph, Energie und C aus löslichen organischen Verbindungen, Zersetzung durch Veratmung oder Vergärung wenige spezialisierte chemoautotrophe Organismen: Nitrosomonas, Nitrobacter, Thiobacillus: Energie aus der Oxidation von anorganischen Verbindungen (NH4+, NO2-, S2-, S0), C aus CO2 Zahl der Bakterienzellen ist sehr hoch, besonders in landwirtschaftlich genutzten Oberböden: 106 bis 109 Individuen / g Boden
Myxobakterien heterotroph, ernähren sich meist von anderen Bakterien; Cellulosezersetzer
Actinobakterien (früher Actinomyceten oder „Strahlenpilze“) heterotroph, filamentös wachsend, d.h. stäbchen- oder kokkenförmige Zellen werden durch schleimartige Zellwandbestandteile zusammengehalten, bilden sogenanntes Pseudomycel, aber feiner (1 µm Durchmesser) als Pilzmycel z.B. Actinomyces, Nocardia, Streptomyces häufige Bodenbakterien, etwa 1-10 % der gesamten Bakterienpopulation Lebensraum: Maximum in 5-10 cm Bodentiefe fehlen in der Streulage, besiedeln organisches Material, greifen vor allem schwer zersetzbare Substanzen an (Lignin, Chitin, Stärke) viele Actinomyceten produzieren Antibiotika (Streptomycin, Choramphenicol, Tetracycline) mitverantwortlich für charakteristischen Erdgeruch Gattung Frankia: symbiontische Stickstoff-Fixierung bei nichtleguminosen Angiospermen
Cyanobakterien (früher Blaualgen) Cyanobakterien sind photoautotroph, deshalb Lebensraum auf die obersten mm des Bodens beschränkt Viele Cyanobakterien können N2-Fixierung betreiben
Archaeen einzellig, Prokaryoten, 0,4 - 100 µm, meist etwa 1 µm an extreme Milieubedingungen angepasst (Temperaturen >80°C, hochkonz. Salzlösungen, ph-Werte bis 0 oder >10) bisher kultivierte Arten extremophil, z.T. autotroph, z.T. heterotroph, häufig anaerob Bedeutung im Boden erst wenig bekannt Ammoniumoxidation durch Crenarchaeota Methanogene Archaeen in Reisböden für Methanbildung in der Rhizosphäre verantwortlich

Bodenkunde

Bodenlebewesen - 3 -

Pilze Eukaryoten, Zellen (in meisten Stadien) mit Wand, nur heterotrophe Organismen aus Einzelzellen (z.B. Hefen) oder längl. zusammenhängende Zellen, d.h. Hyphen (Pilzfäden), bilden Mycel, viele m lang; Durchmesser der Hyphen: 3 - 10 µm bevorzugen eher neutrale bis saure Umgebung Pilze dringen durch Hyphenwachstum in neue Substrate vor, können sich also neue Nährstoffquellen erschließen wesentlich am Abbau der org. Substanz im Boden beteiligt, Enzymsystem zum Abbau von Lignocellulosen Anzahl der Pilzindividuen schwer zu erfassen etwa 50 bis 500 x kleiner als Bakterienzahl, aber Biomasse der Pilze bis 5 x größer Mykorrhiza: Symbiose mit Pflanzenwurzel

Algen photoautotroph, meist einzellig, bilden auch Kolonien oder Filamente Lebensraum vor allem an der Bodenoberfläche oder in den obersten mm des Bodens Bodenalgen meist zu den Grünalgen gehörend, z.B. Chlamydomonas, Chlorella etwa 103 bis 104 Individuen / g Boden

Unterirdische Pflanzenorgane 1 - 6 g Trockensubstanz / Liter Boden (0,1 - 1,5 kg m-2) 2-3fache Biomasse sämtlicher Bodenmikroorganismen und –tiere; überwiegend Wurzeln größere Speicherwurzeln, Zwiebeln und Rhizome (unterird. Sprossorgane), heterotroph geben organische Substanzen als Exsudate an Boden ab variabler Anteil der gesamten Pflanzenbiomasse im Boden besonders hoch bei Dauergrünland (50-70 %) Pflanze

Samenexsudate

Wurzelexsudate

(mg pro 1000 Samen)

(mg pro 1000 Pflanzen)

Gerste

240

430

Weizen

200

500

Gurke

110

620

Bohne

520

560

(aus Gisi 1997)

Bodentiere
Protozoen eukaryotische Bodentiere 3 Gruppen:  Flagellaten (Geißeltierchen)  Rhizopoden (Wurzelfüßer, = Amöben)  Ciliaten (Wimpertierchen) Lebensraum: wassergefüllte Poren, Wasserfilm um Bodenpartikel häufigste Bodentiere: 104 bis 106 Individuen / g Boden fressen überwiegend Bakterien, aber auch Pilze, Algen und pflanzl. Material Bodenkunde

Bodenlebewesen - 4 -


Nematoden (Fadenwürmer) 10 - 1000 Individuen / g Boden Lebensraum: Wasserfilm, Rhizosphäre Lebensweise: Räuber, Mikrophagen, Omnivoren, z.T. Parasiten (Pflanzen, Tiere)
Anneliden (Ringelwürmer) 2 wichtige Gruppen:  Enchyträen: weiße/durchscheinende Würmer, kleiner als Lumbriciden, besonders in Waldböden, wesentlich geringere Biomasse als Regenwürmer  Lumbriciden (Regenwürmer) 3 Kategorien nach Lebensform:  Streubewohner (epigäisch)  Horizontalbohrer (endogäisch)  Vertikalbohrer (anözisch) auch Intermediärformen 5 % der Biomasse des Bodens wichtig für Bioturbation, Strukturbildung, Durchlüftung, Entwässerung bohren sich durch den Boden, produzieren Bioporen, mit Losungstapeten fressen Streu, z.T. auch Mineralboden, Transport in tiefere Bodenlagen, Ablagerung von Regenwurmkot häufig auf Bodenoberfläche Bildung von organo-mineralischen Komplexen während der Darmpassage wichtige Funktion im N-Kreislauf, Mobilisierung von P
Arthropoden (Gliederfüßer)

Typische Vertreter von Bodenarthropoden (aus Gisi 1997)

Bodenkunde

Bodenlebewesen - 5 -

Anzahl und Biomasse der Bodenorganismen Anzahl lebender Organismen (in Zehnerpotenzen) -2 0 2 4 6 8 10 12 14 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

Bakterien (inkl. Actinomyceten) 3 Pilze (Hefe- und Fadenpilze) 2 Protozoen 5 Algen 11 Nematoden 6 Milben 12 Springschwänze 13 Enchyträen 7 Regenwürmer 4 Tausendfüßer (Hu und Do) 10 Fluginsekten (Käfer, Larven) 9 Schnecken 8 Asseln 14 Webespinnen 15

Ac

HuDo

Anzahl lebender Organismen (Mini- und Maximalwerte) in 1 dm3 von land- und forstwirtschaftlich genutzten Böden. Ac = Actinomyceten; Hu = Hundertfüßer; Do = Doppelfüßer. Die Zahlen 1-15 vor bzw. nach den Organismengruppen bedeuten Rang bezüglich Anzahl bzw. Biomasse Anzahl Organismen dm-3 (~Anzahl kg-1 Trockengewicht Boden), dividiert durch 1000, ergibt Anzahl g-1 Boden. Anzahl Organismen dm-3 x 100 x 2 ergibt Anzahl pro m2 und 20 cm Bodentiefe. (aus Gisi 1997)

Zur Beurteilung der Funktion und Umsatzleistung von Bodenorganismen ist Biomasse wichtiger als Zahl

Biomasse der Bodenorganismen Biomassea) Biomasse in g pro m2 u. 20 cm Tiefe in % durchschn. min. - max. mit / ohne Pflanzen

Organismengruppen

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

unterirdische Pflanzenorgane Pilze (Hefe- u. Fadenpilze) Bakterien (inkl. Actinomyceten) Regenwürmer Protozoen Nematoden Enchyträen Schnecken Fluginsekten (Käfer, Larven) Tausendfüßer (Hundertfüßer) Algen Milben Springschwänze Asseln Webespinnen

2 1 9 3 5 8 12 11 10 4 6 7 13 14

600 350 150 60 25 4 2 2 2 2 1 1 1 1200

b)

100 100 50 20 10 1 1 1 1 0,5 1 1 1 0,5 0,1 300

- 1500 - 1000 - 500 - 400 - 100 - 20 - 30 - 30 - 20 2 - 10 - 10 - 10 2 1 - 3600

50 29 13 5 2 0,3 0,2 0,2 0,2 0,1 100

58,5 25 10 4 0,7 0,3 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 0,2 100

1-15 = Rang bezüglich Biomasse, 1-14 = Rang bezüglich Anzahl

a) Biomasse in g m-2 x 10 / Bodentiefe (dm) ergibt Biomasse mg dm-3 b) Zum Vergleich: Wert für Nekromasse (Humus) ist ca. 8000 g m-2 (aus Gisi 1997)

Bodenkunde

Bodenlebewesen - 6 -

Nahrungsnetz im Boden hat komplexe Struktur Primärproduzenten

Primärzersetzer Sekundärzersetzer primäre Konsumenten sekundäre primäre Reduzenten Konsumenten

mykophage Springschwänze

rhizophage Schnecken

symbiotische Bakterien saprophytische Bakterien

Humus

F

mykophage Milben

F

symbiotische Pilze

Wurzel

Sekundäre Räuber (Zoophagen) Nekrophagen

mykophage Nematoden

rhizophage Nematoden

Sproß

Primäre Räuber (Zoophagen) Nekrophagen

saprophytische Pilze phytophage Regenwürmer phytophage Larven, Käfer

F F

bakteriophage Milben

zoophage Käfer

mikrophytophage Protozoen

zoophage Nematoden

bakteriophage Nematoden

zoophage Tausendfüßer

saprophage Milben

pantophage Nematoden

zoophage Nematoden

F F

F

saprophage Springschwänze

F

zoophage Spinnen

saprophage Nematoden

Nahrungsnetz beim Abbau des organischen Materials durch Bodenorganismen an einem Wiesenstandort. F = Fäzes (Detritus, Kot); Pfeile symbolisieren die Richtung des Kohlenstoff- und Nährstoffflusses (aus Gisi 1997)

Lebensraum der Bodenorganismen abhängig von verschiedenen Faktoren
Zugänglichkeit bestimmter Bereiche des Bodens für Organismen abhängig von Körpergröße 0,05 0,1

0,5

1

5

Ton Feinporen

10

50 100

Schluff Mittelporen Bakterien

1 5 500 1000 µm

Sand

10

50 100

Kies / Steine

500 mm

Blöcke

Grobporen, Risse, Wurm- / Wurzelkanäle osmotroph Pilze

osmotroph

Algen WurzelGrobwurzeln, unterirdische Feinwurzeln haare Pflanzenorgane Protozoen mikrophytophag * mikro-, makro-phytophag

Nematoden Mikroarthropoden

Milben mikrophyto-, zoo-, makrophyto-,sapro-phag Urinsekten inkl. mikrophyto-, makrophyto-,sapro-phag Springschwänze Enchyträen * mikro-, makro-phytophag * saprophag

Regenwürmer

( * Körperlänge)

Webespinnen Fluginsekten Asseln

zoophag makrophyto-, sapro-, zoo-phag saprophag

Tausendfüßer

Mikroflora + Mikrofauna = Mikroorganismen

zoo-, makrophyto-phag

Schnecken

Meso-

Makro-

makrophytophag

Mega-fauna

Körperdurchmesser (Körperlänge) von Bodenorganismen im Vergleich zu Poren- und Partikeldurchmesser (aus Gisi 1997)

Bodenkunde

Bodenlebewesen - 7 -

Stoffmenge resp. Organismenanzahl (verglichen mit Wurzeloberfläche)


Nährstoffangebot; Wassergehalt, pH-Wert im Boden, Bodenklima 1/1

100

1/2

50

1/8

12,5

1/4

25

1/8 1/16

Pilze Fructose

12,5 0

Bakterien Glycin

0

2 4 6 8 10 12 14 16 Abstand von der Wurzeloberfläche (mm) Fructose Bakterien Glycin Pilze

18

Stoffmengen (Fructose, Glycin) und Organismenanzahl (Bakterien, Pilze) in der Rhizosphäre. Ausgangswert an der Wurzeloberfläche = 100% (1/1)

Bodenkunde

Bodenlebewesen - 8 -

Allgemeine Bodenkunde Einführung in die Bodenkunde I (WS) Prof. Dr. Ingrid Kögel-Knabner Dr. Hans Heinrich Becher Dr. Peter Schad

Lehrstuhl für Bodenkunde TU München 85350 Freising-Weihenstephan Tel. 08161 / 713677 • 715174 Fax 08161 / 714466 e-mail: [email protected] http://www.wzw.tum.de/bk/

Grundlagen der Bodenkunde in 2 Veranstaltungen:
Allgemeine Bodenkunde im WS (Ausgangsmaterial, Eigenschaften und Prozesse in Böden, Bodengenese und -systematik)
Angewandte Bodenkunde im SS Teil 1 im Hörsaal, Teil 2 Geländeübungen

Bodenkunde

Einführung - 1 -

Allgemeine Bodenkunde (Gliederung und Inhalte) 1. Böden: Einführung Definition, Entstehung, Funktionen 2. Die Bodenfestphase Anorganisches Ausgangsmaterial Minerale und Gesteine, physikalische und chemische Verwitterung, primäre und sekundäre Minerale (Tonminerale, Oxide und Hydroxide) Körnung (Kornformen, Oberfläche, Korngrößenfraktionen, Bodenart) Organisches Ausgangsmaterial Pflanzenreste, Abbauprozesse, Humusbildung 3. Der Boden als Drei-Phasen-System Phasenverteilung (Gasphase, Flüssigphase, Festphase), Gefüge und Strukturdynamik, Wärmehaushalt, Wasserhaushalt 4. Der Boden ist belebt Bodenlebewesen (Edaphon: Pilze, Algen, Bakterien, Fauna), Funktion, Ernährungsweise, Anzahl und Biomasse 5. Interaktionen Bodenmatrix – Bodenlösung Zusammensetzung der Bodenlösung, Oberflächen in Böden Adsorption und Ionenaustausch (Kationen/Anionen), Bindung von Nähr- und Schadstoffen, Bodenacidität und Puffersysteme 6. Redoxprozesse Redoxpotential, Redoxreaktionen, Redoxverhältnisse im Boden, Profilausprägung 7. Bodengenese Entstehung von Böden in Abhängigkeit von Ausgangsgestein und Wasserhaushalt

Literatur Scheffer-Schachtschabel, Lehrbuch der Bodenkunde Spektrum Akademischer Verlag, 15. Auflage, Heidelberg, 2002; Gisi U., Bodenökologie Thieme-Verlag, 2. Auflage, Stuttgart, 1997; Hintermaier-Erhard und Zech, Wörterbuch der Bodenkunde Enke-Verlag, Stuttgart, 1997 Blum W., Bodenkunde in Stichworten Gebr. Borntraeger, Berlin, 6. Auflage, 2007; www.bodenwelten.de

Bodenkunde

Einführung - 2 -

1. Einführung 1.1 Was ist Boden? Boden = Umwandlungsprodukt der Lithosphäre, das sich an Ort und Stelle unter dem Einfluß von Atmosphäre und Organismen bildet oder gebildet hat; Böden entstehen als oberste Schicht der Erdkruste, die physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen unterworfen ist. Pedosphäre - schmaler Grenzbereich der Erdoberfläche, in der sich Lithosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre überlagern Bodenbildung

Lebewesen

Klima

 

Verwitterung des Ausgangsgesteins ­ Zerkleinerung und chemische Umwandlung

Boden

Ansiedlung von Pflanzen  Humusbildung

Gestein

Zeit

Pedosphäre

Kompartiment Atmosphäre Baum-

StrauchKrautBiosphäre

Moosschicht Auflagehumus Oberboden

Pedosphäre Unterboden Lithosphäre Hydrosphäre

Rehfuss, 1990

1.2 Spezifische Eigenschaften der Pedosphäre drei Phasen: Gasphase, Flüssigphase und Festphase (anorganisch, organisch)  entsprechend drei Lebensräumen, die durch diese Phase charakterisiert sind: Atmosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre  Wechselwirkung kontaktierender Sphären  Pedosphäre (oder der Boden)  drei Phasen Luft, Wasser, Festphase überlagern sich zeitlich und örtlich

10-4m3

Vernetzung von Festphase (Bodenmatrix aus mineralischer Phase u. Humus) Gasphase (Bodenluft) Flüssigphase (Bodenwasser)

Daraus ergeben sich spezifische Eigenschaften, die die Pedosphäre definieren und sie zu einem eigenen Kompartiment der belebten Erdoberfläche machen. Bodenkunde

Einführung - 3 -

Grenzflächen und Stoffgradienten Pedosphäre hat starke Strukturierung: extrem große und vielfältig geformte, innere (spezifische) Oberfläche mit intensivem Stoffaustausch  Gradienten im Boden werden nur sehr langsam ausgeglichen (im Gegensatz zu Hydrosphäre, Atmosphäre)  Stofftransport läuft langsam ab Diese Grenzflächen zwischen den drei Phasen haben große Bedeutung als Zonen des stärksten Stoffaustausches und der intensiven Besiedlung. Die Bodenbildung findet an der Grenzfläche Atmosphäre/Lithosphäre statt Grenzflächen als Ort der Bodenbildung

Atmosphäre

totes organisches Material (2) min.

Menge

max.

2 1 Porenvolumen (1)

1m

3

anorganisches Material (3)

Lithosphäre Tiefe

aus Gisi, Bodenökologie, 1997

Begrenzung: Dicke:

Streuoberkante bis Gesteinsoberkante wenige cm bis mehrere Meter; meist 1-2 m

Boden und Landschaft Pedosphäre = Kontinuum, das die Kontinente überzieht; keine klaren, vorgegebenen Grenzen Während der Bodenbildung entstehen neue Stoffe aus Stoffen der Lithosphäre: Gestein = anorganisches Ausgangsmaterial, bildet Mineralkörper Phytosphäre: Pflanzenreste = organisches Ausgangsmaterial, bildet Humuskörper  (pedogene) Minerale = anorganische Feststoffe  Humus = organische Feststoffe

Böden sind vielfältig Alter der heutigen Böden in Mitteleuropa: etwa 10.000 Jahre Beginn der Bodenentwicklung nach der letzten Eiszeit Rendzina (Terebratulabank des Wellenkalks)

Zezschwitz 1971

Bodenkunde

Braunerde aus Grauwacke und Schiefer

aus: AID

BraunerdeBraunerde-Podsol

Niedermoor geschichtet über Gyttja

Göldenitz, Kr. Rostock

Gley aus Niederterrassenschotter über Geschiebe

Tachering bei Trostberg

Einführung - 4 -

1.3 Bodenfunktionen: Pedosphäre als Lebensraum für Bodenorganismen Böden sind selbständige Naturkörper mit spezifischen Eigenschaften und Funktionen: nährstoffreich, gepuffert, kleinräumig sehr heterogen; komplexes Substrat, mit großer spezifischer Oberfläche;
vgl. Atmosphäre: unwirtlich für Organismen, da nährstoffarm, extreme Klimaschwankungen;
vgl. Lithosphäre: sehr schwer besiedelbar, Licht (als Energiequelle) fehlt, geringe Oberfläche;
vgl. aquatische Systeme: relativ nährstoffarm, gut besiedelt, aber Organismendichte geringer, meist über das ganze Tiefenprofil verteilt; Wechsel der Lebensbedingungen beim Übergang ins Bodeninnere  starke Temperaturschwankungen  schwache Temperaturschwankungen  niedrige relative Luftfeuchtigkeit  sehr hohe relative Luftfeuchtigkeit  Licht  völlige Dunkelheit Lebensraum Boden: Umweltbedingungen an der Grenzfläche Atmosphäre/Boden Luftfeuchtigkeit Höhe

Licht

Biomasse Pfl.

Anzahl MO

min. 0

Tiefe

Folge:

max. aus Gisi, Bodenökologie, 1997

Temperatur

10 cm

photoautotrophe Organismen (Algen, oberirdische Pflanzenteile) an Erdoberfläche  chemoheterotrophe Organismen (Bakterien, Pilze, Pflanzenwurzeln, Tiere) im Boden Organismenmaximum (Biomasse oder Anzahl) an der Bodenoberfläche

Böden besitzen ein System von Poren mit unterschiedlichen Durchmessern - dient den Bodenorganismen (Edaphon) als Lebensraum  Feinporen (< 0,2 µm): unbesiedelt  Mittelporen (0,2 – 10 µm): Bakterien, Pilze, Algen, Wurzelhaare, Protozoen  Grobporen & Sekundärporen (> 10 µm): Wurzeln, Nematoden, Milben, Collembolen und restliche Fauna Zahl der Organismen: Biomasse im Boden; oberirdische Biomasse Lebensraumfunktion des Bodens

Pflanzen Nematoden Wurzelfresser

Arthropoden Zerkleinern

Arthropoden Räuber

Vögel Nematoden Pilze

Pilz- und Bakterienfresser

Regenwürmer

Humus

Bodenkunde

Bakterien

Protozoen Amoeben

Bodentiere

Einführung - 5 -

1.4 Bodenfunktionen: Produktionsmedium, Puffer, Speicher und Filter weitere wichtige Funktionen des Bodens, zusätzlich zur Funktion, den Organismen als Lebensraum (Standort) zu dienen eng verknüpft mit dem Begriff intakter Boden: Bodenfruchtbarkeit oder Produktivität = Fähigkeit eines Bodens, Wachstum und Erträge von Organismen, vor allem von Pflanzen, zu ermöglichen wird durch die Gesamtheit der physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften des Bodens und deren Wechselwirkungen bestimmt:
Gründigkeit (durchwurzelbare Tiefe),
Textur und Struktur,
Luft- und Wasserhaushalt,
Säuregrad (pH),
Redoxpotential,
Humushaushalt,
Sorptionseigenschaften (Bindung von Nähr- u. Schadstoffen) und Nährstoffhaushalt,
Wärmehaushalt,
Gehalt und Aktivität der Bodenlebewesen. Ertrag auch abhängig von anderen Faktoren wie Klima, Topographie, Pflanzenbestand, Anbautechnik, Bodenbearbeitung, Düngung, Pflanzenschutz, Schadstoffeinwirkung, etc. Boden reagiert auf äußere Einflüsse träger als Medien wie Wasser oder Luft, d.h. starke Pufferung = Speicherung großer Mengen verschiedener Stoffe: Wasser, Nährstoffe, Schadstoffe in der organischen und anorganischen Matrix (Festphase).

Der Boden ist ein wesentliches Glied im Stoffkreislauf der Landschaft. Boden ist ein offenes System - der Bilanzierung der Stoffe (Import, Export, Speicherung) kommt eine zentrale Bedeutung zu; durch Stoff- und Energieflüsse starke Verzahnung mit Nachbarkompartimenten.

Eintrag

Eintrag

Austrag von Stoffen und Energie

Austrag

Bodenfunktionsraum Eintrag

Austrag

Atmosphä äre Atmosph Atmosphäre natürliche und künstliche Stoffzufuhr (Wasser, Nährstoffe, Schwermetalle, Agrochemikalien, ...)

Gestein

Boden

Pflanze

Filter- und Pufferfunktion des Bodens Bekanntes Beispiel für Pufferfunktion: Belastung des Grundwassers mit Nitrat oder Pestiziden.

Grundwasser Bodenkunde

Einführung - 6 -

Nitrattiefenverlagerung bei unterschiedlicher N-Düngung 0

40

80

120 0

40

80

120

0

40

120 kg NO3 -N ha-1

80

0.3 Tiefe (m) 2.3 4.3 6.3 8.3 659

976

Σ 0-9.8m

kg NO3 -N ha-1

1238 Ι, ΙΙ, ΙΙΙ Nitratpeaks infolge überhöhter N-Düngung zu Gurken

Mittelwert Standardabweichung

aus Maidl & Fischbeck (1987)

1.5 Bodenfunktionen: Funktion als Archiv der Natur- und Kulturgeschichte Böden mit naturhistorischer und geowissenschaftlicher Bedeutung Fossiler Boden Schichtfolge

Seltene Bö Böden

ehemalige Ziegelei Steinheim Löss, Lösslehm (Jung-Pleistozän) Fossiler Boden (Pleistozän) Hochterrassenschotter (Mittel-Pleistozän)

landesweit/ naturräumlich selten Sideritbildung im Ampermoos bei Freising

Kalktuff, Sinter, Alm (Holozaen)

Memmingen aus: Geotopkataster Bayern

1.6 Bodenfunktionen: Nutzungsfunktion Nutzungsfunktion als Rohstofflagerstätte, Fläche für Siedlung und Erholung, Standort für die land- und forstwirtschaftliche Nutzung und als Standort für sonstige wirtschaftliche und öffentliche Nutzungen, Verkehr, Ver- und Entsorgung

Bodenkunde

Einführung - 7 -

Welche Probleme treten auf?       

Auswirkung der intensiven Nutzung Versauerung Erosion Versteppung Schadstoffbelastung Filter- und Pufferfunktion Bodenerhaltende Maßnahmen

Reine Verschwendung Da auf versiegelten Flächen nur wenig Wasser versickern kann, wird der größte Teil des Niederschlags über Kanäle abgeführt. Das Wasser geht ungenutzt ins Abwassersystem und steht weder für Pflanzen oder den Menschen, noch für Neubildung und Auffüllung der Grundwasserreservoirs zur Verfügung.

Wohin mit dem Wasser, wenn es nicht versickern kann?

Flächenverbrauch gegenwärtig etwa 130 ha/Tag ­ entspricht etwa der Fläche der Stadt München im Jahr

Schadstoffe und Altlasten

Emissionen

Boden

Mineralöle Teeröle

Nitrat Schwermetalle NO3PB, Cd, Zn PAK As, Cu, .... Dioxine/Furane

Cl

Pestizide z.B. Atrazine

H C2H5

N

N

N N

CH3 N

C

H

CH3

H

9

10 0

1

6

0 5

4

8

2

7 xCl

3 yCl

Grundwasser = Trinkwasser

Bodenkunde

Einführung - 8 -

Bodenverdichtung führt zu Staunässe Staunässe und Sauerstoffmangel haben zur Folge, dass Abbauprozesse gehemmt werden. Bodenorganismen brauchen ebenfalls Sauerstoff, um die Nährstoffe im Boden umzusetzen. Fehlt dieser, entstehen Moderprozesse. Zusätzlich wird davon ausgegangen, dass bei Stoffwechselprozessen unter Luftabschluss Treibhausgase wie Lachgas (N2O) und Methan (CH4) entstehen, die zur Klimaerwärmung beitragen.

Bodenschutz: Zielsetzung  Böden und deren Funktionen nachhaltig zu sichern oder wiederherzustellen  Vorsorge vor nachteiligen Einwirkungen auf den Boden  Sorgsamer Umgang mit Böden als endlichen Ressourcen Auszug aus dem Bodenschutzgesetz Paragraph 1 Die Funktionen des Bodens sind nachhaltig wiederherzustellen, schädliche Bodenveränderungen abzuwehren, der Boden und Altlasten sowie hierdurch verursachte Gewässerverunreinigungen zu sanieren und Vorsorge gegen nachteilige Einwirkungen auf den Boden zu treffen Bei Einwirkungen auf den Boden sollen Beeinträchtigungen der natürlichen Funktionen sowie seiner Funktion als Archiv der Natur- und Kulturgeschichte soweit wie möglich vermieden werden (Bundesgesetzblatt I, 1998, 502)

Was wollen wir in der Bodenkunde wissen?  Entstehung  Entwicklung  Zusammensetzung  Eigenschaften  räumliche Verbreitung  ökologische Bedeutung  Nutzung  Ziel der Vorlesung  Verständnis - der Eigenschaften - des Zustandes - der Prozesse  Fähigkeit zur Beurteilung der Auswirkungen von Eingriffen Ordnungsgemäße Bodennutzung: Was ist das? Bodenkunde

Einführung - 9 -

2. Die Bodenfestphase - Teil 1

Mineralische Komponente
Geologisches Ausgangsmaterial
Verwitterung
Körnung Organische Komponente

Geologisches Ausgangsmaterial
Minerale feste, stofflich einheitliche Bestandteile des Gesteins, natürlich vorkommende chemische Stoffe der Erdkruste Minerale bilden die Gesteine und die anorganische Festphase der Böden


Gesteine  Mineralgemisch (magmatische und metamorphe Gesteine) Struktur:

schematische Anordnung der Bausteine Eigenschaften der Gesteine sind Funktion der Struktur

kristalline Phase: geometrisch regelmäßige Anordnung im Raum: Kristallgitter anisotrop, d.h. physikalische Eigenschaften in verschiedene Richtungen verschieden (z.B. Lichtbrechung, Spaltbarkeit, Härte) amorphe Phase:

feste Körper, z.B. Glas, rein zufällige, statistisch gleichartige Verteilung der Bausteine, d.h. amorphe Körper haben in jeder Richtung physikalisch gleiche Eigenschaften = isotrop

 Korngemisch (Sedimentgesteine) Struktur:

gleich große oder unterschiedlich große Körner eckig oder gerundet, Zwischenräume teilweise mit anderem Material gefüllt

2.1. Magmatische Gesteine (primäre Gesteine) Entstehung der Gesteine  in sehr unterschiedlichem Milieu, erklärt chemische Vielfalt  Herkunft aus Schmelze unter oder über der Erde, erkaltet bei Annäherung an die oder beim Heraustreten an die Erdoberfläche = Mineralgemisch aus primären Mineralen Sekundäre Gesteine und Minerale aus Umwandlung der primären durch  Verwitterung → Boden, Sedimentgestein  Metamorphose Diagenese

Kreislauf der Lithosphäre Sch/Sch Abb. 2.1-1

Biogenes Material Sedimente

Sediment Gesteine

Ablagerung Transport

Metamorphose

Böden Verwitterung Pedogenese

Metamorphe Gesteine

Magmatische Gesteine Metamorphose

Anatexis

Magma

Kristallisation Erkalten

primäres Material

Eigenschaften der Minerale Spezifisches Gewicht: Bodenminerale

2,50 - 3,00 g/cm3

Quarz

2,65 g/cm3

Kalkspat/Calcit

2,70 - 2,72 g/cm3

Schwerminerale

2,80 - 3,00 g/cm3

Abtrennung im Boden über Dichte, viel schwerer als Humus

etwa 1,40 g/cm3

Spaltbarkeit entlang/parallel der Kristall(isations)flächen: Anisotropie: Zusammenhalt in verschiedenen Richtungen verschieden stark; beim Zertrümmern entstehen glatte Flächen (z.B. Spate als Mineralbezeichnung) Bruch: wo nicht spaltend, muschelig Farbe: nicht sehr typisch; viele sind weiß; jedoch hell und dunkel, im Boden Farbe von großer Bedeutung, bei Fe-Oxiden, Mn-Oxiden

Wichtige magmatische Minerale (primäre Minerale) Funktion für Bodengenese, -fruchtbarkeit und Pflanze Zusammensetzung: Nährstoffgehalt Verwitterbarkeit: Freisetzung von Nährstoffen, Rate der Bodenbildung

Chemische Zusammensetzung der Lithosphäre *IonenElement radius Masse- Volumennm % % O 0,14 47,0 88,2

Mittlere Elementzusammensetzung der Erdkruste (bis in 16 km Tiefe) Sauerstoff 47,0% übrige Elemente Kalium 1,9 2,1 Natrium 2,3 Magnesium 5,0% Calcium

Silicium 26,9%

5,1% 8,1%

Eisen

Aluminium

vor allem Si-O-Verbindungen = Silicate Al3+, Fe2+, Fe3+, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, H+, kein P!

SiIV

0,026

26,9

0,32

AlVI AlIV

0,0535 0,039

8,1

0,55

Fe2+ Fe3+

0,0780 0,0645

3,3 1,8

1,08 0,32

Ca

0,100

5,0

3,42

Mg

0,072

2,3

0,60

Na

0,102

2,1

1,55

K

0,138

1,9

3,49

*Koordinationszahl VI, außer Si und Al (IV)

Siliciumdioxid und Silicate > 80% der Magmatite sind Silicate und SiO2 Silicate aus magmatischer Lösung oder infolge Metamorphose entstanden; wesentliche Ausgangsminerale für die bei der Verwitterung neu entstehenden pedogenen Minerale

Grundeinheiten: SiO4 - Tetraeder, z.T. auch Al-Oktaeder (KZ 6 statt 4) Silicate aus Tetraedern und Oktaedern aufgebaut: Si als Zentral-Atom im Tetraeder, Al als Zentral-Atom im Oktaeder Verknüpfung zwischen Tetraedern und/oder Oktaedern über Sauerstoff-Atome führt zu typischen Strukturen: Insel-, Band-, Ketten-, Schicht-, Gerüstsilicat Grundbausteine der Silicate Sch/Sch Abb.2.1-2

Darrell G. Schulze

isomorpher Ersatz bei Gerüst- und Schichtsilicaten Ersatz des Si4+ im Tetraederzentrum durch Al3+ Ersatz des Al3+ im Oktaederzentrum durch Mg2+, Fe2+ → negativer Ladungsüberschuss, → Kationen (z.B. K+, Na+, Ca2+) zum Ladungsausgleich notwendig


Inselsilicat z.B. Olivin (Mg,Fe)2SiO4 grünlich leicht verwitterbar wegen Struktur

aus Sposito, 1998

2+

(geringe Vernetzung, Fe -Gehalt) nährstoffreich: Ca, Mg, aber kein K!


Ketten- und Bandsilicate Si-Tetraeder-Ketten und -Bänder, Vernetzung über Ca2+, Mg2+, Fe2+ Pyroxene:

Kettensilicate aus Si-Tetraeder-Ketten, wichtigster Vertreter: Augit (Ca,Mg,Fe,Al,Ti)2(Si,Al)2O6

Amphibole: Bandsilicate aus Si-Tetraeder-Bändern, wichtigster Vertreter: Hornblende Ca2(Mg,Fe,Al)5(Si,Al)8O22(OH)2 aus Sposito, 1998

Modell der kettenartigen Vernetzung von Si-Tetraedern in einem Pyroxen Die großen Kugeln sind die Ca2+-, die kleinen die Mg2+-Ionen Sch/Sch Abb.2.1-8


Blattsilicate (Schichtsilicate) aufgebaut aus SiO4-Tetraeder-Schicht (Metallkationen mit 4 O) und AlO4(OH)2-Oktaeder-Schicht (Metallkationen mit 6 O bzw. OH) Tetraeder-Si2O5-Schichten in 3. Raumrichtung verknüpft mit Oktaeder-Schicht, O gehören auch Tetraeder an, wichtigster Vertreter: Glimmer Elementarschicht aus 2 Tetraederschichten und einer dazwischen liegenden Oktaederschicht, 2:1- oder Dreischicht-Minerale isomorpher Ersatz im (Zwischenschichtkationen)

Tetraeder,

Bindung

von

K+-Ionen

zum

Ladungsausgleich

Glimmer (Muskovit) (Darrell G. Schulze)

fixiertes K+ = Zwischenschicht

K-Ionen passen sehr gut in die Oberfläche der Schichten (Sauerstoffsechserringe), Schichtabstand ca. 1nm

Tetraeder- und Oktaederschichten Tetraederschicht (Darrell G. Schulze)

obere4+ Sauerstoff-Ionen Si untere Sauerstoff-Ionen

Oktaederschicht (trioktaedrisch) (Darrell G. Schulze)

Oktaederschicht (dioktaedrisch) (Darrell G. Schulze)

Elektronenmikroskopische Aufnahme der Sauerstoff-Sechserring-Konfiguration an der Basisfläche des Muskovits (l) und der 2:1-Schichtstruktur des Muskovits (r) Sch/Sch Abb.2.1-5

Muskovit (heller Glimmer): KAl2(Si3Al)O10(OH)2 zwei von drei Oktaederzentren mit Al3+ besetzt: dioktaedrisch Biotit (dunkler Glimmer, da eisenhaltig): K(Mg,Fe2+)3(Si3Al)O10(OH)2 alle Oktaederzentren mit Fe2+ oder Mg2+ besetzt: trioktaedrisch Eigenschaften: weich H 2,0-2,5, leicht spaltbar, „Fensterglas“ Bedeutung für Böden: K-Gehalt 5-9% Biotit < Muskovit leichter verwitterbar als Orthoklase (s. Feldspäte), da von der Seite „offen“ Biotit leichter verwitterbar als Muskovit Vorkommen: Magmatische Gesteine (vor allem Biotit), in Sedimenten und Metamorphiten wird Muskovit neu gebildet und reichert sich an


Gerüstsilicate Hauptgruppe der Silicate  Feldspäte isomorpher Ersatz: Al3+ an Stelle von Si4+ (1 von 4 oder 2 von 4), dadurch Einlagerung von 1 K+ bzw. Na+ pro Al3+ bzw. 1 Ca2+ pro 2 Al3+ Kationen nicht zur Vernetzung, da Gerüststruktur, aber Kationen zum Ladungsausgleich durch isomorphen Ersatz aus Sposito, 1998

Kation Gruppe

Formel

K+:

Kalifeldspat

KAISi3O8

Na+:

Natronfeldspat: NaAISi3O8

Ca2+:

Kalkfeldspat:

wichtige Feldspatminerale

CaAI2Si2O8

Orthoklas Albit Anorthit

häufig Minerale mit unterschiedlicher Mischung dieser Kationen: Plagioklase aus Albit und Anorthit; lückenlose Mischungsreihe bei Na und Ca, da ähnlicher Ionenradius wichtig

Orthoklas

14% K

wichtig

Plagioklase 0-9% Na, 0-14% Ca

Gerüststruktur, daher hart u. widerstandsfähig, aber etwas weniger als Quarz, da Si-Al-Ersatz; Härte 6 Erkennbarkeit im Gestein (Granit): Feldspat; glatte Spaltflächen; helle Minerale Vorkommen und Bedeutung für Böden Abbau bei Verwitterung: Magmatische Gesteine 60%, Böden und Sedimente <10% Was wird daraus bei der Verwitterung? → Nährstofffreisetzung: K, Na, Ca → Bildung sekundärer Minerale (Tonminerale)

 Quarz Gerüstsilicat aus Si-Tetraedern, SiO2 Eigenschaften: Härte 7, ritzt Glas, weiß-glasig, sehr dicht sehr widerstandsfähig, reichert sich bei Verwitterung relativ an wird primär vom Gestein geliefert, in Böden und Sedimenten meist in größeren Körnern liefert keine Nährstoffe; Gerüstsubstanz, ohne eigene Bindungsfähigkeit Erkennbarkeit in Gestein und Böden: trüb, milchig, keine glatten Bruchflächen, Härte

Weitere primäre Minerale Vulkanische Gläser variable Zusammensetzung wie andere Minerale, aber nicht kristallisiert, da zu schnell erkaltet, daher sehr leicht verwitterbar: Vulkanische Ascheböden (Andosole). weitere nährstoffliefernde Minerale Apatit Ca5(PO4)3 (OH,F,Cl) Turmalin B-Al-Silicat Härte

Farbe

Quarz

7

hell

Feldspäte

6

hell

P-Lieferant B-Lieferant Bedeutung für Böden Gerüst K, Na, Ca, Tonminerale

Muskovit

2 - 2,5

hell

K, Tonminerale

Pyroxene u. Amphibole

5-6

dunkel

Ca, Mg, Fe-Oxide, Tonminerale

Biotit

2 - 2,5 dunkel

K, Mg, Fe-Oxide, Tonminerale

Die wichtigsten magmatischen Gesteine Festgesteine; meist älter als Tertiär (Beginn Tertiär vor 65 Mio Jahren) Schmelze kann tief im Untergrund erstarren oder an die Oberfläche dringen unter der Erdoberfläche: Tiefengesteine (Plutonite), langsame Abkühlung, grobkristalline Gesteine (granitische Struktur) an der Erdoberfläche: Ergussgesteine (Vulkanite), schnell abkühlend, glasige oder feinkristalline Struktur bodenkundlich wichtig, da davon Verwitterbarkeit abhängt; jeweilige Entsprechungen in Tiefenund Ergussgesteinen Die verbreitetsten Magmatite und ihr Mineralbestand

Sch/Sch Abb.2.2-1

Zusammensetzung der wichtigsten magmatischen Gesteine Gehalt an Si: Fe, Mg, Al, Ca, K, Na:

>65% <52% Si-reich Si-arm <35% >48% saure Gesteine basische Gesteine intermediäre Gesteine

das bedeutet mineralogisch: (% SiO2) saure Gesteine Si-reiche Silicate Quarz (100) K-Na-Feldspäte (65)

basische Gesteine Si-arme Silicate Ca-Feldspäte (57) Augite u. Hornblenden (45) Olivin (30-43)

das bedeutet chemisch: Mg, Ca, Fe, P Na, K, Si

Plutonite Große Magmakomplexe bilden nach ihrer Erstarrung in der Erdkruste unregelmäßige Gesteinskörper, sogenannte Plutone - nach Pluto, dem römischen Gott der Unterwelt. Untergruppen: Gabbro und Diorit, Granit Beispiele

. Gabbro(http://l.hsr.ch )

Granit (http://l.hsr.ch)

Granit (www.liganova.kiev.ua)


Granit körniges, helles, saures Tiefengestein mit 20-30% Quarz 30-50% Orthoklas 30-40% Plagioklas (vorwiegend Na) < 10% Glimmer (vorwiegend Biotit) Farbe: grau, rötlich, grün Chemie: K-, Na-reich, (Mg-)Ca-arm, P-arm, Fe-arm Erkennung am Stück: Farbe, Einzelminerale, Körnigkeit im Aufschluss: Kluftflächen in der Landschaft: Verwitterungsformen (Kissen, Wollsackverwitterung), runde Morphologie Vorkommen: Alpenländer: Zentralalpen Mittelgebirge: Schwarzwald, Harz, Odenwald, Fichtelgebirge, Bayerischer Wald, Böhmischer Wald, Vogesen Ostseeraum: Glaziale Blöcke aus Skandinavien, Findlinge Alte Kontinente: Skandinavien, Indien, Afrika

Verwandte: Syenit, Diorit, Rhyolit, Trachyt

Wollsackverwitterung Typische Wollsackverwitterung des postorogenen Okergranits (graphophyrische Varietät) im Okertal ivvgeo.uni-muenster.de

Vulkanite Was ist ein Vulkan? Ein Vulkan ist ein Riss in der Erdkruste, wo Magma herausströmt. Durch die Ablagerung entsteht ein Kegel. Je nachdem, wie heiß die Lava ist, desto flacher wird der Kegel, weil dann die Lava schneller abfließt. Ein Vulkan sieht etwa so aus: Ein Vulkan mit der Magmakammer, einem Seitenschlot und dem Krater. Schild- oder Deckenvulkane www.ambuehler.ch


Basalt dunkler (schwarzer), basischer Vulkanit mit fehlender oder kaum erkennbarer Körnigkeit der Grundmasse und einzelnen größeren Kristallen darin, Mineralzusammensetzung: 50% Ca-reiche Plagioklase 50% Augite Ca-, Fe-, Mg-reich! K-arm, P-reich Erkennung am Stück: schwarz, schwer, feinkristallin, muschelig brechend, sehr hart im Aufschluss: meist säulenförmig, Farbe durch Verwitterungsrinde überdeckt in der Landschaft: Vulkanlandschaft, Kegelformen mit großen Fließdecken, runde Formen bei Verwitterung Vorkommen: weltweit sehr verbreitet BRD: Vogelsberg, Rhön, Hess. Bergland, Hegau, Kaiserstuhl, Parkstein, Oberpfalz Welt: Japan, USA, Mittel- und Südamerika, Australien, NZ, Hawaii, Sudan, Äthiopien, Nigeria, Kenia, S. Afrika, Indien Verwandte: Diabas, Melaphyr = ältere Basalte Gabbro = Tiefengesteinsäquivalent Andesit, Phonolith = weniger basisch

Bedeutung für Böden Vergleich Granit - Basalt Beurteilung bei festem Gestein nach 1. wie schnell ist Bodenbildung  Gründigkeit = Wieviel Boden bildet sich 2. wie ist das Material, das entsteht hängt ab von  Verwitterbarkeit des Mineralverbandes  Verwitterbarkeit der Einzelminerale  Art der Sekundärprodukte (Nährstoffe, Tonminerale, Oxide), klimaabhängig Granit - Basalt - Vergleich in unserem Klima Granit:  Schnelle Lockerung des Verbandes, da wegen großer Körner wenig Kontaktflächen, aber wenig Verwitterung der Mineralkörner  wenig Nährstoffe, wenig Sekundärminerale, Quarz und resistente Feldspäte  tiefgründige, aber ärmere Böden,  sandig; saure Braunerden und Podsole Basalt:  Langsame Lockerung des Verbandes, aber starke Verwitterung der Mineralkörner, da leicht verwitterbar  flachgründige, aber reiche Böden, wenn Fe-Oxid-reich = stark braun  tonig; eutrophe Ranker oder Braunerden anders in anderen Klimaten, d.h. bei langer Bodenbildung  allmähliche Angleichung; Böden aus Basalt aber stets tonreicher und quarzfrei; Böden aus Granit tonärmer, quarzhaltig für Böden wichtig: Nährstofffreisetzung bei Verwitterung

2.2. Sekundäre Minerale und Sedimentgesteine entstehen durch Verwitterung, Voraussetzung für Bildung von Böden (und Sedimenten, Metamorphiten), pedogene Minerale  Neubildung nach vollständiger oder teilweiser Auflösung der Primärminerale → Tonminerale  chemische bzw. biochemische Ausfällungen: Carbonate, Fe-Oxide, Mn-Oxide und Mn-Hydroxide Magmatisches Gestein Verwitterung unzersetzte Minerale

Transport

Zersetzungsprodukte schwer löslich

leicht löslich

(Si, Al, Fe, Mn)

(Na, K, Mg, Ca, SO4, Cl, CO3 )

Mineralneubildung

Transport

Transport

Mineralneubildung

Sedimentgestein

Tonminerale Si-Al-Silicate, aufgebaut aus Tetraeder- und Oktaederschichten wie die Glimmer (aus denen sie z.T. entstanden sind); jedoch Teilchengröße meist < 2 µm alle Tetraeder besitzen Zentralatom, dagegen weisen nicht alle Oktaeder Zentralatome auf → alle Oktaeder mit Zentralatom = trioktaedrisch, nur 2 von 3 Oktaedern mit Zentralatom besetzt = dioktaedrisch; Übergänge zwischen beiden Formen möglich! Tonminerale identifizierbar durch den Schichtabstand ihrer (geschichteten) Elementarzellen Elementarzelle

=

kleinste, sich in allen Richtungen wiederholende Einheit des Kristalls;

Basisabstand

=

Abstand zwischen den ‘unteren’ Begrenzungen von 2 aufeinander folgenden Elementarzellen

isomorpher Ersatz:

Si4+ durch Al3+ in Tetraedern, Al3+ durch Fe2+ oder Mg2+ in Oktaedern ersetzt, Schichtladung sehr variabel

Neutralisation der negativen Überschussladung durch  austauschbare Kationen, die z.T. in Zwischenschicht eingelagert sind (diese können mit Wasser- oder Hydrathülle umgeben sein = hydratisiert), oder positiv geladene AlHydroxidschichten 1-wertige Kationen, haben kleineren Ionenradius als 2-wertige, gleichzeitig dickere Hydrathülle; innerhalb gleicher Wertigkeit nehmen im Periodensystem von oben nach unten Ionenradius zu und Hydrathülle ab; besonders optimal K+-Durchmesser zu MaschenDurchmesser bei Illit

Zweischicht-Minerale (1:1); 1 Tetraeder- + 1 Oktaeder-Schicht ohne Zwischenschicht: Kaolinit (Schichtabstand 0,7 nm); dieser (wie Halloysit (Schichtabstand 1 nm)) dioktaedrisch; reines Al-Silicat Al2(OH)4Si2O5, jedoch Al z.T. durch Fe ersetzt Schichtzusammenhalt durch OH...O-Brücken, meist 6-eckige Blättchen Wasser kann nicht eindringen, nicht stark quellbar, kaum isomorpher Ersatz, d.h. kaum Kationenbindung Vorkommen: nicht oder wenig in Böden der gemäßigt-humiden Gebiete, sehr verbreitet in tropischen Böden Modell eines Kaolinits (Darrell G. Schulze)

Bedeutung für Böden  Keine Nährstoffe im Kristall, geringes Nährstofffesthaltevermögen (Dünger, Auswaschung)  keine starke Schrumpfung + Quellung (daher gut für Keramik), meist 0.1 µm große Kristalle  Tonböden mit geringer Fruchtbarkeit!  meist auch Fe-Oxid-reich, da stark verwittert, wenig isomorpher Ersatz → geringe KAK, wenig Hydratation, daher auch wenig Wasserbindung

Dreischicht-Minerale (2:1); 2 Tetraeder- + 1 Oktaeder-Schicht mit Zwischenschicht: Illit, Smektit, Vermikulit, Chlorit
Illite meist dioktaedrisch, Schichtabstand 1 nm, starke Ladung der Schichten durch Si-Al-Ersatz, Verwandtschaft mit Glimmer Schichtenzusammenhalt durch K-Ionen, nicht quellbar entsteht stets, wenn Glimmer im Ausgangsgestein wichtig für K-Ernährung der Pflanzen, in unseren Böden häufig 5-6% K durch K-Herauslösung vollständig aufweitbar → Wechsellagerung von Illit und Vermikulit bzw. Smektit; nach K-Zufuhr (Düngung) K-Einlagerung in Zwischenschichten → Kontraktion der Zwischenschichten zum Illit → K-Fixierung

völlig aufgeweitet randlich aufgeweitet nicht aufgeweitet nicht-austauschbare K-Ionen austauschbare Kationen


Smektite (Montmorillonit) aufweitbar, Schichtabstand von 1-2 nm → starke Wassereinlagerung → Quellung/Schrumpfung von Böden, eigentlich Tonmineral-Gruppe, deren Minerale unterschieden werden aufgrund der Anteile tetra- und oktaedrischer Ladungen und Fe3+- und Mg2+-Gehalten Ladung nur 1/2 - 1/3 so hoch wie Illit, isomorpher Ersatz vorwiegend in Oktaedern Zwischenschicht: Kationen sind hydratisiert, daher locker gebunden und daher austauschbar, z.B. durch Düngung, keine K-Fixierung Wasser kann eindringen (1 Schicht Wasser 0,25 nm Dicke), Quellung und Schrumpfung, Schichtabstand wird größer und kleiner

Modell des Smektits (Darrell G. Schulze)


Vermikulite trioktaedrisch, aufweitbar bis 2 nm → starke Wassereinlagerung → Quellung/ Schrumpfung von Böden, ähnlich wie Smektite, jedoch höhere Ladung, daher weniger quellbar, Schichtabstand kann infolge K-Zufuhr auf 1 nm kontrahieren

Modell eines Vermikulites (Darrell G. Schulze)


Chlorite: kommen sowohl als primäre Minerale (aus Gesteinen) vor, wie auch als pedogene, sekundäre Chlorite dioktaedrische Silicatschichten, mit inselartigen Einlagerungen von Al-Hydroxid-Schichten in der Zwischenschicht, Al nicht voll hydroxyliert, deshalb positive Ladung, die negative Ladung der Silicatschichten ausgleicht, nicht aufweitbar, nicht austauschbar, Schichtabstand 1,4 nm

Modell des Chlorits (Darrell G. Schulze)

Im Boden haben die Tonminerale häufig eine heterogene Schichtfolge  Wechsellagerungsmineral

Vergleich: Aufbau und Zwischenschichtbesetzung der wichtigsten Tonminerale

Kaolinit

Illit

Smectit, Vermiculit

Chlorit Tetraeder Oktaeder Tetraeder

O ... HO - Brücken

Kaliumionen austauschbare Kationen + H2O

(Mg,) Al-Oktaederschicht

2. Die Bodenfestphase - Teil 2 Weitere Tonminerale
Allophane: wasserreich, Oktaederschicht als Mittelschicht, aber nicht geschichtet, sondern als winzige (3,5-5,0 nm äußerer Durchmesser) Hohlkugeln


Imogolite: dioktaedrische Al-Hydroxid-Schicht + Si-Tetraeder-Schicht (innen) bilden feinste Röhrchen (2 nm äußerer Durchmesser) hohe spezifische Oberfläche: 100 - 1000 m2/g

Darrell G. Schulze

Bedeutung: Festlegung von Phosphaten Vorkommen besonders in Böden aus vulkanischen Aschen, sogenannten Andosolen (Japan, USA, Neuseeland, Eifel)

Tonminerale - Bedeutung für Böden  grobe Fraktion meist unveränderte magmatische Minerale ~ inert  Tonminerale Bestandteile der feinsten Fraktion des Bodens, <2 µm, = Tonfraktion  große Oberfläche (bis zu 1000 m2/g), H2O-Anlagerung  Reservebank für Nährstoffe: so gebunden, dass Auswaschung verhindert  Belastbarkeit der Umwelt, Pufferung gegen H+, d.h. gegen Versauerung  Nährstoffaufnahme durch Pflanzen wird nicht verhindert → Idealzustand  Gefügebildner im Boden: Teilchen haften aneinander, da Oberfläche groß im Vergleich zum Gewicht: binden sich selbst und andere Grobteilchen, d.h. Oberfläche wird ökologisch verwertbar angeboten

Oxide und Hydroxide des Fe, Al, Mn, Si Infolge chemischer Verwitterung fallen bei entsprechenden Milieu-Bedingungen Oxide und Hydroxide aus Bodenlösung aus, die durch Alterung mehr oder weniger auskristallisieren, d.h. höheren Grad der Kristallinität erreichen schwer löslich, Endprodukte der Verwitterung: Al-O-Si und Fe-O-Si-Bindung löst sich, Si wird ausgewaschen, da löslicher als Fe, Al; Freisetzung bei Verwitterung der primären Silicate, Oxidation und Ausfällung als Oxid, stets sehr kleine Korngröße (3-100 nm), Minerale der Tonfraktion (<2 µm), große Oberfläche Al Pedogene Oxide und Hydroxide von Al, Fe, Mn und Si

Fe

Mn

Gibbsit Hämatit Lepidokrokit γ-Al(OH)3

α-Fe2O3

γ-FeOOH

Goethit

Ferrihydrit

α-FeOOH

5Fe2O3H • 9H2O

Si

Birnessit

Opal

Na,Ca,K(Mg • Mn2+) Mn6+O14 • 5H2O

SiO2 • nH2O

Schwertmannit

Fe3+16[O16(OH)9-12(SO4)3.53.5-2]

Bodenkunde

Geologisches Ausgangsmaterial - 1 -


Aluminiumhydroxide: vorherrschend Gibbsit: γ-Al(OH)3 (farblos bis weiß), aufgebaut aus Oktaedern, deren Zentren nur zu ⅔ mit Al besetzt sind, Gibbsit entsteht in Böden nur bei sehr niedrigen Si-Konzentrationen in der Bodenlösung, also bei sehr intensiver Verwitterung in Böden der Tropen und Subtropen Anreicherung der verschiedenen Al-Oxide als Al-Erze → Bauxit

Darrell G. Schulze


Fe-Oxide: gelb, rot oder braun, schlecht bis gut kristallisiert, abhängig von Alter und Milieu, insbesondere Temperatur

Jerry Bigham

 Hämatit-Bildung bei höheren Temperaturen gefördert, rote Böden, deshalb kennzeichnend für subtropische und tropische Klimabedingungen, rote tropische und subtropische Böden, auch Indikator für frühere tropische / subtropische Klimabedingungen

Hämatit:

α-Fe2O3

(blut)rot

 Bildung bei höheren Temperaturen gefördert


Vorkommen – Subtropen und Tropen

Ferralsol aus fluvialen Sedimenten

Aufn.: R. Bäumler, 2002, Thailand

 Schwertmannit

Schwertmannit: Schwertmannit: Fe3+16[O16/(OH)9-12(SO4)3.5bräunlichgelb 3.5-2] brä  Bildung in sauren und sulfatreichen Gewässern
Vorkommen – Häufiges Produkt der Pyritverwitterung

Aufn.: St. Peiffer, Universität Bayreuth.

Das Elektronenmikroskop zeigt die igelartigen Kristallaggregate des neu entdeckten Minerals Schwertmannit, der in den sauren Bergbauwässern in großer Menge gebildet wird. Der Maßstab entspricht einem tausendstel Millimeter. Aufn.: Schwertmann am Pfitscherjoch in Österreich

Bodenkunde

Geologisches Ausgangsmaterial - 2 -

 Goethit-Bildung bevorzugt bei mittleren Temperaturen unter nicht zu feuchten Bedingungen, braune Böden, kennzeichnend für gemäßigte Klimabedingungen, kommt in allen Klimaten vor, sehr stabil

Goethit: Goethit:

α-FeOOH

gelbbraun

 Bildung bevorzugt bei mittleren Temperaturen  sehr stabil  braune Böden
Vorkommen – in allen Klimazonen

Braunerde aus Grauwacke und Schiefer aus: AID

 Lepidokrokit-Bildung vorherrschend unter reduzierenden, d.h. vernässten (s.u.) Bedingungen aus Fe(II)-Lösung, aber meist nur kleinräumig auftretend

Lepidokrokit: Lepidokrokit:

γ-FeOOH

orange

 Bildung vorherrschend unter reduzierenden Bedingungen  metastabil


Vorkommen – Staunasse Böden – Kleinräumig

Pseudogley aus Sedimenten über Schluffsteinverwitterung Aufn.: R. Bäumler, 2002, Thailand

 Ferrihydrit schlecht geordnet, junges Eisenoxid, entsteht bei schneller Oxidation oder bei Störung der Kristallisation, z.B. durch organische Stoffe, Silikat- oder Phosphationen; Umwandlung in Hämatit durch Entwässerung in Böden wärmerer Klimate; Umwandlung in Goethit nur über Auflösung; Anreicherung von Fe-Oxiden kann zu Verfestigungen und Zementierungen führen, die sehr hart sein können, Horizonte als Ferricret bezeichnet; hierzu gehören auch Ortstein und Raseneisenstein


Si-Oxide nicht verwechseln mit Silicaten, SiO2, entstanden infolge Verwitterung primärer und sekundärer Silicate, Polymerisation der Oxide, amorph oder als Opal, sehr schwer löslich, Anreicherung in Böden der semiariden Tropen, erzeugt Verhärtungen (Panzer) = Silcret Oberflächeneigenschaften der reaktiven Bodenbestandteile und Kationenaustauschkapazität (KAK) bei pH 7 Oberfläche (m2/kg)

Kaolinit

Dichte der Oberflächenladung (molc/kg (µmolc/m2)

vorherrschende negative Ladung

0,02-0,06

1-6

permanent

1 • 105

0,3

3

permanent

Smektite

8•

105

1,0

1

permanent

Vermikulit

8 • 105

1,4

2

permanent

3•

104

0,005

0,2

pH-abhängig

(5-7) •

105

0,8

1,5

pH-abhängig

9 • 105

3,0

3

pH-abhängig

Illit

Fe- u. Al-Oxide Allophan Huminsäuren

Bodenkunde

(1-2) • 104

KAK

Geologisches Ausgangsmaterial - 3 -

Weitere sekundäre Minerale: entstehen bei Sedimentation Minerale fallen nach Abtransport löslicher Anteile der Zersetzungsprodukte aus: Salze von Alkaliionen/Erdalkaliionen + CO3, Cl, SO4

Carbonate:  CaCO3 - Calcit weißes Mineral, Reaktion auf HCl ↑ CO2 In vielen Böden, dort meist ererbt vom Gestein, befindet sich im Lösungsgleichgewicht (reversibel) im Gegensatz zu primären Mineralen Gleichgewicht im Grundwasserbereich oder an Quellaustritten hängt von CO2 (pH) und Wassergehalt ab, kann wieder gefällt werden → Alm oder Wiesenkalk  Ca,Mg(CO3)2 - Dolomit schwerer löslich, Mg-Quelle Bedeutung für Böden: Neutralisation von CO2 und anderer Säuren, puffert Versauerung, liefert Ca2+ Verkittungsmittel (Zement) → Calcret

Gips: CaSO4 • 2H2O - sehr leicht löslich, daher bei uns meist ausgewaschen, in ariden und semiariden Böden

Sedimentgesteine Sedimente machen nur ≈ 8% der Erdkruste aus, bedecken aber etwa 75% der Erdoberfläche, d.h. wichtig für Bodenbildung Lockergestein, Alter meist Tertiär oder jünger Eisenoxide Rest 3% 3% Feldspäte Mineralogische Zusammensetzung der Sedimentgesteine

7% Tonminerale 9%

Quarz 38%

Carbonate 20% Glimmer 20%

Entstehung über mehrere Teilprozesse Verwitterung / Transport / Ablagerung → Umwandlung (Diagnese) zu festem Gestein Verwitterung: Lockerung d. Materials, z.T. Umwandlung Transport: durch Rutschen, Wasser, Wind, Eis, Nah-, Fern-Transport erkennbar an: Rundungsgrad, bildet Feinsubstanz Sortierung nach Korngröße, ermöglicht Schichtung, unterschiedlich stark bei den Transportagenzien; Transportweg um so weiter, je kleiner Teilchen Ablagerung meist sortiert und schichtförmig, letzteres nur erkennbar, wenn Materialwechsel (Sedimentgestein)

Bodenkunde

Geologisches Ausgangsmaterial - 4 -

(Kreuz-)Schichtung in fluviatilen Sedimenten Aufn.: H.H. Becher, 1971, Kiesgrube, Eberstetten, Krs PAF

wo? Festland (am Hang, Fluss, See, Gletscher): fluviatil, äolisch, glazial, limnisch, Meer (Küste, Tiefsee): brackisch, marin, Verfestigung durch Druck: Diagenese, Dichteanstieg, Auspressen des Wassers, Einregelung der Partikel (Minerale), Verkittung durch Bindemittel: Feinsubstanz: Kalk, Kieselsäure, Fe-Oxide, Tonminerale Mechanisch transportierte Minerale + authigene, d.h. am Ort neu gebildete, sekundäre Minerale (Tonminerale, Carbonate, Oxide) Schichtung; Fossilien; Verwitterungserscheinungen (Zurundung)

Einteilung der Sedimente mechanisch transportiertes Material → mech. Sedimente (chemische) Ausfällungen → chem. Sedimente Torfe, Braunkohle → biogene Sedimente Mechanische (klastische) Sedimente Einteilung nach Korngröße (Kiese, Sande, Schluffe, Tone oder Mischsedimente) und Art des Transports; Transport über fließendes Wasser: an Schichtung zu erkennen Windtransport: Sand- und Schluffteilchen als Flugsand oder Löss abgelagert, z.T. Feinschichtung erkennbar Geschiebemergel und Geschiebesande (Gletscher), ungeschichtet = Gemenge Lockersedimente - Diagenese - Verfestigung kantiges Grobmaterial (Schutt) = Breccien gerundetes Grobmaterial (Schotter) = Konglomerate Sande = Sandsteine, Quarzite, Grauwacken, Arkosen Schluffe und Tone = Schluff- und Tonsteine carbonatreicher Schlamm = Carbonatgesteine Lösungen von Ca-, Mg- und Fe-Hydrogencarbonaten oder von Kieselsäure, die lockere Ablagerungen durchsetzen. unsortiert: Eissedimente: Moränenmaterial z.B. Geschiebemergel; Fließerden (vgl. Film zur Einführung) Verbreitung von Moränen: Alpenvorland, N-Deutschland; von Fließerden: Mittel- und Hochgebirge


Tonsteine Gesteine mit hohem Gehalt der Kornfraktion < 2 µm, Tonminerale als Hauptbestandteile Ablagerung unter ruhigen Sedimentationsbedingungen (Beckenton, Stillwassersedimente) stets Wassersedimente, meist plastisch Diagnetische Reihe Ton → Tonstein → Schieferton → Tonschiefer Verbreitung Bayern: Mittel- und Unterfranken (Albvorland), Tonsteine → Tone, Molassetone im Tertiärhügelland meist talbildend, da leicht erodierbar; Bodenkunde

Geologisches Ausgangsmaterial - 5 -


Schluff, Schluffsteine (2 - 63 µm) Löss, äolisches Sediment, außerdem Flussmergel Pflanzendecke fehlt im Periglazialraum: Auswehung, Sedimentation Sedimentationsrate 1 mm/Jahr ein Schluffsediment im Glazial (Staub-Mehlsand): vorwiegend Körner 10 - 50 µm, 10 - 30% CaCO3, Illit + Smektit Verbreitung Deutschland, USA, Russland, China, Zentralasien


Sandsteine Gesteine mit > 50% der Fraktion 0,063 - 2 mm Psammite, Sand, Sandsteine, Kies, Schotter, Konglomerat bei hoher Transportkraft des Wassers rauh, meist sehr quarzreich, nicht plastisch, Fluss- und Küstennähe, Gletschersande, Flugsande, Grauwacken (dunkelgraue Sandsteine, die Glimmer und Chlorite enthalten und reich an Gesteinsbruchstücken sind), Sandsteine (Sandsteine i.e.S. haben > 75% Quarz) Schotter als Talfüllungen, Küstenkonglomerate (verfestigt): Nagelfluh = Kalksandstein keine Einzelminerale mehr, sondern Gesteinsrückstände Verbreitung: Molasse; Buntsandsteine: N-Schwarzwald, Spessart, Hessen, Niedersachsen


Gemenge Verfestigt: Breccien, Konglomerate Eigenschaften: Silicatgehalt und Bindemittel bedeutsam Vergleich: Bodenentwicklung aus TonTon- und Sandstein Eigenschaft Tongehalt vorherrschende Minerale Entwicklungsgeschwindigkeit Nährstoffgehalt Nährstoffspeicherung Gefügeform Wasserspeicherung Wasserdurchlässigkeit(-leitung) physiolog. Gründigkeit

Tonstein hoch

Sandstein niedrig

Tonminerale

Quarz, Feldspat + andere Silicate

langsam

schnell

hoch

niedrig

gut

schlecht

Aggregat-

Kohärent-, Einzelkorngefüge

hoch

niedrig

sehr gering

sehr hoch

flach

flach bis tief

Durchwurzelbarkeit

schlecht

gut

Bearbeitbarkeit

schlecht

gut

Laubwald: Fageten, Edelholz

Nadelwald: Querceten, Pineten

Basalt

Granit

Vegetation Entsprechung

Quartäre Lockersedimente
Löss während der quartären Vereisung wurde aus vegetationsarmen Schmelzwasser- und Frostschuttablagerungen, Tundren und arktischen Trockengebieten schluffreiches Material ausgeweht = Löss Löss ist carbonathaltig, gelblich gefärbt, ausgeprägtes Korngrößenmaximum zwischen 10 und 60 µm Durchmesser ( ≈ 60%) Tongehalt 10 - 25%, Schluffgehalt 65 - 80%, Sandgehalt 10 - 15% dünner Lössschleier in Mitteleuropa Unter den humiden Klimabedingungen der Nacheiszeit wurden im Oberboden sehr häufig Carbonate vollständig ausgewaschen und der gelbe Löss durch Eisenoxid- und Tonbildung in gelbbraunen Lösslehm umgewandelt. Bodenkunde

Geologisches Ausgangsmaterial - 6 -


Flugsande

als Decken oder Hügelsysteme (Dünen) verbreitet, besonders an Küsten- und Talrändern, quarzreich


Sedimente der Flusstäler und Küsten:

Auensedimente (z.B. Auenlehm), Kiese, Schotter der Flussterrassen; Marschen (sandig bis tonig)


Kolluvium

Junge Sedimente wechselnder Körnung entstehen durch die Erosion als Kolluvien an Hangfüßen, nachdem die Böden der Hänge in Ackerkultur genommen wurden oder werden


Glazigene Sedimente

Gletscher hinterließen nach dem Abschmelzen Moränen im inneren Bereich: flache, aber unebene Grundmoränen Gletscherränder: wellige Endmoränen, auch durch Eisschub meist unsortiert; häufig große, mehr oder weniger abgerundete Gesteinsblöcke, sog. Geschiebe je nach Körnung und Carbonatgehalt: Geschiebesande, -lehme oder –mergel Schmelzwässerablagerungen kommen vor allem als Kies (z.B. Fluss- oder Terrassenschotter) oder Sande (Schmelzwassersande) vor.


Fließerden und Solifluktionsschutt

Lockersedimente, die sich in Hanglagen (>2°) auf gefrorenem Untergrund als wassergesättigter Brei bewegten. In Mitteleuropa während des Pleistozäns entstanden und heute in den meisten Mittelgebirgslagen als eine 1-4 m mächtige, mehr oder weniger geschlossene Decke anzutreffen hangparallel eingeregelte Steine

Firneisgrundschutt über Granitzersatz, Bänderung erhalten, große Steine horizontal eingeregelt

Hakenschlagen in Granitzersatz infolge Bodenfließen

Aufn.: H.H. Becher Waldhäuser (Bayr. Wald) FRG

Aufn.: H.H. Becher Waldhäuser (Bayr. Wald) FRG

Chemische Ausfällungen, biologische Ausscheidungen (werden auch als chemische bzw. biogene Sedimente bezeichnet)


Carbonatgesteine Calcit und Dolomit Kalksteine > 75%, Mergel 25 - 75% Carbonat Korallenkalk (biogene Sedimente) nichtcarbonatischer Verwitterungsrückstand (vorw. Glimmer und Tonminerale) ist relevant für Bodenbildung
Salz(steine)

Bodenkunde

Kainit, Steinsalz

Apatit

Gips, Anhydrit

(K-Quelle)

(P-Quelle)

(S-, Ca-Quelle)

Geologisches Ausgangsmaterial - 7 -

2.3. Metamorphite infolge Druck- und/oder Temperatur-Einwirkung veränderte Gesteine aus magmatischen Gesteinen (Orthogesteine) oder Sedimenten (Paragesteine) Gneise, Hornfels, Marmor

Metamorphose verschiedener Gesteine Ton

Tonschiefer Schieferung

Phyllit

Fältelung

Glimmerschiefer Kristallvergröberung

Gneis Aufschmelzung

Granit

Gneis

Basalt

Grünschiefer

Kalkstein

Amphibolit Marmor

Verbreitung der Ausgangsgesteine

Sedimente locker Ton Sand und Kies Mergel und Lehm

Hamburg

Löss

Sedimente verfestigt

Berlin

Hannover

Schieferton Münster

Sandstein Mergel- u. Tonstein

Köln

Erfurt

Kalkstein

Magmatite Frankfurt

Prag

Granit u. ä. Basalt u. ä.

Trier

Metamorphite

Stuttgart

Gneis u. ä. Schiefer u. ä.

München Linz

Bodenkunde

Geologisches Ausgangsmaterial - 8 -

Gasphase
Zusammensetzung der Bodenluft Die Bodenluft enthält grundsätzlich dieselben Komponenten wie die oberirdische Atmosphäre, allerdings in variabler und stark abweichender Zusammensetzung der einzelnen Komponenten. Atmosphäre Vol. %

Zusammensetzung der Bodenluft

Bodenluft Vol. % gut durchlüftet

N2 O2 CO2

78 20,7 0,035

schlecht durchlüftet

79 - 83 18 - 21 1- 2

0- 5 5 - 12

Durch das Bodenleben (Wurzelatmung, Bodenfauna, mikrobieller Abbau von organischer Substanz) ist mehr CO2 und weniger O2 in der Bodenluft als in der Atmosphäre, selbst bei guter Bodendurchlüftung. Unter reduzierenden Bedingungen entstehen neben wesentlich erhöhten CO2-Gehalten außerdem CH4 (Sumpfgas, in Moorböden), H2S (Schwefelwasserstoff, in Moor-, Grundwasserböden), N2O (Lachgas, bei Denitrifizierung). Maximum der CO2-Produktion meist nahe an der Bodenoberfläche, unmittelbar an der Bodenoberfläche aber geringere CO2-Produktion wegen stärkerer Austrocknung. CO2-Produktion (mg m-2 cm-1 h-1) 0

Co2-Produktion in Abhängigkeit von der Tiefe in einer Parabraunerde aus Löss unter Ackernutzung aus Sch/Sch (2002)

0

10

20

30

40

50

60

10

20

30

40

Der Wasserdampfgehalt in der Bodenluft ist höher als in der Atmosphäre; bei Wasserspannungen < pF 4,2 ist die relative Feuchte der Bodenluft > 95%.

Formatiert: Schriftart: 13 pt


Durchlüftung des Bodens Vereinfachend wird meist der Luftporenanteil als Maß für den Durchlüftungszustand eines Bodens benutzt. PV-FK=LK (Porenvolumen - Feldkapazität = Luftkapazität), Anteil nicht mit Wasser gefüllter Poren entscheidend; je schneller Grobporen sich entleeren können, desto besser ist die Durchlüftung des Bodens, gewährleistet durch Gasaustausch mit der Atmosphäre. Notwendig hierfür ist hohe Kontinuität der luftgefüllten Poren, indirekt gemessen als Luftdurchlässigkeit. Ein Wassermeniskus quer über einen Porendurchmesser unterbricht den Gasaustausch. Bodenkunde

Einführung - 1 -

Diffusion ist der dominierende Mechanismus für den Gastransport in Böden, aufgrund von Konzentrationsunterschieden des betreffenden Gases; abhängig vom entsprechenden Diffusionskoeffizienten, der wiederum abhängig von Wasserbzw. Luftgehalt und der Temperatur ist.

Formatiert: Abstand Nach: 9 pt

Bereiche der O2-Diffusionsraten in Abhängigkeit von der Bodentiefe

Ausgangsmaterial Bodentyp

lehm. Geschiebe- Parabraunerde mergel (Riß) Pseudogley Tonreicher Braunerde Geschiebemergel Braunerde-Pseudogley (Würm) Pseudogley

O 2-Diffusionsrate (10 -8 g cm-2 min-1) ---------Tiefe (cm) ---------10 30 80 20 - 30 20 - 30 ~5 20 - 60 5 - 10 1- 5 20 - 40 20 - 40 0 - 20

10 - 30 10 - 30 <5

5 - 20 <5 <5

aus Blume (1968)

Konvektiver Transport entsteht aufgrund von Luftdruck-(Gasdruck-)unterschieden, die auch auf temperaturbedingten Volumenänderungen beruhen können; auch erhöhter Luftdruck in Lufteinschlüssen infolge eindringenden Wassers (Regen, Bewässerung) bewirkt Gastransport. Wasserlösliche Gase (besonders CO2) werden zusätzlich in der Wasserphase transportiert. Bei zunehmender Wassersättigung wird der Gasaustausch behindert, je stärker hydromorph ein Boden, desto schlechter ist die Luftversorgung, desto eher treten reduzierende Bedingungen auf. Bei 4-6% Luftvolumen ist die O2-Versorgung für Pflanzen unzureichend, es kommt zu O2-Mangel. Für terrestrische Böden (grundwasserfern) gilt: grobporenreiche Böden sind besser durchlüftet als grobporenarme Böden, daher ist die Durchlüftung bei Sandböden > Lehmböden > Schluffböden > Tonböden. Die Durchlüftung im Boden ist kleinräumig sehr variabel, aufgrund der mikroskopischen Heterogenität des Porenraums und der Abhängigkeit der Gasleitfähigkeit von der Wassersättigung. Bei Feldkapazität sind die Grobporen um ein Aggregat luftführend, während die Feinporen im Aggregat wassergesättigt sind. Der O2-Partialdruck nimmt von der Aggregatoberfläche ins Aggregatinnere kontinuierlich ab. Kleinräumige Variabilität der Bodendurchlüftung von aeroben zu anaeroben Verhältnissen. Die Krümel sind mit Wasser gesättigt und von einem Wasserfilm umgeben, der Porenraum zwischen den Krümeln ist größtenteils mit Luft gefüllt.

Wasser

anaerob

Luft aerob 500 µm

Bodenkunde

aus Gisi (1997)

Einführung - 2 -

Formatiert: Abstand Nach: 9 pt

Gefüge 1. (Boden-)Gefüge (oder Bodenstruktur) räumliche Anordnung der festen Bodenbestandteile


Aggregierungsmechanismen Adhäsionskräfte Molekularkräfte zwischen Atomen und Molekülen verschiedener Art (Wasser - Festsubstanz) Kohäsionskräfte Molekularkräfte zwischen Atomen und Molekülen gleicher Art (Wasser - Wasser) Grenzfläche Wasser - Festphase

Adhäsion Benetzbare Flüssigkeiten: Adhäsionskräfte > Kohäsionskräfte Festphase

Kohäsion Wasser

Bindung zwischen FestFest- und Flü Flüssigphase

Physikochemische Ursache: VAN DER WAALS-Kräfte, COULOMBsche Kräfte, Dipol-Kräfte, IonenBindungskräfte, Meniskenkräfte; jede Kraft bzw. Kräftegruppe unterschiedliche Reichweite. Dipolkräfte: besonders ausgeprägt beim H2O-Molekül Ionenbindungskräfte: hauptsächlich auf unterschiedliche Ladung der Bestandteile zurückzuführen Kittsubstanz: Fe-Oxide, Humus, Carbonate, Si-Oxide.

Aggregatbildung bei blättchenförmigen Materialien: a) peptisiert, b) aggregiert Fläche-Fläche, c) aggregiert Fläche-Kante, d) aggregiert Kante-Kante (punktiert: Wasserhülle der Doppelschicht). aus Sch/Sch (2002)

Selbst unter trockenen Bedingungen sind Teilchen mit dünnen Wasserfilmen umhüllt; Beispiel für Zusammenhalt zwischen unterschiedlichen Ladungsträgern:

Bodenkunde

Gefüge - 1 -

Modell der Anordnung von Tonmineralpaketen, organischer Substanz und Quarz in einem Bodenkrümel Quarz D

A

A: Quarz - organische Substanz - Quarz

C1

B: Quarz - organische Substanz - Tonmineral D

B Quarz

B

C: Tonmineral - organische Substanz - Tonmineral C1: Fläche - Fläche C2: Kante - Fläche C3: Kante - Kante

Quarz

C3 C2

D: Tonmineral – Tonmineral Kante - Fläche

D C1

aus Sch/Sch (2002)

Summenwirkung Aggregierungsmechanismen: I. Feinmaterial haftet auf bzw. umhüllt grobe Teilchen II. Feinmaterial verbindet/verkittet grobe Teilchen III. Wassermenisken verbinden Teilchen ⇒ Zusammenhalt eines Bodens; feste Bestandteile = Bindemittel, Kittsubstanz; Einfluss des Wassergehalts sehr groß: bewirkt sowohl die Kohäsion oder Konsistenz als auch die Quellung und Schrumpfung.


Konsistenz Kohäsion oder Konsistenz entscheidend für a) Tragfähigkeit von Baugründen bzw. Stabilität von Böschungen oder Aufschüttungen b) Tragfähigkeit für landwirtschaftliche u.a. Maschinen, Bodenbearbeitbarkeit und Beweidung. Wichtige Kenngrößen sind die Fließgrenze (Wl), die Ausrollgrenze (Wp) und Plastizitätszahl (kw) (= Differenz zwischen Fließ- und Ausrollgrenze); oberhalb Fließgrenze zerfließt Boden, unterhalb Ausrollgrenze bricht (bröckelt) Boden.

Wassergehalt

trocken

pF Konsistenz

7

Kräfte

gesättigt

4,5

fest

halbfest

2,8 steif

Kohäsion

-o -oo

weich breiig Adhäsion

Wl

Wp

Relative Konsistenz

1,0

Plastizitätszahl (kW)

flüssig

0,75

0,50

0

Tragfähigkeit Bearbeitung

Schollen

Bröckel Krümel

Pflugsohlen Bodenfließen

Tieflockern Tiefpflügen (Kuntze et al. 1994)

Bodenkunde

Gefüge - 2 -


Quellung und Schrumpfung

Porenziffer n

Volumenzunahme des Bodens durch Aufnahme von Wasser besonders stark bei Böden mit vielen Kolloiden, insbesondere quellfähigen Tonmineralen. fest brüchig plastisch flüssig Bis zu einem substrattypischen Grenz-Wassergehalt Fliessgrenze entspricht die Volumenabnahme der WassergehaltsAusrollgrenze abnahme: Normalschrumpfung. Schrumpfgrenze Bei weiterer Wassergehaltsabnahme nimmt Volumen nicht in gleichem Maße ab, weil Teilchen nur dichter aneinander treten können, wenn die Bindung zwischen Teilchengruppen unterbrochen wird: Restschrumpfung. Wasser

Schrumpfprozess eines trockenden Bodens und Konsistenzgrenzen (nach Atterberg)

Luft 1

(aus Gisi 1997)

Matrix Wassergehalt θ g

Sichtbar am Auftreten von (Zug-)Rissen im Substrat bzw. Boden; Risse umso breiter und tiefer, also größer, je stärker die Entwässerung und/oder je höher der Tongehalt; weitere Entwässerung ⇒ von diesen ersten (Haupt-)Rissen gehen weitere Zugrisse aus:

Entstehung von Aggregaten durch Ausbildung eines Systems aus Zugrissen in vier aufeinander folgenden Generationen (I bis IV) aus Sch/Sch (2002)

Entstehung von Aggregaten bzw. Aggregatgefügen Schrumpfriss-Generationen (Polygone) in Feuerletten-Ton, Aufn.: H.H.Becher, nordöstl. Bayreuth

Wiederbefeuchtung ⇒ Quellung, Risse schließen sich ⇒ Bodenoberfläche angehoben; Ausprägung abhängig von Tongehalt; aber ursprünglicher Zustand nicht erreichbar, weil Teilchen infolge dichter Packung nicht mehr frei beweglich; Bodenoberflächensenkung infolge Entwässerung: Setzung.

Bodenkunde

Gefüge - 3 -

2. Gefüge- und Aggregatformen Gefügeformen  Grundgefüge: Bindungskräfte zwischen benachbarten Primärteilchen sind gleichförmig, Aggregierung nicht erkennbar  Aggregatgefüge: Gruppen von Primärteilchen untereinander stabiler verbunden, Ausbildung von Aggregaten Grundgefüge

Aggregatgefüge

ungegliedert

gegliedert

Bodenfragmente zertrümmert < 5 cm o/

nicht verklebt verklebt verkittet

EinzelkornGefüge

Gliederung und Ansprache des Makrogefüges im Boden

KohärentGefüge

KittGefüge

Bröckel

> 5 cm o/

Klumpen

Kuntze et al. 1994 Aufbaugefüge

Absonderungsgefüge Aggregat-Querachse meist >5 cm

Aggregat-Querachse <5 cm

Grobgefüge

Feingefüge

"SchichtGefüge"

SäulenGefüge

RissGefüge

PrismenGefüge

PolyederGefüge

SubpolyederGefüge

<5 cm

PlattenGefüge

KrümelGefüge

WurmlosungsGefüge

Nicht einheitlich oder gleichmäßig über das gesamte Profil verteilt, sondern meist Wechsel zwischen verschiedenen Formen innerhalb des Profils.  Einzelkorngefüge Zusammenhalt nur durch Menisken-, Reibungs- und Gravitationskräfte ⇒ alle Körner liegen lose nebeneinander; typisch für Dünensand und ähnlich gut sortierte Substrate ohne Bindemittel; nass ⇒ Zerfließen, trocken ⇒ Zerrieseln Einzelkorngefüge aus Sand (Sch/Sch, 2002)

Einzelkorngefüge bzw. Körnungsunterschiede in Talrand-Düne Aufn.: H.H.Becher, Wümmetal nwestl. Hellwege, Krs. ROW

 Kohärentgefüge Zusammenhalt durch Ko- und Adhäsionskräfte aller Arten, häufig Bindemittel; typisch für Unterböden von Schluff- und Tonböden

Kohärentgefüge (Ausschnitt, Bhs-Hor.) Aufn.: H.H.Becher

Bodenkunde

Gefüge - 4 -


Aggregatgefüge Zusammenhalt durch Ko- und Adhäsionskräfte aller Arten, Bindemittel; Tongehalt ≥ 25 % und/oder Gehalt and organischer Substanz ≥ 2 %. Krümelgefüge: kleinste Aggregate, traubige Form, viele Kotaggregate von Tieren, die auf und im Boden leben; Ah-Horizonte; stabil, gut durchlüftet, gute natürliche Entwässerung, hohe nutzbare Feldkapazität Polyedergefüge: alle 3 Achsen etwa gleich lang, entstanden durch Schrumpfung oder Bodenfrost (Frostgare), scharfe Ecken und Kanten; Bv-, BtHorizonte; sehr stabil, gut durchlüftet, gute natürliche Entwässerung, hohe nutzbare Feldkapazität Polyedergefüge (Pelosol) Aufn.: H.H.Becher, Sulzheim, Krs. SW

Subpolyedergefüge: entstanden durch Bodenbewegung durch Tiere (Rollen, Transport) und durch Bodenbearbeitung, dadurch deutliche Begrenzungsflächen, aber keine scharfen Ecken und Kanten; Bv-Horizonte; meist stabil, gut durchlüftet, gute natürliche Entwässerung, hohe nutzbare Feldkapazität Prismengefüge: senkrechte Achse deutlich länger, durch Schrumpfung entstanden, dadurch sehr deutliche Begrenzungsflächen, scharfe Ecken und Kanten, Prismen zerfallen häufig in Polyeder; Bv-, Bt-, P-Horizonte; mäßig bis sehr stabil Prismengefüge (Pelosol-Pseudogley) Aufn.: H.H.Becher, Niederlande

Plattengefüge: natürlich und künstlich verdichtete Horizonte oder sedimentationsbedingt; schlecht durchlüftet, schlechte Entwässerung, mittlere nutzbare Feldkapazität; kann zu Stauwasser im Boden und zu Oberflächenabfluss führen

Platten infolge übermäßiger Verdichtung

Platten infolge von Sedimentationsunterschieden

Aufn.: H.H.Becher, Versuchsfeld, TUM, Freising-Dürnast

Aufn.: H.H.Becher, Niederlande

Bodenkunde

Gefüge - 5 -

Säulengefüge: Na+- oder Mg2+-Anreicherungshorizonte von Solonetz und Knickmarsch (für Solonetz kennzeichnend) Säulengefüge (Solonetz) Aufn.: H.H.Becher, Nordkasachstan

Bröckelgefüge: Ap-Horizonte, entstanden durch Bodenbearbeitung unter günstigen Konsistenzbedingungen ⇒ vergleichbar mit Subpolyedergefüge, jedoch Aggregate meist größer und weniger gerundet Schollengefüge (Klumpen): Ap-Horizonte, entstanden durch Bodenbearbeitung unter (sehr) ungünstigen Konsistenzbedingungen; vergleichbar mit grobprismatischem Gefüge ⇒ durch zusätzliche Bodenbearbeitung und/oder Frostgare zu verbessern Schollengefüge (Pelosol) Aufn.: H.H.Becher, Wetzhausen, Krs. SW

Gefüge im Bodenprofil

0

Bodenprofil (Acker)

Aggregierung

Tiefe cm

20 aggregiert, lockerer

40

60 aggregiert, dichter

Abb. aus Kooistra & Noordwijk,1996

80

100 kohärent

Bodenkunde

Gefüge - 6 -

Kationenaustausch Die Oberflächenladung der Bodenteilchen wird durch die Anlagerung von äquivalenten Mengen an Gegenionen ausgeglichen. Die geladene Oberfläche und die Gegenionenschicht werden zusammen als elektrische Doppelschicht bezeichnet (s. Sorptionseigenschaften von Böden, S. 2). Sie erzeugt im Bereich der Teilchenoberfläche ein elektrisches Potential. Die an der Oberfläche der geladenen Teilchen adsorbierten Ionen sind gegen andere Ionen austauschbar. Dies bezeichnet man als Ionenaustausch, die geladenen Teilchen bei negativer Ladung als Kationentauscher, bei positiver Ladung als Anionentauscher. Ionenaustauschreaktionen verlaufen schnell, stöchiometrisch und sind reversibel. Austausch von Ionen: Die an eine geladene Oberfläche adsorbierten Ionen (z.B. Ca2+ an negativ geladener Oberfläche) werden durch äquivalente Mengen von Ionen der Bodenlösung (z.B. NH4+) freigesetzt. Bodenökologie, Gisi, 1997

Ca2+ + 2NH4+

NH4+ + Ca2+ NH4+

HCO3- + NO3-

NO3- + HCO3-

Durch die Fähigkeit des Bodens als Ionentauscher zu fungieren, wird die Versorgung der Pflanzen mit Nährstoffen gewährleistet. Die Auswaschung der Nährstoffionen aus dem Boden/Wurzelraum wird verhindert. Gleichzeitig sind die Nährstoffe in für die Pflanze leicht verfügbarer Form im Boden gespeichert. Von der insgesamt in pflanzenverfügbarer Form vorhandenen Menge an Ionen ist immer nur ein geringer Teil in der Bodenlösung vorhanden. Ionenaustausch zwischen Bodenpartikel, Bodenlösung und Pflanzenwurzel. Partikel verwittern durch (saure) Hydrolyse und Säurewirkung, wobei Kationen durch Protonen freigesetzt und ausgetauscht werden; die Kationen gelangen via Bodenlösung zur Pflanze und werden dort gegen Protonen eingetauscht.

Verwitterung HCO3- + H+ Bodenpartikel " Reservoir "

2H+

H2CO3

H2O + CO2

Bodenlösung

Ca2+

2H+

Wurzel

Ca2+

" Transportmedium "

" Senke "

Bodenökologie, Gisi, 1997

Unter der Austauschkapazität eines Bodens versteht man die maximal sorbierbare Ionenmenge. Sie wird in Ladungsäquivalenten pro Masse angegeben (cmolc/kg Boden). Aufgrund der Ladungsverhältnisse ist die Kationenaustauschkapazität (KAK) weit bedeutender als die Anionenaustauschkapazität. Die KAK der einzelnen Bodenkomponenten ist wie bereits erläutert z.T. pH-abhängig. KAK der wichtigsten Bodenkomponenten und ihre Oberflächen

Oberflächeneigenschaften der reaktiven Bodenbestandteile und Kationenaustauschkapazität (KAK) Oberfläche

KAK

(m2/kg)

(cmolc/kg)

(1-2) • 104

2 - 10

5

Smectite

5

Vermiculit

Kaolinit Illit

Fe- u. Al-Oxide

(µmolc/m2)

1-6

pH-abhängig

20 - 50

3

permanent

8 • 10

50 - 100

1

permanent

8 • 105

100 - 200

2

permanent

1 • 10

4

0,5

0,2

pH-abhängig

5

0,8 300 (150 – 500)

1,5 3

pH-abhängig pH-abhängig

3 • 10

Allophane (5-7) • 10 Organische Substanz 9 • 105 Bodenkunde

Dichte der Ober- vorherrschende flächenladung negative Ladung

Kationenaustausch - 1 -

spezifische Oberfläche (m2/g]

1000

Allophane Imogo -lite

750

Beziehung zwischen spezifischer Oberfläche und KAKpot von wichtigen Vertretern des Sorptionskomplexes.

Huminstoffe

Smectite

Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermaier-Erhard und Zech, 1997

Vermiculite

500

250 Me-Oxide

Wechsellagerungsminerale

Illite, Glimmer 0

0

Kaolinit, Halloysit 100 200 Kationenaustauschkapazität [cmolc/kg]

300


Ladungsverhältnisse von Böden Die KAK von Böden schwankt in einem weiten Bereich. Sie wird vor allem von der Textur, der Art der Tonminerale und vom Humusgehalt bestimmt. Häufige Werte liegen zwischen 5 und 100 cmolc/kg. 2:1-Minerale und Humus senken LNP durch hohe negative Ladung, 1:1-Minerale und Oxide heben den LNP durch fehlende permanente Ladung und sehr geringe variable Ladung. Viele Böden unseres Klimas haben 2:1-Minerale, daher einen Grundbetrag permanenter Ladung und je nach Humusgehalt, Oxid- und Tongehalt einen Beitrag variabler Ladung, der mit steigendem pH zunimmt. Da die KAK wegen des Beitrags der variablen Ladungen mit zunehmendem pH-Wert ansteigt, unterscheidet man  effektive KAK (KAKeff) beim entsprechenden aktuellen pH-Wert des Bodens  potentielle KAK (KAKpot) bei einem Bezugs-pH von 7 Mit abnehmendem pH-Wert werden zunehmend die schwach sauren Gruppen der organischen Substanz und die Mineraloberflächen protoniert. Dadurch werden Austauscherplätze zunehmend mit H+ belegt.

KationenAustauschKapazität

KAKeff

variable (pH-abh.) Ladung

KAK effektive Ladung (KAK) 4

5

6

potentielle Ladung (KAK)

permanente Ladung (KAK) 7

pH

Für neutrale Böden ist also KAKeff = KAKpot. In sauren Böden ist KAKpot > KAKeff.

Bodenkunde

Kationenaustausch - 2 -

Potentielle und effektive Kationenaustauschkapazität (KAK) sowie Zusammensetzung des Kationenbelags (Ionensättigung in %) im Oberboden von Böden unterschiedlicher Nutzung und Herkunft Bodenökologie, Gisi, 1997

Bodentyp (Herkunft)

pH

Corg KAKpot KAKeff

Ionnensättigung in % von KAKeff Al3+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+

(CaCl2)

%

mmol kg-1

Schwarzerde aus Löss

7,2

1,6

180

180

0

90

9 0,5 0,4

Pelosol aus Liaston

6,7

2,4

220

170

0

83

8

9

0

Parabraunerde aus Löss

6,3

1,4

170

140

0

80

15

9

<1

Parabraunerde aus Schotter

4,6

11,1

233

138

4

82

9

4

1

Braunerde aus Serpentinit

4,4

10,2

319

173

6

19

73

1

<1

Braunerde-Podsol aus Gneis 3,6

26,3

344

146

40

42

11

6

<1

5,7

184

54

68

13

<2

6

11

Böden unter Acker

Böden unter Wald

Pseudogley aus Löss

3,8

Der Beitrag der organischen Substanz zur variablen Ladung ist wesentlich bedeutender als der Beitrag der mineralischen Phase. Folgende Abb. zeigt die KAK in Abhängigkeit vom pH-Wert für mineralische Oberböden. Anteil von Tonfraktion und organischer Substanz an der Gesamtaustauschkapazität von Böden in Abhängigkeit vom pH-Wert; Mittelwert der Ap-Horizonte von 60 Böden nach Helling 1964, aus Sparks 1995

KAK (cmolc kg-1)

15,0

n Böde

10,0

55%

Anteil Tonfraktion 5,0 81%

45% Anteil organische Substanz

19%

0 2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0 pH

In sandigen Böden (A-Horizonte) werden durchschnittlich etwa 75% der KAK von der organischen Substanz bereitgestellt. Die effektive KAK in Oberböden steigt also durch pH-Erhöhung stärker als in Unterböden.

Oberboden

KAK

Unterboden

3

Bodenkunde

4

5

6

7

8 pH

Kationenaustausch - 3 -


Kationenbelag und Bodenlösung Folgende Abb. gibt den Zusammenhang zwischen Kationenbelag und pH-Wert von Böden wieder. In basischen bis schwach sauren Böden besteht der Kationenbelag aus den Ionen Ca2+, Mg2+, K+ und Na+. Dagegen sind die Austauscher in sauren Mineralböden überwiegend von H+ und Al3+ belegt.

Scheffer/Schachtschabel, 2002

blockiert durch dissoziierbaren Wasserstoff

Anteil an KAKpot

permanente Ladung

Kationenbelag eines Bodens

variable

100

(%) austauschbare Neutralkationen (Ca, Mg, K, Na)

50

0

austauschbares Al

3

4

5 pH

6

7

Der prozentuale Anteil der sog. basisch wirkenden Kationen Ca2+, Mg2+, K+ und Na+ an der Gesamtaustauschkapazität wird als Basensättigung (BS) bezeichnet.

Basensättigung (%) =

Summe austauschbare basische Kationen Kationenaustauschkapazität

100

Selektivitätsreihe Die Bindungsstärke der sorbierten Kationen wird vor allem bestimmt von  Ladung der Kationen Die Gegenionen werden umso stärker an die Oberfläche gezogen, je größer die Ladung (Bindungsstärke: Al3+ > Mg 2+ > Na+).  Hydratationshülle der Kationen Die Gegenionen werden umso stärker an die Oberfläche gezogen, je kleiner die Hydrathülle (Bindungsstärke: K+ > Na+ > Li+, NH4+ verhält sich ähnlich wie K+). Bei der Sorption an die geladenen Teilchen muss zumindest ein Teil der Hydrathülle abgegeben werden. Bei Kationen mit fest gebundener Hydrathülle ist dazu mehr Energie nötig. Die Bindung der Hydrathülle ist bei kleinen Ionen am stärksten.  Konzentration der Außenlösung Die Gegenionen werden umso stärker an die Oberfläche gezogen, je höher die Konzentration der Außenlösung ist. Unter Einbeziehung dieser Faktoren ergibt sich für die wichtigsten Kationen im Boden folgende Selektivitätsreihe:

Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4+ = K+ > Na+ Bodenkunde

Kationenaustausch - 4 -

1 00

Na

Relativer Austausch von Na+, K+, Mg2+ und Ca2+ gegen NH4+ in % der gesamten austauschbaren Menge des jeweiligen Kations in Abhängigkeit von NH4+-Konzentration der Gleichgewichtslösung bei einem Ap-Horizont einer Parabraunerde aus Löss,

Mg

80

K

60 Ca

Scheffer/Schachtschabel, 2002

40 20 0

0

100 200 500 N H 4 -Konzentration in der G leichgewichtslösung (mmol L-1 )

Allerdings werden bei bestimmten Austauschern einzelne Ionen wegen besonderer Bindungsverhältnisse stärker bevorzugt. So wird z.B. K+ in den Zwischenschichten von Illiten besonders gut gebunden und ist dann nicht mehr austauschbar (Kaliumfixierung).

Selektivitätskoeffizient Die Selektivität eines Austauschers für ein bestimmtes Kation kann z.B. mit einer Gleichung beschrieben werden, wie sie hier für den Austausch zwischen Na und K dargestellt ist:

K+ Na +

aK

=k

aNa L

S

Bei fester Bindung (höherer Selektivität) des K+ gegenüber Na+ ist k= Selektivitäts-Koeff. groß: bei einem gegebenen Verhältnis K/Na in der Lösung befindet sich dann relativ mehr K am Austauscher.

In dieser einfachen Form der Gleichung wird der Einfluss der Ionenladung nicht berücksichtigt; sie gilt daher nur für gleichwertige Ionen. Beim Austausch zwischen Ionen unterschiedlicher Wertigkeit muss diese berücksichtigt werden. Der Ansatz nach K aK Gapon beschreibt empirisch das Selektivitätsverhalten beim = k G Austausch zwischen ein- und zweiwertigen Ionen. Für den Fall des Ca S √ a Ca L K/Ca-Austausches ist der Gapon-Koeffizient kG definiert durch:

Aufgrund der unterschiedlichen Eintauschstärke der einzelnen Kationen ergeben sich in der Zusammensetzung der Austauscherbelegung und der Bodenlösung deutliche Unterschiede. Verteilung von Kationen zwischen Bodenlösung und Ionenbelag eines sauren Waldbodens

Bodenlösung Σ 100% 0,151 cmolc/L +

H 16% 0,024 Al3+ 4% 0,006 2+

Ionenbelag Σ 100% 14,3 cmolc/kg

K+ 22% 0,033

Al3+ 72% 10,2 Na+ 20% 0,030

Ca 31% Mg2+ 0,047 cmolc/L 7% 0,011

Ca2+ 15% 2,2 cmolc/kg K+ H+ 3% 7% 0,4 1,1

Mg2+ + 2% 0,3 Na 1% 0,1

Bodenkunde

Kationenaustausch - 5 -

Organische Substanz im Boden Definition und Einteilung alle in und auf dem Mineralboden befindlichen abgestorbenen pflanzlichen und tierischen Stoffe und deren organische Umwandlungsprodukte; lebende Organismen (das aus Bodenflora und -fauna bestehende Edaphon) sowie lebende Wurzeln gehören nicht zur organischen Substanz der Böden;

Nach dem Grad ihrer Umwandlung im Boden unterteilt man
Streustoffe: nicht oder nur schwach umgewandelt, Gewebestrukturen morphologisch sichtbar; abgestorbene Pflanzenreste (auch tote Wurzeln) und Bodenorganismen; Verweilzeit ("turnover time") im Boden ist kurz
Huminstoffe: stark umgewandelte (hochmolekulare) Substanzen ohne makroskopisch erkennbare Gewebestrukturen, gegen Mineralisierung stabilisiert, niedrige Umsatzrate bzw. hohe Verweilzeit im Boden

Gesamtheit der organischen Substanz des Bodens = Humus Auflagehumus Humus im Mineralboden: mit dem Mineralkörper vermischt im Bodenwasser gelöste organische Substanzen: "DOM" = dissolved organic matter

Abbau organischer Substanzen = Zersetzung: Mineralisierung: vollständiger mikrobieller Abbau zu anorganischen Stoffen (CO2, H2O), dabei auch Freisetzung der in den organischen Stoffen enthaltenen Pflanzennährelemente (z.B. Mg, Fe, N, P, S), Humifizierung: Umwandlung in Huminstoffe Im Bodenprofil steigt der Zersetzungsgrad meist von oben nach unten an Durchschnittliche Verweilzeit der organischen Substanz in Böden 30 - 40 Jahre, große Schwankungsbreite Pools

SOM Fraktionen

Umsetzungszeit

labiler/aktiver Pool

pflanzliche/mikrobielle Rückstände ein Jahr

langsamer/intermediärer Pool

okkludierteorganischer Substanz

Jahrzehnte

träger/passiver Pool

humifiziertes Material/Huminstoffe

hunderte/tausende Jahre

Zusammensetzung: C, H, O, N, S und P; Kohlenstoffgehalt der organischen Substanz im Durchschnitt um 50 %; Gehalt an organischer Substanz (bzw. der Humusgehalt) variieren in weiten Grenzen Gehalt an SOM in Böden

Böden Auflagehorizont Ackerböden Grünlandböden Rendzinen,Schwarzerden Waldböden Anmoore Moore Hochmoore Bodenkunde

Bezeichnung Auflage schwach humos mäßig humos stark humos stark humos anmoorig moorig moorig

org. Substanz (g kg-1) nahe 1000 < 20 20 - 40 40 - 100 50 - 100 150 - 300 > 300 nahe 1000 Organische Substanz - 1 -

Menge, Anteile und Verteilung von Pflanzenresten als Ausgangsmaterialien für die Humusbildung im Boden Oberirdische Biomasse (Blätter, Nadeln, Zweige), abgestorbene Wurzeln, organische Ausscheidungsprodukte der Wurzeln und Mikroorganismen, abgestorbene Bodentiere und Mikroorganismen In landwirtschaftlich genutzten Böden: eingepflügte Ernterückstände, Zufuhr organischer Stoffe auch durch Düngung und Abfallbeseitigung (z.B. Gülle, Kompost, Klärschlamm)

Zwei Gruppen von Materialien:
Primärressourcen: Reste von Pflanzen
Sekundärressourcen: Reste und Ausscheidungsprodukte von Mikroorganismen

Faktoren für die Steuerung der Humifizierungsprozesse in Böden
Menge der Streu
Anteile verschiedener Pflanzenteile und ihre Verteilung (oberirdisch, unterirdisch)
Anteile unterschiedlicher Gewebe
chemische Zusammensetzung

Gewebetypen der Pflanzenreste
parenchymatisches Gewebe: im lebenden grünen Gewebe der Blätter und im Cortex (Rinde) junger Zweige und Feinwurzeln: Cellulosewände, proteinreicher Protoplast, Vakuole


Verholztes Gewebe: Holzteil (Xylem), Stützgewebe (Sklerenchym) von Stielen, Blattepidermis, Blattrippen und Rinde, Schichten der verholzten Zellwand (Mittellamelle, Primär-, Sekundär- und Tertiärwand): Mittellamelle: Pektin, in verholzten Geweben auch aus Lignin, Primär-, Sekundär- und Tertiärwand: Cellulose, Polyosen, Hemicellulosen und Lignin Aufbau der verholzten Zellwand

Zellwandschicht

Bodenkunde

Cellulose Hemicellulose Lignin und Pektin %

Mittelschicht (P+ML)

14

27

59

Sekundärwand 1 (S1)

35

35

30

Sekundärwand 2 (S2) incl. Tertiärwand (T)

60

14

26

Organische Substanz - 2 -

Inhaltsstoffe der Pflanzen Zellinhaltsstoffe und Speichersubstanzen
Proteine Polypeptide, lange Ketten verschiedener Aminosäuren Enzyme, Transportproteine, Regulatoren, Speichersubstanzen, Strukturproteine Proteine der pflanzlichen und mikrobiellen Gewebe können von einer Vielzahl von Mikroorganismen abgebaut werden weniger stabile Pflanzeninhaltsstoffe


Stärke wichtiges Speicherpolysaccharid in Höheren Pflanzen, auch in einigen Algen und Bakterien, besteht aus zwei verschiedenen Glucosepolymeren, Amylose und Amylopektin; Amylose im Durchschnitt CH OH CH OH etwa 25 % der Stärke O O 2

2

O

O OH

CH2OH H

CH2OH

O

H

H

H

OH O OH

O

H

Amylopektin

H

O

CH2OH O

OH

H

OH

H

H

OH

H

OH

OH

n

CH2OH

O

O

O OH

6 CH 2 5

O

O

4

1

OH

O

O

O

Amylose

OH

OH 3

OH

CH2OH

O

2

OH

OH

OH

Zellwandbestandteile der Pflanzen
Polysaccharide Cellulose, das am häufigsten vorkommende Biopolymer Gerüstsubstanz in den Zellwänden niederer und höherer Pflanzen Hohe Cellulosegehalte in Stielen und Stämmen und in anderen verholzten Teilen von Pflanzen; auch Bestandteil der Zellwände von Algen und Pilzen, in Bakterien nur selten linearpolymeres Glucan, Glucose-Einheiten (>10.000), die ß-(1-4)-glycosidisch miteinander verbunden sind; regelmäßige Anordnung der Hydroxylgruppen entlang der Cellulosekette, Ausbildung von H-Brücken, Fibrillenstruktur mit kristallinen Eigenschaften, nur 15 % des Cellulosemoleküls hat amorphe Struktur CH2OH

in der verholzten Zellwand eng mit Polyosen und Lignin vergesellschaftet; im sogenannten LigninCellulose-Komplex über Ester- oder Etherbindungen an Lignin gebunden

H

OH

OH

H

O H

H O OH

H

H

OH

H

H

H O

H O CH2OH

n


Nichtcellulosische Polysaccharide Polyosen oder Hemicellulosen: Aufbau aus verschiedenen Zuckereinheiten, mit Seitenketten und Verzweigungen; HO HO HO O O Zuckereinheiten: Pentosen, Hexosen, O O O OH OH OH Hexuronsäuren und Desoxyhexosen; in Höheren Pflanzen, OH O O O O O O OH auch in Bakterien, Pilzen und Algen 2

HOOC

HOH2C H 3CO

OH

O

O

O

O

5

OH OH

OH

Bodenkunde

Organische Substanz - 3 -


Lignin hochmolekulare, dreidimensionale Substanz aus Phenylpropaneinheiten Bestandteil der Zellwände von Gefäßpflanzen Moose, Algen, aquatische Pflanzen und Mikroorganismen enthalten kein Lignin in der Primärwand, der Sekundärwand und in der Mittellamelle in Zwischenräumen der Cellulose-Mikrofibrillen Verbindung zwischen den Zellen, Verstärkung der Zellwände des Xylemgewebes, schützt die verholzte Zellwand vor mikrobiellem Angriff Neben den Polysacchariden häufigstes Biopolymer Cγ

CH2OH

CH2OH

CH2OH

Vorstufen des Lignins in der Pflanze: p-Cumarylalkohol (p-Hydroxyphenylpropan ) (I) Coniferylalkohol (Guaiacylpropan) (II) Sinapylalkohol (Syringylpropan) (III)

Cβ Cα 1 6

2

5

3

OCH3

4

CH3O

OCH3

OH

OH

OH

I

II

III

dreidimensionales Makromolekül mit Vielzahl von C-C- und Etherbindungen, auch Bindungen zu den Hydroxylgruppen der Zellwandpolysaccharide (Cellulosen und Hemicellulosen): Lignin-Polysaccharid-Komplexe unterschiedliche chemische Zusammensetzung: Laubholzlignin, Nadelholzlignin, Graslignin Lignin der Gymnospermen fast ausschließlich Guaiacylpropaneinheiten Lignin der Angiospermen etwa gleiche Anteile von Guaiacylpropaneinheiten und Syringylpropaneinheiten Lignin der Gräser etwa gleiche Anteile von Guaiacylpropan-, Syringylpropan- und p-Hydroxyphenylpropaneinheiten + etwa 5-10 % p-Cumarsäure und Ferulasäure Bindungen im Ligninmolekül nicht hydrolysierbar Wichtige Bindungstypen im Ligninmolekül C C C C

O

C

C

C

C

C

C

C

O

C

C

C

O O

β-O-4

O

α-O-4

O

4-O-5

Strukturmodell des Fichtenlignins (nach Adler 1977)

C

H2COH

C

C

C

C

C

C

C

C

C

O

H2COH

HC

CO

HCOH

CH2

H2COH H2COH

CH3O

OCH3

HC

H2COH

OCH3

CO O

O

β-5

O

5-5

O

CH

C

C C

C

C

C

C

C

C

OCH3 1 /2 HCO

OH

OCH3

OH

HC

HC

CH HC

1/2 H2COH

HC

H2COH O

O

CH HC

CH3O

HC

HC

H2COH

HC

C

CH

CH2

H2COH

H2COH

CO

OCH3 O

O

OC

CH2

HC

HC

CH

HCOH

HC

HCOH

OH

O

β-1

O

β-β

OCH3

O

OCH3 H2COH H2COH HC

O

OCH3 H2C

HCO(C6H10O5)nH

OCH3 O

OH

OCH3 O

CH

HC

CH

HC

CH2 O

CH3O OH

H2COH O

CH CH3O HC

O

CH HCOH

H2COH HC

OCH3 O

HC

CH3O O OCH3

Bodenkunde

Organische Substanz - 4 -

Lipide, Cutin und Suberin
Lipide in Wasser unlöslich, aber extrahierbar mit unpolaren Lösungsmitteln wie z.B. Chloroform, Hexan, Ether oder Benzol; heterogene Substanzklasse Lipide im Boden stammen sowohl von Pflanzen wie auch von Mikroorganismen Oberflächenlipide von Pflanzen überziehen in einer dünnen Schicht die Oberflächen von Blättern und Nadeln als Bestandteil der pflanzlichen Cuticula


Cutin makromolekulares Gerüst (Polyester) der pflanzlichen Cuticula, aus Hydroxy- und Epoxyfettsäuren der Kettenlänge C16 und C18, darin niedermolekulare Wachse und Fette eingebettet, in der C16-Gruppe Dihydroxypalmitinsäure, in der C18-Gruppe Ölsäure und Hydroxyölsäure


Suberin Zellwandbestandteil der Korkzellen, in der Peridermschicht von oberirdischen wie auch unterirdischen Teilen verholzter Pflanzen, in der Endodermis und in den Bündelscheide-Zellen von Gräsern; in der Rinde und in Pflanzenwurzeln Gehalte an Suberin besonders hoch Suberin dem Cutin ähnlich, enthält aber auch Monomere mit höherer Kettenlänge von C20 C30, 1-Alkanole, Fettsäuren, Hydroxyfettsäuren, phenolische Säuren; über Esterbindung im Makromolekül vernetzt

Spezifische Bestandteile von Pilzen und Bakterien
Pilze Zellwände von Pilzen vorwiegend aus Polysacchariden, homo- wie auch heteropolymere Polysaccharide, relativ hohe Anteile von Proteinen, Lipide und Melanine mengenmäßig untergeordnete Bestandteile Zellwände aus Chitin: N-Acetyl-D-Glucosamin in β-(1-4)-glykosidischer Bindung, daneben verschiedene Glucane als Zellwandbestandteile


Bakterien Bakterienzellwände bestehen aus einem Peptidoglucan, dem Murein, sowohl Kohlenhydrat- wie auch Aminosäurebestandteile Kohlenhydratkette des Mureins besteht aus zwei N-haltigen Zuckern, N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure Glucosamin auch im Chitin der Insekten und Pilze, Muraminsäure nur in Bakterien Neben den üblichen 20 Aminosäuren der Proteine enthalten Bakterienzellwände zusätzlich eine Reihe ungewöhnlicher Aminosäuren Zellwände grampositiver Bakterien aus etwa 20 - 40 Mureinlagen, Zellwände der gramnegativen Bakterien aus wenigen, manchmal sogar nur einer Mureinlage, Murein 50 % des Trockengewichts der der Zellwand der grampositiven, nur etwa 10 % des Trockengewichts der Zellwand der gramnegativen Bakterien Zellwandpolysaccharide der Mikroorganismen relativ gut abbaubare Substanzen Bausteine wie z.B. Glucosamin, Galactosamin oder Mureinsäure lassen sich in Böden nachweisen, reichern sich während des Streuabbaus an Vielzahl weiterer Strukturbestandteile wie Teichon-, Teichuron-, Lipoteichonsäuren und Lipopolysaccharide, Verhalten im Boden wenig bekannt Bodenkunde

Organische Substanz - 5 -

Zusammensetzung pflanzlicher Rückstände

Cellulose Fichte (Picea abies) 40 Holz 48 Rinde 15 Nadel Buche (Fagus sylvatica) Holz 32 38 Rinde Blätter 20 Wurzelholz 33 Feinwurzeln 19 Weidelgras (Sproß) 19 - 26 Luzerne (Stiel) 13 - 33 27 - 33 Weizenstroh Bakterien 8 - 60 (Chitin) Pilze Phytoplankton (Seen)

Hemicell. Lignin % TS 31 28 17 38 13 14 - 20 43 23 17 18 10 16 - 23 8 - 11 21 - 26 4 - 32 2 - 15 18 + 50

24 39 11 - 16 22 33 4- 6 6 - 16 18 - 21 0 0 0

Protein

Lipide

C/N

<2 <2 3- 6

1,4 100 - 400 21 7 40 - 80

2 2 6 1,6 5,4 12 - 20 15 - 18 3 50 - 60 14 - 52 17

0,8 100 - 400 11 5 30 - 50 1,3 190 3,1 55

10 - 35 1 - 52 1,5

50 - 100 5- 8 10 - 15 5 - 12

Mineralisierung und Humifizierung der Streu in mehreren Phasen, greifen eng ineinander Vielzahl von Organismen der Bodenfauna und -flora daran beteiligt Kurz vor oder unmittelbar nach dem Absterben der Pflanzenorgane oder Tiere: erste Umwandlungsprozesse, enzymatische Reaktionen organismeneigener Stoffe (Seneszenz) großer Teil der mineralischen Nährstoffe (K, Mg, Ca u.a.) werden dabei freigesetzt und mit dem Niederschlagswasser ausgewaschen oder von den Pflanzen wieder aufgenommen Nach dem Streufall: Abbau der Streu (Primärressource) durch Primärzersetzer hydrolytische Aufspaltung der Makromoleküle, insbesondere der Polysaccharide vor allem Pilze, Regenwürmer, weitere Arten der Makro- und Mesofauna (insbesondere Dipterenlarven, Diplopoden, Asseln, auch Enchyträen-, Collembolen- und Oribatiden-Arten) mechanische Zerkleinerung durch Zernagen und Zerbeißen der Pflanzenreste 7 - 15 % der aufgenommenen Nahrung werden von diesen Tieren verwertet Rest wird mechanisch zerkleinert, mikrobiell infiziert und teilweise auch schon hydrolytisch gespalten mit den Faeces abgegeben Weitere Phase: zerkleinerte Pflanzen- und Tierreste sowie die Exkremente der Bodentiere werden durch Sekundärzersetzer umgesetzt

Abbau- und Umwandlungsprozesse der Pflanzeninhaltsstoffe Besonders schnell Abbau von Zuckern, Stärke, Proteinen, Hemicellulosen oder Cellulosen, nichtverholzten Pflanzenteilen

100

Stärke Pektin

%

50

Fortschreitende Humifizierung von Lignocellulosen in Böden

CO2

CO2

Cellulose

Asche, Fett Protein

(aus Haider, 1996)

CO2

Mikrobielle Biomasse

Lignin

0

Bodenkunde

CO2 in die Atmosphäre Zucker

Start

Humus

nach 1 Woche

nach 1 Monat

nach 1 Jahr

Organische Substanz - 6 -

Lignocellulose wird wesentlich langsamer abgebaut, wie auch bereits teilweise humifiziertes Material, z.B. Torf, Stallmist oder Kompost; selektive Anreicherung Abbauraten mit zunehmender Verweildauer im Boden immer langsamer, Endprodukte der Humifizierung nur noch sehr langsam mineralisiert durch Freisetzung von CO2 wird C/N-Verhältnis enger Abbauverlauf von organischer Substanz im Boden durch Kinetik 1. Ordnung zu beschreiben Während der Mineralisierung stetige mikrobielle Resynthese der im Boden verbleibenden organischen Substanz zu mikrobieller Biomasse Oxidationsprozesse: dadurch vergrößert sich der Anteil der Carboxyl-Gruppen, und damit die Austauschkapazität der Huminstoffe

Weiterer Abbau dieser Sekundärreccourcen
Polysaccharide (Cellulose, Hemicellulose) und Proteine C- und Energiequelle für die Mikroorganismen, werden vollständig metabolisiert; von heterotrophen Bakterien zur Energiegewinnung oxidiert ("Betriebsstoffwechsel"); Teil der leicht verwertbaren Substrate von den Bakterien direkt aufgenommen und zur Bildung von Körpersubstanz verwendet ("Baustoffwechsel") extracelluläre, hydrolytische Spaltung in monomere oder dimere Bruchstücke, werden von den Mikroorganismen aufgenommen Hemicellulosen und Pektine werden von vielen aeroben und anaeroben Bakterien und Pilzen abgebaut, Abbaurate meist über derjenigen von Cellulose


Lignin Lignin vergleichsweise resistent gegen mikrobiellen Abbau (rekalzitrant) Abbau des Lignins langsam, co-metabolischer Prozess, Lignin dient nicht als C- oder Energiequelle für Mikroorganismen; Voraussetzung für den Ligninabbau ist deshalb Vorhandensein einer C- und Energiequelle (z.B. Zucker, Cellulose) Ligninabbau generell anders als derjenige von Polysacchariden und Proteinen; ungerichteter Radikalmechanismus, der zur Spaltung von Bindungen in den Seitenketten und in den aromatischen Ringen führt; Freisetzung von CO2, teilweise Mineralisierung Abbau des Lignins nur unter aeroben Bedingungen, Sauerstoffmangel hemmt ihn, dann werden nur niedermolekulare Ligninbestandteile oder Ligninvorstufen angegriffen; Lignin reichert sich in anaeroben Böden oder Sedimenten an (Torfbildung, Kohlebildung) Aromatische Bausteine der organischen Substanz CH2OH HC - O - L HCOH

CH2OH HC - O - L C=O

COOH

CH2OH HC - O - L HCOH

CH2OH HC - O - L HCOH

CH2OH HC - O - L HCOH COOH

OCH3 R-O im Makromolekül

Bodenkunde

OCH3 R-O α-Carbonyl-Bildung

OH

OCH3 R-O

OH

Abspaltung der Seitenketten Demethylierung zu o-Diphenol und Oxidation des Cα

COOH COOH ortho-Ringspaltung

COOH R-O ortho-Ringspaltung

Organische Substanz - 7 -


Bildung stabiler Huminstoffe Pflanzliche und mikrobielle Reste wie auch ihre Umwandlungsprodukte durch verschiedene Mechanismen gegen weiteren mikrobiellen Abbau geschützt Kopplung an Tonminerale und Eisenoxide: Ton-Humus-Kopplung C clay microaggregates ECP extracellular polysaccharide F fungal hyphae

CW

ECP

CW collapsed cell wall B bacterium

B

C B ECP C

F

Transmission electron micrograph of an ultrathin section of a soil aggregate showing clay microaggregates (C) linked by ruthenium/osmiumstained, extracellular polysaccharide (ECP) of fungal hyphae (F). The wall of a collapsed cell (CW) is being lysed by a bacterium (B). (from Ladd et al., 1996)

Phyllosilicate with permanent charge sites (Eusterhues, unpublished) cation bridging cation exchange Iigand exchange at a silanol group 2+

2+

O

tetrahedral sheet

Si

O

octahedral sheet

C

intercalation of organic cations

2+

2+

2+

R

cation H2O Al

permanent negative charge sites

1 2

protonated surface OH group (protonated aluminol group)

variable charge sites (pH-dependent)

Fe oxyhydroxide with variable charge sites (Eusterhues, unpublished) O Fe 1 protonated 2 surface OH group

C Fe

R

Fe 1 2

Bodenkunde

Iigand exchange at a singly coordinated OH group

O

electrostatic interaction (outer sphere complex) at a singly coordinated OH group

Organische Substanz - 8 -

Pflanzenreste im Aggregatinneren eingeschlossen und für Mikroorganismen unzugänglich


Fraktionierung der organischen Substanz physikalische Fraktionierung nach der Korngröße und/oder Dichte der Partikel, zur Trennung der Pflanzenreste von den Huminstoffen leichte bzw. grobe Fraktion (Sandfraktion): Pflanzenreste, die nicht oder nur wenig verändert sind; hohe Gehalte an Polysacchariden, Lignin, und Lipiden; Schluff-Fraktion enthält modifizierte Bruchstücke des Streuabbaus, bevorzugt Abbauprodukte von Polysacchariden, mit aliphatischen Bestandteilen und modifizierten Ligninbruchstücken angereichert Organische Substanz der Tonfraktion vor allem langkettige Paraffinstrukturen, auch Carboxylgruppen Mit steigendem Tongehalt steigen meist die Anteile der organischen Substanz, die sich in der Tonfraktion befinden

Eigenschaften der Zusammensetzung der organischen Substanz in Korngrößenfraktionen eines A-Horizonts unter verschiedener Nutzung

Fraktion Bausteine/ Zusammensetzung Sand Pflanzenreste Alkyl-C 40...46 % O-Alkyl-C 35 % Aryl-C 24...26 % Schluff Alkyl-C 31...44 % O-Alkyl-C 26...30 % Aryl-C 16...27 % Ton Alkyl-C 46...50 % O-Alkyl-C 22...25 % Aryl-C 13...14 %

Umwandlungsgrad des Lignins

Herkunft der Polysaccharide

gering

überwiegend pflanzlich

mittel

pflanzlich und mikrobiell

stark

überwiegend mikrobiell

CO 2 Transitory pool of soil organic matter (Gregorich and Janzen, 1994)

Plant Residues

CO 2 Light Fraction Organic Matter

Stabilized Organic Matter

increasing humification Bodenkunde

Organische Substanz - 9 -

Umsetzungszeiten Art der organischen Substanz

Anteil an gesamter org.Subst.

Umsetzungszeit

[%]

[Jahr]

—

1—3

2—5

0,1 — 0,4

als feste Teilchen

18 — 40

5 — 20

leichte Fraktion

10 — 30

1 — 15

zwischen Mikroaggregaten

20 — 35

5 — 50

Streu mikrobielle Biomasse

innerhalb Mikroaggregaten

50 — 1000

physikalisch abgetrennt

20 — 40

chemisch abgetrennt

20 — 40

1000 — 3000

Stickstoff, Schwefel und Phosphor in organischer Bindung
Stickstoff: wichtiger Bestandteil aller Huminstoffe, Hauptanteil des organisch gebundenen Stickstoffs in Form von Amidstrukturen stabilisiert, Anteil des Stickstoffs in heterozyklischer Bindung gering Durchschnittliche prozentuale Verteilung von N nach Hydrolyse von Böden (aus Haider, 1996)

Säureunlöslicher N Aminozucker-N NH4-N aus organischem N Säurelöslicher N undefiniert Aminosäure-N

0

10

20 30 40 N-Verteilung in %

50


Schwefel: C:S-Verhältnis 200 in Grünland- und Waldböden, 130 in ackerbaulich genutzten Böden; bis zu 90 % des Schwefels in organischer Form gebunden, davon 30 - 75 % als Sulfatester, weiterer C-gebundener Schwefel überwiegend in Aminosäuren
Phosphor: mehr als 50 % des Gesamt-P in Böden in Form von Orthophosphatmono- und -diestern, bis zu 60 - 90 % des gesamten Phosphors dieser Bodenfraktion

Bodenkunde

Organische Substanz - 10 -

Günstige Wirkung von Humus in Böden (bio-)chemische Wirkung Nährstoffquelle für N (95 %) und P für Pflanzen, die umso reichlicher fließt, je nährstoffreicher die organische Substanz und je aktiver Mikroorganismen, die N und P (und andere organisch gebundene Nährstoffe (Chelate)) zunächst in ihren Körper einbauen und nach ihrem Tod den Pflanzen in verfügbarer Form anbieten organische Substanz ist Ausgangssubstanz für Chelate bzw. organische Metall-Komplexe, Huminstoffe haben Austauschereigenschaften und können sowohl Kationen binden/sorbieren als auch sich an Tonminerale anlagern (Ton-Humus-Komplexe) physikalische Wirkung hat geringes spez. Gewicht, ist sperrig ⇒ Bodengewicht und damit Auflastwirkung des Bodens gesenkt; hat hohe Wasserbindungsfähigkeit (3-5fache des Eigengewichts) ⇒ erhöhte Wasserbindung; fördert durch sein Vorhandensein Bioturbation ⇒ Boden locker, grobporenreich, gut durchlüftet, aber gleichzeitig erhöhte Wasserdurchlässigkeit; schwärzt Bodenoberfläche und hat geringe Wärmeleitfähigkeit ⇒ leichte Erwärmbarkeit und Abkühlung des Oberbodens ⇒ fördert Keimung, aber auch Bodenfrostgefahr physikochemische Wirkung in feuchtem Zustand hydrophil ⇒ dadurch starke Wasseraufnahme; in trockenem Zustand hydrophob ⇒ wegen mangelnder Benetzbarkeit des Bodens entweder Infiltration verzögert (⇒ erhöhter Oberflächenabfluss) oder sehr schnelle Infiltration und Tiefensickerung (= keine Wasseraufnahme im Oberboden aus den Grobporen heraus) außerdem wegen mangelnder Benetzung kein Zusammenhalt der Oberbodenteilchen entwässerter Anmoore und Niedermoore (sog. Puffigkeit) ⇒ erhöhte Winderosionsanfälligkeit fördert wegen meist vorhandener positiver Ladung der Makromoleküle der Huminstoffe Aggregierung von Tonteilchen (Ton-Humus-Komplexe) ⇒ Erhöhung der Aggregatstabilität, der Tragfähigkeit und des Erosionswiderstandes gegen Wasser und Wind

 Organische Bindung oder Kationenaustausch, Sorption und Komplexbildung Pflanzennährstoffen.  Allmähliche Freisetzung sorbierter und gebundener Pflanzennährstoffe.  Bildung und Erhaltung einer günstigen Bodenstruktur.  Verbesserung der Wasserführung und des Wasserhaltevermögens.  Vermehrung der Filter- und Pufferkapazität.  Immobilisieren und Entgiften organischer und anorganischer toxischer Substanzen.  Erhöhung der Bodentemperatur durch Lichtabsorption.  Förderung des Pflanzenwachstums unter sub-optimalen Bedingungen.

Bodenkunde

von

Organische Substanz - 11 -

Phasenverteilung
Volumen- und Massenanteile Im Boden finden wir eine intensive Durchdringung der drei Phasen  Bodenmatrix (feste Phase)  Bodenlösung (flüssige Phase)  Bodenluft (gasförmige Phase). Anteil und räumliche Verteilung der drei Phasen können in weiten Grenzen schwanken; im Extremfall kann eine Phase nahezu fehlen, z.B. in permanent nassen Gleyen oder Moorböden oder in Wüstenböden. Bezogen auf das Gesamtvolumen besteht der Boden aus etwa • 50 % Matrix • 50 % Porenraum, gefüllt mit Bodenlösung (20 - 50 %) und Bodenluft (0 - 30 %). Diese Volumenanteile beziehen sich auf das Lagerungsvolumen der drei Phasen. Das Lagerungsvolumen ist das Gesamtvolumen aller drei Phasen eines ungestörten Bodens. Es ist nicht konstant, sondern kann durch Quellen/Schrumpfen, Gefrieren/Tauen oder auch durch Bodenbearbeitung starken kurzfristigen Veränderungen unterliegen. Masse- und Volumenanteile der drei Bodenphasen in Prozent (aus Gisi 1997)

Masse

ML

Phase

Volumen

~0%

MW 15-30%

W

Lu as

ft

se r

0-30%

VL 20-50%

MM

VW Matrix 70-85%

50%

VM

mineralisch organisch

Bei einer Angabe von Massenanteilen wird dagegen auf die Trockenmasse der Bodenmatrix Bezug genommen. Die Trockenmasse wird nicht von den oben genannten kurzfristigen Einflüssen betroffen. Solche massenspezifische Größenangaben können nicht direkt auf räumliche Bilanzierungskompartimente bezogen werden. Gibt man eine Größe (z.B. den Nährstoffgehalt) pro Volumeneinheit an, ergibt sich häufig eine ökologisch gut interpretierbare Angabe (z.B. die Nährstoffmenge im durchwurzelten Bodenvolumen).


Lagerungsdichte Mithilfe von Dichteangaben können Masse- u. Volumengrößen ineinander umgerechnet werden. Als Lagerungsdichte ρa (auch scheinbare Dichte) bezeichnet man das Verhältnis von Trockenmasse zu Lagerungsvolumen eines Bodens. Sie kann im Mineralboden Werte zwischen 0,5 und 1,8 g cm-3 annehmen. Die reelle Dichte ρr (das spezifische Gewicht) ist das Verhältnis der Masse zum Volumen einer Phase. Dabei besteht folgende Beziehung: ρr ∗ Volumenanteil = ρa ∗ Massenanteil

Bodenkunde

Einführung - 1 -

Das spezifische Gewicht wichtiger Bodenbestandteile: Quarz 2,65 g cm-3 Calciumcarbonat 2,71 g cm-3 Organische Substanz (Torf) 1,40 g cm-3 Die reelle Dichte der Bodenfestphase variiert im Mineralboden zwischen 2,4 und 2,7 g cm-3, je nach den Anteilen an organischer Substanz. Wichtige Kenngrößen der Phasenzusammensetzung des Bodens (aus Gisi 1997) Größe volumetrischer Wassergehalt Luftgehalt gravimetrischer Wassergehalt Lagerungsdichte reelle (Matrix-)Dichte Lagerungsvolumen Porenvolumen Matrixanteil Porosität

Symbol θ ε θg ρa ρr V VP m E

Definition θ = VW / V ε = VL / V θg = MW / MM ρa = MM / V ρr = M M / V M V = VM + VW + VL VP = VW + VL m = VM / V E = VP / V

Porenziffer

n

n = VP / VM

Veränderungen des Porenanteils auf das gesamte Bodenvolumen bezogen: Porosität oder Porenvolumen; Volumenänderung des Gesamtsystems: Feststoffvolumen als Bezugsbasis, Porenziffer; Die Lagerungsdichte des Bodens steht über die Porosität in enger Beziehung zur Durchwurzelbarkeit. Nur bei Böden mit sehr hohen Anteilen an organischer Substanz finden wir eine Abweichung von der Geraden. Beziehung zwischen Porosität, Lagerungsdichte und Durchwurzelbarkeit (aus Gisi 1997) 1,0 Porosität Ε der Feinerde

schlecht extrem durchverdichtet wurzelbar

0,5 sehr locker

0,0 0,0

gut durchwurzelbar

0,5 1,0 1,5 scheinbare Dichte ρa der Feinerde (g cm-3)

2,0


Räumliche Anordnung der Phasen: Porenvolumen Die Anordnung der festen Bodenbestandteile zueinander bezeichnet man als Bodenstruktur oder Bodengefüge, die Struktur der Hohlräume als Porenstruktur; dichteste Packung gleich großer Kugeln: Porenvolumen 26 % bzw. Porenziffer 0,35 entsprechend Lagerungsdichte 1,96 bei Quarz weniger dichte Lagerung: höhere Porenvolumina abgestufte Körnung: Hohlräume besser ausgefüllt; Abweichungen von der Kugelform, z.B. die blättchenartige Form der Tonminerale bewirken meist eine Zunahme des Porenvolumens aufgrund der sog. Kartenhausstruktur. Bodenkunde

Einführung - 2 -

kleine Porosität

große Porosität

Eigenschaft Kornform

rundlich (Sand)

Einfluss der Korneigenschaften (Form, Größe, Lagerung) auf die Porosität

sperrig (Tonplättchen)

Korngrößenabstufung abgestufte Körnung

(aus Gisi, 1997)

einseitige Körnung

Lagerung verdichtet, gerüttelt, ausgerichtet

locker, frisch geschüttet

Körnung, Porung und Lagerungsdichte stehen miteinander in engem Zusammenhang. Bodendichte (g cm-3)

Porenvolumen(PV) (%)

Porenziffer (ε) (-)

Sande

1,16 - 1,70

56-36

1,27 - 0,56

Schluffe

1,17 - 1,63

56 -38

1,27 - 0,62

Lehme

1,20 - 2,00

55 - 30

1,22 - 0,43

Tone

0,93 - 1,72

65 - 35

1,85 - 0,54

Mittlere Werte für Bodendichte, Porenvolumen und Porenziffer in Mineralböden (aus Sch/Sch, 2002)


Porengrößenverteilung Zusammensetzung von Festsubstanz und Porenraum in Böden (aus Gisi, 1997) Matrixanteil m

Wassergehalt θ Luftgehalt ε E = Porosität

Massenanteil Pro Klasse

Häufigkeitsverteilung Korngrößenverteilung

Äquivalentdurchmesser

50%

0%

Volumenanteil pro Klasse

Klassenbildung

Porengrößenverteilung

Äquivalentdurchmesser

50%

0%

Körnungskurve

Äquivalentdurchmesser

Bodenkunde

100%

0%

Summenanteil

Summenanteil

Summationskurven Desorptionskurve

Äquivalentdurchmesser

100%

0%

Einführung - 3 -

Das Porenvolumen ist von der Körnung, der Kornform, dem Gehalt an organischer Substanz und von der Bodenentwicklung abhängig. Analog zur Körnung werden auch bei der Porung verschiedene Größenklassen unterschieden. Sie werden aus der Boden-Wasser-Charakteristik (Desorptionskurve, s. bei Bodenwasser) als Summationskurve der Porengrößenverteilung abgeleitet. Dabei nimmt man zylinderförmige Kapillaren mit äquivalenter Wasserbindung an. Porengrößenbereiche

Porendurchmesser (µm)

Grobporen

weite

> 50

Grobporen

enge

50 - 10

Mittelporen

10 - 0,2

Feinporen

<0,2

Porenvolumen Grobporen (%)* (%)

Porengrößenbereiche nach Äquivalentdurchmesser

Mittelporen Feinporen (%) (%)

Sande

47 ± 10

30 ± 10

7± 5

5± 3

Schluffe

47 ± 9

15 ± 10

15 ± 7

15 ± 5

Tone

50 ± 15

8± 5

10 ± 5

35 ± 10

Anmoore

70 ± 10

5± 3

40 ± 10

25 ± 10

Hochmoore

85 ± 10

25 ± 10

40 ± 10

25 ± 10

Porenvolumen und Porengrößenbereiche von Böden

* Bezogen auf Gesamtvolumen

Funktion: Grobporen (> 10 µm): Wasserabzug, Luftzufuhr, Durchwurzelung Mittelporen (10 - 0,2 µm) und enge Grobporen [10 - 50 µm): pflanzenverfügbares Wasser Feinporen [< 0,2 µm): Totwasser (nicht pflanzenverfügbar). Primärporen: körnungsbedingte Zwischenräume, treten in allen Substraten auf, sichtbar am besten bei Kiesen und Sanden als sog. Zwickelporen, aber auch bei Tonen (mikroskopisch) zwischen den einzelnen Tonteilchen; Zwickelpore in gleichförmigen Material

Zwickelporen sind meist mit Feinmaterial gefüllt

aus Rodek (1969)

Sekundärporen: bodengenetisch bedingt, Wurm- und Wurzelröhren oder/und Schrumpfungsrisse bzw. Grenzräume zwischen Aggregaten; Sekundärporen mit bloßem Auge, mindestens mit Lupe erkennbar.

Bodenkunde

Einführung - 4 -

Sorptionseigenschaften von Böden Die Zusammensetzung und Konzentration der im Bodenwasser gelösten Stoffe wird durch eine Reihe von Reaktionen mit der Bodenfestphase gesteuert. Stofftransport Ionenaustausch und Adsorption

Konzentrationsbestimmende Reaktionen zwischen Bodenlösung und Bodenmatrix sowie dem durch Auswaschung und Wurzelaufnahme bedingten Stofftransport

Ausfällung und Auflösung freie Ionen in der Bodenlösung

Bodenökologie, Gisi, 1997

RedoxReaktionen

Säure-BasenReaktionen Komplexbildung


Oberflächenladungen der Bodenbestandteile Die Oberfläche fast aller festen Bodenbestandteile ist elektrisch geladen. Die wichtigsten Ladungsträger sind die feinen Bestandteile mit hoher spezifischer Oberfläche:  Tonminerale  Huminstoffe  Oxide und Hydroxide

Permanente Ladung (pH-unabhängige Ladung)  Negative Ladung durch isomorphen Ersatz im Gitter der Tonminerale. Verantwortlich für die

Bindung von Kationen an den Flächen und in den Zwischenschichten der Tonminerale. K Ladungsverhältnisse an einem 2:1-Schichtmineral

Ca

-

Tetraeder

-

Oktaeder

-

-

Mg

K

Si

OH

O

O-

AI O

-

Tetraeder

O

K

OH

AI OH2+ Na

permanente Ladung

O variable Ladung

Variable Ladung (pH-abhängige Ladung)  Die Oberflächen von Oxiden und die Seitenkanten der Tonminerale enthalten O- und OHGruppen, die Protonen aufnehmen oder abgeben und dadurch positive oder negative Ladung annehmen können. Mit steigendem pH-Wert (sinkender H+- Konzentration) nimmt die positive Ladung ab und die negative Ladung zu. Am Ladungsneutralpunkt (oder Ladungsnullpunkt) sind beide gleich, die Nettoladung ist also 0.

Fe - OH + H+ Fe - OH Bodenkunde

Fe - OH2+

Fe - O- + H+ Sorptionseigenschaften - 1 -

Die sauren funktionellen Gruppen der organischen Bodensubstanz dissoziieren H+-Ionen ab. Dadurch entsteht mit zunehmendem pH-Wert eine zunehmende negative Ladung. Die wichtigsten funktionellen Gruppen der organischen Substanz sind Carboxylgruppen, daneben auch phenolische und alkoholische OH-Gruppen. Quellen der elektrischen Ladung von Bodenbestandteilen, Umweltorientierte Bodenkunde, Wild, 1995

1. Permanente negative Ladung bei 2:1- und 2:2-Tonmineralen durch isomorphen Ersatz 2. pH-abhängige Ladungen: a) negative Ladungen an Bruch- und Kantenflächen von Tonmineralen

SiOH

Si-OH

AIOH

OH-

SiOH

H+

AIOSi-OH AIO-

AIO-

b) negative Ladungen des Humus infolge Dissoziation von Carboxylgruppen und phenolischen OH-Gruppen

COOH >C-OH

c) negative und positive Ladungen hydratisierter Eisen- und Aluminiumoxide

+ 2H2O

OH-

COO- + H2O

H+ OH-

>C-O- + H2O

H+ OH-

>FeOH >FeOH2+

>FeO- + H2O

H+ OH-

>FeOH + H2O

H+

Böden mit hohen Gehalten an Tonmineralen und organischer Substanz haben einen Ladungsneutralpunkt im stark sauren Bereich. Im üblichen pH-Bereich überwiegt in diesen Böden daher die Anzahl der negativen Ladungen bei weitem. Bei oxidreichen Böden mit variabler Ladung können dagegen unterhalb pH 6-7 auch relevante Anteile Anionen gebunden werden. Positive und negative Ladungen auf Goethit und den drei Tonmineralen Smectit, Illit und Kaolinit Umweltorientierte Bodenkunde, Wild, 1995

9 pH

8 Goethit

Kaolinit

Illit

Smectit

7 6 5 4 3 8

0

8

positive

16

24

72

80

negative

Ladungen (cmolc/kg Ton)

Oberflächenladung und elektrische Doppelschicht: Ausgleich der Oberfläche durch äquivalente Menge an Gegenionen Ionenaustauschreaktionen verlaufen schnell, stöchiometrisch und sind reversibel

Stern-Schicht Teilchen mit negativer Oberflächenladung

Diffuse Schicht

Bodenkunde

Gleichgewichtslösung

Sorptionseigenschaften - 2 -


Adsorption Als Adsorption bezeichnet man die Anlagerung von Teilchen (Ionen, Atomen, Molekülen) an Oberflächen. Werden die Teilchen wieder von der Oberfläche entfernt, spricht man von Desorption. Solche Reaktionen sind entscheidend für die Verfügbarkeit von Nährstoffen in Böden sowie für ihre Filterfunktion.

Adsorptionsmechanismen Bindungsmechanismen zwischen Adsorbens und Adsorbat im Boden, Bodenökologie, Gisi, 1997 Bindungsart Vorgang

Beispiel

Dipol-Dipol

Kohlenwasserstoff an Huminstoffen

Wasserstoffbrücken

elektrostatische Anziehung zwischen induzierten oder permanenten Dipolen R–O–H Ö H

R

Ion-Ion H+ SäureBasenReaktionen Ligandenaustausch

K+

Ionen an Tonoberfläche (Ionenaustausch)

Ca2+

O – H + :B

-

-

O + BH -

+ M OH2 + H2PO4 O – PO(OH)2 + H2O M

Ionenbrücken

-

Ca2+

Wasser an Tonoberfläche; Wasser an Huminstoffen; Huminstoffe an Tonoberfläche

-

gewisse Pflanzenschutzmittel an Oxidoberflächen und an Huminstoffen Phosphat an Oxidoberflächen

Humus an Tonoberfläche; Aggregierung von Ton; Mikroorganismen an Ton

Adsorptionsisothermen Für die Beschreibung der Adsorption von Stoffen in Böden benutzt man meist eine Adsorptionsisotherme, z.B. nach Freundlich. x an Boden pro Masse des Sorbenten m = Menge gebunden -1 -1

x = K • C 1/n m

(mmol g , mg g ) K = Konstante, Index für Sorptionskapazität, häufig auch Kf oder KF C = Gleichgewichtskonzentration in der Bodenlösung (mmol L-1, mg L-1) 1/n

= Konstante, Index für Sorptionsintensität, häufig auch n

1/n Isotherme = Gerade, wenn x =1 = K • C 1 , Steigung m -1 -1 Einheit für K = L g bzw. L kg

40 Ah-Horizont

Cd2+ Adsorbierte Menge (mmol kg-1)

Adsorptionsisothermen von Cadmium für 3 Horizonte einer Parabraunerde

30

pH 5,5 KAK 111 mmol kg-1

20 Al-Horizont pH 4,1 KAK 58 mmol kg-1

Bodenökologie, Gisi, 1997

10 Bt-Horizont pH 4,2 KAK 103 mmol kg-1

0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Konzentration in der Gleichgewichtslösung (mmol L-1)

Adsorptionskoeffizienten (K) einiger Pflanzenschutzmittel Mittel DDT Lindan 2,4-D Atrazin Simazin Paraquat Bodenkunde

K (1 - 10) x 104 7 - 50 2 26 1-7 200 - 5000

Die K-Werte hängen von den Bodeneigenschaften und der Gleichgewichtskonzentration der Bodenlösung ab. Die großen Zahlen bei DDT und Paraquat bedeuten, dass die Bodenlösung extrem geringe Konzentrationen dieser Wirkstoffe aufweist. Umweltorientierte Bodenkunde, Wild, 1995

Sorptionseigenschaften - 3 -

Verwitterung unverwittertes Ausgangsmaterial ist mehr oder weniger lebensfeindlich ⇒ für pflanzliches und/oder tierisches Leben muss Ausgangsmaterial aufbereitet oder umgewandelt werden

1. Physikalische Verwitterung: Zerkleinerung ⇒ relative Vergrößerung der Oberfläche (im Vergleich zur Masse) Druckentlastung: Steinschlag, Geröll-, Schutthalden im (Hoch-) Gebirge Gravitation oder Schwerkraft: Schlag, Aufprallwirkung bei Fall, Druckentlastung Temperaturwirkung (Insolation): unterschiedliche Ausdehnung bei Erwärmung der Minerale in Gesteinen, Temperatursprengung bei örtlich unterschiedlicher Erwärmung (bei Festgesteinen), Farbe; Bodenkomponente Quarz Calcit Muskovit

Wärmeleitfähigkeit (λ λ) [J/(cm • s • °C)]

Wärmekapazität (c) [J/(cm3 •°C)]

8,8 • 10-2

2,10 2,50 2,59

Orthoklas Tonminerale

2,9 • 10-2

2,14 2,10

Humus Wasser

2,5 • 10-3 5,7 • 10-3

2,50 4,20

Eis Luft

2,2 • 10-2 2,5 • 10-4

1,90 1,3 •10-3

⇒ Haarrisse, bevorzugt an Grenzen zwischen den einzelnen Mineralen oder deren Spaltflächen Entstehung von Haarrissen entlang der Spaltflächen von kristallinen Mineralen

aus Pape

Risse zwischen Mineralen

Korngrenze Spaltriß Spaltriß

Ausgangsgestein

Bodenkunde

Verwitterungsschutt

Verwitterung und Körnung - 1 -

Eissprengung/Frostwirkung Frostwirkung mit Wasser: in Haarrisse eingedrungenes Wasser gefriert, Eis dehnt infolge seiner Volumenzunahme (10%) Haarrisse; Haarriß Haarriß

Eis

Frostsprengung

Frostschutt an Hängen im Glazial, wichtig für Bodenbildung Salzsprengung Festvolumen größer als Flüssigvolumen der gesättigten Lösung Wirkung infolge Hygroskopizität der Salze, d.h. nur wirksam, wenn (ausreichend) Wasser vorhanden Salzlö Salzlösung

Salzkristalle

übersä bersättigte Lösung Salzverwitterung

Abrieb (Mechanische Beanspruchung) Transport durch Wasser von 20 cm ∅ auf 2 cm ∅: Granit 11 km, Gneis 5-6 km, Sandstein 1,5 km Transportstrecke
Transport durch Wind Springen, Sandstrahlgebläsewirkung → auch in feinen und feinsten Kornfraktionen Quarz in Form von Gesteinsmehl vorhanden
Transport durch Eis Gletscherrand, -boden (Eisschliff, Eisschurf)
Transport durch Permafrost Würgung, Knetung im Periglazialbereich (Kryoturbation)

Druck während der physikalischen Verwitterung
Frostsprengung 2000 bar
Temperatursprengung 500 bar
Druckentlastung 250 bar
Salzsprengung 100 bar
Wurzelwachstum 10 bar

Bodenkunde

Verwitterung und Körnung - 2 -

2. Chemische Verwitterung: Voraussetzungen
relativ große Oberfläche, d.h. physikalische Verwitterung muss vorausgegangen sein
Wasser als Lösungsmittel muss vorhanden sein → in ariden Gebieten kaum chemische Verwitterung

 Hydratation Auflösung durch Anlagerung von H2O-Molekülen an Ionen der Minerale, insbesondere der Alkali- und Erdalkaliionen; vorwiegend in salzhaltigen Böden, aride Klimate NaCl + H2O → Na+ + ClAnlagerung von H2O-Molekülen  Auflösung (Hydratation) entscheidend Löslichkeit der Minerale: H O H H "Salze" > Gips > Carbonate > Silicate O H H H H O K O O Cl ionische Bindung > nichtionische Bindung -

+

H

H

O H

H

H

H H

O

Scheffer/Schachtschabel, 1998

z.B. NaCl + H2O  Na+ + Cl- (hydratisiert)

 Hydrolyse Auflösung durch Reaktion der Minerale bzw. deren Ionen mit dissoziierten H2O-Molekülen, d.h. mit H+ oder/und OH-, Reaktion mit H+ → Protolyse: Brechung der O-Brückenbindung zwischen Metallen und Si bzw. C → Hauptverwitterungsprozess unter humiden Bedingungen; je mehr H+, d.h. je saurer, desto intensiver erfolgt Verwitterung, kann bis zur vollständigen Auflösung der Minerale führen. (Herkunft der H+-Ionen siehe Abschnitt Bodenacidität) Protolyse von Carbonaten CaCO3+ H2CO3
Ca(HCO3)2 allgemein: CaCO3 + H+ → Ca2+ + HCO3Sprengung der Bindung Ca-O-C durch H+ steigt mit pCO2 der Luft; Entkalkung wichtiger Prozess in Böden, Säurepufferungsreaktion, da H+ verbraucht werden Protolyse von Silicaten Beispiel: Orthoklas KAlSi3O8 + 4 H+ → K+ + AI3+ + 3 SiO2 + 2 H2O 2 KAlSi3O8 + 2 H+ + H2O → 2K+ + AI2Si2O5(OH)4 + 4SiO2 Verwitterungsprodukte: SiO2, Aluminiumhydroxid, Tonminerale (z.B. Kaolinit) 1. Entfernung und Ersatz der Zwischenschicht Grundgerüst bleibt erhalten -K -K Vermiculit Glimmer Illit Smektit +K 2. Völliger Zerfall des Gitters Neubildung aus Produkten Feldspäte Pyroxen -(Ca,Mg,K,Na,Si) Amphibol Olivin u.a.

-Si Zerfallsprodukte

+K +Mg,Ca

+Al sekundärer Chlorit -Al

Goethit,Hämatit,Gibbsit Allophan,Kaolinit,Halloysit Illit Smectit,Vermiculit

z.T. nur Entfernung und Ersatz der Zwischenschichtbesetzung oder einzelner Schichten (besonders bei Glimmern), Grundgerüst bleibt erhalten, → Illit, Kaolinit völliger Zerfall des Gitters in Si, Al etc., Neubildung aus Zerfallsprodukten (am Ort oder nach Transport), Abfuhr von Si» Al» Fe mit steigender Abfuhrintensität von K, Mg, Si werden immer mehr Minerale gebildet, die arm an Akali-, Erdalkali- und Si-Ionen sind, bis freie Oxide (Al, Fe) übrigbleiben, tropische Verwitterung Bodenkunde

Verwitterung und Körnung - 3 -

 Oxidation Anlagerung von O2 an Fe2+, Mn2+ und/oder S unter Bildung von Fe3+-, Mn3+-, Mn4+- und SO42-haltigen Verbindungen → Fe3+-Oxide, Mn3+- und Mn4+-Oxide gleichzeitig Freisetzung von H+.
Pyrit 4FeS2 + 10H2O + 15O2 → 4FeOOH + 8H2SO4 Bildung starker Säure, Problem bei Halden oder Kippen aus pyrithaltigem Abraummaterial Steinkohle-, Braunkohlebergbau)
Olivin Fe2SiO4+ 1/2 O2 + 3H2O→ 2FeOOH + H4SiO4
Amphibol 4CaFeSi2O6+ 8CO2 + O2 + 22H2O→ 4Ca(HCO3)2 + 4FeOOH + 8H4SiO4

 Komplexierung Komplexierung von Al, Fe, Mn und Schwermetallen durch organische Säuren (Oxal-, Wein-, Apfel-, Zitronen-, aromatische, Benzoesäuren), erzeugt von Flechten, Algen, Moosen, Pilzen, Bakterien; mikrobielle Oxidation; Freisetzung organischer Säuren beim Abbau der Pflanzenreste Komplexierung von Metallen (besonders Al, Fe, Mn, Cu, Pb)

COO

-

COO OH

+ Cu

2+

OH2 Cu

O

+

+ H OH2

Scheffer/Schachtschabel, 1998

→ An- oder Auflösung schwerlöslicher Gesteine und Minerale, u.a. P-Quelle aus schwerlöslichem Apatit; organische Säuren entstehen bei mikrobiellem Abbau der Streu

ständige Störung des Gleichgewichts durch Abfuhr der Verwitterungsprodukte über Ausfällung oder Auswaschung

3. Verwitterungsstabilität von Mineralen und Gesteinen Verwitterungsstabilität der Minerale hängt ab von:
Spaltbarkeit
Wasserlöslichkeit; Verwitterbarkeit: leichtlösliche Salze > Gips > Calcit > Dolomit
für schwerer lösliche Silikate: Struktur der Silicate; Verwitterbarkeit: Insel > Ketten > Blatt > Gerüst (Feldspäte > Quarz)
Fe(II)-Gehalt (Oxidierbarkeit); z.B. Biotit verwittert leichter als Muskovit Reihe steigender Verwitterungsstabilität: Olivin < Pyroxene < Amphibole < Biotit < Plagiklase < Muskovit ≅ Orthoklas < Quarz Mittlere Lebenszeit eines 1mm-Kristalls

Mineralbestand in den Kornfraktionen Sand, Schluff und Ton

Ca-Feldspat Na-Feldspat K-Feldspat Muskovit Quarz

100

Feldspäte

Glimmer

80

Tonminerale und Oxide

Gewichtsanteil 60

0.0001

0.001

0.01 0.1 1 Millionen Jahre

10

100

%

40

Quarz

20

Verwitterungsgrad von Böden

Bodenkunde

Verwitterungsgrad

Leitminerale

schwach mäßig stark sehr stark

Gips, Calcit, Olivin Biotit, Illit, Smektit Kaolinit Gibbsit, Hämatit, Goethit

0

Sand

Schluff

Ton

Verwitterung und Körnung - 4 -

Körnung Korngrößenzusammensetzung, (Textur) Bodenart

 Skelett: >2 mm

Bezeichnung

grob (g)

mittel (m)

Blöcke kantig, gerundet

> 200 mm

Geröll, Steine kantig, gerundet

63-200 mm

Kies Grus

(gerundet) (kantig)

20-63 mm

fein (f)

6,3-20 mm

2-6,3 mm

 Feinboden/Feinerde < 2mm (Einteilung der Korngrößenfraktionen der Feinerde in der BRD) Bezeichnung Sand 2000 – 63 µm Schluff 63 - 2 µm Ton <2 µm

grob (g)

mittel (m)

fein (f)

2000-630 µm

630-200 µm

200-63 µm

63-20 µm

20-6,3 µm

6,3-2,0 µm

2,0-0,63 µm

0,63-0,2 µm

<0,2 µm

 Korngrößenverteilung (Bodenart) Eine Kornfraktion allein tritt selten im Boden auf, sondern meist Mischung verschiedener Fraktionen Bestimmung: Sieben + Sedimentation nach Zerstörung der Kittsubstanz [organische Substanz, Fe-Oxide, Carbonat] und Dispergierung [Austausch von Ca2+ gegen Na+ + mechanisch {schütteln}] Darstellung: Histogramm, Summenkurve, Dreiecksdarstellung Bestimmung im Feld: – Zerstörung der Kittsubstanz (organische Substanz, Carbonat) – Dispergierung (Austausch von Ca2+, Mg2+, gegen Na+) – Sieben + Sedimentation 1

Ap

2

Bv

3

Cv

~ 30% Ton unbehandelt <63 µm

Mischung: 4 Ton, fU, mU 5 mU, gU

H2O2, DCB <63 µm

Bestimmung im Feld: Fingerprobe: Ton: viel Feinsubstanz, sehr bindig, gut formbar, gut auf halbe Bleistiftdicke ausrollbar, schmiert, glänzende, glatte Schmierflächen, Lehm: viel Feinsubstanz, bindig, formbar, auf halbe Bleistiftdicke ausrollbar Schluff: viel Feinsubstanz, mehlig, nicht bindig, kaum formbar, rauhe Schmierflächen Sand: körnig, nicht bindig, nicht formbar Bodenkunde

Verwitterung und Körnung - 5 -

Körnung des Feinbodens aus Sandstein, aus Löss und aus Fließerde (Mischung aus Löss- und Sandstein-Verwitterung) 50

Sch/Sch-Aufl.12 Abb.8

Sandstein

40 % 30

Löß

20 Fließerde

10 0 0,2

0,63

2

6,3

20 µm

63

200

630

2000

Körnungssummenkurve Ton-Fraktion fein mittel grob fT mT gT

Sch-Sch Abb.5.1-2

100 Anteil der Fraktion

80

%

60

Schluff-Fraktion fein mittel grob fU mU gU

Tu

Ut

Sand-Fraktion fein mittel grob fS mS gS

Ls

Ss

40 20 0

0 0

0,2

0,63

6,3 20 63 200 2 0,002 0,063 Korndurchmesser

630

2000 µm 2 mm

Körnungsdreieck: Bodenarten des Feinbodens im Dreieckskoordinatensystem 100

markierter Punkt
:

90

50% Sand

80

Tt

20% Schluff

70 60

Tl

Tu

Ts Lts

30% Ton

S,s = Sand, sandig; U,u = Schluff, schluffig; T,t = Ton, tonig; L,l = Lehm, lehmig Sch-Sch Abb.5.1-3

50 40

Lt

30

St Ss

Lu

Ls Sl S Su

Slu

Uls

Ut

Us

20 10

Uu

% Schluff (2-63 µm)

Bodenart in Abhängigkeit vom Ausgangsgestein Kiesböden

>50 Vol.-% oder >75 Gew.-% Skelett Sandböden >50% S, ≤18%T Schluffböden >50% U, ≤18% T Tonböden >45% T Lehmböden 18-45% T

Bodenkunde

Fluss-Sedimente, Urstromtäler, Schutthalden Fluss-Sedimente, Sander, Sandsteine; Grundgebirge Löss, Schluffsteine Marschen, Kalksteine, Tonsteine Moränen, Grundgebirge, Kalksteine

Verwitterung und Körnung - 6 -

Körnung verbreiteter Böden unterschiedlicher Ausgangsgesteine aus Mitteleuropa Sch-Sch Abb.5.1-4

 Eigenschaften dieser Böden
bodenphysikalische Eigenschaften je sandiger, desto durchlässiger, desto geringer Wasserspeicherung, weil grobporenreich je toniger, desto undurchlässiger, desto höher Wasserspeicherung und desto mehr Totwasser, weil feinporenreich je schluffiger, desto größer Speicherfähigkeit für pflanzenverfügbares Wasser, weil mittelporenreich, sonst Mittelstellung zwischen Sand- und Tonboden
bodenchemische Eigenschaften je sandiger, desto nährstoffärmer und desto geringer Pufferfähigkeit je toniger, desto nährstoffreicher und desto größer Pufferfähigkeit

Schluff: Mittelstellung zwischen Sand- u. Tonboden Sch/Sch-Aufl.11 Abb.10

100

100 höchste Bodenzahl

Boden- 80 zahl 60

Kartoffeln

80 Ertrag (relativ) 60

Roggen

40

40 geringste Bodenzahl

20 0

Bodenkunde

S

0

Sl lS SL sL

L

LT

20 40 60 Fraktion < 10µm [%]

T

80

20 0

Verwitterung und Körnung - 7 -

Flüssigphase
Bodenwasser  3 Zustandsformen: • fest (= Eis), • flüssig (= Wasser), • gasförmig (= Dampf) Ohne Wasser kein Leben in und auf der Erde und damit nicht in und auf dem Boden möglich
Wasser ist lebenswichtig, aber kaum vermehrbar; Problem des übermäßigen Wasserverbrauchs, Wasserverschmutzung, anthropogene Verunreinigung (anorganische Schadstoffe, organische Schadstoffe, Keime, Versalzung, etc.); Bodenwasser enthält immer gelöste Salze und Gase (vgl. Bodenlösung).


Wasserbindung im Boden  Beschreibung mit Potentialtheorie (Gesamt)potential eines Bodens: Arbeit pro Masseneinheit Wasser, die geleistet werden muss, um dem Boden eine bestimmte Menge Wasser zu entnehmen bzw. zuzuführen (Standardbedingung: freies Wasser bei 1 atm Luftdruck, 298 K / 25°C)

ψ = ψz + ψm + ψo Gesamtpotential ψ ist Summe aus:

Gravitationspotential ψz (ψz entspricht z) Matrixpotential ψm osmotisches Potential ψo Wasser bewegt sich immer von Punkten höheren Potentials zu Punkten niedrigeren Potentials Das Gravitationspotential ψz ist auf die Wirkung der Erdanziehung zurückzuführen, daher allgegenwärtig, und bewirkt die Abwärtsbewegung von Wasser im Boden; abhängig vom Niveau des Bodenwasserteilchens über Grundwasserniveau; positives Vorzeichen (über Grundwasserniveau); gemessen als Höhe (z) über Bezugsniveau (= Grundwasserniveau). Das Matrixpotential ψ m beruht auf physikochemischen Kräften, die von der Festsubstanz oder Matrix auf die Wasserteilchen im Porenraum ausgehen; Sie sind für die Wasserbindung auf den Oberflächen der Teilchen und die Entstehung von Menisken verantwortlich (Kapillar- und Adhäsionskräfte); negatives Vorzeichen; gemessen mit Tensiometer. Die Bindungsstärke der Wassermoleküle und damit der Wasserfilme ist um so größer, je geringer der Abstand zur festen Oberfläche, je dünner also der Wasserfilm; je trockener der Boden, desto fester ist das Restwasser gebunden und desto kleiner (negativer) ist das Matrixpotential. Je weniger Wasser ein Boden enthält, desto stärker wird es durch die matrixbedingten Kräfte festgehalten, desto schwieriger ist es also, das Wasser dem Boden zu entziehen. Als Haftwasser bezeichnet man das durch Bindungskräfte der Matrix am Abfließen gehinderte Wasser. Bodenteilchen mit Adsorptions-, Kapillarund Gravitationswasser (= Sickerwasser). Die Wasserdipole richten sich mit ihrem positiv geladenen Ende an der negativ geladenen Partikeloberfläche aus; dieser Bereich heißt auch Schwarmwasser. Im Sickerwasser sind die Dipole dagegen ungeregelt.

Adsorptionswasser

Kapillarwasser

Gravitations wasser

Haftwasser

Bodenteilchen

(aus Wörterbuch der Bodenkunde)

Bodenkunde

Flüssigphase - 1 -

Die Summe aus Gravitations- und Matrixpotential bezeichnet man auch als hydraulisches Potential

ψH = ψz + ψm = (z + ψm) Das osmotische Potential ψ o ist auf die osmotische Wirkung der gelösten Salze in der Bodenlösung zurückzuführen, entscheidet über Wasseraufnahme durch Pflanze, ist von Bedeutung in ariden Böden und Küstenbereichen (weil Bodenlösung dort salzreich); negatives Vorzeichen; gemessen mittels osmotischer Zelle. Potentialgleichgewicht im Boden Hydraulisches Potential, Matrixpotential, Gravitationspotential und Wassergehalt in einer homogenen Bodensäule im Gleichgewicht, bei Versickerung und kapillarem Aufstieg. Abb. 5.4-3 aus Sch/Sch (2002) Hydraulisches Potential = Matrix+ Gravitationspotential

Boden

Höhe über WO z (cm)

ψm

ψH

Wassergehalt

ψZ Abwärtsbewegung

z

(feuchter als Gleichgewicht)

50 Gleichgewicht

Aufwärtsbewegung (trockener als Gleichgewicht)

WO

0

-100

0 +100 Potential ψ (cm WS)

20 40 Wassergehalt θ (Vol.%)

 Matrix-Potential und Boden-Wasser-Charakteristik Das Matrixpotential beschreibt den Anteil des Wasserpotentials, der mit dem Wassergehalt im Porenraum variiert. Die Beziehung zwischen Wassergehalt und Matrixpotential ist eine charakteristische Eigenschaft eines Bodens: Boden-Wasser-Charakteristik (auch pF-Kurve oder Desorptionskurve). Die Bindungsstärke (Wasserspannung) wird als Logarithmus des negativen Matrixpotentials angegeben. Die Einheit für das Potential ist hPa. Nach Teilen durch Dichte (des Wassers) und Gravitationskonstante entsteht eine äquivalente Längeneinheit. Bei Gravitationspotential einer Wassersäule ist dies gerade die negative Höhe. Deshalb wird als cm WS diese negative Länge genommen. Dimensionen der Wasserspannung (Saugspannung) Länge der Wassersäule :

cm WS

(negativer) Druck = Saugdruck : Pa log cm WS =

log h Pa = pF

log 1 cm WS =

log 1 h Pa = pF0

log 100 cm WS =

log 100 h Pa = pF2

log 1000 cm WS =

log 1000 h Pa = pF3

Für die Boden-Wasser-Charakteristik wird der pF-Wert gegen den Wassergehalt (Θ) aufgetragen. Daraus ergibt sich die Wasserverfügbarkeit.

Bodenkunde

Flüssigphase - 2 -

pF S(hPa)

Desorptionskurven eines Sandund Tonbodens mit dazugehörenden Wasserverfügbarkeitsbereichen und Porenklassen. Wasserspannung ausgedrückt als pF-Wert oder Saugspannung S. PWP = permanenter Welkepunkt, FK = Feldkapazität, mWHK = maximale Wasserhaltekapazität, Θ = Wassergehalt

PWP

d(µm) Feinporen 0,2

4 10 000 Tonboden

FK

3

1000

2

100

1

10

Sandboden

Mittelporen 10 enge Grobporen 50 weite Grobporen

mWHK 0

aus Gisi (1997)

0,2

0,4

0,6 θ cm3 cm-3

Ton Sand nicht verwertbares Wasser

pflanzenverfügbares Wasser

Gravitationswasser

Bei Wassersättigung: alle Poren sind vollständig mit Wasser gefüllt, Boden steht im Gleichgewicht mit freier Wasserfläche, Matrixpotential = 0; Wird der Wasserspiegel abgesenkt, entsteht ein Unterdruck, das Matrixpotential wird erniedrigt und dem Boden Wasser entzogen (Desorption).  Grobporen (> 10 µm) binden Wasser nicht und werden daher durch die Schwerkraft leicht entwässert, sofern keine Stauschicht verhanden ist. Die Grobporen sind deshalb vor allem für die Durchlüftung des Bodens wichtig. Wurzeln haben aufgrund ihrer Größe nur Zugang zu den Grobporen. Das Wasser in den Grobporen wird als Gravitations- oder Sickerwasser bezeichnet. In den engen Grobporen (10 – 50 µm) ist es wegen der geringen Sickergeschwindigkeit pflanzenverfügbar.  Mittelporen (0,2 – 10 µm) speichern kapillares Wasser, das für Pflanzenwurzeln aufgrund ihres Saugdrucks verfügbar ist. In die Mittelporen eindringen können nur Wurzelhaare und Mikroorganismen. Die Menge an Wasser, die in den Mittel- und Feinporen eines Bodens gegen die Schwerkraft festgehalten werden kann, wird als Feldkapazität (FK) bezeichnet. Bei Feldkapazität sind die Grobporen nach Wassersättigung durch die Schwerkraft soweit dräniert, dass das Gravitationswasser aus ihnen abgeflossen ist. In terrestrischen Böden wird die Feldkapazität auf die Mittel- und Feinporen bezogen (= -300 hPa), in hydromorphen Böden bezieht man auch die engen Grobporen zusätzlich zu den Mittel- und Feinporen ein (Matrixpotential = -60 hPa).  Feinporen (< 0,2 µm) binden Wasser so stark, dass es im Allgemeinen nicht mehr für Pflanzen verfügbar ist. Die Feinporen sind unter humiden Klimabedingungen praktisch immer wasserführend. Die Feinporen sind unbelebt. Bei einem pF-Wert von 4,2 (= -15000 hPa) ist der permanente Welkepunkt (PWP) erreicht (Wassergehalt, nach dessen Unterschreiten Pflanzen irreversibel welken). Die Luftkapazität (LK) wird meist in Vol.-% angegeben. Sie bezeichnet den Porenraum, der bei freiem Wasserabfluss luftgefüllt ist, entspr. Grobporen (terrestrische Böden) oder weiten Grobporen (hydromorphe Böden), (Matrixpotential >-300 hPa bzw. >-60 hPa). Die Menge des in den Mittelporen gespeicherten Wassers ist die nutzbare Feldkapazität (nFK). Sie entspricht dem Potentialbereich zwischen Feldkapazität und permanentem Welkepunkt. Das in den Feinporen durch die starken Bindungskräfte am Abfließen gehinderte, nicht pflanzenverfügbare Wasser nennt man auch Totwasser.

Bodenkunde

Flüssigphase - 3 -

Abschätzung der nutzbaren Feldkapazität (nFK), angegeben in Vol.-% oder mm (potentiell) pflanzenverfügbares Wasser pro Horizont: nFK [mm] = (FK [Vol.-%] -PWP [Vol.-%]) Horizontmächtigkeit [dm] pro Profil: nFK [mm] = Σ((FK [Vol.-%] -PWP [Vol.-%]) Horizontmächtigkeit [dm]) Berechnungsbeispiele

Horizont

Tiefe

FK

[cm]

Sand-Braunerde

Parabraunerde

Pelosol

Ap Bv1 Bv2 Bv3 Summe Ah Al Agl Bt1 Bt2 Summe Ap P1 P2 P3 P4 Summe

PWP

nFK

Vol.-%

[mm]

23 18 7 9 57 14 86 41 30 53 224 12 15 12 28 21 88

0 - 25 25 - 55 55 - 78 78 - 100

14 10 7 7

5 4 4 3

0- 5 5 - 38 38 - 55 55 - 75 75 - 100

40 34 33 33 36

12 8 9 18 15

0 - 20 20 - 45 45 - 62 62 - 85 85 - 100

37 40 39 39 38

31 34 32 27 24

Effektiver Wurzelraum und pflanzen-verfügbare Bodenwassermenge in Abhängigkeit von der Bodenart (bei mittlerer Lagerungsdichte), (aus Sch/Sch 2002)

Bodenart

mittlerer effektiver Wurzelpflanzenverfü Wurzelpflanzenverfügbare raum bei Getreide (dm) Bodenwassermenge (mm)

Grobsand Mittelsand Feinsand lehmiger Sand schluffiger Sand lehmiger Schluff sandiger Lehm schluffiger Lehm toniger Lehm lehmiger und schluffiger Ton

Bodenkunde

5 6 7 7 8 11 9 10 10 10

30 55 80 115 140 220 155 190 165 140

Flüssigphase - 4 -


Wasserbewegung im Boden Wasser kann sich nur bewegen, wenn ein Gefälle oder Potentialgradient vorhanden ist. Wasser bewegt sich nur in den Hohlräumen, also Poren, des Bodens. Infolge von Reibungsverlusten an der Oberfläche, also der Porenwand, ist Wasserbewegung in kleinen Poren (Röhren) wesentlich kleiner als in großen Poren. Die Wasserbewegung ist im Idealfall zu berechnen für Kapillaren/Röhren nach HAGEN-POISEUILLE: r 4 • π • ∆p

q=

8•η•l

q = Durchflussmenge pro Zeiteinheit, r = Kapillar-(Poren-)radius, ∆p = Druckdifferenz, η = Viskosität des Wassers, l = Länge der Kapillare (= Fließstrecke); vorausgesetzt wird laminare Strömung, die im Boden wegen der insgesamt geringen Fließgeschwindigkeit vorliegt, und Durchgängigkeit oder hohe Kontinuität der Poren. Da Boden ein Gemisch aus sehr variablen Kapillaren ist (s. Abb. in Gefüge), wird seine Wasserleitfähigkeit berechnet nach DARCY:

Q = k•i = k•

∆Ψ ∆l

Q = Wassermenge pro Flächen- und Zeiteinheit, k = Wasserleitfähigkeitskoeffizient [Vol./(Fläche·Zeit)], i = Gradient (dimensionslos), ∆ Ψ = Potentialdifferenz [‘Länge’], ∆ l = Fließstrecke [Länge]. Es liegt eine Volumenflussdichte vor; Kürzung ergibt die Dimension einer Geschwindigkeit.

 gesättigte Wasserbewegung gesättigte Wasserleitfähigkeit kf, bezogen auf Einheitsgradient (cm Druckdifferenz pro cm Fließstrecke), Alle Poren mit Wasser gefüllt (Grundwasser, Stauwasser, zugehörige hydromorphe Bodentypen: sehr stark vernässter Pseudogley, Gley, Auenböden, Niedermoor, Hochmoor und Zwischenformen); antreibender Gradient = hydrostatische Druckdifferenz oder Gravitationspotentialgradient (∆ Ψ z); gesättigte und damit schnelle Wasserbewegung nur in weiten Grobporen (>50 µm). Je grobkörniger ein Boden ist, desto grobporenreicher, desto höher ist die gesättigte Wasserleitfähigkeit (gesWL); bei lehmigen und tonigen Böden ist der Anteil an Sekundärporen (= weite Grobporen) entscheidend; auch in Tonbodenhorizonten kann deshalb die gesWL so groß wie in Sandböden sein. Häufige Werte der Wasserleitfähigkeit von wassergesättigten Böden verschiedener Körnung (aus Sch/Sch 2002)

Bodenart

Wasserleitfä Wasserleitfähigkeit

Sande

(cm/sec) ~4 • 10-1 bis ~4 • 10-3

(cm/Tag) ~3 • 104 bis ~3 • 102

Schluffe

~4 • 10-1 bis ~5 • 10-5

~3 • 104 bis ~4

Lehme

~4 • 10-1 bis ~1 • 10-5

~3 • 104 bis ~1

Tone

~4 • 10-1 bis ~1 • 10-7

~3 • 10-1 bis ~1 • 10-2

Unterbrechung der leitenden Poren, z.B. durch Verdichtung oder Substratwechsel, behindert oder stoppt Wasserbewegung. Es kommt zum Wasserstau. Für die Profildurchlässigkeit sind also Querschnitt und Kontinuität der leitenden Poren ausschlaggebend. Bodenkunde

Flüssigphase - 5 -

 ungesättigte Wasserbewegung: hat ebenfalls Dimension einer Geschwindigkeit, ungesättigte Wasserleitfähigkeit (ku) bezeichnet, wenn auf Einheitsgradient (cm Druckdifferenz pro cm Fließstrecke) bezogen, Teil der Poren mit Luft gefüllt, Matrixpotential <0, In terrestrischen Böden und oberen Horizonten semi-terrestrischer Böden, die jeweils weitesten, noch mit Wasser gefüllten Poren bestimmen die ungesWL eines Bodens beim augenblicklichen Matrixpotential, entscheidend ist der leitende Querschnitt, die ungesWL ist entscheidend für die Wasserversorgung der Pflanzen.


Landschaftswasserhaushalt/Bodenwasserhaushalt langfristig:

N = A+V (Niederschlag = Abfluss + Verdunstung)

dabei ist der Bodenwasservorrat B konstant und typisch für eine bestimmte Klimaregion (s.(Agrar-)Meteorologie) kurzfristig (Tage bis 10 Jahre):

N = A+V± ∆B ∆B = Bodenwasservorratsänderung

gesteuert durch Bodenwasserhaushalt Wasserverteilung im Boden abhängig von Bindungsvermögen des Substrats für Wasser, von Zu- und Abfuhr sowie Bewegungsgeschwindigkeit  Grundwasser = ständig (permanent) vorhandenes, freies Wasser im gesamten Porenraum, nur Gravitationspotential wirksam; evtl. hydrostatischer Überdruck, dann artesisch aufsteigend oder austretend  Stauwasser = zeitweilig (temporär) vorhandenes, freies Wasser im gesamten Porenraum, nur Gravitationspotential  Sickerwasser = das aus Grobporen ausfließende Wasser bei unbehindertem Abfluss

Niederschlag

Evapotranspiration

JahresJahres-Niederschlagsbilanz Altbuchenbestand, eben (mm)

Stauwasser

Niederschlag

680

Interzeption

150

Oberflächenwasser Oberflächenwasser Haftwasser

kapillarer Aufstieg

Haftwasser (∆ ∆B)

0 30

Evapotranspiration

400

Sickerwasser

100

Sickerwasser

GWO

Bodenkunde

Flüssigphase - 6 -


Elemente des Wasserhaushalts  Infiltration Eindringen von Wasser in den Boden während oder nach Niederschlag oder Bewässerung, Gradient abwärts gerichtet, weil unterer Boden trockener bzw. niedrigeres ΨH als Bodenoberfläche; meist sehr scharfe Befeuchtungsfront (Übergang von feuchtem zu trockenem Boden bzw. von mittlerem zu sehr niedrigem Matrixpotential) deutlicher Einfluss des Gravitationspotentials bestimmt Abwärtsbewegung des Wassers, Wasseraufnahme zu Beginn der Infiltration am größten = hohe Infiltrationsrate, nimmt mit der Zeit ab. Wassergehalt θ θ

Wassergehaltsprofil einer Infiltrationsfront bei Überstau. Infolge gefangener Luft im Bodeninneren bildet sich an der Oberfläche eine Sättigungszone aus, die nur sehr langsam vorrückt. Das Profil von Übergangs- und Befeuchtungszone verändert sich infolge des Selbstverschärfungseffekts kaum. Die Verlagerung der Infiltrationsfront bewirkt im wesentlichen eine Ausdehnung der Transportzone. Bei Infiltration ohne Überstau fehlen Sättigungs- (und Übergangs-)zone.

Bodentiefe z

Sättigungszone Übergangszone

Transportzone Befeuchtungszone

aus Gisi (1997)

Wegen Grobporenreichtum hohe Infiltrationsraten in Sandböden; geringe Infiltrationsraten in Tonböden, besonders wenn sie arm an Makroporen sind; Wasserstau bei Übergang von feinporigem zu grobporigem Substrat infolge hängender Menisken.

 Kapillarer Aufstieg Gleichung für kapillaren Aufstieg: r = Porenradius bzw. halbe Porendicke (bei Spalt), γ = Oberflächenspannung, α = Benetzungswinkel (für fettfreien Quarz = 0°), h = Aufstiegshöhe, ρ = Dichte des Wassers, g = Erdbeschleunigung; in Boden nur r und h als Variable angenommen Rest = konstant = 3000, wenn h in (cm WS oder) hPa und d (=2•r) in µm angegeben ⇒ je größer Durchmesser, desto geringer Aufstieg bzw. desto weniger Wasser in Pore gehalten, desto weniger fest Wasser in Pore gebunden, desto weniger Kraft für Entfernung von Wasser aus Pore notwendig. Porendurchmesser uneinheitlich Äquivalentdurchmesser als Ersatzwert für Bodenporen Hartge und Horn (1991)

Bodenkunde

h

Flüssigphase - 7 -

Wasserstand bei Gleichgewicht

Feinsand

Wasser steigt in einer englumigen Kapillare höher als in einer weitlumigen. Auch in körnigem Material mit engen Poren (Feinsand) wandert es höher als in Material mit weiten Poren (Grobsand) aus A. Wild (1995)

Grobsand

nFKWe (mm) ∆E Ertrag

Einfluss des Grundwasserflurabstandes in der Hauptvegetationszeit (bei Getreide Mai - Juni, bei Hackfrüchten Juni - Sept.) auf den Ertrag in Abhängigkeit von der Bodenart Abb. 5.4-11 aus Sch/Sch (2002)

Lehm 200

∆E ∆E

Ton Sand

0

140 75

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 mittlerer Grundwasserflurabstand (m)

 Verdunstung/Transpiration  Verdunstung (Evaporation): Wasserabgabe von der feuchten Bodenoberfläche an die Atmosphäre oder aus dem Bodeninneren (über dampfförmige Wasserbewegung), Abgaberate abhängig von Sättigungsdefizit der Atmosphäre;  Transpiration: Wasserabgabe des Bodens über Leitungsbahnsystem der Pflanze; weil diese größeren leitenden Querschnitt haben als die meisten Bodenporen, ist die Wasserabgabe schneller als über Boden und aus größerer Tiefe; Evaporation + Transpiration = Evapotranspiration


Jahresgang Verlauf abhängig von Niederschlag, Temperatur, Bodenart und/oder Gefüge (Wasserbindung) und Wasserverbrauch der Pflanzen; Niederschlag und Wasserverbrauch zeigen typische Jahresgänge mit Variation für verschiedene Jahre; darstellbar als Ψ m -Verteilung oder als WG-Verteilung

N (mm)

Veränderung des Wassergehalts in einem Bodenprofil (lehmiger Sand, Winterroggen) in Abhängigkeit von der Zeit (N = Niederschlag pro Tag) aus Sch/Sch (2002) 20 10 0

Bodentiefe (cm)

0

April 25. 30.

5.

10.

15.

Mai

20.

25.

30.

5.

Juni

10.

20 40 60

24-28 20-24

16-20

12-16

8-12

4-8 H2O (Vol.%)

80

Bodenkunde

Flüssigphase - 8 -