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

5 cm) bei schweren Böden auch deutlich ( 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 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 65% 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 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 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

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 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