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5. Bodenchemische Eigenschaften • Aufbau der Minerale • Böden als Kationenaustauscher
- Eigenschaften der Austauscher - Austauschkapazität - Basensättigung
• Bodenreaktion - pH-Wert - Versauerung von Böden - Böden als Puffersysteme
• Bodenhumus - Prozesse der Zersetzung - Eigenschaften der Huminstoffe
Aufbau der Minerale
Einteilung der Mineralien in acht Klassen
I. Elemente z.B. Eisen, Kupfer, Gold, Silber, Schwefel, Graphit
II. Sulfide Schwefelverbindungen; z.B. Pyrit (FeS2), Bleiglanz (PbS), Zinkblende (ZnS)
III. Halogenide Verbindungen mit Chlor und Fluor; z.B. Steinsalz (NaCl), Flussspat (CaF2)
IV. Oxide, Hydroxide z.B. Hämatit (Fe2O3), Goethit (FeOOH), Manganit (MnOOH), Korund (Al2O3)
V. Carbonate Verbindungen mit CO32-; z.B. Calcit = Kalk (CaCO3), Dolomit
CaMg(CO3)2, Siderit (FeCO3), Magnesit (MgCO3)
VI. Sulfate Verbindungen mit SO42-; z.B. Anhydrit (CaSO4), Gips
(CaSO4*2H2O), Baryt (BaSO4)
VII. Phosphate Verbindungen mit PO43-; z.B. Vivianit (Fe3[PO4]2 · 8 H2O; Apatit
Ca5O[PO4]3OH
VIII. Silikate
Aufbau aus [SiO4]4--Tetraedern, die in Kristallgittern verschiedenartig angeordnet sind und durch geeignete Kationen (Al3+, K+, Mg2+, ...) untereinander zusammen-gehalten werden Insel-, Ring-, Schicht-, Gerüstsilikate
Silikate sind die bedeutendste Gruppe der gesteinsbildenden Minerale: sie stellen ca. 1/3 aller Minerale und sind mit > 80 % am Aufbau der Erdkruste beteiligt. Hinsichtlich der Entstehung sind zu unterscheiden:
Primäre Silikate durch magmatische Prozesse entstanden (Feldspäte, Glimmer, ...)
Sekundäre Silikate im Zuge der Pedogenese durch Verwitterung der primären Silikate und Umwandlung der Verwitterungsprodukte neu entstanden ( Tonminerale)
Teilweiser Ersatz des Zentral-Ions Si4+ durch Al3+ (= „Isomorpher Ersatz“) führt zu negativem Ladungsüberschuss
[SiO4]4- -Tetraeder
(Grundbaustein der Silikate)
Si4+
O2-
O2- O2-
O2-
Zentral-Ion z.T. durch Al3+
ersetzt
„Feldspat, Quarz und Glimmer, die vergess ich nimmer“
Kompensation erfolgt durch die zusätzlich Einbindung von Kationen (z.B. K+, Na+, Ca2+) in die Kristallgitter der Silikate
1 Inselsilikate Selbständige inselartige Tetraeder durch Kationen (Mg2+, Al3+, Fe2+) verbunden
2 Gruppensilikate Immer zwei Tetraeder über eine gemeinsame Ecke verbunden
3 Ringsilikate Mehrere Tetraeder bilden gemeinsame Dreier-, Vierer- oder Sechserringe
4 Kettensilikate Die über ein gemeinsames O2- -Anion verbunde-nen Tetraeder bilden eine unendliche Kette; im Kristallgitter sind parallele Ketten durch Kationen verbunden
5 Bandsilikate Symmetrische Vereinigung zweier Ketten zu Dop-pelketten oder Bändern
6 Schichtsilikate Vierer- und Sechserringe bilden zweidimensionale ebene Vernetzungen; Si4+ dabei häufig durch Al3+ ersetzt; die Ebenen sind durch Kationenschichten miteinander verbunden (Bsp.: Tonminerale)
7 Gerüstsilikate Jeder Tetraeder über alle seine O2- -Anionen mit Nachbar-Tetraedern vernetzt ( Feldspäte) Gliederungsschema der Silikate
(Hintermaier-Erhard & Zech, 1997)
Olivin (Mg,Fe)2SiO4
Oliv-grünes Inselsilikat / Vorkommen v.a. in basischen Magmatiten (Basalt) / leicht verwitterbar, dadurch wichtiger Mg-Lieferant
Pyroxene (z.B. Augit) und Amphibole (z.B. Hornblende) (Ca,Mg,Fe,Al,Ti)2(SiAl)2O6 bzw. Ca2(Mg,Fe,Al)5(S,Al)8O22(OH)2
grünlich schwarz bis schwarz gefärbte Ketten- bzw. Bändersilikate /häufiges Vorkommen in basischen Magmatiten (Basalt) / Ladungsausgleich v.a. durch eingebaute Ca2+-, Mg2+- und Fe2+-Ionen
Glimmer z.B. Muskovit (hell) und Biotit (dunkel)
Schichtsilikate mit Blättchenstruktur /häufig in sauren Magmatiten und Metamorphiten (Granit, Gneis) / ¼ der Si4+ -Zentral-Ionen durch Al3+ ersetzt Ladungsausgleich durch Einbindung einer Schicht aus K+-Ionen zwischen den Tetraederschichten / v.a. K-Freisetzung bei der Verwitterung (wichtiger K-Lieferant)
Feldspäte z.B. Kalifeldspat*), Natron-feldspat und Kalkfeldspat**)
KAlSi3O8, NaAlSi3O8 bzw. CaAl2Si2O8
Gerüstsilikate / häufig in sauren Magmatiten und Metamorphiten (Granit, Gneis) / ¼ bzw. ½ der Si4+ -ZentralIonen durch Al3+ ersetzt Ladungsausgleich durch Einbindung von K+, Na+ bzw. Ca2+
*) Kalifeldspat = Orthoklas **) Kalk-Natron-Feldspat = Plagioklas
Tonmineralneubildung
Glimmer = Schichtsilikate
Illit Smectit Sekundäre
Chlorite
Kaolinit Aluminium(hydr)oxide
Feldspäte = Gerüstsilikate
Zerfallsprodukte
Smectit
Illit
Kaolinit
-K
-K -Si
-Na
-K
-Si
+Ca
+K
-Ca
-Mg
-Si
-K
-Si
+Mg
-Ca -Mg
-Na
-K
(Al, OH, Si)
Vermiculit
Primäre Minerale
Sekundäre Minerale
durch Hydrolyse und „Säureangriff“ allmähliches Herauslösen von Ionen aus dem Kristallgitter; zunächst Na+, K+, Ca2+ und Mg2+ schließlich auch Al3+ und Si4+ (Desilifizierung); Mineralumbildung und teilweise Neugruppierung der Zerfallsprodukte führen zur Synthese neuer Minerale
Eigenschaften der Tonminerale
• Blättchengröße i.a. < 2µm (0,002mm) Tonfraktion, Bodenkolloide • sekundäre Schichtsilikate (Aufbau ähnlich wie Glimmer) • hohe spezifische äußere und teilweise innere Oberfläche infolge aufweitbarer Schichten • Fähigkeit zur Quellung (Einlagerung von Wassermolekülen) • negativer Gesamtladungsüberschuss Fähigkeit zur Adsorption von Kationen an der inneren und äußeren Oberfläche (vgl. Kationenaustausch)
+ + +
+ + + + + + + +
+ + + + + + + +
+ + + + + + + + + + +
+ + + +
+ +
+ + + + +
+
+ + +
+
- - - - - - -
- + +
+ +
+
Bruchfläche
Böden als Kationenaustauscher
Tonminerale als Kationenaustauscher - Bedeutung für die Pflanzenernährung
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
H+
H+
H+
H+ H+
H+
H+
Ca2+
Ca2+
Mg2+
Ca2+
Mg2+ K+
K+
Ca2+
Ca2+
Mg2+
K+
K+
K+
Mg2+
Ca2+ Ca2+ Ca2+
Mg2+
K+
K+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
K+
K+
Ca2+
Ca2+
K+
-
Ca2+
Ca2+
Mg2+
Mg2+
K+
K+
Mn2+
Mn2+
H+
H+
H+
H+
Mn2+
H+
H+
H+
H+
K+
Abgabe organischer Säuren
H+
Aufnahme von Nährstoffkationen
Kationenbindung an organischer Bodensubstanz
COOH
COOH
OH
pH-Wert der Bodenlösung niedrig große Mengen an H+ -Ionen (Protonen) in der Bodenlösung; Carboxyl- und Hydroxyl-Gruppen der Huminstoffe protoniert; kein negativer Ladungs-überschuss
Hydroxylgruppe
Carboxylgruppe
chemische Struktur einer Huminsäure
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Al3+
H+
Fe2+
H+
H+
H+
H+
H+
H+ K+ K+
Mg2+
Ca2+
H+
Na
K
K
COO
COO
O
H+
H+
H+
pH-Wert der Bodenlösung hoch nur wenige Protonen in der Bodenlösung; verstärkt Abspaltung der H+ -Ionen von den Carboxyl- und Hydroxyl-Gruppen; dadurch negative Ladung der Huminstoffe Kompensation durch Kationenbindung
Ca2+
K+
K+
K+
Ca2+ Mg2+
Mg2+
Mg2+
Ca2+
Ca2+ Mg2+
Mn2+
Menge und Art der Tonminerale sowie der Oxide und Hydroxide
Menge und Art der Huminstoffe und der pH-Wert in der Bodenlösung
Kationenaustauschkapazität von Böden
bestimmen
Effektive Kationenaustauschkapazität beim tatsächlichen (aktuellen) pH-Wert des Bodens.
Potenzielle Kationenaustauschkapazität bei pH = 7.0; d.h. die gesamte Variable Ladung ist nicht protoniert und steht für den Kationenaustausch zur Verfügung.
KAKeff
KAKpot
In Waldböden gilt i.A.: KAKeff < KAKpot
die permanente negative Ladung
die variable negative Ladung
der Bodenkolloide (Teilchen < 2 µm)
K A T I O N E N A U S T A U S C H K A P A Z I T Ä T
K A T I O N E N A U S T A U S C H K A P A Z I T Ä T
Maßeinheit der Kationenaustauschkapazität
Die Kationenaustauschkapazität wird in Ionenäquivalenten (IÄ) angegeben. Die gebräuchliche Einheit ist: cmolc / kg Boden oder mmolc / kg 1 molc [g] = relative Atommasse / Wertigkeit (= Äquivalentmasse )
Bsp.: Die KAKeff eines Bodenhorizontes sei 4 cmolc / kg Boden Welche Na-Menge (Ca-Menge, Al-Menge) könnte adsorbiert werden ?
analog: 0,04 molc Ca2+ / kg Boden 0,04 * 40 g / 2 = 0,80 g Ca2+ / kg Boden 0,04 molc Al3+ / kg Boden 0,04 * 27 g / 3 = 0,36 g Al3+ / kg Boden
4 cmolc = 0,04 molc
0,04 molc Na+ / kg Boden = 0,04 * 23 g / 1 = 0,92 g Na+ / kg Boden
rel. Atommasse Wertigkeit
Def.: Masse eines Atoms in Relation zur Masse des C-Atoms, welches per Definition die rel. Atommasse = 12 erhält. Beispiele: rel. Atommasse von H = 1; O = 16, C = 12, Ca = 40, N = 14, usw. (vgl. Angaben im Periodensysteme)
Def.: Anzahl der Bindungen, die ein Atom zu anderen Atomen ausbilden kann. Beispiele: H ist einwertig, O ist zweiwertig usw.; abhängig von der Zahl der Valenzelektronen (vgl. Periodensystem)
H
Li
Na
K
1. Periode
2. Periode
3. Periode
4. Periode
Be
Mg
Ca
B
Al
Ga
C
Si
Ge
N
P
As
O
S
Se
F
Cl
Br
He
Ne
Ar
Kr
IA
IIA IIIA IVA VA VIA VIIA
0
1,01 4,00
6,94 9,01 12,01 14,01 16,00 19,00 20,18
22,98 24,31 26,98 28,09 30,97 32,07 35,45 39,95
39,10 40,08 69,72 72,61 74,92 78,96 79,90 83,80
10,81
. . .
Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
A. Hauptgruppenelemente
B. Übergangsmetalle IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB
1
3
11
19
2
4 5 6 7 8 9 10
12 13 14 15 16 17 18
20 31 32 33 34 35 36
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Li Na S O He Ne Ar
Edelgaskonfiguration
KAK von Bodenbestandteilen [mmolc/kg] Kaolinit 30 – 150 Vermiculit 1000 – 2000 Illit, Glimmer 100 – 500 Huminstoffe 1500 – 3000 Smectit 700 – 1500 Metalloxide 30 – 250
spezifische Oberfläche bis zu 1200 m²/g
spezifische Oberfläche ca. 20 m²/g
sehr gering gering gering -
mittel mittel mittel- hoch hoch sehr
hoch
A-Horizonte < 15 15 – 40 40 – 70 70 – 120 120 – 240 240 – 480 > 480
B- und C-Horizonte < 10 10 – 30 30 –60 60 – 120 120 – 240 240 – 480 > 480
Bewertungsrahmen für die KAKeff in mmolc/kg Boden
KAKeff von Bodenhorizonten [mmolc/kg] podsolige Braunerden auf Sand (n=15) mit Eichenbestockung Aeh - Horizonte ca. 20 - 36 Bv - Horizonte ca. 12 - 18 C - Horizonte ca. 2 - 24 Quelle: LFE
Haftfestigkeit (Eintauschstärke) der Kationen
Abhängig von 1. Wertigkeit 2. Hydratation (Hydrathülle)
Hofmeistersche Reihung: Na+ < K+ < Mg2+ < Ca2+ < Al3+
Hydrathülle der Kationen Kationen umgeben sich mit Wasser-Dipolen (rot = Ionendurchmesser, blau Hydrathülle)
Na+ K+ Mg2+ Ca2+
zu 2.
3. Konzentration des Kations in der Bodenlösung 4. Neigung zur spezifischen Bindung (z.B. Ca-Selektivität
der organischen Substanz)
Na+
Ca2+
Mg2+
Al3+
H+ K+
Ca2+ Mn2+
H+
Al3+
Ca2+ Mg2+
Al3+
H+ K+
Ca2+
Mn2+ H+
NH4+ NH4
+
NH4+
NH4+
I. Verdrängung der adsorbierten Kationen vom Bodenaustauscher
II. Messung der Kationen in der Lösung z.B. mittels AAS-Technik (Atomadsorptionsspektrometrie)
mmolc / kg Boden Na: 0,02 K: 0,80 Ca: 13,30 Mg: 1,20 Al: 10,60 Fe: 0,70 Mn: 0,20 H: 11,20 KAKeff: 38,02
NH4+
NH4+
Bestimmung der austauschbaren Kationen (KAKeff)
Beispiel:
Bodenprobe
relativ hohe Konzentration
Kationenbelag („basische“ und saure Kationen)
basische Kationen: Ca2+, Mg2+, K+, Na+
saure Kationen: Al3+, Fe2+, Mn2+, H+
[Al(OH2)6]3+ Al(H2O)5OH]2+ + H+
Al3+ -Kation von sechs Wassermolekülen (H2O-Dipolen) umgeben (= Hydrathülle)
Abspaltung eines Protons
Hydratation:
LFE
Bsp.: podsolige Braunerde aus Geschiebe- sand
Basensättigung (BS)
Maßzahl für den prozentualen Anteil der basisch wirkenden Kationen an der Kationenaustauschkapazität (i.a. KAKeff)
BS = (Ca+Mg+K+Na) / (Ca+Mg+K+Na+Al+Fe+Mn+H) * 100% = (Ca+Mg+K+Na) / KAKeff * 100% Den prozentualen Anteil einzelner Kationen an der KAK nennt man z.B. Ca-Sättigung, Mg-Sättigung, Al-Sättigung usw.
Bewertung der Basensättigung:
BS < 20 % 20 < BS < 50 % BS > 50 %
basenarm mittel basenreich
Basensättigung podsoliger Braunerden auf Sand (n=15) mit Eichenbestockung
Aeh - Horizonte ca. 18 - 37 % Bv - Horizonte ca. 9 - 20 % C - Horizonte ca. 7 - 75 % Quelle: LFE
Bodenreaktion
Definitionen
• Bodenreaktion: Vermögen der Bodenfestsubstanz, H+ -Ionen in die Bodenlösung abzugeben • Maß für die Bodenreaktion: H+ -Ionenkonzentration in der Bodenlösung [mol H+ / l] • Maßzahl: pH-Wert (= negativer dekadischer Logarithmus der H+- Ionenkonzentration)
Bsp.: pH = 3 10-3 mol H+ / l 0,001 mol H+ / l pH = 7 10-7 mol H+ / l 0,0000001 mol H+ / l
• Arten der Bodenazidität (Bodensäure): - aktuelle Azidität (pH-Wert-Messung in H2O) - potenzielle Azidität (Messung in KCl oder CaCl2-Lösung); ( Desorption von H+ und Al3+ vom Bodenaustauscher)
[Al(OH2)6]3+ [Al(H2O)5OH]2+ + H+
Vergleich von pH(KCl)- und pH(H2O)-Werten (BZE-Stichprobe)
pote
nzie
lle A
zidi
tät
aktuelle Azidität
pH-Wert-Messung pH-Wert in 1 M KCl lt. Handbuch Forstliche Analytik (GFA, 2005)
Geräte und Zubehör • pH-Messgerät mit pH-Elektrode (Messgenauigkeit +/- 0,01) • Waage (Messgenauigkeit +/- 0,1 g) • Becherglas, Pipette, Messlöffel, Rührer
Herstellung der KCl-Lösung 74,55 g (= 1 Mol) KCl werden in einem Messkolben mit H2Odemin auf 1 l aufgefüllt.
Herstellung der Suspension Die auf 2 mm gesiebte Bodenprobe wird in einem Becherglas mit 1 M KCl-Lösung im Gewichtsverhältnis Probe:Lösung = 1:2,5 verrührt. Die Mischung muss mindestens 1 Stunde in dem abgedeckten Becherglas stehen und zwischendurch mehrfach mit einem Glas- oder Kunststoffstab umgerührt werden.
Messung des pH-Wertes Die Messung des pH-Wertes erfolgt in dem Proben-/Lösungsgemisch mittels eines pH-Meters mit Glaselektrode. Für die Kalibrierung der Glaselektrode ist eine 2-Punkt-Eichung vorgeschrieben. Vor der Messung wird die Probe nochmals mit dem Stab umgerührt und nach dem Absetzen der Feststoffe der pH-Wert im wässrigen Überstand gemessen; dabei darf die Suspension nicht gerührt bzw. die Elektrode nicht bewegt werden.
Warum reagieren unsere Böden sauer ?
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+ H+
H+
H+ H+
Eine Säure ist eine Substanz, welche die Wasserstoffionen-Konzentration beim Zugeben zu
einer wässrigen Lösung erhöht
Natürliche Ursachen: • CO2-Produktion durch die Atmung der Bodenorganismen ( H2CO3) • H+ -Ausscheidungen der Pflanzenwurzeln bei der Nährstoffaufnahme • Humifizierung Bildung schwacher organischer Säuren • Auswaschung von basischen Kationen (vgl. Pufferung)
Verbrennung fossiler Energieträger Freisetzung von SO2 (Schwefeldioxid) NOx (Stickoxide)
bilden im Niederschlag Schwefel- und Salpetersäure
H2SO4 2 H+ + SO42-
HNO3 H+ + NO3-
Anthropogene Ursachen: • Holzernte (= Entnahme von basischen Kationen) • atmogene Säuredeposition („saurer Regen“)
9,0
7,0
5,0
3,0
1,0
2,0
4,0
6,0
8,0
natürlicher Regen
reines Wasser
Bier
Zitronensaft Coca Cola
Batteriesäure
Orangensaft
Traubensaft
Blut
Wein
Kaffee
Seifenwassser
saure mineralische Oberböden unter Wald
kalkhaltige Bodenhorizonte
Bewertung der Bodenreaktion:
äußerst sauer
stark sauer
mittel sauer
schwach sauer
schwach alkalisch
mittel alkalisch
extrem saurer Nebelniederschlag
Niederschlag Mitteleuropa
Salzböden (semi-) arider Klimate
Oberböden in unmittel-barer Straßennähe
Grünland- und Ackerböden
stark saure Oh-Auflagehorizonte
pH-Werte in Böden und Niederschlag:
Pufferung
Böden sind in der Lage, der Säurebelastung einen Widerstand entgegenzusetzen. Verschiedene Substanzen im Boden wirken als Säurepuffer. Je besser ein Boden gepuffert ist, desto geringer ist die pH-Abnahme bei gleichem Säureeintrag.
Im schwach sauren pH-Bereich stellt die Verwitterung von Carbonatgestein einen sehr wirksamen Säurepuffer dar. In kalkfreien Böden wirken die Silikatverwitterung und die Protonierung von variablen Ladungen (vgl. KAKeff) als Protonensenke. Im stark sauren pH-Bereich kommt es zur Protonenbindung durch die Auflösung von sekundären Mineralen.
Die pH-Bereiche, innerhalb derer bestimmte Puffersubstanzen für eine pH-Nivellierung sorgen, werden als Pufferbereiche bezeichnet. Nach ULRICH et al. (1979) lassen sich fünf Pufferbereiche unterscheiden, die in relativ abgegrenzten pH-Bereichen wirksam sind.
pH > 6,2 Carbonatpufferbereich 2 CaCO3 + 2H+ Ca(HCO3)2 + Ca2+; allmählicher Verlust von CaCO3 (Entkalkung); optimale Bedingungen für Bodenorganismen
pH 6,2 – 5,0
Silikatpufferbereich Verwitterung primärer Silikate (Feldspäte, Glimmer); Entstehung sekundärer Minerale (Verbraunung, Verlehmung); optimale Nährstoffverfügbarkeit durch Freisetzung basischer Kationen (Na+, K+, Mg2+, Ca2+) und deren Adsorption am Bodenaustauscher
pH 5,0 – 4,2
Austauscherpufferbereich Verdrängung austauschbarer basischer Kationen durch saure Kationen (v.a. Al3+ aus Silikatresten) und Protonen; durch Auswaschung der basischen Kationen Abnahme der Basensättigung; Protonierung variabler Ladung (abnehmende KAKeff); beginnende Verdrängung säureempfindlicher Organismen
pH < 4,2
Al-Pufferbereich Auflösung von Kristallgittern der sekundären Minerale (Tonmineralzerstörung); dadurch Freisetzung von noch mehr Al3+ in die Bodenlösung; Austauscherplätze überwiegend von Al3+ belegt; Basensättigung < 20%; Aluminiumkonzentration in der Bodenlösung zunehmend toxisch (Wurzelschäden)
pH < 3,0
Fe-Pufferbereich Pufferung der Protonen durch Auflösung von Eisen(hydr)oxiden; H+- und Fe-Sättigung am Austauscher steigen stark an; Verlagerung von Sesquioxiden als metallorganische Komplexe (Podsolierung); stark eingeschränkte bodenbiologische Aktivität (Rohhumusbildung); säureangepasste Pflanzengesellschaften
Pufferbereiche nach ULRICH et al. (1979)
0
20
40
60
80
100
120
140
Anteil [%]
1007550250
Puffer BZE-1
Carbonat
Silikat
Aust.
Al
Fe/Al
Fe
Pufferbereiche Carbonat > 6.2 Al 4.2 – >3.8 Silikat 6.2 – >5.0 Al/Fe 3.8 – >3.0 Austauscher 5.0 – >4.2 Fe =< 3.0
0
20
40
60
80
100
120
140
Anteil [%]
1007550250
Puffer BZE-2
Carbonat
Silikat
Aust.
Al
Fe/Al
Fe
Aktuelle Ergebnisse der BZE
Einschätzung des Säurerisikos
Bewertung Kriterien, Folgen
minimal gesamter Wurzelraum im Carbonat- oder Silikat-Pufferbereich
gering Oberboden (bis 30 cm) im Austauscher-Pufferbereich Folge: Beeinträchtigung säureintoleranter (kalkholder Arten)
mittel Oberboden im Aluminium- oder Aluminium / Eisen-Pufferbereich Unterboden im Silikat- oder Austauscher-Pufferbereich Folge: Verdrängung säureintoleranter Arten
stark
Ober- und Unterboden im Aluminium / Eisen-Pufferbereich pH-Wert im Oh-Horizont > 3,0 Folgen: geringe bis sehr geringe Vorräte an austauschbaren basisch wirkenden Kationen; niedrige Ca- und hohe Al-Gehalte in den Feinwurzeln; Schäden im Meristem und gehemmtes Längenwachstum von Feinwurzeln
sehr stark Ober- und Unterboden im Aluminium- oder Aluminium / Eisen-Pufferbereich und pH-Wert im Oh-Horizont < 3,0
Carbonat > 6.2 Al 4.2 – >3.8 Silikat 6.2 – >5.0 Al/Fe 3.8 – >3.0 Austauscher 5.0 – >4.2 Fe =< 3.0
25 %
50 %
75 %
pH-Wert und Kationenbelag (schematisch)
3 4 5 6 7 pH-Wert
Mg2+
Ca2+
K+
Al3+
Fe2+
Dissoziierbarer Wasserstoff
Anteil an der KAKpot
Verändert nach: Scheffer & Schachtschabel (1998) unter Verwendung von Daten aus Wolff & Riek (1997)
variable Ladung
permanente Ladung
Na+
H+ Mn2+
Einflussfaktoren auf die Bodenversauerung • Silikatverwitterungsrate ( Ausgangsgestein) • Versickerungsrate ( Klima) • Zeit ( Alter des Bodens) • atmogene Eintragssituation (Säurebildner, basische Stäube)
• Art / Intensität der forstlichen Nutzung:
Baumart tiefwurzelnde Laubbäume „Basenpumpe“
Nadelhölzer niedrigmolekulare saure Huminstoffe (Fulvosäuren)
Biomassenexport: historische Streunutzung / Waldweide und Ganzbaumernte führen zu Basenverlust ( Verlust an Pufferkapazität)
Kahlschlag: durch forcierten Humusabbau infolge angeregter Mikroorganismen-tätigkeit (Einstrahlung Wärme) wird verstärkt Nitrat (Anion: NO3
-) freigesetzt und zusammen mit daran gebundenen basischen Kationen ausgewaschen.
allg. gilt: WENN Basenverlust > Silikatverwitterungsrate + atm. Baseneintrag, DANN „Versauerung“ des Systems
Ökologische Bedeutung der Bodenreaktion
• ungünstiges Bodengefüge • ungünstige Humusformen (Rohhumus) • Oberbodenverdichtung durch verringerte Bioturbation • Beeinträchtigung der Stofftransformationsfunktion von Böden • Zerstörung von Tonmineralen • Toxizität durch Al3+ -Ionen (Wurzelschäden) • zunehmende Mobilität von Schwermetallen (Cu, Zn, Cd, Pb) • Gefahr der Quell- und Grundwasserkontamination • evtl. Einschränkung der Biodiversität
niedrige pH-Werte
hohe pH-Werte • gute Versorgung mit Ca und Mg • schlechte Verfügbarkeit von Fe, Mn, Cu, Zn (evtl. K) • hohe Kationenaustauschkapazität • hohe biologische Aktivität, günstige Humusform (intakte Stoffkreisläufe)
Bodenhumus
Definition: Humus (lat.: Erde) = Gesamtheit der organischen Bodensubstanz (o.S.; OBS) Dies sind alle in und auf dem Boden befindlichen abgestorbenen pflanzlichen und tierischen Stoffe sowie deren organische Umwandlungsprodukte. Die lebende Biomasse (Bodentiere, lebende Wurzeln) zählt nicht dazu.
Auflagehumus (L-, Of-, Oh-Horizonte)
Mineralbodenhumus (z.B. Ah-, Bh-Horizonte)
bilden den Humuskörper und
zu seiner systematischen Kennzeichnung dient die
Humusform vgl. Lehreinheit 2
Bodenhumus
Nichthuminstoffe (=Streustoffe) z.B. tote Wurzeln, Blätter, Tiere, deren Gewebestrukturen noch erkennbar sind; sie dienen den Bodenorganismen als Nahrung; daher kurze Verweilzeit im Boden „Nährhumus“ Huminstoffe stark umgewandelte organische Stoffe; keine erkennbaren Gewebestrukturen; stark dunkle Färbung; hohe Verweilzeit im Boden „Dauerhumus“
Eigenschaften der Huminstoffe Fulvosäuren Huminsäuren Humine
gelb-braune, niedermolekulare, stark saure, stickstoffarme Huminstoffe; geringes Wasserhalte- und Ionen-Adsorptionsvermögen; wasserlöslich und deshalb leicht verlagerbar; Vorkommen in sauren nährstoffarmen Böden mit geringer biologischer Aktivität (Humusform: Rohhumus)
braune bis schwarze, hochmole-kulare, schwach saure, stickstoffreiche Huminstoffe; hohes Wasserhalte- und Ionen-Adsorptionsvermögen; geringe Mobiliät; Vorkommen in neutralen bis schwach sauren nährstoffrei-chen Böden mit hoher biolo-gischer Aktivität (Humusform: Mull)
schwarze, hochmolekulare, schwach saure Huminstoffe; geringes Wasserhalte- und Ionen-Adsorptionsvermögen; geringe Mobilität; entstehen durch Alterung aus Fulvo- und Huminsäuren; Vorkommen in allen Böden
C/N-Verhältnis, ein wichtiges analytisches Merkmal der org. Substanz
Verhältnis zwischen organisch gebundenem Kohlenstoff und organisch gebundenem Stickstoff. Maß für 1) die Zersetzbarkeit der Streu C/N-Verhältnisse frischer Nadeln und Blätter
2) die biologische Aktivität (C/N-Messung in Auflage oder min. Oberboden!)
C/N < 20: N-Bedarf der Mikroorganismen für den Aufbau ihrer Körpersubstanz gedeckt; deshalb deutliche Freisetzung von organisch gebundenem Stickstoff bei der Humusumsetzung; Mikroorganismen selbst leicht zersetzbar, da vorwiegend aus leicht abbaubaren (N-reichen) Stoffen bestehend MULL C/N > ca. 25: zunehmende Hemmung des mikrobiellen Substanzabbaus C/N > ca. 30: mikrobielle Immobilisierung von N durch organische Bindung (vgl. Inkorporation) Entstehung von ROHHUMUS durch N-Limitierung
Ulme, Erle, Esche, Robinie 12-25 Roteiche 53 Linde, Pappel, Hainbuche 24-51 Kiefer 65
Eiche 40 Douglasie 77 Buche 45 Lärche 77
Mitscherlich (1975)
Edaphon = Gesamtheit aller lebenden Bodenorganismen Destruenten = an der Zersetzung beteiligte Organismenarten
0,01 µm 0,1 µm 1 µm 10 µm 100 µm 1000 µm 1 mm 10 mm 100 mm
Ton Schluff Sand
Feinporen Mittelporen Grobporen
Mikroflora Bakterien, Pilze,
Strahlenpilze, Algen
Mikrofauna Protozoen (z.B. Amöben, Geißel-
tierchen, Wimpertierchen), Nematoden (Fadenwürmer),
u.a.
Mesofauna Milben, Collembolen (Springschwänze), Enchyträen (kleine
Borstenwürmer), u.a.
Bodenlebewesen
Makrofauna Lumbriciden (Re-
genwürmer), Asseln, Schnecken, Käfer (v.a. Laufkäfer- arten), Tausend-
füßer u.a.