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Bodenkunde Bodengenese und -systematik - 1 -
Bodengenese und -systematik
Kausalkette der Pedogenese
Faktoren der Bodenbildung ���� Prozesse ���� Merkmale
BBooddeennbbiilldduunnggssffaakkttoorreenn,, BBooddeennbbiilldduunnggsspprroozzeessssee uunndd BBooddeennmmeerrkkmmaallee aallss KKaauussaallkkeettttee ddeerr PPeeddooggeenneessee
BBooddeennöökkoollooggiiee,, GGiissii,, 11999977
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
MobilisierungTransport
Immobilisierung
Tra
nslo
ka
tio
n
Gase WasserNähr-stoffe,Ionen
org.Substanz
Kolloide
Pedon
Prozesse
Merkmale
Faktoren
Relief Zeit
Gestein Lebewesen
Klima
Mineralkörper Humuskörper
Gefügebildung
VerwitterungMineralneubildung
MineralisierungHumifizierung
AbbauAufbau
AggregationSegregation
Tra
ns
form
ati
on
BodenkörperPoren Matrix
MobilisierungTransport
Immobilisierung
Tra
nslo
ka
tio
n
Gase WasserNähr-stoffe,Ionen
org.Substanz
Kolloide
Pedon
MobilisierungTransport
Immobilisierung
Tra
nslo
ka
tio
n
MobilisierungTransport
Immobilisierung
Tra
nslo
ka
tio
n
Gase WasserNähr-stoffe,Ionen
org.Substanz
Kolloide
Pedon
Prozesse
Merkmale
ProzesseProzesse
MerkmaleMerkmale
Faktoren
Relief Zeit
Gestein Lebewesen
Klima
FaktorenFaktoren
Relief Zeit
Gestein Lebewesen
KlimaRelief Zeit
Gestein Lebewesen
KlimaRelief Zeit
Gestein Lebewesen
Klima
Mineralkörper Humuskörper
Gefügebildung
VerwitterungMineralneubildung
MineralisierungHumifizierung
AbbauAufbau
AggregationSegregation
Tra
ns
form
ati
on
BodenkörperPoren Matrix
Mineralkörper Humuskörper
Gefügebildung
VerwitterungMineralneubildung
MineralisierungHumifizierung
Mineralkörper Humuskörper
Gefügebildung
VerwitterungMineralneubildung
MineralisierungHumifizierung
AbbauAufbau
AggregationSegregation
Tra
ns
form
ati
on
AbbauAufbau
AggregationSegregation
Tra
ns
form
ati
on
BodenkörperPoren Matrix
Bodenkunde Bodengenese und -systematik - 2 -
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.: Bodentyp Braunerde Ah/Bv/C Bodentyp Parabraunerde Ah/Al/Bt/C
Bodenkunde Bodengenese und -systematik - 3 -
BBeeiissppiieellee ffüürr PPrrooffiill--DDiiffffeerreennzziieerruunngg:: FFlluussssmmaarrsscchh HHaallbbwwüüsstteennbbooddeenn aauuff BBaassaalltt AAnnmmoooorrgglleeyy 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
Mull
� aktives Bodenleben
� hohe Bioturbation
� neutral bis schwach saure Böden
� typisch für - laubbaum- und krautreiche Wälder - artenreiches Grünland
Moder
� Bildung unter weniger günstigen Milieu-Bedingungen - neutral bis schwach sauer - feucht bis gelegentlich vernässt
� Merkmale - mittlere Bioturbation - typisch für krautreiche Nadelwälder, Laub- und Mischwald
Rohhumus
� saure, nasse oder trockene Böden
� geringe biologische Aktivität
� Vorherrschen von Pilzen
Ah
LOfOhAh
Blattförna
Bv zunehm end basenreicher
+10
0
-10
-20
cm
i. a. nur 2-3(5) mm mächtig und der Mineralbodenober-fläche filmartig aufliegend
Ausbildung des Oh-Horizontes
Begrenzung des Ah-Horizontes
undeutlich (2-5 cm) bis fließend (>5 cm) bei schweren Böden auch deutlich (<2 cm)
deutlich (<2 cm) bis sehr deutlich (<1 cm), z. T. scharf (<3 mm)
sehr deutlich (<1 cm), bis scharf (<3 mm)
Gefüge des Ah-Horizontes
bei Lehmböden überwiegend krümelig,bei tonigen Böden meist polyedrisch
überwiegend feinsubpoly-edrisch, z.T. krümelig oder schwach kohärent
i.d.R. schwach kohä-rent, z.T. feinsubpo-lyedrisch, vereinzelt schwach plattig
Mächtigkeit desAh-Horizontes
>8 cmhäufig 10-15 cm
<10 cmhäufig 5-7 cm
2-8 cmhäufig 3-4 cm
Horizontfolgen L/Ah/... L/Of/Ah/... L/Of/(Oh/)Ah/...z. T. L/Of/(Oh/)Aeh/...
Humusform L-Mull F-Mull Mullartiger Moder
Ah
LOfOhAh
Blattförna
Bv zunehm end basenreicher
+10
0
-10
-20
cm
i. a. nur 2-3(5) mm mächtig und der Mineralbodenober-fläche filmartig aufliegend
Ausbildung des Oh-Horizontes
i. a. nur 2-3(5) mm mächtig und der Mineralbodenober-fläche filmartig aufliegend
Ausbildung des Oh-Horizontes
Begrenzung des Ah-Horizontes
undeutlich (2-5 cm) bis fließend (>5 cm) bei schweren Böden auch deutlich (<2 cm)
deutlich (<2 cm) bis sehr deutlich (<1 cm), z. T. scharf (<3 mm)
sehr deutlich (<1 cm), bis scharf (<3 mm)
Begrenzung des Ah-Horizontes
undeutlich (2-5 cm) bis fließend (>5 cm) bei schweren Böden auch deutlich (<2 cm)
deutlich (<2 cm) bis sehr deutlich (<1 cm), z. T. scharf (<3 mm)
sehr deutlich (<1 cm), bis scharf (<3 mm)
Gefüge des Ah-Horizontes
bei Lehmböden überwiegend krümelig,bei tonigen Böden meist polyedrisch
überwiegend feinsubpoly-edrisch, z.T. krümelig oder schwach kohärent
i.d.R. schwach kohä-rent, z.T. feinsubpo-lyedrisch, vereinzelt schwach plattig
Gefüge des Ah-Horizontes
bei Lehmböden überwiegend krümelig,bei tonigen Böden meist polyedrisch
überwiegend feinsubpoly-edrisch, z.T. krümelig oder schwach kohärent
i.d.R. schwach kohä-rent, z.T. feinsubpo-lyedrisch, vereinzelt schwach plattig
Mächtigkeit desAh-Horizontes
>8 cmhäufig 10-15 cm
<10 cmhäufig 5-7 cm
2-8 cmhäufig 3-4 cm
Mächtigkeit desAh-Horizontes
>8 cmhäufig 10-15 cm
<10 cmhäufig 5-7 cm
2-8 cmhäufig 3-4 cm
Horizontfolgen L/Ah/... L/Of/Ah/... L/Of/(Oh/)Ah/...z. T. L/Of/(Oh/)Aeh/...
Horizontfolgen L/Ah/... L/Of/Ah/... L/Of/(Oh/)Ah/...z. T. L/Of/(Oh/)Aeh/...
Humusform L-Mull F-Mull Mullartiger ModerHumusform L-Mull F-Mull Mullartiger Moder
Aeh
Ahe Ahe + Ae
BsvBs/Bh
Ae
Ahe
Oh
LOf
Nadelförna
Bv zunehmend basenärmer
+10
0
-10
-20
cm
Durchwurzelung des Oh-Horizontes
mittel bis sehr stark(Feinwurzeln)
schwach (Feinwurzeln)zahlreiche Grobwurzeln
zahlreiche Grobwurzeln
Lagerungsart desOh-Horizontes
meist bröckelig,z. T. schichtig
kompakt,z. T. unscharf brechbar
kompakt, scharfkantigbrechbar, z. T. lagig
Mächtigkeit desOh-Horizontes
feinhumusarm <2 cmfeinhumusreich >2 cm
feinhumusarm <3 cmfeinhumusreich >3 cm
feinhumusarm <4 cmfeinhumusreich >4 cm
Horizontfolgen L/Of/Oh/Aeh/...oder L/Of/Oh/Ahe/...oderL/Of/Oh/Aeh+Ae/...oder L/Of/Oh/Ah/...
L/Of/Oh/Ahe/...oderL/Of/Oh/Ahe+Ae/...oderL/Of/Oh/Ahe/Ae/B(s)h/...
L/Of/Oh/Ahe+Ae/...oderL/Of/Oh/Ahe/Ae/B(s)h/...
Humusform Typischer Moder Rohhumusartiger Moder Rohhumus
Mächtigkeit desOl-Horizontes
1-3 (5) cm 2-4 (6) cm 2-4 (8) cm
Lagerungsart desOl-Horizontes
meist vernetzt, z. T. schichtig oder verfilzt
schichtig oder sperrig sperrig, z. T. schichtig,z. T. biegefähig
Schärfe d. Übergängezwischen den Horiz.
unscharf (3-6 mm), z. T. sehr unscharf (>6 mm)
scharf (<3 mm), z. T. sehr scharf
meist sehr scharf(linienhaft)
Trennbarkeit desAuflagehumus vom Mineralboden
schlecht trennbar gut trennbar sehr gut trennbar,z. T. schollig ablösend
Aeh
Ahe Ahe + Ae
BsvBs/Bh
Ae
Ahe
Oh
LOf
Nadelförna
Bv zunehmend basenärmer
+10
0
-10
-20
cm
Durchwurzelung des Oh-Horizontes
mittel bis sehr stark(Feinwurzeln)
schwach (Feinwurzeln)zahlreiche Grobwurzeln
zahlreiche GrobwurzelnDurchwurzelung des Oh-Horizontes
mittel bis sehr stark(Feinwurzeln)
schwach (Feinwurzeln)zahlreiche Grobwurzeln
zahlreiche Grobwurzeln
Lagerungsart desOh-Horizontes
meist bröckelig,z. T. schichtig
kompakt,z. T. unscharf brechbar
kompakt, scharfkantigbrechbar, z. T. lagig
Lagerungsart desOh-Horizontes
meist bröckelig,z. T. schichtig
kompakt,z. T. unscharf brechbar
kompakt, scharfkantigbrechbar, z. T. lagig
Mächtigkeit desOh-Horizontes
feinhumusarm <2 cmfeinhumusreich >2 cm
feinhumusarm <3 cmfeinhumusreich >3 cm
feinhumusarm <4 cmfeinhumusreich >4 cm
Mächtigkeit desOh-Horizontes
feinhumusarm <2 cmfeinhumusreich >2 cm
feinhumusarm <3 cmfeinhumusreich >3 cm
feinhumusarm <4 cmfeinhumusreich >4 cm
Horizontfolgen L/Of/Oh/Aeh/...oder L/Of/Oh/Ahe/...oderL/Of/Oh/Aeh+Ae/...oder L/Of/Oh/Ah/...
L/Of/Oh/Ahe/...oderL/Of/Oh/Ahe+Ae/...oderL/Of/Oh/Ahe/Ae/B(s)h/...
L/Of/Oh/Ahe+Ae/...oderL/Of/Oh/Ahe/Ae/B(s)h/...
Horizontfolgen L/Of/Oh/Aeh/...oder L/Of/Oh/Ahe/...oderL/Of/Oh/Aeh+Ae/...oder L/Of/Oh/Ah/...
L/Of/Oh/Ahe/...oderL/Of/Oh/Ahe+Ae/...oderL/Of/Oh/Ahe/Ae/B(s)h/...
L/Of/Oh/Ahe+Ae/...oderL/Of/Oh/Ahe/Ae/B(s)h/...
Humusform Typischer Moder Rohhumusartiger Moder RohhumusHumusform Typischer Moder Rohhumusartiger Moder Rohhumus
Mächtigkeit desOl-Horizontes
1-3 (5) cm 2-4 (6) cm 2-4 (8) cmMächtigkeit desOl-Horizontes
1-3 (5) cm 2-4 (6) cm 2-4 (8) cm
Lagerungsart desOl-Horizontes
meist vernetzt, z. T. schichtig oder verfilzt
schichtig oder sperrig sperrig, z. T. schichtig,z. T. biegefähig
Lagerungsart desOl-Horizontes
meist vernetzt, z. T. schichtig oder verfilzt
schichtig oder sperrig sperrig, z. T. schichtig,z. T. biegefähig
Schärfe d. Übergängezwischen den Horiz.
unscharf (3-6 mm), z. T. sehr unscharf (>6 mm)
scharf (<3 mm), z. T. sehr scharf
meist sehr scharf(linienhaft)
Schärfe d. Übergängezwischen den Horiz.
unscharf (3-6 mm), z. T. sehr unscharf (>6 mm)
scharf (<3 mm), z. T. sehr scharf
meist sehr scharf(linienhaft)
Trennbarkeit desAuflagehumus vom Mineralboden
schlecht trennbar gut trennbar sehr gut trennbar,z. T. schollig ablösend
Trennbarkeit desAuflagehumus vom Mineralboden
schlecht trennbar gut trennbar sehr gut trennbar,z. T. schollig ablösend
Bodenkunde Bodengenese und -systematik - 4 -
Ai
mC
Ai
IC
Syrosem Lockersyrosem
Kl. Terrestrische Rohböden
Bodensystematik der BRD
Rohböden
die ersten Stadien der Bodenbildung Horizontfolge Ai / C
Unterscheidung nach Ausgangsgestein (C-Horizont): Syrosem aus Festgestein, innerhalb 3 dm unter der Oberfläche beginnend Lockersyrosem aus Lockergestein, innerhalb der obersten 3 dm kein Festgestein
WWöörrtteerrbbuucchh ddeerr BBooddeennkkuunnddee,, HHiinntteerrmmeeiieerr--EErrhhaarrdd uunndd ZZeecchh,, 11999977
Vorkommen: � in sehr jungen Sedimenten (zu kurze Entwicklungszeit) � an Stellen intensiver Erosion (Abtrag stärker verwitterten Materials) Entwicklung im gemäßigt-humiden Klima je nach Ausgangsgestein zu Ah/C – Böden
LLoocckkeerrssyyrroosseemm iinn WWaatttt--SScchhlliicckk ((rreedduuzziieerrtt))
Aufn.: H.H.Becher, nordwestlich Husum, südlich Verbindungsdamm Festland – Insel Nordstrand
LLoocckkeerrssyyrroosseemm-- LLoocckkeerrssyyrroosseemm GGeenneerraattiioonneenn aauuss SSaanndd iinn DDüünneennssaanndd üübbeerr ffAAhh AAuuffnn..:: HH..HH..BBeecchheerr
HHeeiilliiggeennhhaaffeenn,, LLkkrr.. OOHH
AAuuffnn..:: HH..HH.. BBeecchheerr WWeessttssttrraanndd bbeeii PPrreerrooww,, LLkkrr.. NNVVPP
Bodenkunde Bodengenese und -systematik - 5 -
Ah
cC
RendzinaRegosol
Ah
imC
Ranker Pararendzina
Ah
eC
Ah
ilC
Kl. Ah/C-Böden
Ah/C - Böden
Ah-Horizont mit Akkumulation von Humus über weitgehend unverwittertem Ausgangsgestein (C-Horizont); bei Ackernutzung: Ap-Horizont
ÜÜbbeerrssiicchhtt KKll.. AAhh//CC –– BBööddeenn
WWöörrtteerrbbuucchh ddeerr BBooddeennkkuunnddee,,
HHiinntteerrmmeeiieerr--EErrhhaarrdd uunndd ZZeecchh,, 11999977
Vorkommen: in jungen Sedimenten oder bei Erosion von stärker verwittertem Material.
Die wichtigsten Bodeneigenschaften werden weitgehend vom Ausgangsgestein bestimmt:
- bodenphysikalische Kenngrößen (Wasserspeicherung oder Durchwurzelungswiderstand)
- bodenchemische Eigenschaften (z.B. Versauerungswiderstand, Nährstoffnachlieferung).
Durch Humusakkumulation werden nur die Eigenschaften des Ah-Horizonts verändert (Färbung, Wasserspeicherung, Ionenbindung usw.).
Je nach Ausgangsgestein unterscheidet man:
� Ranker aus silikatischem (carbonatarmem oder -freiem) Festgestein
� Regosol aus silikatischem (carbonatarmem oder -freiem) Lockergestein
� Rendzina aus Kalk- oder Gipsgestein
� Pararendzina aus carbonathaltigem silikatischem Gestein.
Weiterentwicklung der Ah/C - Böden führt zu folgenden Klassen:
Pelosole Terrae calcis
Braunerden Stauwasserböden
Lessivés Auenböden
Podsole Gleye
Schwarzerden Marschen
Moore
Diese weiteren Klassen werden im Rahmen der Bodenentwicklungsreihen behandelt. Eine zusammenfassende Übersicht finden Sie unten.
Neben der deutschen Systematik wurden eine Vielzahl nationaler sowie einige internationale Klassifikationssysteme entwickelt. Für die Arbeit außerhalb Mitteleuropas von besonderer Bedeutung sind folgende Systeme:
Soil Taxonomy (USA) FAO Weltbodenkarte World Reference Base for Soil Resources (WRB)
Bodenkunde Bodengenese und -systematik - 6 -
Bodenentwicklungsreihen
In den gemäßigten Breiten spielt das Ausgangsgestein eine wesentliche Rolle in der Bodenentwicklung. Deshalb lassen sich Bodenentwicklungsreihen basierend auf den flächenmäßig bedeutendsten Ausgangsgesteinen darstellen.
SScchheemmaattiisscchhee DDaarrsstteelllluunngg wwiicchhttiiggeerr tteerrrreessttrriisscchheerr BBooddeennttyyppeennsseeqquueennzzeenn aauuss uunntteerrsscchhiieeddlliicchheenn SSuubbssttrraatteenn (in Klammern Äquivalente nach WRB)
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997 verändert nach Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, 2005 World Reference Base for Soil Resources (WRB), IUSS Working Group WRB, 2006 (World Soil Resources Reports 103, FAO, Rom)
Die Bodenentwicklung der Landböden Mitteleuropas durchlief diese Entwicklungsstadien. Allerdings ist das Endstadium nicht immer erreicht, da die Bodenentwicklung in Mitteleuropa erst nach dem Ende der letzten (Würm-)Eiszeit begann, also vor etwa 10 000 bis 12 000 Jahren.
Carbonatgesteine(Kalk, Dolomit)
Tonarme, quarz- undsilikatreiche Gesteine
Kalk-Silikat-Mischgesteine(Mergelgesteine, Löss)
Tongesteine undTonmergelgesteine
AicmC
AiclC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AiilC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AiimC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
AiemC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
AielC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AimC
AilC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
Ah
TvC
Terra fusca(z.B. VerticCambisol)
(Ahe)
Ae
Al-BshBt
C
Braunerde(Cambisol)
Ah
BvC
Ah
Al
BtC
Axh
Axh+IC(c)C
Para-braunerde
(Luvisol, Alisol)
Tschernosem(Phaeozem, Chernozem)
Ah
Bv-P
C
AhSw-P
P-Sd
C
Braunerde-Pelosol(Vertic
Cambisol)
Pseudogley-Pelosol(Stagnic
Cambisol)
Ah
cC
Ah
cC
Rendzina(z.B. Rendzic
Leptosol)
Rendzina(z.B. Phaeozem)
Ah
ilC
Regosol(z.B. Umbrisol)
Ah
imC
Ranker(z.B. Umbric
Leptosol)
Ah
eC
Pararendzina(z.B MollicLeptosol)
Ah
eC
Pararendzina(z.B. Phaeozem)
(P-)Ah
PC
Pelosol(z.B. Vertisol)
Podsol-Parabraunerde(z.B. Albic Alisol)
(Ahe)
AeB(s)h
B(h)s
C
Podsol(Podzol)
Sw-Ah
S(e)rw
(II)Srd
Ah
Sw
Sd
Pseudogley(z.B. Stagnosol)
Stagnogley(z.B. Stagnosol)
Carbonatgesteine(Kalk, Dolomit)
Tonarme, quarz- undsilikatreiche Gesteine
Kalk-Silikat-Mischgesteine(Mergelgesteine, Löss)
Tongesteine undTonmergelgesteine
Carbonatgesteine(Kalk, Dolomit)
Tonarme, quarz- undsilikatreiche Gesteine
Kalk-Silikat-Mischgesteine(Mergelgesteine, Löss)
Tongesteine undTonmergelgesteine
AicmC
AiclC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AiilC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AiimC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
AiemC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
AielC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AimC
AilC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AicmC
AiclC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AiilC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AiimC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
AiemC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
AielC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AimC
AilC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
Ah
TvC
Terra fusca(z.B. VerticCambisol)
(Ahe)
Ae
Al-BshBt
C
Braunerde(Cambisol)
Ah
BvC
Ah
Al
BtC
Axh
Axh+IC(c)C
Para-braunerde
(Luvisol, Alisol)
Tschernosem(Phaeozem, Chernozem)
Ah
Bv-P
C
AhSw-P
P-Sd
C
Braunerde-Pelosol(Vertic
Cambisol)
Pseudogley-Pelosol(Stagnic
Cambisol)
Ah
TvC
Terra fusca(z.B. VerticCambisol)
(Ahe)
Ae
Al-BshBt
C
Braunerde(Cambisol)
Ah
BvC
Ah
Al
BtC
Axh
Axh+IC(c)C
Para-braunerde
(Luvisol, Alisol)
Tschernosem(Phaeozem, Chernozem)
Ah
Bv-P
C
AhSw-P
P-Sd
C
Braunerde-Pelosol(Vertic
Cambisol)
Pseudogley-Pelosol(Stagnic
Cambisol)
Ah
cC
Ah
cC
Rendzina(z.B. Rendzic
Leptosol)
Rendzina(z.B. Phaeozem)
Ah
ilC
Regosol(z.B. Umbrisol)
Ah
imC
Ranker(z.B. Umbric
Leptosol)
Ah
eC
Pararendzina(z.B MollicLeptosol)
Ah
eC
Pararendzina(z.B. Phaeozem)
(P-)Ah
PC
Pelosol(z.B. Vertisol)
Ah
cC
Ah
cC
Rendzina(z.B. Rendzic
Leptosol)
Rendzina(z.B. Phaeozem)
Ah
ilC
Regosol(z.B. Umbrisol)
Ah
imC
Ranker(z.B. Umbric
Leptosol)
Ah
eC
Pararendzina(z.B MollicLeptosol)
Ah
eC
Pararendzina(z.B. Phaeozem)
(P-)Ah
PC
Pelosol(z.B. Vertisol)
Podsol-Parabraunerde(z.B. Albic Alisol)
(Ahe)
AeB(s)h
B(h)s
C
Podsol(Podzol)
Sw-Ah
S(e)rw
(II)Srd
Ah
Sw
Sd
Pseudogley(z.B. Stagnosol)
Stagnogley(z.B. Stagnosol)
Podsol-Parabraunerde(z.B. Albic Alisol)
(Ahe)
AeB(s)h
B(h)s
C
Podsol(Podzol)
Sw-Ah
S(e)rw
(II)Srd
Ah
Sw
Sd
Pseudogley(z.B. Stagnosol)
Stagnogley(z.B. Stagnosol)
quarz- und silikatreiche Gesteine - 1 -
Ah
ilC
humoserOberboden
stetscarbonatfrei
silikatischesLockermaterial
carbonatfrei bis-arm (< 2 %)
Tonarme, quarz- und silikatreiche Gesteine
AiimC
Syrosem(Lithic Leptosol)
AiilC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
Braunerde (Cambisol)
AhBvC
Podsol (Podzol)
(Ahe)Ae
B(s)hB(h)s
C
AhimC
Ranker(z.B. Umbric Leptosol)
AhilC
Regosol(z.B. Umbrisol)
Tonarme, quarz- und silikatreiche Gesteine
AiimC
Syrosem(Lithic Leptosol)
AiilC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
Braunerde (Cambisol)
AhBvC
Podsol (Podzol)
(Ahe)Ae
B(s)hB(h)s
C
AhimC
Ranker(z.B. Umbric Leptosol)
AhilC
Regosol(z.B. Umbrisol)
Bodenentwicklung auf tonarmen, quarz- und silikatreichen Gesteinen Ausgangsmaterial Carbonatfreie oder carbonatarme (meist < 2%) Quarz- oder Silikatlockergesteine Carbonatfreie oder carbonatarme (meist < 2%) Quarz- oder Silikatfestgesteine Aus nährstoffarmen Ausgangsgesteinen, wie z.B. Quarzit oder Sandstein, entstehen basenarme, saure und nährstoffarme Böden. Relativ nährstoffreiche Böden entwickeln sich auf basenreichen Ausgangsgesteinen, z.B. Basalt.
Bodenentwicklungsreihe
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997, verändert nach Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, 2005
World Reference Base for Soil Resources (WRB), IUSS Working Group WRB, 2006 (World Soil Resources Reports 103, FAO, Rom)
Ranker aus Festgestein oder Blockschutt
Regosol aus Lockergestein
Horizontfolge: Ah / C
Als Klimaxstadium nur in kühlgemäßigten Klimaten oder in Hanglage, wo eine Weiterentwicklung zur Braunerde nicht möglich ist.
HHoorriizzoonnttffoollggee uunndd EEiiggeennsscchhaafftteenn eeiinneess RReeggoossoollss
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997
quarz- und silikatreiche Gesteine - 2 -
PPrrooffiillddaarrsstteelllluunngg:: RRaannkkeerr
Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen.
http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip
RRaannkkeerr aauuss DDiiaabbaass Aufn.: U. Schwertmann, Harz
RReeggoossooll aauuss DDüünneennssaanndd ((AAuuffnn..:: RReeuutteerr,, KKrreeiiss WWoollllggaasstt))
Braunerde
Horizontfolge: Ah / Bv / C diagnostischer Horizont: Bv-Horizont durch Verwitterung verbraunter und verlehmter, mineralischer Unterbodenhorizont
Bodenbildende Prozesse
� Humusbildung
� Verbraunung: bei der Verwitterung der primären Silikate entstehen feinverteilte Eisen(hydr)oxide, vor allem Goethit, die Überzüge auf Tonmineralen und Quarzkörnern bilden und so die typische Verbraunung hervorrufen
� Verlehmung: Bildung von Tonmineralen und Eisen(hydr)oxiden führt zu einer Verschiebung in der Bodenart hin zu feinerer Körnung, die neugebildeten Tonminerale unterliegen aber keiner Verlagerung
Bv-Horizont: gleichmäßig braun, neutral bis sauer reagierend, KAK > 16 cmolc kg-1 Ton; Abgrenzung zum darunter folgenden Horizont aufgrund der Bodenfarbe, der Bodenart, der Gefügeprägung, des pH-Wertes sowie der Kationenaustauschkapazität (der Tonfraktion)
Übergangs-Bv-Horizonte: Anreicherung mit Sekundärcarbonat (Bcv), Humusanreicherung (Bhv), Anreicherung mit Sesquioxiden (Bsv), Tonanreicherung (Btv)
Humus
Tonminerale
einzelneSteine
Humifizierung
Versauerung
Verwitterung
Humus
Tonminerale
Steine(Skelett)
Humifizierung
Versauerung
Verwitterung
kompaktesGestein oder Blockschutt
(Verwitterung)
Ah
Ah-C
imC
HumusTonpHStoffbestand Prozesse
Humus
Tonminerale
einzelneSteine
Humifizierung
Versauerung
Verwitterung
Humus
Tonminerale
einzelneSteine
Humus
Tonminerale
einzelneSteine
Humifizierung
Versauerung
Verwitterung
Humifizierung
Versauerung
Verwitterung
Humus
Tonminerale
Steine(Skelett)
Humifizierung
Versauerung
Verwitterung
Humus
Tonminerale
Steine(Skelett)
Humus
Tonminerale
Steine(Skelett)
Humifizierung
Versauerung
Verwitterung
Humifizierung
Versauerung
Verwitterung
kompaktesGestein oder Blockschutt
(Verwitterung)kompaktesGestein oder Blockschutt
(Verwitterung)
Ah
Ah-C
imC
AhAh
Ah-CAh-C
imCimC
HumusHumusTonTonpHpHStoffbestand ProzesseStoffbestandStoffbestandStoffbestand ProzesseProzesseProzesseProzesse
quarz- und silikatreiche Gesteine - 3 -
PPrrooffiillddaarrsstteelllluunngg:: BBrraauunneerrddee
Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen, http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip
In der WRB-Klassifikation gehören die meisten Braunerden zur Gruppe der Cambisols, in der Soil Taxonomy zu den Inceptisols.
Differenzierung nach Nährstoffgehalt/Basensättigung:
� Eutrophe Braunerde aus silikatreichen Gesteinen (Humusform Mull, Moder) hoher Versauerungswiderstand aufgrund des Mineralbestands (viele Glimmer, Augite, Amphibole, Hornblenden) Nährstoffvorrat deshalb hoch bei der Verwitterung entstehen größere Mengen an sekundären Mineralen, die sich günstig auf das Gefüge sowie auf den Nährstoff- und Wasserhaushalt auswirken
� Basenreiche Braunerde aus silikatärmeren, meist schwach carbonathaltigen Gesteinen (Humusform Mull, Moder)
kann sich zur Parabraunerde weiterentwickeln
� Dystrophe/basenarme Braunerde aus silikatarmen, quarzreichen Gesteinen (Humusform Moder)
� Die basenarme Braunerde entwickelt sich weiter zum Podsol.
BBrraauunneerrddee aauuss BBaassaalltt
Ah (0–25cm) dunkelgraubrauner, sehr stark humoser, steiniger, schluffiger Lehm Krümelgefüge sehr gut durchwurzelt
Bv (25-60cm) graubrauner, stark humoser, stark steiniger, schluffiger Lehm krümelig-subpolyedrisches Gefüge gut durchwurzelt Bv-Cv (60-100cm+) brauner, humoser, stark steiniger, schluffiger Lehm Subpolyedergefüge schwach gegliedert
Merkblatt der Bayerischen Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau; Abteilung Boden- und Landschaftspflege
Ah
Bv
C
Eisenoxide
Tonminerale Verwitterung
Mineral-neubildung
Ausgangs-gestein
(Verwitterung)
Humus
Fe-OxideTonminerale
pHStoffbestand Prozesse
Humus
Tonminerale
Eisenoxide
Humifizierung
Verwitterung
Mineral-neubildung
Ah
Bv
C
AhAh
BvBv
CCC
Eisenoxide
Tonminerale Verwitterung
Mineral-neubildung
Eisenoxide
Tonminerale
Eisenoxide
Tonminerale Verwitterung
Mineral-neubildung
Verwitterung
Mineral-neubildung
Ausgangs-gestein
(Verwitterung)Ausgangs-gestein
(Verwitterung)
HumusHumus
Fe-OxideTonmineraleFe-OxideTonminerale
pHpHStoffbestand ProzesseStoffbestandStoffbestandStoffbestand ProzesseProzesseProzesseProzesse
Humus
Tonminerale
Eisenoxide
Humifizierung
Verwitterung
Mineral-neubildung
Humus
Tonminerale
Eisenoxide
Humus
Tonminerale
Eisenoxide
Humifizierung
Verwitterung
Humifizierung
Verwitterung
Mineral-neubildung
quarz- und silikatreiche Gesteine - 4 -
BBrraauunneerrddee aauuss TTeerrrraasssseennssaanndd ((BBuurrggssaannddsstteeiinn)) Ap (0–20cm) dunkelgraubrauner, humoser Sand, Einzelkorn- und Krümelgefüge, stark porös, zahlreiche Wurmgänge sehr gut durchwurzelt Bv (20-65cm) rötlichgelbbrauner, schwach steiniger Mittelsand, Einzelkorngefüge, stark porös, zahlreiche Wurmgänge gut durchwurzelt
Cv (65-100cm+) hellgraubrauner, schwach steiniger Grobsand mit rötlichbrauner unregelmäßiger Bänderung
Einzelkorngefüge, stark porös
Merkblatt der Bayerischen Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau; Abteilung Boden- und Landschaftspflege
BBrraauunneerrddee mmiittttlleerreerr EEnnttwwiicckklluunnggssttiieeffee aauuss GGnneeiiss
Ap (0–20cm) dunkelgraubrauner, humoser, lehmiger Sand, Krümelgefüge Bv (20-40cm) gelbbrauner, schwach steiniger, stark lehmiger Sand, kohärent, porös, gut durchwurzelt Bv-Cv (40-55cm) braungelber, schwach steiniger, schluffiger Sand, kohärent, porös, durchwurzelt Cv (55-100cm+) grüngrauer, dichtgepackter Gesteinsschutt
Merkblatt der Bayerischen Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau; Abteilung Boden- und Landschaftspflege
Ökologische Eigenschaften und Nutzung
Ranker/Regosol Eigenschaften maßgeblich vom Ausgangsgestein beeinflusst
Geringe nutzbare Wasserspeicherleistung, niedrige Nährstoffvorräte
Regosol gut durchwurzelbar, Ranker häufig skelettreich
Ranker meist nur in Hanglage zu finden, deshalb als extensives Grünland oder forstlich genutzt
Regosole oft sandig ausgeprägt, ackerbauliche Nutzung nur möglich bei ausreichender Beregnung oder Bewässerung und ständiger organischer Düngung
Braunerde Braunerden aus Sanden können bei gesicherter Beregnung ackerbaulich genutzt werden, sehr gut für den Sonderkulturanbau (z.B. Spargel, Tabak)
Braunerden aus Löss gehören neben den Parabraunerden aus Löss zu den ertragreichsten und ertragsichersten Böden ackerbauliche Nutzung bei Flachgründigkeit und hohem Kies- und Steingehalt eingeschränkt; dann oft forstwirtschaftlich genutzt
quarz- und silikatreiche Gesteine - 5 -
Podsol
Horizontfolge: Ahe/Ae/Bh/Bs/C Name stammt aus dem russischen Sprachraum, fahle Farbe im Ae-Horizont für „Asche-Boden“
Profilkennzeichnung: aschgrauer Ae-Horizont (Eluvialhorizont); meist mit scharfem Übergang zum dunklen Bh- und Bs-Horizont (Illuvialhorizont); dieser kann enormen Verfestigungsgrad besitzen (Ortstein)
Horizontgrenzen oftmals nicht oberflächenparallel, ineinander verzahnt, keil-, zapfen- und tropfenförmig
PPrrooffiillddaarrsstteelllluunngg:: PPooddssooll ((MMiinneerraallbbooddeenn))
Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen, http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip
Die Podsolierung beinhaltet die Sauerbleichung des Oberbodens (Ae-Horizont). Sie findet bei niedrigem (saurem) pH-Wert statt und führt zur intensiven Zerstörung primärer und sekundärer Minerale.
1. In der Humusauflage bilden sich reichlich saure, niedermolekulare organische Säuren (DOM = dissolved organic matter, Fulvosäuren), die als Komplexbildner fungieren können.
2. Im A-Horizont werden bei sehr sauren pH-Werten die Silikate und Eisen(hydr)oxide zerstört und die freiwerdenden Kationen durch die organischen Säuren komplex gebunden.
3. Die Ionen wandern frei und/oder im Komplex gebunden mit dem Sickerwasser im Profil nach unten. � Durch diese Prozessabfolge entsteht ein sauergebleichter Auswaschungs- oder
Eluvialhorizont (Ae).
4. Im Unterboden können diese Komplexe bei höheren pH-Werten wieder hydrolysieren, und es bilden sich unlösliche Fe- und Al-Oxide (Sesquioxide). Gelöste organische Substanz wird daran sorbiert.
5. Durch den mikrobiellen Abbau der organischen Liganden verändert sich das Verhältnis von Metall-Ion/C, so dass die dadurch unlöslich gewordenen Komplexe ausfällen. � Durch diese Prozessabfolge entsteht ein Anreicherungs- oder Illuvialhorizont (Bh, Bs). Im
oberen Bereich des B-Horizonts werden die organischen Stoffe angereichert (Bh, braunschwarz), darunter die Sesquioxide (Bs, rostbraun).
Die Sesquioxide des Bs-Horizonts können sich zu Ortstein verfestigen. Der Ortstein wirkt sich ungünstig auf das Pflanzenwachstum und die Kulturfähigkeit der Podsole aus, da er zu Staunässe führen kann und den Wurzelraum stark begrenzt.
je nachAusgangs-gestein
evtl.Entkalkung
Fe-, Al-Oxide
Huminstoffe
Komplexe
Ausfällung
Koagulation
Akkumulation
Fe-Oxide HumuspH
basenarmerSand
Verwitterung
Auswaschung
Stoffbestand Prozesse
Ahe
BhBs
Ae
C
Humus Humusbildung
VerwitterungbasenarmerSand Auswaschung
je nachAusgangs-gestein
evtl.Entkalkung
je nachAusgangs-gestein
evtl.Entkalkung
Fe-, Al-Oxide
Huminstoffe
Komplexe
Ausfällung
Koagulation
Akkumulation
Fe-, Al-Oxide
Huminstoffe
Komplexe
Fe-, Al-Oxide
Huminstoffe
Komplexe
Ausfällung
Koagulation
Akkumulation
Ausfällung
Koagulation
Akkumulation
Fe-OxideFe-Oxide HumusHumuspHpH
basenarmerSand
Verwitterung
Auswaschung
basenarmerSand
Verwitterung
Auswaschung
Verwitterung
Auswaschung
Stoffbestand ProzesseStoffbestandStoffbestandStoffbestand ProzesseProzesseProzesse
Ahe
BhBsBhBs
AeAe
CC
Humus Humusbildung
VerwitterungbasenarmerSand Auswaschung
Humus Humusbildung
Verwitterung
Humusbildung
VerwitterungbasenarmerSand Auswaschung
quarz- und silikatreiche Gesteine - 6 -
Die Podsolierung wird durch solche Bedingungen gefördert, die die eben genannten Prozesse begünstigen:
� durchlässiges Material
� Ausgangsmaterial mit geringem Versauerungswiderstand
� nährstoffarmes Ausgangsmaterial und damit nährstoffarme Streu vor allem von Koniferen (Kiefern, Wacholder), Erica, Calluna und Rhododendron. Die typische Humusform der Podsole ist der Rohhumus.
� kühl-feuchtes Klima und hohe Niederschläge
WRB: Podzol
US-Soil Taxonomy: Spodosol
HHuummuussppooddssooll aauuss SSaanndd PPooddssooll aauuss SSaannddsstteeiinn-- VVeerrwwiitttteerruunngg uunntteerr WWaalldd
Aufn.: H.H.Becher, “Auf der Aufn.: U. Schwertmann, Bünte“, Lkr. ROW Eifel
Ökologische Eigenschaften und Nutzung
Nährstoffsorptions- und Nachlieferungsvermögen sehr gering, hauptsächlich an die organische Substanz gekoppelt
geringes Wasserspeichervermögen
häufig forstwirtschaftlich genutzt, mit Baumarten, die geringe Nährstoffansprüche haben und säureverträglich sind
wegen der ungünstigen, bodenphysikalischen Eigenschaften für die landwirtschaftliche Nutzung nur beschränkt geeignet; geeignet für Anbau von Kartoffeln und Roggen
Bodenzahlen von 20 bis 25 Punkten
landwirtschaftliche Kulturen müssen evtl. in Abhängigkeit von der Witterung bewässert werden
regelmäßige und standortsangepasste Düngung erforderlich
Nutzbarkeit eingeschränkt, wenn verfestigte Ortsteinhorizonte oberflächennah vorhanden; können durch eine Tieflockerungsmaßnahme beseitigt werden;
landwirtschaftliche Bearbeitung ist aber insgesamt einfach, d.h. es kann unter Umständen auf den Einsatz eines Pfluges verzichtet werden;
Löss und Kalk-Silikat-Mischgestein - 1
Bodenentwicklung auf Löss und anderen
Kalk-Silikat-Mischgesteinen
Typisches Ausgangsmaterial
Löss, Geschiebemergel, kalkhaltige FlussSchotter (z.B. im Voralpenland), Kalksandstein
enthalten 2-75% Carbonat
meist Lockersedimente, häufig eiszeitliche Sedimente
physikalische Verwitterung wenig bedeutend, tiefgründig
vor allem in Flach- oder Hügelländern verbreitet
Löss-Sedimente haben hohen Anteil an der Erdoberfläche (~10%), wichtiges Ausgangsmaterial für
Bodenbildung in China, Ungarn, Nordamerika, Ukraine
Löss in Deutschland: Norddeutschland, um Würzburg, um Straubing, unterbayer. Hügelland,
Alpenvorland
Geschiebemergel: Alpenvorland
WWiicchhttiiggee EEiiggeennsscchhaafftteenn vvoonn
LLöössss uunndd GGeesscchhiieebbeemmeerrggeell
Bodenentwicklungsreihe
Wörterbuch der Bodenkunde,
Hintermeier-Erhard und Zech, 1997
verändert nach:
Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, 2005
World Reference Base for Soil Resources (WRB),
IUSS Working Group WRB, 2006 (World Soil
Resources Reports 103, FAO, Rom)
LLöössss GeschiebemergelGeschiebemergel
unterschiedlich
gemeinsam
Lockersedimente
Carbonathaltig
Pleistozän (jung)
Ebene bis hügelige Lagen
schlecht sortiertschlecht sortiert
alle Korngralle Korngrößößenen
glazigenglazigen
GletscherbereichGletscherbereich
gut sortiertgut sortiert
vorwiegend vorwiegend SchluffSchluff
ääolischolisch
periglazialerperiglazialer RaumRaum
LLöössss GeschiebemergelGeschiebemergel
unterschiedlichunterschiedlich
gemeinsamgemeinsam
Lockersedimente
Carbonathaltig
Pleistozän (jung)
Ebene bis hügelige Lagen
Lockersedimente
Carbonathaltig
Pleistozän (jung)
Ebene bis hügelige Lagen
schlecht sortiertschlecht sortiert
alle Korngralle Korngrößößenen
glazigenglazigen
GletscherbereichGletscherbereich
gut sortiertgut sortiert
vorwiegend vorwiegend SchluffSchluff
ääolischolisch
periglazialerperiglazialer RaumRaum
schlecht sortiertschlecht sortiert
alle Korngralle Korngrößößenen
glazigenglazigen
GletscherbereichGletscherbereich
schlecht sortiertschlecht sortiert
alle Korngralle Korngrößößenen
glazigenglazigen
GletscherbereichGletscherbereich
gut sortiertgut sortiert
vorwiegend vorwiegend SchluffSchluff
ääolischolisch
periglazialerperiglazialer RaumRaum
gut sortiertgut sortiert
vorwiegend vorwiegend SchluffSchluff
ääolischolisch
periglazialerperiglazialer RaumRaum
Kalk-Silikat-Mischgesteine (Mergelgesteine, Löss)
AiemC
Syrosem(Lithic Leptosol)
AielC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AheC
Pararendzina(z.B. Mollic Leptosol)
AheC
Pararendzina(z.B. Phaeozem)
Parabraunerde(Luvisol, Alisol)
AhAlBtC
Tschernosem(Phaeozem, Chernozem)
AxhAxh+IC(c)
IC(c)
Stagnogley(z.B. Stagnosol)
Sw-AhS(e)rwIISrd
Pseudogley(z.B. Stagnosol)
AhSwSd
Kalk-Silikat-Mischgesteine (Mergelgesteine, Löss)
AiemC
Syrosem(Lithic Leptosol)
AielC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AheC
Pararendzina(z.B. Mollic Leptosol)
AheC
Pararendzina(z.B. Phaeozem)
Parabraunerde(Luvisol, Alisol)
AhAlBtC
Tschernosem(Phaeozem, Chernozem)
AxhAxh+IC(c)
IC(c)
Stagnogley(z.B. Stagnosol)
Sw-AhS(e)rwIISrd
Pseudogley(z.B. Stagnosol)
AhSwSd
Löss und Kalk-Silikat-Mischgestein - 2
Bodenentwicklungsreihe in der Landschaft
EEnnttwwiicckklluunnggssrreeiihhee aauuss
LLöössss uunndd GGeesscchhiieebbeemmeerrggeell
Syrosem / Lockersyrosem
Horizontfolge Ai/C
Syrosem aus Festgestein
Lockersyrosem aus Lockergestein
Pararendzina
Horizontfolge Ah/eC
Ah < 40 cm mächtig (sonst Schwarzerde)
Wichtige bodenbildende Prozesse
� Carbonatverarmung (aber Ah noch carbonathaltig),
� Gefügebildung (Krümelgefüge), häufig koprogene Aggregate (aus Tierlosung)
� Humusakkumulation
� Physikalische Verwitterung
PPrrooffiillddaarrsstteelllluunngg:: PPaarraarreennddzziinnaa
FFiisscchheerr,, WW..RR..,,
BBooddeennkkuunnddee,, UUnnii HHaannnnoovveerr,, BBooddeennttyyppeenn ((vveerräännddeerrtt)),,
hhttttpp::////wwwwww..uunniiccss..uunnii--hhaannnnoovveerr..ddee//ffiisscchheerr//ttyyppeenn..zziipp
Als Klimaxstadium nur in semiariden Gebieten (z.B. auf Löss in der Oberrheinebene) und in
Hanglagen, wo durch Erosion ständig carbonathaltiges Material freigelegt wird
Weiterentwicklung meist zur Parabraunerde (oft über kurzes Braunerdestadium), z.T. auch zur
Schwarzerde
ParabraunerdeParabraunerde--PseudogleyPseudogleyAh/AlAh/Al--Sw/BtSw/Bt--Sd/ICSd/IC
Bt-Sd
lC
AhAl-Sw
���� ��������ParabraunerdeParabraunerdeAh/Al/Bt/ICAh/Al/Bt/IC
BraunerdeAh/Bv/IC
SchwarzerdeAxh/lC
AhAlBt
lC
Locker-syrosemAi/IC
PararendzinaPararendzinaAh/ICAh/IC
����
lC
Ah
ParabraunerdeParabraunerde--PseudogleyPseudogleyAh/AlAh/Al--Sw/BtSw/Bt--Sd/ICSd/IC
Bt-Sd
lC
AhAl-Sw
ParabraunerdeParabraunerde--PseudogleyPseudogleyAh/AlAh/Al--Sw/BtSw/Bt--Sd/ICSd/IC
Bt-Sd
lC
AhAl-SwBt-Sd
lC
AhAl-Sw
���� ��������ParabraunerdeParabraunerdeAh/Al/Bt/ICAh/Al/Bt/IC
BraunerdeAh/Bv/IC
SchwarzerdeAxh/lC
AhAlBt
lC
ParabraunerdeParabraunerdeAh/Al/Bt/ICAh/Al/Bt/IC
BraunerdeAh/Bv/IC
SchwarzerdeAxh/lC
AhAlBt
lC
AhAlBt
lC
Locker-syrosemAi/IC
PararendzinaPararendzinaAh/ICAh/IC
����
lC
Ah
Locker-syrosemAi/IC
PararendzinaPararendzinaAh/ICAh/IC
����
lC
Ah
lC
Ah
Humifizierung
Entkalkung
Freisetzung vonKationen
Humus
Carbonate(Calcit,Dolomit)
Glimmer
Feldspäte
Carbonat
Humusgehalt
(Ap) (Ah)
Neubildung vonCarbonaten
Carbonate
Feldspäte
usw.
Glimmer
Ah
eC
Stoffbestand Prozesse
Humifizierung
Entkalkung
Freisetzung vonKationen
Humus
Carbonate(Calcit,Dolomit)
Glimmer
Feldspäte
Humifizierung
Entkalkung
Freisetzung vonKationen
Humifizierung
Entkalkung
Freisetzung vonKationen
Humus
Carbonate(Calcit,Dolomit)
Glimmer
Feldspäte
Humus
Carbonate(Calcit,Dolomit)
Glimmer
Feldspäte
CarbonatCarbonat
Humusgehalt
(Ap) (Ah)
Humusgehalt
(Ap) (Ah)
Neubildung vonCarbonaten
Carbonate
Feldspäte
usw.
Glimmer
Neubildung vonCarbonaten
Carbonate
Feldspäte
usw.
Glimmer
Carbonate
Feldspäte
usw.
Glimmer
Ah
eC
Ah
eC
Stoffbestand ProzesseStoffbestandStoffbestandStoffbestand ProzesseProzesseProzesseProzesse
Löss und Kalk-Silikat-Mischgestein - 3
Humus
Bodenart:oft Lehm
Humifizierung(Tonauswaschung)
oft Carbonat Entkalkung
TonauswaschungSchluff
Einlagerung(Ton, Fe-Oxide,Huminstoffe)
Verdichtung
Schluff, Ton,Fe-Oxide,
wenig Huminstoffe
TonHumus pH
Carbonat
Ah
C
Bt
Al
ProzesseStoffbestand
Humus
Bodenart:oft Lehm
Humifizierung(Tonauswaschung)
Humus
Bodenart:oft Lehm
Humus
Bodenart:oft Lehm
Humifizierung(Tonauswaschung)
oft Carbonat Entkalkungoft Carbonat Entkalkung
TonauswaschungSchluff TonauswaschungSchluff
Einlagerung(Ton, Fe-Oxide,Huminstoffe)
Verdichtung
Schluff, Ton,Fe-Oxide,
wenig Huminstoffe
Einlagerung(Ton, Fe-Oxide,Huminstoffe)
Verdichtung
Einlagerung(Ton, Fe-Oxide,Huminstoffe)
Verdichtung
Schluff, Ton,Fe-Oxide,
wenig Huminstoffe
Schluff, Ton,Fe-Oxide,
wenig Huminstoffe
TonTonHumusHumus pHpH
CarbonatCarbonat
Ah
C
Bt
Al
Ah
C
Bt
Al
ProzesseStoffbestand ProzesseProzesseStoffbestandStoffbestand
PPaarraarreennddzziinnaa aauuss sscchhlluuffffiigg--kkiieessiiggeemm GGeesscchhiieebbeelleehhmm
((WWüürrmmmmoorräännee))
Ah (0–25cm)
schwarzbrauner, stark humoser, steiniger, sandig-schluffiger Lehm
Krümelgefüge, porös, zahlreiche Wurmröhren
Cv (25-50cm)
hellbraungrauer, kalkreicher, sandig-lehmiger Kies
Cn (50-100cm)
kalkreicher, sandig- schluffiger Kies (Würmmoräne)
Merkblatt der Bayerischen Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau,
Abteilung Boden- und Landschaftspflege
Eigenschaften und Nutzung
Flachgründige Pararendzinen (aus Festgestein) meist forstlich oder für Weidewirtschaft genutzt
Pararendzinen aus Löss und Geschiebemergel können für Ackerbau oder Weinbau genutzt
werden, da tiefgründig (gut durchwurzelbar auch im C-Horizont), gut durchlüftet und nährstoffreich;
hohe nFK
Pararendzinen aus Schotter oder Bauschutt (anthropogene Böden) haben hohe Steingehalte und
deshalb geringe Wasserspeicherkapazität
Parabraunerde
Horizontfolge Ah/Al/Bt/(Bv/)C
Wichtige bodenbildende Prozesse
� Entcarbonatisierung
� Tonneubildung (durch Verwitterung primärer Silikate), Verbraunung
� Tonverlagerung (Lessivierung)
Unter Lessivierung versteht man die mechanische Verfrachtung von Teilchen der Tonfraktion
(überwiegend Feinton; Tonminerale, Oxide, organomineralische Assoziate) in kolloidaler Form aus
dem Oberboden in den Unterboden mit dem Sickerwasser. Dadurch entsteht ein tonverarmter
Oberbodenhorizont (Al) und ein tonangereicherter, intensiv braun gefärbter Unterbodenhorizont
(Bt).
PPrrooffiillddaarrsstteelllluunngg PPaarraabbrraauunneerrddee aauuss
LLöössss
Fischer, W.R.,
Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen,
http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip
Löss und Kalk-Silikat-Mischgestein - 4
Bei der Lessivierung laufen folgende Prozesse ab:
� Das Bodenprofil ist im Oberboden entkalkt und erreicht pH-Werte zwischen 6,5 und 5,0.
� In diesem pH-Bereich kommt es zu einer Dispergierung der Aggregate in Einzelteilchen.
� Die dispergierten Einzelteilchen der (Fein-)Tonfraktion wandern mit dem Sickerwasser (in den Grobporen) nach unten.
� Der Al-Horizont ist deshalb an Ton verarmt, humusarm, fahlbraun, häufig plattig.
DDiissppeerrggiieerrbbeerreeiittsscchhaafftt ddeess TToonneess
Im Unterboden werden die Kolloide wieder festgehalten. Dafür können verschiedene Faktoren eine
Rolle spielen:
� mechanische Ausfilterung der Teilchen,
� höhere Elektrolytgehalte der Bodenlösung (da Unterboden noch carbonathaltig) und dadurch Ausflocken der Teilchen.
� Dadurch entstehen im Bt-Horizont typische Auskleidungen der Grobporen in Form von glänzenden Tonhäutchen (Toncutane).
BBooddeennddüünnnnsscchhlliiffff eeiinneerr PPaarraabbrraauunneerrddee mmiitt
ppaarraalllleell oorriieennttiieerrtteenn TToonnccuuttaanneenn aann ddeenn
WWäännddeenn eeiinneerr GGrroobbppoorree
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech,
1997
Boden-matrix
Mineral-körner
Grobpore
parallel angeordneteToncutane
Boden-matrix
Mineral-körnerMineral-körner
GrobporeGrobpore
parallel angeordneteToncutane
parallel angeordneteToncutane
parallel angeordneteToncutane
5 pH67CaCO3
Dis
pe
rgie
rbe
reit
sch
aft
keine Ca-Brückenniedrige Ca-Konzentration
der Bodenlösung
pH 6,5- 5,5dispergiert
H
Ca H
HH
H
H
H
H
HH
H
HH
HCa
CaCa
Ca
Ca
Ca
+ H+ ����+ H+ ����
Ca
Ca-Brückenhohe Ca-Konzentration
der Bodenlösung
pH>7geflockt
(Ca2+)
Ca
Ca
Ca
Ca
CaCa
Ca
CaCa
Ca
Ca Ca
Ca
Al-Brücken
(Al3+ )
pH <5geflockt
Al
Al
Al
AlAl
Al
Al
AlAl
5 pH67CaCO3
Dis
pe
rgie
rbe
reit
sch
aft
keine Ca-Brückenniedrige Ca-Konzentration
der Bodenlösung
pH 6,5- 5,5dispergiert
H
Ca H
HH
H
H
H
H
HH
H
HH
HCa
CaCa
Ca
Ca
Ca
keine Ca-Brückenniedrige Ca-Konzentration
der Bodenlösung
pH 6,5- 5,5dispergiert
H
Ca H
HH
H
H
H
H
HH
H
HH
HCa
CaCa
Ca
Ca
CaH
Ca H
HH
H
H
H
H
HH
H
HH
HCa
CaCa
Ca
Ca
Ca
+ H+ ����+ H+ ����
Ca
Ca-Brückenhohe Ca-Konzentration
der Bodenlösung
pH>7geflockt
(Ca2+)
Ca
Ca
Ca
Ca
CaCa
Ca
CaCa
Ca
Ca Ca
Ca
Ca
Ca-Brückenhohe Ca-Konzentration
der Bodenlösung
pH>7geflockt
(Ca2+)
Ca
Ca
Ca
Ca
CaCa
Ca
CaCa
Ca
Ca Ca
Ca
Ca-Brückenhohe Ca-Konzentration
der Bodenlösung
pH>7geflockt
(Ca2+)
Ca
Ca
Ca
Ca
CaCa
Ca
CaCa
Ca
Ca Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
CaCa
Ca
CaCa
Ca
Ca Ca
Ca
Al-Brücken
(Al3+ )
pH <5geflockt
Al
Al
Al
AlAl
Al
Al
AlAl
Al-Brücken
(Al3+ )
pH <5geflockt
Al
Al
Al
AlAl
Al
Al
AlAl
Al
Al
Al
AlAl
Al
Al
AlAl
Löss und Kalk-Silikat-Mischgestein - 5
PPaarraabbrraauunneerrddee aauuss LLöössss
Ap (0–25cm)
dunkelgraubrauner, humoser, lehmiger Schluff
Krümelgefüge, porös,
zahlreiche Regenwurmgänge
Al (25-45cm)
hellgraubrauner, sehr schwach humoser, schluffiger Lehm; subpolyedrisch-
krümeliges Gefüge, porös, zahlreiche Wurmgänge; stark durchwurzelt
Bt (45-80cm)
Dunkelbrauner schluffig-toniger Lehm;feinpolyedrisches Gefüge, porös,
zahlreiche Wurmgänge; stark durchwurzelt (der Horizont ist häufig stärker
rötlichbraun gefärbt und kann noch toniger sein)
Cv (80-100cm+)
braungelber stark kalkhaltiger, stark lehmiger Schluff;
kohärent, porös; schwach durchwurzelt
Merkblatt der Bayerischen Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau, Abteilung Boden- und Landschaftspflege
Die Tonverlagerung kann zu Tongehaltsunterschieden zwischen Al und Bt von bis zu 20 % führen.
Der Bt hat im Vergleich zu Al- und C-Horizont meist weniger Grobporen und mehr Feinporen.
Dennoch ist er im Normalfall gut durchwurzelbar und gut durchlüftet.
Eine Fahlerde mit Ah/Ael/(Ael+Bt/)Bt/C-Profil liegt vor, wenn der tonverarmte Oberboden durch
intensive Tonauswaschung stark aufgehellt ist, wobei der Ael oft zungenförmig in den Bt greift.
Bei fortschreitender Lessivierung kann es zu einem dichten Bt und zu Stauwasser kommen, dann
Weiterentwicklung zum (sekundären) Pseudogley.
Eigenschaften und Nutzung
Hohe nFK (150 – 250 mm), keine Durchwurzelungsbegrenzung, hoher nativer Gehalt an Makro-
und Mikronährstoffen, ausreichender Versauerungswiderstand
Fruchtbare Ackerböden, da günstige physikalische Eigenschaften (Wasser- und Lufthaushalt) und
chemische Eigenschaften (hohe Nährstoffvorräte), hohe Bodenzahl (50-90)
Aber: in Hanglagen stark erosionsgefährdet!
Gefüge im Al durch den hohen U-Anteil instabil; neigt zur Verschlämmung und Versiegelung
Am Oberhang geköpfte Profile, Kolluvisole am Hangfuß
GGeekkööppffttee PPrrooffiillee // KKoolllluuvviissoollee
Bodenabtrag am Hang mit Bildung
geköpfter Profile (= Erosionsbereich) im
Oberhang und Verlagerung des
erodierten Materials zum Hangfuß (=
Kolluvium bzw. Kolluvisole).
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-
Erhard und Zech, 1997
Günstige Standorte auch bei forstlicher Nutzung; Humusform meist Mull oder Moder. In
Abhängigkeit von den klimatischen Bedingungen können eine Reihe von Laub- oder Nadelhölzern
gedeihen. Unter Wald sind Parabraunerden mäßig bis stark versauert.
Löss
Löss
Sand, Kies
heutige Oberfläche
alte Oberfläche
Akkumulation
schwach
Erosion
stark schwach
Ah
Bt
C
geköpfteParabraunerde
Ah
C
Bt
Al
Kolluvisol
Ah
II
M
Löss
Löss
Löss
Löss
Sand, KiesSand, KiesSand, Kies
heutige Oberflächeheutige Oberfläche
alte Oberflächealte Oberflächealte Oberfläche
Akkumulation
schwach
Erosion
stark schwach
Akkumulation
schwach
Erosion
stark schwachschwach
Erosion
stark schwach
Ah
Bt
C
geköpfteParabraunerde
Ah
C
Bt
Al
Ah
Bt
C
geköpfteParabraunerde
Ah
C
Bt
Al
geköpfteParabraunerde
Ah
C
Bt
Al
Ah
C
Bt
Al
Ah
C
Bt
Al
Kolluvisol
Ah
II
M
Kolluvisol
Ah
II
M
Ah
II
M
Ah
II
M
Löss und Kalk-Silikat-Mischgestein - 6
Schwarzerde (Tschernosem)
Axh/C-Profil
Axh > 40 cm mächtig
Schwarzerden (Tschernoseme) können aus einer Pararendzina (mit Humusform Mull) entstehen.
Sie haben einen mächtigen, humosen und daher dunklen Axh- (oder Axp-) Horizont, der durch
intensive Bioturbation (Durchmischung aufgrund hoher Aktivität der Bodenfauna) und hohe Anteile
von Ton-Humus-Assoziaten gekennzeichnet ist.
Der Axh-Horizont ist oft entkalkt, die Basensättigung ist aber immer nahe 100 %.
Schwarzerden entstehen in kontinentalem Klima (d.h. trockene Sommer und kalte Winter) unter
Steppenvegetation. Unter diesen Bedingungen kommt es zu einer hohen Biomasseproduktion,
insbesondere auch hoher Input von Wurzelstreu aus der Grasvegetation.
Man nimmt an, dass die Mineralisierung der Biomasse im Spätsommer und Herbst durch
Trockenheit gehemmt, Einarbeitung durch größere Bodentiere und Humifizierung aber noch
möglich ist. Die Mineralisierung ist im Winter durch Kälte gehemmt.
Humusgehalte: bis 10 %.
Im hellen Unterboden (C-Horizont) von Schwarzerden oft dunkle Gänge von Bodenwühlern (sog.
Krotowinen). Sekundäre Kalkausscheidungen im Unterboden möglich. Finden sich sekundäre
Kalkausscheidungen im ganzen Boden, so heißt er Kalktschernosem.
PPrrooffiillddaarrsstteelllluunngg:: TTsscchheerrnnoosseemm
Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover,
Bodentypen (verändert),
http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip
SScchhwwaarrzzeerrddee ((TTsscchheerrnnoosseemm)) aauuss LLöössss
Aufn.: E. A. Niederbudde, Kursk
Eigenschaften und Nutzung
Sehr gute Pflanzenstandorte (günstiger Wasser- und
Lufthaushalt, 50-60 % PV im Axh, mächtiger Axh-Horizont,
hohe nFK, stabiles Gefüge, nährstoff- und humusreich),
meist unter Acker.
Bei intensiver Ackernutzung (mechanische Bodenbe-
arbeitung, Erhöhung der Mineralisierungsrate) Gefahr der
Degradierung. Ertragsbegrenzung durch Wasser-mangel.
Für Wald häufig zu trocken.
Humusgehalt pH
Carbonat
Feldspäte
Glimmer
Carbonate
Neubildung vonCarbonaten
(“Lösskindl“)
Feldspäteusw.
Glimmer (Versauerung)
Freisetzung vonKationen
Entkalkung
Axp
Cc
Axh
Stoffbestand Prozesse
HumusHumifizierung
(Mineralisierung)
(Glimmer, Feldspäte usw.)
HumusgehaltHumusgehalt pHpH
CarbonatCarbonat
Feldspäte
Glimmer
Carbonate
Neubildung vonCarbonaten
(“Lösskindl“)
Feldspäte
Glimmer
Carbonate
Feldspäte
Glimmer
Carbonate
Neubildung vonCarbonaten
(“Lösskindl“)
Neubildung vonCarbonaten
(“Lösskindl“)
Feldspäteusw.
Glimmer (Versauerung)
Freisetzung vonKationen
EntkalkungFeldspäteusw.
Glimmer
Feldspäteusw.
Glimmer (Versauerung)
Freisetzung vonKationen
Entkalkung
(Versauerung)
Freisetzung vonKationen
Entkalkung
Axp
Cc
Axh
Stoffbestand ProzesseStoffbestandStoffbestandStoffbestand ProzesseProzesseProzesse
HumusHumifizierung
(Mineralisierung)
(Glimmer, Feldspäte usw.)
HumusHumifizierung
(Mineralisierung)
(Glimmer, Feldspäte usw.)
Kap4- Bodenentwicklung auf Carbonatgesteinen - 1 –
Bodenentwicklung auf Carbonatgesteinen
Ausgangsmaterial Festgestein oder Gesteinsschutt mit hohen Gehalten an Carbonaten (Calcit, Dolomit) oder Sulfat
(Gips).
Kalke, dolomitische Kalke und Dolomite mit Nichtcarbonatanteil < 5 %
Mergelige Kalke (Nichtcarbonatanteil 5 - 15 %)
Mergelkalke und Kalkmergel (Nichtcarbonatanteil 15 – 25 %)
Generell: Carbonatgesteine mit > 75 % Carbonatgehalt
Bodenentwicklungsreihe
WWöörrtteerrbbuucchh ddeerr BBooddeennkkuunnddee,,
HHiinntteerrmmeeiieerr--EErrhhaarrdd uunndd ZZeecchh,, 11999977
vveerräännddeerrtt nnaacchh::
BBooddeennkkuunnddlliicchhee KKaarrttiieerraannlleeiittuunngg,, 55.. AAuuffllaaggee,, 22000055
WWoorrlldd RReeffeerreennccee BBaassee ffoorr SSooiill RReessoouurrcceess ((WWRRBB)),,
IIUUSSSS WWoorrkkiinngg GGrroouupp WWRRBB,, 22000066 ((WWoorrlldd SSooiill
RReessoouurrcceess RReeppoorrttss 110033,, FFAAOO,, RRoomm))
Die Bodenentwicklung auf Carbonatgestein ist geprägt durch den Entwicklungsprozess der Carbo-
natlösung und die Anreicherung eines tonigen Lösungsrückstands, der aus den Beimengungen
(nichtcarbonatischer Anteil) des Ausgangsgesteins besteht. Die Mächtigkeit der Bodenentwicklung
hängt also wesentlich vom Anteil des Lösungsrückstands im Ausgangsgestein ab. Bei geringen
Anteilen nichtcarbonatischer Beimengungen verläuft die Bodenentwicklung sehr langsam.
Rendzina
Horizontfolge Ah/cC
Ah/C-Profil mit < 40 cm Ah-Horizont
Humusform: meist Mull.
PPrrooffiillddaarrsstteelllluunngg:: RReennddzziinnaa
FFiisscchheerr,, WW..RR..,, BBooddeennkkuunnddee,,
UUnnii HHaannnnoovveerr,, BBooddeennttyyppeenn ((vveerräännddeerrtt)),,
hhttttpp::////wwwwww..uunniiccss..uunnii--hhaannnnoovveerr..ddee//ffiisscchheerr//ttyyppeenn..zziipp
Carbonatgesteine (Kalk, Dolomit)
AicmC
Syrosem(Lithic Leptosol)
AiclC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
Terra fusca(z.B. Vertic Cambisol)
AhTvC
AhcC
Rendzina(z.B. Rendzic Leptosol)
AhcC
Rendzina(z.B. Phaeozem)
Carbonatgesteine (Kalk, Dolomit)
AicmC
Syrosem(Lithic Leptosol)
AiclC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
Terra fusca(z.B. Vertic Cambisol)
AhTvC
AhcC
Rendzina(z.B. Rendzic Leptosol)
AhcC
Rendzina(z.B. Phaeozem)
Humifizierung
Entkalkung
Humus
Tonminerale
EinzelneKalksteine
HumusTonCarbonat
Humifizierung
Entkalkung
Tonminerale
Humus
Kalkstein(Skelett)
Ah
Ah-C
cC
Stoffbestand Prozesse
(Verwitterung)Kalkstein
Humifizierung
Entkalkung
Humus
Tonminerale
EinzelneKalksteine
Humifizierung
Entkalkung
Humifizierung
Entkalkung
Humus
Tonminerale
EinzelneKalksteine
Humus
Tonminerale
EinzelneKalksteine
HumusHumusTonTonCarbonatCarbonat
Humifizierung
Entkalkung
Tonminerale
Humus
Kalkstein(Skelett)
Humifizierung
Entkalkung
Humifizierung
Entkalkung
Tonminerale
Humus
Kalkstein(Skelett)
Tonminerale
Humus
Kalkstein(Skelett)
Ah
Ah-C
cC
Stoffbestand ProzesseStoffbestandStoffbestandStoffbestand ProzesseProzesseProzesse
(Verwitterung)Kalkstein
(Verwitterung)Kalkstein
Kap4- Bodenentwicklung auf Carbonatgesteinen - 2 –
Bodenbildende Prozesse
� Humusakkumulation
� Carbonatauflösung
� Ausbildung eines Krümelgefüges
Ah-Horizont noch kalkhaltig; pH-Wert im Neutralbereich; gut entwickelt, krümelig, stark belebt
Der mineralische Anteil des Ah-Horizonts ist aus dem Lösungsrückstand der Carbonatverwitterung
entstanden
RReennddzziinnaa aauuss WWeelllleennkkaallkk
AAuuffnn..:: ZZeezzsscchhwwiittzz
Im gemäßigt-humiden Klima entwickelt sich die Rendzina bei reinen Kalksteinen (wenig silikatische
Beimengungen) oft zur Terra fusca, bei mehr nichtcarbonatischen Beimengungen zur basenreichen
Braunerde.
Eigenschaften und Nutzung
Abhängig von Ausgangsgestein, Gründigkeit und Skelettanteil
Rendzinen sind oft Trockenstandorte, da oft flachgründig, geringe nFK (30 – 50 mm); auch das
Festgestein kann Wasser nicht pflanzenverfügbar speichern
Neutrale Bodenreaktion, hohe BS, hohe Gehalte an Ca und Mg; hohe Humusgehalte im Ah (5 - 10 %)
Enges C/N-Verhältnis (10-15)
Hoher Tongehalt, hohe Aggregatstabilität
Acker- und Obstbau möglich (bei Hängen Terrassierung nötig), aber meist weide- oder
forstwirtschaftliche Nutzung
erosionsgefährdet
Terra fusca
Horizontfolge: Ah / Tv / cC
Tv-Horizont entsteht aus Lösungsrückständen (meist feinkörnige Silikate) bei der Verwitterung von
reinen Kalksteinen. Der Tv-Horizont ist tonreich und durch Eisenoxide (Goethit) gelbbraun bis
rotbraun gefärbt.
Bodenbildende Prozesse
Humusakkumulation
Entcarbonatisierung
Ausbildung eines Polyedergefüges im Tv-Horizont
Verstärkte Anreicherung von Carbonatlösungsrückstand
Die Basensättigung im Tv-Horizont ist oft noch relativ hoch. Der Tv-Horizont ist aber zumindest im
oberen Bereich entkalkt, der Tongehalt des Tv-Horizonts ist ≥ 65 %. Er hat ein ausgeprägtes und
stabiles Polyedergefüge, dadurch eine hohe Wasserleitfähigkeit. Auch das Ausgangsgestein ist
meist klüftig, daher kommt es nicht zu Wasserstau.
Die ockerbraune Farbe des Tv-Horizonts stammt überwiegend aus dem Lösungsrückstand des
Ausgangsgesteins, zusätzlich kann aber eine Oxidation von Eisen, das während der Verwitterung
Kap4- Bodenentwicklung auf Carbonatgesteinen - 3 –
aus silikatischer oder carbonatischer Bindung freigesetzt wurde, stattgefunden haben
(Verbraunung). Häufig entspricht der Silikatmineralbestand noch dem des Ausgangsgesteins.
Die gegenüber dem Tv-Horizont geringeren Tongehalte im Ah sind selten auf eine Tonverlagerung
zurückzuführen, sondern sind meist bedingt durch Lösseinwehungen im Oberboden (sog. lehmige
Albüberdeckung auf Fränkischer und Schwäbischer Alb). Lössbeimischungen im Tv können zu
Tongehalten von unter 65 % führen (aber nicht unter 45 %).
TTeerrrraa ffuussccaa.. HHoorriizzoonnttffoollggee eeiinneerr TTeerrrraa ffuussccaa uunndd iihhrree cchheemmiisscchheenn EEiiggeennsscchhaafftteenn
WWöörrtteerrbbuucchh ddeerr BBooddeennkkuunnddee,, HHiinntteerrmmeeiieerr--EErrhhaarrdd uunndd ZZeecchh,, 11999977
vveerräännddeerrtt nnaacchh:: BBooddeennkkuunnddlliicchhee KKaarrttiieerraannlleeiittuunngg,, 55.. AAuuffllaaggee,, 22000055
Die Terra fusca gehört mit der Terra rossa (verbreitet aus Carbonatgesteinen im Mittelmeerraum
und in anderen subtropischen Klimaten; durch Hämatit kräftig rot gefärbter Unterbodenhorizont mit
der Bezeichnung Tu) zu den Terrae calcis.
Man nimmt an, dass die Terra fusca in Mitteleuropa
meist eine Bildung aus früheren wärmeren Klimaten
(Tertiär, Interglaziale) ist.
TTeerrrraa ffuussccaa
Aufn.: H.H. Becher, 1991, Buchfart, Lkr. Weimar
Eigenschaften und Nutzung
Die nFK liegt zwischen 50 und 150 mm; obwohl tiefgründiger als die Rendzina, ist die nFK wegen
der hohen Totwassergehalte beschränkt
Nutzung überwiegend als Weide oder Forst
Ackerbauliche Nutzung begrenzt wegen schwerer Bearbeitbarkeit und starkem Wechsel mit
flachgründigen, steinreichen Rendzinen
TvTv
TvTv--CvCv
Ah
cCcC
Horizontfolge
Ton (%)Ton (%)
pH (CaClpH (CaCl22))
C (C (‰‰))
CaCOCaCO3 3 (%)(%)
BS (%)BS (%)FeFedd
(g kg(g kg--11))
KAKKAKpotpot
cmolcmol(+) kg(+) kg--11
Chemische Eigenschaften
0 100
gelb- bis rotbraun, i. d. R. fossiler Residualton (≥ 65 % Ton, bei Lössbeimischung 45 - 65 % Ton), polyedrisches Gefüge, gut durchlässig, carbonatfrei
brauner Übergangshorizont, oft taschenförmig, subpolyedrischesGefüge, carbonathaltig
Carbonatgestein
humoser, meist krümeliger, z.T. auch (sub-)polyedrischer Mineralboden, carbonatfrei
TvTv
TvTv--CvCv
Ah
cCcC
Horizontfolge
TvTv
TvTv--CvCv
Ah
cCcC
TvTv
TvTv--CvCv
AhAh
cCcC
Horizontfolge
Ton (%)Ton (%)Ton (%)Ton (%)
pH (CaClpH (CaCl22))pH (CaClpH (CaCl22))
C (C (‰‰))C (C (‰‰))
CaCOCaCO3 3 (%)(%)CaCOCaCO3 3 (%)(%)
BS (%)BS (%)BS (%)BS (%)FeFedd
(g kg(g kg--11))FeFedd
(g kg(g kg--11))
KAKKAKpotpot
cmolcmol(+) kg(+) kg--11KAKKAKpotpot
cmolcmol(+) kg(+) kg--11
Chemische Eigenschaften
0 100
gelb- bis rotbraun, i. d. R. fossiler Residualton (≥ 65 % Ton, bei Lössbeimischung 45 - 65 % Ton), polyedrisches Gefüge, gut durchlässig, carbonatfrei
brauner Übergangshorizont, oft taschenförmig, subpolyedrischesGefüge, carbonathaltig
Carbonatgestein
humoser, meist krümeliger, z.T. auch (sub-)polyedrischer Mineralboden, carbonatfrei
Kap5 - Bodenentwicklung auf Tongestein - 1 –
Bodenentwicklung auf Tongestein
Ausgangsmaterial
Tonreiche Ausgangsmaterialien wie Tongestein, Tonschiefer oder Tonmergelgestein; diese sind z.T. carbonathaltig
Bodenentwicklungsreihe
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997 verändert nach: Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, 2005 World Reference Base for Soil Resources (WRB), IUSS Working Group WRB, 2006 (World Soil Resources Reports 103, FAO, Rom)
Pelosol
Horizontfolge Ah / P / C
Beim Pelosol hat das Ausgangsmaterial einen dominierenden Einfluss auf die Bodeneigen-schaften und Bodenfunktionen. Der Name stammt aus der griechischen Sprache: pelós = Ton.
Wichtige Bodenbildungsprozesse
� Entkalkung (falls Ausgangsgestein carbonathaltig)
� Humusakkumulation
� Gefügebildung
Das Ausgangsmaterial ist reich an quellfähigen Tonmineralen. Physikalische Verwitterungs-vorgänge und häufiges Quellen und Schrumpfen (bei Austrocknung/ Wiederbefeuchtung) führen zur Auflösung des bei der Diagenese entstandenen schiefrigen oder feingeschichteten Gefüges des Ausgangsgesteins. Bei carbonathaltigen Ausgangsgesteinen ist dies nur nach Entkalkung möglich. Durch die Quellungs- und Schrumpfungsprozesse entsteht ein Polyeder- oder Prismen-gefüge. Der Mineralkörper der Pelosole ist chemisch wenig gegenüber dem Ausgangsmaterial verändert. Intensive Silikatverwitterung und Verbraunung haben kaum stattgefunden.
Mächtigkeit der Ah- und P-Horizonte (zusammen) mehr als 30 cm.
P-Horizont mit hohen Gehalten (≥ 45%) an Ton; mineralischer Unterbodenhorizont aus Ton- oder Tonmergelgestein; besonders im unteren Bereich grobes, in sich dichtes Prismen- und Polyeder-gefüge (oft slicken sides = glänzende, geriefelte Stresscutane durch ausgeprägte Quellungs- und Schrumpfungsdynamik), meist hochplastisch, zeitweilig Trockenrisse bis > 50 cm Tiefe.
Aufgrund des Ausgangsmaterials skelettarm.
Tongesteine und Tonmergelgesteine
(P-)AhPC
Pelosol (z.B. Vertisol)
AimC
Syrosem(Lithic Leptosol)
AilC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
Braunerde-Pelosol(Vertic Cambisol)
AhBv-P
C
Pseudogley-Pelosol(Stagnic Cambisol)
AhSw-PP-Sd
C
Tongesteine und Tonmergelgesteine
(P-)AhPC
Pelosol (z.B. Vertisol)
AimC
Syrosem(Lithic Leptosol)
AilC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
Braunerde-Pelosol(Vertic Cambisol)
AhBv-P
C
Pseudogley-Pelosol(Stagnic Cambisol)
AhSw-PP-Sd
C
Kap5 - Bodenentwicklung auf Tongestein - 2 –
Das Gefüge ist im nassen Zustand kohärent, bei Austrocknung ausgeprägt polyedrisch oder prismatisch.
Der typische Pelosol kann neutral bis stark sauer sein; in der Regel ist er kalkfrei.
Bei Staunässe Übergänge zum Pelosol-Pseudogley.
PPeelloossooll
Aufn.: H.H. Becher, 1990, Gerolfingen
Bodensystematische Einordnung: Terrestrische Böden, Klasse der Pelosole.
In der WRB gehört ein Teil der Pelosole zu den Vertisolen.
Vertisole sind häufig in wechselfeuchten Klimaten zu finden und gekennzeichnet durch einen Selbstdurchmischungsvorgang aufgrund der Quellung und Schrumpfung.
Eigenschaften und Nutzung
Die Eigenschaften der Pelosole sind dominiert von den hohen Tongehalten und der ausgeprägten Schrumpfungs- und Quellungsdynamik.
Pelosole haben günstige chemische Eigenschaften; allerdings sind die physikalischen Eigenschaften ungünstig: überwiegend Feinporen, daher geringe nFK, geringe Luftkapazität.
Wasserbindefähigkeit in aller Regel hoch bis sehr hoch, größter Anteil des in der Bodenmatrix gebundenen Wassers nicht pflanzenverfügbares „Totwasser“. In Perioden geringer Niederschläge daher Welksymptome, obwohl die Bodenmatrix feucht ist.
Pflanzenverfügbarer Wasseranteil (=nutzbare Feldkapazität) bei durchaus hohem Gesamtporenvolumen niedrig, so dass Pflanzen in feuchtem Boden vertrocknen können! Bei Vernässung leiden Pflanzen oft an Luftmangel, besonders in Pseudogley-Pelosolen. Vielfach ist die Durchwurzelbarkeit der Aggregate wegen der hohen Rohdichten ungenügend.
Pelosol landläufig auch als „schwerer Boden“ bezeichnet.
Die hohen Tongehalte der Pelosole schränken ihre landwirtschaftliche Nutzung sehr stark ein. Dies hängt mit der schlechten Bearbeitbarkeit zusammen, aber auch mit der ungünstigen pflanzenbaulichen Eignung.
Probleme bei Ackernutzung, da nur in sehr kurzen Zeiträumen bei mittleren Wassergehalten bearbeitungsfähig (sog. Minutenböden); Pelosole sind regelmäßig im Frühjahr zu nass, um bearbeitet werden zu können. Bearbeitbarkeit auch bei Austrocknung durch Verhärtung stark eingeschränkt.
Ein derartiger Boden kann nur mit großen Aufwendungen beackert werden. Er erfordert enorm hohe Zugkräfte.
Bodenzahlen der Reichsbodenschätzung 25 bis maximal 40.
Pelosole werden daher überwiegend als Grünland, Obstbaumwiesen und Wald (vor allem für Tiefwurzler) genutzt.
Kap6 Teil3 - Hydromorphe Böden - 1 –
Auenböden und Moore
Auenböden Böden aus Sedimenten in Tälern von Bächen oder Flüssen. Der Grundwasserspiegel schwankt stark, da er mit dem Flusswasserspiegel in Verbindung steht, er liegt mindestens 80 cm unter GOF, häufig tiefer als 2 m. Entsprechend tief liegen die G-Horizonte. Durch den variablen Grundwasserstand, der sehr rasch ansteigen und wieder abfallen kann, und die periodischen Überflutungen entwickeln sich die Auenböden mit einer besonderen Dynamik.
Bei Hochwasser lagern sich frische Sedimente auf der Bodenoberfläche ab. Dies wird durch die Filterfunktion einer dichten Vegetation unterstützt. Je höher die Bodenoberfläche liegt, desto feinkörniger sind diese Sedimente.
Nach dem raschen Ablaufen des Hochwassers wird der Boden sofort wieder gut durchlüftet; für intensive Redoximorphie ist die Überflutungszeit zu kurz.
Die mit dem Wasser zugeführten Minerale und Nährstoffe fördern nicht nur eine hohe Biomasseproduktion, sondern auch ein intensives Bodenleben, wodurch die Streu rasch und weitgehend mineralisiert wird. Die verbleibenden Huminstoffe wie auch die frisch sedimentierten Minerale werden intensiv mit dem Mineralboden vermischt.
Durch die ständige Zufuhr von Mineralpartikeln findet sich unter dem Ah-Horizont oft ein M-Horizont, der im Bereich des Niedrigwasserstandes in einen Gr übergeht. Ein Go ist im Profil oft nur undeutlich zu erkennen.
TTyyppiisscchhee SSuubbssttrraattsscchhiicchhttuunngg vvoonn AAuueennbbööddeenn
(Waldböden, Rehfuess, 1990)
Bei den Auenböden unterscheidet man:
� Rambla (Auenrohboden/Auenlockersyrosem), Horizontfolge aAi / alC / aG
� Paternia (Grauer Auenboden/Auenregosol), Horizontfolge aAh / ailC / aG: Hier besteht der C-Horizont aus jungen Flussablagerungen, die meist aus Gesteinsabrieb stammen und kalkarm bzw. kalkfrei sind, bei der Kalkpaternia (Auenpararendzina: aAh / aelC / aG) jedoch z.T. hohe Kalkgehalte haben.
� Vega ("Brauner Auenboden"), Horizontfolge aAh / aM / (II)alC / (II)aG: Die Vega entsteht aus dem erodierten Bodenmaterial der Talhänge, kann sich aber auch in situ im Talboden bilden.
Bei einer Regulierung des Wasserstandes entwickelt sich ein Auenboden oft zu einem terrest-rischen Boden (Regosol, Pararendzina etc.), bei hohem Grundwasserstand auch zu einem Gley.
Natürliche Auenstandorte sind wegen ihres Artenreichtums wertvolle Biotope, die wegen der Grundwasserabsenkungen bzw. Flussregulierungen selten geworden sind und nur noch bei einigen Flüssen zwischen den Hochwasserdeichen vorkommen.
Sand
unten kiesig
Sand
unten kiesig
SchotterSchotter
Hochflutlehm
an der Basis sandig
Hochflutlehm
an der Basis sandig
Hochflutlehm
an der Basis sandig
Kap6 Teil3 - Hydromorphe Böden - 2 –
Moore
werden Böden aus Torf bezeichnet, wenn dessen Mächtigkeit ≥ 3 dm beträgt. Sie entstehen, wenn bei anhaltender Biomasseproduktion (Pflanzenwuchs) die Mineralisierung durch Sauerstoffmangel bei Wassersättigung gehemmt ist und dadurch die Gehalte an organischer Substanz über 30% ansteigen. Böden mit Torfhorizonten von < 3 dm Mächtigkeit heißen Moorgley. Böden mit Gehalten an organischer Substanz zwischen 15 und 30% bezeichnet man als Anmoorgley.
Je nach dem Ursprung der Wassersättigung und damit nach den ökologischen Eigenschaften unterscheidet man Niedermoor, Quell- bzw. Hangmoor und Hochmoor.
Niedermoor
Moortyp, der sich durch das Wachstum von Pflanzen in flachen Gewässern bildet. Mit dem Wasser werden in gelöster Form oder als Schwebstoffe meist ausreichend Nährstoffe angeliefert, und der pH-Wert liegt oft im Neutralbereich (Carbonatpuffer). Daher sind die Niedermoortorfe meist relativ stark zersetzt (dunkel) und haben einen hohen Aschegehalt.
Ohne Störung von außen kann ein Niedermoor bei hohen Niederschlägen auch über den Wasserspiegel hinauswachsen und über das Zwischenstadium des Übergangsmoores ein Hochmoor bilden.
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997
VerlandungsmoorAhGoGr
Versumpfungsmoor(Talniedermoor)
AhGo, SwGr, Sd
Überflutungsmoor(Moormarsch)
Hangmoor(Quellmoor), soligen
Bildungsbedingungen für Niedermoore in Abhängigkeit von Relief und Hydrologie- Aus Kuntze, Roeschmann & Schwerdtfeger (1994): Bodenkunde, 5. Aufl., Stuttgart
nHw
(nHr)
(II fF)
(...)
Horizontfolge eines NiedermoorsBodenkundliche Kartieranleitung,5. Auflage, 2005
VerlandungsmoorAhGoGr
VerlandungsmoorAhGoGr
AhGoGr
Versumpfungsmoor(Talniedermoor)
AhGo, SwGr, Sd
Versumpfungsmoor(Talniedermoor)
AhGo, SwGr, Sd
AhGo, SwGr, Sd
Überflutungsmoor(Moormarsch)
Überflutungsmoor(Moormarsch)
Hangmoor(Quellmoor), soligen
Bildungsbedingungen für Niedermoore in Abhängigkeit von Relief und Hydrologie- Aus Kuntze, Roeschmann & Schwerdtfeger (1994): Bodenkunde, 5. Aufl., Stuttgart
nHw
(nHr)
(II fF)
(...)
nHw
(nHr)
(II fF)
(...)
Horizontfolge eines NiedermoorsBodenkundliche Kartieranleitung,5. Auflage, 2005
Kap6 Teil3 - Hydromorphe Böden - 3 –
Hochmoor
Bildung oberhalb des Grundwasserspiegels bei hohen Niederschlägen und kühlem Klima. Das Niederschlagswasser wird in der abgestorbenen Vegetation wie in einem Schwamm gespeichert, so dass der gesamte Torfkörper wassergesättigt ist. Da das Wasser hier nur aus den Niederschlägen stammt, ist es sehr nährstoffarm. Daher hemmen neben dem Sauerstoffmangel auch Nährstoffmangel und ein sehr tiefer pH-Wert die Humusmineralisation. Die wenigen Nährstoffe werden aus den absterbenden Pflanzen freigesetzt und sofort wieder von der wachsenden Vegetation aufgenommen. Stoffeinträge mit fließendem Wasser finden nicht statt, und die mineralischen Bestandteile stammen nur aus Staubeinträgen. Daher haben Hochmoortorfe einen besonders geringen Aschegehalt.
Hochmoore können sich bei kühlem Klima mit hohen Niederschlägen auch auf nährstoffarmen Sanden ohne Grundwasseranschluss bzw. ohne eine Niedermoorphase bilden ("wurzelechtes" Hochmoor).
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997
hHw
(hHr)
(nHr)
(...)
(uHr)
(II fF)Gebirgshochmoore
Hanghochmoor
ombro-soligenSattelhochmoor
Kammhochmoor
ombrogen
Bildungsbedingungen für Hochmoore in Abhängigkeit von Relief und Hydrologie- Aus Kuntze, Roeschmann & Schwerdtfeger (1994): Bodenkunde, 5. Aufl., Stuttgart
Hochmoore der Moränenlandschaft
über
Versumpfungsmoor
wurzelecht über
fossilem Podsol
über
Verlandungsmoor
AhGoGr
AhAeBhsBvAh
Go, SwGr, Sd
Horizontfolge eines HochmoorsBodenkundliche Kartieranleitung,5. Auflage, 2005
hHw
(hHr)
(nHr)
(...)
(uHr)
(II fF)
hHw
(hHr)
(nHr)
(...)
(uHr)
(II fF)Gebirgshochmoore
Hanghochmoor
ombro-soligenSattelhochmoor
Kammhochmoor
ombrogen
Gebirgshochmoore
Hanghochmoor
ombro-soligenSattelhochmoor
Kammhochmoor
ombrogen
Hanghochmoor
ombro-soligenSattelhochmoor
Kammhochmoor
ombrogen
Bildungsbedingungen für Hochmoore in Abhängigkeit von Relief und Hydrologie- Aus Kuntze, Roeschmann & Schwerdtfeger (1994): Bodenkunde, 5. Aufl., Stuttgart
Hochmoore der Moränenlandschaft
über
Versumpfungsmoor
wurzelecht über
fossilem Podsol
über
Verlandungsmoor
AhGoGr
AhAeBhsBvAh
Go, SwGr, Sd
Hochmoore der Moränenlandschaft
über
Versumpfungsmoor
wurzelecht über
fossilem Podsol
über
Verlandungsmoor
AhGoGr
AhAeBhsBvAh
Go, SwGr, Sd
Horizontfolge eines HochmoorsBodenkundliche Kartieranleitung,5. Auflage, 2005
Kap6 Teil2 - Hydromorphe Böden - 1 –
Oxidation von löslichen Fe(II)-
verbindungen, Ausfällung vonFe(III)-Oxiden
Sorption gelöster Stoffe (Phosphat, Schwermetalle usw.)
Ah
Go
Gr
Humifizierung
Prozesse
Reduktion von Fe(III)-Oxiden
Anlieferung von Fe(II) mit dem
Grundwasser
Grundwasserlinie
Redox-
potential
Fe-Oxide Humus
Oxidation von löslichen Fe(II)-
verbindungen, Ausfällung vonFe(III)-Oxiden
Sorption gelöster Stoffe (Phosphat, Schwermetalle usw.)
Oxidation von löslichen Fe(II)-
verbindungen, Ausfällung vonFe(III)-Oxiden
Sorption gelöster Stoffe (Phosphat, Schwermetalle usw.)
Ah
Go
Gr
Humifizierung
Prozesse
Humifizierung
ProzesseProzesse
Reduktion von Fe(III)-Oxiden
Anlieferung von Fe(II) mit dem
Grundwasser
Grundwasserlinie Reduktion von Fe(III)-Oxiden
Anlieferung von Fe(II) mit dem
Grundwasser
Grundwasserlinie Anlieferung von Fe(II) mit dem
Grundwasser
Grundwasserlinie Grundwasserlinie
Redox-
potential
Redox-
potential
Fe-OxideFe-Oxide HumusHumus
Hydromorphe Böden
Grundwasserböden
Böden, bei denen ein Teil des Profils ganzjährig mit Wasser gesättigt ist; bilden die Abteilung Semiterrestrische Böden:
� Gleye: Grundwasserspiegel schwankt im Jahresverlauf nur geringfügig
� Auenböden: stark schwankender Grundwasserstand bis hin zur Überflutung
Weitere Abteilungen der hydromorphen Böden:
Semisubhydrische und subhydrische Böden:
� Watten: semisubhydrisch
� Unterwasserböden: subhydrisch
Moore
Gley
Horizontfolge Ah / Go / Gr
Redoximorphie bei hoch anstehendem, sauerstoffarmem Grundwasser; mittlerer Grundwasser-spiegel 40 - 80 cm unter GOF, oberhalb des Grundwasserspiegels Kapillarwassersaum.
Bodenbildende Prozesse
� Humusakkumulation im Ah, Ah aber durch das Grundwasser unbeeinflusst
� Umverteilung von Fe- und Mn-Verbindungen
Sauerstoffarmes Grundwasser führt zu einem permanent reduzierenden Milieu; Reduktion (und damit Lösung) der Fe- und Mn-Verbindungen; diese werden entweder mit dem Grundwasser abgeführt oder steigen mit dem Kapillarwasser auf.
� Bildung eines Reduktionshorizonts (Gr) im grundwasserbeeinflussten Bereich
Gelöste Fe2+- und Mn2+-Ionen wandern in den Kapillaren bis in den Bereich der luftgefüllten Grobporen, wo sie an der Aggregatoberfläche bzw. in Wurzelröhren wieder oxidiert werden.
� Entstehung eines Oxidationshorizonts (Go)
PPrrooffiillddaarrsstteelllluunngg:: GGlleeyy
Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen (verändert), http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip
Kap6 Teil2 - Hydromorphe Böden - 2 –
Kapillarsaum
GrundwasserspiegelGrundwasserspiegel
GoGo
GrGr
PorePore
OO22
FeFe2+2+ + 2H+ 2H22OO
FeOOHFeOOH + e+ e-- + 3H+ 3H++
Fe
Fe-- O
xid
eO
xid
e
Kapillarsaum
GrundwasserspiegelGrundwasserspiegel
GoGo
GrGr
PorePore
OO22
PorePore
OO22
FeFe2+2+ + 2H+ 2H22OO
FeOOHFeOOH + e+ e-- + 3H+ 3H++
Fe
Fe-- O
xid
eO
xid
e
FeFe2+2+ + 2H+ 2H22OO
FeOOHFeOOH + e+ e-- + 3H+ 3H++
Fe
Fe-- O
xid
eO
xid
e
FeFe2+2+ + 2H+ 2H22OOFeFe2+2+ + 2H+ 2H22OO
FeOOHFeOOH + e+ e-- + 3H+ 3H++
Fe
Fe-- O
xid
eO
xid
e
FeOOHFeOOH + e+ e-- + 3H+ 3H++
Fe
Fe-- O
xid
eO
xid
e
Go-Horizont
durch den Luftkontakt beeinflusster Oxidationshorizont, durch die Akkumulation von Eisen(III)-Oxiden (v.a. Ferrihydrit) fleckig rostbraun gefärbt; Flächenanteil der Rostflecken ≥ 5 %
gibt in der Regel den Grundwasserschwankungsbereich zu erkennen
Gr-Horizont
fahlgrauer, blaugrauer oder auch graugrüner Reduktions-Horizont; mehr als 300 Tage im Jahr nass, rH-Wert < 19
bildet die Bodentiefe ab, in der das Grundwasser regelmäßig ansteht WWiicchhttiiggee PPrroozzeessssee ddeerr VVeerrgglleeyyuunngg ((sscchheemmaattiisscchh))
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997
MMoorrpphhooddyynnaammiikk bbeeiimm GGlleeyy
Intensität der ablaufenden Reduktionsvorgänge hängt bei Sauerstoffarmut von der mikrobiellen Aktivität und dem Gehalt an zersetzbarer, organischer Substanz ab; Redoxsysteme im Boden fast ausschließlich mikrobiell induziert.
Werden mit dem Grundwasser über längere Zeit lösliche Eisen(II)verbindungen zugeführt, kann sich im Go Raseneisenerz (verhärtete Ausfällung von Fe-Oxiden; früher abgebaut und verhüttet) bilden.
pH-Wert, Verwitterungsgrad und Nährstoffgehalte je nach Ausgangsgestein unterschiedlich; Anlieferung von Nährstoffen und Basen (Hydrogencarbonat) durch das ziehende Grundwasser, daher oft günstiger Pflanzenstandort.
langsamlangsamziehendesziehendes
GrundwasserGrundwasser
werden Gleye von kalkreichen Grundwässern durchströmt, kann Wiesenkalk (Alm) ausfallen
kapillarer Aufstiegkapillarer Aufstieg
OO22--Diffusion in GrobporenDiffusion in Grobporen
AhHumus-
akkumulation
Go
rostfarbenrostfarben:
die mit Kapillarwasser aufsteigenden Fe2+- und Mn2+-
Ionen werden oxidiert und fallen auf Aggregatflächen
aus (���� v.a. Ferrihydrit)
Gr
reduktomorph;
grauegraue, blaueblaue und schwarzeschwarze Reduktionsfarben, ständig
wassergesättigt, O2-Mangel; aszendente Verlagerung
von Fe2+ und Mn2+ in Kapillaren
langsamlangsamziehendesziehendes
GrundwasserGrundwasser
langsamlangsamziehendesziehendes
GrundwasserGrundwasser
werden Gleye von kalkreichen Grundwässern durchströmt, kann Wiesenkalk (Alm) ausfallenwerden Gleye von kalkreichen Grundwässern durchströmt, kann Wiesenkalk (Alm) ausfallen
kapillarer Aufstiegkapillarer Aufstiegkapillarer Aufstiegkapillarer Aufstieg
OO22--Diffusion in GrobporenDiffusion in GrobporenOO22--Diffusion in GrobporenDiffusion in Grobporen
AhHumus-
akkumulation AhHumus-
akkumulation
Go
rostfarbenrostfarben:
die mit Kapillarwasser aufsteigenden Fe2+- und Mn2+-
Ionen werden oxidiert und fallen auf Aggregatflächen
aus (���� v.a. Ferrihydrit)
Go
rostfarbenrostfarben:
die mit Kapillarwasser aufsteigenden Fe2+- und Mn2+-
Ionen werden oxidiert und fallen auf Aggregatflächen
aus (���� v.a. Ferrihydrit)
Gr
reduktomorph;
grauegraue, blaueblaue und schwarzeschwarze Reduktionsfarben, ständig
wassergesättigt, O2-Mangel; aszendente Verlagerung
von Fe2+ und Mn2+ in KapillarenGr
reduktomorph;
grauegraue, blaueblaue und schwarzeschwarze Reduktionsfarben, ständig
wassergesättigt, O2-Mangel; aszendente Verlagerung
von Fe2+ und Mn2+ in Kapillaren
Kap6 Teil2 - Hydromorphe Böden - 3 –
GGlleeyy
Aufn.: H.H.Becher, Burk, nördl. vom Hesselberg, Lkr. AN
Wenn sauerstoffreiches Grundwasser ansteht, führen die hydrogeologischen Verhältnisse nicht zu reduzierenden Bedingungen, die Merkmale eines Gr-Horizontes sind nicht vorhanden; man findet dann den Oxigley mit der Horizontfolge Ah / Go.
Bei höherem Grundwasserniveau können stark erhöhte Humusgehalte bis hin zum Anmoor oder Moor auftreten; hier fehlt dann wegen des hohen Grundwasserstandes ein Go-Horizont.
Unter solchen Bedingungen finden wir den
Nassgley Horizontfolge Go-Ah / Gr
Anmoorgley Horizontfolge Go-Aa / Gr
Moorgley Horizontfolge H / Gr VVeerrgglleeiicchh ddeerr FFee--DDyynnaammiikk uunndd ddeerr mmoorrpphhoollooggiisscchheenn AAuusspprräägguunngg vvoonn GGlleeyy uunndd PPsseeuuddoogglleeyy::
FeFe--OxidOxid--Verteilung im Profil
GWO
Gley
OxidationsOxidations--horizonthorizont
ReduktionsReduktions--horizonthorizont
GrGr
GoGo
AhAh
Pseudogley
AhAh
StauzoneStauzone
StaukStauköörperrper
SwSw
SdSd
rot: Fe-Oxid-Anreicherung
FeFe--OxidOxid--Verteilung im Profil
GWO
Gley
OxidationsOxidations--horizonthorizont
ReduktionsReduktions--horizonthorizont
GrGr
GoGo
AhAh
Pseudogley
AhAh
StauzoneStauzone
StaukStauköörperrper
SwSw
SdSd
Pseudogley
AhAh
StauzoneStauzone
StaukStauköörperrper
SwSw
SdSd
rot: Fe-Oxid-Anreicherung
FeFe--OxidOxid--Verteilung im Mikrobereich
rot: Fe-Oxid-Anreicherung
Gley
+O2
PorePore
-O2
GWGW
+O2
Pseudogley
StauwasserStauwasser
PorePore
-O2 +O2
FeFe--OxidOxid--Verteilung im Mikrobereich
rot: Fe-Oxid-Anreicherung
Gley
+O2
PorePore
-O2
GWGW
+O2
rot: Fe-Oxid-Anreicherung
Gley
+O2
PorePore
-O2
GWGW
+O2
Gley
+O2
PorePore
-O2
GWGW
+O2
Pseudogley
StauwasserStauwasser
PorePore
-O2 +O2
Pseudogley
StauwasserStauwasser
PorePore
-O2 +O2
Kap6 Teil2 - Hydromorphe Böden - 4 –
Verbreitung
Gleye in Deutschland zwar weitverbreitet, jedoch nur kleinflächig; entscheidend für die Entwicklung dieses Bodentyps ist oberflächlich anstehendes Grundwasser, die Entwicklung ist nicht an bestimmte Ausgangsgesteine gebunden
BBooddeennggeesseellllsscchhaafftt iinn AAbbhhäänniiggkkeeiitt vvoomm GGrruunnddwwaasssseerr ((SScchheemmaa ssttaarrkk üübbeerrhhööhhtt))
Eigenschaften und Nutzung
Gleye sind für die ackerbauliche Nutzung von sehr geringer Bedeutung, insbesondere bei niedrigen Grundwasserflurabständen. Sie sind nur als Grünland genutzt oder forstwirtschaftlich mit nässeverträglichen Baumarten. Einschränkend für das Wurzelwachstum ist nicht der Wasserüberschuss sondern die Sauerstoffarmut.
Im Gegensatz zu Pseudogleyen können die Eigenschaften von Gleyen nicht durch geeignete Meliorationsmaßnahmen verbessert werden. Gleye sind generell natürliche Standorte nässeverträglicher Pflanzengesellschaften.
Grundwasser aber in vielen Landschaften inzwischen künstlich abgesenkt, so dass die Gleydynamik nicht mehr oberflächennah vorkommt.
0
(m)
1
2
3
0
(m)
1
2
3
Braunerde-Gley
Gley-Braunerde
Braunerde
GrGr
GoGo
CC
BvBv
AhAhBraunerde-
Gley
Gley-Braunerde
Braunerde
GrGr
GoGo
CC
BvBv
AhAh
Gley
GoGo
GrGr
AhAh
Gley
GoGo
GrGr
AhAhAnmoor-gley
Naßgley
GrGr
AA--GoGo
Anmoor-gley
Naßgley
GrGr
AA--GoGo
Gley
PorePore
Fe Fe 2+2+
EhEh
Pseudogley
Fe Fe 2+2+
EhEh
Gley
PorePore
Fe Fe 2+2+
EhEh
Gley
PorePore
Fe Fe 2+2+
EhEh
Pseudogley
Fe Fe 2+2+
EhEh
Pseudogley
Fe Fe 2+2+
EhEh
Kap6 Teil1- Hydromorphe Böden - 1 –
Hydromorphe Böden
Einführung
� Bisher wichtigstes Kriterium Ausgangsgestein;
� jetzt neues Kriterium Hydromorphie; bedingt durch Stau- oder Grundwasser und damit gekoppelte Redox- und Verlagerungsvorgänge von Eisen-, Mangan- und Schwefelverbindungen. Dies wirkt sich morphologisch in der Ausprägung spezifischer diagnostischer Horizonte aus.
Stauwasser tritt oberflächennah auf (Stauwassersohle i.d.R. < 130 cm unter GOF); wird durch pedogenen oder geogenen Stauhorizont am Versickern gehindert; Stauwasser tritt nur temporär auf, besonders zu Zeiten hoher Niederschläge oder nach Schneeschmelze (Nassphase); Stauwasser verschwindet während einer Trockenphase. Es fließt nur langsam über dem dichten Staukörper.
Bei Grundwassser ist der Staukörper stets ein geologischer Körper. Es ist tiefliegend (Grundwassersohle i.d. R. > 130 cm unter GOF) und füllt kohärent alle Poren der Erdrinde aus. Es ist permanent (ganzjährig) vorhanden, der Grundwasserspiegel kann aber schwanken. Das Grundwasser bewegt sich entlang von Gefälle- oder Druckgradienten, und strömt lateral häufig über weite Strecken.
Stauwasserböden
Böden mit periodischem, klimatisch bedingtem Wechsel zwischen Trocken- und Nassphasen. Redoximorphe Merkmale als Folge von Stauwasser;
Dabei hängt die Ausprägung des Profils von den klimatischen Bedingungen, vom Verwitterungsgrad und von der Lage des Staukörpers ab. Man unterscheidet daher den typischen Pseudogley vom Stagnogley, bei dem die Reduktion zu einem vollständig gebleichten Horizont im Oberboden geführt hat.
PPrrooffiillddaarrsstteelllluunngg:: SSttaauuwwaasssseerrbbööddeenn
Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen, http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip
Stauwasser
Grundwasser
Gleye
GrGrGoGo
SwSwSdSd
Pseudogleye
GWOGWO Stauwasser
Grundwasser
Gleye
GrGrGoGo
SwSwSdSd
Pseudogleye
GWOGWO
Parabraunerde
Ah
Al
C
Bt
Pseudogley
Bleichung
starke Mar-morierung
C
Ah
Sw
Sd
Stagnogley
Humus-anreicherung
Versauerung
laterale Aus-waschung
C
Sw-Ah
Srw
Srd
zunehmende Vernässung
Verdichtung
Stauwasser
Sauerstoff-mangel
Bt-Sd
Ah
Al-Sw
C
Parabraunerde-
Pseudogley
Parabraunerde
Ah
Al
C
Bt
Parabraunerde
Ah
Al
C
Bt
Ah
Al
C
Bt
Pseudogley
Bleichung
starke Mar-morierung
C
Ah
Sw
Sd
Pseudogley
Bleichung
starke Mar-morierung
Bleichung
starke Mar-morierung
C
Ah
Sw
Sd
C
Ah
Sw
Sd
Stagnogley
Humus-anreicherung
Versauerung
laterale Aus-waschung
C
Sw-Ah
Srw
Srd
Stagnogley
Humus-anreicherung
Versauerung
laterale Aus-waschung
Humus-anreicherung
Versauerung
laterale Aus-waschung
C
Sw-Ah
Srw
Srd
C
Sw-Ah
Srw
Srd
zunehmende Vernässung
Verdichtung
Stauwasser
Sauerstoff-mangel
Bt-Sd
Ah
Al-Sw
C
Parabraunerde-
Pseudogley
zunehmende Vernässungzunehmende Vernässung
Verdichtung
Stauwasser
Sauerstoff-mangel
Bt-Sd
Ah
Al-Sw
C
Parabraunerde-
Pseudogley
Verdichtung
Stauwasser
Sauerstoff-mangel
Verdichtung
Stauwasser
Sauerstoff-mangel
Bt-Sd
Ah
Al-Sw
C
Bt-Sd
Ah
Al-Sw
C
Parabraunerde-
Pseudogley
Kap6 Teil1- Hydromorphe Böden - 2 –
Pseudogley Voraussetzung ist ein stauender Unterbodenhorizont. Stauwasser füllt zeitweilig alle Hohlräume aus und erzeugt daher Staunässe, gekennzeichnet durch periodischen Sauerstoffmangel und niedrige Redoxpotentiale. Charakteristisch für den Pseudogley sind als diagnostische Horizonte ein durchlässiger, wasserleitender Horizont (Sw), der über einem dichten, wasserstauenden Horizont (Sd) liegt.
PPrrooffiillddaarrsstteelllluunngg:: PPsseeuuddoogglleeyy
Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen (verändert), http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip
Je nach Entstehung des Staukörpers werden unterschieden:
• Primärer Pseudogley
Horizontfolge Ah / Sw / IISd / IIC
Entsteht auf geschichteten Substraten, es handelt sich also um Zweischichtprofile; z.B. Löss über Ton, sandige Fließerde über Ton; häufig auch in periglazialen Lagen;
Die Bodenbildung erstreckt sich über mindestens zwei unterschiedliche Ausgangsgesteine¸ wobei das unter der Stauzone liegende Material (der Staukörper) weniger durchlässig ist als das darüberliegende Material. Der Staukörper ist von Anfang an vorhanden.
• Sekundärer Pseudogley
Horizontfolge Ah / Sw / Sd / C
Hier wird der Staukörper von einem weit entwickelten Bt-Horizont gebildet, in dem der Anteil an Grob- und Mittelporen durch Einlagerungsverdichtung abgenommen hat. Der sekundäre Pseudogley ist also eine Weiterentwicklung der Parabraunerde. Der Staukörper bildet sich erst während der Pedogenese. Die häufig auftretenden Übergangsformen haben die Horizontfolge Ah / Al-Sw / Bt-Sd / C.
Bodenbildende Prozesse
� Humusakkumulation
� Nassbleichung durch periodischen Wechsel von Vernässung und Austrocknung
Im Sw-Horizont dominiert oftmals hellgraue Grundfarbe mit rostbraunen Konkretionen. Im Sw-Horizont kann das Stauwasser je nach Relief mehr oder weniger langsam lateral abziehen. Die Mn-/Fe-Konkretionen reichern sich häufig an der Basis des Sw-Horizonts an. Im darunter folgenden Sd-Horizont findet man die typische Marmorierung, die durch den kleinräumigen Wechsel von rostbraunen Oxidationsbereichen und hellgrau gefärbten Bleichzonen entsteht.
Die temporäre Staunässe bzw. Wassersättigung mit sauerstoffarmem Wasser führt zur Reduktion von Eisen- und Manganoxiden. Eisen und Mangan werden in Form gelöster Fe2+- und Mn2+-Ionen innerhalb der Horizonte umlagert. Die fahlgraue Färbung als charakteristisches Erkennungsmerkmal der Fe- und Mn-verarmten Zonen entsteht durch den Verlust dieser färbenden Komponenten.
Ah
C
Sd
SwSd: Verschluss der Poren durch
Quellung bei Wassersättigung
Sw: Wasserstau
Mikroflora wird aktiviert in Poren:
Sauerstoffmangel, Eisenreduktion
Eisenwanderung in die Aggregate,
dort wieder Oxidation
nährstoff- und humushaltiges
Sickerwasser wandert in
Schrumpfrissen abwärts
zeitweise zu nass
zeitweise zu trocken
Sauerstoffmangel
und Verdichtung
begrenzen den
Wurzelraum
Ökologische Folgen:
Entwicklung aus Tongestein: oft nährstoffreich
Entwicklung aus Parabraunerde: oft ausgewaschen
Ah
C
Sd
Sw
Ah
C
Sd
SwSd: Verschluss der Poren durch
Quellung bei Wassersättigung
Sw: Wasserstau
Mikroflora wird aktiviert in Poren:
Sauerstoffmangel, Eisenreduktion
Eisenwanderung in die Aggregate,
dort wieder Oxidation
Sd: Verschluss der Poren durch
Quellung bei Wassersättigung
Sw: Wasserstau
Mikroflora wird aktiviert in Poren:
Sauerstoffmangel, Eisenreduktion
Eisenwanderung in die Aggregate,
dort wieder Oxidation
nährstoff- und humushaltiges
Sickerwasser wandert in
Schrumpfrissen abwärts
nährstoff- und humushaltiges
Sickerwasser wandert in
Schrumpfrissen abwärts
zeitweise zu nass
zeitweise zu trocken
Sauerstoffmangel
und Verdichtung
begrenzen den
Wurzelraum
Ökologische Folgen:
zeitweise zu nass
zeitweise zu trocken
Sauerstoffmangel
und Verdichtung
begrenzen den
Wurzelraum
Ökologische Folgen:Ökologische Folgen:
Entwicklung aus Tongestein: oft nährstoffreich
Entwicklung aus Parabraunerde: oft ausgewaschen
Entwicklung aus Tongestein: oft nährstoffreich
Entwicklung aus Parabraunerde: oft ausgewaschen
Kap6 Teil1- Hydromorphe Böden - 3 –
lateraleStoffverlagerung
(Sesquioxide, Basen)
AhHumus-
akkumulation
S(e)w
periodischesStauwasser
Stauzone(kf ≥≥≥≥10 cm d-1)
Eintrag org.Komplexbildner
Konkretionsbildung
kleinräumigelateraleVerlagerungder Sesquioxidedurch Diffusion
Marmorierung:Aggregate innen rostfarben, außen gebleicht
(II) Sd
Staukörper(kf <10 cm d-1,häufig <1 cm d-1)
HindiffusionRückdiffusion
lateraleStoffverlagerung
(Sesquioxide, Basen)
AhAhHumus-
akkumulation
S(e)w
periodischesStauwasser
Stauzone(kf ≥≥≥≥10 cm d-1)
Eintrag org.Komplexbildner
KonkretionsbildungKonkretionsbildung
kleinräumigelateraleVerlagerungder Sesquioxidedurch Diffusion
Marmorierung:Aggregate innen rostfarben, außen gebleicht
(II) Sd
Staukörper(kf <10 cm d-1,häufig <1 cm d-1)
HindiffusionRückdiffusion
WurzelWurzelSwSw
SdSd
WasserWasser
+O+O22 FeOOHFeOOH
FeOOHFeOOH FeFe22++
MnOMnO22
FeO
OH
FeO
OH
+ e
+ e
--+
3H
+ 3
H++��������
Fe
Fe
2+
2+
+
+
2H
2H
22OO
WurzelWurzelWurzelWurzelSwSw
SdSd
WasserWasserWasserWasser
+O+O22 FeOOHFeOOH
FeOOHFeOOH FeFe22++
MnOMnO22
FeO
OH
FeO
OH
+ e
+ e
--+
3H
+ 3
H++��������
Fe
Fe
2+
2+
+
+
2H
2H
22OO
+O+O22 FeOOHFeOOH
FeOOHFeOOH FeFe22++
MnOMnO22
FeO
OH
FeO
OH
+ e
+ e
--+
3H
+ 3
H++��������
Fe
Fe
2+
2+
+
+
2H
2H
22OO
+O+O22+O+O22 FeOOHFeOOH
FeOOHFeOOH FeFe22++
MnOMnO22
FeO
OH
FeO
OH
+ e
+ e
--+
3H
+ 3
H++��������
Fe
Fe
2+
2+
+
+
2H
2H
22OO
Während der Nassphase erfolgt diese Reduktion zuerst in Bereichen von Wurzelbahnen und Aggregatoberflächen. Die gelösten Fe- und Mn-Ionen diffundieren ins Aggregatinnere und fällen dort im Kontakt mit eingeschlossener Luft wieder als Ferrihydrit oder Lepidokrokit aus. Es bilden sich so gebleichte Aggregatoberflächen und Rostflecken im Aggregatinneren. Dies führt im Profilanschnitt zur typischen Marmorierung im Sd-Horizont, während der Sw-Horizont neben den Konkretionen infolge lateraler Stoffabfuhr überwiegend fahle Farben aufweist.
MMoorrpphhooddyynnaammiikk iimm PPsseeuuddoogglleeyy
TTeeiillpprroozzeessssee ddeerr PPsseeuuddoovveerrgglleeyyuunngg ((sscchheemmaattiisscchh))
Diffusion ins Aggregatinnere (=Hindiffusion während der Nassphase), Diffusion aus dem Aggregat (=Rückdiffusion während der Trockenphase)
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997
Verhalten von Eisen und Mangan bei
Wasserüberschuss
immobil
braunbraun-rotrot
Fe(III)-Oxide
mobil
grgrüünn-blaublau
Fe2+
Fe
Mn farblos
Mn2+
schwarz
Mn(III, IV)-Oxide
reduziert oxidiert
Verhalten von Eisen und Mangan bei
Wasserüberschuss
immobil
braunbraun-rotrot
Fe(III)-Oxide
mobil
grgrüünn-blaublau
Fe2+
Fe
immobil
braunbraun-rotrot
Fe(III)-Oxide
mobil
grgrüünn-blaublau
Fe2+
Fe
mobil
grgrüünn-blaublau
Fe2+
Fe
Mn farblos
Mn2+
schwarz
Mn(III, IV)-Oxide
Mn farblos
Mn2+
Mn farblos
Mn2+
schwarz
Mn(III, IV)-Oxide
reduziert oxidiertreduziert oxidiert
Kap6 Teil1- Hydromorphe Böden - 4 –
BBrraauunneerrddee--PPsseeuuddoogglleeyy aauuss lleehhmmiigg--ssaannddiiggeerr DDeecckksscchhiicchhtt üübbeerr TToonnmmeerrggeell iimm SSaannddsstteeiinnkkeeuuppeerr
Sw-Ap (0–27cm) dunkelgraubrauner, humoser, schluffiger Lehm, zahlreiche Konkretionen; Subpolyeder- bis Krümelgefüge II P-Swd (27-55cm)
hellgraubrauner rostfleckiger, lehmiger Ton, zahlreiche Konkretionen; polyedrisches Gefüge; mäßig durchwurzelt
II Sd1 (55-90) überwiegend grau- und braunmarmorierter lehmiger Ton, zahlreiche große Konkretionen; prismatisch-polyedrisches Gefüge, Kluftwände gebleicht; Durchwurzelung auf Klüfte beschränkt
II Sd2 (90-100cm+) ockerbrauner, lehmiger Ton, zahlreiche mittlere und große Konkretionen; Prismengefüge, sehr dicht, Kluftwände gebleicht
Merkblatt der Bayerischen Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau, Abteilung Boden- und Landschaftspflege
Die Dauer der Vernässungsphasen wird von der Wasserleitfähigkeit, der Mächtigkeit und der Neigung des Staukörpers bestimmt, außerdem von den Niederschlagshäufigkeiten, -intensitäten und -zeiten. Wasserleitfähigkeit des Staukörpers (Sd-Horizont) oft < 1 cm d-1 (=1,16*10-7m s-1), die des stauwasserführenden Horizontes (Sw) > 10 cm d-1.
Haftpseudogley
Unter Haftnässe versteht man Nässe in dichten, schluffigen, grobporenarmen Horizonten. Das dabei in den Mittel- und Feinporen gehaltene Haftwasser füllt alle Hohlräume aus und führt daher zu reduzierenden Bedingungen, ohne dass ein Stauhorizont vorhanden ist. Es gibt also keine Differenzierung in Stauzone und Staukörper.
Man spricht dann von einem Haftpseudogley (früher: Haftnässepseudogley); er hat die Horizontfolge Ah / Sg.
Haftnässe kann auch infolge eines kapillaren Bruches auftreten, wenn im Profil eine Schichtung von schluff- und tonreichem Bodenmaterial über sandig-kiesigem Substrat auftritt (z.B. häufig im Tertiärhügelland, Löss über Kies oder Sand). Die kapillaren Adhäsionskräfte des feinkornreichen Materials mit Mittel- und Feinporen sind wesentlich höher als die des darunter liegenden groben Materials.
Klasse Permeabilität
cm d-1 mm h-1
1 sehr gering < 1 < 0,4
2 gering 1 - 10 0,4 - 4
3 mittel 10 - 40 4 - 16
4 hoch 40 - 100 16 - 40
5 sehr hoch 100 - 300 40 - 120
6 extrem hoch > 300 > 120
1 sehr gering < 1 < 0,4
2 gering 1 - 10 0,4 - 4
3 mittel 10 - 40 4 - 16
4 hoch 40 - 100 16 - 40
5 sehr hoch 100 - 300 40 - 120
6 extrem hoch > 300 > 120
Kap6 Teil1- Hydromorphe Böden - 5 –
Stagnogley
Horizontfolge Sw-Ah / Srw / (II)Srd
Durch extrem lange Nassphasen geprägter Stauwasserboden. Entsteht bei sehr hohen Niederschlägen. Bleichung des Oberbodens durch intensive laterale Verlagerung von Fe- und Mn-Verbindungen. Das hier mobilisierte Eisen wird hauptsächlich lateral weggeführt und kommt oft am Unterhang an die Bodenoberfläche (Bildung von Ockererden, einer Varietät der Braunerde mit eisenoxidreichem, rostbraunem Bv-Horizont). Eine Verlagerung in den Unterboden findet kaum statt, da dieser ständig mit stagnierendem Wasser gesättigt ist.
Durch Stoffverlagerung, Versauerung und Entbasung kommt es auch zu einer Tonzerstörung in der Stauzone. Dabei entsteht ein Profil, das über dem dichten, stark marmorierten Srd-Horizont einen intensiv gebleichten, nährstoffarmen Srw-Horizont aufweist.
Die geringe biologische Aktivität im nassen, luftarmen Material führt zur Ausbildung von Feuchtrohhumusformen als organischer Auflage.
Bei ganzjähriger Wassersättigung gehen Stagnogleye in Moor-Stagnogleye oder Moore über.
Eigenschaften und Nutzung
Pseudogleye erfordern eine angepasste Standortsnutzung. Vielfach nur Grünland- und Waldstandorte mittlerer bis guter Ertragsfähigkeit. Ackernutzung häufig aufgrund der lange ins Frühjahr reichenden Vernässung nicht möglich, Bearbeitung und/oder Bestellung nicht den Vegetationserfordernissen der Kulturpflanzen entsprechend möglich.
Die Feuchtphasen wirken sich durch das Wasserüberangebot bzw. den Sauerstoffmangel im Boden limitierend auf das Pflanzenwachstum aus.
Pseudogleye sind für die obstbauliche Nutzung wegen der Empfindlichkeit gegenüber Bodenluftmangel ungeeignete Standorte. Ausnahme bildet lediglich die Pflaume (Prunus domestica), die auch auf stauwasserbeeinflussten Böden ausreichende Erträge bringt.
Bei der forstlichen Nutzung der Pseudogleye ist auf tiefwurzelnde Baumarten zu achten (Weißtanne, Stieleiche, Aspe, Schwarzerle). Arten mit hohem Sauerstoffanspruch (wie z. B. die Fichte) entwickeln sehr flache Wurzelteller, die nur im Ah und Sw verankert sind: eingeschränkte Wasser- und Nährstoffversorgung, erhöhte Windwurfgefahr.
Stagnogleye fast ausschließlich als Waldstandorte genutzt. Vorhandene Dauerbestockung aus tiefwurzelnden Baumarten sollte erhalten bleiben, Wiederaufforstung nach Kahlschlag äußerst schwierig. Häufig tragen Stagnogleye eine spezifische Feuchtbiotopvegetation.
Bodenkunde Anionenaustausch - 1 -
Anionenaustausch
Wichtige Anionen im Boden
Cl-, NO3-, SO4
2-, BO33-, MoO4
3-, SiO44-, PO4
3-, organische Anionen und gelöste Huminstoffe
(meist Säuren; DOC = dissolved organic carbon), F-
Faktoren der Anionenbindung
Art des Anions, Konzentration des Anions in der Bodenlösung, Zusammensetzung der
Sorbenten, pH-Wert
1) Sorbierte Menge steigt mit steigender Konzentration in der Lösung, gilt für alle Anionen
(wie Kationen)
2) Starker pH-Einfluss: Zunahme mit sinkendem pH
3) Verschiedene Anionen können miteinander konkurrieren, Beispiel PO4 und SiO4
4) Sorbenten: Tonminerale und vor allem Al-Fe-Hydroxide und Oxide, Allophane; nur variable
Ladung
Sorptionsmechanismen
� Unspezifische Sorption
elektrostatische Bindung, positive Ladung am Austauscher zieht Anion an, in Doppelschicht,
keine Reaktion mit Bestandteilen der Oberfläche, Ladung des Anions entscheidend; v.a. im
stark sauren Bereich, da dann positive Ladungen, (d.h. pH < LNP)
� Spezifische Sorption
chemische Bindung an (Hydr)oxidoberflächen über Ligandenaustausch viel fester als
unspezifische Sorption; nur bei bestimmten Ionen mit hoher Affinität zu (Hydr)oxidober-
flächen: P, Mo, Si, B
Bodenökologie, Gisi, 1997
Al - OH2+Cl- + NO3
- Al - OH2 NO3 + Cl-+ -Al - OH2
+Cl- + NO3- Al - OH2 NO3 + Cl-+ -
OH
Fe - OH2+ + H2PO4
-���� Fe - O - P = O + H2O
OH
Fe - OH2+ Fe - O O
O + HPO42-����O P + 2H2O
Fe - OH2+ Fe - O OH
OH
Fe - OH2+ + H2PO4
-���� Fe - O - P = O + H2O
OH
OH
Fe - OH2+ + H2PO4
-���� Fe - O - P = O + H2O
OH
OH
Fe - OH2+ + H2PO4
-���� Fe - O - P = O + H2O
OH
Fe - OH2+ Fe - O O
O + HPO42-����O P + 2H2O
Fe - OH2+ Fe - O OH
Fe - OH2+ Fe - O O
O + HPO42-����O P + 2H2O
Fe - OH2+ Fe - O OH
Fe - OH2+ Fe - O O
O + HPO42-����O P + 2H2O
Fe - OH2+ Fe - O OH
Bodenkunde Anionenaustausch - 2 -
� Anionensorption in Böden
Sorption in Böden:
Cl-, NO3-, SO4
2- nur im stark sauren Bereich, daher in Böden der gemäßigten Breiten kaum
gebunden;
deshalb Nitratbelastung des Grundwassers;
� Anionensorption in Abhängigkeit vom pH-Wert
PO43- 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.
SSuullffaatt--AAddssoorrppttiioonn ddeess AApp-- uunndd BB--HHoorriizzoonnttss eeiinneess OOxxiissoollss iinn AAbbhhäännggiiggkkeeiitt vvoonn ddeerr SSOO44--
GGlleeiicchhggeewwiicchhttsskkoonnzzeennttrraattiioonn bbeeii uunntteerrsscchhiieeddlliicchheenn ppHH--WWeerrtteenn SScchheeffffeerr//SScchhaacchhttsscchhaabbeell,,
22000022
PO43- > SiO4
4- > MoO43- >> SO4
2- > NO3- ~ Cl-
3 4 6
PO43-
8 pH
SO42-
NO3-, Cl
-
SorbierteMenge
3 4 6
PO43-
8 pH
SO42-
NO3-, Cl
-
3 4 6
PO43-
PO43-
8 pH
SO42-
SO42-
NO3-, Cl
-NO3
-, Cl
-
SorbierteMenge
SorbierteMenge
(cmolc/g)
SO42-
NO3-, Cl
-
Gleichgewichtskonzentration (cmolc/L)
PO43-
SorbierteMenge
(cmolc/g)
SO42-
SO42-
NO3-, Cl
-
Gleichgewichtskonzentration (cmolc/L)
PO43-
PO43-
5,0
6,5
SO4-Konzentration der Gleichgewichtslösung (cmolc/L)
6,0
4,5
pH
0
0,5
1,0
1,5 Ap-Horizont
0,1 0,2Ad
so
rbie
rte
s S
O4
(cm
ol c
/kg
)
pH
0,1 0,2
B2-Horizont
0
0,5
1,0
1,5
6,5
6,0
5,0
4,5
5,05,0
6,56,5
SO4-Konzentration der Gleichgewichtslösung (cmolc/L)
6,06,0
4,54,5
pH
0
0,5
1,0
1,5 Ap-Horizont
0,1 0,2Ad
so
rbie
rte
s S
O4
(cm
ol c
/kg
)
pH
0,1 0,2
B2-Horizont
0
0,5
1,0
1,5
6,5
6,0
5,0
4,5pH
0,1 0,2
B2-Horizont
0
0,5
1,0
1,5
6,56,5
6,06,0
5,05,0
4,54,5
Bodenkunde Bodenacidität - 1 -
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
Al-Ionen treten erst ab pH < 5 in der Bodenlösung auf
BBeezziieehhuunngg zzwwiisscchheenn ddeemm ppHH uunndd ddeerr AAll--
KKoonnzzeennttrraattiioonn ddeerr BBooddeennllöössuunngg vvoonn ssaauurreenn
SSaannddbbööddeenn uunntteerr WWaalldd iinn ddeenn
NNiieeddeerrllaannddeenn uunndd iinn DDäänneemmaarrkk
SScchheeffffeerr//SScchhaacchhttsscchhaabbeell,, 22000022
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 pH Reaktionsbezeichnung pH
neutral 7,0
schwach sauer 6,9 - 6,0 schwach alkalisch 7,1 - 8,0
mäßig sauer 5,9 - 5,0 mäßig alkalisch 8,1 - 9,0
stark sauer 4,9 - 4,0 stark alkalisch 9,1 - 10,0
sehr stark sauer 3,9 - 3,0 sehr stark alkalisch 10,1 - 11,0
extrem sauer < 3,0 extrem alkalisch > 11,0
AI(H2O)63+ AIOH(H2O)5
2+ + H+AI(H2O)63+ AIOH(H2O)5
2+ + H+
0
2
4
6
4 5 pH in der Bodenlösung
Al-Konzentration(mmolc/L)
0
2
4
6
4 5 pH in der Bodenlösung
Al-Konzentration(mmolc/L)
Bodenkunde Bodenacidität - 2 -
8 pH (CaCl2)
chem. VerwitterungMineralneubildungMineralisierungHumifizierungbiotische AktivitätGefügebildungTonverlagerungAl-Fe-VerlagerungAl-ToxizitätH-OH-Toxizität
N + SP + BCa + MgKCu + ZnFe + Mn
3 4 5 6 7
sauer< Optimalbereich >alkalisch
Mo
Der pH-Wert beeinflusst viele wichtige Prozesse im Boden, wie z.B. die Nährstoffverfügbarkeit,
Redoxreaktionen, die biologische Aktivität, Verwitterung und Mineralisierung.
BBeezziieehhuunngg zzwwiisscchheenn ppHH--WWeerrtt
uunndd vveerrsscchhiieeddeenneenn öökkoollooggiisscchheenn
uunndd ppeeddooggeenneettiisscchheenn FFaakkttoorreenn..
JJee bbrreeiitteerr ddaass BBaanndd,, ddeessttoo
iinntteennssiivveerr iisstt ddeerr VVoorrggaanngg bbzzww..
ddiiee VVeerrffüüggbbaarrkkeeiitt ddeerr EElleemmeennttee
BBooddeennöökkoollooggiiee,, GGiissii,, 11999977
((nnaacchh SScchhrrooeeddeerr 11999922))
Protonenquellen im Boden
Bildung von Kohlensäure
� Wurzelatmung
� mikrobielle Atmung (Oxidation von Biomasse)
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
CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+
Bodenkunde Bodenacidität - 3 -
pH-Wert in der Rhizosphäre deutlich niedriger als im Boden
Eintrag saurer Niederschläge
� HCl, H2CO3
� HNO3, H2SO4
Oxidation von NH4+ und NH3
� Aus Pflanzenresten
Weitere Quellen für NH4+
� aus Düngern
� aus der Atmosphäre (stammt überwiegend aus Emissionen der Landwirtschaft)
Oxidation von Fe2+, Mn2+, Fe-Sulfiden
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
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
CaCO3 + CO2 + H2O Ca (HCO3)2
CaCO3 + H+ Ca2+ + HCO3-
CaCO3 + CO2 + H2O Ca (HCO3)2
CaCO3 + H+ Ca2+ + HCO3-
(N-Mineralisierung oder Ammonifikation)
R-NH2 + H2O + H+ NH4+ + R-OH
NH4+ + 2O2 NO3
- + 22HH++ + H2O(Nitrifikation)
(N-Mineralisierung oder Ammonifikation)
R-NH2 + H2O + H+ NH4+ + R-OH
NH4+ + 2O2 NO3
- + 22HH++ + H2O(Nitrifikation)
Fe2+ + 1/4 O2 + 3/2 H2O FeOOH + 2H2H++
FeS2 + 33/4 O2 + 21/2 H2O FeOOH + 2H2H22SOSO44
Fe2+ + 1/4 O2 + 3/2 H2O FeOOH + 2H2H++
FeS2 + 33/4 O2 + 21/2 H2O FeOOH + 2H2H22SOSO44
Bodenkunde Bodenacidität - 4 -
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:
BBooddeennöökkoollooggiiee,, GGiissii,, 11999977
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.
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
Saure Niederschläge wirken sich besonders in schwach gepufferten, sandigen Böden (meist
forstlich genutzt) stark auf den pH-Wert aus.
In landwirtschaftlich genutzten Böden wird die natürliche und anthropogene Versauerung durch
Kalkung kompensiert. Außerdem ist hier die Versauerung durch die Oxidation von Düngern 4-16
mal höher als durch saure Niederschläge.
R-COO-
Ca2 +
+ H+
[ Fe-O]-Ca
2 ++ H
+
[ Fe-OH] + H+
R-COOH + Ca2 +
[ Fe-OH]0+ Ca
2 +
[ Fe-OH2]+
R-COO-
Ca2 +
+ H+
[ Fe-O]-Ca
2 ++ H
+
[ Fe-OH] + H+
R-COOH + Ca2 +
[ Fe-OH]0+ Ca
2 +
[ Fe-OH2]+
-(SiO)K + H+ -(SiOH) + K+
-(SiO)3Al + 3H+ -(SiOH)3 + Al3+ (unter pH 5)
-(SiO)K + H+ -(SiOH) + K+
-(SiO)3Al + 3H+ -(SiOH)3 + Al3+ (unter pH 5)
-(SiO)K + H+ -(SiOH) + K+
-(SiO)3Al + 3H+ -(SiOH)3 + Al3+ (unter pH 5)-(SiO)3Al + 3H+ -(SiOH)3 + Al3+ (unter pH 5)
Al(OH)3 + 3H+ Al3+ + 3H2OAl(OH)3 + 3H+ Al3+ + 3H2OAl(OH)3 + 3H+ Al3+ + 3H2O
FeOOH + 3H+ Fe3+ + 2H2O (nur bei pH <3)FeOOH + 3H+ Fe3+ + 2H2O (nur bei pH <3)FeOOH + 3H+ Fe3+ + 2H2O (nur bei pH <3)
Bodenkunde Bodenacidität - 5 -
Ein besonderes Problem stellen stark saure Böden dar, die aufgrund der Oxidation von Pyrit
entstanden sind. Dies sind die sog. Acid sulfate soils. Sie bilden sich bei Trockenlegung von
sulfidhaltigen Küstensedimenten sowie auf pyrithaltigen Kippen des Braunkohletagebaus oder
Halden des Steinkohlebergbaus. Ihre (Re)kultivierung ist erst möglich, wenn die pH-Werte
angehoben wurden.
� Kalkung
Zufuhr neutralisationsfähiger basischer Stoffe: Kalkstein, Mergel, Dolomit, Branntkalk (CaO) bewirkt
� Beseitigung von austauschbarem Al, das pflanzenschädlich ist und den Ertrag verringern kann
� Erhöhung der KAKeff und der Basensättigung
� Verhinderung der Zerstörung von Silicaten
Weitere Wirkungen
� Zufuhr von Ca
� Veränderung der Nährstoffverfügbarkeit: Mg, Mn, P
� Erhöhung der biologischen Aktivität und damit Effekt auf Gefügebildung (Regenwürmer), schnellerer Umsatz der organischen Reste, in Waldböden Verbesserung der Humusform
(Rohhumus � Moder � Mull)
Bei der Kalkung kommt es zu einer Entprotonisierung protonisierter Positionen; man kann nicht
den pH der Bodenlösung erhöhen, ohne die sorbierten H+ zu neutralisieren.
Der optimale pH-Bereich ist bodenspezifisch.
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997
Gesundungskalkung
kein
Kalkbedarf
E r h a l t u n g s k a l k u n g
humoseSandböden
andereSandböden
lehmigeSandböden
sandige und schluffigeSandböden
tonige Lehm- und TonbödenK
alk
bed
arf
sein
stu
fun
g j
e n
ach
B
od
en
art
pH-Wert
Puffersysteme
ackerbaulich relevante pH-Bereiche
<5,0 5,0 - 6,5 >6,5
starke SäurenOxide vonFe Al Austauscher
3,8 4,2 5 6,2 6,5
H2CO3
Silicate CaCO3
Gesundungskalkung
kein
Kalkbedarf
E r h a l t u n g s k a l k u n g
humoseSandböden
andereSandböden
lehmigeSandböden
sandige und schluffigeSandböden
tonige Lehm- und TonbödenK
alk
bed
arf
sein
stu
fun
g j
e n
ach
B
od
en
art
pH-Wert
Puffersysteme
ackerbaulich relevante pH-Bereiche
<5,0 5,0 - 6,5 >6,5
starke SäurenOxide vonFe Al Austauscher
3,8 4,2 5 6,2 6,5
H2CO3
Silicate CaCO3
Bodenkunde Einführung - 1 -
Bodentemperatur
Die Bodentemperatur beeinflusst
� Materialeigenschaften der Bodenbestandsteile (z.B. Oberflächenspannung, Viskosität der Bodenlösung)
� Geschwindigkeit chemischer Reaktionen
� Stoffwechsel und Wachstumsprozesse von Organismen (z.B. Keimung von Samen, Wachstum von Mikroorganismen)
� Wärmetransport
erfolgt durch drei Transportmechanismen
� Strahlung Wärmetransport über Ausbreitung elektromagnetischer Wellen; besonders wichtig für den
Energieaustausch mit der Atmosphäre an der Bodenoberfläche
� Wärmeleitung
wichtigster Wärmetransportmechanismus in humiden Böden
� Strömung (Konvektion)
z.T. durch Wasserdampftransport, im Untergrund durch Wasserfluss (Grundwasser)
� Thermische Eigenschaften der Bodenbestandteile
Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Wärme einer Substanz wird durch ihre Wärme-
kapazität ausgedrückt. Die volumetrische Wärmekapazität (CV) ist die Wärmemenge, die einer
Volumeneinheit Boden zugeführt werden muss, um die Temperatur um ein K (oder Grad C) zu
erhöhen (bei konstantem Druck). Sie setzt sich additiv aus den Wärmekapazitäten der einzelnen
Phasenbestandteile zusammen. Die Wärmeleitfähigkeit KH ist eine materialspezifische
Konstante. Die Wärmediffusivität DH (DH = KH/CV) charakterisiert die Geschwindigkeit, mit der
sich eine Temperaturwelle durch Wärmeleitung im Boden ausbreitet.
TThheerrmmiisscchhee EEiiggeennsscchhaafftteenn vveerr--
sscchhiieeddeenneerr BBooddeennbbeessttaannddtteeiillee
aauuss GGiissii ((11999977))
Da die Zusammensetzung der festen Bodenbestandteile im allgemeinen als konstant
angenommen werden kann, sind die Wärmekapazität, die Wärmeleitfähigkeit und damit auch
die Wärmediffusivität eines Bodens vor allem vom Wassergehalt abhängig.
Substrat
WasserEis (bei 0°C)LuftQuarzTonmineraleorganischeSubstanz
volumetrischeWärmekapazität
CV
(J cm-3 K-1)
4,21,91,3 x 10-3
2,02,02,5
Wärme-leitfähigkeit
KH
(mJ cm-1K-1s-1)
622 0,38830 2,5
Wärme-diffusivitätDH x 10-2
(cm2s-1)
0,141,15
204,41,50,1
Bodenkunde Einführung - 2 -
WWäärrmmeelleeiittffäähhiiggkkeeiitteenn vvoonn MMiinneerraallbbööddeenn uunndd
TToorrffeenn aallss FFuunnkkttiioonn ddeess WWaasssseerrggeehhaallttss..
AAuuffggrruunndd iihhrreerr hhoohheenn OOSS--GGeehhaallttee lleeiitteenn TToorrffee ddiiee
WWäärrmmee nniicchhtt ssoo gguutt wwiiee MMiinneerraallbbööddeenn ((rreecchhttss::
LLeeiittffäähhiiggkkeeiitteenn eeiinniiggeerr BBooddeennssuubbssttaannzzeenn))
aauuss WWöörrtteerrbbuucchh ddeerr BBooddeennkkuunnddee
((HHiinntteerrmmaaiieerr--EErrhhaarrdd uunndd ZZeecchh))
Die Wärme(energie)aufnahme des Bodens ist abhängig von der Albedo (Wärme-, Lichtrück-
strahlung der Bodenoberfläche). Die Albedo wiederum ist abhängig von Bodenfarbe und
Vegetationsbedeckung:
� dunkle Farbe = geringe Abstrahlung bzw. hohe Wärme(energie)aufnahme
� helle Farbe = hohe Abstrahlung bzw. geringe Wärme(energie)aufnahme
d.h. also dunkle, humusreiche Böden haben eine hohe Aufnahme, helle, humusarme Böden eine
geringe;
Nasse Böden erwärmen sich nur langsam, weil viel Energie zum Erwärmen des Wassers
benötigt wird, trockene erwärmen sich schnell. Extremsituation bei Moorböden: dunkel, nass,
schlechte Wärmeleitfähigkeit und –diffusivität.
� Temperaturregime
Die Bodentemperatur ist starken räumlichen und zeitlichen Schwankungen unterworfen. Das
Temperaturregime eines Bodens wird durch einen Tages- und Jahresgang der Temperatur
geprägt. Dieser ist wiederum bedingt durch den Tages- und Jahreszyklus der solaren
Einstrahlung.
Der Tagesgang der Temperatur im Boden und in der bodennahen Luftschicht ist in der
folgenden Abb. dargestellt. Die Temperatur der bodennahen Luftschicht ist tagsüber höher als
in der Nacht, dagegen ist nachts die Temperatur der obersten Bodenlagen höher als die der
bodennahen Luftschichten. Generell finden wir eine zunehmende Amplitudendämpfung und -
verschiebung mit zunehmender Bodentiefe.
Jahresgang der Temperatur in
verschiedenen Bodentiefen. Je tiefer
im Boden, umso stärker ausgeprägt
ist die Phasenverschiebung des
Temperaturgangs (z.B. wird in 12 m
Tiefe das Temperaturmaximum erst im
Februar erreicht).
aus Wörterbuch der Bodenkunde (Hintermaier-Erhard und Zech)
0,50,5
J F M A M J J A S O N D
Monat des Jahres
J F M A M
Tiefe(m)
5
10
20
Tem
pera
tur
(°C
)
1,01,0
4,04,0
12,012,0
00
Tiefe(cm)
11
55
10105050
6 12 18 240
Tageszeit (h)
0,50,5
J F M A M J J A S O N D
Monat des Jahres
J F M A M
Tiefe(m)
5
10
20
Tem
pera
tur
(°C
)
1,01,0
4,04,0
12,012,0
00
Tiefe(cm)
11
55
10105050
6 12 18 240
Tageszeit (h)
00
Tiefe(cm)
11
55
10105050
6 12 18 240
Tageszeit (h)
QuarzQuarz
CalcitCalcit
GranitGranit
Eis Eis
WasserWasser
HumusHumus
TonTon(trocken)(trocken)
LuftLuft
0
Wassergehalt θθθθ (Gew. %)
20 40 60 80
10-4
10-3
10-2
10-1
Wärm
ele
itfä
hig
keit
λλ λλ(J
cm
-1s
-1K
-1)
Torfe
Mineralböden
QuarzQuarz
CalcitCalcit
GranitGranit
Eis Eis
WasserWasser
HumusHumus
TonTon(trocken)(trocken)
LuftLuft
0
Wassergehalt θθθθ (Gew. %)
20 40 60 80
10-4
10-3
10-2
10-1
Wärm
ele
itfä
hig
keit
λλ λλ(J
cm
-1s
-1K
-1)
TorfeTorfe
Mineralböden
Mineralböden
Bodenkunde Bodenlebewesen - 1 -
Bodenlebewesen (Edaphon)
Gesamtheit der im Boden lebenden Organismen, zusammengesetzt aus
� Bodenflora Bakterien (Prokaryoten)
Archaeen (Prokaryoten)
Pilze
Algen
unterirdische Pflanzenorgane
� Bodenfauna Protozoen
Nematoden
Mollusken (Weichtiere),
Anneliden (Ringelwürmer),
Arthropoden
Einteilung der Organismen in Böden nach der Körpergröße:
Mikroflora, Mikrofauna, Mesofauna, Makrofauna
Mikroflora und Mikrofauna = Mikroorganismen
Oberirdische Pflanzenteile sind Produzenten der organischen Substanz (durch
Photosyntheseleistung)
viele Bodentiere sind Konsumenten (Verbraucher) der Pflanzenmasse
Mikroorganismen und einige Kleintiere sind Reduzenten (Zersetzer oder Destruenten),
die organisches Material weiterverwerten und zu anorganischen Endprodukten umwandeln
(= Mineralisierung)
aus diesem Stoffkreislauf gewinnen Organismen Energie und Baustoffe für den Körperaufbau
weniger als 5 % der Bodenbakterien und nur wenige Archaeen bisher kultivierbar
Funktion im Boden nur teilweise bekannt
Lebensweise und Funktion der Organismen in Böden
Ernährungsweise der Bodenorganismen
Energie- und Nährstoffquelle nötig
� phototroph: Strahlungs- (Licht)Energie als Energiequelle
� chemotroph: Energie aus der Oxidation von chemischen Stoffen
� (C-)autotroph: Kohlenstoff aus anorganischen Quellen
� heterotroph: Kohlenstoff aus organischen Verbindungen
4 Grundernährungstypen
� Photoautotrophe Organismen
Licht als Energiequelle, CO2 als C-Quelle
höhere Pflanzen (oberird. Teile), Algen, Cyanobakterien
photoautotrophe Bakterien im Boden unbedeutend
Bodenkunde Bodenlebewesen - 2 -
� Photoheterotrophe Organismen
Energie aus Sonnenlicht, C aus org. Substanzen, im Boden unbedeutend
� Chemoautotrophe Organismen
Energie aus Oxidation anorg. Verbindungen, CO2 als C-Quelle
wichtige spezialisierte Bodenbakterien, z.B. Nitrifizierer (Oxidation von NH4+, NO2-)
S-Oxidation durch Thiobacillus
� Chemoheterotrophe Organismen
organische Verbindungen als Energie- und C-Quelle
alle Tiere (incl. Protozoen), alle Pilze, die meisten Bakterien, unterird. Pflanzenorgane
Mikrobielles Wachstum
WWaacchhssttuummsskkiinneettiikk zzwweeiieerr PPooppuullaattiioonnssttyyppeenn ((AA,, BB)) vvoonn BBooddeennmmiikkrroooorrggaanniissmmeenn iinn AAbbhhäännggiiggkkeeiitt vvoonn ddeerr
SSuubbssttrraattkkoonnzzeennttrraattiioonn ((KKMM == MMiicchhaaeelliiss--MMeenntteenn--KKoonnssttaannttee,, µµ == ssppeezziiffiisscchhee WWaacchhssttuummssrraattee)) ((aauuss GGiissii 11999977))
� autochthone Bodenorganismen (Populationen)
an niedriges Nährstoffangebot angepasst
bei niedrigem Nährstoffangebot kompetitiver als andere Populationen
immer im Boden gegenwärtig
wachsen bei plötzlichem Nährstoffangebot rasch
gehen bei Nährstoffentzug sofort in Ruhestadium
überdauern lange
� zymogene Bodenorganismen (Populationen)
in speziell nährstoffreichen Situationen wichtig
müssen sich erst der neuen Nährstoffsituation anpassen
bei höherer Stoffzufuhr kompetitiver als andere Populationen
bei niedrigem Stoffangebot kaum kompetitiv
sind kein dauernder Anteil der mikrobiellen Gesamtpopulation des Bodens
werden leicht überschätzt, da leichter (auf Agrarmedien) zu isolieren
Spezifische
Wachstums-
rate µ µmax (B)
B
autochthon
½ µmax (B)
KM (B)
Azymogen
µmax (A)
½ µmax (A)
KM (A) Substratkonzentration
Spezifische
Wachstums-
rate µ µmax (B)
B
autochthon
½ µmax (B)
KM (B)
µmax (B)
B
autochthon
½ µmax (B)
KM (B)
Azymogen
µmax (A)
½ µmax (A)
KM (A)
Azymogen
µmax (A)
½ µmax (A)
Azymogen
µmax (A)
½ µmax (A)
KM (A) Substratkonzentration
Bodenkunde Bodenlebewesen - 3 -
Bakterien
klein, 0,5 - 2 µm
(meist) einzellig
keine Kernhülle, Prokaryoten
Form unterschiedlich: Kokken, Stäbchen, Spirillen, Vibrionen
wichtige Organismengruppe in Böden
empfindlich gegen Austrocknung
einige Formen bilden ausdauernde Endosporen oder Kapseln
Lebensraum: dünner Wasserfilm um Bodenpartikel und Rhizosphäre
beweglich nur durch Geißeln oder passiv mit dem Bodenwasserstrom
bevorzugen neutrale bis basische Umgebung
meist (chemo)heterotroph, Energie und C aus löslichen organischen Verbindungen, Zersetzung
durch Veratmung oder Vergärung
wenige spezialisierte chemoautotrophe Organismen: Nitrosomonas, Nitrobacter, Thiobacillus:
Energie aus der Oxidation von anorganischen Verbindungen (NH4+, NO2-, S2-, S0), C aus CO2
Zahl der Bakterienzellen ist sehr hoch, besonders in landwirtschaftlich genutzten Oberböden:
106 bis 109 Individuen / g Boden
� Myxobakterien
heterotroph, ernähren sich meist von anderen Bakterien; Cellulosezersetzer
� Actinobakterien (früher Actinomyceten oder „Strahlenpilze“)
heterotroph, filamentös wachsend, d.h. stäbchen- oder kokkenförmige Zellen werden durch
schleimartige Zellwandbestandteile zusammengehalten, bilden sogenanntes Pseudomycel,
aber feiner (1 µm Durchmesser) als Pilzmycel
z.B. Actinomyces, Nocardia, Streptomyces
häufige Bodenbakterien, etwa 1-10 % der gesamten Bakterienpopulation
Lebensraum: Maximum in 5-10 cm Bodentiefe
fehlen in der Streulage, besiedeln organisches Material, greifen vor allem schwer zersetzbare
Substanzen an (Lignin, Chitin, Stärke)
viele Actinomyceten produzieren Antibiotika (Streptomycin, Choramphenicol, Tetracycline)
mitverantwortlich für charakteristischen Erdgeruch
Gattung Frankia: symbiontische Stickstoff-Fixierung bei nichtleguminosen Angiospermen
� Cyanobakterien (früher Blaualgen)
Cyanobakterien sind photoautotroph, deshalb Lebensraum auf die obersten mm des Bodens
beschränkt
Viele Cyanobakterien können N2-Fixierung betreiben
� Archaeen
einzellig, Prokaryoten, 0,4 - 100 µm, meist etwa 1 µm
an extreme Milieubedingungen angepasst
(Temperaturen >80°C, hochkonz. Salzlösungen, ph-Werte bis 0 oder >10)
bisher kultivierte Arten extremophil, z.T. autotroph, z.T. heterotroph, häufig anaerob
Bedeutung im Boden erst wenig bekannt
Ammoniumoxidation durch Crenarchaeota
Methanogene Archaeen in Reisböden für Methanbildung in der Rhizosphäre verantwortlich
Bodenkunde Bodenlebewesen - 4 -
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 Nährstoff-
quellen 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 %)
(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
Bohne 520 560
Pflanze Samenexsudate Wurzelexsudate(mg pro 1000 Samen) (mg pro 1000 Pflanzen)
Gerste 240 430
Weizen 200 500
Gurke 110 620
Bodenkunde Bodenlebewesen - 5 -
� 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)
TTyyppiisscchhee VVeerrttrreetteerr vvoonn BBooddeennaarrtthhrrooppooddeenn
((aauuss GGiissii 11999977))
Bodenkunde Bodenlebewesen - 6 -
-2 0 2 4 6 8 10 12 14Anzahl lebender Organismen (in Zehnerpotenzen)
2. Pilze (Hefe- und Fadenpilze) 2
3. Protozoen 5
4. Algen 11
5. Nematoden 6
6. Milben 12
7. Springschwänze 13
8. Enchyträen 7
9. Regenwürmer 4
11. Fluginsekten (Käfer, Larven) 9
12. Schnecken 8
13. Asseln 14
14. Webespinnen 15
1. Bakterien (inkl. Actinomyceten) 3 Ac
HuDo10. Tausendfüßer (Hu und Do) 10
-2 0 2 4 6 8 10 12 14Anzahl lebender Organismen (in Zehnerpotenzen)
2. Pilze (Hefe- und Fadenpilze) 2
3. Protozoen 5
4. Algen 11
5. Nematoden 6
6. Milben 12
7. Springschwänze 13
8. Enchyträen 7
9. Regenwürmer 4
11. Fluginsekten (Käfer, Larven) 9
12. Schnecken 8
13. Asseln 14
14. Webespinnen 15
1. Bakterien (inkl. Actinomyceten) 3 Ac
HuDo10. Tausendfüßer (Hu und Do) 10
Anzahl und Biomasse der Bodenorganismen
AAnnzzaahhll lleebbeennddeerr OOrrggaanniissmmeenn ((MMiinnii-- uunndd MMaaxxiimmaallwweerrttee)) iinn 11 ddmm33 vvoonn llaanndd-- uunndd ffoorrssttwwiirrttsscchhaaffttlliicchh ggeennuuttzztteenn BBööddeenn..
AAcc == AAccttiinnoommyycceetteenn;; HHuu == HHuunnddeerrttffüüßßeerr;; DDoo == DDooppppeellffüüßßeerr..
DDiiee ZZaahhlleenn 11--1155 vvoorr bbzzww.. nnaacchh ddeenn OOrrggaanniissmmeennggrruuppppeenn bbeeddeeuutteenn RRaanngg bbeezzüügglliicchh AAnnzzaahhll bbzzww.. BBiioommaassssee
AAnnzzaahhll OOrrggaanniissmmeenn ddmm--33 ((~~AAnnzzaahhll kkgg--11 TTrroocckkeennggeewwiicchhtt BBooddeenn)),, ddiivviiddiieerrtt dduurrcchh 11000000,, eerrggiibbtt AAnnzzaahhll gg--11 BBooddeenn..
AAnnzzaahhll OOrrggaanniissmmeenn ddmm--33 xx 110000 xx 22 eerrggiibbtt AAnnzzaahhll pprroo mm22 uunndd 2200 ccmm BBooddeennttiieeffee.. ((aauuss GGiissii 11999977))
Zur Beurteilung der Funktion und Umsatzleistung von Bodenorganismen ist Biomasse
wichtiger als Zahl
Biomasse der Bodenorganismen
aa)) BBiioommaassssee iinn gg mm--22 xx 1100 // BBooddeennttiieeffee ((ddmm)) eerrggiibbtt BBiioommaassssee mmgg ddmm--33
bb)) ZZuumm VVeerrgglleeiicchh:: WWeerrtt ffüürr NNeekkrroommaassssee ((HHuummuuss)) iisstt ccaa.. 8000 g m-2 (aus Gisi 1997)
1-15 = Rang bezüglich Biomasse, 1-14 = Rang bezüglich Anzahl
1 unterirdische Pflanzenorgane 600 b) 100 - 1500 50 -
2 Pilze (Hefe- u. Fadenpilze) 2 350 100 - 1000 29 58,5
3 Bakterien (inkl. Actinomyceten) 1 150 50 - 500 13 25
4 Regenwürmer 9 60 20 - 400 5 10
5 Protozoen 3 25 10 - 100 2 4
6 Nematoden 5 4 1 - 20 0,3 0,7
7 Enchyträen 8 2 1 - 30 0,2 0,3
8 Schnecken 12 2 1 - 30 0,2 0,3
9 Fluginsekten (Käfer, Larven) 11 2 1 - 20 0,2 0,3
10 Tausendfüßer (Hundertfüßer) 10 2 0,5 - 2 0,1 0,3
11 Algen 4 1 1 - 10 - 0,2
12 Milben 6 1 1 - 10 - 0,2
13 Springschwänze 7 1 1 - 10 - 0,2
14 Asseln 13 - 0,5 - 2 - -
15 Webespinnen 14 - 0,1 - 1 - -
12001200 300300 -- 36003600 100100 100100
Organismengruppen Biomassea) Biomasse in g pro m2 u. 20 cm Tiefe in %durchschn. min. - max. mit / ohne Pflanzen
1-15 = Rang bezüglich Biomasse, 1-14 = Rang bezüglich Anzahl
1 unterirdische Pflanzenorgane 600 b) 100 - 1500 50 -
2 Pilze (Hefe- u. Fadenpilze) 2 350 100 - 1000 29 58,5
3 Bakterien (inkl. Actinomyceten) 1 150 50 - 500 13 25
4 Regenwürmer 9 60 20 - 400 5 10
5 Protozoen 3 25 10 - 100 2 4
6 Nematoden 5 4 1 - 20 0,3 0,7
7 Enchyträen 8 2 1 - 30 0,2 0,3
8 Schnecken 12 2 1 - 30 0,2 0,3
9 Fluginsekten (Käfer, Larven) 11 2 1 - 20 0,2 0,3
10 Tausendfüßer (Hundertfüßer) 10 2 0,5 - 2 0,1 0,3
11 Algen 4 1 1 - 10 - 0,2
12 Milben 6 1 1 - 10 - 0,2
13 Springschwänze 7 1 1 - 10 - 0,2
14 Asseln 13 - 0,5 - 2 - -
15 Webespinnen 14 - 0,1 - 1 - -
12001200 300300 -- 36003600 100100 100100
Organismengruppen Biomassea) Biomasse in g pro m2 u. 20 cm Tiefe in %durchschn. min. - max. mit / ohne Pflanzen
Bodenkunde Bodenlebewesen - 7 -
Nahrungsnetz im Boden hat komplexe Struktur
NNaahhrruunnggssnneettzz bbeeiimm AAbbbbaauu ddeess oorrggaanniisscchheenn MMaatteerriiaallss dduurrcchh BBooddeennoorrggaanniissmmeenn aann eeiinneemm WWiieesseennssttaannddoorrtt..
FF == FFääzzeess ((DDeettrriittuuss,, KKoott));; PPffeeiillee ssyymmbboolliissiieerreenn ddiiee RRiicchhttuunngg ddeess KKoohhlleennssttooffff-- uunndd NNäähhrrssttoofffffflluusssseess
((aauuss GGiissii 11999977))
Lebensraum der Bodenorganismen
abhängig von verschiedenen Faktoren
� Zugänglichkeit bestimmter Bereiche des Bodens für Organismen abhängig von Körpergröße
Körperdurchmesser (Körperlänge) von Bodenorganismen im Vergleich zu Poren- und Partikeldurchmesser
(aus Gisi 1997)
0,05 0,1 0,5 1 5 10 50 100 5001
1000 µm5 10 50 100 500 mm
BlöckeTon Schluff Sand Kies / Steine
Grobporen, Risse, Wurm- / WurzelkanäleMittelporenFeinporen
Algen
Bakterien osmotroph
Pilze osmotroph
Protozoen mikrophytophag
FeinwurzelnWurzel-haare
Grobwurzeln, unterirdischePflanzenorgane
*Nematoden mikro-, makro-phytophag
Milben mikrophyto-, zoo-, makrophyto-,sapro-phagUrinsekten inkl.Springschwänze mikrophyto-, makrophyto-,sapro-phag
Mikroarthropoden
Enchyträen * mikro-, makro-phytophag
Regenwürmer saprophag*
Webespinnen zoophag
Fluginsekten makrophyto-, sapro-, zoo-phag
Asseln saprophag
Tausendfüßer zoo-, makrophyto-phag
Schnecken makrophytophag
( * Körperlänge)
Mikroflora + Mikrofauna = Mikroorganismen Meso- Makro- Mega-fauna
0,05 0,1 0,5 1 5 10 50 100 5001
1000 µm5 10 50 100 500 mm
0,05 0,1 0,5 1 5 10 50 100 5001
1000 µm5 10 50 100 500 mm
0,05 0,1 0,5 1 5 10 50 100 5001
1000 µm5 10 50 100 500 mm
BlöckeTon Schluff Sand Kies / Steine BlöckeTon Schluff Sand Kies / Steine
Grobporen, Risse, Wurm- / WurzelkanäleMittelporenFeinporen Grobporen, Risse, Wurm- / WurzelkanäleMittelporenFeinporen
Algen
Bakterien osmotrophBakterien osmotroph
Pilze osmotrophPilze osmotroph
Protozoen mikrophytophagProtozoen mikrophytophag
FeinwurzelnWurzel-haare
Grobwurzeln, unterirdischePflanzenorganeFeinwurzeln
Wurzel-haare
Grobwurzeln, unterirdischePflanzenorgane
*Nematoden mikro-, makro-phytophag*Nematoden mikro-, makro-phytophag
Milben mikrophyto-, zoo-, makrophyto-,sapro-phagUrinsekten inkl.Springschwänze mikrophyto-, makrophyto-,sapro-phag
MikroarthropodenMilben mikrophyto-, zoo-, makrophyto-,sapro-phagMilben mikrophyto-, zoo-, makrophyto-,sapro-phag
Urinsekten inkl.Springschwänze mikrophyto-, makrophyto-,sapro-phagUrinsekten inkl.Springschwänze mikrophyto-, makrophyto-,sapro-phag
Mikroarthropoden
Enchyträen * mikro-, makro-phytophagEnchyträen * mikro-, makro-phytophag
Regenwürmer saprophag*Regenwürmer saprophag*
Webespinnen zoophagWebespinnen zoophag
Fluginsekten makrophyto-, sapro-, zoo-phagFluginsekten makrophyto-, sapro-, zoo-phag
Asseln saprophagAsseln saprophag
Tausendfüßer zoo-, makrophyto-phagTausendfüßer zoo-, makrophyto-phag
Schnecken makrophytophagSchnecken makrophytophag
( * Körperlänge)( * Körperlänge)
Mikroflora + Mikrofauna = Mikroorganismen Meso- Makro- Mega-fauna
Mikroflora + Mikrofauna = Mikroorganismen Meso- Makro- Mega-fauna
Sekundärzersetzersekundäre Konsumenten
Primärzersetzerprimäre Konsumentenprimäre Reduzenten
rhizophage
Nematoden
rhizophage
Schnecken
symbiotische
Pilze
symbiotische
Bakterien
saprophytische
Bakterien
saprophytische
Pilze
phytophage
Regenwürmer
phytophage
Larven, Käfer
Primär-produzenten
Sproß
Wurzel
Humus
F
Primäre Räuber(Zoophagen) Nekrophagen
F
mykophageNematoden
mykophage
Springschwänze
mykophage
Milben
bakteriophage
Milben
mikrophytophage
Protozoen
bakteriophage
Nematoden
saprophageMilben
saprophageSpringschwänze
saprophageNematoden
zoophageSpinnen
zoophage Käfer
zoophageNematoden
zoophageTausendfüßer
pantophage
Nematoden
F
F
zoophage
Nematoden
F
F
F
F
Sekundäre Räuber(Zoophagen) Nekrophagen
Sekundärzersetzersekundäre Konsumenten
Primärzersetzerprimäre Konsumentenprimäre Reduzenten
rhizophage
Nematoden
rhizophage
Schnecken
symbiotische
Pilze
symbiotische
Bakterien
saprophytische
Bakterien
saprophytische
Pilze
phytophage
Regenwürmer
phytophage
Larven, Käfer
Primärzersetzerprimäre Konsumentenprimäre Reduzenten
rhizophage
Nematoden
rhizophage
Schnecken
symbiotische
Pilze
symbiotische
Bakterien
saprophytische
Bakterien
saprophytische
Pilze
phytophage
Regenwürmer
phytophage
Larven, Käfer
rhizophage
Nematoden
rhizophage
Schnecken
symbiotische
Pilze
symbiotische
Bakterien
saprophytische
Bakterien
saprophytische
Pilze
phytophage
Regenwürmer
phytophage
Larven, Käfer
Primär-produzenten
Sproß
Wurzel
Humus
Primär-produzenten
Sproß
Wurzel
Humus
Sproß
Wurzel
Humus
FF
Primäre Räuber(Zoophagen) Nekrophagen
FFF
mykophageNematoden
mykophage
Springschwänze
mykophage
Milben
bakteriophage
Milben
mikrophytophage
Protozoen
bakteriophage
Nematoden
saprophageMilben
saprophageSpringschwänze
saprophageNematoden
mykophageNematoden
mykophage
Springschwänze
mykophage
Milben
bakteriophage
Milben
mikrophytophage
Protozoen
bakteriophage
Nematoden
saprophageMilben
saprophageSpringschwänze
saprophageNematoden
zoophageSpinnen
zoophage Käfer
zoophageNematoden
zoophageTausendfüßer
pantophage
Nematoden
zoophageSpinnen
zoophage Käfer
zoophageNematoden
zoophageTausendfüßer
pantophage
Nematoden
F
F
zoophage
Nematoden
F
F
F
F
Sekundäre Räuber(Zoophagen) Nekrophagen
Bodenkunde Bodenlebewesen - 8 -
� Nährstoffangebot; Wassergehalt, pH-Wert im Boden, Bodenklima
Stoffmengen (Fructose, Glycin) und Organismenanzahl (Bakterien, Pilze) in der Rhizosphäre.
Ausgangswert an der Wurzeloberfläche = 100% (1/1)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Abstand von der Wurzeloberfläche (mm)
1/1 100
0
1/2 50
1/8 12,5
1/4 25
1/16
1/8 12,5Fructose
Fructose
Bakterien
Bakterien
Glycin
Glycin
Pilze
Pilze
Sto
ffm
en
ge
res
p.
Org
an
ism
en
an
za
hl
(ve
rgli
ch
en
mit
Wu
rze
lob
erf
läc
he
)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Abstand von der Wurzeloberfläche (mm)
1/1 100
0
1/2 50
1/8 12,5
1/4 25
1/16
1/8 12,5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Abstand von der Wurzeloberfläche (mm)
1/1 100
0
1/2 50
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1/4 25
1/16
1/8 12,5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Abstand von der Wurzeloberfläche (mm)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Abstand von der Wurzeloberfläche (mm)
1/1 100
0
1/2 50
1/8 12,5
1/4 25
1/16
1/8 12,5Fructose
Fructose
Fructose
FructoseFructose
Bakterien
Bakterien
BakterienBakterien
Bakterien
Glycin
Glycin
GlycinGlycin
Glycin
Pilze
Pilze
PilzePilze
Pilze
Sto
ffm
en
ge
res
p.
Org
an
ism
en
an
za
hl
(ve
rgli
ch
en
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Wu
rze
lob
erf
läc
he
)
Bodenkunde Einführung - 1 -
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: koegel@wzw.tum.de 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 - 2 -
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 - 3 -
ZeitZeit
KlimaKlima
LebewesenLebewesenLebewesen
Boden
GesteinGestein
Boden
GesteinGestein
UnterbodenUnterbodenUnterboden
Oberboden
Auflagehumus
Oberboden
AuflagehumusAuflagehumus
Strauch-
Kraut-
Baum-
Moosschicht
Strauch-
Kraut-
Baum-
Moosschicht
Strauch-
Kraut-
Baum-
MoosschichtMoosschicht
KompartimentKompartiment
Pedosphäre
BiosphäreBiosphäre
Atmosphäre
Lithosphäre
Hydrosphäre
Lithosphäre
Hydrosphäre Rehfuss, 1990
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
� Verwitterung des Ausgangsgesteins Zerkleinerung und chemische Umwandlung
� Ansiedlung von Pflanzen � Humusbildung
Pedosphäre
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
Daraus ergeben sich spezifische Eigenschaften, die die Pedosphäre definieren und sie zu einem eigenen Kompartiment der belebten Erdoberfläche machen.
Gasphase (Bodenluft)
Vernetzung von
Festphase (Bodenmatrix aus mineralischer Phase u. Humus)
Flüssigphase (Bodenwasser)
10-4m3
Bodenkunde Einführung - 4 -
aus Gisi, Bodenökologie, 1997
Atmosphäre
Lithosphäre
aus Gisi, Bodenökologie, 1997
Atmosphäre
Lithosphäre
Atmosphäre
Lithosphäre
totes organisches Material (2)totes organisches Material (2)
22
totes organisches Material (2)totes organisches Material (2)
22
anorganisches Material (3)anorganisches Material (3)
33
anorganisches Material (3)anorganisches Material (3)
33
Porenvolumen (1)Porenvolumen (1)
11
Tiefe
min. Menge max.
1 m
Porenvolumen (1)Porenvolumen (1)
11
Porenvolumen (1)Porenvolumen (1)Porenvolumen (1)Porenvolumen (1)
1111
Tiefe
min. Menge max.
1 m
Tiefe
min. Menge max.
1 m
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
Begrenzung: Streuoberkante bis Gesteinsoberkante
Dicke: 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
RendzinaRendzina(Terebratulabank des Wellenkalks)
Zezschwitz 1971
RendzinaRendzina(Terebratulabank des Wellenkalks)
Zezschwitz 1971Tachering bei Trostberg
GleyGley aus Niederterrassen-schotter über Geschiebe
Tachering bei Trostberg
GleyGley aus Niederterrassen-schotter über Geschiebe
Göldenitz, Kr. Rostock
NiedermoorNiedermoorgeschichtet über Gyttja
Göldenitz, Kr. Rostock
NiedermoorNiedermoorgeschichtet über Gyttja
aus: AID
BraunerdeBraunerdeaus Grauwacke und Schiefer
aus: AID
BraunerdeBraunerdeaus Grauwacke und Schiefer
BraunerdeBraunerde--PodsolPodsolBraunerdeBraunerde--PodsolPodsol
Bodenkunde Einführung - 5 -
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
aus Gisi, Bodenökologie, 1997
Folge: 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
Höhe
Tiefe
max.
min.
TemperaturTemperaturTemperaturTemperatur
00
10 cm10 cm
LuftfeuchtigkeitLuftfeuchtigkeit
LichtLichtBiomasse Pfl.Biomasse Pfl.
Anzahl MOAnzahl MO
Vögel
Bodentiere
ArthropodenRäuber
Regenwürmer
NematodenWurzelfresser
Bakterien
Pilze
Humus
Pflanzen
ArthropodenZerkleinern
ProtozoenAmoeben
NematodenPilz- undBakterienfresser
Bodenkunde Einführung - 6 -
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.
Filter- und Pufferfunktion des Bodens
Bekanntes Beispiel für Pufferfunktion: Belastung des Grundwassers mit Nitrat oder Pestiziden.
Eintrag
Eintrag
Eintrag
EintragEintrag
EintragEintrag
Eintrag Eintrag
Austrag
Austrag von Stoffen und Energie
Austrag
AustragAustrag
Austrag von Stoffen und EnergieAustrag von Stoffen und Energie
AustragAustrag
BodenfunktionsraumBodenfunktionsraumBodenfunktionsraum
natürliche und künstliche Stoffzufuhr(Wasser, Nährstoffe, Schwermetalle, Agrochemikalien, ...)
AtmosphäreAtmosphAtmosphäärere
GesteinGesteinGestein BodenBodenBoden PflanzePflanzePflanze
GrundwasserGrundwasserGrundwasser
Bodenkunde Einführung - 7 -
Nitrattiefenverlagerung bei unterschiedlicher N-Düngung
aus Maidl & Fischbeck (1987)
1.5 Bodenfunktionen: Funktion als Archiv der Natur- und Kulturgeschichte
Böden mit naturhistorischer und geowissenschaftlicher Bedeutung
1.6 Bodenfunktionen: Nutzungsfunktion
Nutzungsfunktion als Rohstoff-lagerstätte, 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
Fossiler BodenFossiler Boden
Schichtfolge
ehemalige Ziegelei Steinheim
Memmingen
aus: Geotopkataster Bayern
Löss, Lösslehm (Jung-Pleistozän)
Fossiler Boden (Pleistozän)
Hochterrassenschotter (Mittel-Pleistozän)
landesweit/naturräumlich selten
Seltene BSeltene Böödenden
Kalktuff, Sinter, Alm (Holozaen)
Sideritbildungim Ampermoos bei Freising
0.3
2.3
4.3
6.3
8.3
0 40 80 120
Tiefe(m)
1238 kg NO3-N ha-1976659
Σ 0-9.8mΙ, ΙΙ, ΙΙΙ Nitratpeaks infolge überhöhter
N-Düngung zu GurkenMittelwertStandardabweichung
0 40 80 120 0 40 80 120 kg NO3-N ha-1
0.3
2.3
4.3
6.3
8.3
0 40 80 120
0.3
2.3
4.3
6.3
8.3
0 40 80 120
Tiefe(m)
1238 kg NO3-N ha-1976659
Σ 0-9.8mΙ, ΙΙ, ΙΙΙ Nitratpeaks infolge überhöhter
N-Düngung zu GurkenMittelwertStandardabweichung
0 40 80 120 0 40 80 120 kg NO3-N ha-1
Bodenkunde Einführung - 8 -
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
Grundwasser = TrinkwasserGrundwasser = Trinkwasser
BodenBoden
Emissionen
MineralöleTeeröle
Nitrat
NO3-Schwermetalle
PB, Cd, Zn
As, Cu, ....9
8
7
6
0
05
101
4
2
3
yClxCl
Dioxine/Furane9
8
7
6
0
05
101
4
2
3
yClxCl
Dioxine/Furane9
8
7
6
0
05
101
4
2
3
yClxCl
Dioxine/FuranePestizide
z.B. AtrazineCH3
C
NN
NN
H CH3
H
Cl
H
NC2H5
Pestizidez.B. Atrazine
CH3
C
NN
NN
H CH3
H
Cl
H
NC2H5
Pestizidez.B. Atrazine
CH3
C
NN
NN
H CH3
H
Cl
H
NC2H5
PAKPAKPAK
Bodenkunde Einführung - 9 -
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
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?
Paragraph 1
Die Funktionen des Bodens sind nachhaltig wiederherzustellen,
schädliche Bodenveränderungen abzuwehren, der Boden und
Altlasten sowie hierdurch verursachte Gewässerverunreinigun-
gen 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)
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 1 -
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
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 2 -
MetamorphoseMetamorphose
Diagenese
SedimentGesteine
Diagenese
SedimentGesteine
Ablagerung
Transport
Sedimente
Ablagerung
Transport
Sedimente
Ablagerung
Transport
Sedimente
Verwitterung Pedogenese
Böden
Verwitterung Pedogenese
Böden
Metamorphose
MetamorpheGesteine
Metamorphose
MetamorpheGesteine
Kristallisation
MagmatischeGesteine
Erkalten
Kristallisation
MagmatischeGesteine
Erkalten
AnatexisAnatexis
BiogenesMaterial
BiogenesMaterial
Magma
primäres Material
Magma
primäres Material
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
Kreislauf der Lithosphäre Sch/Sch Abb. 2.1-1
Eigenschaften der Minerale
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
Bodenminerale 2,50 - 3,00 g/cm3
Quarz 2,65 g/cm3
Spezifisches Gewicht:
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
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 3 -
Wichtige magmatische Minerale (primäre Minerale)
Funktion für Bodengenese, -fruchtbarkeit und Pflanze Zusammensetzung: Nährstoffgehalt Verwitterbarkeit: Freisetzung von Nährstoffen, Rate der Bodenbildung
Chemische Zusammensetzung der Lithosphäre
Mittlere Elementzusammensetzung der Erdkruste (bis in 16 km Tiefe)
vor allem Si-O-Verbindungen = Silicate *Koordinationszahl VI, außer Si und Al (IV) Al3+, Fe2+, Fe3+, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, H+, kein P!
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
*Ionen-radius
nmMasse-
%Volumen-
%Element
O 0,14 47,0 88,2 Sauerstoff47,0%
*Ionen-radius
nmMasse-
%Volumen-
%Element
O 0,14 47,0 88,2 Sauerstoff47,0%
O 0,14 47,0 88,2 O 0,14 47,0 88,2 Sauerstoff47,0%
Sauerstoff47,0% SiIV 0,026 26,9 0,32
Silicium26,9%
SiIV 0,026 26,9 0,32SiIV 0,026 26,9 0,32
Silicium26,9%
Silicium26,9%
AlVI
AlIV0,05350,039
8,1 0,55
Aluminium
8,1%
AlVI
AlIV0,05350,039
8,1 0,55AlVI
AlIV0,05350,039
8,1 0,55
Aluminium
8,1%
Aluminium
8,1%
Fe2+
Fe3+0,07800,0645
3,31,8
1,080,32
Eisen
5,1%
Fe2+
Fe3+0,07800,0645
3,31,8
1,080,32
Fe2+
Fe3+0,07800,0645
3,31,8
1,080,32
Fe2+
Fe3+0,07800,0645
3,31,8
1,080,32
Eisen
5,1%
Eisen
5,1%
Ca 0,100 5,0 3,42
Calcium
5,0%Ca 0,100 5,0 3,42Ca 0,100 5,0 3,42
Calcium
5,0%
Calcium
5,0%Mg 0,072 2,3 0,60
Magnesium2,3
Mg 0,072 2,3 0,60Mg 0,072 2,3 0,60
Magnesium2,3
Magnesium2,3
übrigeElementeübrigeElemente
Natrium2,1
Na 0,102 2,1 1,55
Natrium2,1
Natrium2,1
Na 0,102 2,1 1,55Na 0,102 2,1 1,55
Kalium 1,9
K 0,138 1,9 3,49
Kalium 1,9Kalium 1,9
K 0,138 1,9 3,49K 0,138 1,9 3,49
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 4 -
� Inselsilicat z.B. Olivin (Mg,Fe)2SiO4 grünlich
leicht verwitterbar wegen Struktur aus Sposito, 1998
(geringe Vernetzung, Fe2+-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 Tetraeder, Bindung von K+-Ionen zum Ladungsausgleich (Zwischenschichtkationen)
Glimmer (Muskovit) (Darrell G. Schulze)
K-Ionen passen sehr gut in die Oberfläche der Schichten (Sauerstoffsechserringe), Schichtabstand ca. 1nm
fixiertes K+ = Zwischenschicht
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 5 -
Tetraeder- und Oktaederschichten
Tetraederschicht (Darrell G. Schulze)
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
obere Sauerstoff-Ionen
untere Sauerstoff-Ionen
Si4+
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 6 -
Kation Gruppe Formel wichtige Feldspatminerale
K+: Kalifeldspat KAISi3O8 Orthoklas
Na+: Natronfeldspat: NaAISi3O8 Albit
Ca2+: Kalkfeldspat: CaAI2Si2O8 Anorthit
Kation Gruppe Formel wichtige Feldspatminerale
K+: Kalifeldspat KAISi3O8 Orthoklas
Na+: Natronfeldspat: NaAISi3O8 Albit
Ca2+: Kalkfeldspat: CaAI2Si2O8 Anorthit
� 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
häufig Minerale mit unterschiedlicher Mischung dieser Kationen:
Plagioklase aus Albit und Anorthit; lückenlose Mischungsreihe bei Na und Ca, da ähnlicher Ionenradius
wichtig Orthoklas 14% K
wichtig Plagioklase 0-9% Na, 0-14% Ca
Gerüststruktur, daher hart u. widerstandsfähig, aber etwas weniger als Quarz, da Si-Al-Ersatz; Härte 6
Erkennbarkeit im Gestein (Granit): Feldspat; glatte Spaltflächen; helle Minerale
Vorkommen und Bedeutung für Böden
Abbau bei Verwitterung:
Magmatische Gesteine 60%, Böden und Sedimente <10%
Was wird daraus bei der Verwitterung?
→ Nährstofffreisetzung: K, Na, Ca
→ Bildung sekundärer Minerale (Tonminerale)
� Quarz
Gerüstsilicat aus Si-Tetraedern, SiO2
Eigenschaften: Härte 7, ritzt Glas, weiß-glasig, sehr dicht
sehr widerstandsfähig, reichert sich bei Verwitterung relativ an
wird primär vom Gestein geliefert, in Böden und Sedimenten meist in größeren Körnern
liefert keine Nährstoffe; Gerüstsubstanz, ohne eigene Bindungsfähigkeit
Erkennbarkeit in Gestein und Böden: trüb, milchig, keine glatten Bruchflächen, Härte
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 7 -
Weitere primäre Minerale
Vulkanische Gläser
variable Zusammensetzung wie andere Minerale, aber nicht kristallisiert, da zu schnell erkaltet, daher sehr leicht verwitterbar:
Vulkanische Ascheböden (Andosole).
weitere nährstoffliefernde Minerale
Apatit Ca5(PO4)3 (OH,F,Cl) P-Lieferant Turmalin B-Al-Silicat B-Lieferant
Die wichtigsten magmatischen Gesteine
Festgesteine; meist älter als Tertiär (Beginn Tertiär vor 65 Mio Jahren)
Schmelze kann tief im Untergrund erstarren oder an die Oberfläche dringen
unter der Erdoberfläche: Tiefengesteine (Plutonite), langsame Abkühlung, grobkristalline Gesteine (granitische Struktur)
an der Erdoberfläche: Ergussgesteine (Vulkanite), schnell abkühlend, glasige oder feinkristalline Struktur
bodenkundlich wichtig, da davon Verwitterbarkeit abhängt; jeweilige Entsprechungen in Tiefen- und Ergussgesteinen
Die verbreitetsten Magmatite und ihr Mineralbestand Sch/Sch Abb.2.2-1
Härte Farbe Bedeutung für Böden
Quarz 7 hell Gerüst
Härte Farbe Bedeutung für Böden
Quarz 7 hell Gerüst
Feldspäte 6 hell K, Na, Ca, Tonminerale
Muskovit 2 - 2,5 hell K, Tonminerale
Pyroxene u. 5 - 6 dunkel Ca, Mg, Fe-Oxide, Tonminerale Amphibole
Biotit 2 - 2,5 dunkel K, Mg, Fe-Oxide, Tonminerale
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 8 -
Granit (http://l.hsr.ch) Gabbro(http://l.hsr.ch)
Granit (www.liganova.kiev.ua)
Zusammensetzung der wichtigsten magmatischen Gesteine
Gehalt an Si: >65% <52% Si-reich Si-arm
Fe, Mg, Al, Ca, K, Na: <35% >48% saure Gesteine basische Gesteine intermediäre Gesteine
das bedeutet mineralogisch: (% SiO2) saure Gesteine basische Gesteine Si-reiche Silicate Si-arme Silicate Quarz (100) Ca-Feldspäte (57) K-Na-Feldspäte (65) Augite u. Hornblenden (45)
Olivin (30-43) das bedeutet chemisch: Mg, Ca, Fe, P Na, K, Si
Plutonite
Große Magmakomplexe bilden nach ihrer Erstarrung in der Erdkruste unregelmäßige Gesteinskörper, sogenannte Plutone - nach Pluto, dem römischen Gott der Unterwelt.
Untergruppen: Gabbro und Diorit, Granit
Beispiele
.
� Granit
körniges, helles, saures Tiefengestein mit 20-30% Quarz 30-50% Orthoklas 30-40% Plagioklas (vorwiegend Na) < 10% Glimmer (vorwiegend Biotit) Farbe: grau, rötlich, grün Chemie: K-, Na-reich, (Mg-)Ca-arm, P-arm, Fe-arm
Erkennung
am Stück: Farbe, Einzelminerale, Körnigkeit im Aufschluss: Kluftflächen in der Landschaft: Verwitterungsformen (Kissen, Wollsackverwitterung), runde Morphologie Vorkommen:
Alpenländer: Zentralalpen Mittelgebirge: Schwarzwald, Harz, Odenwald, Fichtelgebirge, Bayerischer Wald, Böhmischer Wald, Vogesen
Ostseeraum: Glaziale Blöcke aus Skandinavien, Findlinge
Alte Kontinente: Skandinavien, Indien, Afrika
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 9 -
Verwandte: Syenit, Diorit, Rhyolit, Trachyt
Wollsackverwitterung Typische Wollsackverwitterung des postorogenen Okergranits (graphophyrische Varietät) im Okertal ivvgeo.uni-muenster.de
Vulkanite
Was ist ein Vulkan?
Ein Vulkan ist ein Riss in der Erdkruste, wo Magma herausströmt. Durch die Ablagerung entsteht ein Kegel. Je nachdem, wie heiß die Lava ist, desto flacher wird der Kegel, weil dann die Lava schneller abfließt. Ein Vulkan sieht etwa so aus:
Ein Vulkan mit der Magmakammer, einem Seitenschlot und dem Krater. Schild- oder Deckenvulkane
www.ambuehler.ch
� Basalt dunkler (schwarzer), basischer Vulkanit mit fehlender oder kaum erkennbarer Körnigkeit der Grundmasse und einzelnen größeren Kristallen darin,
Mineralzusammensetzung:
50% Ca-reiche Plagioklase
50% Augite
Ca-, Fe-, Mg-reich! K-arm, P-reich
Erkennung
am Stück: schwarz, schwer, feinkristallin, muschelig brechend, sehr hart im Aufschluss: meist säulenförmig, Farbe durch Verwitterungsrinde überdeckt
in der Landschaft: Vulkanlandschaft, Kegelformen mit großen Fließdecken, runde Formen bei Verwitterung
Vorkommen: weltweit sehr verbreitet
BRD: Vogelsberg, Rhön, Hess. Bergland, Hegau, Kaiserstuhl, Parkstein, Oberpfalz Welt: Japan, USA, Mittel- und Südamerika, Australien, NZ, Hawaii, Sudan, Äthiopien, Nigeria, Kenia, S. Afrika, Indien
Verwandte:
Diabas, Melaphyr = ältere Basalte Gabbro = Tiefengesteinsäquivalent
Andesit, Phonolith = weniger basisch
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 10 -
Bedeutung für Böden
Vergleich Granit - Basalt Beurteilung bei festem Gestein nach 1. wie schnell ist Bodenbildung � Gründigkeit = Wieviel Boden bildet sich
2. wie ist das Material, das entsteht
hängt ab von �� Verwitterbarkeit des Mineralverbandes
�� Verwitterbarkeit der Einzelminerale
�� Art der Sekundärprodukte (Nährstoffe, Tonminerale, Oxide), klimaabhängig Granit - Basalt - Vergleich in unserem Klima
Granit:
� Schnelle Lockerung des Verbandes, da wegen großer Körner wenig Kontaktflächen, aber wenig Verwitterung der Mineralkörner � wenig Nährstoffe, wenig Sekundärminerale, Quarz und resistente Feldspäte � tiefgründige, aber ärmere Böden,
� sandig; saure Braunerden und Podsole
Basalt:
� Langsame Lockerung des Verbandes, aber starke Verwitterung der Mineralkörner, da leicht verwitterbar � flachgründige, aber reiche Böden, wenn Fe-Oxid-reich = stark braun
� tonig; eutrophe Ranker oder Braunerden
anders in anderen Klimaten, d.h. bei langer Bodenbildung � allmähliche Angleichung; Böden aus Basalt aber stets tonreicher und quarzfrei; Böden aus Granit tonärmer, quarzhaltig
für Böden wichtig: Nährstofffreisetzung bei Verwitterung
2.2. Sekundäre Minerale und Sedimentgesteine
entstehen durch Verwitterung, Voraussetzung für Bildung von Böden (und Sedimenten, Metamorphiten), pedogene Minerale
� Neubildung nach vollständiger oder teilweiser Auflösung der Primärminerale → Tonminerale
� chemische bzw. biochemische Ausfällungen: Carbonate, Fe-Oxide, Mn-Oxide und Mn-Hydroxide
MagmatischesMagmatisches GesteinGestein
unzersetzte Minerale Zersetzungsprodukte
Verwitterung
schwer löslich(Si, Al, Fe, Mn)
leicht löslich(Na, K, Mg, Ca, SO4, Cl, CO3 )
Mineralneubildung
TransportTransport
Transport
Mineralneubildung
SedimentgesteinSedimentgestein
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 11 -
Tonminerale
Si-Al-Silicate, aufgebaut aus Tetraeder- und Oktaederschichten wie die Glimmer (aus denen sie z.T. entstanden sind); jedoch Teilchengröße meist < 2 µm
alle Tetraeder besitzen Zentralatom, dagegen weisen nicht alle Oktaeder Zentralatome auf → alle Oktaeder mit Zentralatom = trioktaedrisch, nur 2 von 3 Oktaedern mit Zentralatom besetzt = dioktaedrisch; Übergänge zwischen beiden Formen möglich!
Tonminerale identifizierbar durch den Schichtabstand ihrer (geschichteten) Elementarzellen
Elementarzelle = kleinste, sich in allen Richtungen wiederholende Einheit des Kristalls;
Basisabstand = Abstand zwischen den ‘unteren’ Begrenzungen von 2 aufeinander folgenden Elementarzellen
isomorpher Ersatz: Si4+ durch Al3+ in Tetraedern, Al3+ durch Fe2+ oder Mg2+ in Oktaedern ersetzt, Schichtladung sehr variabel
Neutralisation der negativen Überschussladung durch
� austauschbare Kationen, die z.T. in Zwischenschicht eingelagert sind (diese können mit Wasser- oder Hydrathülle umgeben sein = hydratisiert), oder positiv geladene Al-Hydroxidschichten 1-wertige Kationen, haben kleineren Ionenradius als 2-wertige, gleichzeitig dickere Hydrathülle; innerhalb gleicher Wertigkeit nehmen im Periodensystem von oben nach unten Ionenradius zu und Hydrathülle ab; besonders optimal K+-Durchmesser zu Maschen-Durchmesser bei Illit
Zweischicht-Minerale
(1:1); 1 Tetraeder- + 1 Oktaeder-Schicht ohne Zwischenschicht: Kaolinit (Schichtabstand 0,7 nm); dieser (wie Halloysit (Schichtabstand 1 nm)) dioktaedrisch;
reines Al-Silicat Al2(OH)4Si2O5, jedoch Al z.T. durch Fe ersetzt
Schichtzusammenhalt durch OH...O-Brücken, meist 6-eckige Blättchen
Wasser kann nicht eindringen, nicht stark quellbar,
kaum isomorpher Ersatz, d.h. kaum Kationenbindung
Vorkommen: nicht oder wenig in Böden der gemäßigt-humiden Gebiete, sehr verbreitet in tropischen Böden
Modell eines Kaolinits (Darrell G. Schulze)
Bedeutung für Böden
� Keine Nährstoffe im Kristall, geringes Nährstofffesthaltevermögen (Dünger, Auswaschung)
� keine starke Schrumpfung + Quellung (daher gut für Keramik), meist 0.1 µm große Kristalle
� Tonböden mit geringer Fruchtbarkeit!
� meist auch Fe-Oxid-reich, da stark verwittert, wenig isomorpher Ersatz → geringe KAK, wenig Hydratation, daher auch wenig Wasserbindung
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 12 -
Dreischicht-Minerale
(2:1); 2 Tetraeder- + 1 Oktaeder-Schicht mit Zwischenschicht: Illit, Smektit, Vermikulit, Chlorit
� Illite
meist dioktaedrisch, Schichtabstand 1 nm, starke Ladung der Schichten durch Si-Al-Ersatz, Ver-wandtschaft mit Glimmer
Schichtenzusammenhalt durch K-Ionen, nicht quellbar
entsteht stets, wenn Glimmer im Ausgangsgestein
wichtig für K-Ernährung der Pflanzen, in unseren Böden häufig 5-6% K
durch K-Herauslösung vollständig aufweitbar → Wechsellagerung von Illit und Vermikulit bzw. Smektit; nach K-Zufuhr (Düngung) K-Einlagerung in Zwischenschichten → Kontraktion der Zwischenschichten zum Illit → K-Fixierung
� Smektite (Montmorillonit)
aufweitbar, Schichtabstand von 1-2 nm → starke Wassereinlagerung → Quellung/Schrumpfung von Böden, eigentlich Tonmineral-Gruppe, deren Minerale unterschieden werden aufgrund der Anteile tetra- und oktaedrischer Ladungen und Fe3+- und Mg2+-Gehalten
Ladung nur 1/2 - 1/3 so hoch wie Illit, isomorpher Ersatz vorwiegend in Oktaedern
Zwischenschicht: Kationen sind hydratisiert, daher locker gebunden und daher austauschbar, z.B. durch Düngung, keine K-Fixierung
Wasser kann eindringen (1 Schicht Wasser 0,25 nm Dicke), Quellung und Schrumpfung, Schichtabstand wird größer und kleiner
Modell des Smektits (Darrell G. Schulze)
randlichaufgeweitet
völlig aufgeweitet
nicht-austauschbare K-Ionen
austauschbare Kationen
nicht aufgeweitet
randlichaufgeweitetrandlichaufgeweitet
völlig aufgeweitet
nicht-austauschbare K-Ionen
austauschbare Kationen
nicht aufgeweitet
völlig aufgeweitetvöllig aufgeweitet
nicht-austauschbare K-Ionennicht-austauschbare K-Ionen
austauschbare Kationenaustauschbare Kationen
nicht aufgeweitetnicht aufgeweitet
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 13 -
� Vermikulite
trioktaedrisch, aufweitbar bis 2 nm → starke Wassereinlagerung → Quellung/ Schrumpfung von Böden, ähnlich wie Smektite, jedoch höhere Ladung, daher weniger quellbar, Schichtabstand kann infolge K-Zufuhr auf 1 nm kontrahieren
Modell eines Vermikulites (Darrell G. Schulze)
� Chlorite:
kommen sowohl als primäre Minerale (aus Gesteinen) vor, wie auch als pedogene, sekundäre Chlorite
dioktaedrische Silicatschichten, mit inselartigen Einlagerungen von Al-Hydroxid-Schichten in der Zwischenschicht, Al nicht voll hydroxyliert, deshalb positive Ladung, die negative Ladung der Silicatschichten ausgleicht, nicht aufweitbar, nicht austauschbar, Schichtabstand 1,4 nm
Modell des Chlorits (Darrell G. Schulze)
Im Boden haben die Tonminerale häufig eine heterogene Schichtfolge � Wechsellagerungsmineral
Vergleich: Aufbau und Zwischenschichtbesetzung der wichtigsten Tonminerale
Kaolinit
O ... HO - Brücken
Kaolinit
O ... HO - Brücken
Smectit, Vermiculit
austauschbare Kationen + H2O
Smectit, Vermiculit
austauschbare Kationen + H2O
Chlorit
(Mg,) Al-Oktaederschicht
Chlorit
(Mg,) Al-Oktaederschicht
Illit
Kaliumionen
Illit
Kaliumionen
Tetraeder
Tetraeder
Oktaeder
Tetraeder
Tetraeder
Oktaeder
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 1 -
2. Die Bodenfestphase - Teil 2 Weitere Tonminerale
� Allophane:
wasserreich, Oktaederschicht als Mittelschicht, aber nicht geschichtet, sondern als winzige (3,5-5,0 nm äußerer Durchmesser) Hohlkugeln
� Imogolite:
dioktaedrische Al-Hydroxid-Schicht + Si-Tetraeder-Schicht (innen) bilden feinste Röhrchen (2 nm äußerer Durchmesser)
hohe spezifische Oberfläche: 100 - 1000 m2/g
Darrell G. Schulze
Bedeutung: Festlegung von Phosphaten
Vorkommen besonders in Böden aus vulkanischen Aschen, sogenannten Andosolen (Japan, USA, Neuseeland, Eifel)
Tonminerale - Bedeutung für Böden
� grobe Fraktion meist unveränderte magmatische Minerale ~ inert
� Tonminerale Bestandteile der feinsten Fraktion des Bodens, <2 µm, = Tonfraktion
� große Oberfläche (bis zu 1000 m2/g), H2O-Anlagerung
� Reservebank für Nährstoffe: so gebunden, dass Auswaschung verhindert
� Belastbarkeit der Umwelt, Pufferung gegen H+, d.h. gegen Versauerung
� Nährstoffaufnahme durch Pflanzen wird nicht verhindert → Idealzustand
� Gefügebildner im Boden: Teilchen haften aneinander, da Oberfläche groß im Vergleich zum Gewicht: binden sich selbst und andere Grobteilchen, d.h. Oberfläche wird ökologisch verwertbar angeboten
Oxide und Hydroxide des Fe, Al, Mn, Si
Infolge chemischer Verwitterung fallen bei entsprechenden Milieu-Bedingungen Oxide und Hydroxide aus Bodenlösung aus, die durch Alterung mehr oder weniger auskristallisieren, d.h. höheren Grad der Kristallinität erreichen
schwer löslich, Endprodukte der Verwitterung:
Al-O-Si und Fe-O-Si-Bindung löst sich, Si wird ausgewaschen, da löslicher als Fe, Al; Freisetzung bei Verwitterung der primären Silicate, Oxidation und Ausfällung als Oxid, stets sehr kleine Korngröße (3-100 nm), Minerale der Tonfraktion (<2 µm), große Oberfläche
Pedogene Oxide und Hydroxide von Al, Fe, Mn und Si
FeFe
GoethitGoethit FerrihydritFerrihydritαααααααα--FeOOHFeOOH 5Fe5Fe22OO33H H •• 9H9H22OO
HHäämatitmatit LepidokrokitLepidokrokitαααααααα--FeFe22OO3 3 γγγγγγγγ--FeOOHFeOOH
AlAl
GibbsitGibbsitγγγγγγγγ--Al(OH)Al(OH)33
BirnessitBirnessitNa,Ca,K(MgNa,Ca,K(Mg •• MnMn22++))
MnMn66++OO1414 •• 5H5H22OO
MnMn
SchwertmannitSchwertmannitFeFe3+3+
1616[O[O1616(OH)(OH)99--1212(SO(SO44))3.53.5--22]]
OpalOpalSiOSiO2 2 •• nHnH22OO
SiSi
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 2 -
HHäämatit:matit: αααααααα--FeFe22OO33 ((blut)rotblut)rot
� Bildung bei höheren Temperaturen gefördert
FerralsolFerralsolaus fluvialen Sedimenten
– Subtropen und Tropen
�� VorkommenVorkommen
Aufn.: R. Bäumler, 2002, Thailand
� Aluminiumhydroxide:
vorherrschend Gibbsit: γ-Al(OH)3 (farblos bis weiß), aufgebaut aus Oktaedern, deren Zentren nur zu ⅔ mit Al besetzt sind, Gibbsit entsteht in Böden nur bei sehr niedrigen Si-Konzentrationen in der Bodenlösung, also bei sehr intensiver Verwitterung in Böden der Tropen und Subtropen
Anreicherung der verschiedenen Al-Oxide als Al-Erze → Bauxit
� Fe-Oxide:
gelb, rot oder braun, schlecht bis gut kristallisiert, abhängig von Alter und Milieu, insbesondere Temperatur
� Hämatit-Bildung bei höheren Temperaturen gefördert, rote Böden, deshalb kennzeichnend für subtropische und tropische Klimabedingungen, rote tropische und subtropische Böden, auch Indikator für frühere tropische / subtropische Klimabedingungen
� Schwertmannit
Jerry Bigham
Darrell G. Schulze
SchwertmannitSchwertmannit:: FeFe3+3+1616[O[O1616/(OH)/(OH)99--1212(SO(SO44))3.53.5--22]] brbrääunlichgelbunlichgelb
� Bildung in sauren und sulfatreichen Gewässern
Das Elektronenmikroskop zeigt die igelartigen
Kristallaggregate des neu entdeckten Minerals Schwertmannit, der in den sauren Bergbauwässern
in großer Menge gebildet wird. Der Maßstab entspricht einem tausendstel Millimeter.
�� Vorkommen Vorkommen –– Häufiges Produkt der Pyritverwitterung
Aufn.: St. Peiffer, Universität Bayreuth.
Aufn.: Schwertmannam Pfitscherjoch in Österreich
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 3 -
� Goethit-Bildung bevorzugt bei mittleren Temperaturen unter nicht zu feuchten Bedingungen, braune Böden, kennzeichnend für gemäßigte Klimabedingungen, kommt in allen Klimaten vor, sehr stabil
� Lepidokrokit-Bildung vorherrschend unter reduzierenden, d.h. vernässten (s.u.) Bedingungen aus Fe(II)-Lösung, aber meist nur kleinräumig auftretend
� Ferrihydrit schlecht geordnet, junges Eisenoxid, entsteht bei schneller Oxidation oder bei Störung der Kristallisation, z.B. durch organische Stoffe, Silikat- oder Phosphationen; Umwandlung in Hämatit durch Entwässerung in Böden wärmerer Klimate; Umwandlung in Goethit nur über Auflösung;
Anreicherung von Fe-Oxiden kann zu Verfestigungen und Zementierungen führen, die sehr hart sein können, Horizonte als Ferricret bezeichnet; hierzu gehören auch Ortstein und Raseneisenstein
� Si-Oxide
nicht verwechseln mit Silicaten, SiO2, entstanden infolge Verwitterung primärer und sekundärer Silicate, Polymerisation der Oxide, amorph oder als Opal, sehr schwer löslich, Anreicherung in Böden der semiariden Tropen, erzeugt Verhärtungen (Panzer) = Silcret
Oberflächeneigenschaften der reaktiven Bodenbestandteile und
Kationenaustauschkapazität (KAK) bei pH 7
GoethitGoethit: : αααααααα--FeOOHFeOOH gelbbraungelbbraun
� Bildung bevorzugt bei mittleren Temperaturen
� sehr stabil
� braune Böden
– in allen Klimazonen
aus: AID
BraunerdeBraunerdeaus Grauwackeund Schiefer
�� VorkommenVorkommen
LepidokrokitLepidokrokit:: γγγγγγγγ--FeOOHFeOOH orangeorange
� Bildung vorherrschend unter reduzierenden Bedingungen� metastabil
– Staunasse Böden– Kleinräumig
�� VorkommenVorkommen
PseudogleyPseudogleyaus Sedimenten überSchluffsteinverwitterung
Aufn.: R. Bäumler, 2002, Thailand
Huminsäuren 9 • 105 3,0 3 pH-abhängig
Allophan (5-7) • 105 0,8 1,5 pH-abhängig
Fe- u. Al-Oxide 3 • 104 0,005 0,2 pH-abhängig
Vermikulit 8 • 105 1,4 2 permanent
Smektite 8 • 105 1,0 1 permanent
Illit 1 • 105 0,3 3 permanent
Kaolinit (1-2) • 104 0,02-0,06 1-6 permanent
(m2/kg) (molc/kg (µmolc/m2)
Oberfläche KAK Dichte der Ober- vorherrschende
flächenladung negative Ladung
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 4 -
RestRest
3%3%
QuarzQuarz
38%38%
GlimmerGlimmer
20%20%
CarbonateCarbonate
20%20%
Tonminerale Tonminerale
9%9%
Feldspäte Feldspäte
7%7%
Eisenoxide Eisenoxide
3%3%
RestRest
3%3%RestRest
3%3%
QuarzQuarz
38%38%QuarzQuarz
38%38%
GlimmerGlimmer
20%20%GlimmerGlimmer
20%20%
CarbonateCarbonate
20%20%CarbonateCarbonate
20%20%
Tonminerale Tonminerale
9%9%Tonminerale Tonminerale
9%9%
Feldspäte Feldspäte
7%7%Feldspäte Feldspäte
7%7%
Eisenoxide Eisenoxide
3%3%Eisenoxide Eisenoxide
3%3%
Weitere sekundäre Minerale: entstehen bei Sedimentation
Minerale fallen nach Abtransport löslicher Anteile der Zersetzungsprodukte aus: Salze von Alkaliionen/Erdalkaliionen + CO3, Cl, SO4
Carbonate:
� CaCO3 - Calcit weißes Mineral, Reaktion auf HCl ↑ CO2
In vielen Böden, dort meist ererbt vom Gestein, befindet sich im Lösungsgleichgewicht (reversibel) im Gegensatz zu primären Mineralen
Gleichgewicht im Grundwasserbereich oder an Quellaustritten hängt von CO2 (pH) und Wassergehalt ab, kann wieder gefällt werden → Alm oder Wiesenkalk
� Ca,Mg(CO3)2 - Dolomit schwerer löslich, Mg-Quelle
Bedeutung für Böden:
Neutralisation von CO2 und anderer Säuren, puffert Versauerung, liefert Ca2+ Verkittungsmittel (Zement) → Calcret
Gips: CaSO4 • 2H2O - sehr leicht löslich, daher bei uns meist ausgewaschen, in ariden und semiariden Böden
Sedimentgesteine
Sedimente machen nur ≈ 8% der Erdkruste aus, bedecken aber etwa 75% der Erdoberfläche, d.h. wichtig für Bodenbildung Lockergestein, Alter meist Tertiär oder jünger
Mineralogische Zusammensetzung der Sedimentgesteine
Entstehung über mehrere Teilprozesse
Verwitterung / Transport / Ablagerung → Umwandlung (Diagnese) zu festem Gestein
Verwitterung: Lockerung d. Materials, z.T. Umwandlung
Transport: durch Rutschen, Wasser, Wind, Eis, Nah-, Fern-Transport
erkennbar an: Rundungsgrad, bildet Feinsubstanz Sortierung nach Korngröße, ermöglicht Schichtung, unterschiedlich stark bei den Transportagenzien; Transportweg um so weiter, je kleiner Teilchen
Ablagerung meist sortiert und schichtförmig, letzteres nur erkennbar, wenn Materialwechsel (Sedimentgestein)
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 5 -
(Kreuz-)Schichtung in fluviatilen Sedimenten Aufn.: H.H. Becher, 1971, Kiesgrube, Eberstetten, Krs PAF
wo? Festland (am Hang, Fluss, See, Gletscher): fluviatil, äolisch, glazial, limnisch, Meer (Küste, Tiefsee): brackisch, marin,
Verfestigung durch Druck: Diagenese, Dichteanstieg, Auspressen des Wassers, Einregelung der Partikel (Minerale), Verkittung durch Bindemittel: Feinsubstanz: Kalk, Kieselsäure, Fe-Oxide, Tonminerale
Mechanisch transportierte Minerale + authigene, d.h. am Ort neu gebildete, sekundäre Minerale (Tonminerale, Carbonate, Oxide)
Schichtung; Fossilien; Verwitterungserscheinungen (Zurundung)
Einteilung der Sedimente
mechanisch transportiertes Material → mech. Sedimente (chemische) Ausfällungen → chem. Sedimente Torfe, Braunkohle → biogene Sedimente
Mechanische (klastische) Sedimente
Einteilung nach Korngröße (Kiese, Sande, Schluffe, Tone oder Mischsedimente) und Art des Transports; Transport über fließendes Wasser: an Schichtung zu erkennen Windtransport: Sand- und Schluffteilchen als Flugsand oder Löss abgelagert, z.T. Feinschichtung erkennbar
Geschiebemergel und Geschiebesande (Gletscher), ungeschichtet = Gemenge
Lockersedimente - Diagenese - Verfestigung
kantiges Grobmaterial (Schutt) = Breccien gerundetes Grobmaterial (Schotter) = Konglomerate Sande = Sandsteine, Quarzite, Grauwacken, Arkosen Schluffe und Tone = Schluff- und Tonsteine carbonatreicher Schlamm = Carbonatgesteine Lösungen von Ca-, Mg- und Fe-Hydrogencarbonaten oder von Kieselsäure, die lockere Ablagerungen durchsetzen. unsortiert: Eissedimente: Moränenmaterial z.B. Geschiebemergel; Fließerden
(vgl. Film zur Einführung) Verbreitung von Moränen: Alpenvorland, N-Deutschland;
von Fließerden: Mittel- und Hochgebirge
� Tonsteine
Gesteine mit hohem Gehalt der Kornfraktion < 2 µm, Tonminerale als Hauptbestandteile Ablagerung unter ruhigen Sedimentationsbedingungen (Beckenton, Stillwassersedimente) stets Wassersedimente, meist plastisch Diagnetische Reihe Ton → Tonstein → Schieferton → Tonschiefer Verbreitung Bayern: Mittel- und Unterfranken (Albvorland), Tonsteine → Tone, Molassetone im Tertiärhügelland meist talbildend, da leicht erodierbar;
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 6 -
� Schluff, Schluffsteine (2 - 63 µm) Löss, äolisches Sediment, außerdem Flussmergel Pflanzendecke fehlt im Periglazialraum: Auswehung, Sedimentation Sedimentationsrate 1 mm/Jahr ein Schluffsediment im Glazial (Staub-Mehlsand): vorwiegend Körner 10 - 50 µm, 10 - 30% CaCO3, Illit + Smektit Verbreitung Deutschland, USA, Russland, China, Zentralasien
� Sandsteine
Gesteine mit > 50% der Fraktion 0,063 - 2 mm Psammite, Sand, Sandsteine, Kies, Schotter, Konglomerat bei hoher Transportkraft des Wassers rauh, meist sehr quarzreich, nicht plastisch, Fluss- und Küstennähe, Gletschersande, Flugsande, Grauwacken (dunkelgraue Sandsteine, die Glimmer und Chlorite enthalten und reich an Gesteinsbruchstücken sind), Sandsteine (Sandsteine i.e.S. haben > 75% Quarz) Schotter als Talfüllungen, Küstenkonglomerate (verfestigt): Nagelfluh = Kalksandstein keine Einzelminerale mehr, sondern Gesteinsrückstände Verbreitung: Molasse; Buntsandsteine: N-Schwarzwald, Spessart, Hessen, Niedersachsen
� Gemenge
Verfestigt: Breccien, Konglomerate Eigenschaften: Silicatgehalt und Bindemittel bedeutsam
Quartäre Lockersedimente
� Löss
während der quartären Vereisung wurde aus vegetationsarmen Schmelzwasser- und Frostschuttablagerungen, Tundren und arktischen Trockengebieten schluffreiches Material ausgeweht = Löss Löss ist carbonathaltig, gelblich gefärbt, ausgeprägtes Korngrößenmaximum zwischen 10 und 60 µm Durchmesser ( ≈ 60%) Tongehalt 10 - 25%, Schluffgehalt 65 - 80%, Sandgehalt 10 - 15% dünner Lössschleier in Mitteleuropa Unter den humiden Klimabedingungen der Nacheiszeit wurden im Oberboden sehr häufig Carbonate vollständig ausgewaschen und der gelbe Löss durch Eisenoxid- und Tonbildung in gelbbraunen Lösslehm umgewandelt.
Vergleich: Bodenentwicklung aus TonVergleich: Bodenentwicklung aus Ton-- und Sandsteinund Sandstein
SandsteinSandstein
niedrig
Quarz, Feldspat + andere Silicate
Nährstoffgehalt
Nährstoffspeicherung
Kohärent-, Einzelkorngefüge
Tongehalt hoch
EigenschaftEigenschaft TonsteinTonstein
vorherrschende Minerale Tonminerale
schnelllangsam
niedrighoch
gut schlecht
Gefügeform Aggregat-
Entwicklungsgeschwindigkeit
GranitBasalt
Nadelwald: Querceten, Pineten
Entsprechung
Vegetation Laubwald: Fageten, Edelholz
Bearbeitbarkeit
Durchwurzelbarkeit schlecht gut
sehr hochWasserdurchlässigkeit(-leitung) sehr gering
niedrigWasserspeicherung hoch
flach bis tiefflach
gutschlecht
physiolog. Gründigkeit
Vergleich: Bodenentwicklung aus TonVergleich: Bodenentwicklung aus Ton-- und Sandsteinund Sandstein
SandsteinSandstein
niedrig
Quarz, Feldspat + andere Silicate
Nährstoffgehalt
Nährstoffspeicherung
Kohärent-, Einzelkorngefüge
Tongehalt hoch
EigenschaftEigenschaft TonsteinTonstein
vorherrschende Minerale Tonminerale
schnelllangsam
niedrighoch
gut schlecht
Gefügeform Aggregat-
Entwicklungsgeschwindigkeit
GranitBasalt
Nadelwald: Querceten, Pineten
Entsprechung
Vegetation Laubwald: Fageten, Edelholz
Bearbeitbarkeit
Durchwurzelbarkeit schlecht gut
sehr hochWasserdurchlässigkeit(-leitung) sehr gering
niedrigWasserspeicherung hoch
flach bis tiefflach
gutschlecht
physiolog. Gründigkeit
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 7 -
� Flugsande als Decken oder Hügelsysteme (Dünen) verbreitet, besonders an Küsten- und Talrändern, quarzreich
� Sedimente der Flusstäler und Küsten: Auensedimente (z.B. Auenlehm), Kiese, Schotter der Flussterrassen; Marschen (sandig bis tonig)
� Kolluvium Junge Sedimente wechselnder Körnung entstehen durch die Erosion als Kolluvien an Hangfüßen, nachdem die Böden der Hänge in Ackerkultur genommen wurden oder werden
� Glazigene Sedimente Gletscher hinterließen nach dem Abschmelzen Moränen im inneren Bereich: flache, aber unebene Grundmoränen Gletscherränder: wellige Endmoränen, auch durch Eisschub meist unsortiert; häufig große, mehr oder weniger abgerundete Gesteinsblöcke, sog. Geschiebe je nach Körnung und Carbonatgehalt: Geschiebesande, -lehme oder –mergel Schmelzwässerablagerungen kommen vor allem als Kies (z.B. Fluss- oder Terrassenschotter) oder Sande (Schmelzwassersande) vor.
� Fließerden und Solifluktionsschutt Lockersedimente, die sich in Hanglagen (>2°) auf gefrorenem Untergrund als wassergesättigter Brei bewegten.
In Mitteleuropa während des Pleistozäns entstanden und heute in den meisten Mittelgebirgs-lagen als eine 1-4 m mächtige, mehr oder weniger geschlossene Decke anzutreffen
hangparallel eingeregelte Steine
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) Kainit, Steinsalz Apatit Gips, Anhydrit
(K-Quelle) (P-Quelle) (S-, Ca-Quelle)
Aufn.: H.H. Becher Waldhäuser (Bayr. Wald) FRG
Firneisgrundschutt über Granitzersatz, Bänderung erhalten, große Steine horizontal eingeregelt
Aufn.: H.H. Becher Waldhäuser (Bayr. Wald) FRG
Hakenschlagen in Granitzersatz infolge Bodenfließen
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 8 -
2.3. Metamorphite
infolge Druck- und/oder Temperatur-Einwirkung veränderte Gesteine aus magmatischen Gesteinen (Orthogesteine) oder Sedimenten (Paragesteine)
Gneise, Hornfels, Marmor
Verbreitung der Ausgangsgesteine
Metamorphose verschiedener Gesteine
Granit Gneis
Basalt Grünschiefer Amphibolit
Kalkstein Marmor
Schieferung
Ton Tonschiefer
Fältelung
Phyllit
Kristallvergröberung
Glimmerschiefer
Aufschmelzung
Gneis
Metamorphose verschiedener Gesteine
Granit GneisGranit Gneis
Basalt Grünschiefer AmphibolitBasalt Grünschiefer Amphibolit
Kalkstein MarmorKalkstein Marmor
Schieferung
Ton Tonschiefer
Schieferung
Ton Tonschiefer
Fältelung
Phyllit
Fältelung
Phyllit
Kristallvergröberung
Glimmerschiefer
Kristallvergröberung
Glimmerschiefer
Aufschmelzung
Gneis
Aufschmelzung
Gneis
LössLöss
Basalt u. ä.Basalt u. ä.
MagmatiteMagmatite
Granit u. ä.
MagmatiteMagmatite
Granit u. ä.
KalksteinKalkstein
Mergel- u. TonsteinMergel- u. Tonstein
SandsteinSandstein
Sedimente verfestigtSedimente verfestigt
Schieferton
Sedimente verfestigtSedimente verfestigt
Schieferton
Sand und KiesSand und KiesSand und Kies
Sedimente lockerSedimente locker
Ton
Sedimente lockerSedimente locker
Ton
Sedimente lockerSedimente locker
Ton
Mergel und LehmMergel und Lehm
MetamorphiteMetamorphite
Gneis u. ä.
MetamorphiteMetamorphite
Gneis u. ä.
Hamburg
Hannover Berlin
Erfurt
Frankfurt
Trier
Stuttgart
MünchenLinz
Prag
Köln
Münster
Hamburg
Hannover Berlin
Erfurt
Frankfurt
Trier
Stuttgart
MünchenLinz
Prag
Köln
Münster
Schiefer u. ä.Schiefer u. ä.
Bodenkunde Einführung - 1 -
Gasphase
� Zusammensetzung der Bodenluft
Die Bodenluft enthält grundsätzlich dieselben Komponenten wie die oberirdische Atmosphäre,
allerdings in variabler und stark abweichender Zusammensetzung der einzelnen Komponenten.
ZZuussaammmmeennsseettzzuunngg
ddeerr BBooddeennlluufftt
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 außer-
dem 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.
CCoo22--PPrroodduukkttiioonn iinn AAbbhhäännggiiggkkeeiitt vvoonn ddeerr
TTiieeffee iinn eeiinneerr PPaarraabbrraauunneerrddee aauuss LLöössss
uunntteerr AAcckkeerrnnuuttzzuunngg
aauuss SScchh//SScchh ((22000022))
Der Wasserdampfgehalt in der Bodenluft ist höher als in der Atmosphäre; bei Wasserspannungen < pF 4,2 ist die relative Feuchte der Bodenluft > 95%.
� 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.
0
CO2-Produktion (mg m-2 cm-1 h-1)
10 20 30 40
10
0
20
30
40
50 600
CO2-Produktion (mg m-2 cm-1 h-1)
10 20 30 40
10
0
20
30
40
50 600
CO2-Produktion (mg m-2 cm-1 h-1)
10 20 30 40
10
0
20
30
40
50 60
N2
O2
CO2
78
20,7
0,035
79 - 83
18 - 21
1 - 2
0 - 5
5 - 12
Atmosphäre Vol. % Bodenluft Vol. %
gut durchlüftet schlecht durchlüftet
N2
O2
CO2
78
20,7
0,035
79 - 83
18 - 21
1 - 2
0 - 5
5 - 12
Atmosphäre Vol. % Bodenluft Vol. %
gut durchlüftet schlecht durchlüftet
Formatiert: Schriftart: 13 pt
Bodenkunde Einführung - 2 -
Diffusion ist der dominierende Mechanismus für den Gastransport in Böden, aufgrund von
Konzentrationsunterschieden des betreffenden Gases;
abhängig vom entsprechenden Diffusionskoeffizienten, der wiederum abhängig von Wasser-
bzw. Luftgehalt und der Temperatur ist.
BBeerreeiicchhee ddeerr OO22--DDiiffffuussiioonnssrraatteenn iinn AAbbhhäännggiiggkkeeiitt vvoonn ddeerr BBooddeennttiieeffee
aauuss BBlluummee ((11996688))
Konvektiver Transport entsteht aufgrund von Luftdruck-(Gasdruck-)unterschieden, die auch
auf temperaturbedingten Volumenänderungen beruhen können; auch erhöhter Luftdruck in
Lufteinschlüssen infolge eindringenden Wassers (Regen, Bewässerung) bewirkt Gastransport.
Wasserlösliche Gase (besonders CO2) werden zusätzlich in der Wasserphase transportiert.
Bei zunehmender Wassersättigung wird der Gasaustausch behindert, je stärker hydromorph
ein Boden, desto schlechter ist die Luftversorgung, desto eher treten reduzierende
Bedingungen auf. Bei 4-6% Luftvolumen ist die O2-Versorgung für Pflanzen unzureichend, es
kommt zu O2-Mangel.
Für terrestrische Böden (grundwasserfern) gilt: grobporenreiche Böden sind besser durchlüftet
als grobporenarme Böden, daher ist die Durchlüftung bei Sandböden > Lehmböden >
Schluffböden > Tonböden.
Die Durchlüftung im Boden ist kleinräumig sehr variabel, aufgrund der mikroskopischen
Heterogenität des Porenraums und der Abhängigkeit der Gasleitfähigkeit von der
Wassersättigung. Bei Feldkapazität sind die Grobporen um ein Aggregat luftführend, während
die Feinporen im Aggregat wassergesättigt sind. Der O2-Partialdruck nimmt von der
Aggregatoberfläche ins Aggregatinnere kontinuierlich ab.
KKlleeiinnrrääuummiiggee VVaarriiaabbiilliittäätt ddeerr BBooddeenndduurrcchhllüüffttuunngg vvoonn aaeerroobbeenn zzuu aannaaeerroobbeenn
VVeerrhhäällttnniisssseenn.. DDiiee KKrrüümmeell ssiinndd mmiitt WWaasssseerr ggeessäättttiiggtt uunndd vvoonn eeiinneemm WWaasssseerrffiillmm
uummggeebbeenn,, ddeerr PPoorreennrraauumm zzwwiisscchheenn ddeenn KKrrüümmeellnn iisstt ggrröößßtteenntteeiillss mmiitt LLuufftt ggeeffüülllltt..
aauuss GGiissii ((11999977))
Luft
500 µm
Luft
500 µm500 µm
WasserWasserWasser
aerobaerob
anaerobanaerob
Tonreicher
Geschiebemergel
(Würm)
20 - 40
20 - 40
0 - 20
10 - 30
10 - 30
< 5
5 - 20
< 5
< 5
Braunerde
Braunerde-Pseudogley
Pseudogley
lehm. Geschiebe-
mergel (Riß)
20 - 30
20 - 60
20 - 30
5 - 10
~ 5
1 - 5
Parabraunerde
Pseudogley
Ausgangsmaterial
----------
10
Tiefe (cm)
30
----------
80
Bodentyp O2-Diffusionsrate (10-8 g cm-2 min-1)
Tonreicher
Geschiebemergel
(Würm)
20 - 40
20 - 40
0 - 20
10 - 30
10 - 30
< 5
5 - 20
< 5
< 5
Braunerde
Braunerde-Pseudogley
Pseudogley
Tonreicher
Geschiebemergel
(Würm)
20 - 40
20 - 40
0 - 20
10 - 30
10 - 30
< 5
5 - 20
< 5
< 5
Braunerde
Braunerde-Pseudogley
Pseudogley
Tonreicher
Geschiebemergel
(Würm)
20 - 40
20 - 40
0 - 20
10 - 30
10 - 30
< 5
5 - 20
< 5
< 5
Braunerde
Braunerde-Pseudogley
Pseudogley
lehm. Geschiebe-
mergel (Riß)
20 - 30
20 - 60
20 - 30
5 - 10
~ 5
1 - 5
Parabraunerde
Pseudogley
lehm. Geschiebe-
mergel (Riß)
20 - 30
20 - 60
20 - 30
5 - 10
~ 5
1 - 5
Parabraunerde
Pseudogley
Ausgangsmaterial
----------
10
Tiefe (cm)
30
----------
80
Bodentyp O2-Diffusionsrate (10-8 g cm-2 min-1)Ausgangsmaterial
----------
10
Tiefe (cm)
30
----------
80
Bodentyp O2-Diffusionsrate (10-8 g cm-2 min-1)
Formatiert: Abstand Nach: 9
pt
Formatiert: Abstand Nach: 9
pt
Bodenkunde Gefüge - 1 -
Gefüge
1. (Boden-)Gefüge (oder Bodenstruktur)
räumliche Anordnung der festen Bodenbestandteile
� Aggregierungsmechanismen
AAddhhäässiioonnsskkrrääffttee
Molekularkräfte zwischen Atomen und Molekülen verschiedener Art (Wasser - Festsubstanz)
KKoohhäässiioonnsskkrrääffttee
Molekularkräfte zwischen Atomen und Molekülen gleicher Art (Wasser - Wasser)
GGrreennzzffllääcchhee WWaasssseerr -- FFeessttpphhaassee
Physikochemische Ursache: VAN DER WAALS-Kräfte, COULOMBsche Kräfte, Dipol-Kräfte, Ionen-
Bindungskräfte, 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.
AAggggrreeggaattbbiilldduunngg bbeeii bblläättttcchheennfföörrmmiiggeenn MMaatteerriiaalliieenn::
aa)) ppeeppttiissiieerrtt,,
bb)) aaggggrreeggiieerrtt FFllääcchhee--FFllääcchhee,,
cc)) aaggggrreeggiieerrtt FFllääcchhee--KKaannttee,,
dd)) aaggggrreeggiieerrtt KKaannttee--KKaannttee
((ppuunnkkttiieerrtt:: WWaasssseerrhhüüllllee ddeerr DDooppppeellsscchhiicchhtt))..
aauuss SScchh//SScchh ((22000022))
Selbst unter trockenen Bedingungen sind Teilchen mit dünnen Wasserfilmen umhüllt;
Beispiel für Zusammenhalt zwischen unterschiedlichen Ladungsträgern:
Benetzbare Flüssigkeiten:
Adhäsionskräfte > Kohäsionskräfte
Bindung zwischen FestBindung zwischen Fest-- und Flund Flüüssigphasessigphase
Fest-
phase
Wasser
Adhäsion
Kohäsion
Bodenkunde Gefüge - 2 -
MMooddeellll ddeerr AAnnoorrddnnuunngg vvoonn TToonnmmiinneerraallppaakkeetteenn,, oorrggaanniisscchheerr SSuubbssttaannzz uunndd QQuuaarrzz iinn eeiinneemm BBooddeennkkrrüümmeell
aauuss SScchh//SScchh ((22000022))
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.
(Kuntze et al. 1994)
QuarzQuarz
Quarz
B:B: QuarzQuarz - organische Substanzorganische Substanz - TonmineralTonmineral
A:A: QuarzQuarz - organische Substanzorganische Substanz - QuarzQuarz
D:D: TonmineralTonmineral – TonmineralTonmineral Kante - Fläche
C:C: TonmineralTonmineral - organische Substanzorganische Substanz - TonmineralTonmineral
CC11: : Fläche - Fläche
CC22: : Kante - Fläche
CC33: : Kante - Kante
AA
BBBB
CC11
CC11
CC22
CC3
DD
DD
DD
QuarzQuarz
Quarz
B:B: QuarzQuarz - organische Substanzorganische Substanz - TonmineralTonmineral
A:A: QuarzQuarz - organische Substanzorganische Substanz - QuarzQuarz
D:D: TonmineralTonmineral – TonmineralTonmineral Kante - Fläche
C:C: TonmineralTonmineral - organische Substanzorganische Substanz - TonmineralTonmineral
CC11: : Fläche - Fläche
CC22: : Kante - Fläche
CC33: : Kante - Kante
AA
BBBB
CC11
CC11
CC22
CC3
DD
DD
DD
trocken gesättigtWassergehalt
Konsistenz fest halbfest steif weich breiig flüssig
Relative KonsistenzWp
Wl
Plastizitätszahl (kW) 1,0 0,75 0,50 0
Tragfähigkeit
BearbeitungSchollen Bröckel Krümel Pflugsohlen Bodenfließen
Kräfte KohäsionAdhäsion
Tieflockern
Tiefpflügen
pF 7 4,5 2,8 -oo
trocken gesättigtWassergehalt trocken gesättigttrocken gesättigtWassergehalt
Konsistenz fest halbfest steif weich breiig flüssigKonsistenz fest halbfest steif weich breiig flüssig
Relative KonsistenzWp
WlRelative Konsistenz
WpWlWpWl
Plastizitätszahl (kW) 1,0 0,75 0,50 0Plastizitätszahl (kW) 1,0 0,75 0,50 01,0 0,75 0,50 0
TragfähigkeitTragfähigkeit
BearbeitungSchollen Bröckel Krümel Pflugsohlen Bodenfließen
BearbeitungSchollen Bröckel Krümel Pflugsohlen BodenfließenSchollen Bröckel Krümel Pflugsohlen Bodenfließen
Kräfte KohäsionAdhäsionKräfte KohäsionAdhäsion
TieflockernTieflockern
TiefpflügenTiefpflügen
pF 7 4,5 2,8 -oopF 7 4,5 2,8 -opF 7 4,5 2,8 -oo
Bodenkunde Gefüge - 3 -
� Quellung und Schrumpfung
Volumenzunahme des Bodens durch Aufnahme von Wasser besonders stark bei Böden mit vielen
Kolloiden, insbesondere quellfähigen Tonmineralen.
Bis zu einem substrattypischen Grenz-Wassergehalt
entspricht die Volumenabnahme der Wassergehalts-
abnahme: Normalschrumpfung.
Bei weiterer Wassergehaltsabnahme nimmt Volumen nicht
in gleichem Maße ab, weil Teilchen nur dichter aneinander
treten können, wenn die Bindung zwischen Teilchen-
gruppen unterbrochen wird: Restschrumpfung.
SScchhrruummppffpprroozzeessss eeiinneess ttrroocckkeennddeenn BBooddeennss uunndd
KKoonnssiisstteennzzggrreennzzeenn ((nnaacchh AAtttteerrbbeerrgg))
((aauuss GGiissii 11999977))
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:
EEnnttsstteehhuunngg vvoonn AAggggrreeggaatteenn dduurrcchh AAuussbbiilldduunngg eeiinneess
SSyysstteemmss aauuss ZZuuggrriisssseenn iinn vviieerr aauuffeeiinnaannddeerr ffoollggeennddeenn
GGeenneerraattiioonneenn ((II bbiiss IIVV)) aauuss SScchh//SScchh ((22000022))
EEnnttsstteehhuunngg vvoonn AAggggrreeggaatteenn bbzzww.. AAggggrreeggaattggeeffüüggeenn SScchhrruummppffrriissss--GGeenneerraattiioonneenn ((PPoollyyggoonnee)) iinn FFeeuueerrlleetttteenn--TToonn,, AAuuffnn..:: HH..HH..BBeecchheerr,, nnoorrddöössttll.. BBaayyrreeuutthh
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.
Fliessgrenze
fest brüchig plastisch flüssig
Luft
Wasser
Matrix
Wassergehalt θθθθ g
1
Po
ren
zif
fer
n
Schrumpfgrenze
Ausrollgrenze
Fliessgrenze
fest brüchig plastisch flüssig
Luft
Wasser
Matrix
Wassergehalt θθθθ g
1
Po
ren
zif
fer
n
Schrumpfgrenze
Ausrollgrenze
Bodenkunde Gefüge - 4 -
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
GGlliieeddeerruunngg uunndd AAnnsspprraacchhee
ddeess MMaakkrrooggeeffüüggeess iimm BBooddeenn
KKuunnttzzee eett aall.. 11999944
Nicht einheitlich oder gleichmäßig über das gesamte Profil verteilt, sondern meist Wechsel
zwischen verschiedenen Formen innerhalb des Profils.
� Einzelkorngefüge
Zusammenhalt nur durch Menisken-, Reibungs- und Gravitationskräfte ⇒ alle Körner liegen lose
nebeneinander; typisch für Dünensand und ähnlich gut sortierte Substrate ohne Bindemittel;
nass ⇒ Zerfließen, trocken ⇒ Zerrieseln
EEiinnzzeellkkoorrnnggeeffüüggee aauuss SSaanndd ((SScchh//SScchh,, 22000022))
EEiinnzzeellkkoorrnnggeeffüüggee bbzzww..
KKöörrnnuunnggssuunntteerrsscchhiieeddee
iinn TTaallrraanndd--DDüünnee
AAuuffnn..:: HH..HH..BBeecchheerr,,
WWüümmmmeettaall nnwweessttll.. HHeellllwweeggee,,
KKrrss.. RROOWW
� Kohärentgefüge
Zusammenhalt durch Ko- und Adhäsionskräfte
aller Arten, häufig Bindemittel; typisch für Unterböden
von Schluff- und Tonböden
KKoohhäärreennttggeeffüüggee ((AAuusssscchhnniitttt,, BBhhss--HHoorr..)) AAuuffnn..:: HH..HH..BBeecchheerr
Aggregat-Querachse meist >5 cm
Riss-Gefüge
"Schicht-Gefüge"
Grobgefüge
Säulen-Gefüge
ungegliedert
nicht verklebt verklebt verkittet
Grundgefüge
Einzelkorn-Gefüge
Kohärent-Gefüge
Kitt-Gefüge
< 5 cm o/ > 5 cm o/
Bodenfragmente
Bröckel
zertrümmert
Klumpen
<5 cm
Aufbaugefüge
Krümel-Gefüge
Wurmlosungs-Gefüge
Aggregatgefüge
gegliedert
Aggregat-Querachse <5 cm
Absonderungsgefüge
Subpolyeder-Gefüge
Platten-Gefüge
Prismen-Gefüge
Polyeder-Gefüge
FeingefügeAggregat-Querachse meist >5 cm
Riss-Gefüge
"Schicht-Gefüge"
Grobgefüge
Säulen-Gefüge
ungegliedert
nicht verklebt verklebt verkittet
Grundgefüge
Einzelkorn-Gefüge
Kohärent-Gefüge
Kitt-Gefüge
< 5 cm o/ > 5 cm o/
Bodenfragmente
Bröckel
zertrümmert
Klumpen
<5 cm
Aufbaugefüge
Krümel-Gefüge
Wurmlosungs-Gefüge
Aggregatgefüge
gegliedert
Aggregat-Querachse <5 cm
Absonderungsgefüge
Subpolyeder-Gefüge
Platten-Gefüge
Prismen-Gefüge
Polyeder-Gefüge
Feingefüge
Bodenkunde Gefüge - 5 -
� Aggregatgefüge
Zusammenhalt durch Ko- und Adhäsionskräfte aller Arten, Bindemittel;
Tongehalt ≥ 25 % und/oder Gehalt and organischer Substanz ≥ 2 %.
Krümelgefüge: kleinste Aggregate, traubige Form, viele Kotaggregate von Tieren, die auf und im
Boden leben; Ah-Horizonte; stabil, gut durchlüftet, gute natürliche Entwässerung, hohe nutzbare
Feldkapazität
Polyedergefüge: alle 3 Achsen etwa gleich lang,
entstanden durch Schrumpfung oder Bodenfrost
(Frostgare), scharfe Ecken und Kanten; Bv-, Bt-
Horizonte; sehr stabil, gut durchlüftet, gute natürliche
Entwässerung, hohe nutzbare Feldkapazität
PPoollyyeeddeerrggeeffüüggee ((PPeelloossooll))
AAuuffnn..:: HH..HH..BBeecchheerr,, SSuullzzhheeiimm,, KKrrss.. SSWW
Subpolyedergefüge: entstanden durch Bodenbewegung durch Tiere (Rollen, Transport) und
durch Bodenbearbeitung, dadurch deutliche Begrenzungsflächen, aber keine scharfen Ecken und
Kanten; Bv-Horizonte; meist stabil, gut durchlüftet, gute natürliche Entwässerung, hohe nutzbare
Feldkapazität
Prismengefüge: senkrechte Achse deutlich länger,
durch Schrumpfung entstanden, dadurch sehr
deutliche Begrenzungsflächen, scharfe Ecken und
Kanten, Prismen zerfallen häufig in Polyeder;
Bv-, Bt-, P-Horizonte; mäßig bis sehr stabil
PPrriissmmeennggeeffüüggee ((PPeelloossooll--PPsseeuuddoogglleeyy))
AAuuffnn..:: HH..HH..BBeecchheerr,, NNiieeddeerrllaannddee
Plattengefüge: natürlich und künstlich verdichtete Horizonte oder sedimentationsbedingt; schlecht
durchlüftet, schlechte Entwässerung, mittlere nutzbare Feldkapazität; kann zu Stauwasser im
Boden und zu Oberflächenabfluss führen
PPllaatttteenn iinnffoollggee üübbeerrmmääßßiiggeerr VVeerrddiicchhttuunngg PPllaatttteenn iinnffoollggee vvoonn SSeeddiimmeennttaattiioonnssuunntteerrsscchhiieeddeenn
AAuuffnn..:: HH..HH..BBeecchheerr,, AAuuffnn..:: HH..HH..BBeecchheerr,, NNiieeddeerrllaannddee
VVeerrssuucchhssffeelldd,, TTUUMM,, FFrreeiissiinngg--DDüürrnnaasstt
Bodenkunde Gefüge - 6 -
Säulengefüge: Na+- oder Mg2+-Anreicherungshorizonte von
Solonetz und Knickmarsch (für Solonetz kennzeichnend)
SSääuulleennggeeffüüggee ((SSoolloonneettzz))
AAuuffnn..:: HH..HH..BBeecchheerr,, NNoorrddkkaassaacchhssttaann
Bröckelgefüge: Ap-Horizonte, entstanden durch Bodenbearbeitung unter günstigen
Konsistenzbedingungen ⇒ vergleichbar mit Subpolyedergefüge, jedoch Aggregate meist größer
und weniger gerundet
Schollengefüge (Klumpen): Ap-Horizonte, entstanden durch Bodenbearbeitung unter (sehr)
ungünstigen Konsistenzbedingungen; vergleichbar mit grobprismatischem Gefüge ⇒ durch
zusätzliche Bodenbearbeitung und/oder Frostgare zu
verbessern
SScchhoolllleennggeeffüüggee ((PPeelloossooll))
AAuuffnn..:: HH..HH..BBeecchheerr,, WWeettzzhhaauusseenn,, KKrrss.. SSWW
Gefüge im Bodenprofil
AAbbbb.. aauuss KKooooiissttrraa && NNoooorrddwwiijjkk,,11999966
Bodenprofil(Acker)
Aggregierung
0
20
40
60
80
100
Tiefe
cm
aggregiert, lockerer
aggregiert, dichter
kohärent
Bodenprofil(Acker)
Aggregierung
0
20
40
60
80
100
Tiefe
cm
aggregiert, lockerer
aggregiert, dichter
kohärent
Bodenkunde Kationenaustausch - 1 -
Kationenaustausch
Die Oberflächenladung der Bodenteilchen wird durch die Anlagerung von äquivalenten Mengen
an Gegenionen ausgeglichen. Die geladene Oberfläche und die Gegenionenschicht werden
zusammen als elektrische Doppelschicht bezeichnet (s. Sorptionseigenschaften von Böden, S.
2). Sie erzeugt im Bereich der Teilchenoberfläche ein elektrisches Potential.
Die an der Oberfläche der geladenen Teilchen adsorbierten Ionen sind gegen andere Ionen
austauschbar. Dies bezeichnet man als Ionenaustausch, die geladenen Teilchen bei negativer
Ladung als Kationentauscher, bei positiver Ladung als Anionentauscher.
Ionenaustauschreaktionen verlaufen schnell, stöchiometrisch und sind reversibel.
AAuussttaauusscchh vvoonn IIoonneenn:: DDiiee aann eeiinnee ggeellaaddeennee
OObbeerrffllääcchhee aaddssoorrbbiieerrtteenn IIoonneenn ((zz..BB.. CCaa22++ aann
nneeggaattiivv ggeellaaddeenneerr OObbeerrffllääcchhee)) wweerrddeenn dduurrcchh
ääqquuiivvaalleennttee MMeennggeenn vvoonn IIoonneenn ddeerr
BBooddeennllöössuunngg ((zz..BB.. NNHH44++)) ffrreeiiggeesseettzztt..
Booddeennöökkoollooggiiee,, GGiissii,, 11999977
Durch die Fähigkeit des Bodens als Ionentauscher zu fungieren, wird die Versorgung der
Pflanzen mit Nährstoffen gewährleistet. Die Auswaschung der Nährstoffionen aus dem
Boden/Wurzelraum wird verhindert. Gleichzeitig sind die Nährstoffe in für die Pflanze leicht
verfügbarer Form im Boden gespeichert. Von der insgesamt in pflanzenverfügbarer Form
vorhandenen Menge an Ionen ist immer nur ein geringer Teil in der Bodenlösung vorhanden.
IIoonneennaauussttaauusscchh zzwwiisscchheenn BBooddeennppaarrttiikkeell,,
BBooddeennllöössuunngg uunndd PPffllaannzzeennwwuurrzzeell.. PPaarrttiikkeell
vveerrwwiitttteerrnn dduurrcchh ((ssaauurree)) HHyyddrroollyyssee uunndd
SSääuurreewwiirrkkuunngg,, wwoobbeeii KKaattiioonneenn dduurrcchh PPrroottoonneenn
ffrreeiiggeesseettzztt uunndd aauussggeettaauusscchhtt wweerrddeenn;; ddiiee
KKaattiioonneenn ggeellaannggeenn vviiaa BBooddeennllöössuunngg zzuurr
PPffllaannzzee uunndd wweerrddeenn ddoorrtt ggeeggeenn PPrroottoonneenn
eeiinnggeettaauusscchhtt.. BBooddeennöökkoollooggiiee,, GGiissii,, 11999977
Unter der Austauschkapazität eines Bodens versteht man die maximal sorbierbare
Ionenmenge. Sie wird in Ladungsäquivalenten pro Masse angegeben (cmolc/kg Boden).
Aufgrund der Ladungsverhältnisse ist die Kationenaustauschkapazität (KAK) weit
bedeutender als die Anionenaustauschkapazität. Die KAK der einzelnen Bodenkomponenten
ist wie bereits erläutert z.T. pH-abhängig.
KKAAKK ddeerr wwiicchhttiiggsstteenn BBooddeennkkoommppoonneenntteenn uunndd iihhrree OObbeerrffllääcchheenn
Ca2+ + 2NH4+
HCO3-+ NO3
-NO3
-+ HCO3
-
+ Ca2+NH4+
NH4+
Ca2+ + 2NH4+
HCO3-+ NO3
-NO3
-+ HCO3
-
+ Ca2+NH4+
NH4+
Oberflächeneigenschaften der reaktiven Bodenbestandteile
und Kationenaustauschkapazität (KAK)
Oberfläche
(m2/kg)
KAK
(cmolc/kg)
Dichte der Ober-flächenladung
(µmolc/m2)
vorherrschende negative Ladung
Kaolinit (1-2) • 104 2 - 10 1 - 6 pH-abhängig
Illit 1 • 105 20 - 50 3 permanent
Smectite 8 • 105 50 - 100 1 permanent
Vermiculit 8 • 105 100 - 200 2 permanent
Fe- u. Al-Oxide 3 • 104 0,5 0,2 pH-abhängig
(5-7) • 105Allophane 0,8 1,5 pH-abhängig
Organische Substanz 9 • 105 300 (150 – 500) 3 pH-abhängig
H2CO3HCO3- + H+ H2O + CO2
2H+
Ca2+Bodenpartikel Bodenlösung Wurzel
" Reservoir " " Transportmedium " " Senke "
Verwitterung
2H+
Ca2+
H2CO3HCO3- + H+ H2O + CO2
2H+
Ca2+Bodenpartikel Bodenlösung Wurzel
" Reservoir " " Transportmedium " " Senke "
Verwitterung
2H+
Ca2+
2H+
Ca2+
Bodenkunde Kationenaustausch - 2 -
BBeezziieehhuunngg zzwwiisscchheenn ssppeezziiffiisscchheerr
OObbeerrffllääcchhee uunndd KKAAKKppoott vvoonn wwiicchhttiiggeenn
VVeerrttrreetteerrnn ddeess SSoorrppttiioonnsskkoommpplleexxeess..
WWöörrtteerrbbuucchh ddeerr BBooddeennkkuunnddee,,
HHiinntteerrmmaaiieerr--EErrhhaarrdd uunndd ZZeecchh,, 11999977
� Ladungsverhältnisse von Böden
Die KAK von Böden schwankt in einem weiten Bereich. Sie wird vor allem von der Textur, der
Art der Tonminerale und vom Humusgehalt bestimmt. Häufige Werte liegen zwischen 5 und 100
cmolc/kg.
2:1-Minerale und Humus senken LNP durch hohe negative Ladung, 1:1-Minerale und Oxide
heben den LNP durch fehlende permanente Ladung und sehr geringe variable Ladung.
Viele Böden unseres Klimas haben 2:1-Minerale, daher einen Grundbetrag permanenter
Ladung und je nach Humusgehalt, Oxid- und Tongehalt einen Beitrag variabler Ladung, der mit
steigendem pH zunimmt.
Da die KAK wegen des Beitrags der variablen Ladungen mit zunehmendem pH-Wert ansteigt,
unterscheidet man
� effektive KAK (KAKeff) beim entsprechenden aktuellen pH-Wert des Bodens
� potentielle KAK (KAKpot) bei einem Bezugs-pH von 7
Mit abnehmendem pH-Wert werden zunehmend die schwach sauren Gruppen der organischen
Substanz und die Mineraloberflächen protoniert. Dadurch werden Austauscherplätze
zunehmend mit H+ belegt.
Für neutrale Böden ist also KAKeff = KAKpot.
In sauren Böden ist KAKpot > KAKeff.
KAKeffKAKeff
effektive Ladung
(KAK)
effektive Ladung
(KAK)
4 5pH
6 7
KKationen-AAustausch-KKapazität
KAKKAK
4 5pH
6 7
KKationen-AAustausch-KKapazität
KAKKAK
4 5pH
6 74 5pH
6 7
KKationen-AAustausch-KKapazität
KAKKAK
KKationen-AAustausch-KKapazität
KAKKAK
permanente Ladung
(KAK)
permanente Ladung
(KAK)
variable(pH-abh.) Ladung
variable(pH-abh.) Ladung potentielle
Ladung
(KAK)
potentielle Ladung
(KAK)
Huminstoffe
Vermi-culite
Smectite
Allo-phane
Imogo-lite
Wechsel-lagerungs-minerale
Me-Oxide
Illite, Glimmer
Kaolinit, Halloysit
0 100 200 3000
250
500
750
1000
Kationenaustauschkapazität [cmolc/kg]
sp
ezif
isch
e O
be
rflä
ch
e (
m2/g
] Huminstoffe
Vermi-culite
Smectite
Allo-phane
Imogo-lite
Wechsel-lagerungs-minerale
Me-Oxide
Illite, Glimmer
Kaolinit, Halloysit
0 100 200 3000
250
500
750
1000
Kationenaustauschkapazität [cmolc/kg]
sp
ezif
isch
e O
be
rflä
ch
e (
m2/g
]
Bodenkunde Kationenaustausch - 3 -
PPootteennttiieellllee uunndd eeffffeekkttiivvee KKaattiioonneennaauussttaauusscchhkkaappaazziittäätt ((KKAAKK)) ssoowwiiee ZZuussaammmmeennsseettzzuunngg ddeess KKaattiioonneennbbeellaaggss
((IIoonneennssäättttiigguunngg iinn %%)) iimm OObbeerrbbooddeenn vvoonn BBööddeenn uunntteerrsscchhiieeddlliicchheerr NNuuttzzuunngg uunndd HHeerrkkuunnfftt BBooddeennöökkoollooggiiee,, GGiissii,, 11999977
Der Beitrag der organischen Substanz zur variablen Ladung ist wesentlich bedeutender als der
Beitrag der mineralischen Phase. Folgende Abb. zeigt die KAK in Abhängigkeit vom pH-Wert für
mineralische Oberböden.
AAnntteeiill vvoonn TToonnffrraakkttiioonn uunndd oorrggaanniisscchheerr SSuubbssttaannzz aann ddeerr GGeessaammttaauussttaauusscchhkkaappaazziittäätt vvoonn BBööddeenn iinn AAbbhhäännggiiggkkeeiitt
vvoomm ppHH--WWeerrtt;; MMiitttteellwweerrtt ddeerr AApp--HHoorriizzoonnttee vvoonn 6600 BBööddeenn nnaacchh HHeelllliinngg 11996644,, aauuss SSppaarrkkss 11999955
In sandigen Böden (A-Horizonte) werden durchschnittlich etwa 75% der KAK von der
organischen Substanz bereitgestellt.
Die effektive KAK in Oberböden steigt also durch pH-Erhöhung stärker als in Unterböden.
3 4 5 6 7
OberbodenOberbodenKAK
8 pH
UnterbodenUnterboden
Bodentyp (Herkunft) pH
(CaCl2)
Corg
%
KAKpot KAKeff
mmol kg-1
Ionnensättigung in %von KAKeff
Al3+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+
Böden unter Acker
Schwarzerde aus Löss 7,2 1,6 180 180 0 90 9 0,5 0,4
Pelosol aus Liaston 6,7 2,4 220 170 0 83 8 9 0
Böden unter Wald
Parabraunerde aus Schotter 4,6 11,1 233 138 4 82 9 4 1
Braunerde aus Serpentinit 4,4 10,2 319 173 6 19 73 1 <1
Braunerde-Podsol aus Gneis 3,6 26,3 344 146 40 42 11 6 <1
Pseudogley aus Löss 3,8 5,7 184 54 68 13 <2 6 11
Parabraunerde aus Löss 6,3 1,4 170 140 0 80 15 9 <1
Bodentyp (Herkunft) pH
(CaCl2)
Corg
%
KAKpot KAKeff
mmol kg-1
Ionnensättigung in %von KAKeff
Al3+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+
Böden unter Acker
Schwarzerde aus Löss 7,2 1,6 180 180 0 90 9 0,5 0,4
Pelosol aus Liaston 6,7 2,4 220 170 0 83 8 9 0
Böden unter Wald
Parabraunerde aus Schotter 4,6 11,1 233 138 4 82 9 4 1
Braunerde aus Serpentinit 4,4 10,2 319 173 6 19 73 1 <1
Braunerde-Podsol aus Gneis 3,6 26,3 344 146 40 42 11 6 <1
Pseudogley aus Löss 3,8 5,7 184 54 68 13 <2 6 11
Parabraunerde aus Löss 6,3 1,4 170 140 0 80 15 9 <1
Anteil organische Substanz
45%
19%
Anteil Tonfraktion
55%
81%
2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 pH0
5,0
10,0
15,0
KA
K (
cm
ol c
kg
-1)
Böden
Anteil organische Substanz
45%
19%Anteil organische Substanz
45%
19%
Anteil Tonfraktion
55%
81%
Anteil Tonfraktion
55%
81%
2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 pH0
5,0
10,0
15,0
KA
K (
cm
ol c
kg
-1)
Böden
Bodenkunde Kationenaustausch - 4 -
� Kationenbelag und Bodenlösung
Folgende Abb. gibt den Zusammenhang zwischen Kationenbelag und pH-Wert von Böden
wieder. In basischen bis schwach sauren Böden besteht der Kationenbelag aus den Ionen Ca2+,
Mg2+, K+ und Na+. Dagegen sind die Austauscher in sauren Mineralböden überwiegend von H+
und Al3+ belegt.
Kationenbelag eines Bodens
Scheffer/Schachtschabel, 2002
Der prozentuale Anteil der sog. basisch wirkenden Kationen Ca2+, Mg2+, K+ und Na+ an der
Gesamtaustauschkapazität wird als Basensättigung (BS) bezeichnet.
Selektivitätsreihe
Die Bindungsstärke der sorbierten Kationen wird vor allem bestimmt von
� Ladung der Kationen Die Gegenionen werden umso stärker an die Oberfläche gezogen, je größer die Ladung
(Bindungsstärke: Al3+ > Mg 2+ > Na+).
� Hydratationshülle der Kationen Die Gegenionen werden umso stärker an die Oberfläche gezogen, je kleiner die Hydrathülle
(Bindungsstärke: K+ > Na+ > Li+, NH4+ verhält sich ähnlich wie K+). Bei der Sorption an die
geladenen Teilchen muss zumindest ein Teil der Hydrathülle abgegeben werden. Bei
Kationen mit fest gebundener Hydrathülle ist dazu mehr Energie nötig. Die Bindung der
Hydrathülle ist bei kleinen Ionen am stärksten.
� Konzentration der Außenlösung Die Gegenionen werden umso stärker an die Oberfläche gezogen, je höher die Konzentration
der Außenlösung ist.
Unter Einbeziehung dieser Faktoren ergibt sich für die wichtigsten Kationen im Boden folgende
Selektivitätsreihe:
austauschbare Neutralkationen(Ca, Mg, K, Na)
aus-tausch-
bares Al
blockiert durch dissoziierbaren Wasserstoff
3 4 5
pH
6 70
50
100
Anteilan
KAKpot
(%)
perm
an
en
te L
ad
un
gvari
ab
le
austauschbare Neutralkationen(Ca, Mg, K, Na)
aus-tausch-
bares Al
blockiert durch dissoziierbaren Wasserstoff
3 4 5
pH
6 70
50
100
Anteilan
KAKpot
(%)
perm
an
en
te L
ad
un
gvari
ab
le
Basensättigung (%) =Summe austauschbare basische Kationen
Kationenaustauschkapazität100
Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4+ = K+ > Na+
Bodenkunde Kationenaustausch - 5 -
= kG
K
Ca S
aK
√aCa L
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,
Scheffer/Schachtschabel, 2002
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:
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
Gapon beschreibt empirisch das Selektivitätsverhalten beim
Austausch zwischen ein- und zweiwertigen Ionen. Für den Fall des
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.
VVeerrtteeiilluunngg vvoonn KKaattiioonneenn zzwwiisscchheenn BBooddeennllöössuunngg uunndd IIoonneennbbeellaagg eeiinneess ssaauurreenn WWaallddbbooddeennss
= kK+
Na+S
aK
aNa L
00
100 200 500
20
40
60
80
100Na
NH 4-Konzentration in derGleichgewichtslösung (mmol L-1)
M gK
C a
00
100 200 500
20
40
60
80
100Na
NH 4-Konzentration in derGleichgewichtslösung (mmol L-1)
M gK
C a
00
100 200 500
20
40
60
80
100Na
NH 4-Konzentration in derGleichgewichtslösung (mmol L-1)
M gK
C a
K+
22%0,033
H+
16%0,024
Al3+
4% 0,006
Ca2+
31%0,047 cmolc/L
Na+
20%0,030
Mg2+
7% 0,011
Bodenlösung
Σ Σ Σ Σ 100% 0,151 cmolc/L
Na+
1% 0,1
H+
7%1,1
Al3+
72% 10,2
K+
3%0,4Mg2+
2% 0,3
Ca2+ 15%2,2 cmolc/kg
Ionenbelag
Σ Σ Σ Σ 100% 14,3 cmolc/kg
K+
22%0,033
H+
16%0,024
Al3+
4% 0,006
Ca2+
31%0,047 cmolc/L
Na+
20%0,030
Mg2+
7% 0,011
Bodenlösung
Σ Σ Σ Σ 100% 0,151 cmolc/L
K+
22%0,033
K+
22%0,033
H+
16%0,024
H+
16%0,024
Al3+
4% 0,006Al3+
4% 0,006
Ca2+
31%0,047 cmolc/L
Ca2+
31%0,047 cmolc/L
Na+
20%0,030
Na+
20%0,030
Mg2+
7% 0,011
Mg2+
7% 0,011
Bodenlösung
Σ Σ Σ Σ 100% 0,151 cmolc/L
Na+
1% 0,1
H+
7%1,1
Al3+
72% 10,2
K+
3%0,4Mg2+
2% 0,3
Ca2+ 15%2,2 cmolc/kg
Ionenbelag
Σ Σ Σ Σ 100% 14,3 cmolc/kg
Na+
1% 0,1Na+
1% 0,1
H+
7%1,1
H+
7%1,1
Al3+
72% 10,2
Al3+
72% 10,2
K+
3%0,4
K+
3%0,4Mg2+
2% 0,3Mg2+
2% 0,3
Ca2+ 15%2,2 cmolc/kgCa2+ 15%2,2 cmolc/kg
Ionenbelag
Σ Σ Σ Σ 100% 14,3 cmolc/kg
Bodenkunde Organische Substanz - 1 -
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
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
GGeehhaalltt aann SSOOMM iinn BBööddeenn
Pools
labiler/aktiver Pool
langsamer/intermediärer Pool
träger/passiver Pool
SOM Fraktionen
pflanzliche/mikrobielle Rückstände
okkludierteorganischer Substanz
humifiziertes Material/Huminstoffe
Umsetzungszeit
ein Jahr
Jahrzehnte
hunderte/tausende Jahre
Böden Bezeichnung org. Substanz (g kg-1)
Ackerböden
Auflage nahe 1000
Grünlandböden
schwach humos < 20
Rendzinen,Schwarzerdenmäßig humos 20 - 40stark humos 40 - 100
WaldbödenAnmoore
stark humos 50 - 100
Moore
anmoorig 150 - 300
Hochmooremoorig > 300
Auflagehorizont
moorig nahe 1000
Bodenkunde Organische Substanz - 2 -
Menge, Anteile und Verteilung von Pflanzenresten als Ausgangs-
materialien 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
AAuuffbbaauu ddeerr vveerrhhoollzztteenn ZZeellllwwaanndd
Cellulose Hemicelluloseund Pektin
%
LigninZellwandschicht
14 27 59Mittelschicht (P+ML)
35 35 30Sekundärwand 1 (S1)
60 14 26Sekundärwand 2 (S2)incl. Tertiärwand (T)
Cellulose Hemicelluloseund Pektin
%
LigninZellwandschicht
14 27 59Mittelschicht (P+ML) 14 27 59Mittelschicht (P+ML)
35 35 30Sekundärwand 1 (S1) 35 35 30Sekundärwand 1 (S1)
60 14 26Sekundärwand 2 (S2)incl. Tertiärwand (T)
60 14 26Sekundärwand 2 (S2)incl. Tertiärwand (T)
Bodenkunde Organische Substanz - 3 -
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 Mikroorga-nismen 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 etwa 25 % der Stärke
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
in der verholzten Zellwand eng mit Polyosen und Lignin vergesellschaftet; im sogenannten Lignin-Cellulose-Komplex über Ester- oder Etherbindungen an Lignin gebunden
� Nichtcellulosische Polysaccharide
Polyosen oder Hemicellulosen: Aufbau aus verschiedenen Zuckereinheiten, mit Seitenketten und Verzweigungen; Zuckereinheiten: Pentosen, Hexosen, Hexuronsäuren und Desoxyhexosen; in Höheren Pflanzen, auch in Bakterien, Pilzen und Algen
n
OCH2OH
OH
OH
H HH
H
H
O
OCH2OH
OH
OH
H HH
H
H
O
O
OCH2OH
OH
OH
O
OCH2OH
OH
OH
O
Amylopektin
OCH2
OH
OH
O
OCH2OH
OH
OH
O1
23
4
5
6
O
OCH2OH
OH
OH
O
OCH2OH
OH
OH
O Amylose
n
OCH2OH
OH
OH
H
H
H
H
H
O
O
H
H
H
H
HOH
CH2OH
OH
O
O
OHHOH2C
O
O
HO
O OH
OO
HO
OO
OH
O
OH O
O
HO
OO
OHO
OH O
OHOOC
OHH3CO
OH
O OH
52
Bodenkunde Organische Substanz - 4 -
� 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
VVoorrssttuuffeenn ddeess LLiiggnniinnss iinn ddeerr PPffllaannzzee::
pp--CCuummaarryyllaallkkoohhooll ((p-Hydroxyphenylpropan )) ((II)) CCoonniiffeerryyllaallkkoohhooll ((GGuuaaiiaaccyyllpprrooppaann)) ((IIII)) SSiinnaappyyllaallkkoohhooll ((SSyyrriinnggyyllpprrooppaann)) ((IIIIII))
dreidimensionales Makromolekül mit Vielzahl von C-C- und Etherbindungen, auch Bindungen zu den Hydroxylgruppen der Zellwandpolysaccharide (Cellulosen und Hemicellulosen): Lignin-Poly-saccharid-Komplexe
unterschiedliche chemische Zusammensetzung: Laubholzlignin, Nadelholzlignin, Graslignin
Lignin der Gymnospermen fast ausschließlich Guaiacylpropaneinheiten
Lignin der Angiospermen etwa gleiche Anteile von Guaiacylpropaneinheiten und Syringylpro-paneinheiten
Lignin der Gräser etwa gleiche Anteile von Guaiacylpropan-, Syringylpropan- und p-Hydroxy-phenylpropaneinheiten + etwa 5-10 % p-Cumarsäure und Ferulasäure
Bindungen im Ligninmolekül nicht hydrolysierbar
WWiicchhttiiggee BBiinndduunnggssttyyppeenn iimm LLiiggnniinnmmoolleekküüll
SSttrruukkttuurrmmooddeellll ddeess FFiicchhtteennlliiggnniinnss ((nnaacchh AAddlleerr 11997777))
1
Cα
26
35
4
Cβ
Cγ CH2OH
OH
CH2OH
OH
OCH3
CH2OH
OH
CH3O OCH3
I II III
β - O - 4
C
C
O C
O
C O C
O α - O - 4 4 - O - 5
β - 5 5 - 5
β - 1 β - β
C C
C C
C
O
O
C
C
O
C
C
C
O
C
C
C
O
C
C
C
O
C
O
C
C
C
O
C
C
C
O
C
C
C
C
C
C
CH3O
O
OCH3
OH
HC
OC
HCOH
CH
CH2
OCH3
O
HCOH
H2COH
OCH3
O
CH3O
HC
CH
H2COH
OCH3
OCH3O
HC
CH
H2COH
O
OCH3
HC
CH
H2COH
O
HC
CH
H2COH
O
OCH3
CH2
CO
H2COH
OH
HCO(C6H10O5)nH
HC
H2COH
O
CH3O
HCOH
CH
H2COH
OOCH3
HC
HC
H2COH OCH3
HC
HC
H2C
O
CH2
CH
CH
O
OH
OCH3
OCH3
O
HC
HC
HCO
CO
HC
H2COH
1/2 1/2
OH
CH3O
HCOH
HC
H2COH
HC
HC
CH
H2COH
HC
HC
H2COH
OCH3
OH
HC
CO
H2COH
OCH3
O
CH2
Bodenkunde Organische Substanz - 5 -
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 Epoxyfett-säuren 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 unter-geordnete 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 abbau-bare 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 - 6 -
ZZuussaammmmeennsseettzzuunngg ppffllaannzzlliicchheerr RRüücckkssttäännddee
Mineralisierung und Humifizierung der Streu
in mehreren Phasen, greifen eng ineinander
Vielzahl von Organismen der Bodenfauna und -flora daran beteiligt
Kurz vor oder unmittelbar nach dem Absterben der Pflanzenorgane oder Tiere:
erste Umwandlungsprozesse, enzymatische Reaktionen organismeneigener Stoffe (Seneszenz)
großer Teil der mineralischen Nährstoffe (K, Mg, Ca u.a.) werden dabei freigesetzt und mit dem Niederschlagswasser ausgewaschen oder von den Pflanzen wieder aufgenommen
Nach dem Streufall: Abbau der Streu (Primärressource) durch Primärzersetzer
hydrolytische Aufspaltung der Makromoleküle, insbesondere der Polysaccharide
vor allem Pilze, Regenwürmer, weitere Arten der Makro- und Mesofauna (insbesondere Dipterenlarven, Diplopoden, Asseln, auch Enchyträen-, Collembolen- und Oribatiden-Arten)
mechanische Zerkleinerung durch Zernagen und Zerbeißen der Pflanzenreste
7 - 15 % der aufgenommenen Nahrung werden von diesen Tieren verwertet
Rest wird mechanisch zerkleinert, mikrobiell infiziert und teilweise auch schon hydrolytisch gespalten mit den Faeces abgegeben
Weitere Phase: zerkleinerte Pflanzen- und Tierreste sowie die Exkremente der Bodentiere werden durch Sekundärzersetzer umgesetzt
Abbau- und Umwandlungsprozesse der Pflanzeninhaltsstoffe
Besonders schnell Abbau von Zuckern, Stärke, Proteinen, Hemicellulosen oder Cellulosen, nichtverholzten Pflanzenteilen
FFoorrttsscchhrreeiitteennddee HHuummiiffiizziieerruunngg vvoonn LLiiggnnoocceelllluulloosseenn iinn BBööddeenn
((aauuss HHaaiiddeerr,, 11999966))
FichteFichte (Picea abies) % TS
Holz
Rinde
Nadel
BucheBuche (Fagus sylvatica)
Rinde
Holz
Phytoplankton (Seen)
Blätter
Wurzelholz
Feinwurzeln
Weidelgras (Sproß)
Luzerne (Stiel)
Weizenstroh
Bakterien
Pilze
40
48
15
38
32
20
33
19
19 - 26
13 - 33
27 - 33
-
8 - 60 (Chitin)
Cellulose
31
17
13
23
43
18 + 50
17
18
10
16 - 23
8 - 11
21 - 26
4 - 32
2 - 15
Hemicell.
28
38
14 - 20
39
24
0
11 - 16
22
33
4 - 6
6 - 16
18 - 21
0
0
Lignin
<2
<2
3- 6
2
2
17
6
1,6
5,4
12 - 20
15 - 18
3
50 - 60
14 - 52
Protein
1,4
21
7
11
0,8
1,5
5
1,3
3,1
10 - 35
1 - 52
Lipide
100 - 400
40 - 80
100 - 400
5 - 12
30 - 50
190
55
50 - 100
5 - 8
10 - 15
C/N
CO2 in die Atmosphäre100
%
Start
CO2CO2
CO2
50
0nach 1 Woche nach 1 Monat nach 1 Jahr
Humus
MikrobielleBiomasse
Cellulose
Asche, FettProtein
Lignin
Zucker
StärkePektin
Bodenkunde Organische Substanz - 7 -
Lignocellulose wird wesentlich langsamer abgebaut, wie auch bereits teilweise humifiziertes Material, z.B. Torf, Stallmist oder Kompost; selektive Anreicherung
Abbauraten mit zunehmender Verweildauer im Boden immer langsamer, Endprodukte der Humifizierung nur noch sehr langsam mineralisiert
durch Freisetzung von CO2 wird C/N-Verhältnis enger
Abbauverlauf von organischer Substanz im Boden durch Kinetik 1. Ordnung zu beschreiben
Während der Mineralisierung stetige mikrobielle Resynthese der im Boden verbleibenden organischen Substanz zu mikrobieller Biomasse
Oxidationsprozesse: dadurch vergrößert sich der Anteil der Carboxyl-Gruppen, und damit die Austauschkapazität der Huminstoffe
Weiterer Abbau dieser Sekundärreccourcen
� Polysaccharide (Cellulose, Hemicellulose) und Proteine
C- und Energiequelle für die Mikroorganismen, werden vollständig metabolisiert; von heterotrophen Bakterien zur Energiegewinnung oxidiert ("Betriebsstoffwechsel"); Teil der leicht verwertbaren Substrate von den Bakterien direkt aufgenommen und zur Bildung von Körpersubstanz verwendet ("Baustoffwechsel")
extracelluläre, hydrolytische Spaltung in monomere oder dimere Bruchstücke, werden von den Mikroorganismen aufgenommen
Hemicellulosen und Pektine werden von vielen aeroben und anaeroben Bakterien und Pilzen abgebaut, Abbaurate meist über derjenigen von Cellulose
� Lignin
Lignin vergleichsweise resistent gegen mikrobiellen Abbau (rekalzitrant)
Abbau des Lignins langsam, co-metabolischer Prozess, Lignin dient nicht als C- oder Energiequelle für Mikroorganismen; Voraussetzung für den Ligninabbau ist deshalb Vorhandensein einer C- und Energiequelle (z.B. Zucker, Cellulose)
Ligninabbau generell anders als derjenige von Polysacchariden und Proteinen; ungerichteter Radikalmechanismus, der zur Spaltung von Bindungen in den Seitenketten und in den aromatischen Ringen führt; Freisetzung von CO2, teilweise Mineralisierung
Abbau des Lignins nur unter aeroben Bedingungen, Sauerstoffmangel hemmt ihn, dann werden nur niedermolekulare Ligninbestandteile oder Ligninvorstufen angegriffen; Lignin reichert sich in anaeroben Böden oder Sedimenten an (Torfbildung, Kohlebildung)
AArroommaattiisscchhee BBaauusstteeiinnee ddeerr oorrggaanniisscchheenn SSuubbssttaannzz
ortho-Ringspaltungortho-Ringspaltung
HCOH
R - O
OCH3
α-Carbonyl-Bildung Abspaltung der Seitenkettenund Oxidation des Cα
HC - O - L
CH2OH
R - O
OCH3
COOH
R - O
OCH3
C = O
HC - O - L
CH2OH
im Makromolekül
HCOH
OH
OH
Demethylierung zu o-Diphenol
HC - O - L
CH2OH
HCOH
HC - O - L
CH2OH
R - O
COOH COOH
COOH
HCOH
HC - O - L
CH2OH
COOH
Bodenkunde Organische Substanz - 8 -
F
ECPC
C
B
B
CW ECP
F
ECPC
C
B
B
CW ECP
C clay microaggregates
ECP extracellular polysaccharide
F fungal hyphae
CW collapsed cell wall
B bacterium
� Bildung stabiler Huminstoffe Pflanzliche und mikrobielle Reste wie auch ihre Umwandlungsprodukte durch verschiedene Mechanismen gegen weiteren mikrobiellen Abbau geschützt Kopplung an Tonminerale und Eisenoxide: Ton-Humus-Kopplung
TTrraannssmmiissssiioonn eelleeccttrroonn mmiiccrrooggrraapphh ooff aann uullttrraatthhiinn sseeccttiioonn ooff aa ssooiill aaggggrreeggaattee sshhoowwiinngg ccllaayy mmiiccrrooaaggggrreeggaatteess ((CC)) lliinnkkeedd bbyy rruutthheenniiuumm//oossmmiiuumm--ssttaaiinneedd,, eexxttrraacceelllluullaarr ppoollyyssaacccchhaarriiddee ((EECCPP)) ooff ffuunnggaall hhyypphhaaee ((FF)).. TThhee wwaallll ooff aa ccoollllaappsseedd cceellll ((CCWW)) iiss bbeeiinngg llyysseedd bbyy aa bbaacctteerriiuumm ((BB)).. ((ffrroomm LLaadddd eett aall..,, 11999966))
PPhhyylllloossiilliiccaattee wwiitthh ppeerrmmaanneenntt cchhaarrggee ssiitteess ((EEuusstteerrhhuueess,, uunnppuubblliisshheedd))
FFee ooxxyyhhyyddrrooxxiiddee wwiitthh vvaarriiaabbllee cchhaarrggee ssiitteess ((EEuusstteerrhhuueess,, uunnppuubblliisshheedd))
2Al 1
permanent negativecharge sites
protonatedsurface OH group(protonatedaluminol group)
variable charge sites(pH-dependent)
tetrahedral sheetoctahedral sheet
O
O
Si
C
R
cationexchange
2+ 2+
cation bridging
Iigand exchange at a silanol group
intercalation of organic cations cation
H2O
2+2+2+
2Al 1Al 1Al 1
permanent negativecharge sites
protonatedsurface OH group(protonatedaluminol group)
variable charge sites(pH-dependent)
tetrahedral sheetoctahedral sheet
O
O
Si
C
R
tetrahedral sheetoctahedral sheet
O
O
Si
C
R
O
O
Si
C
R
cationexchange
2+2+ 2+
cation bridging
2+2+
cation bridging
Iigand exchange at a silanol group
intercalation of organic cations cation
H2O
2+2+2+2+2+2+2+2+2+
protonatedsurface OH group
21
Fe Fe
O
O
Fe
C
R
Iigand exchange at a singlycoordinated OH group
electrostatic interaction(outer sphere complex) at a singly coordinated OH group
21
protonatedsurface OH group
21
Fe Fe
O
O
Fe
C
R
O
O
Fe
C
R
Iigand exchange at a singlycoordinated OH group
electrostatic interaction(outer sphere complex) at a singly coordinated OH group
21
Bodenkunde Organische Substanz - 9 -
Pflanzenreste im Aggregatinneren eingeschlossen und für Mikroorganismen unzugänglich
� Fraktionierung der organischen Substanz
physikalische Fraktionierung nach der Korngröße und/oder Dichte der Partikel, zur Trennung der Pflanzenreste von den Huminstoffen leichte bzw. grobe Fraktion (Sandfraktion): Pflanzenreste, die nicht oder nur wenig verändert sind; hohe Gehalte an Polysacchariden, Lignin, und Lipiden; Schluff-Fraktion enthält modifizierte Bruchstücke des Streuabbaus, bevorzugt Abbauprodukte von Polysacchariden, mit aliphatischen Bestandteilen und modifizierten Ligninbruchstücken angereichert Organische Substanz der Tonfraktion vor allem langkettige Paraffinstrukturen, auch Carboxylgruppen Mit steigendem Tongehalt steigen meist die Anteile der organischen Substanz, die sich in der Tonfraktion befinden
EEiiggeennsscchhaafftteenn ddeerr ZZuussaammmmeennsseettzzuunngg ddeerr oorrggaanniisscchheenn SSuubbssttaannzz iinn KKoorrnnggrröößßeennffrraakkttiioonneenn eeiinneess AA--HHoorriizzoonnttss uunntteerr vveerrsscchhiieeddeenneerr NNuuttzzuunngg
TTrraannssiittoorryy ppooooll ooff ssooiill oorrggaanniicc mmaatttteerr ((GGrreeggoorriicchh aanndd JJaannzzeenn,, 11999944))
Fraktion Bausteine/
Zusammensetzung
Umwandlungs-
grad des Lignins
Herkunft der
Polysaccharide
Sand Pflanzenreste
Alkyl-C 40...46 %
O-Alkyl-C 35 % gering überwiegend pflanzlich
Aryl-C 24...26 %
Schluff Alkyl-C 31...44 %
O-Alkyl-C 26...30 % mittel pflanzlich und mikrobiell
Aryl-C 16...27 %
Ton Alkyl-C 46...50 %
O-Alkyl-C 22...25 % stark überwiegend mikrobiell
Aryl-C 13...14 %
Fraktion Bausteine/
Zusammensetzung
Umwandlungs-
grad des Lignins
Herkunft der
Polysaccharide
Sand Pflanzenreste
Alkyl-C 40...46 %
O-Alkyl-C 35 % gering überwiegend pflanzlich
Aryl-C 24...26 %
Schluff Alkyl-C 31...44 %
O-Alkyl-C 26...30 % mittel pflanzlich und mikrobiell
Aryl-C 16...27 %
Ton Alkyl-C 46...50 %
O-Alkyl-C 22...25 % stark überwiegend mikrobiell
Aryl-C 13...14 %
PlantResidues
Light FractionOrganic Matter
CO2
StabilizedOrganic Matter
CO2
increasing humification
Bodenkunde Organische Substanz - 10 -
Umsetzungszeiten
Art der organischen Substanz Anteil an gesamter org.Subst. Umsetzungszeit
[%] [Jahr]
Streu — 1 — 3
mikrobielle Biomasse 2 — 5 0,1 — 0,4
als feste Teilchen 18 — 40 5 — 20
leichte Fraktion 10 — 30 1 — 15
zwischen Mikroaggregaten 20 — 35 5 — 50
innerhalb Mikroaggregaten 50 — 1000
physikalisch abgetrennt 20 — 40
chemisch abgetrennt 20 — 40 1000 — 3000
Stickstoff, Schwefel und Phosphor in organischer Bindung
� Stickstoff: wichtiger Bestandteil aller Huminstoffe, Hauptanteil des organisch gebundenen Stickstoffs in Form von Amidstrukturen stabilisiert, Anteil des Stickstoffs in heterozyklischer Bindung gering
DDuurrcchhsscchhnniittttlliicchhee pprroozzeennttuuaallee VVeerrtteeiilluunngg vvoonn NN nnaacchh HHyyddrroollyyssee vvoonn BBööddeenn ((aauuss HHaaiiddeerr,, 11999966))
� Schwefel: C:S-Verhältnis 200 in Grünland- und Waldböden, 130 in ackerbaulich genutzten Böden; bis zu 90 % des Schwefels in organischer Form gebunden, davon 30 - 75 % als Sulfatester, weiterer C-gebundener Schwefel überwiegend in Aminosäuren
� Phosphor: mehr als 50 % des Gesamt-P in Böden in Form von Orthophosphatmono- und -diestern, bis zu 60 - 90 % des gesamten Phosphors dieser Bodenfraktion
0 10N-Verteilung in %
Säureunlöslicher N
Aminozucker-N
20 30 40 50
NH4-N aus organischem N
Säurelöslicher N undefiniert
Aminosäure-N
Bodenkunde Organische Substanz - 11 -
Günstige Wirkung von Humus in Böden
(bio-)chemische Wirkung
Nährstoffquelle für N (95 %) und P für Pflanzen, die umso reichlicher fließt, je nährstoffreicher die organische Substanz und je aktiver Mikroorganismen, die N und P (und andere organisch gebundene Nährstoffe (Chelate)) zunächst in ihren Körper einbauen und nach ihrem Tod den Pflanzen in verfügbarer Form anbieten
organische Substanz ist Ausgangssubstanz für Chelate bzw. organische Metall-Komplexe, Huminstoffe haben Austauschereigenschaften und können sowohl Kationen binden/sorbieren als auch sich an Tonminerale anlagern (Ton-Humus-Komplexe)
physikalische Wirkung
hat geringes spez. Gewicht, ist sperrig ⇒ Bodengewicht und damit Auflastwirkung des Bodens gesenkt; hat hohe Wasserbindungsfähigkeit (3-5fache des Eigengewichts) ⇒ erhöhte Wasser-bindung; fördert durch sein Vorhandensein Bioturbation ⇒ Boden locker, grobporenreich, gut durchlüftet, aber gleichzeitig erhöhte Wasserdurchlässigkeit; schwärzt Bodenoberfläche und hat geringe Wärmeleitfähigkeit ⇒ leichte Erwärmbarkeit und Abkühlung des Oberbodens ⇒ fördert Keimung, aber auch Bodenfrostgefahr
physikochemische Wirkung
in feuchtem Zustand hydrophil ⇒ dadurch starke Wasseraufnahme; in trockenem Zustand hydrophob ⇒ wegen mangelnder Benetzbarkeit des Bodens entweder Infiltration verzögert (⇒ erhöhter Oberflächenabfluss) oder sehr schnelle Infiltration und Tiefensickerung (= keine Wasseraufnahme im Oberboden aus den Grobporen heraus)
außerdem wegen mangelnder Benetzung kein Zusammenhalt der Oberbodenteilchen entwässerter Anmoore und Niedermoore (sog. Puffigkeit) ⇒ erhöhte Winderosionsanfälligkeit
fördert wegen meist vorhandener positiver Ladung der Makromoleküle der Huminstoffe Aggregierung von Tonteilchen (Ton-Humus-Komplexe) ⇒ Erhöhung der Aggregatstabilität, der Tragfähigkeit und des Erosionswiderstandes gegen Wasser und Wind
� Organische Bindung oder Kationenaustausch, Sorption und Komplexbildung von Pflanzennährstoffen.
� Allmähliche Freisetzung sorbierter und gebundener Pflanzennährstoffe.
� Bildung und Erhaltung einer günstigen Bodenstruktur.
� Verbesserung der Wasserführung und des Wasserhaltevermögens.
� Vermehrung der Filter- und Pufferkapazität.
� Immobilisieren und Entgiften organischer und anorganischer toxischer Substanzen.
� Erhöhung der Bodentemperatur durch Lichtabsorption.
� Förderung des Pflanzenwachstums unter sub-optimalen Bedingungen.
Bodenkunde Einführung - 1 -
Phasenverteilung
� Volumen- und Massenanteile
Im Boden finden wir eine intensive Durchdringung der drei Phasen
� Bodenmatrix (feste Phase)
� Bodenlösung (flüssige Phase)
� Bodenluft (gasförmige Phase).
Anteil und räumliche Verteilung der drei Phasen können in weiten Grenzen schwanken; im Extremfall kann eine Phase nahezu fehlen, z.B. in permanent nassen Gleyen oder Moorböden oder in Wüstenböden.
Bezogen auf das Gesamtvolumen besteht der Boden aus etwa
• 50 % Matrix
• 50 % Porenraum, gefüllt mit Bodenlösung (20 - 50 %) und Bodenluft (0 - 30 %).
Diese Volumenanteile beziehen sich auf das Lagerungsvolumen der drei Phasen. Das Lagerungsvolumen ist das Gesamtvolumen aller drei Phasen eines ungestörten Bodens. Es ist nicht konstant, sondern kann durch Quellen/Schrumpfen, Gefrieren/Tauen oder auch durch Bodenbearbeitung starken kurzfristigen Veränderungen unterliegen.
MMaassssee-- uunndd VVoolluummeennaanntteeiillee ddeerr ddrreeii BBooddeennpphhaasseenn iinn PPrroozzeenntt
((aauuss GGiissii 11999977))
Bei einer Angabe von Massenanteilen wird dagegen auf die Trockenmasse der Bodenmatrix Bezug genommen. Die Trockenmasse wird nicht von den oben genannten kurzfristigen Einflüssen betroffen. Solche massenspezifische Größenangaben können nicht direkt auf räumliche Bilanzierungskompartimente bezogen werden. Gibt man eine Größe (z.B. den Nährstoffgehalt) pro Volumeneinheit an, ergibt sich häufig eine ökologisch gut interpretierbare Angabe (z.B. die Nährstoffmenge im durchwurzelten Bodenvolumen).
� Lagerungsdichte
Mithilfe von Dichteangaben können Masse- u. Volumengrößen ineinander umgerechnet werden.
Als Lagerungsdichte ρρρρa (auch scheinbare Dichte) bezeichnet man das Verhältnis von Trockenmasse zu Lagerungsvolumen eines Bodens. Sie kann im Mineralboden Werte zwischen 0,5 und 1,8 g cm-3 annehmen.
Die reelle Dichte ρρρρr (das spezifische Gewicht) ist das Verhältnis der Masse zum Volumen einer Phase.
Dabei besteht folgende Beziehung: ρρρρr ∗∗∗∗ Volumenanteil = ρρρρa ∗∗∗∗ Massenanteil
Masse
ML ~0%
15-30%
MM
mineralischorganisch
MW
VW
VL
VM
Phase Volumen
70-85% 50%
20-50%
0-30%
Matrix
Wasser
Luft
Masse
ML ~0%
15-30%
MM
mineralischorganisch
MW
VW
VL
VM
Phase Volumen
70-85% 50%
20-50%
0-30%
Matrix
Wasser
Luft
Bodenkunde Einführung - 2 -
Das spezifische Gewicht wichtiger Bodenbestandteile:
Quarz 2,65 g cm-3
Calciumcarbonat 2,71 g cm-3
Organische Substanz (Torf) 1,40 g cm-3
Die reelle Dichte der Bodenfestphase variiert im Mineralboden zwischen 2,4 und 2,7 g cm-3, je nach den Anteilen an organischer Substanz.
WWiicchhttiiggee KKeennnnggrröößßeenn ddeerr PPhhaasseennzzuussaammmmeennsseettzzuunngg ddeess BBooddeennss ((aauuss GGiissii 11999977))
Veränderungen des Porenanteils auf das gesamte Bodenvolumen bezogen: Porosität oder Porenvolumen;
Volumenänderung des Gesamtsystems: Feststoffvolumen als Bezugsbasis, Porenziffer;
Die Lagerungsdichte des Bodens steht über die Porosität in enger Beziehung zur Durch-wurzelbarkeit. Nur bei Böden mit sehr hohen Anteilen an organischer Substanz finden wir eine Abweichung von der Geraden.
BBeezziieehhuunngg zzwwiisscchheenn PPoorroossiittäätt,, LLaaggeerruunnggssddiicchhttee uunndd DDuurrcchhwwuurrzzeellbbaarrkkeeiitt ((aauuss GGiissii 11999977))
� Räumliche Anordnung der Phasen: Porenvolumen
Die Anordnung der festen Bodenbestandteile zueinander bezeichnet man als Bodenstruktur oder Bodengefüge, die Struktur der Hohlräume als Porenstruktur;
dichteste Packung gleich großer Kugeln: Porenvolumen 26 % bzw. Porenziffer 0,35
entsprechend Lagerungsdichte 1,96 bei Quarz
weniger dichte Lagerung: höhere Porenvolumina
abgestufte Körnung: Hohlräume besser ausgefüllt;
Abweichungen von der Kugelform, z.B. die blättchenartige Form der Tonminerale bewirken meist eine Zunahme des Porenvolumens aufgrund der sog. Kartenhausstruktur.
schlecht
durch-wurzelbar
schlecht
durch-wurzelbar
sehr lockersehr locker
extrem
verdichtet
extrem
verdichtet
gut durch-wurzelbargut durch-wurzelbar
0,0
scheinbare Dichte ρa der Feinerde (g cm-3)
0,5 1,0 1,5 2,00,0
0,5
1,0
Porosität ΕΕΕΕder
Feinerde
0,0
scheinbare Dichte ρa der Feinerde (g cm-3)
0,5 1,0 1,5 2,00,0
0,5
1,0
Porosität ΕΕΕΕder
Feinerde
Größe SymbolSymbol DefinitionDefinition
volumetrischer Wassergehalt θ θ = VW / V
Luftgehalt ε ε = VL / V
gravimetrischer Wassergehalt θg θg = MW / MM
Lagerungsdichte ρa ρa = MM / V
reelle (Matrix-)Dichte ρr ρr = MM / VM
Lagerungsvolumen V V = VM + VW + VL
Porenvolumen VP VP = VW + VL
Matrixanteil m m = VM / V
Porosität E E = VP / V
Porenziffer n n = VP / VM
Bodenkunde Einführung - 3 -
EEiinnfflluussss ddeerr KKoorrnneeiiggeennsscchhaafftteenn ((FFoorrmm,, GGrröößßee,, LLaaggeerruunngg)) aauuff ddiiee PPoorroossiittäätt
((aauuss GGiissii,, 11999977))
Körnung, Porung und Lagerungsdichte stehen miteinander in engem Zusammenhang.
MMiittttlleerree WWeerrttee ffüürr BBooddeenn--ddiicchhttee,, PPoorreennvvoolluummeenn uunndd PPoorreennzziiffffeerr iinn MMiinneerraallbbööddeenn
((aauuss SScchh//SScchh,, 22000022))
� Porengrößenverteilung
ZZuussaammmmeennsseettzzuunngg vvoonn FFeessttssuubbssttaannzz uunndd PPoorreennrraauumm iinn BBööddeenn ((aauuss GGiissii,, 11999977))
kleine Porosität
rundlich (Sand)
abgestufte Körnung
verdichtet, gerüttelt, ausgerichtet
sperrig (Tonplättchen)
einseitige Körnung
locker, frisch geschüttet
große Porosität Eigenschaft
Lagerung
Korngrößenabstufung
Kornform
56-36 1,27 - 0,561,16 - 1,70Sande 56-36 1,27 - 0,561,16 - 1,70Sande
Schluffe 1,17 - 1,63 56 -38 1,27 - 0,62Schluffe 1,17 - 1,63 56 -38 1,27 - 0,62
Lehme 1,20 - 2,00 55 - 30 1,22 - 0,43Lehme 1,20 - 2,00 55 - 30 1,22 - 0,43
Tone 0,93 - 1,72 65 - 35 1,85 - 0,54Tone 0,93 - 1,72 65 - 35 1,85 - 0,54
Bodendichte(g cm-3)
Porenvolumen(PV)(%)
Porenziffer (ε)(-)
Bodendichte(g cm-3)
Porenvolumen(PV)(%)
Porenziffer (ε)(-)
Matrixanteil m Wassergehalt θ Luftgehalt ε
E = PorositätKlassenbildungKlassenbildung
HHääufigkeitsverteilungufigkeitsverteilung
0%
50%Porengrößenverteilung
Vo
lum
en
an
teil
pro
Kla
sse
Äquivalentdurchmesser0%
50%Korngrößenverteilung
Mas
se
na
nte
il
Pro
Kla
ss
e
Äquivalentdurchmesser
HHääufigkeitsverteilungufigkeitsverteilung
0%
50%Porengrößenverteilung
Vo
lum
en
an
teil
pro
Kla
sse
Äquivalentdurchmesser0%
50%Korngrößenverteilung
Mas
se
na
nte
il
Pro
Kla
ss
e
Äquivalentdurchmesser
SummationskurvenSummationskurven
0%
100%Desorptionskurve
Äquivalentdurchmesser0%
100%Körnungskurve
Su
mm
en
an
teil
Äquivalentdurchmesser
Su
mm
en
an
teil
SummationskurvenSummationskurven
0%
100%Desorptionskurve
Äquivalentdurchmesser0%
100%Körnungskurve
Su
mm
en
an
teil
Äquivalentdurchmesser
Su
mm
en
an
teil
Bodenkunde Einführung - 4 -
Das Porenvolumen ist von der Körnung, der Kornform, dem Gehalt an organischer Substanz und von der Bodenentwicklung abhängig. Analog zur Körnung werden auch bei der Porung verschiedene Größenklassen unterschieden. Sie werden aus der Boden-Wasser-Charakteristik (Desorptionskurve, s. bei Bodenwasser) als Summationskurve der Porengrößenverteilung abgeleitet. Dabei nimmt man zylinderförmige Kapillaren mit äquivalenter Wasserbindung an.
PPoorreennggrröößßeennbbeerreeiicchhee nnaacchh ÄÄqquuiivvaalleennttdduurrcchhmmeesssseerr
PPoorreennvvoolluummeenn uunndd PPoorreennggrröößßeennbbeerreeiicchhee vvoonn BBööddeenn
Funktion:
Grobporen (> 10 µm): Wasserabzug, Luftzufuhr, Durchwurzelung
Mittelporen (10 - 0,2 µm) und enge Grobporen [10 - 50 µm): pflanzenverfügbares Wasser
Feinporen [< 0,2 µm): Totwasser (nicht pflanzenverfügbar).
Primärporen:
körnungsbedingte Zwischenräume, treten in allen Substraten auf, sichtbar am besten bei Kiesen und Sanden als sog. Zwickelporen, aber auch bei Tonen (mikroskopisch) zwischen den einzelnen Tonteilchen;
Sekundärporen:
bodengenetisch bedingt, Wurm- und Wurzelröhren oder/und Schrumpfungsrisse bzw. Grenzräume zwischen Aggregaten; Sekundärporen mit bloßem Auge, mindestens mit Lupe erkennbar.
Grobporen weite > 50
Grobporen enge 50 - 10
Mittelporen 10 - 0,2
Feinporen <0,2
Porengrößenbereiche Porendurchmesser (µm)
5 ± 3Sande
Schluffe 15 ± 5
Anmoore 25 ± 10
Tone 35 ± 10
Mittelporen(%)
Feinporen (%)
7 ± 5
15 ± 7
40 ± 10
10 ± 5
Grobporen(%)
30 ± 10
15 ± 10
5 ± 3
8 ± 5
Porenvolumen (%)*
47 ± 10
47 ± 9
70 ± 10
50 ± 15
Hochmoore 25 ± 1040 ± 1025 ± 1085 ± 10
* Bezogen auf Gesamtvolumen
aus Rodek (1969)
Zwickelpore in
gleichförmigen Material
Zwickelporen sind meist
mit Feinmaterial gefüllt
aus Rodek (1969)
Zwickelpore in
gleichförmigen Material
Zwickelporen sind meist
mit Feinmaterial gefüllt
Bodenkunde Sorptionseigenschaften - 1 -
Sorptionseigenschaften von Böden
Die Zusammensetzung und Konzentration der im Bodenwasser gelösten Stoffe wird durch eine
Reihe von Reaktionen mit der Bodenfestphase gesteuert.
KKoonnzzeennttrraattiioonnssbbeessttiimmmmeennddee
RReeaakkttiioonneenn zzwwiisscchheenn BBooddeenn--
llöössuunngg uunndd BBooddeennmmaattrriixx ssoowwiiee
ddeemm dduurrcchh AAuusswwaasscchhuunngg uunndd
WWuurrzzeellaauuffnnaahhmmee bbeeddiinnggtteenn
SSttooffffttrraannssppoorrtt
BBooddeennöökkoollooggiiee,, GGiissii,, 11999977
� Oberflächenladungen der Bodenbestandteile Die Oberfläche fast aller festen Bodenbestandteile ist elektrisch geladen. Die wichtigsten
Ladungsträger sind die feinen Bestandteile mit hoher spezifischer Oberfläche:
� Tonminerale
� Huminstoffe
� Oxide und Hydroxide
Permanente Ladung (pH-unabhängige Ladung)
� Negative Ladung durch isomorphen Ersatz im Gitter der Tonminerale. Verantwortlich für die
Bindung von Kationen an den Flächen und in den Zwischenschichten der Tonminerale.
LLaadduunnggssvveerrhhäällttnniissssee
aann eeiinneemm
22::11--SScchhiicchhttmmiinneerraall
Variable Ladung (pH-abhängige Ladung)
� Die Oberflächen von Oxiden und die Seitenkanten der Tonminerale enthalten O- und OH-
Gruppen, die Protonen aufnehmen oder abgeben und dadurch positive oder negative
Ladung annehmen können. Mit steigendem pH-Wert (sinkender H+- Konzentration) nimmt
die positive Ladung ab und die negative Ladung zu. Am Ladungsneutralpunkt (oder
Ladungsnullpunkt) sind beide gleich, die Nettoladung ist also 0.
freie Ionenin der
Bodenlösung
Stofftransport
Komplex-bildung
Säure-Basen-Reaktionen
Redox-Reaktionen
Ionenaustauschund Adsorption
Ausfällung undAuflösung
freie Ionenin der
Bodenlösung
Stofftransport
Komplex-bildung
Säure-Basen-Reaktionen
Redox-Reaktionen
Ionenaustauschund Adsorption
Ausfällung undAuflösung
permanente Ladung variable Ladung
K Ca
K
KMg Na
- Tetraeder - -
- -
- -Oktaeder
Tetraeder
OH
O-
OH
OH2+
Si
O
AI
O
AI
O
O
permanente Ladung variable Ladung
K Ca
K
KMg Na
- Tetraeder - -
- -
- -Oktaeder
Tetraeder
OH
O-
OH
OH2+
Si
O
AI
O
AI
O
OKK CaCa
KK
KKMgMg NaNa
- Tetraeder - -
- -
- -Oktaeder
Tetraeder
OH
O-
OH
OH2+
Si
O
AI
O
AI
O
O
Fe - OH + H+ Fe - OH2+
Fe - OH Fe - O- + H+
Fe - OH + H+ Fe - OH2+
Fe - OH Fe - O- + H+
Fe - OH + H+ Fe - OH2+
Fe - OH Fe - O- + H+
Bodenkunde Sorptionseigenschaften - 2 -
Die sauren funktionellen Gruppen der organischen Bodensubstanz dissoziieren H+-Ionen ab.
Dadurch entsteht mit zunehmendem pH-Wert eine zunehmende negative Ladung. Die
wichtigsten funktionellen Gruppen der organischen Substanz sind Carboxylgruppen, daneben
auch phenolische und alkoholische OH-Gruppen.
QQuueelllleenn ddeerr eelleekkttrriisscchheenn LLaadduunngg vvoonn BBooddeennbbeessttaannddtteeiilleenn,, UUmmwweellttoorriieennttiieerrttee BBooddeennkkuunnddee,, WWiilldd,, 11999955
1. Permanente negative Ladung bei 2:1- und 2:2-Tonmineralen durch isomorphen Ersatz
2. pH-abhängige Ladungen:
a) negative Ladungen an Bruch- und
Kantenflächen von Tonmineralen
b) negative Ladungen des Humus infolge
Dissoziation von Carboxylgruppen und
phenolischen OH-Gruppen
c) negative und positive Ladungen
hydratisierter Eisen- und Aluminium-
oxide
Böden mit hohen Gehalten an Tonmineralen und organischer Substanz haben einen Ladungs-
neutralpunkt 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.
PPoossiittiivvee uunndd nneeggaattiivvee LLaadduunnggeenn aauuff
GGooeetthhiitt uunndd ddeenn ddrreeii TToonnmmiinneerraalleenn
SSmmeeccttiitt,, IIlllliitt uunndd KKaaoolliinniitt
UUmmwweellttoorriieennttiieerrttee BBooddeennkkuunnddee,, WWiilldd,, 11999955
Oberflächenladung und elektrische Doppelschicht:
Ausgleich der Oberfläche durch
äquivalente Menge an Gegenionen
Ionenaustauschreaktionen verlaufen
schnell, stöchiometrisch und sind
reversibel
positivepositive negativenegative8 0 8 16 24 72 80
Ladungen (cmolc/kg Ton)
8 0 8 16 24 72 80
Ladungen (cmolc/kg Ton)
3
4
5
6
7
8
9
pH
3
4
5
6
7
8
9
pHKaolinitKaolinit IllitIllit SmectitSmectitGoethitGoethit
Teilchen mit
negativer
Oberflächen-ladung
Stern-Schicht
Diffuse SchichtDiffuse SchichtDiffuse SchichtGleichge-
wichtslösungGleichge-
wichtslösung
+ 2H2O
SiOH
AIOH
SiOH
AIO-
OH-
H+
Si-OH
AIO-
Si-OH
AIO-
+ 2H2O
SiOH
AIOH
SiOH
AIO-
SiOH
AIOH
SiOH
AIO-
OH-
H+
OH-
H+
Si-OH
AIO-
Si-OH
AIO-
Si-OH
AIO-
Si-OH
AIO-
>C-OH
OH-
H+
OH-
H+>C-O- + H2O
COOH COO- + H2O
>C-OH
OH-
H+
OH-
H+
OH-
H+
OH-
H+>C-O- + H2O
COOHCOOH COO- + H2OCOO- + H2O
>FeOH
>FeOH2+
OH-
H+
OH-
H+
>FeO- + H2O
>FeOH + H2O
>FeOH
>FeOH2+
OH-
H+
OH-
H+
OH-
H+
OH-
H+
>FeO- + H2O
>FeOH + H2O
Bodenkunde Sorptionseigenschaften - 3 -
� 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
BBiinndduunnggssmmeecchhaanniissmmeenn zzwwiisscchheenn AAddssoorrbbeennss uunndd AAddssoorrbbaatt iimm BBooddeenn,, BBooddeennöökkoollooggiiee,, GGiissii,, 11999977
Adsorptionsisothermen
Für die Beschreibung der Adsorption von Stoffen in Böden benutzt man meist eine
Adsorptionsisotherme, z.B. nach Freundlich.
= Menge gebunden an Boden pro Masse des Sorbenten
(mmol g-1, mg g-1)
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
Isotherme = Gerade, wenn , Steigung 1/n = 1
Einheit für K = L g-1 bzw. L kg-1
AAddssoorrppttiioonnssiissootthheerrmmeenn vvoonn CCaaddmmiiuumm
ffüürr 33 HHoorriizzoonnttee eeiinneerr PPaarraabbrraauunneerrddee
BBooddeennöökkoollooggiiee,, GGiissii,, 11999977
Adsorptionskoeffizienten (K) einiger Pflanzenschutzmittel
DDiiee KK--WWeerrttee hhäännggeenn vvoonn ddeenn BBooddeenneeiiggeennsscchhaafftteenn uunndd
ddeerr GGlleeiicchhggeewwiicchhttsskkoonnzzeennttrraattiioonn ddeerr BBooddeennllöössuunngg aabb..
DDiiee ggrrooßßeenn ZZaahhlleenn bbeeii DDDDTT uunndd PPaarraaqquuaatt bbeeddeeuutteenn,, ddaassss
ddiiee BBooddeennllöössuunngg eexxttrreemm ggeerriinnggee KKoonnzzeennttrraattiioonneenn ddiieesseerr
WWiirrkkssttooffffee aauuffwweeiisstt..
UUmmwweellttoorriieennttiieerrttee BBooddeennkkuunnddee,, WWiilldd,, 11999955
= K • C 1/nxm
= K • C 1/nxm
xmxm
= K • C 1xm
= K • C 1xm
Mittel KDDT (1 - 10) x 104
Lindan 7 - 502,4-D 2Atrazin 26Simazin 1 - 7
200 - 5000Paraquat
Mittel KDDT (1 - 10) x 104
Lindan 7 - 502,4-D 2Atrazin 26Simazin 1 - 7
200 - 5000Paraquat
Bindungsart Vorgang Beispiel
Dipol-Dipol elektrostatische Anziehung zwischen induzierten oder permanenten Dipolen
Kohlenwasserstoff an Huminstoffen
Wasserstoff-brücken
R – O – H
ÖH R
Wasser an Tonoberfläche; Wasser an Huminstoffen; Huminstoffe an Tonoberfläche
Ion-IonH+ K+ Ca2+
Ionen an Tonoberfläche (Ionenaustausch)
Säure-Basen-Reaktionen
O – H + :B-
O-+ BH
gewisse Pflanzenschutzmittel an Oxidoberflächen und an Huminstoffen
Liganden-austausch
Phosphat an OxidoberflächenOH2+ + H2PO4
-
O – PO(OH)2 + H2O
M
M
Humus an Tonoberfläche; Aggregierung von Ton; Mikroorganismen an Ton
Ionen-brücken
-Ca2+ -
Bindungsart Vorgang BeispielBindungsart Vorgang Beispiel
Dipol-Dipol elektrostatische Anziehung zwischen induzierten oder permanenten Dipolen
Kohlenwasserstoff an Huminstoffen
Dipol-Dipol elektrostatische Anziehung zwischen induzierten oder permanenten Dipolen
Kohlenwasserstoff an Huminstoffen
Wasserstoff-brücken
R – O – H
ÖH R
Wasser an Tonoberfläche; Wasser an Huminstoffen; Huminstoffe an Tonoberfläche
Wasserstoff-brücken
R – O – H
ÖH R
Wasser an Tonoberfläche; Wasser an Huminstoffen; Huminstoffe an Tonoberfläche
Ion-IonH+ K+ Ca2+
Ionen an Tonoberfläche (Ionenaustausch)
Ion-IonH+ K+ Ca2+
Ionen an Tonoberfläche (Ionenaustausch)
Säure-Basen-Reaktionen
O – H + :B-
O-+ BH
gewisse Pflanzenschutzmittel an Oxidoberflächen und an Huminstoffen
Säure-Basen-Reaktionen
O – H + :B-
O-+ BH
gewisse Pflanzenschutzmittel an Oxidoberflächen und an Huminstoffen
Liganden-austausch
Phosphat an OxidoberflächenOH2+ + H2PO4
-
O – PO(OH)2 + H2O
M
M
Liganden-austausch
Phosphat an OxidoberflächenOH2+ + H2PO4
-
O – PO(OH)2 + H2O
M
M
Humus an Tonoberfläche; Aggregierung von Ton; Mikroorganismen an Ton
Ionen-brücken
-Ca2+ -
Humus an Tonoberfläche; Aggregierung von Ton; Mikroorganismen an Ton
Ionen-brücken
-Ca2+ -
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00
10
20
30
40Ah-HorizontpH 5,5KAK 111 mmol kg-1
Konzentration in der Gleichgewichtslösung (mmol L-1)
Al-HorizontpH 4,1KAK 58 mmol kg-1
Bt-HorizontpH 4,2KAK 103 mmol kg-1
Cd2+
Adsorbierte
Menge(mmol kg-1)
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00
10
20
30
40
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00
10
20
30
40
0
10
20
30
40Ah-HorizontpH 5,5KAK 111 mmol kg-1
Ah-HorizontpH 5,5KAK 111 mmol kg-1
Konzentration in der Gleichgewichtslösung (mmol L-1)
Al-HorizontpH 4,1KAK 58 mmol kg-1
Al-HorizontpH 4,1KAK 58 mmol kg-1
Bt-HorizontpH 4,2KAK 103 mmol kg-1
Bt-HorizontpH 4,2KAK 103 mmol kg-1
Cd2+
Adsorbierte
Menge(mmol kg-1)
Bodenkunde Verwitterung und Körnung - 1 -
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;
⇒ Haarrisse, bevorzugt an Grenzen zwischen den einzelnen Mineralen oder deren Spaltflächen
Entstehung von Haarrissen entlang der Spaltflächen von kristallinen Mineralen
Risse zwischen Mineralen
Quarz 8,8 • 10-2 2,10
Bodenkomponente Wärmeleitfähigkeit (λλλλ) Wärmekapazität (c) [J/(cm • s • °C)] [J/(cm3 •°C)]
Calcit 2,50
Muskovit 2,59
Orthoklas 2,14
Tonminerale 2,9 • 10-2 2,10
Humus 2,5 • 10-3 2,50
Wasser 5,7 • 10-3 4,20
Eis 2,2 • 10-2 1,90
Luft 2,5 • 10-4 1,3 •10-3
VerwitterungsschuttAusgangsgestein
KorngrenzeKorngrenze
SpaltriSpaltrißß
Ausgangsgestein
KorngrenzeKorngrenze
SpaltriSpaltrißß
aus Pape
Bodenkunde Verwitterung und Körnung - 2 -
Eissprengung/Frostwirkung
Frostwirkung mit Wasser: in Haarrisse eingedrungenes Wasser gefriert, Eis dehnt infolge seiner
Volumenzunahme (10%) Haarrisse;
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
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
EisEisEisEisEisEisHaarriHaarrißßHaarriHaarrißß
FrostsprengungFrostsprengung
SalzverwitterungSalzverwitterung
SalzlSalzlöösungsungSalzlSalzlöösungsung SalzkristalleSalzkristalle
üübersbersäättigtettigte
LLöösungsung
Bodenkunde Verwitterung und Körnung - 3 -
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+ + Cl-
entscheidend Löslichkeit der Minerale:
"Salze" > Gips > Carbonate > Silicate
ionische Bindung > nichtionische Bindung
� 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 → Hauptverwitterungs-
prozess 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+
+ HCO3-
Sprengung 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)
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
Anlagerung von H2O-Molekülen ���� Auflösung (Hydratation)
z.B. NaCl + H2O ���� Na+ + Cl- (hydratisiert)
O
H
H
K+
O
H H
Cl-
O
H
H
O
H
H
O
H
HO
H H O
H
H
O
H
H
O
H
H
K+
O
H H
O
H H
Cl-
Cl-
O
H
H
O
H
H
O
H
H O
H
H
O
H
H
O
H
HO
H H
O
H H O
H
H O
H
HScheffer/Schachtschabel, 1998
1.1. Entfernung und Ersatz der Zwischenschicht Grundgerüst bleibt erhalten
Glimmer IllitVermiculitSmektit
sekundärer Chlorit-K -K
+K
+Al
-Al
2.2. Völliger Zerfall des Gitters Neubildung aus Produkten
FeldspätePyroxenAmphibolOlivin u.a.
Zerfalls-produkte
-Si
+K+Mg,Ca
Goethit,Hämatit,GibbsitAllophan,Kaolinit,HalloysitIllitSmectit,Vermiculit
-(Ca,Mg,K,Na,Si)
FeldspätePyroxenAmphibolOlivin u.a.
Zerfalls-produkte
-Si
+K+Mg,Ca
Goethit,Hämatit,GibbsitAllophan,Kaolinit,HalloysitIllitSmectit,Vermiculit
-(Ca,Mg,K,Na,Si)-(Ca,Mg,K,Na,Si)
Bodenkunde Verwitterung und Körnung - 4 -
� 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;
→ 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
Freisetzung organischer Säuren beim Abbau der Pflanzenreste
Komplexierung von Metallen (besonders Al, Fe, Mn, Cu, Pb)
+ Cu2+
OH2
OH2
Cu + H+
COO
O
COO-
OH+ Cu
2+OH2
OH2
Cu + H+
COO
O
OH2
OH2
Cu + H+
COO
O
COO-
OH
COO-
OH
Scheffer/Schachtschabel, 1998
Mittlere Lebenszeit eines 1mm-Kristalls
0.0001 0.001 0.01 0.1Millionen Jahre
1 10 100
Ca-Feldspat
Na-Feldspat
K-Feldspat
Muskovit
Quarz
Feldspäte Glimmer
Tonminerale
und
Oxide
Quarz
Gewichts-
anteil
%
100
80
60
40
20
0 Sand Schluff Ton
Mineralbestand in den Kornfraktionen Sand, Schluff und Ton
VerwitterungsgradVerwitterungsgrad
schwach
mäßigstark
sehr stark
LeitmineraleLeitminerale
Gips, Calcit, Olivin
Biotit, Illit, SmektitKaolinit
Gibbsit, Hämatit, Goethit
Verwitterungsgrad von Böden
Bodenkunde Verwitterung und Körnung - 5 -
Körnung
Korngrößenzusammensetzung, (Textur) Bodenart
� Skelett: >2 mm
� Feinboden/Feinerde < 2mm (Einteilung der Korngrößenfraktionen der Feinerde in der BRD)
� Korngrößenverteilung (Bodenart) Eine Kornfraktion allein tritt selten im Boden auf, sondern meist Mischung verschiedener
Fraktionen
Bestimmung:
Sieben + Sedimentation nach Zerstörung der Kittsubstanz [organische Substanz, Fe-Oxide,
Carbonat] und Dispergierung [Austausch von Ca2+ gegen Na+ + mechanisch {schütteln}]
Darstellung: Histogramm, Summenkurve, Dreiecksdarstellung
Bestimmung im Feld:
– Zerstörung der Kittsubstanz (organische Substanz, Carbonat)
– Dispergierung (Austausch von Ca2+, Mg2+, gegen Na+)
– Sieben + Sedimentation
Bestimmung im Feld: Fingerprobe:
Ton: viel Feinsubstanz, sehr bindig, gut formbar, gut auf halbe Bleistiftdicke ausrollbar,
schmiert, glänzende, glatte Schmierflächen,
Lehm: viel Feinsubstanz, bindig, formbar, auf halbe Bleistiftdicke ausrollbar
Schluff: viel Feinsubstanz, mehlig, nicht bindig, kaum formbar, rauhe Schmierflächen
Sand: körnig, nicht bindig, nicht formbar
Bezeichnung grob (g) mittel (m) fein (f)
Blöckekantig, gerundet
> 200 mm
Geröll, Steine
kantig, gerundet
63-200 mm
Kies (gerundet) Grus (kantig)
6,3-20 mm 2-6,3 mm20-63 mm
Bezeichnung grob (g) mittel (m) fein (f)
Blöckekantig, gerundet
> 200 mm
Geröll, Steine
kantig, gerundet
63-200 mm
Kies (gerundet) Grus (kantig)
6,3-20 mm 2-6,3 mm20-63 mm
grob (g) mittel (m) fein (f)Bezeichnung
Sand 2000 – 63 µm 630-200 µm 200-63 µm2000-630 µm
Schluff 63 - 2 µm 20-6,3 µm 6,3-2,0 µm63-20 µm
Ton <2 µm 0,63-0,2 µm <0,2 µm2,0-0,63 µm
grob (g) mittel (m) fein (f)Bezeichnung
Sand 2000 – 63 µm 630-200 µm 200-63 µm2000-630 µm
Schluff 63 - 2 µm 20-6,3 µm 6,3-2,0 µm63-20 µm
Ton <2 µm 0,63-0,2 µm <0,2 µm2,0-0,63 µm
1 Ap
2 Bv
3 Cv
~ 30% Ton
unbehandelt<63 µm
Mischung:
4 Ton, fU, mU
5 mU, gU
H2O2, DCB<63 µm
Bodenkunde Verwitterung und Körnung - 6 -
Körnung des Feinbodens aus Sandstein, aus Löss und aus Fließerde (Mischung aus Löss- und
Sandstein-Verwitterung)
Sch/Sch-Aufl.12 Abb.8
Körnungssummenkurve
Sch-Sch Abb.5.1-2
Körnungsdreieck: Bodenarten des Feinbodens im Dreieckskoordinatensystem
S,s = Sand, sandig;
U,u = Schluff, schluffig;
T,t = Ton, tonig;
L,l = Lehm, lehmig
Sch-Sch Abb.5.1-3
Bodenart in Abhängigkeit vom Ausgangsgestein
Kiesböden >50 Vol.-% oder Fluss-Sedimente, Urstromtäler, Schutthalden
>75 Gew.-% Skelett
Sandböden >50% S, ≤18%T Fluss-Sedimente, Sander, Sandsteine; Grundgebirge
Schluffböden >50% U, ≤18% T Löss, Schluffsteine
Tonböden >45% T Marschen, Kalksteine, Tonsteine
Lehmböden 18-45% T Moränen, Grundgebirge, Kalksteine
0,2 0,63 2 6,3 20 63 200 630 2000
%
µm
Löß
Fließerde
Sandstein
0
10
20
30
40
50
0,2 0,63 2 6,3 20 63 200 630 2000
%
µm
LößLöß
FließerdeFließerde
SandsteinSandstein
0
10
20
30
40
50
grobgT
mittelmT
feinfT
0
20
40
60
80
100
0,2 0,63 20,002
6,3 20 630,063
200 630 2000 µm2 mm
00
Korndurchmesser
Ton-FraktiongrobgU
mittelmU
feinfU
Schluff-FraktiongrobgS
mittelmS
feinfS
Sand-Fraktion
Tu LsUt Ss
Anteil der Fraktion
%
grobgT
mittelmT
feinfT
0
20
40
60
80
100
0,2 0,63 20,002
6,3 20 630,063
200 630 2000 µm2 mm
00
Korndurchmesser
Ton-FraktiongrobgU
mittelmU
feinfU
Schluff-FraktiongrobgS
mittelmS
feinfS
Sand-Fraktion
TuTu LsLsUtUt SsSs
Anteil der Fraktion
%
markierter Punkt ����:
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tt
Tl Tu
LtLts
Ss
StSl
Su
Slu Uls Ut
Us Uu
Lu
Ts
Ls
% Schluff (2-63 µm)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tt
Tl Tu
LtLts
Ss
StSl
S
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Tt
Tl Tu
LtLts
Ss
StSl
Su
Slu Uls Ut
Us Uu
Lu
Ts
Ls
% Schluff (2-63 µm)
50% Sand
20% Schluff
30% Ton
Bodenkunde Verwitterung und Körnung - 7 -
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
höchste
Bodenzahl
S Sl lS SL sL L LT T
geringste
Bodenzahl
RoggenRoggen
KartoffelnKartoffeln
0 20 40Fraktion < 10µm [%]
60 800
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
Boden-zahl
Ertrag(relativ)
Bodenkunde Flüssigphase - 1 -
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.
BBooddeenntteeiillcchheenn mmiitt AAddssoorrppttiioonnss--,, KKaappiillllaarr-- uunndd GGrraavviittaattiioonnsswwaasssseerr ((== SSiicckkeerrwwaasssseerr)).. DDiiee WWaasssseerrddiippoollee rriicchhtteenn ssiicchh mmiitt iihhrreemm ppoossiittiivv ggeellaaddeenneenn EEnnddee aann ddeerr nneeggaattiivv ggeellaaddeenneenn PPaarrttiikkeelloobbeerrffllääcchhee aauuss;; ddiieesseerr BBeerreeiicchh hheeiißßtt aauucchh SScchhwwaarrmmwwaasssseerr.. IImm SSiicckkeerrwwaasssseerr ssiinndd ddiiee DDiippoollee ddaaggeeggeenn uunnggeerreeggeelltt.. ((aauuss WWöörrtteerrbbuucchh ddeerr BBooddeennkkuunnddee))
Gravitationswasser
Gravitationswasser
Kapillar-wasser
Kapillar-wasser
Kapillar-wasser
Adsorptions-wasser
Adsorptions-wasser
Boden-teilchenBoden-teilchen
HaftwasserHaftwasser
Bodenkunde Flüssigphase - 2 -
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
HHyyddrraauulliisscchheess PPootteennttiiaall,, MMaattrriixxppootteennttiiaall,, GGrraavviittaattiioonnssppootteennttiiaall uunndd WWaasssseerrggeehhaalltt iinn eeiinneerr hhoommooggeenneenn BBooddeennssääuullee iimm GGlleeiicchhggeewwiicchhtt,, bbeeii VVeerrssiicckkeerruunngg uunndd kkaappiillllaarreemm AAuuffssttiieegg.. AAbbbb.. 55..44--33 aauuss SScchh//SScchh ((22000022))
� 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.
ψψψψm ψψψψH
z
ψψψψZ
GleichgewichtGleichgewicht
Hydraulisches Potential =Matrix- + Gravitationspotential
Wassergehalt
Boden
Potential ψ ψ ψ ψ (cm WS) Wassergehalt θθθθ (Vol.%)-100 0 +100 20 40
WO0
Hö
he ü
ber
WO
z(c
m) Abwärts-
bewegung(feuchter als Gleichgewicht)
Abwärts-bewegung(feuchter als Gleichgewicht)
Abwärts-bewegung(feuchter als Gleichgewicht)
Aufwärts-bewegung(trockener als Gleichgewicht)
Aufwärts-bewegung(trockener als Gleichgewicht)
5050
Bodenkunde Flüssigphase - 3 -
DDeessoorrppttiioonnsskkuurrvveenn eeiinneess SSaanndd-- uunndd TToonnbbooddeennss mmiitt ddaazzuuggeehhöörreennddeenn WWaasssseerr--vveerrffüüggbbaarrkkeeiittssbbeerreeiicchheenn uunndd PPoorreennkkllaasssseenn.. WWaasssseerrssppaannnnuunngg aauussggeeddrrüücckktt aallss ppFF--WWeerrtt ooddeerr SSaauuggssppaannnnuunngg SS..
PPWWPP == ppeerrmmaanneenntteerr WWeellkkeeppuunnkktt,,
FFKK == FFeellddkkaappaazziittäätt,,
mmWWHHKK == mmaaxxiimmaallee WWaasssseerrhhaalltteekkaappaazziittäätt,,
ΘΘ == WWaasssseerrggeehhaalltt
aauuss GGiissii ((11999977))
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.
weite weite
GrobporenGrobporen
1
2
3
4
pFpF
10
100
1000
10 000
SS(hPa)
0 0,2 0,4 0,6 θθθθθθθθ cm3 cm-3
d(µm)
0,2
50
FeinporenFeinporen
MittelporenMittelporen
Gravitationswasserpflanzenverfügbares Wasser
SandSand
TonTon
nicht verwertbares Wasser
SandbodenSandboden
TonbodenTonboden
10 enge enge
GrobporenGrobporen
mWHKmWHK
FKFK
PWPPWP
weite weite
GrobporenGrobporen
1
2
3
4
pFpF
10
100
1000
10 000
SS(hPa)
0 0,2 0,4 0,6 θθθθθθθθ cm3 cm-3
d(µm)
0,2
50
FeinporenFeinporen
MittelporenMittelporen
Gravitationswasserpflanzenverfügbares Wasser
SandSand
TonTon
nicht verwertbares Wasser
SandbodenSandboden
TonbodenTonboden
10 enge enge
GrobporenGrobporen
mWHKmWHK
FKFK
PWPPWP
Bodenkunde Flüssigphase - 4 -
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])
BBeerreecchhnnuunnggssbbeeiissppiieellee
EEffffeekkttiivveerr WWuurrzzeellrraauumm uunndd ppffllaannzzeenn--vveerrffüüggbbaarree BBooddeennwwaasssseerrmmeennggee iinn AAbbhhäännggiiggkkeeiitt vvoonn ddeerr BBooddeennaarrtt ((bbeeii mmiittttlleerreerr LLaaggeerruunnggssddiicchhttee)),, ((aauuss SScchh//SScchh 22000022))
1215122821
PelosolSummeSumme 224224
HorizontHorizont TiefeTiefe[cm]
FKFK PWPPWPVol.-%
nFKnFK[mm][mm]
Parabraunerde 0 - 55 - 38
38 - 5555 - 7575 - 100
4034333336
1289
1815
AhAlAglBt1Bt2
1486413053
0 - 2020 - 4545 - 6262 - 8585 - 100
3740393938
3134322724
ApP1P2P3P4
SummeSumme 8888
SummeSumme 5757
Sand-Braunerde 0 - 2525 - 5555 - 7878 - 100
1410
77
5443
ApBv1Bv2Bv3
2318
79
BodenartBodenart mittlerer effektiver mittlerer effektiver WurzelWurzel--
raumraum bei Getreide (dm)bei Getreide (dm)pflanzenverfpflanzenverfüügbaregbare
Bodenwassermenge (mm)Bodenwassermenge (mm)
Grobsand 5 30
Mittelsand 6 55
Feinsand 7 80
lehmiger Sand 7 115
schluffiger Sand 8 140
lehmiger Schluff 11 220
sandiger Lehm 9 155
schluffiger Lehm 10 190
toniger Lehm 10 165
lehmiger und schluffiger Ton 10 140
Bodenkunde Flüssigphase - 5 -
� 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 Reibungs-verlusten 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:
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 = 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)
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.
q =r4 • ππππ • ∆∆∆∆p
8 • ηηηη • lq =
r4 • ππππ • ∆∆∆∆p
8 • ηηηη • l
Q = k • i = k •∆Ψ∆Ψ∆Ψ∆Ψ
∆∆∆∆lQ = k • i = k •
∆Ψ∆Ψ∆Ψ∆Ψ
∆∆∆∆l
BodenartBodenart WasserleitfWasserleitfäähigkeithigkeit
Sande ~4 • 10-1 bis ~4 • 10-3
Schluffe
Lehme
Tone
(cm/sec)(cm/sec) (cm/Tag)(cm/Tag)
~3 • 104 bis ~3 • 102
~4 • 10-1 bis ~5 • 10-5 ~3 • 104 bis ~4
~4 • 10-1 bis ~1 • 10-5 ~3 • 104 bis ~1
~4 • 10-1 bis ~1 • 10-7 ~3 • 10-1 bis ~1 • 10-2
Bodenkunde Flüssigphase - 6 -
� ungesättigte Wasserbewegung: hat ebenfalls Dimension einer Geschwindigkeit, ungesättigte Wasserleitfähigkeit (ku) bezeichnet, wenn auf Einheitsgradient (cm Druck-differenz pro cm Fließstrecke) bezogen,
Teil der Poren mit Luft gefüllt, Matrixpotential <0,
In terrestrischen Böden und oberen Horizonten semi-terrestrischer Böden,
die jeweils weitesten, noch mit Wasser gefüllten Poren bestimmen die ungesWL eines Bodens beim augenblicklichen Matrixpotential,
entscheidend ist der leitende Querschnitt,
die ungesWL ist entscheidend für die Wasserversorgung der Pflanzen.
� Landschaftswasserhaushalt/Bodenwasserhaushalt
langfristig: N = A+V
(Niederschlag = Abfluss + Verdunstung)
dabei ist der Bodenwasservorrat B konstant und typisch für eine bestimmte Klimaregion
(s.(Agrar-)Meteorologie)
kurzfristig (Tage bis 10 Jahre): N = A+V± ∆B
∆B = Bodenwasservorratsänderung
gesteuert durch Bodenwasserhaushalt
Wasserverteilung im Boden abhängig von Bindungsvermögen des Substrats für Wasser, von Zu- und Abfuhr sowie Bewegungsgeschwindigkeit � Grundwasser = ständig (permanent) vorhandenes, freies Wasser im gesamten Porenraum,
nur Gravitationspotential wirksam; evtl. hydrostatischer Überdruck, dann artesisch aufsteigend oder austretend
� Stauwasser = zeitweilig (temporär) vorhandenes, freies Wasser im gesamten Porenraum, nur Gravitationspotential
� Sickerwasser = das aus Grobporen ausfließende Wasser bei unbehindertem Abfluss
NiederschlagNiederschlag
GWOGWOSickerwasser
HaftwasserOberflächenwasser
kapillarerAufstiegkapillarerAufstieg
EvapotranspirationEvapotranspiration
Stauwasser
JahresJahres--NiederschlagsbilanzNiederschlagsbilanz
Altbuchenbestand, eben (mm)
JahresJahres--NiederschlagsbilanzNiederschlagsbilanz
Altbuchenbestand, eben (mm)
Niederschlag 680Niederschlag 680
Interzeption 150Interzeption 150
Oberflächenwasser 0Oberflächenwasser 0
Haftwasser (∆∆∆∆B) 30Haftwasser (∆∆∆∆B) 30
Evapotranspiration 400Evapotranspiration 400
Sickerwasser 100Sickerwasser 100
Bodenkunde Flüssigphase - 7 -
� Elemente des Wasserhaushalts
� Infiltration Eindringen von Wasser in den Boden während oder nach Niederschlag oder Bewässerung, Gradient abwärts gerichtet, weil unterer Boden trockener bzw. niedrigeres ΨH als Bodenoberfläche;
meist sehr scharfe Befeuchtungsfront (Übergang von feuchtem zu trockenem Boden bzw. von mittlerem zu sehr niedrigem Matrixpotential)
deutlicher Einfluss des Gravitationspotentials bestimmt Abwärtsbewegung des Wassers, Wasseraufnahme zu Beginn der Infiltration am größten = hohe Infiltrationsrate, nimmt mit der Zeit ab.
Wassergehaltsprofil einer Infiltrationsfront bei Überstau. Infolge gefangener Luft im Bodeninneren bildet sich an der Oberfläche eine Sättigungszone aus, die nur sehr langsam vorrückt. Das Profil von Übergangs- und Befeuchtungszone verändert sich infolge des Selbstverschärfungseffekts kaum. Die Verlagerung der Infiltrationsfront bewirkt im wesentlichen eine Ausdehnung der Transportzone. Bei Infiltration ohne Überstau fehlen Sättigungs- (und Übergangs-)zone.
aus Gisi (1997)
Wegen Grobporenreichtum hohe Infiltrationsraten in Sandböden; geringe Infiltrationsraten in Tonböden, besonders wenn sie arm an Makroporen sind;
Wasserstau bei Übergang von feinporigem zu grobporigem Substrat infolge hängender Menisken.
� Kapillarer Aufstieg Gleichung für kapillaren Aufstieg:
r = Porenradius bzw. halbe Porendicke (bei Spalt),
γγγγ = Oberflächenspannung,
αααα = Benetzungswinkel (für fettfreien Quarz = 0°),
h = Aufstiegshöhe,
ρρρρ = Dichte des Wassers,
g = Erdbeschleunigung;
in Boden nur r und h als Variable angenommen
Rest = konstant = 3000, wenn h in (cm WS oder) hPa und d (=2•r) in µm angegeben
⇒ je größer Durchmesser, desto geringer Aufstieg bzw. desto weniger Wasser in Pore gehalten, desto weniger fest Wasser in Pore gebunden, desto weniger Kraft für Entfernung von Wasser aus Pore notwendig.
PPoorreenndduurrcchhmmeesssseerr uunneeiinnhheeiittlliicchh
ÄÄqquuiivvaalleennttdduurrcchhmmeesssseerr aallss EErrssaattzzwweerrtt ffüürr BBooddeennppoorreenn
HHaarrttggee uunndd HHoorrnn ((11999911))
Wassergehalt θθθθ
Boden-tiefe z
Sättigungszone
Übergangszone
Transportzone
Befeuchtungs-zone
Wassergehalt θθθθ
Boden-tiefe z
Sättigungszone
Übergangszone
Transportzone
Befeuchtungs-zone
h
Bodenkunde Flüssigphase - 8 -
WWaasssseerr sstteeiiggtt iinn eeiinneerr eenngglluummiiggeenn KKaappiillllaarree hhööhheerr aallss iinn eeiinneerr wweeiittlluummiiggeenn.. AAuucchh iinn kköörrnniiggeemm MMaatteerriiaall mmiitt eennggeenn PPoorreenn ((FFeeiinnssaanndd)) wwaannddeerrtt eess hhööhheerr aallss iinn MMaatteerriiaall mmiitt wweeiitteenn PPoorreenn ((GGrroobbssaanndd))
aauuss AA.. WWiilldd ((11999955))
EEiinnfflluussss ddeess GGrruunnddwwaasssseerrfflluurraabb--ssttaannddeess iinn ddeerr HHaauuppttvveeggeettaattiioonnsszzeeiitt ((bbeeii GGeettrreeiiddee MMaaii -- JJuunnii,, bbeeii HHaacckkffrrüücchhtteenn JJuunnii -- SSeepptt..)) aauuff ddeenn EErrttrraagg iinn AAbbhhäännggiiggkkeeiitt vvoonn ddeerr BBooddeennaarrtt
AAbbbb.. 55..44--1111 aauuss SScchh//SScchh ((22000022))
� Verdunstung/Transpiration
� Verdunstung (Evaporation): Wasserabgabe von der feuchten Bodenoberfläche an die Atmosphäre oder aus dem Bodeninneren (über dampfförmige Wasserbewegung), Abgaberate abhängig von Sättigungsdefizit der Atmosphäre;
� Transpiration: Wasserabgabe des Bodens über Leitungsbahnsystem der Pflanze; weil diese größeren leitenden Querschnitt haben als die meisten Bodenporen, ist die Wasserabgabe schneller als über Boden und aus größerer Tiefe;
Evaporation + Transpiration = Evapotranspiration
� Jahresgang
Verlauf abhängig von Niederschlag, Temperatur, Bodenart und/oder Gefüge (Wasserbindung) und Wasserverbrauch der Pflanzen; Niederschlag und Wasserverbrauch zeigen typische Jahresgänge mit Variation für verschiedene Jahre;
darstellbar als ΨΨΨΨ m -Verteilung oder als WG-Verteilung
VVeerräännddeerruunngg ddeess WWaasssseerrggeehhaallttss iinn eeiinneemm BBooddeennpprrooffiill ((lleehhmmiiggeerr SSaanndd,, WWiinntteerrrrooggggeenn)) iinn AAbbhhäännggiiggkkeeiitt vvoonn ddeerr ZZeeiitt ((NN == NNiieeddeerrsscchhllaagg pprroo TTaagg)) aauuss SScchh//SScchh ((22000022))
Wasserstand bei Gleichgewicht
GrobsandFeinsand
Wasserstand bei GleichgewichtWasserstand bei Gleichgewicht
GrobsandGrobsandFeinsandFeinsand
25. 30. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 5. 10.April Mai Juni
0
10
20
N (
mm
)
25. 30. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 5. 10.April Mai Juni
25. 30. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 5. 10.April Mai Juni
25. 30. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 5. 10.April Mai Juni
0
10
20
0
10
20
N (
mm
)
0
20
40
60
80
H2O (Vol.%)4-88-1212-1616-2020-24
24-28
Bo
de
nti
efe
(c
m)
0
20
40
60
80
0
20
40
60
80
H2O (Vol.%)4-88-1212-1616-2020-24
24-28
Bo
de
nti
efe
(c
m)
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
mittlerer Grundwasserflurabstand (m)
∆∆∆∆E
∆∆∆∆E
∆∆∆∆E
Ert
rag
nFKWe
(mm)
Lehm 200
Ton Ton 140
Sand 75
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
mittlerer Grundwasserflurabstand (m)
∆∆∆∆E
∆∆∆∆E
∆∆∆∆E
∆∆∆∆E∆∆∆∆E∆∆∆∆E
∆∆∆∆E∆∆∆∆E∆∆∆∆E
∆∆∆∆E∆∆∆∆E
Ert
rag
nFKWe
(mm)
Lehm 200
Ton Ton 140
Sand 75