BKU39 – Grundlagen der Bodenkunde – Lernzusammenfassung WS ’09

Abkürzungen: MO=Mikroorganismen, BA=Biologische Aktivität,

1.) Einführung

Definition von Boden: Äußerste Schicht der Erdkruste Off. Definition von Boden:

Mit der Zeit sich entwickelndes Umwandlungsprodukt mineralischer + organischer Substanzen

Durchsetzt von Wasser/Luft/Lebewesen Unter Einfluss von Umweltfaktoren Standort für höhere Pflanzen

Pedosphäre = Überschneidung von Hydrosphäre Atmosphäre Lithosphäre Biosphäre

Ökosphäre o Pedosphäre o Hydrosphäreo Atmosphäreo Biosphäre

Faktoren für Bodenbildung: Klima Relief Gestein Vegetation Mensch

Bodenbestandteile: Bodenskelett (entsteht aus Streu+Gestein) / Bodenlösung / Bodenluft

Bodenprofil = Senkrechter Ausschnitt aus der PedosphärePedon = Einheitlicher, hexagonaler Ausschnitt aus Pedosphäre, 1-10qm, <0,5-2m tief

Bodenbegrenzung Bodenbildung << Verwitterung (Geröll) / Abtragung (Hang) / Sedimentation (Wüste)

Funktionen des Bodens: Lebensraum/-grundlage für Mikroorganismen, Pflanzen und Tiere Regelung von Kreisläufen (Wasser / Luft / Stoffe) Filterung, Pufferung, Speicherung, Transformation von Stoffen Wärmespeicherung Funktionen für den Menschen

o Landwirtschaftliche / forstwirtschaftliche / bergbauliche Nutzungo Siedlung / Verkehr / Erholung / Industrie / Deponieo Geschichtlich: z.B. Eiszeit, Mittelalterliche Landnutzung…

Zeit

Belastung von Bodenfunktionen Versiegelung Begrabung Erosion Verdichtung Erschöpfen Stoffeintrag (H+, Al3+, NO3

-, CaCO3, NaCl, toxische Stoffe…)

Notwendigkeit von Bodenschutz: Lebensgrundlage für den Menschen Nicht vermehrbar / endliche Ressource Nicht/Schwer restaurierbar => Vorsorge wichtig!

Bodenschutzgesetz (1998): Bodenfunktionen nachhaltig sichern bzw. wiederherstellen Schadvermeidung / Vorsorge Sanierung Schutz vor Beeinträchtigung…

o …natürlicher Funktionen (Lebensraum- und Regelungsfunktion)o …natur- und kulturgeschichtlicher Funktionen

Flächennutzung BRD: Landwirtschaft ca. 55% Wald ca. 30% Siedlung/Verkehr ca. 10%

Bodenhorizonte: A = mineralischer Oberboden: Humusanreicherung & Stoffauswaschung

o Ah = Humusanreicherung (<15%(masse))o Ap = Pflughorizont (regelmäßige landwirtschaftliche Bearbeitung)

B = mineralischer Unterboden: Mineralumwandlung, Einwaschung von Stoffen o Bv = Eisenoxidation, Mineralneubildung (Verbraunung, Verlehmung, typisch

für Braunerde) C = mineralischer Untergrund: Wenig verändertes Ausgangsgestein, locker bis

massiv, physikalische Verwitterung. G = Mineralbodenhorizonte mit G rundwassereinfluss (typisch für Gley) S = Mineralbodenhorizont mit S tauwassereinfluss (typisch für Pseudogley)

2.) Mineralische Bodenbestandteile2.1) Gesteine und Minerale

Plattentektonik: Treibende Kraft = Magmabewegung Divergierende Platten => z.B. ozeanische Rücken Konvergierende Platten

o Kollision / Subduktiono Tiefseerinnen, Gebirgsbildung, Erdbeben, Vulkanismus

Elemente der Erde Boden: O 50%, Si 30%, Al 7%, Fe 4% Erdkruste: O 50%, Si 25%, Al 8%, Fe 5%

Mineral (Definition): Natürlich vorkommender Festkörper

o homogeno kristallino anorganisch (meist)o Bestimmte chem. Zusammensetzung

Mineralische Bodenbestandteile: Beeinfl. physikalische Bodeneigenschaften (Körnung, Gefüge, Porung…) Beeinfl. chemische Bodeneigenschaften (Puffer, Nährstoffe…) Indizieren Verwitterung / Bodenbildung

Einteilung der Minerale… …nach primären (entstehen mit Gestein) / sekundären (entstehen später, z.B. Verw.) …nach Aufbau und Zusammensetzung:

o Elementeo Oxideo Salze

Silicate Sulfate, Sulfide Halogenide, Carbonate, Phosphate

Quarz: SiO2 Hauptkomponente in der Sandfraktion vieler Böden Höchste Verwitterungsbeständigkeit (Alle Bindungen im SiO2 gleich)

Silicate: ca. 80 Vol-% in Erdkruste, wichtigste Mineralgruppe mit Aluminosilicaten (Silikate mit

oktaedrisch koordiniertem Aluminium, s.u.) z.B. K-Feldspäte, Plagioklase (ca. 40Vol% Erdkruste), Tonminerale… Silizium (Si4+ sehr klein) Grundbaustein Orthosilicat-Anion (SiO4

4-) In Aluminosilicaten: Al-Oktaeder (AlO6

9-) Verbindung über Kationen (z.B. Mg2+, Fe2+ …) oder O-Brücken (stabiler) Oft teilweiser isomorpher Ersatz Al3+ -> Si4+, dann zusätzliche Kationen Einlagerung

(z.B. K+, Na+, Ca2+ …)

Weitere Bodenbestandteile: Carbonate, Sulfide, Sulfate, Phosphate

Gesteine:

Aus mehreren Mineralien Verschiedene Bildungsbedingungen, Mineralanteile, Korngrößen Einfluss auf Bodenbildung:

o Physikalische Eigenschaften Mineralzusammensetzung, Körnung Porosität, Klüftigkeit, Schichtung, Verfestigung

o Chemische Eigenschaften Größe/Form der Kristalle Verwitterungs-Stabilität der Minerale „innere“ Oberfläche

o Abtragungsbeständigkeit Geringe Abtragung: harte, porenfreie Gesteine Hohe Abtragung: poröse Kalke, Lockergesteine, Tonsteine …

Einteilung nach Entstehen:o Sedimentite o Magmatite (Kristallisation von Magma)o Metamorphite (Einfluss von Temperatur und Druck, Aufschmelzung; tiefere

Kruste bis oberer Mantel) Erdoberfläche: ¾ Sedimente, ¼ Magmatite

Magmatiteo Entstehung

Vulkanite = Effusiv-, Ergussgesteine (Schnelle Abkühlung an Oberfläche, feinkörnig)

Plutonite = Intrusiv-, Tiefengesteine (langsame unterirdische Abkühlung, grobkörnig)

o Anteil Quarz (SiO2) Saure M. (>65%),

z.B. Granit, K-Feldspat, beide intrusiv, grobkörnig Arm an Schwermetallen Schwer chemisch verwitterbar Sandige (viel Quarz), nährstoffarme Böden

Intermediäre M. (52-65%) Basische M. (<52%)

z.B. Basalt, effusiv, feinkörnig Reich an Schwermetallen Leicht chemisch verwitterbar Ton- und nährstoffreiche Böden

o Mineralbestand

Sedimente Verwitterung/Abtragung von Gestein => Ablagerung, als Locker- bis

Festgestein Einteilung:

o Klastische Sedimente (nach Transportmedium) Äolisch (Wind) Fluvial (Fluss) Glazigen (Gletscher) Periglaziär (Gletschervorland)

o Chemische und biogene Sedimente (stofflich) z.B. Kalkalgen-Ablagerung -> Kalkstein

Diagenese:

o Physikalische und chemische Veränderung der Sedimente nach Ablagerung (z.B. Veränderung des Porenraumes, Sand->Sandstein)

o Relativ niedrige Drücke und Temperaturen (sonst Metamorphose)

Metamorphite Durch hohen Druck / Temperatur verändert Einteilung:

o Paragesteine (aus Sedimentiten)o Orthogesteine (aus Magmatiten)

Beispiele:o Ton -> Tonschiefer (Paragestein)o Kalkstein -> Marmor (Paragestein)o Granit -> Orthogneis (Orthogestein)

Die Erdzeitalter: Tertiär (65-2 Mio. J.)

o Entstehung großer Faltengebirge (Alpen, Himalaya)o Viel Vulkanismuso Kontinente erhalten heutiges Ausseheno Starke Verbreitung von Säugetieren und Blütenpflanzen

Quartär (2Mio. J. - Heute)o Mensch breitet sich auso Meeresspiegelschwankungen von >100mo Ausprägung heutiger Landschaftsformeno Einteilung:

o Holozän (seit ca. 10 000 J.)o Pleistozän (vor 2 Mio. bis 10 000 J.)

Geprägt durch Wechsel von Kalt- und Warmzeiten Bildung von Frostschutt Ablagerung von Löß !

2.2) Verwitterung von Gesteinen und Mineralen

Definition Verwitterung: Abbau und Umwandlung von…

o Mineraleno Gesteinen

…durch exogene Kräfte auso Atmosphäreo Hydrosphäreo Biosphäre

… durch Prozesseo physikalischeo chemischeo biologische

… als Voraussetzung für und einhergehend mit Bodenbildung (Aufbau/Neubildung)

Phsikalische Verwitterung: V. a. Polargebiete, Hochgebirge, Wüste Phy. Verw. erhöht Oberfläche pro Gewichtseinheit Druckentlastung

o Bildung von Rissen, Klüften, Spalten…o => Eindringen von Wasser, Säuren, Wurzeln etc.

Temperatursprengungo Temperaturamplituden (Sonne <-> kalter Regen)o Vegetation <-> Expositiono Wärmeaufnahme / -Leitfähigkeit (Farbe, Dichte, Porösität) => ΔP bis 500 bar

Unterschiedliche (Wärme-)Ausdehnung von Gesteinsbestandteilen Frostsprengung (Kryoklastik)

o Temp. um 0°Co Klüftigkeit und Körnung des Gesteinso Expositiono Schneebedeckungo Gefrieren von H2O

Ausdehnung = 9% Drücke bis 2200 bar bei -22°C => Entstehung von Frostschutt, Grobton (<2µm), Löss

Salzsprengung (Haloklastik)o V.a. in Halbwüsteno Körnung und Klüfteo Semiarides Klima („halbtrocken“, Niederschlag < Verdunstung für 6-9 M/Jahr)o Lösliche Salze im Gestein

=> Kristallbildung und Wachstum => Hydratation

Sprengung durch Pflanzenwurzeln

Chemische Verwitterung: Vorraussetzungen:

o Möglichst hohe spez. Mineral-Oberflächeo H2Oo ΔT (außer Carbonate)o H+

o (O2) Veränderung und Auflösung von Mineralen sequentiell nach Stabilität:

o Chloride < Sulfate < Carbonate < Silicateo Salzauswaschung > Entkalkung > Silikatverwitterung

Ionenbildung = Störung des Reaktionsgleichgewichts durch:o Auswaschung (erhöht c)o Pflanzenentzug (verringert c)o Mineralneubildung (Fällung, z.B. Oxide, Carbonate…; verringert c)

Teilprozesse:o Auflösung durch Hydratation

Übergang in Lösung ( = Anlagerung von H2O = Hydratation) V.a. leichtlösliche Minerale = Salze aus starken Säuren/Basen

(Nitrate, Chloride, Sulfate) Salzauswaschung im humiden Klima (=feuchtes Kl., Nied.>Verd.)

o Hydrolyse H+ und OH--Ionen des diss. H2O greifen Minerale an V.a. Verb. aus schwacher Säure/Base (Carbonate, Silicate)

o Protolyse H+ sprengt O-Brücken zw. Metallkationen, Silikaten, Carbonaten etc. Protolytische Carbonat-Auflösung:

Kohlensäurebildung: CO2 + H2O H2CO3 2H+ + CO32-

Kalkauflösung: CaCO3 + 2H+ Ca2+ + 2HCO3-

Summenreaktion: CaCO3 + H2CO3 Ca2+ + 2HCO3-

Kalklöslichkeit steigt mit CO2-Partialdruck Abnehmender Temperatur

Hoher CO2-Gehalt im Boden (bis 100x > Luft) resultiert in Kohlensäure-Bildung mit Sickerwasser (nicht Staunässe oder Grundwasser)

Kalk neutralisiert auch starke Säuren: CaCO3 + HNO3 Ca2+ + NO3

- + H2CO3

Carbonatfällung (Bildung von Anreicherungshorizonten/Krusten) bei Temperaturanstieg pH-Anstieg CO2-Partialdruck-Abnahme

o Oxidation Destabilisierung primärer Silicate:

Fe2+ (in prim.S.) Fe3+, Mn2+(in prim.S.) Mn3+/4+

Freisetzung oder Ausfällung als Hydroxide (Verbraunung)

o Komplexierung Auflösung von Mineralien durch Komplexierung von Fe-/Al-/Mn-

Verbindungen mit organischen Säuren aus Pflanzenwurzeln, Pilzen, Bakterien (entspricht biologischer Verwitterung)

Biologische Verwitterung: Organische Säuren (s.o.) Atmung -> CO2 Algen/Pilze, Flechten an Kristalloberflächen (Wichtig für Phosphatmobilisierung aus Apatit)

Ausmaß oder Geschwindigkeit der Verwitterung: f = V.-Intensität / V.-Stabilität Hohe Stabilität:

o Eisenoxido Aluminiumoxido Quarzo Tonminerale

Niedrige Stabilität:o Halit (Steinsalz)o Calcito Olivino Ca-Feldspat

2.3) Verwitterungsneubildungen

Verwitterung von Gesteinen und Mineralen:o Gehen in Lösungo Verbleiben als Restmineraleo Bilden neue Minerale

Tonminerale Pedogene Oxide Carbonate

Verwitterung primärer Silikate: => Entstehung sekundärer Minerale:

o Tonmineraleo Oxide / Hydroxide von Fe, Al, Si, Mn

Mineralum- und Neubildungsprozess:o Größere, primäre Silikate -> kleinere, sekundäre Mineralieno => Verlehmung der Böden, Bv (verwittert, verlehmt, verbraunt)

Tonminerale: Definition:

o Sekundäre Silicate mit blättchenförmigem Habitus, „Ton gleitet“o Verleihen Ton Plastizitäto Härten bei Trocknen / Erhitzen

Hauptmineral der Tonfraktion (Korngröße < 2µm) Spezifische Oberflächen Kaolinit < Illit < Smectit Negativer Ladungsüberschuss an Oberfläche => Adsorption von Kationen Reversible H2O-Bindung => Quellung und Schrumpfung Plastizität Bedeutung für Bodenfunktionen

o Plastizität und Quellfähigkeito Aggregierungo H2O-Bindung und Bewegungo Gefügebildungo Ladungseigenschaften und Ionenaustauscho Nähr- und Schadstoffverfügbarkeito Säurepufferung

Dreischichttonmineral (2:1-Mineral):

Körnung und Bodenart

physikalisch

chemisch

o Schichten: Tetraeder–Oktaeder–Tetraeder +Kationen+ Tetra.–Okt.–Tetra. o Zwischen „Blättchen“ mit Kationen (Al, Mg, Fe…) verbundeno Negativer Ladungsüberschuss durch isomorphen Ersatz

Z.B. Alumosilicate in denen Si4+ -> Al3+

o Hydratisierte Minerale können H2O abgeben ( => Schrumpfung / Risse)o Einteilung nach

Isomorpher Ersatz (Art und Umfang) Schichtabstand und Art der Zwischenschichtbesetzung

K+ Abstand klein = Illit Mg2+ / Ca2+ Abstand mittel = Vermiculit Mg2+

/ NH4+ / Na+ /…Abstand klein bis groß = Smectit

Zweischichttonmineral (1:1-Mineral), Kaolinit:o Schichtabstand kleino Zusammenhalt OH-O-Bindungeno Wenig isomorpher Ersatz

=> wenig neg. Ladungsüberschuss => Geringe Wasser+Nährstoff-Adsorption: Dünger+ wird ausgewaschen

Problem bes. im Regenwald: Humus hilft Boden zu stabilisieren

Pedogene Oxide: Infos über ablaufende / abgeschlossene Bodenprozesse (<=> Bodenfarbe) Adsorption von Schwermetallen (Cd, Pb, Cu, Zn) Austauscher- und Pufferfunktion Erscheinungsformen

o Amorph („gestaltlos“) / kristallino Umhüllung, Bindemittel, Konkretionen, Erz

Wichtig:o Ferrihydrit = Fe2O3 * 9 H2O

-> Hämatit: Fe2O3 ((Sub)Tropen) <<< höhere Temp., weniger Wasser -> Goethit: FeOOH (gemäßigte Br.)

Sekundäre Carbonate, Gips, leichtlösliche Salze: Gelöster Kalk geht mit Wasser in Poren, Wasser verdunstet, Kalk kittet betonhart! Kalk löst sich nur in Säure

2.4) Körnung und Bodenart

Definition Bodenart: Zusammensetzung des Bodens bezüglich der Hauptbodenarten, welche ihrerseits

auf der Korngrößenzusammensetzung der mineralischen Bodensubstanz beruhen Nicht zu verwechseln mit Bodentyp (= Boden-Entwicklung, -Genetik…)! Kurzform = Hauptbodenart + Nebenbodenart + Quantifizierung NBA)

o Ls4 = Stark sandiger Lehmo Ls2 = Schwach sandiger Lehm

Weitere Begriffe:

Äquivalentdurchmesser: Durchmesser eines kugelförmigen Korns mit gleichen Eigenschaften (äquivalent = gleichwertig)

Korngrößen der Hauptbodenarten:Feinboden (Feinerde)Sand 2000 – 63µmSchluff 63 – 2µmTon < 2 µmGrobboden (Bodenskelett)Kies, Grus 2 – 63mmSteine 63mm – 20cmBlöcke > 20 cm

Mineralbestand Feinboden: Sandfraktion:

o Überwiegend Quarz; prim. Silikate, Glimmer Schluff:

o Quarz nimmt ab, Ton kommt hinzu. Meiste sek. (Hydr)oxide. Tonfraktion:

o Überwiegend Tonminerale; ¼ bis wenig Quarz, kaum Silicate/Glimmer

Einfluss von Körnung und Bodenart auf Standorteigenschaften: Sandanteile hoch:

o Hohe Durschlässigkeit / Durchlüftungo Schnelle Erwärmungo Leicht zu bearbeiten („Leichter Boden“)o Geringes Wasserspeicher- und Nährstoffhaltevermögen.

Schluffanteile hoch:o Hohes Wasserspeichervermögeno Mittleres Nährstoffhaltevermögeno Mittlere Erwärmungo Mittlere Bearbeitbarkeito Mittlere bis geringe Durchlässigkeito Geringe Gefügestabilität

Tongehalte hoch:o Hohes Wasserspeicher- und Nährstoffhaltevermögeno Geringe Durchlässigkeit / Durchlüftungo Langsame Erwärmungo Schwer zu bearbeiten („Schwerer Boden“)

Fingerprobe: Feuchte Erde kneten Plastizität, Schmierfähigkeit, Rollfähigkeit, Rauhigkeit der Scherfläche entscheidend.

Körnungsanalyse: Humus / Kalk / Fe-Oxide entfernen Despergierung Absieben von Sand Ton und Schluff sedimentieren

Lehm = Sand / Schluff / Ton zu etwa gleichen Anteilen

3.) Organische Bodenbestandteile

Definitionen: Organische Substanz (OS): Alle abgestorbenen Stoffe von Flora + Fauna, sowie

Umwandlungsprodukte Humus = Streustoffe + Huminstoffe Abbau der OS: aerob = Zersetzung, anaerob = Fäulnis Humifizierung: OS --> Huminstoffe Mineralisierung: OS --> CO2, H2O + Nährelemente N, P, K, Ca, Mg, Fe, S C/N-Verhältnis: mikrobielle Abbaubarkeit, je enger, desto besser.

o Größer 25:1 => gehemmt, z.B. Bäume, bes. Holzo Kleiner 20:1 => begünstigt, N-Freisetzung, z.B. Weidelgras

3.1) Streu

Quellen: Vegetations- und Mikrobienrückstände unter- und oberirdisch, sowie Gülle, Mist, Kompost, Klärschlamm etc.

Menge:o Nach Pflanzenarten, Bodenproduktivitäto Oberirdische Streu: Wald > Grünland > Acker

Zusammensetzung:o Wasser 15-90%o Mineralstoffe 1-10%o Org. Verb. meist <50%

Zellwandbestandteile ((Hemi)Cellulose, Pektin, Lignin) 50-80% Zellinhaltsstoffe (Stärke, Proteine…) 2-30% Fette, Harze, Gerbstoffe, … i.d.R. <10%

Prozesse der Umwandlungo 1.) Biochemische Initialphase

Bei Absterben des Organismus Hydrolyse- und Oxidationsprozesse Zerlegung hochpolymerer Verbindungen

o 2.) Phase der mechanischen Zerkleinerung Durch Makro- und Mesofauna: Zerbeißen, Zernagen, Darmpassage

o 3.) Phase des mikrobielle Abbaus Durch Bodenflora und Mikrofauna Zerlegung der org. Verb. in Grundbausteine

3.2) Huminstoffe

Streu --> CO2, Bodenorganismen, Streustoffe, Huminstoffe

Huminstoffe: Saure fkt. Gruppen (=>nach Deprotonierung negativ) Einteilung:

o Fulvosäuren (wasserlöslich, => sauer)o Huminsäuren (instabil, unlöslich; speichern Nährstoffe)o Humine (stabil, unlöslich)

Vernetzung durch Brücken: O, CH2, NH, CC, N Bausteine außerdem: Lignine, Proteine, Cellulose, Chitin… Eigenschaften:

o Stark vernetzte, meist ringförmige org. Verb. mit großer Oberfläche

o Farbe: Gelb bis schwarzo Reversible Bindung von H2O, Moleküle, Ioneno Komplexbildung mit Schwermetalleno Schwammartig, hohe Oberflächenaktivität

Bedeutung für Bodenfunktionen:o Nährstoff- und Schadstoffbindungo Luft- und Wasserhaushalto Bodengefügeo Edaphon

3.3) Humusformen und –gehalte

Humuslagen/Horizonte: L-Lage = frische Streu, Litter Of-Lage = Organischer Auflagehorizont, fermentiert, teilweise zersetzt Oh-Lage = Organische Feinsubstanz, humifiziert, weitgehend zersetzt

Humusformen, Gliederung: Rohhumus

o Nadelwald: Schwer zersetzbare Vegetationsrückstände weniger Mineralisation, mehr Humifizierung

o L, Of, Oh deutlich voneinander abgegrenzto Nährstoffarmo Stark sauer

Modero Laubwald, staunasse Standorte wie Pseudogley (=> wenig Wärme, Luft)o Keine Oh-Lageo Nährstoffarmo Stark sauer

Mullo Acker (Humusgehalt 2%), Grünland (Humusgehalt 7%)o L geht in Ah übero Nährstoffreicho Schwach sauer

3.4) Edaphon

Edaphon = Summe der lebenden Organismen im Boden

Bodenbiozönose: Abhängig von…

o Standorteigenschafteno Bewirtschaftung / Nährstoffangeboto Witterung / Klima

Gekennzeichnet durcho Abbau der OSo Spezialisierungen (Nitrifizierung…)o Wechselseitige Förderung / Hemmung

Bestimmt wesentlich die Funktion der Böden als Transformatorsystem

Bodenflora = Mikroorganismen Bedeutung:

o Verwesung und Mineralisierungo CO2-Produktiono Nährstofffreisetzung- und Fixierungo Humifizierungo Gefügebildung (z.B. Ton-Humus-Komplexe)

Gliederung nach Systematiko Baktiereno Pilzeo Algen

Gliederung nach C-Erwerbo C-heterotrophe MO

C aus Abbau von OS, Zellatmung: [OS + O2 --> CO2 + H2O + Energie] Strahlenpilze, Pilze, fast alle Bakterien

o C-autotrophe MO C aus atmosphärischem CO2, Photosynthese Grünalgen und Cyanobakterien, wenige sonstige Bakterien

Gliederung nach Verhalten gegenüber O2

o Aerobe MO C-Heterotrophe MO (s.o.) O2 zum Abbau von OS oder Oxidation reduzierter Substanzen

Bsp: Nitrifizierung: NH4+ -> NO2

- -> NO3-

o Fakultativ anaerobe MO Viele Bakterien und Pilzen (z.B. (Milch)säurebakterien, Hefen) Gährungsprozesse bei O2-Abwesenheit, Bildung org. Säuren

o Obligat anaerobe MO Verwenden O2 aus Reduzierung von oxidierten Verbindungen

Bsp: Denitrifikation Bakterien

o Ansprüche: In etwa den Kulturpflanzen entsprechend pH 5,5 -7,5, 10-35°C, enges C/N-Verhältnis, keine Staunässe / Verdichtung ausreichend Luft, Wasser, Nährstoffe, leicht abbaubare OS

o Mineralisierung und Denitrifizierung von Stickstoff Ammonifizierung (aus R-NH2 wird NH4

+; bei pH>7 NH3-Verlust)

Nitrifizierung aerob (Nitrosomonas, Nitrobacter, NH4+ -> NO3

-) Denitrifizierung anaerob (NO3

- -> N2 oder N2O; Verlust beim Düngen!)o Baktieren-Beispiele:

Rhizobien: N2-Bindung in Leguminosenwurzeln Aerobe Bedingungen (aber nicht zu viel O2) N-Bindungsmenge bei Leg.-Anbau: 200-400 kg/(ha*Jahr)

Actinomyceten (Strahlenpilze): Mycelbildend => Zwischenform Pilze und Bakterien Gattung Frankia N2-Bindungssymbiose an Baumwurzeln (Erle) Weniger anspruchsvoll als andere B., z.B. Kälte, Trockenheit…

Pilzeo Langsamer im Stoffwechsel als Bakterieno Weniger empfindlich als Bakterien, v.a. saure, nährstoffarme Bödeno Funktionen:

Streuzersetzung Ligninabbau Humusbildung Symbiose

Mykorrhiza: verklebt Sandkörner und bindet sie an Wurzeln (mit Hyphen = fadenförmige Pilzzellen)

Algeno Erstbesiedler von Böden und Gewässern o Auch von Steinen, als Flechten (= Symbiose Pilz und Alge)o Grünalgen, Kieselalgen; früher Blaualgen (=Cyanobakterien)

Bodenfauna = Bodentiere Bedeutung:

o Zerkleinerung der org. Ausgangssubstanzen, Primärzersetzungo Bodenlockerung, Porenbildungo Durchmischungo Gefügebildungo Bildung der Humusformen

Einteilung nach Größeo Mikrofauna: 0,002-0,2mm, Einzellero Mesofauna: 0,2-2mm, Nematoden, Milbeno Makrofauna: 2-20mm, Asseln, Spinnen, Schnecken, Käfer, Larven,o Megafauna: >20mm, Regenwürmer, Maulwürfe, Mäuse

Regenwurmo pH > 4,5o ausreichend Ca2+

o Lebensformen: Streubewohner, epigäisch Mineralbodenbewohner, endogäisch Tiefengräber, anözisch

o Mischen, wühlen, fressen (an)org. Materialo Bilden Schleimstoffe (=> Ton-Humus-Komplexe)o Bilden Krümelgefüge, Humusform Mullo Wohnröhren bilden Wasserleitbahnen

4.) Physikalische Bodeneigenschaften4.1) Bodengefüge

Definitionen: Gefüge = Anordnung der festen Bodenkomponenten und die Art der Gliederung

des Porenvolumens im natürlich gelagerten Boden Festsubstanz = kein Wasser/Luft, meist ca. 50 Vol.-% Poren = Hohlräume, mit Wasser oder Luft gefüllt, unregelmäßige Gestalt.

Bodengefüge: Einfluss auf

o Luft- und Wasserhaushalto Nährstoffverfügbarkeito Durchwurzelbarkeit

Gekennzeichnet durch:o Räumliche Anordnung der Bodenbestandteileo Art der Verklebungo Form der Aggregate

Betrachtung: o Makrogefüge, z.B.

Krümelgefüge Plattengefüge

o Mikrogefüge Krümelbildung durch Aggregierung von Bodenpartikeln:

o Stoffe mit Verklebender Wirkung erhöhen Stabilität Z.B. Huminstoffe, Fe- und Al-Oxide, Kalk

o Bodenfauna (Wurmlosungsgefüge)o Bodenflora (Schleimstoffe, Mycele, Bakterienkolonien)

Bodengefüge in der Landwirtschaft:o Unterbodenverdichtung ==> Luftmangel und Staunässe (aerobe MO sterben)o Mangelnde Förderung der Gefügebildung und Stabilität im Oberboden führt zu

Verschlämmung, Sauerstoffmangel und Erosion (!), bes. bei Gefälleo => Kalken: Ca2+ oder Mg2+ aggregieren Feinsubstanz; bei Tonböden bis pH7!o Huminstoffe wichtig, z.B. Stroh+Gülleo Lupinen lockern den Boden mit kräftigen Pfahlwurzelno Gefügestabilisierung durch Frostgare

Wachstum größerer Eiskristalle, Ausdehnung von Wasser fast 10% => Wasserentzug => Bildung und Stabilisierung von Aggregaten durch Schrumpfung

4.2) Bodenwasser

Definition: Wasseranteil, der durch 105°C im Labor entfernt werden kann Herkunft: Niederschläge, Grundwasser, Kondensation

Bedeutung: Wasserversorgung der Pflanzen Nähr- und Schadstofftransport Grundwasserbildung Standorteigenschaften Verwitterung, Verlagerung, Auswaschung (Bodenentwicklung) Erosion

„Lebendverbauung“

Formen: Oberflächenwasser

o bei hohem Niederschlag, geringer Aufnahmeo am Hang Abfluss = Erosion

Beispiel Wassereimer auf Düne: Viel fließt ab, weil bei heftigem Niederschlag die Porenluft nicht austreten kann.

nach Art der Wasserbindung:o Sickerwasser / Perlokationswasser (ungebunden, beweglich)

Weite Grobporen, >50µm / Enge Grobporen, 10-50µm Wird zu Grundwasser, Stauwasser, Hangzugwasser

o Haftwasser / Bodenfeuchte / Feldkapazität Mittelporen, 10-0,2µm / Feinporen, <0,2µm Adsorptionswasser (durch Adhäsion gebunden) Kapillarwasser (in Poren <10µm durch Kohäsion gebunden,

Meniskenbildung = , da Adhäsion > Kohäsion) Sand hat wenig, Schluff und Ton viele Kapillaren

Stauwasser in Pseudogley: min 1x/Jahr verschwunden

Wassersättigung: Alle Grob- und Feinporen mit Wasser gefüllt (meist kurzfristig) Sand ca. 36 Vol.% Lehm ca. 45 Vol.% Ton ca. 50 Vol.%

Wasserbindung: Je enger die Poren, desto größer benötigte Saugspannung Wasser stärker gebunden als 15000 hPa = Totwasser = nicht pflanzenverfügbar Grobporen

o Wasser Versickert schnell kaum pflanzenverfügbaro Sorgt für Belüftungo Kennwerte:

Sand ca. 25 Vol.% Lehm ca. 10 Vol.% Ton ca. 3 Vol.%

Mittelporeno 10-0,2µm o Enthalten meist Wasser (Jahreszeitenabhängig)o Wasser Pflanzenverfügbaro Kennwerte:

Sand ca. 10 Vol.% Lehm ca. 20 Vol.% Ton ca. 12 Vol.%

Feinporeno <0,2µmo Meist Wasser, aber Totwassero Zustand des permanenten Welkepunktes: Nur Totwasser in Feinporen

(Sommer)o Kennwerte:

Sand ca. 3 Vol.% Lehm ca. 15 Vol.% Ton ca. 35 Vol.%

Feldkapazität:o FK erreicht wenn Grobporen wasserfrei, Kapillaren (Mittel- und Feinporen)

gefüllto Höhe der FK hängt ab von:

Korngrößenverteilung Art der Tonminerale (Smectit > Kaolinit) Bodengefüge Art der adsorbierten Kationen (Na>Ka>Mg>Ca)

o Kennwerte: Sand ca. 10 Vol.% Lehm ca. 35 Vol.% Ton ca. 45 Vol.%

Nutzbare Feldkapazität:o nFK = in Mittelporen speicherbares Wassero Landwirtschaft: Halbe nFK = Ertragseinbußen durch Welken, aber reversibel.

Wasserbewegung: Leitfähigkeit von Wasser und Luft hängt ab von:

o Porenraumo Porenfüllungo Porenkontinuitäto Porengrößenverteilungo Porenformo Bodengefügeo Texturo Wasserangebot

4.3) Bodenluft

Luftkapazität = Anteil an Grobporen = Porenvolumen – Feldkapazität Erhöhter CO2-Gehalt durch Zellatmung (MO, Kleintiere, Wurzeln), 0,3–3 Vol.-% Funktionen:

o Wurzelatmung/Wachstumo MO-Aktivität / Abbau / Zellatmungo Chemische Reaktionen (Oxidation, Kohlensäure)

4.4) Bodentemperatur

Energietransport: Konduktion (Leitung) Konvektion (Wasserfluss, -dampf)

Abhängig von: Klima / Jahreszeit / Wetter Relief / Exposition / Bewuchs / Farbe (Reflexion) Wärmeleitfähigkeit (Dichteabhängig) und -speicherkapazität (Joule für +1°C) Bodentiefe Bearbeitung (z.B. Mulchen = Einmischen von Streu bis 5 cm)

Funktionen:

Pflanzenwachstum Lndw. Nutzungssysteme (Wi-So-Getreide) Bodenbiolog. Aktivität / Mineralisierung Verwitterungsintensität

5) Chemische Bodeneigenschaften5.1) Ionenaustausch

Ionenaustausch: Fähigkeit von mineralischen und organischen Bodenkolloiden an ihren Oberflächen Kationen, Anionen und undissoziierte Moleküle reversibel anzulagern

Bodenkolloide: Grob verteilte Bodenteilchen, welche überwiegend negativ geladen sind. Dadurch binden sie vorwiegend Kationen und nur wenige Anionen.

=> Boden = Austauscher- und Puffersystem Funktionen von Ionenaustausch:

o Nährstoffspeicherung und –Vermittlung, Bodenfruchtbarkeito Filterung von Schadstoffeno pH-Puffero Bodengefüge (Bildung und Stabilität)o Einfluss auf Stoffverlagerungo Indikator für Ökosystemzustände

Kationenaustausch:o Tonminerale: permanente neg. Überschussladung durch isomorph. Ersatz.

pH-unabhängigo Variable neg. Ladung an OH, COH, COOH, NH etc. Gruppen

pH-abhängig, Kationenbindung nur bei ca. pH > 6 Kationenaustauschkapazität:

o Zahl der negativen Bindungsplätzeo Einheit cmol/kgo KAKpot: bei pH>7-8, vollst. Deprotonierung, wichtig für Vergleichbarkeito KAKeff: pH-abhängige KAK (bis pH 7)o Beispiele: Humusfraktion groß (bis 300), Tonfraktion (nicht Kaolinit) mittel (50)

Anionenaustausch:o Bei pH < 6: OH-Gruppen werden zu OH2

+ Gruppen und binden z.B. Cl-

o Mengenmäßig unbedeutend Basensättigung:

o Anteil % der basischen Kationen (nicht H+, Al3+) von Gesamtkationen

5.2) Bodenacidität

Boden-pH (=Bodenreaktion)o Wird bestimmt durch gelösten und an Austauschern reversibel gebundenen

Ioneno Funktionen des Boden-pH:

Humifizierung MO-Reaktionen Nährstoffverfügbarkeit

Auswaschung im Sauren, wenn nicht direkte Aufnahme Schadstoffabbau und -Verlagerung

Pflanzen- und Grundwasserbelastung im Sauren Luft- und Wasserbewegung Wildpflanzenbewuchs (Zeiger!) und Eignung für Kulturpflanzen

o Rechnungsbeispiele: pH 3 = 10-3 = 0,001 mol/l pH 4 = 10-4 = 0,0001 mol/l pH 5 = 10-5 = 0,00001 mol/l

Potentielle Acidität:o Erfasst sorbiertes Al3+ und H+

o Ca2+ (aus CaCl2) tauscht mit adsorbiertem Al3+ , was sauer reagiert (1:3)

o CaCl2 erlaubt in Landwirtschaft die Aussage wie viel gekalkt werden muss. Bodenversauerung:

o Natürlicher Prozess (?)o Ursachen:

Zellatmung (MO und Wurzeln): gebildetes CO2 löst sich mit Wasser zu Kohlensäure

Bildung org. Säuren (MO und Wurzeln): Milchsäure, Citronensre… H+-Ausscheidung von Pflanzenwurzeln zwecks Nährstoffaufnahme Güllenitrifizierung durch MO: NH4+ + 2 O2 --> NO3

- + 2H+ + H2O => Gülle nur mit Kalk ausbringen!

Anthropogen (NOx reagiert mit Wasser zu HNO3 bzw. HNO2)o Folgen:

Nährstoffauswaschung Mobilisierung von Schwermetallen Zerstörung von Tonmineralen => Wurzelschäden, Windwurf, Waldsterben (Al(OH)3-Spaltung)

Pufferung mit Kalko Pufferung = H+-Bindung, ==> pH stabil bis Puffer verbrauchto Kohlensäurebildung aus CO2 -> Kalkung -> Calciumhydrogencarbonato Puffersysteme wirken in verschiedenen pH-Bereichen:

Carbonate > Silicate > Al-Oxide …

5.3) Redox-Eigenschaften:

Reduzierte Formen Eisen und Aluminium (Fe(II), Al(III)), wasserlöslich, ox. nicht Anaerobe MO reduzieren Oxide

Reduktion in anaeroben Böden (anärobe MO) Oxidation in gut durchlüfteten Böden (chemisch)

Bedeutung für Gley und Pseudogley?

6) Wichtige Böden in Mitteleuropa6.1) Faktoren und Prozesse der Bodenbildung

Boden = f(Klima, Relief, Gestein, Vegetation, Mensch) x ZeitTransformationsprozesse / Pedonbildung

Abbau: Verwitterung, Mineralisierung (->Mineralkörper) Aufbau: Mineralneubildung, Humifizierung (->Humuskörper) Verbindung = Aggregation: Gefüge Oberboden Zerteilung = Segregation: Gefüge Unterboden

Translokationsprozesse / Pedondifferenzierung Mobilisierung Transport Immobilisierung

Translokation am Beispiel Kalk: Mobilisierung: niedrige Temperaturen u.a. Transport: Sickerwasser Ausfall: CO2-Partialdruck, Wasserverdampfung

6.2) Grundlagen der Bodensystematik

Bodentyp: Ergibt sich aus charakteristischen Horizont-Kombinationen und

Entwicklungsgrad Zentrale Einheit des Bodenklassifikationssystems in Dt. Benennung nach Eigenschaft, Landschaft, ausländische Namen…

Bodengesellschaft = Mix aus Bodentypen

6.3) Entstehung, Verbreitung und Funktion wichtiger Bodentypen

Aus Löss: Pararendzina

o Horizonte Ah/Ap C

o Eigenschaften Sehr tiefgründig nFK: hoch - Gut Wasser- und Luft durchlässig Nährstoff: Mittel BA: Hoch

o Nutzungseignung Fruchtbar und vielseitig

o Schwächen Erosionsgefährdet Spurenelementmangel wg. Hohem pH

Basenreiche Braunerdeo Horizonte

Ah/Ap Bv C

o Eigenschaften Sehr tiefgründig nFK: hoch / Gut Wasser- und Luft durchlässig

Gase, Wasser, Nähr- und Schadionen, Kolloide

Nährstoff: hoch BA: hoch Bodenzahl ca. 85

o Nutzungseignung Fruchtbar und vielseitig

o Schwächen Erosionsgefährdet Verschlämmungs- und Verkrustungsgefahr

Parabraunerdeo Horizonte

Ah/Ap Al = lessiviert, tonverarmt, ausgewaschen Bt = tonangereichert (siehe Kap. 6, S. 23-24) Bv C

o Eigenschaften tiefgründig Hohe Wasserkapazität / weniger (!) Wasser- und Luftdurchlässig Einlagerungsverdichtung im Bt-Horizont, hemmt Versickerung Nährstoff: Mittel BA: Hoch

o Nutzungseignung Fruchtbar und vielseitig

o Schwächen Erosionsgefährdet Verschlämmungs- und Verkrustungsgefahr

Pseudogleyo Horizonte

Ah/Ap Al Sw = tonverarmt, wasserleitend Bt Sd = tonangereichert, Stausohle, dicht

o Eigenschaften nFK: gering Biologische Aktivität: Gering

o Nutzungseignung Meist Grünland oder Wald Wurzelraum nur Ah/Ap und Al,Sw Ackerbau nur bei tiefer Lage des Sd

o Schwächen Wurzelraum schnell vernässend/austrocknend, wenn Sd hoch.

o Erkennbar an…: Rost/Bleichflecken, Marmorierung Bleichung an Stausohle/Grobporen Oxidanreicherung in Aggregatinnerem (Ionen (Fe2+, Mn2+) wandern in

Aggregate und reagieren mit dort eingeschlossener Bodenluft Schwarzerde (Tschernosem)

o Horizonte Ah/Ap C

o Eigenschaften Tiefgründig humos (bis 170cm), kalkhaltig Nährstoff: hoch nFK: hoch Biologische Aktivität: hoch

Bodenzahl: 100o Nutzungseignung

Bester Ackerstandort Dt.o Schwächen

Humus- und Kalkabbau durch intensive Nutzungo Vorkommen / Zusatzinfos:

Kontinentale Steppen Winter kalt, Sommer trocken Wenig Auswaschung Humifizierung >> Mineralisierung Ah entsteht durch Mesofauna (nicht MO) Keine Silicatverwitterung Keine Verbraunung (Oxidation) Tiefreichende Bioturbation Bsp.: Magdeburger Börde

Bodengesellschaften auf Festgesteinen der Mittelgebirge Ranker, Rendzina, Braunerde Flachgründig Geringe nFK und BA Forstnutzung Schnell austrocknend, steinig

Podsol (=„Ascheboden“) aus Sand Aus Schmelzwassersanden mit Quarz angereichert Horizonte:

o Ol, f, ho Aho Ae (Eluvial)o Bhs (Anreicherung von Huminstoffen und Sesquioxiden)o BVo C

Eigenschafteno Sauer, geringe KAKo Geringe nFK und BA

Nutzung:o Forstnutzung!o Ackerbau nach Kalkung und Düngung

Schwächen:o Schnell austrocknendo Winderosiono Geringes Ertragspotenzial

Gley Konzentrationsgradient zieht Ionen (Fe(II)…) aus Kapillarwasser in luftgefüllte

Grobporen, dort Oxidation => Aggregatinneres gebleicht! Horizonte:

o (Ah/Ap)o Go (Grundwassereinfluss, oxidierende Verhältnisse)o Gr (Grundwassereinfluss, reduzierende Verhältnisse)

Eigenschaften:o Kapillarsaum 40-80cm unter Geländeoberflächeo Amplitude geringer als bei Auenbödeno Nährstoffe: Kein Mangel wegen Auswaschung aus höheren Lageno Wurzelraum nur Ah und Go

Nutzungseignung:o Meist Grünland!o Ackerbau nur bei tiefer Lage des Gr

Schwächen:o Befahr-, Bearbeitbarkeit eingeschränkto Luftmangel bei hohem Grundwasserstand

Salz-, Kalk-, Kleimarsch regelmäßige Wasserschwankung durch Ebbe und Flut Horizonte:

o Goo Gr

6.4) Bewertung von Böden

Ackerschätzungsrahmen:o Bodenart (z.B. stark sandiger Lehm)o Entstehungsweise (z.B. „aus Löss“)o Zustandsstufe (Humus-, Kalkreich (1) bis podsoliert, staunass (7))

Bodenzahl (100: Magdeburger Börde)o Boden (Schwarzerde aus Löss)o Niederschlag (600mm/a)o Temperatur (Schnitt 8°C)o Gelände (eben, schwach geneigt)

Ackerzahl o Abweichung von Idealstandort durch standortspez. Zu- und Abschläge

Sonstiges: Was ist Löss?

o Äolisches Sedimento Korngrößenverteilung:

10-15% Sand 65-80% Schluff 10-25% Ton

o Minerale: Quarz 60% Silicat 20% Carbonat 20%

o Vorteile für Landwirtschaft: Gute Durchwurzelung möglich Gute Wasser Leit- und Speicherfähigkeit Gute Säure-Pufferung Gute Durchlüftung Gute Wärmespeicherung Gute Nährstoffnachlieferung Hohe biologische Aktivität

o Probleme des Löss: Neigung zu Verschlemmung und Erosion Schneller Humusabbau

o Aus Löss entstehende Böden (Holozän): Pararendzina (Ah/Ap + C=Rohlöss) Braunerde (Ah/Ap + Bv=Lösslehm + C=Rohlöss)