Bodenkunde I: Vorlesungsskript

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


Immobilisierung

Tra

nslo

ka

tio

n


org.Substanz

Kolloide

Pedon


Immobilisierung

Tra

nslo

ka

tio

n


Immobilisierung

Tra

nslo

ka

tio

n


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


Gefügebildung



AbbauAufbau


Tra

ns

form

ati

on



Gefügebildung




Gefügebildung



AbbauAufbau


Tra

ns

form

ati

on

AbbauAufbau


Tra

ns

form

ati

on



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


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































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



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



zahlreiche GrobwurzelnDurchwurzelung des Oh-Horizontes



zahlreiche Grobwurzeln























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




















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


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)


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


AiimC

Syrosem(Lithic

Leptosol)

AiemC

Syrosem(Lithic

Leptosol)

AielC


AimC

AilC

Syrosem(Lithic

Leptosol)


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)









AicmC

AiclC

Syrosem(Lithic

Leptosol)


AiilC


AiimC

Syrosem(Lithic

Leptosol)

AiemC

Syrosem(Lithic

Leptosol)

AielC


AimC

AilC

Syrosem(Lithic

Leptosol)


AicmC

AiclC

Syrosem(Lithic

Leptosol)


AiilC


AiimC

Syrosem(Lithic

Leptosol)

AiemC

Syrosem(Lithic

Leptosol)

AielC


AimC

AilC

Syrosem(Lithic

Leptosol)


Ah

TvC


(Ahe)

Ae

Al-BshBt

C

Braunerde(Cambisol)

Ah

BvC

Ah

Al

BtC

Axh

Axh+IC(c)C

Para-braunerde

(Luvisol, Alisol)


Ah

Bv-P

C

AhSw-P

P-Sd

C


Cambisol)


Cambisol)

Ah

TvC


(Ahe)

Ae

Al-BshBt

C

Braunerde(Cambisol)

Ah

BvC

Ah

Al

BtC

Axh

Axh+IC(c)C

Para-braunerde

(Luvisol, Alisol)


Ah

Bv-P

C

AhSw-P

P-Sd

C


Cambisol)


Cambisol)

Ah

cC

Ah

cC


Leptosol)


Ah

ilC


Ah

imC

Ranker(z.B. Umbric

Leptosol)

Ah

eC


Ah

eC


(P-)Ah

PC


Ah

cC

Ah

cC


Leptosol)


Ah

ilC


Ah

imC

Ranker(z.B. Umbric

Leptosol)

Ah

eC


Ah

eC


(P-)Ah

PC



(Ahe)

AeB(s)h

B(h)s

C

Podsol(Podzol)

Sw-Ah

S(e)rw

(II)Srd

Ah

Sw

Sd




(Ahe)

AeB(s)h

B(h)s

C

Podsol(Podzol)

Sw-Ah

S(e)rw

(II)Srd

Ah

Sw

Sd



quarz- und silikatreiche Gesteine - 1 -

Ah

ilC

humoserOberboden

stetscarbonatfrei

silikatischesLockermaterial

carbonatfrei bis-arm (< 2 %)

Tonarme, quarz- und silikatreiche Gesteine

AiimC

Syrosem(Lithic Leptosol)

AiilC


Braunerde (Cambisol)

AhBvC

Podsol (Podzol)

(Ahe)Ae

B(s)hB(h)s

C

AhimC

Ranker(z.B. Umbric Leptosol)

AhilC


Tonarme, quarz- und silikatreiche Gesteine

AiimC


AiilC


Braunerde (Cambisol)

AhBvC

Podsol (Podzol)

(Ahe)Ae

B(s)hB(h)s

C

AhimC

Ranker(z.B. Umbric Leptosol)

AhilC


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


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


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


Mineral-neubildung

Eisenoxide

Tonminerale

Eisenoxide


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


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


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


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


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))


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


evtl.Entkalkung


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


Humus Humusbildung

Verwitterung

Humusbildung



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


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)


Lockersedimente

Carbonathaltig

Pleistozän (jung)




glazigenglazigen




ääolischolisch




glazigenglazigen




glazigenglazigen




ääolischolisch




ääolischolisch


Kalk-Silikat-Mischgesteine (Mergelgesteine, Löss)

AiemC


AielC


AheC

Pararendzina(z.B. Mollic Leptosol)

AheC


Parabraunerde(Luvisol, Alisol)

AhAlBtC


AxhAxh+IC(c)

IC(c)


Sw-AhS(e)rwIISrd


AhSwSd

Kalk-Silikat-Mischgesteine (Mergelgesteine, Löss)

AiemC


AielC


AheC

Pararendzina(z.B. Mollic Leptosol)

AheC


Parabraunerde(Luvisol, Alisol)

AhAlBtC


AxhAxh+IC(c)

IC(c)


Sw-AhS(e)rwIISrd


AhSwSd


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


Bt-Sd

lC

AhAl-Sw


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


��

lC

Ah

Locker-syrosemAi/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


Humifizierung

Entkalkung


Humus


Glimmer

Feldspäte

Humifizierung

Entkalkung


Humifizierung

Entkalkung


Humus


Glimmer

Feldspäte

Humus


Glimmer

Feldspäte

CarbonatCarbonat

Humusgehalt

(Ap) (Ah)

Humusgehalt

(Ap) (Ah)


Carbonate

Feldspäte

usw.

Glimmer


Carbonate

Feldspäte

usw.

Glimmer

Carbonate

Feldspäte

usw.

Glimmer

Ah

eC

Ah

eC

Stoffbestand ProzesseStoffbestandStoffbestandStoffbestand ProzesseProzesseProzesseProzesse


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


Humus

Bodenart:oft Lehm

Humus

Bodenart:oft Lehm


oft Carbonat Entkalkungoft Carbonat Entkalkung

TonauswaschungSchluff TonauswaschungSchluff


Verdichtung


wenig Huminstoffe


Verdichtung


Verdichtung


wenig Huminstoffe


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,



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




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


der Bodenlösung


H

Ca H

HH

H

H

H

H

HH

H

HH

HCa

CaCa

Ca

Ca

Ca


der Bodenlösung


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


der Bodenlösung

pH>7geflockt

(Ca2+)

Ca

Ca

Ca

Ca

CaCa

Ca

CaCa

Ca

Ca Ca

Ca

Ca


der Bodenlösung

pH>7geflockt

(Ca2+)

Ca

Ca

Ca

Ca

CaCa

Ca

CaCa

Ca

Ca Ca

Ca


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


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.


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


Ah

C

Bt

Al

Ah

Bt

C


Ah

C

Bt

Al


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


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),


SScchhwwaarrzzeerrddee ((TTsscchheerrnnoosseemm)) aauuss LLöössss

Aufn.: E. A. Niederbudde, Kursk


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


(“Lösskindl“)

Feldspäteusw.

Glimmer (Versauerung)


Entkalkung

Axp

Cc

Axh


HumusHumifizierung

(Mineralisierung)

(Glimmer, Feldspäte usw.)

HumusgehaltHumusgehalt pHpH

CarbonatCarbonat

Feldspäte

Glimmer

Carbonate


(“Lösskindl“)

Feldspäte

Glimmer

Carbonate

Feldspäte

Glimmer

Carbonate


(“Lösskindl“)


(“Lösskindl“)

Feldspäteusw.



EntkalkungFeldspäteusw.

Glimmer

Feldspäteusw.



Entkalkung

(Versauerung)


Entkalkung

Axp

Cc

Axh


HumusHumifizierung

(Mineralisierung)


HumusHumifizierung

(Mineralisierung)


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



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


AiclC


Terra fusca(z.B. Vertic Cambisol)

AhTvC

AhcC

Rendzina(z.B. Rendzic Leptosol)

AhcC


Carbonatgesteine (Kalk, Dolomit)

AicmC


AiclC


Terra fusca(z.B. Vertic Cambisol)

AhTvC

AhcC

Rendzina(z.B. Rendzic Leptosol)

AhcC


Humifizierung

Entkalkung

Humus

Tonminerale

EinzelneKalksteine

HumusTonCarbonat

Humifizierung

Entkalkung

Tonminerale

Humus

Kalkstein(Skelett)

Ah

Ah-C

cC


(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







� 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.


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.


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


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


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


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)


� 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


AilC


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


AilC


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.


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


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.


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



AhGoGr


AhGo, SwGr, Sd


AhGo, SwGr, Sd

AhGo, SwGr, Sd



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


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).


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


Kammhochmoor

ombrogen

Gebirgshochmoore

Hanghochmoor


Kammhochmoor

ombrogen

Hanghochmoor


Kammhochmoor

ombrogen

Bildungsbedingungen für Hochmoore in Abhängigkeit von Relief und Hydrologie- Aus Kuntze, Roeschmann & Schwerdtfeger (1994): Bodenkunde, 5. Aufl., Stuttgart


über

Versumpfungsmoor

wurzelecht über

fossilem Podsol

über

Verlandungsmoor

AhGoGr

AhAeBhsBvAh

Go, SwGr, Sd


über

Versumpfungsmoor

wurzelecht über

fossilem Podsol

über

Verlandungsmoor

AhGoGr

AhAeBhsBvAh

Go, SwGr, Sd

Horizontfolge eines HochmoorsBodenkundliche Kartieranleitung,5. Auflage, 2005


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







Ah

Go

Gr

Humifizierung

Prozesse

Humifizierung

ProzesseProzesse

Reduktion von Fe(III)-Oxiden


Grundwasser

Grundwasserlinie Reduktion von Fe(III)-Oxiden


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.


� 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


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


Fe

Fe-- O

xid

eO

xid

e

FeFe2+2+ + 2H+ 2H22OO


Fe

Fe-- O

xid

eO

xid

e

FeFe2+2+ + 2H+ 2H22OOFeFe2+2+ + 2H+ 2H22OO


Fe

Fe-- O

xid

eO

xid

e


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))


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





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





Go





Gr

reduktomorph;



von Fe2+ und Mn2+ in KapillarenGr

reduktomorph;



von Fe2+ und Mn2+ in Kapillaren


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


SwSw

SdSd

Pseudogley

AhAh

StauzoneStauzone


SwSw

SdSd


FeFe--OxidOxid--Verteilung im Mikrobereich


Gley

+O2

PorePore

-O2

GWGW

+O2

Pseudogley

StauwasserStauwasser

PorePore

-O2 +O2

FeFe--OxidOxid--Verteilung im Mikrobereich


Gley

+O2

PorePore

-O2

GWGW

+O2


Gley

+O2

PorePore

-O2

GWGW

+O2

Gley

+O2

PorePore

-O2

GWGW

+O2

Pseudogley


PorePore

-O2 +O2

Pseudogley


PorePore

-O2 +O2


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))


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


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


C

Ah

Sw

Sd

Pseudogley

Bleichung


Bleichung


C

Ah

Sw

Sd

C

Ah

Sw

Sd

Stagnogley

Humus-anreicherung

Versauerung


C

Sw-Ah

Srw

Srd

Stagnogley

Humus-anreicherung

Versauerung


Humus-anreicherung

Versauerung


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


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.



� 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


Sw: Wasserstau





Sd: Verschluss der Poren durch


Sw: Wasserstau











zeitweise zu nass


Sauerstoffmangel

und Verdichtung

begrenzen den

Wurzelraum

Ökologische Folgen:

zeitweise zu nass


Sauerstoffmangel

und Verdichtung

begrenzen den

Wurzelraum

Ökologische Folgen:Ökologische Folgen:






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

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Fe

Fe

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2+

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2H

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+O+O22 FeOOHFeOOH

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OH

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+ e

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Fe

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2+

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2H

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OH

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Fe

Fe

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2+

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+

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)


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

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Fe2+

Fe

Mn farblos

Mn2+

schwarz

Mn(III, IV)-Oxide

Mn farblos

Mn2+

Mn farblos

Mn2+

schwarz

Mn(III, IV)-Oxide

reduziert oxidiertreduziert oxidiert


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


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.


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

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(cm

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/kg

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pH

0,1 0,2

B2-Horizont

0

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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)


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


((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+


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


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:


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)3Al + 3H+ -(SiOH)3 + Al3+ (unter pH 5)


-(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)


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.


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

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sein

stu

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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


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


� 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


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


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


� 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))


-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


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


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)



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


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

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


saprophageNematoden

mykophageNematoden

mykophage

Springschwänze

mykophage

Milben

bakteriophage

Milben

mikrophytophage

Protozoen

bakteriophage

Nematoden

saprophageMilben


saprophageNematoden

zoophageSpinnen

zoophage Käfer

zoophageNematoden


pantophage

Nematoden

zoophageSpinnen

zoophage Käfer

zoophageNematoden


pantophage

Nematoden

F

F

zoophage

Nematoden

F

F

F

F

Sekundäre Räuber(Zoophagen) Nekrophagen


� 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

)


1/1 100

0

1/2 50

1/8 12,5

1/4 25

1/16

1/8 12,5


1/1 100

0

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1/16

1/8 12,5



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

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Allgemeine Bodenkunde

Einführung in die Bodenkunde I (WS)

Prof. Dr. Ingrid Kögel-Knabner

Dr. Hans Heinrich Becher

Dr. Peter Schad

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

Grundlagen der Bodenkunde in 2 Veranstaltungen:

� Allgemeine Bodenkunde im WS (Ausgangsmaterial, Eigenschaften und Prozesse in Böden, Bodengenese und -systematik)

� Angewandte Bodenkunde im SS Teil 1 im Hörsaal, Teil 2 Geländeübungen


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


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


aus Gisi, Bodenökologie, 1997

Atmosphäre

Lithosphäre


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


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


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


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


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


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


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


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


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


� 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


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+


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


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


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


Verwandte: Syenit, Diorit, Rhyolit, Trachyt

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

Vulkanite

Was ist ein Vulkan?

Ein Vulkan ist ein Riss in der Erdkruste, wo Magma herausströmt. Durch die Ablagerung entsteht ein Kegel. Je nachdem, wie heiß die Lava ist, desto flacher wird der Kegel, weil dann die Lava schneller abfließt. Ein Vulkan sieht etwa so aus:

Ein Vulkan mit der Magmakammer, einem Seitenschlot und dem Krater. Schild- oder Deckenvulkane

www.ambuehler.ch

� Basalt dunkler (schwarzer), basischer Vulkanit mit fehlender oder kaum erkennbarer Körnigkeit der Grundmasse und einzelnen größeren Kristallen darin,

Mineralzusammensetzung:

50% Ca-reiche Plagioklase

50% Augite

Ca-, Fe-, Mg-reich! K-arm, P-reich

Erkennung

am Stück: schwarz, schwer, feinkristallin, muschelig brechend, sehr hart im Aufschluss: meist säulenförmig, Farbe durch Verwitterungsrinde überdeckt

in der Landschaft: Vulkanlandschaft, Kegelformen mit großen Fließdecken, runde Formen bei Verwitterung

Vorkommen: weltweit sehr verbreitet

BRD: Vogelsberg, Rhön, Hess. Bergland, Hegau, Kaiserstuhl, Parkstein, Oberpfalz Welt: Japan, USA, Mittel- und Südamerika, Australien, NZ, Hawaii, Sudan, Äthiopien, Nigeria, Kenia, S. Afrika, Indien

Verwandte:

Diabas, Melaphyr = ältere Basalte Gabbro = Tiefengesteinsäquivalent

Andesit, Phonolith = weniger basisch


Bedeutung für Böden

Vergleich Granit - Basalt Beurteilung bei festem Gestein nach 1. wie schnell ist Bodenbildung � Gründigkeit = Wieviel Boden bildet sich

2. wie ist das Material, das entsteht

hängt ab von �� Verwitterbarkeit des Mineralverbandes

�� Verwitterbarkeit der Einzelminerale

�� Art der Sekundärprodukte (Nährstoffe, Tonminerale, Oxide), klimaabhängig Granit - Basalt - Vergleich in unserem Klima

Granit:

� Schnelle Lockerung des Verbandes, da wegen großer Körner wenig Kontaktflächen, aber wenig Verwitterung der Mineralkörner � wenig Nährstoffe, wenig Sekundärminerale, Quarz und resistente Feldspäte � tiefgründige, aber ärmere Böden,

� sandig; saure Braunerden und Podsole

Basalt:

� Langsame Lockerung des Verbandes, aber starke Verwitterung der Mineralkörner, da leicht verwitterbar � flachgründige, aber reiche Böden, wenn Fe-Oxid-reich = stark braun

� tonig; eutrophe Ranker oder Braunerden

anders in anderen Klimaten, d.h. bei langer Bodenbildung � allmähliche Angleichung; Böden aus Basalt aber stets tonreicher und quarzfrei; Böden aus Granit tonärmer, quarzhaltig

für Böden wichtig: Nährstofffreisetzung bei Verwitterung

2.2. Sekundäre Minerale und Sedimentgesteine

entstehen durch Verwitterung, Voraussetzung für Bildung von Böden (und Sedimenten, Metamorphiten), pedogene Minerale

� Neubildung nach vollständiger oder teilweiser Auflösung der Primärminerale → Tonminerale

� chemische bzw. biochemische Ausfällungen: Carbonate, Fe-Oxide, Mn-Oxide und Mn-Hydroxide

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


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


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


� 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


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


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


� 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


LepidokrokitLepidokrokit:: γγγγγγγγ--FeOOHFeOOH orangeorange

� Bildung vorherrschend unter reduzierenden Bedingungen� metastabil

– Staunasse Böden– Kleinräumig


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


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)


(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;


� 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


� 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


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


Glimmerschiefer


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


Ton


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.


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


10 20 30 40

10

0

20

30

40

50 600


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


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..


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


Pseudogley

Tonreicher

Geschiebemergel

(Würm)

20 - 40

20 - 40

0 - 20

10 - 30

10 - 30

< 5

5 - 20

< 5

< 5

Braunerde


Pseudogley

Tonreicher

Geschiebemergel

(Würm)

20 - 40

20 - 40

0 - 20

10 - 30

10 - 30

< 5

5 - 20

< 5

< 5

Braunerde


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))..


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


MMooddeellll ddeerr AAnnoorrddnnuunngg vvoonn TToonnmmiinneerraallppaakkeetteenn,, oorrggaanniisscchheerr SSuubbssttaannzz uunndd QQuuaarrzz iinn eeiinneemm BBooddeennkkrrüümmeell


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


� 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))


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


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


� 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


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+


BBeezziieehhuunngg zzwwiisscchheenn ssppeezziiffiisscchheerr

OObbeerrffllääcchhee uunndd KKAAKKppoott vvoonn wwiicchhttiiggeenn

VVeerrttrreetteerrnn ddeess SSoorrppttiioonnsskkoommpplleexxeess..


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


KAKKAK

4 5pH

6 74 5pH

6 7


KAKKAK


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

]


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


� 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+


= 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,


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


M gK

C a

00

100 200 500

20

40

60

80

100Na


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


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


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


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)




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


� 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


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


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


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


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)


O

O

Si

C

R


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


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


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


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.


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


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


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


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


50%Korngrößenverteilung

Mas

se

na

nte

il

Pro

Kla

ss

e


SummationskurvenSummationskurven

0%

100%Desorptionskurve


100%Körnungskurve

Su

mm

en

an

teil


Su

mm

en

an

teil

SummationskurvenSummationskurven

0%

100%Desorptionskurve


100%Körnungskurve

Su

mm

en

an

teil


Su

mm

en

an

teil


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


� 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


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+






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


� 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


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)


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






R – O – H

ÖH R



R – O – H

ÖH R


Ion-IonH+ K+ Ca2+


Ion-IonH+ K+ Ca2+



O – H + :B-

O-+ BH



O – H + :B-

O-+ BH


Liganden-austausch


-

O – PO(OH)2 + H2O

M

M

Liganden-austausch


-

O – PO(OH)2 + H2O

M

M


Ionen-brücken

-Ca2+ -


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)





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


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


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)


� 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


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


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


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


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


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



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


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


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


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


� 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


� 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


� 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


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

Bodenkunde I: Vorlesungsskript

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