Vorlesungsskript für Bodenkunde I, komplett. 34 MB
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Bodenkunde Bodengenese und -systematik - 1 -
Bodengenese und -systematik
Kausalkette der Pedogenese
Faktoren der Bodenbildung ���� Prozesse ���� Merkmale
� 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
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
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.
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
1-3 (5) cm 2-4 (6) cm 2-4 (8) cmMächtigkeit desOl-Horizontes
1-3 (5) cm 2-4 (6) cm 2-4 (8) cm
Lagerungsart desOl-Horizontes
meist vernetzt, z. T. schichtig oder verfilzt
schichtig oder sperrig sperrig, z. T. schichtig,z. T. biegefähig
Lagerungsart desOl-Horizontes
meist vernetzt, z. T. schichtig oder verfilzt
schichtig oder sperrig sperrig, z. T. schichtig,z. T. biegefähig
Schärfe d. Übergängezwischen den Horiz.
unscharf (3-6 mm), z. T. sehr unscharf (>6 mm)
scharf (<3 mm), z. T. sehr scharf
meist sehr scharf(linienhaft)
Schärfe d. Übergängezwischen den Horiz.
unscharf (3-6 mm), z. T. sehr unscharf (>6 mm)
scharf (<3 mm), z. T. sehr scharf
meist sehr scharf(linienhaft)
Trennbarkeit desAuflagehumus vom Mineralboden
schlecht trennbar gut trennbar sehr gut trennbar,z. T. schollig ablösend
Trennbarkeit desAuflagehumus vom Mineralboden
schlecht trennbar gut trennbar sehr gut trennbar,z. T. schollig ablösend
Bodenkunde Bodengenese und -systematik - 4 -
Ai
mC
Ai
IC
Syrosem Lockersyrosem
Kl. Terrestrische Rohböden
Bodensystematik der BRD
Rohböden
die ersten Stadien der Bodenbildung Horizontfolge Ai / C
Unterscheidung nach Ausgangsgestein (C-Horizont): Syrosem aus Festgestein, innerhalb 3 dm unter der Oberfläche beginnend Lockersyrosem aus Lockergestein, innerhalb der obersten 3 dm kein Festgestein
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
Durch Humusakkumulation werden nur die Eigenschaften des Ah-Horizonts verändert (Färbung, Wasserspeicherung, Ionenbindung usw.).
Je nach Ausgangsgestein unterscheidet man:
� Ranker aus silikatischem (carbonatarmem oder -freiem) Festgestein
� Regosol aus silikatischem (carbonatarmem oder -freiem) Lockergestein
� Rendzina aus Kalk- oder Gipsgestein
� Pararendzina aus carbonathaltigem silikatischem Gestein.
Weiterentwicklung der Ah/C - Böden führt zu folgenden Klassen:
Pelosole Terrae calcis
Braunerden Stauwasserböden
Lessivés Auenböden
Podsole Gleye
Schwarzerden Marschen
Moore
Diese weiteren Klassen werden im Rahmen der Bodenentwicklungsreihen behandelt. Eine zusammenfassende Übersicht finden Sie unten.
Neben der deutschen Systematik wurden eine Vielzahl nationaler sowie einige internationale Klassifikationssysteme entwickelt. Für die Arbeit außerhalb Mitteleuropas von besonderer Bedeutung sind folgende Systeme:
Soil Taxonomy (USA) FAO Weltbodenkarte World Reference Base for Soil Resources (WRB)
Bodenkunde Bodengenese und -systematik - 6 -
Bodenentwicklungsreihen
In den gemäßigten Breiten spielt das Ausgangsgestein eine wesentliche Rolle in der Bodenentwicklung. Deshalb lassen sich Bodenentwicklungsreihen basierend auf den flächenmäßig bedeutendsten Ausgangsgesteinen darstellen.
SScchheemmaattiisscchhee DDaarrsstteelllluunngg wwiicchhttiiggeerr tteerrrreessttrriisscchheerr BBooddeennttyyppeennsseeqquueennzzeenn aauuss uunntteerrsscchhiieeddlliicchheenn SSuubbssttrraatteenn (in Klammern Äquivalente nach WRB)
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997 verändert nach Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, 2005 World Reference Base for Soil Resources (WRB), IUSS Working Group WRB, 2006 (World Soil Resources Reports 103, FAO, Rom)
Die Bodenentwicklung der Landböden Mitteleuropas durchlief diese Entwicklungsstadien. Allerdings ist das Endstadium nicht immer erreicht, da die Bodenentwicklung in Mitteleuropa erst nach dem Ende der letzten (Würm-)Eiszeit begann, also vor etwa 10 000 bis 12 000 Jahren.
Carbonatgesteine(Kalk, Dolomit)
Tonarme, quarz- undsilikatreiche Gesteine
Kalk-Silikat-Mischgesteine(Mergelgesteine, Löss)
Tongesteine undTonmergelgesteine
AicmC
AiclC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AiilC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AiimC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
AiemC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
AielC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AimC
AilC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
Ah
TvC
Terra fusca(z.B. VerticCambisol)
(Ahe)
Ae
Al-BshBt
C
Braunerde(Cambisol)
Ah
BvC
Ah
Al
BtC
Axh
Axh+IC(c)C
Para-braunerde
(Luvisol, Alisol)
Tschernosem(Phaeozem, Chernozem)
Ah
Bv-P
C
AhSw-P
P-Sd
C
Braunerde-Pelosol(Vertic
Cambisol)
Pseudogley-Pelosol(Stagnic
Cambisol)
Ah
cC
Ah
cC
Rendzina(z.B. Rendzic
Leptosol)
Rendzina(z.B. Phaeozem)
Ah
ilC
Regosol(z.B. Umbrisol)
Ah
imC
Ranker(z.B. Umbric
Leptosol)
Ah
eC
Pararendzina(z.B MollicLeptosol)
Ah
eC
Pararendzina(z.B. Phaeozem)
(P-)Ah
PC
Pelosol(z.B. Vertisol)
Podsol-Parabraunerde(z.B. Albic Alisol)
(Ahe)
AeB(s)h
B(h)s
C
Podsol(Podzol)
Sw-Ah
S(e)rw
(II)Srd
Ah
Sw
Sd
Pseudogley(z.B. Stagnosol)
Stagnogley(z.B. Stagnosol)
Carbonatgesteine(Kalk, Dolomit)
Tonarme, quarz- undsilikatreiche Gesteine
Kalk-Silikat-Mischgesteine(Mergelgesteine, Löss)
Tongesteine undTonmergelgesteine
Carbonatgesteine(Kalk, Dolomit)
Tonarme, quarz- undsilikatreiche Gesteine
Kalk-Silikat-Mischgesteine(Mergelgesteine, Löss)
Tongesteine undTonmergelgesteine
AicmC
AiclC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AiilC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AiimC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
AiemC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
AielC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AimC
AilC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AicmC
AiclC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AiilC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AiimC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
AiemC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
AielC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
AimC
AilC
Syrosem(Lithic
Leptosol)
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
Ah
TvC
Terra fusca(z.B. VerticCambisol)
(Ahe)
Ae
Al-BshBt
C
Braunerde(Cambisol)
Ah
BvC
Ah
Al
BtC
Axh
Axh+IC(c)C
Para-braunerde
(Luvisol, Alisol)
Tschernosem(Phaeozem, Chernozem)
Ah
Bv-P
C
AhSw-P
P-Sd
C
Braunerde-Pelosol(Vertic
Cambisol)
Pseudogley-Pelosol(Stagnic
Cambisol)
Ah
TvC
Terra fusca(z.B. VerticCambisol)
(Ahe)
Ae
Al-BshBt
C
Braunerde(Cambisol)
Ah
BvC
Ah
Al
BtC
Axh
Axh+IC(c)C
Para-braunerde
(Luvisol, Alisol)
Tschernosem(Phaeozem, Chernozem)
Ah
Bv-P
C
AhSw-P
P-Sd
C
Braunerde-Pelosol(Vertic
Cambisol)
Pseudogley-Pelosol(Stagnic
Cambisol)
Ah
cC
Ah
cC
Rendzina(z.B. Rendzic
Leptosol)
Rendzina(z.B. Phaeozem)
Ah
ilC
Regosol(z.B. Umbrisol)
Ah
imC
Ranker(z.B. Umbric
Leptosol)
Ah
eC
Pararendzina(z.B MollicLeptosol)
Ah
eC
Pararendzina(z.B. Phaeozem)
(P-)Ah
PC
Pelosol(z.B. Vertisol)
Ah
cC
Ah
cC
Rendzina(z.B. Rendzic
Leptosol)
Rendzina(z.B. Phaeozem)
Ah
ilC
Regosol(z.B. Umbrisol)
Ah
imC
Ranker(z.B. Umbric
Leptosol)
Ah
eC
Pararendzina(z.B MollicLeptosol)
Ah
eC
Pararendzina(z.B. Phaeozem)
(P-)Ah
PC
Pelosol(z.B. Vertisol)
Podsol-Parabraunerde(z.B. Albic Alisol)
(Ahe)
AeB(s)h
B(h)s
C
Podsol(Podzol)
Sw-Ah
S(e)rw
(II)Srd
Ah
Sw
Sd
Pseudogley(z.B. Stagnosol)
Stagnogley(z.B. Stagnosol)
Podsol-Parabraunerde(z.B. Albic Alisol)
(Ahe)
AeB(s)h
B(h)s
C
Podsol(Podzol)
Sw-Ah
S(e)rw
(II)Srd
Ah
Sw
Sd
Pseudogley(z.B. Stagnosol)
Stagnogley(z.B. Stagnosol)
quarz- und silikatreiche Gesteine - 1 -
Ah
ilC
humoserOberboden
stetscarbonatfrei
silikatischesLockermaterial
carbonatfrei bis-arm (< 2 %)
Tonarme, quarz- und silikatreiche Gesteine
AiimC
Syrosem(Lithic Leptosol)
AiilC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
Braunerde (Cambisol)
AhBvC
Podsol (Podzol)
(Ahe)Ae
B(s)hB(h)s
C
AhimC
Ranker(z.B. Umbric Leptosol)
AhilC
Regosol(z.B. Umbrisol)
Tonarme, quarz- und silikatreiche Gesteine
AiimC
Syrosem(Lithic Leptosol)
AiilC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
Braunerde (Cambisol)
AhBvC
Podsol (Podzol)
(Ahe)Ae
B(s)hB(h)s
C
AhimC
Ranker(z.B. Umbric Leptosol)
AhilC
Regosol(z.B. Umbrisol)
Bodenentwicklung auf tonarmen, quarz- und silikatreichen Gesteinen Ausgangsmaterial Carbonatfreie oder carbonatarme (meist < 2%) Quarz- oder Silikatlockergesteine Carbonatfreie oder carbonatarme (meist < 2%) Quarz- oder Silikatfestgesteine Aus nährstoffarmen Ausgangsgesteinen, wie z.B. Quarzit oder Sandstein, entstehen basenarme, saure und nährstoffarme Böden. Relativ nährstoffreiche Böden entwickeln sich auf basenreichen Ausgangsgesteinen, z.B. Basalt.
Bodenentwicklungsreihe
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997, verändert nach Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, 2005
World Reference Base for Soil Resources (WRB), IUSS Working Group WRB, 2006 (World Soil Resources Reports 103, FAO, Rom)
Ranker aus Festgestein oder Blockschutt
Regosol aus Lockergestein
Horizontfolge: Ah / C
Als Klimaxstadium nur in kühlgemäßigten Klimaten oder in Hanglage, wo eine Weiterentwicklung zur Braunerde nicht möglich ist.
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)
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
BBrraauunneerrddee aauuss TTeerrrraasssseennssaanndd ((BBuurrggssaannddsstteeiinn)) Ap (0–20cm) dunkelgraubrauner, humoser Sand, Einzelkorn- und Krümelgefüge, stark porös, zahlreiche Wurmgänge sehr gut durchwurzelt Bv (20-65cm) rötlichgelbbrauner, schwach steiniger Mittelsand, Einzelkorngefüge, stark porös, zahlreiche Wurmgänge gut durchwurzelt
Cv (65-100cm+) hellgraubrauner, schwach steiniger Grobsand mit rötlichbrauner unregelmäßiger Bänderung
Einzelkorngefüge, stark porös
Merkblatt der Bayerischen Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau; Abteilung Boden- und Landschaftspflege
Regosol gut durchwurzelbar, Ranker häufig skelettreich
Ranker meist nur in Hanglage zu finden, deshalb als extensives Grünland oder forstlich genutzt
Regosole oft sandig ausgeprägt, ackerbauliche Nutzung nur möglich bei ausreichender Beregnung oder Bewässerung und ständiger organischer Düngung
Braunerde Braunerden aus Sanden können bei gesicherter Beregnung ackerbaulich genutzt werden, sehr gut für den Sonderkulturanbau (z.B. Spargel, Tabak)
Braunerden aus Löss gehören neben den Parabraunerden aus Löss zu den ertragreichsten und ertragsichersten Böden ackerbauliche Nutzung bei Flachgründigkeit und hohem Kies- und Steingehalt eingeschränkt; dann oft forstwirtschaftlich genutzt
quarz- und silikatreiche Gesteine - 5 -
Podsol
Horizontfolge: Ahe/Ae/Bh/Bs/C Name stammt aus dem russischen Sprachraum, fahle Farbe im Ae-Horizont für „Asche-Boden“
Profilkennzeichnung: aschgrauer Ae-Horizont (Eluvialhorizont); meist mit scharfem Übergang zum dunklen Bh- und Bs-Horizont (Illuvialhorizont); dieser kann enormen Verfestigungsgrad besitzen (Ortstein)
Horizontgrenzen oftmals nicht oberflächenparallel, ineinander verzahnt, keil-, zapfen- und tropfenförmig
Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen, http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip
Die Podsolierung beinhaltet die Sauerbleichung des Oberbodens (Ae-Horizont). Sie findet bei niedrigem (saurem) pH-Wert statt und führt zur intensiven Zerstörung primärer und sekundärer Minerale.
1. In der Humusauflage bilden sich reichlich saure, niedermolekulare organische Säuren (DOM = dissolved organic matter, Fulvosäuren), die als Komplexbildner fungieren können.
2. Im A-Horizont werden bei sehr sauren pH-Werten die Silikate und Eisen(hydr)oxide zerstört und die freiwerdenden Kationen durch die organischen Säuren komplex gebunden.
3. Die Ionen wandern frei und/oder im Komplex gebunden mit dem Sickerwasser im Profil nach unten. � Durch diese Prozessabfolge entsteht ein sauergebleichter Auswaschungs- oder
Eluvialhorizont (Ae).
4. Im Unterboden können diese Komplexe bei höheren pH-Werten wieder hydrolysieren, und es bilden sich unlösliche Fe- und Al-Oxide (Sesquioxide). Gelöste organische Substanz wird daran sorbiert.
5. Durch den mikrobiellen Abbau der organischen Liganden verändert sich das Verhältnis von Metall-Ion/C, so dass die dadurch unlöslich gewordenen Komplexe ausfällen. � Durch diese Prozessabfolge entsteht ein Anreicherungs- oder Illuvialhorizont (Bh, Bs). Im
oberen Bereich des B-Horizonts werden die organischen Stoffe angereichert (Bh, braunschwarz), darunter die Sesquioxide (Bs, rostbraun).
Die Sesquioxide des Bs-Horizonts können sich zu Ortstein verfestigen. Der Ortstein wirkt sich ungünstig auf das Pflanzenwachstum und die Kulturfähigkeit der Podsole aus, da er zu Staunässe führen kann und den Wurzelraum stark begrenzt.
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.
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,
Die Terra fusca gehört mit der Terra rossa (verbreitet aus Carbonatgesteinen im Mittelmeerraum
und in anderen subtropischen Klimaten; durch Hämatit kräftig rot gefärbter Unterbodenhorizont mit
der Bezeichnung Tu) zu den Terrae calcis.
Man nimmt an, dass die Terra fusca in Mitteleuropa
meist eine Bildung aus früheren wärmeren Klimaten
(Tertiär, Interglaziale) ist.
TTeerrrraa ffuussccaa
Aufn.: H.H. Becher, 1991, Buchfart, Lkr. Weimar
Eigenschaften und Nutzung
Die nFK liegt zwischen 50 und 150 mm; obwohl tiefgründiger als die Rendzina, ist die nFK wegen
der hohen Totwassergehalte beschränkt
Nutzung überwiegend als Weide oder Forst
Ackerbauliche Nutzung begrenzt wegen schwerer Bearbeitbarkeit und starkem Wechsel mit
flachgründigen, steinreichen Rendzinen
TvTv
TvTv--CvCv
Ah
cCcC
Horizontfolge
Ton (%)Ton (%)
pH (CaClpH (CaCl22))
C (C (‰‰))
CaCOCaCO3 3 (%)(%)
BS (%)BS (%)FeFedd
(g kg(g kg--11))
KAKKAKpotpot
cmolcmol(+) kg(+) kg--11
Chemische Eigenschaften
0 100
gelb- bis rotbraun, i. d. R. fossiler Residualton (≥ 65 % Ton, bei Lössbeimischung 45 - 65 % Ton), polyedrisches Gefüge, gut durchlässig, carbonatfrei
brauner Übergangshorizont, oft taschenförmig, subpolyedrischesGefüge, carbonathaltig
Carbonatgestein
humoser, meist krümeliger, z.T. auch (sub-)polyedrischer Mineralboden, carbonatfrei
TvTv
TvTv--CvCv
Ah
cCcC
Horizontfolge
TvTv
TvTv--CvCv
Ah
cCcC
TvTv
TvTv--CvCv
AhAh
cCcC
Horizontfolge
Ton (%)Ton (%)Ton (%)Ton (%)
pH (CaClpH (CaCl22))pH (CaClpH (CaCl22))
C (C (‰‰))C (C (‰‰))
CaCOCaCO3 3 (%)(%)CaCOCaCO3 3 (%)(%)
BS (%)BS (%)BS (%)BS (%)FeFedd
(g kg(g kg--11))FeFedd
(g kg(g kg--11))
KAKKAKpotpot
cmolcmol(+) kg(+) kg--11KAKKAKpotpot
cmolcmol(+) kg(+) kg--11
Chemische Eigenschaften
0 100
gelb- bis rotbraun, i. d. R. fossiler Residualton (≥ 65 % Ton, bei Lössbeimischung 45 - 65 % Ton), polyedrisches Gefüge, gut durchlässig, carbonatfrei
brauner Übergangshorizont, oft taschenförmig, subpolyedrischesGefüge, carbonathaltig
Carbonatgestein
humoser, meist krümeliger, z.T. auch (sub-)polyedrischer Mineralboden, carbonatfrei
Kap5 - Bodenentwicklung auf Tongestein - 1 –
Bodenentwicklung auf Tongestein
Ausgangsmaterial
Tonreiche Ausgangsmaterialien wie Tongestein, Tonschiefer oder Tonmergelgestein; diese sind z.T. carbonathaltig
Bodenentwicklungsreihe
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997 verändert nach: Bodenkundliche Kartieranleitung, 5. Auflage, 2005 World Reference Base for Soil Resources (WRB), IUSS Working Group WRB, 2006 (World Soil Resources Reports 103, FAO, Rom)
Pelosol
Horizontfolge Ah / P / C
Beim Pelosol hat das Ausgangsmaterial einen dominierenden Einfluss auf die Bodeneigen-schaften und Bodenfunktionen. Der Name stammt aus der griechischen Sprache: pelós = Ton.
Das Ausgangsmaterial ist reich an quellfähigen Tonmineralen. Physikalische Verwitterungs-vorgänge und häufiges Quellen und Schrumpfen (bei Austrocknung/ Wiederbefeuchtung) führen zur Auflösung des bei der Diagenese entstandenen schiefrigen oder feingeschichteten Gefüges des Ausgangsgesteins. Bei carbonathaltigen Ausgangsgesteinen ist dies nur nach Entkalkung möglich. Durch die Quellungs- und Schrumpfungsprozesse entsteht ein Polyeder- oder Prismen-gefüge. Der Mineralkörper der Pelosole ist chemisch wenig gegenüber dem Ausgangsmaterial verändert. Intensive Silikatverwitterung und Verbraunung haben kaum stattgefunden.
Mächtigkeit der Ah- und P-Horizonte (zusammen) mehr als 30 cm.
P-Horizont mit hohen Gehalten (≥ 45%) an Ton; mineralischer Unterbodenhorizont aus Ton- oder Tonmergelgestein; besonders im unteren Bereich grobes, in sich dichtes Prismen- und Polyeder-gefüge (oft slicken sides = glänzende, geriefelte Stresscutane durch ausgeprägte Quellungs- und Schrumpfungsdynamik), meist hochplastisch, zeitweilig Trockenrisse bis > 50 cm Tiefe.
Aufgrund des Ausgangsmaterials skelettarm.
Tongesteine und Tonmergelgesteine
(P-)AhPC
Pelosol (z.B. Vertisol)
AimC
Syrosem(Lithic Leptosol)
AilC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
Braunerde-Pelosol(Vertic Cambisol)
AhBv-P
C
Pseudogley-Pelosol(Stagnic Cambisol)
AhSw-PP-Sd
C
Tongesteine und Tonmergelgesteine
(P-)AhPC
Pelosol (z.B. Vertisol)
AimC
Syrosem(Lithic Leptosol)
AilC
Lockersyrosem(z.B. Regosol)
Braunerde-Pelosol(Vertic Cambisol)
AhBv-P
C
Pseudogley-Pelosol(Stagnic Cambisol)
AhSw-PP-Sd
C
Kap5 - Bodenentwicklung auf Tongestein - 2 –
Das Gefüge ist im nassen Zustand kohärent, bei Austrocknung ausgeprägt polyedrisch oder prismatisch.
Der typische Pelosol kann neutral bis stark sauer sein; in der Regel ist er kalkfrei.
Bei Staunässe Übergänge zum Pelosol-Pseudogley.
PPeelloossooll
Aufn.: H.H. Becher, 1990, Gerolfingen
Bodensystematische Einordnung: Terrestrische Böden, Klasse der Pelosole.
In der WRB gehört ein Teil der Pelosole zu den Vertisolen.
Vertisole sind häufig in wechselfeuchten Klimaten zu finden und gekennzeichnet durch einen Selbstdurchmischungsvorgang aufgrund der Quellung und Schrumpfung.
Eigenschaften und Nutzung
Die Eigenschaften der Pelosole sind dominiert von den hohen Tongehalten und der ausgeprägten Schrumpfungs- und Quellungsdynamik.
Pelosole haben günstige chemische Eigenschaften; allerdings sind die physikalischen Eigenschaften ungünstig: überwiegend Feinporen, daher geringe nFK, geringe Luftkapazität.
Wasserbindefähigkeit in aller Regel hoch bis sehr hoch, größter Anteil des in der Bodenmatrix gebundenen Wassers nicht pflanzenverfügbares „Totwasser“. In Perioden geringer Niederschläge daher Welksymptome, obwohl die Bodenmatrix feucht ist.
Pflanzenverfügbarer Wasseranteil (=nutzbare Feldkapazität) bei durchaus hohem Gesamtporenvolumen niedrig, so dass Pflanzen in feuchtem Boden vertrocknen können! Bei Vernässung leiden Pflanzen oft an Luftmangel, besonders in Pseudogley-Pelosolen. Vielfach ist die Durchwurzelbarkeit der Aggregate wegen der hohen Rohdichten ungenügend.
Pelosol landläufig auch als „schwerer Boden“ bezeichnet.
Die hohen Tongehalte der Pelosole schränken ihre landwirtschaftliche Nutzung sehr stark ein. Dies hängt mit der schlechten Bearbeitbarkeit zusammen, aber auch mit der ungünstigen pflanzenbaulichen Eignung.
Probleme bei Ackernutzung, da nur in sehr kurzen Zeiträumen bei mittleren Wassergehalten bearbeitungsfähig (sog. Minutenböden); Pelosole sind regelmäßig im Frühjahr zu nass, um bearbeitet werden zu können. Bearbeitbarkeit auch bei Austrocknung durch Verhärtung stark eingeschränkt.
Ein derartiger Boden kann nur mit großen Aufwendungen beackert werden. Er erfordert enorm hohe Zugkräfte.
Bodenzahlen der Reichsbodenschätzung 25 bis maximal 40.
Pelosole werden daher überwiegend als Grünland, Obstbaumwiesen und Wald (vor allem für Tiefwurzler) genutzt.
Kap6 Teil3 - Hydromorphe Böden - 1 –
Auenböden und Moore
Auenböden Böden aus Sedimenten in Tälern von Bächen oder Flüssen. Der Grundwasserspiegel schwankt stark, da er mit dem Flusswasserspiegel in Verbindung steht, er liegt mindestens 80 cm unter GOF, häufig tiefer als 2 m. Entsprechend tief liegen die G-Horizonte. Durch den variablen Grundwasserstand, der sehr rasch ansteigen und wieder abfallen kann, und die periodischen Überflutungen entwickeln sich die Auenböden mit einer besonderen Dynamik.
Bei Hochwasser lagern sich frische Sedimente auf der Bodenoberfläche ab. Dies wird durch die Filterfunktion einer dichten Vegetation unterstützt. Je höher die Bodenoberfläche liegt, desto feinkörniger sind diese Sedimente.
Nach dem raschen Ablaufen des Hochwassers wird der Boden sofort wieder gut durchlüftet; für intensive Redoximorphie ist die Überflutungszeit zu kurz.
Die mit dem Wasser zugeführten Minerale und Nährstoffe fördern nicht nur eine hohe Biomasseproduktion, sondern auch ein intensives Bodenleben, wodurch die Streu rasch und weitgehend mineralisiert wird. Die verbleibenden Huminstoffe wie auch die frisch sedimentierten Minerale werden intensiv mit dem Mineralboden vermischt.
Durch die ständige Zufuhr von Mineralpartikeln findet sich unter dem Ah-Horizont oft ein M-Horizont, der im Bereich des Niedrigwasserstandes in einen Gr übergeht. Ein Go ist im Profil oft nur undeutlich zu erkennen.
� Rambla (Auenrohboden/Auenlockersyrosem), Horizontfolge aAi / alC / aG
� Paternia (Grauer Auenboden/Auenregosol), Horizontfolge aAh / ailC / aG: Hier besteht der C-Horizont aus jungen Flussablagerungen, die meist aus Gesteinsabrieb stammen und kalkarm bzw. kalkfrei sind, bei der Kalkpaternia (Auenpararendzina: aAh / aelC / aG) jedoch z.T. hohe Kalkgehalte haben.
� Vega ("Brauner Auenboden"), Horizontfolge aAh / aM / (II)alC / (II)aG: Die Vega entsteht aus dem erodierten Bodenmaterial der Talhänge, kann sich aber auch in situ im Talboden bilden.
Bei einer Regulierung des Wasserstandes entwickelt sich ein Auenboden oft zu einem terrest-rischen Boden (Regosol, Pararendzina etc.), bei hohem Grundwasserstand auch zu einem Gley.
Natürliche Auenstandorte sind wegen ihres Artenreichtums wertvolle Biotope, die wegen der Grundwasserabsenkungen bzw. Flussregulierungen selten geworden sind und nur noch bei einigen Flüssen zwischen den Hochwasserdeichen vorkommen.
Sand
unten kiesig
Sand
unten kiesig
SchotterSchotter
Hochflutlehm
an der Basis sandig
Hochflutlehm
an der Basis sandig
Hochflutlehm
an der Basis sandig
Kap6 Teil3 - Hydromorphe Böden - 2 –
Moore
werden Böden aus Torf bezeichnet, wenn dessen Mächtigkeit ≥ 3 dm beträgt. Sie entstehen, wenn bei anhaltender Biomasseproduktion (Pflanzenwuchs) die Mineralisierung durch Sauerstoffmangel bei Wassersättigung gehemmt ist und dadurch die Gehalte an organischer Substanz über 30% ansteigen. Böden mit Torfhorizonten von < 3 dm Mächtigkeit heißen Moorgley. Böden mit Gehalten an organischer Substanz zwischen 15 und 30% bezeichnet man als Anmoorgley.
Je nach dem Ursprung der Wassersättigung und damit nach den ökologischen Eigenschaften unterscheidet man Niedermoor, Quell- bzw. Hangmoor und Hochmoor.
Niedermoor
Moortyp, der sich durch das Wachstum von Pflanzen in flachen Gewässern bildet. Mit dem Wasser werden in gelöster Form oder als Schwebstoffe meist ausreichend Nährstoffe angeliefert, und der pH-Wert liegt oft im Neutralbereich (Carbonatpuffer). Daher sind die Niedermoortorfe meist relativ stark zersetzt (dunkel) und haben einen hohen Aschegehalt.
Ohne Störung von außen kann ein Niedermoor bei hohen Niederschlägen auch über den Wasserspiegel hinauswachsen und über das Zwischenstadium des Übergangsmoores ein Hochmoor bilden.
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997
VerlandungsmoorAhGoGr
Versumpfungsmoor(Talniedermoor)
AhGo, SwGr, Sd
Überflutungsmoor(Moormarsch)
Hangmoor(Quellmoor), soligen
Bildungsbedingungen für Niedermoore in Abhängigkeit von Relief und Hydrologie- Aus Kuntze, Roeschmann & Schwerdtfeger (1994): Bodenkunde, 5. Aufl., Stuttgart
nHw
(nHr)
(II fF)
(...)
Horizontfolge eines NiedermoorsBodenkundliche Kartieranleitung,5. Auflage, 2005
VerlandungsmoorAhGoGr
VerlandungsmoorAhGoGr
AhGoGr
Versumpfungsmoor(Talniedermoor)
AhGo, SwGr, Sd
Versumpfungsmoor(Talniedermoor)
AhGo, SwGr, Sd
AhGo, SwGr, Sd
Überflutungsmoor(Moormarsch)
Überflutungsmoor(Moormarsch)
Hangmoor(Quellmoor), soligen
Bildungsbedingungen für Niedermoore in Abhängigkeit von Relief und Hydrologie- Aus Kuntze, Roeschmann & Schwerdtfeger (1994): Bodenkunde, 5. Aufl., Stuttgart
nHw
(nHr)
(II fF)
(...)
nHw
(nHr)
(II fF)
(...)
Horizontfolge eines NiedermoorsBodenkundliche Kartieranleitung,5. Auflage, 2005
Kap6 Teil3 - Hydromorphe Böden - 3 –
Hochmoor
Bildung oberhalb des Grundwasserspiegels bei hohen Niederschlägen und kühlem Klima. Das Niederschlagswasser wird in der abgestorbenen Vegetation wie in einem Schwamm gespeichert, so dass der gesamte Torfkörper wassergesättigt ist. Da das Wasser hier nur aus den Niederschlägen stammt, ist es sehr nährstoffarm. Daher hemmen neben dem Sauerstoffmangel auch Nährstoffmangel und ein sehr tiefer pH-Wert die Humusmineralisation. Die wenigen Nährstoffe werden aus den absterbenden Pflanzen freigesetzt und sofort wieder von der wachsenden Vegetation aufgenommen. Stoffeinträge mit fließendem Wasser finden nicht statt, und die mineralischen Bestandteile stammen nur aus Staubeinträgen. Daher haben Hochmoortorfe einen besonders geringen Aschegehalt.
Hochmoore können sich bei kühlem Klima mit hohen Niederschlägen auch auf nährstoffarmen Sanden ohne Grundwasseranschluss bzw. ohne eine Niedermoorphase bilden ("wurzelechtes" Hochmoor).
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997
hHw
(hHr)
(nHr)
(...)
(uHr)
(II fF)Gebirgshochmoore
Hanghochmoor
ombro-soligenSattelhochmoor
Kammhochmoor
ombrogen
Bildungsbedingungen für Hochmoore in Abhängigkeit von Relief und Hydrologie- Aus Kuntze, Roeschmann & Schwerdtfeger (1994): Bodenkunde, 5. Aufl., Stuttgart
Hochmoore der Moränenlandschaft
über
Versumpfungsmoor
wurzelecht über
fossilem Podsol
über
Verlandungsmoor
AhGoGr
AhAeBhsBvAh
Go, SwGr, Sd
Horizontfolge eines HochmoorsBodenkundliche Kartieranleitung,5. Auflage, 2005
hHw
(hHr)
(nHr)
(...)
(uHr)
(II fF)
hHw
(hHr)
(nHr)
(...)
(uHr)
(II fF)Gebirgshochmoore
Hanghochmoor
ombro-soligenSattelhochmoor
Kammhochmoor
ombrogen
Gebirgshochmoore
Hanghochmoor
ombro-soligenSattelhochmoor
Kammhochmoor
ombrogen
Hanghochmoor
ombro-soligenSattelhochmoor
Kammhochmoor
ombrogen
Bildungsbedingungen für Hochmoore in Abhängigkeit von Relief und Hydrologie- Aus Kuntze, Roeschmann & Schwerdtfeger (1994): Bodenkunde, 5. Aufl., Stuttgart
Hochmoore der Moränenlandschaft
über
Versumpfungsmoor
wurzelecht über
fossilem Podsol
über
Verlandungsmoor
AhGoGr
AhAeBhsBvAh
Go, SwGr, Sd
Hochmoore der Moränenlandschaft
über
Versumpfungsmoor
wurzelecht über
fossilem Podsol
über
Verlandungsmoor
AhGoGr
AhAeBhsBvAh
Go, SwGr, Sd
Horizontfolge eines HochmoorsBodenkundliche Kartieranleitung,5. Auflage, 2005
Böden, bei denen ein Teil des Profils ganzjährig mit Wasser gesättigt ist; bilden die Abteilung Semiterrestrische Böden:
� Gleye: Grundwasserspiegel schwankt im Jahresverlauf nur geringfügig
� Auenböden: stark schwankender Grundwasserstand bis hin zur Überflutung
Weitere Abteilungen der hydromorphen Böden:
Semisubhydrische und subhydrische Böden:
� Watten: semisubhydrisch
� Unterwasserböden: subhydrisch
Moore
Gley
Horizontfolge Ah / Go / Gr
Redoximorphie bei hoch anstehendem, sauerstoffarmem Grundwasser; mittlerer Grundwasser-spiegel 40 - 80 cm unter GOF, oberhalb des Grundwasserspiegels Kapillarwassersaum.
Bodenbildende Prozesse
� Humusakkumulation im Ah, Ah aber durch das Grundwasser unbeeinflusst
� Umverteilung von Fe- und Mn-Verbindungen
Sauerstoffarmes Grundwasser führt zu einem permanent reduzierenden Milieu; Reduktion (und damit Lösung) der Fe- und Mn-Verbindungen; diese werden entweder mit dem Grundwasser abgeführt oder steigen mit dem Kapillarwasser auf.
� Bildung eines Reduktionshorizonts (Gr) im grundwasserbeeinflussten Bereich
Gelöste Fe2+- und Mn2+-Ionen wandern in den Kapillaren bis in den Bereich der luftgefüllten Grobporen, wo sie an der Aggregatoberfläche bzw. in Wurzelröhren wieder oxidiert werden.
� Entstehung eines Oxidationshorizonts (Go)
PPrrooffiillddaarrsstteelllluunngg:: GGlleeyy
Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen (verändert), http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip
Kap6 Teil2 - Hydromorphe Böden - 2 –
Kapillarsaum
GrundwasserspiegelGrundwasserspiegel
GoGo
GrGr
PorePore
OO22
FeFe2+2+ + 2H+ 2H22OO
FeOOHFeOOH + e+ e-- + 3H+ 3H++
Fe
Fe-- O
xid
eO
xid
e
Kapillarsaum
GrundwasserspiegelGrundwasserspiegel
GoGo
GrGr
PorePore
OO22
PorePore
OO22
FeFe2+2+ + 2H+ 2H22OO
FeOOHFeOOH + e+ e-- + 3H+ 3H++
Fe
Fe-- O
xid
eO
xid
e
FeFe2+2+ + 2H+ 2H22OO
FeOOHFeOOH + e+ e-- + 3H+ 3H++
Fe
Fe-- O
xid
eO
xid
e
FeFe2+2+ + 2H+ 2H22OOFeFe2+2+ + 2H+ 2H22OO
FeOOHFeOOH + e+ e-- + 3H+ 3H++
Fe
Fe-- O
xid
eO
xid
e
FeOOHFeOOH + e+ e-- + 3H+ 3H++
Fe
Fe-- O
xid
eO
xid
e
Go-Horizont
durch den Luftkontakt beeinflusster Oxidationshorizont, durch die Akkumulation von Eisen(III)-Oxiden (v.a. Ferrihydrit) fleckig rostbraun gefärbt; Flächenanteil der Rostflecken ≥ 5 %
gibt in der Regel den Grundwasserschwankungsbereich zu erkennen
Gr-Horizont
fahlgrauer, blaugrauer oder auch graugrüner Reduktions-Horizont; mehr als 300 Tage im Jahr nass, rH-Wert < 19
bildet die Bodentiefe ab, in der das Grundwasser regelmäßig ansteht WWiicchhttiiggee PPrroozzeessssee ddeerr VVeerrgglleeyyuunngg ((sscchheemmaattiisscchh))
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997
MMoorrpphhooddyynnaammiikk bbeeiimm GGlleeyy
Intensität der ablaufenden Reduktionsvorgänge hängt bei Sauerstoffarmut von der mikrobiellen Aktivität und dem Gehalt an zersetzbarer, organischer Substanz ab; Redoxsysteme im Boden fast ausschließlich mikrobiell induziert.
Werden mit dem Grundwasser über längere Zeit lösliche Eisen(II)verbindungen zugeführt, kann sich im Go Raseneisenerz (verhärtete Ausfällung von Fe-Oxiden; früher abgebaut und verhüttet) bilden.
pH-Wert, Verwitterungsgrad und Nährstoffgehalte je nach Ausgangsgestein unterschiedlich; Anlieferung von Nährstoffen und Basen (Hydrogencarbonat) durch das ziehende Grundwasser, daher oft günstiger Pflanzenstandort.
langsamlangsamziehendesziehendes
GrundwasserGrundwasser
werden Gleye von kalkreichen Grundwässern durchströmt, kann Wiesenkalk (Alm) ausfallen
kapillarer Aufstiegkapillarer Aufstieg
OO22--Diffusion in GrobporenDiffusion in Grobporen
AhHumus-
akkumulation
Go
rostfarbenrostfarben:
die mit Kapillarwasser aufsteigenden Fe2+- und Mn2+-
Ionen werden oxidiert und fallen auf Aggregatflächen
aus (���� v.a. Ferrihydrit)
Gr
reduktomorph;
grauegraue, blaueblaue und schwarzeschwarze Reduktionsfarben, ständig
werden Gleye von kalkreichen Grundwässern durchströmt, kann Wiesenkalk (Alm) ausfallenwerden Gleye von kalkreichen Grundwässern durchströmt, kann Wiesenkalk (Alm) ausfallen
Aufn.: H.H.Becher, Burk, nördl. vom Hesselberg, Lkr. AN
Wenn sauerstoffreiches Grundwasser ansteht, führen die hydrogeologischen Verhältnisse nicht zu reduzierenden Bedingungen, die Merkmale eines Gr-Horizontes sind nicht vorhanden; man findet dann den Oxigley mit der Horizontfolge Ah / Go.
Bei höherem Grundwasserniveau können stark erhöhte Humusgehalte bis hin zum Anmoor oder Moor auftreten; hier fehlt dann wegen des hohen Grundwasserstandes ein Go-Horizont.
Unter solchen Bedingungen finden wir den
Nassgley Horizontfolge Go-Ah / Gr
Anmoorgley Horizontfolge Go-Aa / Gr
Moorgley Horizontfolge H / Gr VVeerrgglleeiicchh ddeerr FFee--DDyynnaammiikk uunndd ddeerr mmoorrpphhoollooggiisscchheenn AAuusspprräägguunngg vvoonn GGlleeyy uunndd PPsseeuuddoogglleeyy::
FeFe--OxidOxid--Verteilung im Profil
GWO
Gley
OxidationsOxidations--horizonthorizont
ReduktionsReduktions--horizonthorizont
GrGr
GoGo
AhAh
Pseudogley
AhAh
StauzoneStauzone
StaukStauköörperrper
SwSw
SdSd
rot: Fe-Oxid-Anreicherung
FeFe--OxidOxid--Verteilung im Profil
GWO
Gley
OxidationsOxidations--horizonthorizont
ReduktionsReduktions--horizonthorizont
GrGr
GoGo
AhAh
Pseudogley
AhAh
StauzoneStauzone
StaukStauköörperrper
SwSw
SdSd
Pseudogley
AhAh
StauzoneStauzone
StaukStauköörperrper
SwSw
SdSd
rot: Fe-Oxid-Anreicherung
FeFe--OxidOxid--Verteilung im Mikrobereich
rot: Fe-Oxid-Anreicherung
Gley
+O2
PorePore
-O2
GWGW
+O2
Pseudogley
StauwasserStauwasser
PorePore
-O2 +O2
FeFe--OxidOxid--Verteilung im Mikrobereich
rot: Fe-Oxid-Anreicherung
Gley
+O2
PorePore
-O2
GWGW
+O2
rot: Fe-Oxid-Anreicherung
Gley
+O2
PorePore
-O2
GWGW
+O2
Gley
+O2
PorePore
-O2
GWGW
+O2
Pseudogley
StauwasserStauwasser
PorePore
-O2 +O2
Pseudogley
StauwasserStauwasser
PorePore
-O2 +O2
Kap6 Teil2 - Hydromorphe Böden - 4 –
Verbreitung
Gleye in Deutschland zwar weitverbreitet, jedoch nur kleinflächig; entscheidend für die Entwicklung dieses Bodentyps ist oberflächlich anstehendes Grundwasser, die Entwicklung ist nicht an bestimmte Ausgangsgesteine gebunden
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.
Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen, http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip
Stauwasser
Grundwasser
Gleye
GrGrGoGo
SwSwSdSd
Pseudogleye
GWOGWO Stauwasser
Grundwasser
Gleye
GrGrGoGo
SwSwSdSd
Pseudogleye
GWOGWO
Parabraunerde
Ah
Al
C
Bt
Pseudogley
Bleichung
starke Mar-morierung
C
Ah
Sw
Sd
Stagnogley
Humus-anreicherung
Versauerung
laterale Aus-waschung
C
Sw-Ah
Srw
Srd
zunehmende Vernässung
Verdichtung
Stauwasser
Sauerstoff-mangel
Bt-Sd
Ah
Al-Sw
C
Parabraunerde-
Pseudogley
Parabraunerde
Ah
Al
C
Bt
Parabraunerde
Ah
Al
C
Bt
Ah
Al
C
Bt
Pseudogley
Bleichung
starke Mar-morierung
C
Ah
Sw
Sd
Pseudogley
Bleichung
starke Mar-morierung
Bleichung
starke Mar-morierung
C
Ah
Sw
Sd
C
Ah
Sw
Sd
Stagnogley
Humus-anreicherung
Versauerung
laterale Aus-waschung
C
Sw-Ah
Srw
Srd
Stagnogley
Humus-anreicherung
Versauerung
laterale Aus-waschung
Humus-anreicherung
Versauerung
laterale Aus-waschung
C
Sw-Ah
Srw
Srd
C
Sw-Ah
Srw
Srd
zunehmende Vernässung
Verdichtung
Stauwasser
Sauerstoff-mangel
Bt-Sd
Ah
Al-Sw
C
Parabraunerde-
Pseudogley
zunehmende Vernässungzunehmende Vernässung
Verdichtung
Stauwasser
Sauerstoff-mangel
Bt-Sd
Ah
Al-Sw
C
Parabraunerde-
Pseudogley
Verdichtung
Stauwasser
Sauerstoff-mangel
Verdichtung
Stauwasser
Sauerstoff-mangel
Bt-Sd
Ah
Al-Sw
C
Bt-Sd
Ah
Al-Sw
C
Parabraunerde-
Pseudogley
Kap6 Teil1- Hydromorphe Böden - 2 –
Pseudogley Voraussetzung ist ein stauender Unterbodenhorizont. Stauwasser füllt zeitweilig alle Hohlräume aus und erzeugt daher Staunässe, gekennzeichnet durch periodischen Sauerstoffmangel und niedrige Redoxpotentiale. Charakteristisch für den Pseudogley sind als diagnostische Horizonte ein durchlässiger, wasserleitender Horizont (Sw), der über einem dichten, wasserstauenden Horizont (Sd) liegt.
Fischer, W.R., Bodenkunde, Uni Hannover, Bodentypen (verändert), http://www.unics.uni-hannover.de/fischer/typen.zip
Je nach Entstehung des Staukörpers werden unterschieden:
• Primärer Pseudogley
Horizontfolge Ah / Sw / IISd / IIC
Entsteht auf geschichteten Substraten, es handelt sich also um Zweischichtprofile; z.B. Löss über Ton, sandige Fließerde über Ton; häufig auch in periglazialen Lagen;
Die Bodenbildung erstreckt sich über mindestens zwei unterschiedliche Ausgangsgesteine¸ wobei das unter der Stauzone liegende Material (der Staukörper) weniger durchlässig ist als das darüberliegende Material. Der Staukörper ist von Anfang an vorhanden.
• Sekundärer Pseudogley
Horizontfolge Ah / Sw / Sd / C
Hier wird der Staukörper von einem weit entwickelten Bt-Horizont gebildet, in dem der Anteil an Grob- und Mittelporen durch Einlagerungsverdichtung abgenommen hat. Der sekundäre Pseudogley ist also eine Weiterentwicklung der Parabraunerde. Der Staukörper bildet sich erst während der Pedogenese. Die häufig auftretenden Übergangsformen haben die Horizontfolge Ah / Al-Sw / Bt-Sd / C.
Bodenbildende Prozesse
� Humusakkumulation
� Nassbleichung durch periodischen Wechsel von Vernässung und Austrocknung
Im Sw-Horizont dominiert oftmals hellgraue Grundfarbe mit rostbraunen Konkretionen. Im Sw-Horizont kann das Stauwasser je nach Relief mehr oder weniger langsam lateral abziehen. Die Mn-/Fe-Konkretionen reichern sich häufig an der Basis des Sw-Horizonts an. Im darunter folgenden Sd-Horizont findet man die typische Marmorierung, die durch den kleinräumigen Wechsel von rostbraunen Oxidationsbereichen und hellgrau gefärbten Bleichzonen entsteht.
Die temporäre Staunässe bzw. Wassersättigung mit sauerstoffarmem Wasser führt zur Reduktion von Eisen- und Manganoxiden. Eisen und Mangan werden in Form gelöster Fe2+- und Mn2+-Ionen innerhalb der Horizonte umlagert. Die fahlgraue Färbung als charakteristisches Erkennungsmerkmal der Fe- und Mn-verarmten Zonen entsteht durch den Verlust dieser färbenden Komponenten.
Marmorierung:Aggregate innen rostfarben, außen gebleicht
(II) Sd
Staukörper(kf <10 cm d-1,häufig <1 cm d-1)
HindiffusionRückdiffusion
WurzelWurzelSwSw
SdSd
WasserWasser
+O+O22 FeOOHFeOOH
FeOOHFeOOH FeFe22++
MnOMnO22
FeO
OH
FeO
OH
+ e
+ e
--+
3H
+ 3
H++��������
Fe
Fe
2+
2+
+
+
2H
2H
22OO
WurzelWurzelWurzelWurzelSwSw
SdSd
WasserWasserWasserWasser
+O+O22 FeOOHFeOOH
FeOOHFeOOH FeFe22++
MnOMnO22
FeO
OH
FeO
OH
+ e
+ e
--+
3H
+ 3
H++��������
Fe
Fe
2+
2+
+
+
2H
2H
22OO
+O+O22 FeOOHFeOOH
FeOOHFeOOH FeFe22++
MnOMnO22
FeO
OH
FeO
OH
+ e
+ e
--+
3H
+ 3
H++��������
Fe
Fe
2+
2+
+
+
2H
2H
22OO
+O+O22+O+O22 FeOOHFeOOH
FeOOHFeOOH FeFe22++
MnOMnO22
FeO
OH
FeO
OH
+ e
+ e
--+
3H
+ 3
H++��������
Fe
Fe
2+
2+
+
+
2H
2H
22OO
Während der Nassphase erfolgt diese Reduktion zuerst in Bereichen von Wurzelbahnen und Aggregatoberflächen. Die gelösten Fe- und Mn-Ionen diffundieren ins Aggregatinnere und fällen dort im Kontakt mit eingeschlossener Luft wieder als Ferrihydrit oder Lepidokrokit aus. Es bilden sich so gebleichte Aggregatoberflächen und Rostflecken im Aggregatinneren. Dies führt im Profilanschnitt zur typischen Marmorierung im Sd-Horizont, während der Sw-Horizont neben den Konkretionen infolge lateraler Stoffabfuhr überwiegend fahle Farben aufweist.
Sw-Ap (0–27cm) dunkelgraubrauner, humoser, schluffiger Lehm, zahlreiche Konkretionen; Subpolyeder- bis Krümelgefüge II P-Swd (27-55cm)
hellgraubrauner rostfleckiger, lehmiger Ton, zahlreiche Konkretionen; polyedrisches Gefüge; mäßig durchwurzelt
II Sd1 (55-90) überwiegend grau- und braunmarmorierter lehmiger Ton, zahlreiche große Konkretionen; prismatisch-polyedrisches Gefüge, Kluftwände gebleicht; Durchwurzelung auf Klüfte beschränkt
II Sd2 (90-100cm+) ockerbrauner, lehmiger Ton, zahlreiche mittlere und große Konkretionen; Prismengefüge, sehr dicht, Kluftwände gebleicht
Merkblatt der Bayerischen Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau, Abteilung Boden- und Landschaftspflege
Die Dauer der Vernässungsphasen wird von der Wasserleitfähigkeit, der Mächtigkeit und der Neigung des Staukörpers bestimmt, außerdem von den Niederschlagshäufigkeiten, -intensitäten und -zeiten. Wasserleitfähigkeit des Staukörpers (Sd-Horizont) oft < 1 cm d-1 (=1,16*10-7m s-1), die des stauwasserführenden Horizontes (Sw) > 10 cm d-1.
Haftpseudogley
Unter Haftnässe versteht man Nässe in dichten, schluffigen, grobporenarmen Horizonten. Das dabei in den Mittel- und Feinporen gehaltene Haftwasser füllt alle Hohlräume aus und führt daher zu reduzierenden Bedingungen, ohne dass ein Stauhorizont vorhanden ist. Es gibt also keine Differenzierung in Stauzone und Staukörper.
Man spricht dann von einem Haftpseudogley (früher: Haftnässepseudogley); er hat die Horizontfolge Ah / Sg.
Haftnässe kann auch infolge eines kapillaren Bruches auftreten, wenn im Profil eine Schichtung von schluff- und tonreichem Bodenmaterial über sandig-kiesigem Substrat auftritt (z.B. häufig im Tertiärhügelland, Löss über Kies oder Sand). Die kapillaren Adhäsionskräfte des feinkornreichen Materials mit Mittel- und Feinporen sind wesentlich höher als die des darunter liegenden groben Materials.
Klasse Permeabilität
cm d-1 mm h-1
1 sehr gering < 1 < 0,4
2 gering 1 - 10 0,4 - 4
3 mittel 10 - 40 4 - 16
4 hoch 40 - 100 16 - 40
5 sehr hoch 100 - 300 40 - 120
6 extrem hoch > 300 > 120
1 sehr gering < 1 < 0,4
2 gering 1 - 10 0,4 - 4
3 mittel 10 - 40 4 - 16
4 hoch 40 - 100 16 - 40
5 sehr hoch 100 - 300 40 - 120
6 extrem hoch > 300 > 120
Kap6 Teil1- Hydromorphe Böden - 5 –
Stagnogley
Horizontfolge Sw-Ah / Srw / (II)Srd
Durch extrem lange Nassphasen geprägter Stauwasserboden. Entsteht bei sehr hohen Niederschlägen. Bleichung des Oberbodens durch intensive laterale Verlagerung von Fe- und Mn-Verbindungen. Das hier mobilisierte Eisen wird hauptsächlich lateral weggeführt und kommt oft am Unterhang an die Bodenoberfläche (Bildung von Ockererden, einer Varietät der Braunerde mit eisenoxidreichem, rostbraunem Bv-Horizont). Eine Verlagerung in den Unterboden findet kaum statt, da dieser ständig mit stagnierendem Wasser gesättigt ist.
Durch Stoffverlagerung, Versauerung und Entbasung kommt es auch zu einer Tonzerstörung in der Stauzone. Dabei entsteht ein Profil, das über dem dichten, stark marmorierten Srd-Horizont einen intensiv gebleichten, nährstoffarmen Srw-Horizont aufweist.
Die geringe biologische Aktivität im nassen, luftarmen Material führt zur Ausbildung von Feuchtrohhumusformen als organischer Auflage.
Bei ganzjähriger Wassersättigung gehen Stagnogleye in Moor-Stagnogleye oder Moore über.
Eigenschaften und Nutzung
Pseudogleye erfordern eine angepasste Standortsnutzung. Vielfach nur Grünland- und Waldstandorte mittlerer bis guter Ertragsfähigkeit. Ackernutzung häufig aufgrund der lange ins Frühjahr reichenden Vernässung nicht möglich, Bearbeitung und/oder Bestellung nicht den Vegetationserfordernissen der Kulturpflanzen entsprechend möglich.
Die Feuchtphasen wirken sich durch das Wasserüberangebot bzw. den Sauerstoffmangel im Boden limitierend auf das Pflanzenwachstum aus.
Pseudogleye sind für die obstbauliche Nutzung wegen der Empfindlichkeit gegenüber Bodenluftmangel ungeeignete Standorte. Ausnahme bildet lediglich die Pflaume (Prunus domestica), die auch auf stauwasserbeeinflussten Böden ausreichende Erträge bringt.
Bei der forstlichen Nutzung der Pseudogleye ist auf tiefwurzelnde Baumarten zu achten (Weißtanne, Stieleiche, Aspe, Schwarzerle). Arten mit hohem Sauerstoffanspruch (wie z. B. die Fichte) entwickeln sehr flache Wurzelteller, die nur im Ah und Sw verankert sind: eingeschränkte Wasser- und Nährstoffversorgung, erhöhte Windwurfgefahr.
Stagnogleye fast ausschließlich als Waldstandorte genutzt. Vorhandene Dauerbestockung aus tiefwurzelnden Baumarten sollte erhalten bleiben, Wiederaufforstung nach Kahlschlag äußerst schwierig. Häufig tragen Stagnogleye eine spezifische Feuchtbiotopvegetation.
� Beseitigung von austauschbarem Al, das pflanzenschädlich ist und den Ertrag verringern kann
� Erhöhung der KAKeff und der Basensättigung
� Verhinderung der Zerstörung von Silicaten
Weitere Wirkungen
� Zufuhr von Ca
� Veränderung der Nährstoffverfügbarkeit: Mg, Mn, P
� Erhöhung der biologischen Aktivität und damit Effekt auf Gefügebildung (Regenwürmer), schnellerer Umsatz der organischen Reste, in Waldböden Verbesserung der Humusform
(Rohhumus � Moder � Mull)
Bei der Kalkung kommt es zu einer Entprotonisierung protonisierter Positionen; man kann nicht
den pH der Bodenlösung erhöhen, ohne die sorbierten H+ zu neutralisieren.
Der optimale pH-Bereich ist bodenspezifisch.
Wörterbuch der Bodenkunde, Hintermeier-Erhard und Zech, 1997
Gesundungskalkung
kein
Kalkbedarf
E r h a l t u n g s k a l k u n g
humoseSandböden
andereSandböden
lehmigeSandböden
sandige und schluffigeSandböden
tonige Lehm- und TonbödenK
alk
bed
arf
sein
stu
fun
g j
e n
ach
B
od
en
art
pH-Wert
Puffersysteme
ackerbaulich relevante pH-Bereiche
<5,0 5,0 - 6,5 >6,5
starke SäurenOxide vonFe Al Austauscher
3,8 4,2 5 6,2 6,5
H2CO3
Silicate CaCO3
Gesundungskalkung
kein
Kalkbedarf
E r h a l t u n g s k a l k u n g
humoseSandböden
andereSandböden
lehmigeSandböden
sandige und schluffigeSandböden
tonige Lehm- und TonbödenK
alk
bed
arf
sein
stu
fun
g j
e n
ach
B
od
en
art
pH-Wert
Puffersysteme
ackerbaulich relevante pH-Bereiche
<5,0 5,0 - 6,5 >6,5
starke SäurenOxide vonFe Al Austauscher
3,8 4,2 5 6,2 6,5
H2CO3
Silicate CaCO3
Bodenkunde Einführung - 1 -
Bodentemperatur
Die Bodentemperatur beeinflusst
� Materialeigenschaften der Bodenbestandsteile (z.B. Oberflächenspannung, Viskosität der Bodenlösung)
� Geschwindigkeit chemischer Reaktionen
� Stoffwechsel und Wachstumsprozesse von Organismen (z.B. Keimung von Samen, Wachstum von Mikroorganismen)
� Wärmetransport
erfolgt durch drei Transportmechanismen
� Strahlung Wärmetransport über Ausbreitung elektromagnetischer Wellen; besonders wichtig für den
Energieaustausch mit der Atmosphäre an der Bodenoberfläche
� Wärmeleitung
wichtigster Wärmetransportmechanismus in humiden Böden
� Strömung (Konvektion)
z.T. durch Wasserdampftransport, im Untergrund durch Wasserfluss (Grundwasser)
� Thermische Eigenschaften der Bodenbestandteile
Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Wärme einer Substanz wird durch ihre Wärme-
kapazität ausgedrückt. Die volumetrische Wärmekapazität (CV) ist die Wärmemenge, die einer
Volumeneinheit Boden zugeführt werden muss, um die Temperatur um ein K (oder Grad C) zu
erhöhen (bei konstantem Druck). Sie setzt sich additiv aus den Wärmekapazitäten der einzelnen
Phasenbestandteile zusammen. Die Wärmeleitfähigkeit KH ist eine materialspezifische
Konstante. Die Wärmediffusivität DH (DH = KH/CV) charakterisiert die Geschwindigkeit, mit der
sich eine Temperaturwelle durch Wärmeleitung im Boden ausbreitet.
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
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;
Zahl der Organismen: Biomasse im Boden; oberirdische Biomasse
Lebensraumfunktion
des Bodens
Höhe
Tiefe
max.
min.
TemperaturTemperaturTemperaturTemperatur
00
10 cm10 cm
LuftfeuchtigkeitLuftfeuchtigkeit
LichtLichtBiomasse Pfl.Biomasse Pfl.
Anzahl MOAnzahl MO
Vögel
Bodentiere
ArthropodenRäuber
Regenwürmer
NematodenWurzelfresser
Bakterien
Pilze
Humus
Pflanzen
ArthropodenZerkleinern
ProtozoenAmoeben
NematodenPilz- undBakterienfresser
Bodenkunde Einführung - 6 -
1.4 Bodenfunktionen: Produktionsmedium, Puffer, Speicher und Filter
weitere wichtige Funktionen des Bodens, zusätzlich zur Funktion, den Organismen als Lebensraum (Standort) zu dienen
eng verknüpft mit dem Begriff intakter Boden: Bodenfruchtbarkeit oder Produktivität = Fähigkeit eines Bodens, Wachstum und Erträge von Organismen, vor allem von Pflanzen, zu ermöglichen
wird durch die Gesamtheit der physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften des Bodens und deren Wechselwirkungen bestimmt:
� Gründigkeit (durchwurzelbare Tiefe),
� Textur und Struktur,
� Luft- und Wasserhaushalt,
� Säuregrad (pH),
� Redoxpotential,
� Humushaushalt,
� Sorptionseigenschaften (Bindung von Nähr- u. Schadstoffen) und Nährstoffhaushalt,
� Wärmehaushalt,
� Gehalt und Aktivität der Bodenlebewesen.
Ertrag auch abhängig von anderen Faktoren wie Klima, Topographie, Pflanzenbestand, Anbautechnik, Bodenbearbeitung, Düngung, Pflanzenschutz, Schadstoffeinwirkung, etc.
Boden reagiert auf äußere Einflüsse träger als Medien wie Wasser oder Luft, d.h. starke Pufferung
= Speicherung großer Mengen verschiedener Stoffe: Wasser, Nährstoffe, Schadstoffe in der organischen und anorganischen Matrix (Festphase).
Der Boden ist ein wesentliches Glied im Stoffkreislauf der Landschaft.
Boden ist ein offenes System - der Bilanzierung der Stoffe (Import, Export, Speicherung) kommt eine zentrale Bedeutung zu; durch Stoff- und Energieflüsse starke Verzahnung mit Nachbarkompartimenten.
Filter- und Pufferfunktion des Bodens
Bekanntes Beispiel für Pufferfunktion: Belastung des Grundwassers mit Nitrat oder Pestiziden.
Eintrag
Eintrag
Eintrag
EintragEintrag
EintragEintrag
Eintrag Eintrag
Austrag
Austrag von Stoffen und Energie
Austrag
AustragAustrag
Austrag von Stoffen und EnergieAustrag von Stoffen und Energie
Nitrattiefenverlagerung bei unterschiedlicher N-Düngung
aus Maidl & Fischbeck (1987)
1.5 Bodenfunktionen: Funktion als Archiv der Natur- und Kulturgeschichte
Böden mit naturhistorischer und geowissenschaftlicher Bedeutung
1.6 Bodenfunktionen: Nutzungsfunktion
Nutzungsfunktion als Rohstoff-lagerstätte, Fläche für Siedlung und Erholung, Standort für die land- und forstwirtschaftliche Nutzung und als Standort für sonstige wirtschaftliche und öffentliche Nutzungen, Verkehr, Ver- und Entsorgung
Fossiler BodenFossiler Boden
Schichtfolge
ehemalige Ziegelei Steinheim
Memmingen
aus: Geotopkataster Bayern
Löss, Lösslehm (Jung-Pleistozän)
Fossiler Boden (Pleistozän)
Hochterrassenschotter (Mittel-Pleistozän)
landesweit/naturräumlich selten
Seltene BSeltene Böödenden
Kalktuff, Sinter, Alm (Holozaen)
Sideritbildungim Ampermoos bei Freising
0.3
2.3
4.3
6.3
8.3
0 40 80 120
Tiefe(m)
1238 kg NO3-N ha-1976659
Σ 0-9.8mΙ, ΙΙ, ΙΙΙ Nitratpeaks infolge überhöhter
N-Düngung zu GurkenMittelwertStandardabweichung
0 40 80 120 0 40 80 120 kg NO3-N ha-1
0.3
2.3
4.3
6.3
8.3
0 40 80 120
0.3
2.3
4.3
6.3
8.3
0 40 80 120
Tiefe(m)
1238 kg NO3-N ha-1976659
Σ 0-9.8mΙ, ΙΙ, ΙΙΙ Nitratpeaks infolge überhöhter
N-Düngung zu GurkenMittelwertStandardabweichung
0 40 80 120 0 40 80 120 kg NO3-N ha-1
Bodenkunde Einführung - 8 -
Welche Probleme treten auf?
� Auswirkung der intensiven Nutzung
� Versauerung
� Erosion
� Versteppung
� Schadstoffbelastung
� Filter- und Pufferfunktion
� Bodenerhaltende Maßnahmen
Reine Verschwendung
Da auf versiegelten Flächen nur wenig Wasser versickern kann, wird der größte Teil des Niederschlags über Kanäle abgeführt.
Das Wasser geht ungenutzt ins Abwassersystem und steht weder für Pflanzen oder den Menschen, noch für Neubildung und Auffüllung der Grundwasserreservoirs zur Verfügung.
Wohin mit dem Wasser,
wenn es nicht versickern kann?
Flächenverbrauch gegenwärtig etwa 130 ha/Tag
entspricht etwa der Fläche der Stadt München im Jahr
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
feste, stofflich einheitliche Bestandteile des Gesteins, natürlich vorkommende chemische Stoffe der Erdkruste
Minerale bilden die Gesteine und die anorganische Festphase der Böden
� Gesteine
� Mineralgemisch (magmatische und metamorphe Gesteine)
Struktur: schematische Anordnung der Bausteine Eigenschaften der Gesteine sind Funktion der Struktur
kristalline Phase: geometrisch regelmäßige Anordnung im Raum: Kristallgitter anisotrop, d.h. physikalische Eigenschaften in verschiedene Richtungen verschieden (z.B. Lichtbrechung, Spaltbarkeit, Härte)
amorphe Phase: feste Körper, z.B. Glas, rein zufällige, statistisch gleichartige Verteilung der Bausteine, d.h. amorphe Körper haben in jeder Richtung physikalisch gleiche Eigenschaften = isotrop
� Korngemisch (Sedimentgesteine)
Struktur: gleich große oder unterschiedlich große Körner eckig oder gerundet, Zwischenräume teilweise mit anderem Material gefüllt
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 2 -
MetamorphoseMetamorphose
Diagenese
SedimentGesteine
Diagenese
SedimentGesteine
Ablagerung
Transport
Sedimente
Ablagerung
Transport
Sedimente
Ablagerung
Transport
Sedimente
Verwitterung Pedogenese
Böden
Verwitterung Pedogenese
Böden
Metamorphose
MetamorpheGesteine
Metamorphose
MetamorpheGesteine
Kristallisation
MagmatischeGesteine
Erkalten
Kristallisation
MagmatischeGesteine
Erkalten
AnatexisAnatexis
BiogenesMaterial
BiogenesMaterial
Magma
primäres Material
Magma
primäres Material
2.1. Magmatische Gesteine (primäre Gesteine)
Entstehung der Gesteine
� in sehr unterschiedlichem Milieu, erklärt chemische Vielfalt
� Herkunft aus Schmelze unter oder über der Erde, erkaltet bei Annäherung an die oder beim Heraustreten an die Erdoberfläche
= Mineralgemisch aus primären Mineralen
Sekundäre Gesteine und Minerale aus Umwandlung der primären durch
� Verwitterung → Boden, Sedimentgestein
� Metamorphose
Kreislauf der Lithosphäre Sch/Sch Abb. 2.1-1
Eigenschaften der Minerale
Spaltbarkeit entlang/parallel der Kristall(isations)flächen: Anisotropie: Zusammenhalt in verschiedenen Richtungen verschieden stark; beim Zertrümmern entstehen glatte Flächen (z.B. Spate als Mineralbezeichnung)
Bruch: wo nicht spaltend, muschelig
Farbe: nicht sehr typisch; viele sind weiß; jedoch hell und dunkel, im Boden Farbe von großer Bedeutung, bei Fe-Oxiden, Mn-Oxiden
Bodenminerale 2,50 - 3,00 g/cm3
Quarz 2,65 g/cm3
Spezifisches Gewicht:
Kalkspat/Calcit 2,70 - 2,72 g/cm3
Schwerminerale 2,80 - 3,00 g/cm3
Abtrennung im Boden über Dichte, viel schwerer als Humus etwa 1,40 g/cm3
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 3 -
Wichtige magmatische Minerale (primäre Minerale)
Funktion für Bodengenese, -fruchtbarkeit und Pflanze Zusammensetzung: Nährstoffgehalt Verwitterbarkeit: Freisetzung von Nährstoffen, Rate der Bodenbildung
Chemische Zusammensetzung der Lithosphäre
Mittlere Elementzusammensetzung der Erdkruste (bis in 16 km Tiefe)
vor allem Si-O-Verbindungen = Silicate *Koordinationszahl VI, außer Si und Al (IV) Al3+, Fe2+, Fe3+, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, H+, kein P!
Siliciumdioxid und Silicate
> 80% der Magmatite sind Silicate und SiO2
Silicate aus magmatischer Lösung oder infolge Metamorphose entstanden; wesentliche Ausgangsminerale für die bei der Verwitterung neu entstehenden pedogenen Minerale
Silicate aus Tetraedern und Oktaedern aufgebaut: Si als Zentral-Atom im Tetraeder, Al als Zentral-Atom im Oktaeder
Verknüpfung zwischen Tetraedern und/oder Oktaedern über Sauerstoff-Atome führt zu typischen Strukturen: Insel-, Band-, Ketten-, Schicht-, Gerüstsilicat
Grundbausteine der Silicate Sch/Sch Abb.2.1-2
Darrell G. Schulze
isomorpher Ersatz bei Gerüst- und Schichtsilicaten
Ersatz des Si4+ im Tetraederzentrum durch Al3+
Ersatz des Al3+ im Oktaederzentrum durch Mg2+, Fe2+
→ negativer Ladungsüberschuss,
→ Kationen (z.B. K+, Na+, Ca2+) zum Ladungsausgleich notwendig
*Ionen-radius
nmMasse-
%Volumen-
%Element
O 0,14 47,0 88,2 Sauerstoff47,0%
*Ionen-radius
nmMasse-
%Volumen-
%Element
O 0,14 47,0 88,2 Sauerstoff47,0%
O 0,14 47,0 88,2 O 0,14 47,0 88,2 Sauerstoff47,0%
Sauerstoff47,0% SiIV 0,026 26,9 0,32
Silicium26,9%
SiIV 0,026 26,9 0,32SiIV 0,026 26,9 0,32
Silicium26,9%
Silicium26,9%
AlVI
AlIV0,05350,039
8,1 0,55
Aluminium
8,1%
AlVI
AlIV0,05350,039
8,1 0,55AlVI
AlIV0,05350,039
8,1 0,55
Aluminium
8,1%
Aluminium
8,1%
Fe2+
Fe3+0,07800,0645
3,31,8
1,080,32
Eisen
5,1%
Fe2+
Fe3+0,07800,0645
3,31,8
1,080,32
Fe2+
Fe3+0,07800,0645
3,31,8
1,080,32
Fe2+
Fe3+0,07800,0645
3,31,8
1,080,32
Eisen
5,1%
Eisen
5,1%
Ca 0,100 5,0 3,42
Calcium
5,0%Ca 0,100 5,0 3,42Ca 0,100 5,0 3,42
Calcium
5,0%
Calcium
5,0%Mg 0,072 2,3 0,60
Magnesium2,3
Mg 0,072 2,3 0,60Mg 0,072 2,3 0,60
Magnesium2,3
Magnesium2,3
übrigeElementeübrigeElemente
Natrium2,1
Na 0,102 2,1 1,55
Natrium2,1
Natrium2,1
Na 0,102 2,1 1,55Na 0,102 2,1 1,55
Kalium 1,9
K 0,138 1,9 3,49
Kalium 1,9Kalium 1,9
K 0,138 1,9 3,49K 0,138 1,9 3,49
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 4 -
� Inselsilicat z.B. Olivin (Mg,Fe)2SiO4 grünlich
leicht verwitterbar wegen Struktur aus Sposito, 1998
(geringe Vernetzung, Fe2+-Gehalt)
nährstoffreich: Ca, Mg, aber kein K!
� Ketten- und Bandsilicate
Si-Tetraeder-Ketten und -Bänder, Vernetzung über Ca2+, Mg2+, Fe2+
Pyroxene: Kettensilicate aus Si-Tetraeder-Ketten, wichtigster Vertreter: Augit (Ca,Mg,Fe,Al,Ti)2(Si,Al)2O6
Amphibole: Bandsilicate aus Si-Tetraeder-Bändern, wichtigster Vertreter: Hornblende Ca2(Mg,Fe,Al)5(Si,Al)8O22(OH)2
aus Sposito, 1998
Modell der kettenartigen Vernetzung von Si-Tetraedern in einem Pyroxen Die großen Kugeln sind die Ca2+-, die kleinen die Mg2+-Ionen Sch/Sch Abb.2.1-8
� Blattsilicate (Schichtsilicate)
aufgebaut aus SiO4-Tetraeder-Schicht (Metallkationen mit 4 O) und AlO4(OH)2-Oktaeder-Schicht (Metallkationen mit 6 O bzw. OH)
Tetraeder-Si2O5-Schichten in 3. Raumrichtung verknüpft mit Oktaeder-Schicht, O gehören auch Tetraeder an, wichtigster Vertreter: Glimmer
Elementarschicht aus 2 Tetraederschichten und einer dazwischen liegenden Oktaederschicht, 2:1- oder Dreischicht-Minerale
isomorpher Ersatz im Tetraeder, Bindung von K+-Ionen zum Ladungsausgleich (Zwischenschichtkationen)
Glimmer (Muskovit) (Darrell G. Schulze)
K-Ionen passen sehr gut in die Oberfläche der Schichten (Sauerstoffsechserringe), Schichtabstand ca. 1nm
fixiertes K+ = Zwischenschicht
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 5 -
Tetraeder- und Oktaederschichten
Tetraederschicht (Darrell G. Schulze)
Oktaederschicht (trioktaedrisch) (Darrell G. Schulze)
Oktaederschicht (dioktaedrisch) (Darrell G. Schulze)
Elektronenmikroskopische Aufnahme der Sauerstoff-Sechserring-Konfiguration an der Basisfläche des Muskovits (l) und der 2:1-Schichtstruktur des Muskovits (r) Sch/Sch Abb.2.1-5
Muskovit (heller Glimmer): KAl2(Si3Al)O10(OH)2
zwei von drei Oktaederzentren mit Al3+ besetzt: dioktaedrisch
Biotit (dunkler Glimmer, da eisenhaltig): K(Mg,Fe2+)3(Si3Al)O10(OH)2
alle Oktaederzentren mit Fe2+ oder Mg2+ besetzt: trioktaedrisch
Eigenschaften: weich H 2,0-2,5, leicht spaltbar, „Fensterglas“
Bedeutung für Böden: K-Gehalt 5-9% Biotit < Muskovit leichter verwitterbar als Orthoklase (s. Feldspäte), da von der Seite „offen“ Biotit leichter verwitterbar als Muskovit
Vorkommen: Magmatische Gesteine (vor allem Biotit), in Sedimenten und Metamorphiten wird Muskovit neu gebildet und reichert sich an
obere Sauerstoff-Ionen
untere Sauerstoff-Ionen
Si4+
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 6 -
Kation Gruppe Formel wichtige Feldspatminerale
K+: Kalifeldspat KAISi3O8 Orthoklas
Na+: Natronfeldspat: NaAISi3O8 Albit
Ca2+: Kalkfeldspat: CaAI2Si2O8 Anorthit
Kation Gruppe Formel wichtige Feldspatminerale
K+: Kalifeldspat KAISi3O8 Orthoklas
Na+: Natronfeldspat: NaAISi3O8 Albit
Ca2+: Kalkfeldspat: CaAI2Si2O8 Anorthit
� Gerüstsilicate Hauptgruppe der Silicate
� Feldspäte
isomorpher Ersatz: Al3+ an Stelle von Si4+ (1 von 4 oder 2 von 4), dadurch Einlagerung von 1 K+ bzw. Na+ pro Al3+ bzw. 1 Ca2+ pro 2 Al3+
Kationen nicht zur Vernetzung, da Gerüststruktur, aber Kationen zum Ladungsausgleich durch isomorphen Ersatz
aus Sposito, 1998
häufig Minerale mit unterschiedlicher Mischung dieser Kationen:
Plagioklase aus Albit und Anorthit; lückenlose Mischungsreihe bei Na und Ca, da ähnlicher Ionenradius
wichtig Orthoklas 14% K
wichtig Plagioklase 0-9% Na, 0-14% Ca
Gerüststruktur, daher hart u. widerstandsfähig, aber etwas weniger als Quarz, da Si-Al-Ersatz; Härte 6
Erkennbarkeit im Gestein (Granit): Feldspat; glatte Spaltflächen; helle Minerale
Vorkommen und Bedeutung für Böden
Abbau bei Verwitterung:
Magmatische Gesteine 60%, Böden und Sedimente <10%
Was wird daraus bei der Verwitterung?
→ Nährstofffreisetzung: K, Na, Ca
→ Bildung sekundärer Minerale (Tonminerale)
� Quarz
Gerüstsilicat aus Si-Tetraedern, SiO2
Eigenschaften: Härte 7, ritzt Glas, weiß-glasig, sehr dicht
sehr widerstandsfähig, reichert sich bei Verwitterung relativ an
wird primär vom Gestein geliefert, in Böden und Sedimenten meist in größeren Körnern
liefert keine Nährstoffe; Gerüstsubstanz, ohne eigene Bindungsfähigkeit
Erkennbarkeit in Gestein und Böden: trüb, milchig, keine glatten Bruchflächen, Härte
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 7 -
Weitere primäre Minerale
Vulkanische Gläser
variable Zusammensetzung wie andere Minerale, aber nicht kristallisiert, da zu schnell erkaltet, daher sehr leicht verwitterbar:
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.
am Stück: Farbe, Einzelminerale, Körnigkeit im Aufschluss: Kluftflächen in der Landschaft: Verwitterungsformen (Kissen, Wollsackverwitterung), runde Morphologie Vorkommen:
Ostseeraum: Glaziale Blöcke aus Skandinavien, Findlinge
Alte Kontinente: Skandinavien, Indien, Afrika
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 9 -
Verwandte: Syenit, Diorit, Rhyolit, Trachyt
Wollsackverwitterung Typische Wollsackverwitterung des postorogenen Okergranits (graphophyrische Varietät) im Okertal ivvgeo.uni-muenster.de
Vulkanite
Was ist ein Vulkan?
Ein Vulkan ist ein Riss in der Erdkruste, wo Magma herausströmt. Durch die Ablagerung entsteht ein Kegel. Je nachdem, wie heiß die Lava ist, desto flacher wird der Kegel, weil dann die Lava schneller abfließt. Ein Vulkan sieht etwa so aus:
Ein Vulkan mit der Magmakammer, einem Seitenschlot und dem Krater. Schild- oder Deckenvulkane
www.ambuehler.ch
� Basalt dunkler (schwarzer), basischer Vulkanit mit fehlender oder kaum erkennbarer Körnigkeit der Grundmasse und einzelnen größeren Kristallen darin,
Mineralzusammensetzung:
50% Ca-reiche Plagioklase
50% Augite
Ca-, Fe-, Mg-reich! K-arm, P-reich
Erkennung
am Stück: schwarz, schwer, feinkristallin, muschelig brechend, sehr hart im Aufschluss: meist säulenförmig, Farbe durch Verwitterungsrinde überdeckt
in der Landschaft: Vulkanlandschaft, Kegelformen mit großen Fließdecken, runde Formen bei Verwitterung
Vorkommen: weltweit sehr verbreitet
BRD: Vogelsberg, Rhön, Hess. Bergland, Hegau, Kaiserstuhl, Parkstein, Oberpfalz Welt: Japan, USA, Mittel- und Südamerika, Australien, NZ, Hawaii, Sudan, Äthiopien, Nigeria, Kenia, S. Afrika, Indien
Vergleich Granit - Basalt Beurteilung bei festem Gestein nach 1. wie schnell ist Bodenbildung � Gründigkeit = Wieviel Boden bildet sich
2. wie ist das Material, das entsteht
hängt ab von �� Verwitterbarkeit des Mineralverbandes
�� Verwitterbarkeit der Einzelminerale
�� Art der Sekundärprodukte (Nährstoffe, Tonminerale, Oxide), klimaabhängig Granit - Basalt - Vergleich in unserem Klima
Granit:
� Schnelle Lockerung des Verbandes, da wegen großer Körner wenig Kontaktflächen, aber wenig Verwitterung der Mineralkörner � wenig Nährstoffe, wenig Sekundärminerale, Quarz und resistente Feldspäte � tiefgründige, aber ärmere Böden,
� sandig; saure Braunerden und Podsole
Basalt:
� Langsame Lockerung des Verbandes, aber starke Verwitterung der Mineralkörner, da leicht verwitterbar � flachgründige, aber reiche Böden, wenn Fe-Oxid-reich = stark braun
� tonig; eutrophe Ranker oder Braunerden
anders in anderen Klimaten, d.h. bei langer Bodenbildung � allmähliche Angleichung; Böden aus Basalt aber stets tonreicher und quarzfrei; Böden aus Granit tonärmer, quarzhaltig
für Böden wichtig: Nährstofffreisetzung bei Verwitterung
2.2. Sekundäre Minerale und Sedimentgesteine
entstehen durch Verwitterung, Voraussetzung für Bildung von Böden (und Sedimenten, Metamorphiten), pedogene Minerale
� Neubildung nach vollständiger oder teilweiser Auflösung der Primärminerale → Tonminerale
� chemische bzw. biochemische Ausfällungen: Carbonate, Fe-Oxide, Mn-Oxide und Mn-Hydroxide
MagmatischesMagmatisches GesteinGestein
unzersetzte Minerale Zersetzungsprodukte
Verwitterung
schwer löslich(Si, Al, Fe, Mn)
leicht löslich(Na, K, Mg, Ca, SO4, Cl, CO3 )
Mineralneubildung
TransportTransport
Transport
Mineralneubildung
SedimentgesteinSedimentgestein
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 11 -
Tonminerale
Si-Al-Silicate, aufgebaut aus Tetraeder- und Oktaederschichten wie die Glimmer (aus denen sie z.T. entstanden sind); jedoch Teilchengröße meist < 2 µm
alle Tetraeder besitzen Zentralatom, dagegen weisen nicht alle Oktaeder Zentralatome auf → alle Oktaeder mit Zentralatom = trioktaedrisch, nur 2 von 3 Oktaedern mit Zentralatom besetzt = dioktaedrisch; Übergänge zwischen beiden Formen möglich!
Tonminerale identifizierbar durch den Schichtabstand ihrer (geschichteten) Elementarzellen
Elementarzelle = kleinste, sich in allen Richtungen wiederholende Einheit des Kristalls;
Basisabstand = Abstand zwischen den ‘unteren’ Begrenzungen von 2 aufeinander folgenden Elementarzellen
isomorpher Ersatz: Si4+ durch Al3+ in Tetraedern, Al3+ durch Fe2+ oder Mg2+ in Oktaedern ersetzt, Schichtladung sehr variabel
Neutralisation der negativen Überschussladung durch
� austauschbare Kationen, die z.T. in Zwischenschicht eingelagert sind (diese können mit Wasser- oder Hydrathülle umgeben sein = hydratisiert), oder positiv geladene Al-Hydroxidschichten 1-wertige Kationen, haben kleineren Ionenradius als 2-wertige, gleichzeitig dickere Hydrathülle; innerhalb gleicher Wertigkeit nehmen im Periodensystem von oben nach unten Ionenradius zu und Hydrathülle ab; besonders optimal K+-Durchmesser zu Maschen-Durchmesser bei Illit
Zweischicht-Minerale
(1:1); 1 Tetraeder- + 1 Oktaeder-Schicht ohne Zwischenschicht: Kaolinit (Schichtabstand 0,7 nm); dieser (wie Halloysit (Schichtabstand 1 nm)) dioktaedrisch;
reines Al-Silicat Al2(OH)4Si2O5, jedoch Al z.T. durch Fe ersetzt
Schichtzusammenhalt durch OH...O-Brücken, meist 6-eckige Blättchen
Wasser kann nicht eindringen, nicht stark quellbar,
kaum isomorpher Ersatz, d.h. kaum Kationenbindung
Vorkommen: nicht oder wenig in Böden der gemäßigt-humiden Gebiete, sehr verbreitet in tropischen Böden
Modell eines Kaolinits (Darrell G. Schulze)
Bedeutung für Böden
� Keine Nährstoffe im Kristall, geringes Nährstofffesthaltevermögen (Dünger, Auswaschung)
� keine starke Schrumpfung + Quellung (daher gut für Keramik), meist 0.1 µm große Kristalle
� Tonböden mit geringer Fruchtbarkeit!
� meist auch Fe-Oxid-reich, da stark verwittert, wenig isomorpher Ersatz → geringe KAK, wenig Hydratation, daher auch wenig Wasserbindung
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
trioktaedrisch, aufweitbar bis 2 nm → starke Wassereinlagerung → Quellung/ Schrumpfung von Böden, ähnlich wie Smektite, jedoch höhere Ladung, daher weniger quellbar, Schichtabstand kann infolge K-Zufuhr auf 1 nm kontrahieren
Modell eines Vermikulites (Darrell G. Schulze)
� Chlorite:
kommen sowohl als primäre Minerale (aus Gesteinen) vor, wie auch als pedogene, sekundäre Chlorite
dioktaedrische Silicatschichten, mit inselartigen Einlagerungen von Al-Hydroxid-Schichten in der Zwischenschicht, Al nicht voll hydroxyliert, deshalb positive Ladung, die negative Ladung der Silicatschichten ausgleicht, nicht aufweitbar, nicht austauschbar, Schichtabstand 1,4 nm
Modell des Chlorits (Darrell G. Schulze)
Im Boden haben die Tonminerale häufig eine heterogene Schichtfolge � Wechsellagerungsmineral
Vergleich: Aufbau und Zwischenschichtbesetzung der wichtigsten Tonminerale
Kaolinit
O ... HO - Brücken
Kaolinit
O ... HO - Brücken
Smectit, Vermiculit
austauschbare Kationen + H2O
Smectit, Vermiculit
austauschbare Kationen + H2O
Chlorit
(Mg,) Al-Oktaederschicht
Chlorit
(Mg,) Al-Oktaederschicht
Illit
Kaliumionen
Illit
Kaliumionen
Tetraeder
Tetraeder
Oktaeder
Tetraeder
Tetraeder
Oktaeder
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 1 -
2. Die Bodenfestphase - Teil 2 Weitere Tonminerale
� Allophane:
wasserreich, Oktaederschicht als Mittelschicht, aber nicht geschichtet, sondern als winzige (3,5-5,0 nm äußerer Durchmesser) Hohlkugeln
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
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
Kristallaggregate des neu entdeckten Minerals Schwertmannit, der in den sauren Bergbauwässern
in großer Menge gebildet wird. Der Maßstab entspricht einem tausendstel Millimeter.
�� Vorkommen Vorkommen –– Häufiges Produkt der Pyritverwitterung
Aufn.: St. Peiffer, Universität Bayreuth.
Aufn.: Schwertmannam Pfitscherjoch in Österreich
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 3 -
� Goethit-Bildung bevorzugt bei mittleren Temperaturen unter nicht zu feuchten Bedingungen, braune Böden, kennzeichnend für gemäßigte Klimabedingungen, kommt in allen Klimaten vor, sehr stabil
� Lepidokrokit-Bildung vorherrschend unter reduzierenden, d.h. vernässten (s.u.) Bedingungen aus Fe(II)-Lösung, aber meist nur kleinräumig auftretend
� Ferrihydrit schlecht geordnet, junges Eisenoxid, entsteht bei schneller Oxidation oder bei Störung der Kristallisation, z.B. durch organische Stoffe, Silikat- oder Phosphationen; Umwandlung in Hämatit durch Entwässerung in Böden wärmerer Klimate; Umwandlung in Goethit nur über Auflösung;
Anreicherung von Fe-Oxiden kann zu Verfestigungen und Zementierungen führen, die sehr hart sein können, Horizonte als Ferricret bezeichnet; hierzu gehören auch Ortstein und Raseneisenstein
� Si-Oxide
nicht verwechseln mit Silicaten, SiO2, entstanden infolge Verwitterung primärer und sekundärer Silicate, Polymerisation der Oxide, amorph oder als Opal, sehr schwer löslich, Anreicherung in Böden der semiariden Tropen, erzeugt Verhärtungen (Panzer) = Silcret
Oberflächeneigenschaften der reaktiven Bodenbestandteile und
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)
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)
Einteilung nach Korngröße (Kiese, Sande, Schluffe, Tone oder Mischsedimente) und Art des Transports; Transport über fließendes Wasser: an Schichtung zu erkennen Windtransport: Sand- und Schluffteilchen als Flugsand oder Löss abgelagert, z.T. Feinschichtung erkennbar
Geschiebemergel und Geschiebesande (Gletscher), ungeschichtet = Gemenge
Lockersedimente - Diagenese - Verfestigung
kantiges Grobmaterial (Schutt) = Breccien gerundetes Grobmaterial (Schotter) = Konglomerate Sande = Sandsteine, Quarzite, Grauwacken, Arkosen Schluffe und Tone = Schluff- und Tonsteine carbonatreicher Schlamm = Carbonatgesteine Lösungen von Ca-, Mg- und Fe-Hydrogencarbonaten oder von Kieselsäure, die lockere Ablagerungen durchsetzen. unsortiert: Eissedimente: Moränenmaterial z.B. Geschiebemergel; Fließerden
(vgl. Film zur Einführung) Verbreitung von Moränen: Alpenvorland, N-Deutschland;
von Fließerden: Mittel- und Hochgebirge
� Tonsteine
Gesteine mit hohem Gehalt der Kornfraktion < 2 µm, Tonminerale als Hauptbestandteile Ablagerung unter ruhigen Sedimentationsbedingungen (Beckenton, Stillwassersedimente) stets Wassersedimente, meist plastisch Diagnetische Reihe Ton → Tonstein → Schieferton → Tonschiefer Verbreitung Bayern: Mittel- und Unterfranken (Albvorland), Tonsteine → Tone, Molassetone im Tertiärhügelland meist talbildend, da leicht erodierbar;
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 6 -
� Schluff, Schluffsteine (2 - 63 µm) Löss, äolisches Sediment, außerdem Flussmergel Pflanzendecke fehlt im Periglazialraum: Auswehung, Sedimentation Sedimentationsrate 1 mm/Jahr ein Schluffsediment im Glazial (Staub-Mehlsand): vorwiegend Körner 10 - 50 µm, 10 - 30% CaCO3, Illit + Smektit Verbreitung Deutschland, USA, Russland, China, Zentralasien
� Sandsteine
Gesteine mit > 50% der Fraktion 0,063 - 2 mm Psammite, Sand, Sandsteine, Kies, Schotter, Konglomerat bei hoher Transportkraft des Wassers rauh, meist sehr quarzreich, nicht plastisch, Fluss- und Küstennähe, Gletschersande, Flugsande, Grauwacken (dunkelgraue Sandsteine, die Glimmer und Chlorite enthalten und reich an Gesteinsbruchstücken sind), Sandsteine (Sandsteine i.e.S. haben > 75% Quarz) Schotter als Talfüllungen, Küstenkonglomerate (verfestigt): Nagelfluh = Kalksandstein keine Einzelminerale mehr, sondern Gesteinsrückstände Verbreitung: Molasse; Buntsandsteine: N-Schwarzwald, Spessart, Hessen, Niedersachsen
� Gemenge
Verfestigt: Breccien, Konglomerate Eigenschaften: Silicatgehalt und Bindemittel bedeutsam
Quartäre Lockersedimente
� Löss
während der quartären Vereisung wurde aus vegetationsarmen Schmelzwasser- und Frostschuttablagerungen, Tundren und arktischen Trockengebieten schluffreiches Material ausgeweht = Löss Löss ist carbonathaltig, gelblich gefärbt, ausgeprägtes Korngrößenmaximum zwischen 10 und 60 µm Durchmesser ( ≈ 60%) Tongehalt 10 - 25%, Schluffgehalt 65 - 80%, Sandgehalt 10 - 15% dünner Lössschleier in Mitteleuropa Unter den humiden Klimabedingungen der Nacheiszeit wurden im Oberboden sehr häufig Carbonate vollständig ausgewaschen und der gelbe Löss durch Eisenoxid- und Tonbildung in gelbbraunen Lösslehm umgewandelt.
Vergleich: Bodenentwicklung aus TonVergleich: Bodenentwicklung aus Ton-- und Sandsteinund Sandstein
SandsteinSandstein
niedrig
Quarz, Feldspat + andere Silicate
Nährstoffgehalt
Nährstoffspeicherung
Kohärent-, Einzelkorngefüge
Tongehalt hoch
EigenschaftEigenschaft TonsteinTonstein
vorherrschende Minerale Tonminerale
schnelllangsam
niedrighoch
gut schlecht
Gefügeform Aggregat-
Entwicklungsgeschwindigkeit
GranitBasalt
Nadelwald: Querceten, Pineten
Entsprechung
Vegetation Laubwald: Fageten, Edelholz
Bearbeitbarkeit
Durchwurzelbarkeit schlecht gut
sehr hochWasserdurchlässigkeit(-leitung) sehr gering
niedrigWasserspeicherung hoch
flach bis tiefflach
gutschlecht
physiolog. Gründigkeit
Vergleich: Bodenentwicklung aus TonVergleich: Bodenentwicklung aus Ton-- und Sandsteinund Sandstein
SandsteinSandstein
niedrig
Quarz, Feldspat + andere Silicate
Nährstoffgehalt
Nährstoffspeicherung
Kohärent-, Einzelkorngefüge
Tongehalt hoch
EigenschaftEigenschaft TonsteinTonstein
vorherrschende Minerale Tonminerale
schnelllangsam
niedrighoch
gut schlecht
Gefügeform Aggregat-
Entwicklungsgeschwindigkeit
GranitBasalt
Nadelwald: Querceten, Pineten
Entsprechung
Vegetation Laubwald: Fageten, Edelholz
Bearbeitbarkeit
Durchwurzelbarkeit schlecht gut
sehr hochWasserdurchlässigkeit(-leitung) sehr gering
niedrigWasserspeicherung hoch
flach bis tiefflach
gutschlecht
physiolog. Gründigkeit
Bodenkunde Geologisches Ausgangsmaterial - 7 -
� Flugsande als Decken oder Hügelsysteme (Dünen) verbreitet, besonders an Küsten- und Talrändern, quarzreich
� Sedimente der Flusstäler und Küsten: Auensedimente (z.B. Auenlehm), Kiese, Schotter der Flussterrassen; Marschen (sandig bis tonig)
� Kolluvium Junge Sedimente wechselnder Körnung entstehen durch die Erosion als Kolluvien an Hangfüßen, nachdem die Böden der Hänge in Ackerkultur genommen wurden oder werden
� Glazigene Sedimente Gletscher hinterließen nach dem Abschmelzen Moränen im inneren Bereich: flache, aber unebene Grundmoränen Gletscherränder: wellige Endmoränen, auch durch Eisschub meist unsortiert; häufig große, mehr oder weniger abgerundete Gesteinsblöcke, sog. Geschiebe je nach Körnung und Carbonatgehalt: Geschiebesande, -lehme oder –mergel Schmelzwässerablagerungen kommen vor allem als Kies (z.B. Fluss- oder Terrassenschotter) oder Sande (Schmelzwassersande) vor.
� Fließerden und Solifluktionsschutt Lockersedimente, die sich in Hanglagen (>2°) auf gefrorenem Untergrund als wassergesättigter Brei bewegten.
In Mitteleuropa während des Pleistozäns entstanden und heute in den meisten Mittelgebirgs-lagen als eine 1-4 m mächtige, mehr oder weniger geschlossene Decke anzutreffen
NH 4-Konzentration in derGleichgewichtslösung (mmol L-1)
M gK
C a
00
100 200 500
20
40
60
80
100Na
NH 4-Konzentration in derGleichgewichtslösung (mmol L-1)
M gK
C a
00
100 200 500
20
40
60
80
100Na
NH 4-Konzentration in derGleichgewichtslösung (mmol L-1)
M gK
C a
K+
22%0,033
H+
16%0,024
Al3+
4% 0,006
Ca2+
31%0,047 cmolc/L
Na+
20%0,030
Mg2+
7% 0,011
Bodenlösung
Σ Σ Σ Σ 100% 0,151 cmolc/L
Na+
1% 0,1
H+
7%1,1
Al3+
72% 10,2
K+
3%0,4Mg2+
2% 0,3
Ca2+ 15%2,2 cmolc/kg
Ionenbelag
Σ Σ Σ Σ 100% 14,3 cmolc/kg
K+
22%0,033
H+
16%0,024
Al3+
4% 0,006
Ca2+
31%0,047 cmolc/L
Na+
20%0,030
Mg2+
7% 0,011
Bodenlösung
Σ Σ Σ Σ 100% 0,151 cmolc/L
K+
22%0,033
K+
22%0,033
H+
16%0,024
H+
16%0,024
Al3+
4% 0,006Al3+
4% 0,006
Ca2+
31%0,047 cmolc/L
Ca2+
31%0,047 cmolc/L
Na+
20%0,030
Na+
20%0,030
Mg2+
7% 0,011
Mg2+
7% 0,011
Bodenlösung
Σ Σ Σ Σ 100% 0,151 cmolc/L
Na+
1% 0,1
H+
7%1,1
Al3+
72% 10,2
K+
3%0,4Mg2+
2% 0,3
Ca2+ 15%2,2 cmolc/kg
Ionenbelag
Σ Σ Σ Σ 100% 14,3 cmolc/kg
Na+
1% 0,1Na+
1% 0,1
H+
7%1,1
H+
7%1,1
Al3+
72% 10,2
Al3+
72% 10,2
K+
3%0,4
K+
3%0,4Mg2+
2% 0,3Mg2+
2% 0,3
Ca2+ 15%2,2 cmolc/kgCa2+ 15%2,2 cmolc/kg
Ionenbelag
Σ Σ Σ Σ 100% 14,3 cmolc/kg
Bodenkunde Organische Substanz - 1 -
Organische Substanz im Boden
Definition und Einteilung
alle in und auf dem Mineralboden befindlichen abgestorbenen pflanzlichen und tierischen
Stoffe und deren organische Umwandlungsprodukte;
lebende Organismen (das aus Bodenflora und -fauna bestehende Edaphon) sowie lebende Wurzeln gehören nicht zur organischen Substanz der Böden;
Nach dem Grad ihrer Umwandlung im Boden unterteilt man
� Streustoffe: nicht oder nur schwach umgewandelt, Gewebestrukturen morphologisch sichtbar; abgestorbene Pflanzenreste (auch tote Wurzeln) und Bodenorganismen; Verweilzeit ("turnover time") im Boden ist kurz
� Huminstoffe: stark umgewandelte (hochmolekulare) Substanzen ohne makroskopisch erkennbare Gewebestrukturen, gegen Mineralisierung stabilisiert, niedrige Umsatzrate bzw. hohe Verweilzeit im Boden
Gesamtheit der organischen Substanz des Bodens = Humus
Auflagehumus Humus im Mineralboden: mit dem Mineralkörper vermischt im Bodenwasser gelöste organische Substanzen: "DOM" = dissolved organic matter
Abbau organischer Substanzen = Zersetzung:
Mineralisierung: vollständiger mikrobieller Abbau zu anorganischen Stoffen (CO2, H2O), dabei auch Freisetzung der in den organischen Stoffen enthaltenen Pflanzennährelemente (z.B. Mg, Fe, N, P, S),
Humifizierung: Umwandlung in Huminstoffe
Im Bodenprofil steigt der Zersetzungsgrad meist von oben nach unten an
Durchschnittliche Verweilzeit der organischen Substanz in Böden 30 - 40 Jahre, große Schwankungsbreite
Zusammensetzung: C, H, O, N, S und P; Kohlenstoffgehalt der organischen Substanz im Durchschnitt um 50 %; Gehalt an organischer Substanz (bzw. der Humusgehalt) variieren in weiten Grenzen
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:
� Proteine Polypeptide, lange Ketten verschiedener Aminosäuren Enzyme, Transportproteine, Regulatoren, Speichersubstanzen, Strukturproteine Proteine der pflanzlichen und mikrobiellen Gewebe können von einer Vielzahl von Mikroorga-nismen abgebaut werden weniger stabile Pflanzeninhaltsstoffe
� Stärke wichtiges Speicherpolysaccharid in Höheren Pflanzen, auch in einigen Algen und Bakterien, besteht aus zwei verschiedenen Glucosepolymeren, Amylose und Amylopektin; Amylose im Durchschnitt etwa 25 % der Stärke
Zellwandbestandteile der Pflanzen
� Polysaccharide
Cellulose, das am häufigsten vorkommende Biopolymer
Gerüstsubstanz in den Zellwänden niederer und höherer Pflanzen
Hohe Cellulosegehalte in Stielen und Stämmen und in anderen verholzten Teilen von Pflanzen; auch Bestandteil der Zellwände von Algen und Pilzen, in Bakterien nur selten
linearpolymeres Glucan, Glucose-Einheiten (>10.000), die ß-(1-4)-glycosidisch miteinander verbunden sind; regelmäßige Anordnung der Hydroxylgruppen entlang der Cellulosekette, Ausbildung von H-Brücken, Fibrillenstruktur mit kristallinen Eigenschaften, nur 15 % des Cellulosemoleküls hat amorphe Struktur
in der verholzten Zellwand eng mit Polyosen und Lignin vergesellschaftet; im sogenannten Lignin-Cellulose-Komplex über Ester- oder Etherbindungen an Lignin gebunden
� Nichtcellulosische Polysaccharide
Polyosen oder Hemicellulosen: Aufbau aus verschiedenen Zuckereinheiten, mit Seitenketten und Verzweigungen; Zuckereinheiten: Pentosen, Hexosen, Hexuronsäuren und Desoxyhexosen; in Höheren Pflanzen, auch in Bakterien, Pilzen und Algen
n
OCH2OH
OH
OH
H HH
H
H
O
OCH2OH
OH
OH
H HH
H
H
O
O
OCH2OH
OH
OH
O
OCH2OH
OH
OH
O
Amylopektin
OCH2
OH
OH
O
OCH2OH
OH
OH
O1
23
4
5
6
O
OCH2OH
OH
OH
O
OCH2OH
OH
OH
O Amylose
n
OCH2OH
OH
OH
H
H
H
H
H
O
O
H
H
H
H
HOH
CH2OH
OH
O
O
OHHOH2C
O
O
HO
O OH
OO
HO
OO
OH
O
OH O
O
HO
OO
OHO
OH O
OHOOC
OHH3CO
OH
O OH
52
Bodenkunde Organische Substanz - 4 -
� Lignin hochmolekulare, dreidimensionale Substanz aus Phenylpropaneinheiten
Bestandteil der Zellwände von Gefäßpflanzen
Moose, Algen, aquatische Pflanzen und Mikroorganismen enthalten kein Lignin
in der Primärwand, der Sekundärwand und in der Mittellamelle in Zwischenräumen der Cellulose-Mikrofibrillen
Verbindung zwischen den Zellen, Verstärkung der Zellwände des Xylemgewebes, schützt die verholzte Zellwand vor mikrobiellem Angriff
dreidimensionales Makromolekül mit Vielzahl von C-C- und Etherbindungen, auch Bindungen zu den Hydroxylgruppen der Zellwandpolysaccharide (Cellulosen und Hemicellulosen): Lignin-Poly-saccharid-Komplexe
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
� 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
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
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)
α-Carbonyl-Bildung Abspaltung der Seitenkettenund Oxidation des Cα
HC - O - L
CH2OH
R - O
OCH3
COOH
R - O
OCH3
C = O
HC - O - L
CH2OH
im Makromolekül
HCOH
OH
OH
Demethylierung zu o-Diphenol
HC - O - L
CH2OH
HCOH
HC - O - L
CH2OH
R - O
COOH COOH
COOH
HCOH
HC - O - L
CH2OH
COOH
Bodenkunde Organische Substanz - 8 -
F
ECPC
C
B
B
CW ECP
F
ECPC
C
B
B
CW ECP
C clay microaggregates
ECP extracellular polysaccharide
F fungal hyphae
CW collapsed cell wall
B bacterium
� Bildung stabiler Huminstoffe Pflanzliche und mikrobielle Reste wie auch ihre Umwandlungsprodukte durch verschiedene Mechanismen gegen weiteren mikrobiellen Abbau geschützt Kopplung an Tonminerale und Eisenoxide: Ton-Humus-Kopplung
electrostatic interaction(outer sphere complex) at a singly coordinated OH group
21
protonatedsurface OH group
21
Fe Fe
O
O
Fe
C
R
O
O
Fe
C
R
Iigand exchange at a singlycoordinated OH group
electrostatic interaction(outer sphere complex) at a singly coordinated OH group
21
Bodenkunde Organische Substanz - 9 -
Pflanzenreste im Aggregatinneren eingeschlossen und für Mikroorganismen unzugänglich
� Fraktionierung der organischen Substanz
physikalische Fraktionierung nach der Korngröße und/oder Dichte der Partikel, zur Trennung der Pflanzenreste von den Huminstoffen leichte bzw. grobe Fraktion (Sandfraktion): Pflanzenreste, die nicht oder nur wenig verändert sind; hohe Gehalte an Polysacchariden, Lignin, und Lipiden; Schluff-Fraktion enthält modifizierte Bruchstücke des Streuabbaus, bevorzugt Abbauprodukte von Polysacchariden, mit aliphatischen Bestandteilen und modifizierten Ligninbruchstücken angereichert Organische Substanz der Tonfraktion vor allem langkettige Paraffinstrukturen, auch Carboxylgruppen Mit steigendem Tongehalt steigen meist die Anteile der organischen Substanz, die sich in der Tonfraktion befinden
O-Alkyl-C 26...30 % mittel pflanzlich und mikrobiell
Aryl-C 16...27 %
Ton Alkyl-C 46...50 %
O-Alkyl-C 22...25 % stark überwiegend mikrobiell
Aryl-C 13...14 %
Fraktion Bausteine/
Zusammensetzung
Umwandlungs-
grad des Lignins
Herkunft der
Polysaccharide
Sand Pflanzenreste
Alkyl-C 40...46 %
O-Alkyl-C 35 % gering überwiegend pflanzlich
Aryl-C 24...26 %
Schluff Alkyl-C 31...44 %
O-Alkyl-C 26...30 % mittel pflanzlich und mikrobiell
Aryl-C 16...27 %
Ton Alkyl-C 46...50 %
O-Alkyl-C 22...25 % stark überwiegend mikrobiell
Aryl-C 13...14 %
PlantResidues
Light FractionOrganic Matter
CO2
StabilizedOrganic Matter
CO2
increasing humification
Bodenkunde Organische Substanz - 10 -
Umsetzungszeiten
Art der organischen Substanz Anteil an gesamter org.Subst. Umsetzungszeit
[%] [Jahr]
Streu — 1 — 3
mikrobielle Biomasse 2 — 5 0,1 — 0,4
als feste Teilchen 18 — 40 5 — 20
leichte Fraktion 10 — 30 1 — 15
zwischen Mikroaggregaten 20 — 35 5 — 50
innerhalb Mikroaggregaten 50 — 1000
physikalisch abgetrennt 20 — 40
chemisch abgetrennt 20 — 40 1000 — 3000
Stickstoff, Schwefel und Phosphor in organischer Bindung
� Stickstoff: wichtiger Bestandteil aller Huminstoffe, Hauptanteil des organisch gebundenen Stickstoffs in Form von Amidstrukturen stabilisiert, Anteil des Stickstoffs in heterozyklischer Bindung gering
� Schwefel: C:S-Verhältnis 200 in Grünland- und Waldböden, 130 in ackerbaulich genutzten Böden; bis zu 90 % des Schwefels in organischer Form gebunden, davon 30 - 75 % als Sulfatester, weiterer C-gebundener Schwefel überwiegend in Aminosäuren
� Phosphor: mehr als 50 % des Gesamt-P in Böden in Form von Orthophosphatmono- und -diestern, bis zu 60 - 90 % des gesamten Phosphors dieser Bodenfraktion
0 10N-Verteilung in %
Säureunlöslicher N
Aminozucker-N
20 30 40 50
NH4-N aus organischem N
Säurelöslicher N undefiniert
Aminosäure-N
Bodenkunde Organische Substanz - 11 -
Günstige Wirkung von Humus in Böden
(bio-)chemische Wirkung
Nährstoffquelle für N (95 %) und P für Pflanzen, die umso reichlicher fließt, je nährstoffreicher die organische Substanz und je aktiver Mikroorganismen, die N und P (und andere organisch gebundene Nährstoffe (Chelate)) zunächst in ihren Körper einbauen und nach ihrem Tod den Pflanzen in verfügbarer Form anbieten
organische Substanz ist Ausgangssubstanz für Chelate bzw. organische Metall-Komplexe, Huminstoffe haben Austauschereigenschaften und können sowohl Kationen binden/sorbieren als auch sich an Tonminerale anlagern (Ton-Humus-Komplexe)
physikalische Wirkung
hat geringes spez. Gewicht, ist sperrig ⇒ Bodengewicht und damit Auflastwirkung des Bodens gesenkt; hat hohe Wasserbindungsfähigkeit (3-5fache des Eigengewichts) ⇒ erhöhte Wasser-bindung; fördert durch sein Vorhandensein Bioturbation ⇒ Boden locker, grobporenreich, gut durchlüftet, aber gleichzeitig erhöhte Wasserdurchlässigkeit; schwärzt Bodenoberfläche und hat geringe Wärmeleitfähigkeit ⇒ leichte Erwärmbarkeit und Abkühlung des Oberbodens ⇒ fördert Keimung, aber auch Bodenfrostgefahr
physikochemische Wirkung
in feuchtem Zustand hydrophil ⇒ dadurch starke Wasseraufnahme; in trockenem Zustand hydrophob ⇒ wegen mangelnder Benetzbarkeit des Bodens entweder Infiltration verzögert (⇒ erhöhter Oberflächenabfluss) oder sehr schnelle Infiltration und Tiefensickerung (= keine Wasseraufnahme im Oberboden aus den Grobporen heraus)
außerdem wegen mangelnder Benetzung kein Zusammenhalt der Oberbodenteilchen entwässerter Anmoore und Niedermoore (sog. Puffigkeit) ⇒ erhöhte Winderosionsanfälligkeit
fördert wegen meist vorhandener positiver Ladung der Makromoleküle der Huminstoffe Aggregierung von Tonteilchen (Ton-Humus-Komplexe) ⇒ Erhöhung der Aggregatstabilität, der Tragfähigkeit und des Erosionswiderstandes gegen Wasser und Wind
� Organische Bindung oder Kationenaustausch, Sorption und Komplexbildung von Pflanzennährstoffen.
� Allmähliche Freisetzung sorbierter und gebundener Pflanzennährstoffe.
� Bildung und Erhaltung einer günstigen Bodenstruktur.
� Verbesserung der Wasserführung und des Wasserhaltevermögens.
� Vermehrung der Filter- und Pufferkapazität.
� Immobilisieren und Entgiften organischer und anorganischer toxischer Substanzen.
� Erhöhung der Bodentemperatur durch Lichtabsorption.
� Förderung des Pflanzenwachstums unter sub-optimalen Bedingungen.
Bodenkunde Einführung - 1 -
Phasenverteilung
� Volumen- und Massenanteile
Im Boden finden wir eine intensive Durchdringung der drei Phasen
� Bodenmatrix (feste Phase)
� Bodenlösung (flüssige Phase)
� Bodenluft (gasförmige Phase).
Anteil und räumliche Verteilung der drei Phasen können in weiten Grenzen schwanken; im Extremfall kann eine Phase nahezu fehlen, z.B. in permanent nassen Gleyen oder Moorböden oder in Wüstenböden.
Bezogen auf das Gesamtvolumen besteht der Boden aus etwa
• 50 % Matrix
• 50 % Porenraum, gefüllt mit Bodenlösung (20 - 50 %) und Bodenluft (0 - 30 %).
Diese Volumenanteile beziehen sich auf das Lagerungsvolumen der drei Phasen. Das Lagerungsvolumen ist das Gesamtvolumen aller drei Phasen eines ungestörten Bodens. Es ist nicht konstant, sondern kann durch Quellen/Schrumpfen, Gefrieren/Tauen oder auch durch Bodenbearbeitung starken kurzfristigen Veränderungen unterliegen.
Bei einer Angabe von Massenanteilen wird dagegen auf die Trockenmasse der Bodenmatrix Bezug genommen. Die Trockenmasse wird nicht von den oben genannten kurzfristigen Einflüssen betroffen. Solche massenspezifische Größenangaben können nicht direkt auf räumliche Bilanzierungskompartimente bezogen werden. Gibt man eine Größe (z.B. den Nährstoffgehalt) pro Volumeneinheit an, ergibt sich häufig eine ökologisch gut interpretierbare Angabe (z.B. die Nährstoffmenge im durchwurzelten Bodenvolumen).
� Lagerungsdichte
Mithilfe von Dichteangaben können Masse- u. Volumengrößen ineinander umgerechnet werden.
Als Lagerungsdichte ρρρρa (auch scheinbare Dichte) bezeichnet man das Verhältnis von Trockenmasse zu Lagerungsvolumen eines Bodens. Sie kann im Mineralboden Werte zwischen 0,5 und 1,8 g cm-3 annehmen.
Die reelle Dichte ρρρρr (das spezifische Gewicht) ist das Verhältnis der Masse zum Volumen einer Phase.
Dabei besteht folgende Beziehung: ρρρρr ∗∗∗∗ Volumenanteil = ρρρρa ∗∗∗∗ Massenanteil
Masse
ML ~0%
15-30%
MM
mineralischorganisch
MW
VW
VL
VM
Phase Volumen
70-85% 50%
20-50%
0-30%
Matrix
Wasser
Luft
Masse
ML ~0%
15-30%
MM
mineralischorganisch
MW
VW
VL
VM
Phase Volumen
70-85% 50%
20-50%
0-30%
Matrix
Wasser
Luft
Bodenkunde Einführung - 2 -
Das spezifische Gewicht wichtiger Bodenbestandteile:
Quarz 2,65 g cm-3
Calciumcarbonat 2,71 g cm-3
Organische Substanz (Torf) 1,40 g cm-3
Die reelle Dichte der Bodenfestphase variiert im Mineralboden zwischen 2,4 und 2,7 g cm-3, je nach den Anteilen an organischer Substanz.
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.
Abweichungen von der Kugelform, z.B. die blättchenartige Form der Tonminerale bewirken meist eine Zunahme des Porenvolumens aufgrund der sog. Kartenhausstruktur.
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.
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.
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)
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.
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.
� Matrix-Potential und Boden-Wasser-Charakteristik
Das Matrixpotential beschreibt den Anteil des Wasserpotentials, der mit dem Wassergehalt im Porenraum variiert.
Die Beziehung zwischen Wassergehalt und Matrixpotential ist eine charakteristische Eigenschaft eines Bodens: Boden-Wasser-Charakteristik (auch pF-Kurve oder Desorptionskurve).
Die Bindungsstärke (Wasserspannung) wird als Logarithmus des negativen Matrixpotentials angegeben. Die Einheit für das Potential ist hPa. Nach Teilen durch Dichte (des Wassers) und Gravitationskonstante entsteht eine äquivalente Längeneinheit. Bei Gravitationspotential einer Wassersäule ist dies gerade die negative Höhe. Deshalb wird als cm WS diese negative Länge genommen.
Dimensionen der Wasserspannung (Saugspannung)
Länge der Wassersäule : cm WS
(negativer) Druck = Saugdruck : Pa
log cm WS = log h Pa = pF
log 1 cm WS = log 1 h Pa = pF0
log 100 cm WS = log 100 h Pa = pF2
log 1000 cm WS = log 1000 h Pa = pF3
Für die Boden-Wasser-Charakteristik wird der pF-Wert gegen den Wassergehalt (Θ) aufgetragen. Daraus ergibt sich die Wasserverfügbarkeit.
Bei Wassersättigung: alle Poren sind vollständig mit Wasser gefüllt, Boden steht im Gleichgewicht mit freier Wasserfläche, Matrixpotential = 0; Wird der Wasserspiegel abgesenkt, entsteht ein Unterdruck, das Matrixpotential wird erniedrigt und dem Boden Wasser entzogen (Desorption).
� Grobporen (> 10 µm) binden Wasser nicht und werden daher durch die Schwerkraft leicht entwässert, sofern keine Stauschicht verhanden ist. Die Grobporen sind deshalb vor allem für die Durchlüftung des Bodens wichtig. Wurzeln haben aufgrund ihrer Größe nur Zugang zu den Grobporen. Das Wasser in den Grobporen wird als Gravitations- oder Sickerwasser bezeichnet. In den engen Grobporen (10 – 50 µm) ist es wegen der geringen Sickergeschwindigkeit pflanzenverfügbar.
� Mittelporen (0,2 – 10 µm) speichern kapillares Wasser, das für Pflanzenwurzeln aufgrund ihres Saugdrucks verfügbar ist. In die Mittelporen eindringen können nur Wurzelhaare und Mikroorganismen. Die Menge an Wasser, die in den Mittel- und Feinporen eines Bodens gegen die Schwerkraft festgehalten werden kann, wird als Feldkapazität (FK) bezeichnet. Bei Feldkapazität sind die Grobporen nach Wassersättigung durch die Schwerkraft soweit dräniert, dass das Gravitationswasser aus ihnen abgeflossen ist. In terrestrischen Böden wird die Feldkapazität auf die Mittel- und Feinporen bezogen (= -300 hPa), in hydromorphen Böden bezieht man auch die engen Grobporen zusätzlich zu den Mittel- und Feinporen ein (Matrixpotential = -60 hPa).
� Feinporen (< 0,2 µm) binden Wasser so stark, dass es im Allgemeinen nicht mehr für Pflanzen verfügbar ist. Die Feinporen sind unter humiden Klimabedingungen praktisch immer wasserführend. Die Feinporen sind unbelebt.
Bei einem pF-Wert von 4,2 (= -15000 hPa) ist der permanente Welkepunkt (PWP) erreicht (Wassergehalt, nach dessen Unterschreiten Pflanzen irreversibel welken).
Die Luftkapazität (LK) wird meist in Vol.-% angegeben. Sie bezeichnet den Porenraum, der bei freiem Wasserabfluss luftgefüllt ist, entspr. Grobporen (terrestrische Böden) oder weiten Grobporen (hydromorphe Böden), (Matrixpotential >-300 hPa bzw. >-60 hPa).
Die Menge des in den Mittelporen gespeicherten Wassers ist die nutzbare Feldkapazität (nFK). Sie entspricht dem Potentialbereich zwischen Feldkapazität und permanentem Welkepunkt.
Das in den Feinporen durch die starken Bindungskräfte am Abfließen gehinderte, nicht pflanzenverfügbare Wasser nennt man auch Totwasser.
weite weite
GrobporenGrobporen
1
2
3
4
pFpF
10
100
1000
10 000
SS(hPa)
0 0,2 0,4 0,6 θθθθθθθθ cm3 cm-3
d(µm)
0,2
50
FeinporenFeinporen
MittelporenMittelporen
Gravitationswasserpflanzenverfügbares Wasser
SandSand
TonTon
nicht verwertbares Wasser
SandbodenSandboden
TonbodenTonboden
10 enge enge
GrobporenGrobporen
mWHKmWHK
FKFK
PWPPWP
weite weite
GrobporenGrobporen
1
2
3
4
pFpF
10
100
1000
10 000
SS(hPa)
0 0,2 0,4 0,6 θθθθθθθθ cm3 cm-3
d(µm)
0,2
50
FeinporenFeinporen
MittelporenMittelporen
Gravitationswasserpflanzenverfügbares Wasser
SandSand
TonTon
nicht verwertbares Wasser
SandbodenSandboden
TonbodenTonboden
10 enge enge
GrobporenGrobporen
mWHKmWHK
FKFK
PWPPWP
Bodenkunde Flüssigphase - 4 -
Abschätzung der nutzbaren Feldkapazität (nFK), angegeben in Vol.-% oder mm (potentiell) pflanzenverfügbares Wasser
raumraum bei Getreide (dm)bei Getreide (dm)pflanzenverfpflanzenverfüügbaregbare
Bodenwassermenge (mm)Bodenwassermenge (mm)
Grobsand 5 30
Mittelsand 6 55
Feinsand 7 80
lehmiger Sand 7 115
schluffiger Sand 8 140
lehmiger Schluff 11 220
sandiger Lehm 9 155
schluffiger Lehm 10 190
toniger Lehm 10 165
lehmiger und schluffiger Ton 10 140
Bodenkunde Flüssigphase - 5 -
� Wasserbewegung im Boden Wasser kann sich nur bewegen, wenn ein Gefälle oder Potentialgradient vorhanden ist.
Wasser bewegt sich nur in den Hohlräumen, also Poren, des Bodens. Infolge von Reibungs-verlusten an der Oberfläche, also der Porenwand, ist Wasserbewegung in kleinen Poren (Röhren) wesentlich kleiner als in großen Poren. Die Wasserbewegung ist im Idealfall zu berechnen für Kapillaren/Röhren nach HAGEN-POISEUILLE:
q = Durchflussmenge pro Zeiteinheit, r = Kapillar-(Poren-)radius, ∆p = Druckdifferenz, η = Viskosität des Wassers, l = Länge der Kapillare (= Fließstrecke); vorausgesetzt wird laminare Strömung, die im Boden wegen der insgesamt geringen Fließgeschwindigkeit vorliegt, und Durchgängigkeit oder hohe Kontinuität der Poren.
Da Boden ein Gemisch aus sehr variablen Kapillaren ist (s. Abb. in Gefüge), wird seine Wasserleitfähigkeit berechnet nach DARCY:
Q = Wassermenge pro Flächen- und Zeiteinheit, k = Wasserleitfähigkeitskoeffizient [Vol./(Fläche·Zeit)], i = Gradient (dimensionslos), ∆ Ψ = Potentialdifferenz [‘Länge’], ∆ l = Fließstrecke [Länge]. Es liegt eine Volumenflussdichte vor; Kürzung ergibt die Dimension einer Geschwindigkeit.
� gesättigte Wasserbewegung gesättigte Wasserleitfähigkeit kf, bezogen auf Einheitsgradient (cm Druckdifferenz pro cm Fließstrecke),
Alle Poren mit Wasser gefüllt (Grundwasser, Stauwasser, zugehörige hydromorphe Bodentypen: sehr stark vernässter Pseudogley, Gley, Auenböden, Niedermoor, Hochmoor und Zwischenformen);
antreibender Gradient = hydrostatische Druckdifferenz oder Gravitationspotentialgradient (∆ Ψ z);
gesättigte und damit schnelle Wasserbewegung nur in weiten Grobporen (>50 µm).
Je grobkörniger ein Boden ist, desto grobporenreicher, desto höher ist die gesättigte Wasserleitfähigkeit (gesWL); bei lehmigen und tonigen Böden ist der Anteil an Sekundärporen (= weite Grobporen) entscheidend; auch in Tonbodenhorizonten kann deshalb die gesWL so groß wie in Sandböden sein.
Häufige Werte der Wasserleitfähigkeit von wassergesättigten Böden verschiedener Körnung (aus Sch/Sch 2002)
Unterbrechung der leitenden Poren, z.B. durch Verdichtung oder Substratwechsel, behindert oder stoppt Wasserbewegung. Es kommt zum Wasserstau. Für die Profildurchlässigkeit sind also Querschnitt und Kontinuität der leitenden Poren ausschlaggebend.
� 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
� 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),
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.
� 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