5. Bodenchemische Eigenschaften

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1 5. Bodenchemische Eigenschaften Aufbau der Minerale Böden als Kationenaustauscher - Eigenschaften der Austauscher - Austauschkapazität - Basensättigung Bodenreaktion - ph-wert - Versauerung von Böden - Böden als Puffersysteme Bodenhumus - Prozesse der Zersetzung - Eigenschaften der Huminstoffe

2 Aufbau der Minerale

3 Einteilung der Mineralien in acht Klassen I. Elemente z.b. Eisen, Kupfer, Gold, Silber, Schwefel, Graphit II. Sulfide III. Halogenide IV. Oxide, Hydroxide V. Carbonate VI. Sulfate VII. Phosphate VIII. Silikate Schwefelverbindungen; z.b. Pyrit (FeS 2 ), Bleiglanz (PbS), Zinkblende (ZnS) Verbindungen mit Chlor und Fluor; z.b. Steinsalz (NaCl), Flussspat (CaF 2 ) z.b. Hämatit (Fe 2 O 3 ), Goethit (FeOOH), Manganit (MnOOH), Korund (Al 2 O 3 ) Verbindungen mit CO 3 2- ; z.b. Calcit = Kalk (CaCO 3 ), Dolomit CaMg(CO 3 ) 2, Siderit (FeCO 3 ), Magnesit (MgCO 3 ) Verbindungen mit SO 4 2- ; z.b. Anhydrit (CaSO 4 ), Gips (CaSO 4 *2H 2 O), Baryt (BaSO 4 ) Verbindungen mit PO 4 3- ; z.b. Vivianit (Fe 3 [PO 4 ] 2 8 H 2 O; Apatit Ca 5 O[PO 4 ] 3 OH Aufbau aus [SiO 4 ] 4- -Tetraedern, die in Kristallgittern verschiedenartig angeordnet sind und durch geeignete Kationen (Al 3+, K +, Mg 2+,...) untereinander zusammengehalten werden Insel-, Ring-, Schicht-, Gerüstsilikate

4 Feldspat, Quarz und Glimmer, die vergess ich nimmer Silikate sind die bedeutendste Gruppe der gesteinsbildenden Minerale: sie stellen ca. 1/3 aller Minerale und sind mit > 80 % am Aufbau der Erdkruste beteiligt. Hinsichtlich der Entstehung sind zu unterscheiden: Primäre Silikate durch magmatische Prozesse entstanden (Feldspäte, Glimmer,...) Sekundäre Silikate im Zuge der Pedogenese durch Verwitterung der primären Silikate und Umwandlung der Verwitterungsprodukte neu entstanden ( Tonminerale) Teilweiser Ersatz des Zentral-Ions Si 4+ durch Al 3+ (= Isomorpher Ersatz ) führt zu negativem Ladungsüberschuss O 2 - O 2- Kompensation erfolgt durch die zusätzlich Einbindung von Kationen (z.b. K +, Na +, Ca 2+ ) in die Kristallgitter der Silikate O 2 - Si 4 + [SiO 4 ] 4- Zentral-Ion z.t. durch Al 3+ ersetzt O 2 - -Tetraeder (Grundbaustein der Silikate)

5 1 Inselsilikate Selbständige inselartige Tetraeder durch Kationen (Mg 2+, Al 3+, Fe 2+ ) verbunden 2 Gruppensilikate Immer zwei Tetraeder über eine gemeinsame Ecke verbunden 3 Ringsilikate Mehrere Tetraeder bilden gemeinsame Dreier-, Vierer- oder Sechserringe 4 Kettensilikate Die über ein gemeinsames O 2- -Anion verbundenen Tetraeder bilden eine unendliche Kette; im Kristallgitter sind parallele Ketten durch Kationen verbunden 5 Bandsilikate Symmetrische Vereinigung zweier Ketten zu Doppelketten oder Bändern 6 Schichtsilikate Vierer- und Sechserringe bilden zweidimensionale ebene Vernetzungen; Si 4+ dabei häufig durch Al 3+ ersetzt; die Ebenen sind durch Kationenschichten miteinander verbunden (Bsp.: Tonminerale) 7 Gerüstsilikate Jeder Tetraeder über alle seine O 2- -Anionen mit Nachbar-Tetraedern vernetzt ( Feldspäte) Gliederungsschema der Silikate (Hintermaier-Erhard & Zech, 1997)

6 Olivin (Mg,Fe) 2 SiO 4 Oliv-grünes Inselsilikat / Vorkommen v.a. in basischen Magmatiten (Basalt) / leicht verwitterbar, dadurch wichtiger Mg-Lieferant

7 Pyroxene (z.b. Augit) und Amphibole (z.b. Hornblende) (Ca,Mg,Fe,Al,Ti) 2 (SiAl) 2 O 6 bzw. Ca 2 (Mg,Fe,Al) 5 (S,Al) 8 O 22 (OH) 2 grünlich schwarz bis schwarz gefärbte Ketten- bzw. Bändersilikate /häufiges Vorkommen in basischen Magmatiten (Basalt) / Ladungsausgleich v.a. durch eingebaute Ca 2+ -, Mg 2+ - und Fe 2+ -Ionen

8 Glimmer z.b. Muskovit (hell) und Biotit (dunkel) Schichtsilikate mit Blättchenstruktur /häufig in sauren Magmatiten und Metamorphiten (Granit, Gneis) / ¼ der Si 4+ -Zentral- Ionen durch Al 3+ ersetzt Ladungsausgleich durch Einbindung einer Schicht aus K + -Ionen zwischen den Tetraederschichten / v.a. K- Freisetzung bei der Verwitterung (wichtiger K- Lieferant)

9 Feldspäte z.b. Kalifeldspat *), Natronfeldspat und Kalkfeldspat **) KAlSi 3 O 8, NaAlSi 3 O 8 bzw. CaAl 2 Si 2 O 8 Gerüstsilikate / häufig in sauren Magmatiten und Metamorphiten (Granit, Gneis) / ¼ bzw. ½ der Si 4+ - ZentralIonen durch Al 3+ ersetzt Ladungsausgleich durch Einbindung von K +, Na + bzw. Ca 2+ *) Kalifeldspat = Orthoklas **) Kalk-Natron-Feldspat = Plagioklas

10 Primäre Minerale Tonmineralneubildung durch Hydrolyse und Säureangriff allmähliches Herauslösen von Ionen aus dem Kristallgitter; zunächst Na +, K +, Ca 2+ und Mg 2+ schließlich auch Al 3+ und Si 4+ (Desilifizierung); Mineralumbildung und teilweise Neugruppierung der Zerfallsprodukte führen zur Synthese neuer Minerale Sekundäre Minerale Glimmer = Schichtsilikate -K -Si Illit -K -Na -K Vermiculit Smectit -Ca -Mg Sekundäre Chlorite Kaolinit -Si Aluminium(hydr)oxide -Na -Mg -Ca Feldspäte = Gerüstsilikate -K -Si Zerfallsprodukte (Al, OH, Si) -Si +K +Ca +Mg Kaolinit -K Illit Smectit

11 Eigenschaften der Tonminerale Blättchengröße i.a. < 2µm (0,002mm) Tonfraktion, Bodenkolloide sekundäre Schichtsilikate (Aufbau ähnlich wie Glimmer) hohe spezifische äußere und teilweise innere Oberfläche infolge aufweitbarer Schichten Fähigkeit zur Quellung (Einlagerung von Wassermolekülen) negativer Gesamtladungsüberschuss Fähigkeit zur Adsorption von Kationen an der inneren und äußeren Oberfläche (vgl. Kationenaustausch) Bruchfläche

12 Böden als Kationenaustauscher

13 Tonminerale als Kationenaustauscher - Bedeutung für die Pflanzenernährung Ca 2+ K + Ca 2+ - Mn - Mg K K K K + K K Mn 2+ Ca 2+ Ca 2+ Mg 2+ Ca 2+ Mg 2+ K + K + Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ K + Ca 2+ H Ca 2+ + Mg 2+ Ca 2+ Mg K + 2+ Ca 2+ K + Mn 2+ K + Mg 2+ Mg 2+ Abgabe organischer Säuren Aufnahme von Nährstoffkationen

14 Kationenbindung an organischer Bodensubstanz K + K + Al 3+ Hydroxylgruppe OH Fe 2+ Carboxylgruppe COOH COOH Ca 2+ Mg 2+ Ca 2+ chemische Struktur einer Huminsäure Ca 2+ Mg 2+ K O Mg 2+ COO COO K + Mg 2+ Ca 2+ K + K + Ca 2+ Mg 2+ Na K Mn 2+ ph-wert der Bodenlösung niedrig große Mengen an -Ionen (Protonen) in der Bodenlösung; Carboxyl- und Hydroxyl-Gruppen der Huminstoffe protoniert; kein negativer Ladungsüberschuss ph-wert der Bodenlösung hoch nur wenige Protonen in der Bodenlösung; verstärkt Abspaltung der -Ionen von den Carboxyl- und Hydroxyl-Gruppen; dadurch negative Ladung der Huminstoffe Kompensation durch Kationenbindung

15 Kationenaustauschkapazität von Böden Menge und Art der Tonminerale sowie der Oxide und Hydroxide Menge und Art der Huminstoffe und der ph- Wert in der Bodenlösung bestimmen K A T I O N E N A U S T A U S C H K A P A Z I T Ä T die permanente negative Ladung die variable negative Ladung der Bodenkolloide (Teilchen < 2 µm) K A T I O N E N A U S T A U S C H K A P A Z I T Ä T KAK eff Effektive Kationenaustauschkapazität beim tatsächlichen (aktuellen) ph-wert des Bodens. KAK pot Potenzielle Kationenaustauschkapazität bei ph = 7.0; d.h. die gesamte Variable Ladung ist nicht protoniert und steht für den Kationenaustausch zur Verfügung. In Waldböden gilt i.a.: KAK eff < KAK pot

16 Maßeinheit der Kationenaustauschkapazität Die Kationenaustauschkapazität wird in Ionenäquivalenten (IÄ) angegeben. Die gebräuchliche Einheit ist: cmol c / kg Boden oder mmol c / kg 1 mol c [g] = relative Atommasse / Wertigkeit (= Äquivalentmasse ) Def.: Masse eines Atoms in Relation zur Masse des C-Atoms, welches per Definition die rel. Atommasse = 12 erhält. Beispiele: rel. Atommasse von H = 1; O = 16, C = 12, Ca = 40, N = 14, usw. (vgl. Angaben im Periodensysteme) Def.: Anzahl der Bindungen, die ein Atom zu anderen Atomen ausbilden kann. Beispiele: H ist einwertig, O ist zweiwertig usw.; abhängig von der Zahl der Valenzelektronen (vgl. Periodensystem) Bsp.: Die KAK eff eines Bodenhorizontes sei 4 cmol c / kg Boden Welche Na-Menge (Ca-Menge, Al-Menge) könnte adsorbiert werden? 4 cmol c = 0,04 mol c 0,04 mol c Na + / kg Boden = 0,04 * 23 g / 1 = 0,92 g Na + / kg Boden rel. Atommasse Wertigkeit analog: 0,04 mol c Ca 2+ / kg Boden 0,04 * 40 g / 2 = 0,80 g Ca 2+ / kg Boden 0,04 mol c Al 3+ / kg Boden 0,04 * 27 g / 3 = 0,36 g Al 3+ / kg Boden

17 1. Periode 2. Periode 3. Periode IA 1,01 4,00 1 H Li Na IIA IIIA IVA VA VIA VIIA 6,94 9,01 10,81 12,01 14,01 16,00 19,00 20,18 3 Be Mg B Al C 22,98 24,31 26,98 28,09 30,97 32,07 35,45 39,95 11 A. Hauptgruppenelemente Si N P O S F Cl He Ne Ar 4. Periode. 39,10 40,08 69,72 72,61 74,92 78,96 79,90 83,80 19 K Ca Ga B. Übergangsmetalle Ge As Se IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Br Kr Edelgaskonfiguration Li Na O S He Ne Ar

18 KAK von Bodenbestandteilen [mmol c /kg] Kaolinit Vermiculit Illit, Glimmer Huminstoffe Smectit Metalloxide spezifische Oberfläche bis zu 1200 m²/g spezifische Oberfläche ca. 20 m²/g KAK eff von Bodenhorizonten [mmol c /kg] podsolige Braunerden auf Sand (n=15) mit Eichenbestockung Aeh - Horizonte ca Bv - Horizonte ca C - Horizonte ca Quelle: LFE Bewertungsrahmen für die KAK eff in mmol c /kg Boden sehr gering gering gering - mittel mittel mittelhoch hoch sehr hoch A-Horizonte < > 480 B- und C-Horizonte < > 480

19 Haftfestigkeit (Eintauschstärke) der Kationen Abhängig von 1. Wertigkeit 2. Hydratation (Hydrathülle) Hofmeistersche Reihung: Na + < K + < Mg 2+ < Ca 2+ < Al Konzentration des Kations in der Bodenlösung 4. Neigung zur spezifischen Bindung (z.b. Ca-Selektivität der organischen Substanz) zu 2. Na + K + Mg 2+ Ca 2+ Hydrathülle der Kationen Kationen umgeben sich mit Wasser-Dipolen (rot = Ionendurchmesser, blau Hydrathülle)

20 Bestimmung der austauschbaren Kationen (KAK eff ) I. Verdrängung der adsorbierten Kationen vom Bodenaustauscher relativ hohe Konzentration Bodenprobe II. Messung der Kationen in der Lösung z.b. mittels AAS-Technik (Atomadsorptionsspektrometrie) Na + Mg 2+ K + Mn 2+ Ca 2+ Ca 2+ Al 3+ NH 4 + NH 4 + NH + 4 NH + 4 NH + 4 NH + 4 Ca 2+ Mg 2+ K + Ca 2+ Al 3+ Mn 2+ Al 3+ Beispiel: mmol c / kg Boden Na: 0,02 K: 0,80 Ca: 13,30 Mg: 1,20 Al: 10,60 Fe: 0,70 Mn: 0,20 H: 11,20 KAK eff : 38,02

21 Kationenbelag ( basische und saure Kationen) Bsp.: podsolige Braunerde aus Geschiebesand LFE basische Kationen: Ca 2+, Mg 2+, K +, Na + saure Kationen: Al 3+, Fe 2+, Mn 2+, Hydratation: [Al(OH 2 ) 6 ] 3+ Al(H 2 O) 5 OH] 2+ + Al 3+ -Kation von Abspaltung eines Protons sechs Wassermolekülen (H 2 O-Dipolen) umgeben (= Hydrathülle)

22 Basensättigung (BS) Maßzahl für den prozentualen Anteil der basisch wirkenden Kationen an der Kationenaustauschkapazität (i.a. KAK eff ) BS = (Ca+Mg+K+Na) / (Ca+Mg+K+Na+Al+Fe+Mn+H) * 100% = (Ca+Mg+K+Na) / KAK eff * 100% Den prozentualen Anteil einzelner Kationen an der KAK nennt man z.b. Ca-Sättigung, Mg-Sättigung, Al-Sättigung usw. Bewertung der Basensättigung: BS < 20 % 20 < BS < 50 % BS > 50 % basenarm mittel basenreich Basensättigung podsoliger Braunerden auf Sand (n=15) mit Eichenbestockung Aeh - Horizonte ca % Bv - Horizonte ca % C - Horizonte ca % Quelle: LFE

23 Bodenreaktion

24 Definitionen Bodenreaktion: Vermögen der Bodenfestsubstanz, -Ionen in die Bodenlösung abzugeben Maß für die Bodenreaktion: -Ionenkonzentration in der Bodenlösung [mol / l] Maßzahl: ph-wert (= negativer dekadischer Logarithmus der - Ionenkonzentration) Bsp.: ph = mol / l 0,001 mol / l ph = mol / l 0, mol / l Arten der Bodenazidität (Bodensäure): - aktuelle Azidität (ph-wert-messung in H 2 O) - potenzielle Azidität (Messung in KCl oder CaCl 2 -Lösung); ( Desorption von und Al 3+ vom Bodenaustauscher) [Al(OH 2 ) 6 ] 3+ [Al(H 2 O) 5 OH] 2+ +

25 Vergleich von ph(kcl)- und ph(h 2 O)-Werten (BZE-Stichprobe) potenzielle Azidität aktuelle Azidität

26 ph-wert-messung ph-wert in 1 M KCl lt. Handbuch Forstliche Analytik (GFA, 2005) Geräte und Zubehör ph-messgerät mit ph-elektrode (Messgenauigkeit +/- 0,01) Waage (Messgenauigkeit +/- 0,1 g) Becherglas, Pipette, Messlöffel, Rührer Herstellung der KCl-Lösung 74,55 g (= 1 Mol) KCl werden in einem Messkolben mit H 2 O demin auf 1 l aufgefüllt. Herstellung der Suspension Die auf 2 mm gesiebte Bodenprobe wird in einem Becherglas mit 1 M KCl-Lösung im Gewichtsverhältnis Probe:Lösung = 1:2,5 verrührt. Die Mischung muss mindestens 1 Stunde in dem abgedeckten Becherglas stehen und zwischendurch mehrfach mit einem Glas- oder Kunststoffstab umgerührt werden. Messung des ph-wertes Die Messung des ph-wertes erfolgt in dem Proben-/Lösungsgemisch mittels eines ph- Meters mit Glaselektrode. Für die Kalibrierung der Glaselektrode ist eine 2-Punkt-Eichung vorgeschrieben. Vor der Messung wird die Probe nochmals mit dem Stab umgerührt und nach dem Absetzen der Feststoffe der ph-wert im wässrigen Überstand gemessen; dabei darf die Suspension nicht gerührt bzw. die Elektrode nicht bewegt werden.

27 Warum reagieren unsere Böden sauer? Natürliche Ursachen: CO 2 -Produktion durch die Atmung der Bodenorganismen ( H 2 CO 3 ) -Ausscheidungen der Pflanzenwurzeln bei der Nährstoffaufnahme Humifizierung Bildung schwacher organischer Säuren Auswaschung von basischen Kationen (vgl. Pufferung) Anthropogene Ursachen: Holzernte (= Entnahme von basischen Kationen) atmogene Säuredeposition ( saurer Regen ) Eine Säure ist eine Substanz, welche die Wasserstoffionen-Konzentration beim Zugeben zu einer wässrigen Lösung erhöht Verbrennung fossiler Energieträger Freisetzung von SO 2 (Schwefeldioxid) NO x (Stickoxide) bilden im Niederschlag Schwefel- und Salpetersäure H 2 SO SO 4 2- HNO 3 + NO 3-

28 ph-werte in Böden und Niederschlag: Batteriesäure 1,0 extrem saurer Nebelniederschlag stark saure Oh- Auflagehorizonte saure mineralische Oberböden unter Wald Niederschlag Mitteleuropa Grünland- und Ackerböden kalkhaltige Bodenhorizonte Oberböden in unmittelbarer Straßennähe Zitronensaft Coca Cola Orangensaft Wein Traubensaft Bier Kaffee natürlicher Regen reines Wasser Blut 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 Bewertung der Bodenreaktion: äußerst sauer stark sauer mittel sauer schwach sauer schwach alkalisch Salzböden (semi-) arider Klimate Seifenwassser 9,0 mittel alkalisch

29 Pufferung Böden sind in der Lage, der Säurebelastung einen Widerstand entgegenzusetzen. Verschiedene Substanzen im Boden wirken als Säurepuffer. Je besser ein Boden gepuffert ist, desto geringer ist die ph-abnahme bei gleichem Säureeintrag. Im schwach sauren ph-bereich stellt die Verwitterung von Carbonatgestein einen sehr wirksamen Säurepuffer dar. In kalkfreien Böden wirken die Silikatverwitterung und die Protonierung von variablen Ladungen (vgl. KAK eff ) als Protonensenke. Im stark sauren ph-bereich kommt es zur Protonenbindung durch die Auflösung von sekundären Mineralen. Die ph-bereiche, innerhalb derer bestimmte Puffersubstanzen für eine ph-nivellierung sorgen, werden als Pufferbereiche bezeichnet. Nach ULRICH et al. (1979) lassen sich fünf Pufferbereiche unterscheiden, die in relativ abgegrenzten ph- Bereichen wirksam sind.

30 Pufferbereiche nach ULRICH et al. (1979) ph > 6,2 ph 6,2 5,0 ph 5,0 4,2 ph < 4,2 ph < 3,0 Carbonatpufferbereich 2 CaCO Ca(HCO 3 ) 2 + Ca 2+ ; allmählicher Verlust von CaCO 3 (Entkalkung); optimale Bedingungen für Bodenorganismen Silikatpufferbereich Verwitterung primärer Silikate (Feldspäte, Glimmer); Entstehung sekundärer Minerale (Verbraunung, Verlehmung); optimale Nährstoffverfügbarkeit durch Freisetzung basischer Kationen (Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+ ) und deren Adsorption am Bodenaustauscher Austauscherpufferbereich Verdrängung austauschbarer basischer Kationen durch saure Kationen (v.a. Al 3+ aus Silikatresten) und Protonen; durch Auswaschung der basischen Kationen Abnahme der Basensättigung; Protonierung variabler Ladung (abnehmende KAK eff ); beginnende Verdrängung säureempfindlicher Organismen Al-Pufferbereich Auflösung von Kristallgittern der sekundären Minerale (Tonmineralzerstörung); dadurch Freisetzung von noch mehr Al 3+ in die Bodenlösung; Austauscherplätze überwiegend von Al 3+ belegt; Basensättigung < 20%; Aluminiumkonzentration in der Bodenlösung zunehmend toxisch (Wurzelschäden) Fe-Pufferbereich Pufferung der Protonen durch Auflösung von Eisen(hydr)oxiden; - und Fe-Sättigung am Austauscher steigen stark an; Verlagerung von Sesquioxiden als metallorganische Komplexe (Podsolierung); stark eingeschränkte bodenbiologische Aktivität (Rohhumusbildung); säureangepasste Pflanzengesellschaften

31 Aktuelle Ergebnisse der BZE Pufferbereiche Carbonat > 6.2 Al 4.2 >3.8 Silikat 6.2 >5.0 Al/Fe 3.8 >3.0 Austauscher 5.0 >4.2 Fe =< Puffer BZE-1 20 Puffer BZE-2 40 Carbonat 40 Carbonat 60 Silikat 60 Silikat 80 Aust. 80 Aust. 100 Al 100 Al 120 Fe/Al 120 Fe/Al Fe Fe Anteil [%] Anteil [%]

32 Einschätzung des Säurerisikos Bewertung minimal gering mittel stark sehr stark Kriterien, Folgen gesamter Wurzelraum im Carbonat- oder Silikat-Pufferbereich Oberboden (bis 30 cm) im Austauscher-Pufferbereich Folge: Beeinträchtigung säureintoleranter (kalkholder Arten) Oberboden im Aluminium- oder Aluminium / Eisen-Pufferbereich Unterboden im Silikat- oder Austauscher-Pufferbereich Folge: Verdrängung säureintoleranter Arten Ober- und Unterboden im Aluminium / Eisen-Pufferbereich ph-wert im Oh-Horizont > 3,0 Folgen: geringe bis sehr geringe Vorräte an austauschbaren basisch wirkenden Kationen; niedrige Ca- und hohe Al-Gehalte in den Feinwurzeln; Schäden im Meristem und gehemmtes Längenwachstum von Feinwurzeln Ober- und Unterboden im Aluminium- oder Aluminium / Eisen- Pufferbereich und ph-wert im Oh-Horizont < 3,0 Carbonat > 6.2 Al 4.2 >3.8 Silikat 6.2 >5.0 Al/Fe 3.8 >3.0 Austauscher 5.0 >4.2 Fe =< 3.0

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34 ph-wert und Kationenbelag (schematisch) Anteil an der KAK pot 75 % 50 % 25 % Dissoziierbarer Wasserstoff Fe 2+ Mn 2+ Al 3+ Ca 2+ Na + K + Mg 2+ variable Ladung permanente Ladung ph-wert Verändert nach: Scheffer & Schachtschabel (1998) unter Verwendung von Daten aus Wolff & Riek (1997)

35 Einflussfaktoren auf die Bodenversauerung Silikatverwitterungsrate ( Ausgangsgestein) Versickerungsrate ( Klima) Zeit ( Alter des Bodens) atmogene Eintragssituation (Säurebildner, basische Stäube) Art / Intensität der forstlichen Nutzung: Baumart tiefwurzelnde Laubbäume Basenpumpe Nadelhölzer niedrigmolekulare saure Huminstoffe (Fulvosäuren) Biomassenexport: historische Streunutzung / Waldweide und Ganzbaumernte führen zu Basenverlust ( Verlust an Pufferkapazität) Kahlschlag: durch forcierten Humusabbau infolge angeregter Mikroorganismentätigkeit (Einstrahlung Wärme) wird verstärkt Nitrat (Anion: NO 3- ) freigesetzt und zusammen mit daran gebundenen basischen Kationen ausgewaschen. allg. gilt: WENN Basenverlust > Silikatverwitterungsrate + atm. Baseneintrag, DANN Versauerung des Systems

36 Ökologische Bedeutung der Bodenreaktion hohe ph-werte gute Versorgung mit Ca und Mg schlechte Verfügbarkeit von Fe, Mn, Cu, Zn (evtl. K) hohe Kationenaustauschkapazität hohe biologische Aktivität, günstige Humusform (intakte Stoffkreisläufe) niedrige ph-werte ungünstiges Bodengefüge ungünstige Humusformen (Rohhumus) Oberbodenverdichtung durch verringerte Bioturbation Beeinträchtigung der Stofftransformationsfunktion von Böden Zerstörung von Tonmineralen Toxizität durch Al 3+ -Ionen (Wurzelschäden) zunehmende Mobilität von Schwermetallen (Cu, Zn, Cd, Pb) Gefahr der Quell- und Grundwasserkontamination evtl. Einschränkung der Biodiversität

37 Bodenhumus

38 Bodenhumus Definition: Humus (lat.: Erde) = Gesamtheit der organischen Bodensubstanz (o.s.; OBS) Dies sind alle in und auf dem Boden befindlichen abgestorbenen pflanzlichen und tierischen Stoffe sowie deren organische Umwandlungsprodukte. Die lebende Biomasse (Bodentiere, lebende Wurzeln) zählt nicht dazu. Auflagehumus (L-, Of-, Oh-Horizonte) und Mineralbodenhumus (z.b. Ah-, Bh-Horizonte) bilden den Humuskörper zu seiner systematischen Kennzeichnung dient die Humusform vgl. Lehreinheit 2

39 Nichthuminstoffe (=Streustoffe) z.b. tote Wurzeln, Blätter, Tiere, deren Gewebestrukturen noch erkennbar sind; sie dienen den Bodenorganismen als Nahrung; daher kurze Verweilzeit im Boden Nährhumus Huminstoffe stark umgewandelte organische Stoffe; keine erkennbaren Gewebestrukturen; stark dunkle Färbung; hohe Verweilzeit im Boden Dauerhumus Eigenschaften der Huminstoffe Fulvosäuren Huminsäuren Humine gelb-braune, niedermolekulare, stark saure, stickstoffarme Huminstoffe; geringes Wasserhalte- und Ionen- Adsorptionsvermögen; wasserlöslich und deshalb leicht verlagerbar; Vorkommen in sauren nährstoffarmen Böden mit geringer biologischer Aktivität (Humusform: Rohhumus) braune bis schwarze, hochmolekulare, schwach saure, stickstoffreiche Huminstoffe; hohes Wasserhalte- und Ionen- Adsorptionsvermögen; geringe Mobiliät; Vorkommen in neutralen bis schwach sauren nährstoffreichen Böden mit hoher biologischer Aktivität (Humusform: Mull) schwarze, hochmolekulare, schwach saure Huminstoffe; geringes Wasserhalte- und Ionen-Adsorptionsvermögen; geringe Mobilität; entstehen durch Alterung aus Fulvo- und Huminsäuren; Vorkommen in allen Böden

40 C/N-Verhältnis, ein wichtiges analytisches Merkmal der org. Substanz Verhältnis zwischen organisch gebundenem Kohlenstoff und organisch gebundenem Stickstoff. Maß für 1) die Zersetzbarkeit der Streu C/N-Verhältnisse frischer Nadeln und Blätter Ulme, Erle, Esche, Robinie Roteiche 53 Linde, Pappel, Hainbuche Kiefer 65 Eiche 40 Douglasie 77 Buche 45 Lärche 77 Mitscherlich (1975) 2) die biologische Aktivität (C/N-Messung in Auflage oder min. Oberboden!) C/N < 20: N-Bedarf der Mikroorganismen für den Aufbau ihrer Körpersubstanz gedeckt; deshalb deutliche Freisetzung von organisch gebundenem Stickstoff bei der Humusumsetzung; Mikroorganismen selbst leicht zersetzbar, da vorwiegend aus leicht abbaubaren (N-reichen) Stoffen bestehend MULL C/N > ca. 25: zunehmende Hemmung des mikrobiellen Substanzabbaus C/N > ca. 30: mikrobielle Immobilisierung von N durch organische Bindung (vgl. Inkorporation) Entstehung von ROHHUMUS durch N-Limitierung

41 Bodenlebewesen Edaphon = Gesamtheit aller lebenden Bodenorganismen Destruenten = an der Zersetzung beteiligte Organismenarten 0,01 µm 0,1 µm 1 µm 10 µm 100 µm 1000 µm 1 mm 10 mm 100 mm Ton Schluff Sand Feinporen Mittelporen Grobporen Mikroflora Bakterien, Pilze, Strahlenpilze, Algen Mikrofauna Protozoen (z.b. Amöben, Geißeltierchen, Wimpertierchen), Nematoden (Fadenwürmer), u.a. Mesofauna Milben, Collembolen (Springschwänze), Enchyträen (kleine Borstenwürmer), u.a. Makrofauna Lumbriciden (Regenwürmer), Asseln, Schnecken, Käfer (v.a. Laufkäferarten), Tausendfüßer u.a.