Lehrbuch der Bodenkunde

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1 Scheffer/Schachtschabel Lehrbuch der Bodenkunde 16. Auflage neu bearbeitet von Hans-Peter Blume, Gerhard W. Brümmer, Rainer Horn, Ellen Kandeler, Ingrid Kögel-Knabner, Ruben Kretzschmar, Karl Stahr, Berndt-Michael Wilke Mit Beiträgen von Sören Thiele-Bruhn, Gerhard Welp und Ralf Tippkötter

2 Inhalt I.l Einleitung: Böden - die Haut der Erde 1 Böden als Naturkörper in Ökosystemen 1 Funktionen von Böden in der Ökosphäre 4 Böden als offene und schützenswerte Systeme 5 Literatur 6 Anorganische Komponenten der Böden - Minerale und Gesteine.. 7 Der Kreislauf der Gesteine 7 Minerale 7 Allgemeines 7 Struktur der Silicate 9 Primäre (lithogene, pyrogene) Silicate 10 Feldspäte 10 Glimmer und Chlorite 11 Pyroxene, Amphibole und Olivine 13 Seltene Silicate 13 Tonminerale 14 Allgemeine Eigenschaften 14 Kristallstruktur und Einteilung 15 Kaolinit und Halloysit 15 Illite und Glaukonite 16 Vermiculite und Smectite 17 Pedogene Chlorite 17 Palygorskit und Sepiolit 18 Allophan, Imogolit und Hisingerit 18 Wechsellagerungsminerale 19 Bildung und Umwandlung der Tonminerale 19 Veränderung der Zwischenschicht- Besetzung 19 Neubildung aus Zerfallsprodukten von Silicaten 20 Tonmineralumwandlung 21 Oxide und Hydroxide 21 Siliciumoxide 22 Aluminiumoxide Eisenoxide 23 Titanoxide 27 Manganoxide 27 Carbonate, Sulfate, Sulfide und Phosphate 28 Gesteine 28 Magmatite 29 Sedimente und Sedimentite 30 Allgemeines 30 Grobkörnige Sedimente (Psephite) 32 Sande und Sandsteine (Psammite) 33 Schluffe und Schluffsteine (Silte), Tone und Tonsteine (Pelite) 34 Carbonatgesteine und Mergel 34 Quartäre Sedimente 34 Metamorphite 35 Anthropogene Substrate 36 Verwitterung 37 Physikalische Verwitterung 37 Chemische Verwitterung 39 Auflösung durch Hydratation 39 Hydrolyse und Protolyse 40 Oxidation und Komplexierung 41 Rolle der Biota 42 Verwitterungsstabilität 43 Thermodynamische Stabilitätsverhältnisse 43 Kinetik der chemischen Verwitterung 45 Verwitterungsgrad 45 Mineralbestand von Böden 46 Literatur 48 Organische Bodensubstanz Entstehung, Verteilung und Dynamik 51 Gehalte und Mengen der organischen Substanz in Böden Pflanzenreste und ihre Umwandlung während des Abbaus 55 Zusammensetzung und Struktur der organischen Ausgangsstoffe 55

3 Inhalt Abbau- und Umwandlungsreaktionen im Boden 59 Bildung stabiler Humusverbindungen 61 Stabilisierung durch Wechselwirkungen mit der Mineralphase Stabilisierung durch räumliche Trennung 65 Gehalte an Huminstoffen im Boden 66 Zusammensetzung und Eigenschaften der Huminstoffe in Böden 67 Bindungsformen von C, N, P und S in den Huminstoffen 67 Eigenschaften der Huminstoffe 68 Dynamik der organischen Substanz im Boden 70 Umsetzungsraten und Verweilzeit der organischen Substanz im Boden 70 Abschätzung der Verweilzeit 70 ModelIierung des C- Umsatzes 73 Böden als Speicher und Quelle für Kohlenstoff 74 Weiterführende Literatur 80 Bodenorganismen und ihr Lebensraum 83 Bodenorganismen 84 Bodenmikroflora und Viren 84 Bodentiere (Mikro-, Meso-, Makro- und Megafauna) 88 Anzahl und Biomasse der Bodenorganismen 92 Bodenorganismen als Lebensgemeinschaft 96 Lebensbedingungen 100 Der Boden als Nährstoffund Energiequelle für Bodenorganismen 100 Wasser und Atmosphäre 103 ph-wert und Redoxpotenzial 104 Temperatur 104 Funktionen von Bodenorganismen 105 Funktion von Bodenorganismen in Stoffkreisläufen 105 Funktion von Bodenorganismen bei Redoxreaktionen 110 Funktion von Bodenorganismen bei der Stabilisierung des Bodengefüges Bodenorganismen als Bioindikatoren 112 Einfluss von Kulturmaßnahmen auf Bodenorganismen 112 Einfluss von Schadstoffen 114 KJimawandel 116 Untersuchungsmethoden 116 Mikroorganismen, 116 Bodentiere 118 Weiterführende Lehr- und Fachbücher 119 Zitierte Spezialliteratur 119 Chemische Eigenschaften und Prozesse 121 Bodenlösung 121 Gelöste Stoffe im Regenwasser 121 Zusammensetzung der Bodenlösung 122 Gelöste anorganische Stoffe 122 Gelöste organische Substanzen (DOM) 123 Gasgleichgewichte 125 Speziation und Komplexbildung 125 Ionenstärke, Konzentration und Aktivität 126 Lösungsspeziation 127 Gelöste Komplexe und Ionenpaare Massenwirkungsgesetz und Stabilitätskonstanten 129 Massenbilanzgleichungen 129 Computerprogramme für Speziationsrechnungen 129 Löslichkeit und Lösungskinetik 130 Löslichkeitskonstante, Ionenaktivitätsprodukt und Sättigungsindex 130 Stabilitätsdiagramme 130 Kinetik von Lösungs- und Fällungsreaktionen 133 Sorption 134 Reaktive Oberflächen und Oberflächenladung 135 Spezifische Oberfläche 135 Bedeutung der Oberflächenladung Permanente Oberflächenladung Variable Oberflächenladung und Ladungsnullpunkt 136 Oberflächenladung einzelner Bodenkomponenten 137 Ladungsverhältnisse in Böden 138 Ionenaustausch 139 Kationenaustauschkapazität (KAK).. 139

4 _1 Inhalt IX Kationenaustausch 141 Oberflächenkomplexierung von Kationen und Anionen 142 Sorption organischer Substanzen an Mineraloberflächen 144 Sorptionskinetik 145 ModelIierung von Sorptionsprozessen 146 Sorptionsisothermen 146 ModelIierung des Kationenaustausches 147 ModelIierung der Diffusen Doppelschicht 149 ModelIierung der Oberflächenkomplexierung an Mineraloberflächen 150 ModelIierung der Kationenbindung an organischen Substanzen 150 Bodenreaktion und ph-pufferung Bodenreaktion, 151 Alkalische Böden 151 Saure Böden 151 Bodenversauerung und Kationenbelag 152 Bodenacidität und Basenneutralisationskapazität (BNK) 153 Ht-Quellen 154 Eintrag durch Niederschläge 154 Bildung von Kohlensäure durch Bodenatmung 154 Abgabe von organischen Säuren 155 Abgabe von H+ durch Pflanzenwurzeln 155 Oxidation von NH: zu NO.; 155 Oxidation von löslichen Fe 2+ - und Mn 2+-Ionen und von Fe-Sulfiden ph -Pufferung, Bodenversauerung und Säureneutralisationskapazität (SNK) 156 Pufferung durch Carbonate 157 Pufferung durch Oberflächen mit permanenter Ladung 158 Pufferung durch Oberflächen mit variabler Ladung 158 Pufferung durch Silicatverwitterung 159 Kalkung saurer Böden 159 Optimaler ph-wert landwirtschaftlich genutzter Böden 159 Kalkung und Kalkbedarf Redoxreaktionen und Redoxdynamik 161 Redoxreaktionen und Redoxpotenzial Redoxreaktionen 161 Redoxpotenzial 163 pe-ph-diagramme, 163 Kinetik von Redoxreaktionen 164 Redoxprozesse in Böden 166 Redoxpotenziale von Böden 167 Literatur 168 Physikalische Eigenschaften und Prozesse 171 Körnung und Lagerung 171 Entstehung der Körner 171 Größe der Körner 172 Einteilung der Körner 173 Korngrößenfraktionen 173 Mischungen, Korngrößenverteilungen 173 Bestimmung der Korngrößenverteilung 174 Eigenschaften der Körner 175 Zusammensetzung und Form 175 Oberflächen 175 Häufige Verteilung der Körner 176 Ursachen 176 Landschaftsbezogene Vorkommen Lagerung der Primärteilchen 178 Abstützung und Berührung 178 Kennziffern der Lagerung 179 Porenanteile in Böden 179 Porenformen 180 Porengrößenverteilung 181 Zeitlich bedingte Veränderungen 182 Veränderungen der Körnung 182 Veränderungen der Lagerung 183 Zusammenhang zwischen fester Phase und anderen Bodeneigenschaften Wechselwirkungen zwischen fester und flüssiger Phase 184 Flockung und Peptisation 184 Energetische Wechselwirkung zwischen Bodenkolloiden 185 Einfluss von Kationenbelag und Wertigkeit auf die Flockung 187 Einfluss von Polymeren auf Flockung und Dispergierung 188 Aufbau der Flocken 188 Einfluss des elektrokinetischen Potenzials 189 Schrumpfung und Quellung 189 Schrumpfung 190 Quellung 192 Benetzbarkeit 193

5 X Inhalt Kohäsion, Konsistenz und Strömungsdruck 194 Bodengefüge 195 Gefügemorphologie 196 Makrogefüge 196 Mikrogefüge 199 Riss- und Röhrensysteme 200 Spannungen und Verformungen 202 Kräfte am Korn 202 Kräfte und Spannungen im Bodenverband 202 Einfluss des Wassers 206 Stabilität des Bodengefüges 207 Stabilisierende Stoffe 208 Verschlärnmung, Verknetung und Verkrustung 210 Strömungsdruck, Erdfließen 211 Bestimmungder Gefügestabilität 211 Biologische, klimatische und anthropogene Einflüsse auf das Bodengefüge 212 Gefüge eines Bodenprofils als Gleichgewichtslage 213 Natürliche Bodenentwicklung 213 Anthropogene Einflüsse 217 Beurteilung des Bodengefüges für den Pflanzenbau 218 Bodenwasser 220 Einteilung - Bindungsarten 220 Grund- und Stauwasser 220 Adsorptions- und Kapillarwasser 221 Bestimmung des Wassergehalts 222 Intensität der Wasserbindung 223 Potenziale 223 Potenzialgleichgewicht 226 Beziehung zwischen Matrixpotenzial und Wassergehalt Wasserhaushalt von Landschaften 247 Einzugsgebiete 247 Einfluss von Topographie und Iithologischer Situation aufden Wasserhaushalt 248 Einfluss von Klima und Witterung auf den Wasserhaushalt 248 Auswirkungen der Wasserbewegung auf die Bodenentwicklung 248 Berechnungen 249 Bodenluft 250 Zusammensetzung und Herkunft der Komponenten 251 Transportmechanismen 253 Gashaushalt 254 Gashaushalt und Umwelt 254 Bodentemperatur 255 Bedeutung thermischer Phänomene. 256 Energiegewinn und -verlust 256 Thermische Eigenschaften 257 Wärmebewegungen 258 Wärmehaushalt 259 Natürlicher Wärmehaushalt 259 Anthropogene Eingriffe 261 Transportvorgänge und Verlagerungen 262 Transport im Boden in der flüssigen Phase 262 Transporte im Boden in der Gasphase 264 Bodenfarbe 265 Farbansprache 265 Farbgebende Komponenten 266 Zusammenhänge zwischen Farbe und Bodeneigenschaften sowie Prozessen 267 Literatur Wasserbewegung in flüssiger Phase Einfluss von Körnung und Gefüge Einfluss des Wassergehalts 233 Bestimmung der Wasserleitfähigkeit 234 Wasseraufnahme - Wasserabgabe 235 Wasserbewegung in dampfförmiger Phase " 239 Wasserdampfbewegung im Boden 239 Evaporation aus dem Boden 240 Kondensation im Roden, 241 Wasserhaushalt der Böden 242 Bodenkennwerte 242 Jahreszeitlicher Gang des Wasserhaushalts Bodenentwicklung und Bodensystematik 273 Faktoren der Bodenentwicklung 274 Ausgangsgestein 274 Klima 275 Schwerkraft und Relief 277 Wasser 278 Fauna und Flora 279 Menschliche Tätigkeit 279 Zeit 281 Prozesse der BodenentwickIung 281 Umwandlungen und Verarmungen des Mineralkörpers 282 Prost-Temperatur- und Salzsprengung 282

6 X-----.,I_ Inhalt Verbraunung und Verlehmung 283 Ferrallitisierung und Desilifizierung 283 Humusanreicherung - Bildung von Humusformen 284 Terrestrische Humusformen 285 Hydromorphe Humusformen 287 Gefügebildung 287 Umlagerungen 288 Tonverlagerung 288 Podsolierung 289 Entkalkung und Carbonatisierung Verkieselung 290 Versalzung 291 Redoximorphose 292 Turbationen 294 Bioturbation 294 Kryoturbation 295 Peloturbation 295 Spalten akkumulation 296 Bodenlandschaftsprozesse 296 Massenversatz am Hang 297 Bodenerosion durch Wasser und Wind 297 Hangzugwassertransport 298 Profildifferenzierung 299 Horizontsystematik 301 Definitionen von Horizontsymbolen 301 Bodenlagen 302 Horizontmerkmale 303 Bodenhorizonte 304 Diagnostische Horizonte, Eigenschaften und Materialien 304 Bodensystematik 308 Klassifikationssysteme in Deutschland 308 Internationale Bodensystematik 311 Klassifikationssysteme in den USA Böden Mitteleuropas 314 Landböden (Terrestrische Böden) 315 Syrosem 315 Lockersyrosem 315 OIC-Boden (Humusboden) 316 Ranker 316 Regosol 316 Rendzina 317 Pararendzina 319 Tschernosem (Schwarzerde) 319 Braunerde 321 Terra fusca 322 Parabraunerde und Fahlerde 323 Podsol 325 Pelosol Pseudogley 328 Stagnogley 329 Reduktosol 330 Grundwasserböden (semiterrestrische Böden) 331 Gleye 331 Auenböden 333 Marschen, Strände und Watten 335 Solonchake 339 Solonetze 340 Unterwasserböden (subhydrische Böden) 341 Moore 343 Anthropogene Böden 346 Fossile Böden 347 Wichtige Böden außerhalb Mitteleuropas 349 Vertisole 350 Ferraisoie 351 Nitisole 352 Acrisole, Alisole und Lixisole 353 Kastanozeme 353 Arenosoie 354 Calcisole und Gypsisole 356 Durisole 356 PIanosoie 357 Plinthosole 357 Andosole 357 Cryosole und andere Böden mit Permafrost 358 Redoximorphe (Hydragic oder Irragric) Anthrosoie (Reisböden) 358 Literatur 360 Bodenverbreitung 363 Die Pedosphäre 363 Paradigmen der Bodenverbreitung und Bodengenese 363 Grundsätze der Bodenvergesellschaftung 365 Bodengesellschaftssystematik und die Bodenregionen Mitteleuropas 369 Bodenregionen Mitteleuropas 369 Bodenregionen städtischindustrieller Verdichtungsräume 369 Bodenzonen der Erde 371 Ferralsol-Gleysol-Fluvisol Bodenzone der inneren (feuchten) Tropen 372 Acrisol- (Luvisol-Plinthosol)- Nitisol- Vertisol- Bodenzonen der wechselfeuchten Tropen (Savanne).. 373

7 Inhalt -X-'-I Regosol-Calcisol-Solonchak- Bodenzone der Halbwüste 373 Arenosol- (Leptosol) -Gypsisol Solonchak-Bodenzone der Vollwüste 374 Planosol- Luvisol-(Acrisol) Cambisol-Zone der mediterranen Gebiete 374 Chernozem-Kastanozem-Solonetz- Zone der Steppen 375 Cambisol- Luvisol-Gleysol-Zone der gemäßigt-humiden Breiten Podzol-Cambisol-Histosol- Zone der borealen Wälder (Taiga) 376 Leptosol- Regosol-Gleysol- Histosol- Zone der Tundren 377 Leptosol-Gelic-Regosol- Cryosol- Zone der Kältewüsten 377 Literatur 378 Böden als Pflanzenstandorte Durchwurzelbarkeit und Gründigkeit 379 Durchwurzelbarkeit 379 Gründigkeit 380 Wasserversorgung der Pflanzen 380 Pflanzen verfügbares Wasser 381 Wasserbewegungen im System Boden-Pflanze-Atmosphäre 384 Wasserbewegung zur Pflanzenwurzel 385 Wasseraufnahme durch die Pflanze 385 Wasserverbrauch und Pflanzenertrag 386 Bodenluft und Sauerstoffversorgung der Pflanzenwurzein 388 Lufthaushalt der Böden 388 Sauerstoffversorgung der Pflanzenwurzeln 388 Bodenwärmehaushalt, Bodentemperatur und Pflanzenwachstum 390 Nährstoffversorgung der Pflanzen 391 Nährstoffgehalte, -bindung und -bilanzen 392 Nährstoffeinträge 392 Nährstoffausträge 393 Nährstoffverfügbarkeit und Nährstoffversorgung der Böden 395 Nährstoffe in der Bodenlösung Nährstoff-Nachlieferung und -Transport 396 Aufnahme von Nährstoffen aus dem Unterboden 398 Bestimmung der Nährstoffversorgung von Böden 398 Versorgungsbereiche für Nährelemente in Böden 400 Nährstoffdüngung 400 Hauptnährelemente 401 Stickstoff. 401 Biologische N 2-Bindung und Stickstoff-Kreislauf 402 N-Verbindungen und N-Gehalte 403 Ammonifikation und NH~- Fixierung, Nitrifikation und Denitrifikation 405 N-Bilanz, N-Düngung und Pflanzenertrag 407 Umweltbelastungen durch Stickstoff-Austräge 409 Phosphor 412 P-Gehalte von Gesteinen und Böden 412 P-Formen und P-Minerale in Böden, 413 P-Mobilisierung unter reduzierenden Bedingungen 418 P-Versorgung der Pflanzen, P-Düngung und P-Bilanz 418 Gewässerbelastungen durch P-Austräge 420 Schwefel 421 S-Gehalte von Gesteinen und Böden 421 S-Formen und -Minerale in Böden 421 S-Versorgung der Pflanzen, S-Auswaschung und S-Düngung 422 Kalium 423 K-Gehalte von Gesteinen und Böden 423 K-Minerale und -Formen in Böden 424 Beziehungen zwischen austauschbarem und gelöstem K 425 K-Versorgung der Pflanzen, K-Düngung und K-Auswaschung 426 Calcium 427 Ca-Gehalte, -Minerale und -Formen in Böden 427 Ca-Versorgung der Pflanzen, Ca- Düngung und Ca-Auswaschung 427 Magnesium 428

8 _ Inhalt XIII Mg-Gehalte, -Minerale und -Formen in Böden 428 Mg-Versorgung der Pflanzen, Mg-Düngung und Mg- Auswaschung 428 Natrium 429 Spurennährelemente 430 Mangan 430 Mn-Gehalte, -Minerale und -Formen in Böden 430 Mn- Versorgung der Pflanzen, Mn-Entzüge und -Auswaschung, Mn-Düngung 432 Eisen 434 Kupfer 435 Cu-Gehalte, -Minerale und -Formen in Böden 435 Cu- Versorgung der Pflanzen, Cu-Entzüge und -Auswaschung, Cu-Düngung 436 Zink 437 Zn-Gehalte, -Minerale und -Formen in Böden 437 Zn- Versorgung der Pflanzen, Zn-Entzüge und -Auswaschung, Zn-Düngung 438 Bor 439 Molybdän 440 Chlor 442 Nützliche Elemente 442 Silicium 442 Cobalt 443 Selen 444 Literatur 445 Gefährdung der Bodenfunktionen 449 Gefährdungen der Bodenfunktionen durch stoffliche Belastungen 450 Eintragspfade von Schadstoffen in Böden 451 Anorganische Stoffe 452 Schwefeldioxid und Stickstoffverbindungen - Waldschäden 452 Fluor 456 Cyanide 457 Schwermetalle 459 Salze 472 Radionuklide 473 Organische Schadstoffe 479 Einteilung, Verwendung, Eintrag und Gehalte in Böden Prozesse auf der Bodenoberfläche 484 Festlegung im Boden 484 Abbau und Verlagerung 489 Aufnahme in und Wirkungen auf Organismen 491 Wirtschafts- und Sekundärrohstoffdünger, Baggergut 493 Toxikologische/Ökotoxikologische Bewertung stofflicher Bodenbelastungen 497 Sanierung stofflicher Belastungen 505 Gefährdung der Bodenfunktionen durch nichtstoffliche Belastungen 506 Bodenerosion 506 Mechanische Bodenverformung 513 Weiterführende Literatur 517 Bodenbewertung und Bodenschutz 521 Prinzipien der Bodenbewertung 521 Bewertung für Besteuerung und landwirtschaftliche Nutzung Bodenschätzung - Ackerschätzungsrahmen 525 Bodenschätzung - Grünlandschätzungsrahmen 527 Bewertung für Sonderkulturen 528 Bewertung für die forstliche Nutzung 528 Bewertung für zivilisatorische Ansprüche ohne Nutzung der Primärproduktion 532 International übliche Verfahren der Bodenbewertung 534 Storie Index Rating (SIR) 534 Fertility Capability Classification (FCC) 535 Land Capability Classification (LCe) 535 Land Suitability Classification (LSe) 536 Agro-Ecological-Zones 538 Soil Quality Assessment 538 Bodeninformationssysteme 539 Bodenschutz 540 Gründe für Bodenschutz 540 Schutz des Naturkörpers 541 Bodenfunktionen und -potenziale 541 Bundes- Bodenschutzgesetz 542 Literatur 544

9 Inhalt -X-IV Anhang Gliederung geologischer Formationen Symbole, Umrechnungsfaktoren Abkürzungen Umrechnungsfaktoren für Düngemittel Index. ", 551