Organisatorisches 1. Einführung Info zu Ablauf und Organisation Leistungsnachweis Literatur Grundlagen bodenkundlicher Geländeuntersuchung

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1 Bodenkundliches Gelände- und Laborpraktikum Studiengänge IFEM und Forstwirtschaft 2. u. 4. Semester, 2 SWS Wahlpflichtfach Betreuer/in: Frau Dipl. Ing. (FH) A. Koj (Labor) Prof. Dr. W. Riek (FG Bodenkunde/Standortskunde) Inhalte lt. Curriculum: Verfahren zur Untersuchung von Böden Bohr- und Probenahmegeräte volumengerechte und gestörte Proben Repräsentativität Einführung in die labortechnischen Geräte Durchführung bodenphysikalischer und chemischer Analysen Diskussion der bodenkundlichen Befunde

2 Organisatorisches 1. Einführung Info zu Ablauf und Organisation Leistungsnachweis Literatur Grundlagen bodenkundlicher Geländeuntersuchung Hintergrundwissen (1. Sem. Bodenkunde) 2. Geländepraktikum Einführung im Gelände Horizontansprache, Humusform, Bodentyp Beprobungsverfahren: Spaten, Stechzylinder, Stechrahmen, Bohrstock, Wurzelbohrer Selbständige Probengewinnung in Gruppen Verbringung der Proben ins Labor Wägung, Wassergehaltsbestimmung, Trocknung

3 Organisatorisches Beprobungsdesign 5 Bodengruben Probenahmetiefen / Wiederholungen: Auflage 0-10 cm cm (1x) (3x) (3x) G1 G2 G3 G4 G cm (3x) je Gruppe 4 Personen (2 Zweiergruppen) Vergleich mit BZE- Ergebnissen Laborarbeiten erfolgen in Zweiergruppen

4 Organisatorisches 3. Laborpraktikum I Probenaufbereitung Korngrößenbestimmung Siebanalyse, Schlämmanalyse Porenvolumen, Festsubstanzdichte 4. Laborpraktikum II ph-wert in H 2 O und KCl Lösliche und leicht austauschbare Elemente (Ca, Mg, K, Na, Al, Fe, Mn) Ionenspektrometer (Demo) Kationenaustauschkapazität und Basensättigung Basenneutralisationskapazität Ermittlung des Kalkbedarfs

5 Organisatorisches 5. Laborpraktikum III Glühverlust Kohlenstoff- und Humusgehalt Carbonatgehalt (Scheiblerverfahren) Bestimmung von C, N und S am Elementaranalysator (Probenvorbereitung, Demo) 6. Geländeverfahren (FH-Nähe) Profilansprache Bodenart, Lagerungsdichte, Skelettanteil Farbe, Humusgehalt Schätzung KAK eff, Basensättigung ggfs. GPV, nfk, FK, LK

6 Organisatorisches 7. Auswertungsseminar (Seminarraum) Anleitung zur Auswertung und Interpretation der Ergebnisse Bodenvariabilität (Vergleich der Gruppenergebnisse) Hinweise zur Berichtserstellung ( Praktikumsprotokoll)

7 Organisatorisches Termine: IFEM FoWi Einführung Geländetermin Laborpraktikum / *) / *) Laborpraktikum / *) / *) Laborpraktikum / *) / *) Geländeverfahren Auswertung *) an jedem Termin eine Gruppe mit bis zu 10 Personen Vor jeder Übung sind die ausgegebenen Unterlagen durchzulesen!!!

8 Organisatorisches Leistungsnachweis von jedem Labor-Team (=Zweiergruppe) anzufertigen: Protokoll aller Praktika (in chronologischer Folge) Darstellung aller Kennwerte (bodenökologischer Aussagewert, Einheit, Berechnungsalgorithmen usw.) Prinzip der Analyseverfahren und verwendeten Geräte Aufbereitung und Darstellung der Messdaten (z.b. Tabellen, Grafiken) Interpretation und Bewertung der Ergebnisse Literaturangaben ggf. Vergleich mit Geländebefunden max. Umfang 10 Seiten (!) plus Grafiken Verbindlicher Abgabetermin: (bei Frau Koj) Dateneingabe in gemeinsame Excel-Tabelle bis !!!

9 Excel-Tabelle für den Datenvergleich zwischen den Gruppen (auszufüllen von jedem Zweier-Team bis spätestens ) Tabellenblatt für die Eingabe ausgewählter Kennwerte Teambezeichnung Kennwert Tiefe [cm] Gruppe 1 (Montag) Gruppe 2 (Montag) TRD [g/cm³] Festsubstanzdichte [g/cm³] Teambezeichnung Gruppe 3 (Dienstag) Gruppe 4 (Die 1/1 1/2 1/3 1/4 1/5 2/1 2/2 2/3 2/4 2/5 3/1 3/2 3/3 3/4 3/5 4/1 4/2 4/3 0 bis bis bis bis bis bis Automatische Berechnung von Mittelwerten und statistischen Kenngrößen Kennwert / Tiefe TRD [g/cm³] Festsubstanzdichte [g/cm³] Mittelwert Gesamtauswertung Standardabweichung Variationskoeffizient [%] 0 bis bis bis bis bis bis

10 Organisatorisches Literatur Koj, A. (2006): Bodenkundliches Laborpraktikum für die Fachbereiche Forstwirtschaft und Landschaftsnutzung / Naturschutz Praktikumsanleitung. Schlichting, E., Blume, H.-P., Stahr, K. (1995): Bodenkundliches Praktikum. Hartge, K.-H., Horn, R. (1992): Die physikalische Untersuchung von Böden. Enke. Riek, W., Stähr, F. (2004): Eigenschaften typischer Waldböden im Nordostdeutschen Tiefland unter besonderer Berücksichtigung von Brandenburg. Eberswalder Forstliche Schriftenreihe. Band XIX. Wolff, B., Riek, W. (1997): Deutscher Waldbodenbericht BMELF (Hrsg.). Band 1 und 2.

11 Grundlagen bodenkundlicher Geländeuntersuchungen

12 Bodenkundliche Geländeuntersuchung Bodenverteilung, Bodenvariabilität Pedon (Mehrzahl: Peda) = Elementarzelle des Bodens, kleinste Bodeneinheit mit einheitlichen pedogenen Merkmalen (Horizontierung); Grundfläche ca. 1 m² Pedotop = räumlicher Zusammenschluss mehrerer benachbarter Peda (Polypedon, engl.: soil body) Bodenlandschaft ( Bodenschaft, engl.: soil scape) = Gesamtheit aller Pedotope einer Landschaft Pedogene Faktoren Verteilung der Peda im Raum Bsp.: Catena = benachbarte Böden, deren Eigenschaften maßgeblich durch das Relief bestimmt sind.

13 Bodenkundliche Geländeuntersuchung Bodenverteilung, Bodenvariabilität Daraus ergeben sich verschiedene Ansätze für die repräsentative Bodenuntersuchung im Gelände systematische Zufallsbeprobung (i.d.r. mit Bohrstock und / oder Kleinschürf) - Transekt - Raster - Satelliten um Fixpunkt (vgl. BZE) Beprobung von typischen Leit- und Begleitböden an Schürfgruben i.d.r. nach Vorerkundung mittels Bohrstock (Grundlage: Relief, Vegetation, Nutzung, vorhandene Karten,...)

14 KN KW EN EW BN BW Variabilität der ph-werte (Messpunkte in 1,6 m Abstand) to to to to 4 4 to to to to to to to to to to to to to to to to to to to to to to to to to to to to to to to to 4 4 to to to to to to to to to to to to

15 Bodenkundliche Geländeuntersuchung Materialien (Vorbereitung) Topografische Karten Ableitung von Informationen zum Relief (Hangneigung, Exposition, kleinräumige Lage) aus Höhenlinien Digitale Geländemodelle (DGM) rechnergestützte komplexe Reliefauswertung (z.b. Darstellung von Hangneigungsstufen etc.) Geologische Karten Ausgangsgesteine der Bodenbildung, Lage von Substratgrenzen Forstliche Standortskarten (1:10.000) und ggfs. sonstige vorhandene Bodenkarten ggfs. Luftbilder, Satellitenaufnahmen (google earth)

16 Bodenkundliche Geländeuntersuchung Materialien (Bodenaufnahme) Navigation: Kompass, GPS, Maßband Bodengrube: Spaten, Schaufel, Spitzhacke, Plane für Aushub, Spachtel oder Messer, Gartenschere für Wurzeln Bohrgeräte: z.b. Pürckhauerbohrstock bis 1 m, Peilstange bis 2 m Tiefe, Wurzelbohrer, Flügelbohrer, Rammkernsonde mit elektr. betriebenem Schlaghammer,... (jeweils inkl. Zubehör: Hammer, Ziehgerät, Schraubschlüssel,...) Diagnose: Zollstock, H 2 O-Spritzflasche, 10%-ige Salzsäurelösung, Munsell-Tafeln, Aufnahmeformulare Probennahme: Stechrahmen, Stechzylinder inkl. Führungszylinder u. Hammer, Plastikbeutel, Handschaufel, Beschriftungsmaterial

17 Bodenkundliche Geländeuntersuchung Anlage der Schürfgrube Die Anlage der Profilgrube erfolgt an einer für den Gesamtbestand charakteristischen Stelle. Schneisen, Wege, Dämme, Waldränder, Windwürfe u.ä. sind als gestörte Profilstellen zu vermeiden. Es wird eine Grube von 1 m Breite ausgehoben, die bis zum anstehenden Gestein, bei Böden aus Lockersedimenten jedoch mindestens bis 1 m Tiefe reicht (i.a. C-Horizont). Die Grube sollte 1 1/2 mal so lang wie tief sein. Die über der Stirnwand liegende Fläche darf nicht betreten werden. Eine Schräge mit mehreren Treppenstufen soll den Einstieg ermöglichen und erleichtert in die Grube gefallenen Tieren das Herauskommen. Die Stirnwand sollte nach Süden ausgerichtet bzw. in Hanglagen bergwärts angelegt werden. Der Aushub wird - Ober- und Unterboden getrennt - auf rechts und links ausgebreitete Planen geworfen. Die Profilwand wird mit Spaten abgestochen und mit dem Spachtel geglättet.

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20 Bodenkundliche Geländeuntersuchung Probennahme Grundsätzlich muss man sich zwischen den folgenden unterschiedlichen Ansätzen je nach Untersuchungsgegenstand und ziel entscheiden: Tiefenstufenbeprobung oder Horizontbeprobung gestörte oder ungestörte Probennahme volumen- / flächengerechte oder nicht volumen- / flächengerechte Probennahme Entnahme von Mischproben oder Einzelproben Nach dem gewählten Ansatz richtet sich das Beprobungsverfahren / -gerät!

21 Variabilität der Horizontierung (Messpunkte im 1,6 m-abstand) Kiefern-Naturwald; 1,60m-Punktabstand; 0-80m: SN-Transekt, m: W E-Transekt Of Oh Ahe BshBhs Tiefe [cm] Tiefenstufe cm Distanz [m] Kiefern-W irtschaftswald; 1,60m-Punktabstand; 0-80m: SN-Transekt, m: W E-Transekt Of Oh Ahe BshBhs Tiefe [cm Tiefenstufe cm Distanz [m]

22 Humusstechrahmen für flächengerechte Beprobung der Auflage Quelle: BFH, BMELV

23 Humusstechrahmen (Österreich) Quelle: BFH, BMELV

24 Wurzelbohrer Quelle: BFH, BMELV

25 Wurzelbohrer Quelle: BFH, BMELV

26 Aufklappbarer Hohlbohrer Quelle: BFH, BMELV

27 Aufklappbarer Wurzelbohrer

28 Stechkappen (3,8 cm³) Quelle: BFH, BMELV

29 Rammkernsonde Quelle: BFH, BMELV

30 Geforderte Vorkenntnisse aus Bodenkunde / 1. Sem. (zur Wiederholung)

31 Korngrößenfraktionen Steine, Blöcke, Großblöcke 63 mm 2000 µm (2 mm) (überwiegend Quarz, wenig Feldspäte) (v.a.glimmer, Feldspäte, wenig Quarz) SAND (S) 63 µm (0,063 mm) SCHLUFF (U) 2 µm (0,002 mm) (überwiegend Oxide und Tonminerale) Grus / Kies TON (T) Grobgrus /-kies Mittelgrus /-kies Feingrus /-kies Grobsand (gs) Mittelsand (ms) Feinsand (fs) Grobschluff (gu) Mittelschluff (mu) Feinschluff (fu) Grobton (gt) Mittelton (mt) Feinton (ft) 20 mm 6,3 mm 630 µm 200 µm 20 µm 6,3 µm 0,63 µm 0,2 µm

32 Körnungssummenkurve Pseudogley aus Geschiebelehm [%] 100 fu mu gu fs ms gs Sd Sw Ah Korngröße [mm] Braunerde-Podsol aus Talsand [%] 100 fu mu gu fs ms gs Korngröße [mm] Ah-Horizont Sw-Horizont Sd-Horizont Sl4 Lts Tu2 Aeh-Horizont Bh-Horizont Bv-Horizont St2 Sl2 Sl2

33 Körnungsdreieck, Bodenart AG Boden, 2005

34 Körnungsdreieck Sande

35 Bodendichte, spezifisches Gewicht Bodendichte [g/cm³] (syn:. Trockenrohdichte TRD, Trockenraumgewicht TRG, Lagerungsdichte) ofentrockene Bodenprobe (105 C) Festsubstanzdichte [g/cm³] (z.b. Dichte von reinem Quarz =2,65 g/cm³) Komprimierung ( Entfernung aller Poren) Festsubstanz + luftführende Poren Festsubstanz V B = 100 cm³ M B = 130 g TRD = 1,3 g/cm³ V FS = 50 cm³ M FS = 130 g D FS = 2,6 g/cm³

36 Porengrößenverteilung [cm] 0 50 Poren Festsubstanzvolumen TRD fein mittel grob gs ms fs U T 1,0 g/cm³ 1,3 g/cm³ 1,5 g/cm³ 1,6 g/cm³ ,6 g/cm³ 200 0% 20% 40% 60% 80% 100%

37 Bodenreaktion, ph-wert Bodenreaktion: Vermögen der Bodenfestsubstanz, H + -Ionen in die Bodenlösung abzugeben Maß für die Bodenreaktion: H + -Ionenkonzentration in der Bodenlösung [mol H + / l] Maßzahl: ph-wert (= negativer Logarithmus der H + -Ionenkonzentration) Bsp.: ph = mol H + / l 0,001 mol H + / l ph = mol H + / l 0, mol H + / 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 H + und Al 3+ vom Bodenaustauscher) [Al(OH 2 ) 6 ] 3+ Al(H 2 O) 5 OH] 2+ + H +

38 ph-wert 0,0001 H+ bzw. OH- Ionenkonzentration [mol/l] neutrale Lösung H+ OH- 0,00001 saure Lösung alkalische Lsg = 0, , E-07 [H + ]=[OH - ]=10-7 mol/l 10-8 = 0, E = 0, E = 0, E ph 6 ph-wert

39 Bestimmung der austauschbaren Kationen I. Verdrängung der adsorbierten Kationen vom Bodenaustauscher NH 4 + relativ hohe Konzentration Bodenprobe II. Messung der Kationen in der Lösung z.b. mittels AAS-Technik (Atomadsorptionsspektrometrie) Na + Mg 2+ K + H + Mn 2+ Ca 2+ H + Ca 2+ Al 3+ NH 4 + NH 4 + NH + 4 NH + 4 NH + 4 NH + 4 Ca 2+ Mg 2+ K + H + H + 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

40 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 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

41 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

42 Humus, Kohlenstoff, Stickstoff 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... weiteres online unter:

43 Humus, Kohlenstoff, Stickstoff C/N-Verhältnis = Verhältnis zwischen organisch gebundenem Kohlenstoff und organisch gebundenem Stickstoff. Maß für 1) die Zersetzbarkeit der Streu Ulme, Erle, Esche, Robinie Roteiche 53 Linde, Pappel, Hainbuche Kiefer 65 Eiche 40 Douglasie 77 Buche 45 Lärche 77 2) die biologische Aktivität Mitscherlich (1975) 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