Lehrbuch der Bodenkunde

Transkript

1 Scheffer / Schachtschabel Lehrbuch der Bodenkunde 15. Auflage neu bearbeitet und erweitert von Hans-Peter Blume, Gerhard W. Brummer, Udo Schwertmann, Rainer Hörn, Ingrid Kögel-Knabner, Karl Stahr, Karl Auerswald, Lothar Beyer, Anton Hartmann, Norbert Litz, Andreas Scheinost, Helge Stanjek, Gerhard Welp, Berndt-Michael Wilke Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg Berlin

2 Inhalt 1 Einleitung Böden als Naturkörper in Ökosystemen Funktionen von Böden in der Ökosphäre Böden als offene und schützenswerte Systeme Literatur Anorganische Komponenten der Böden - Minerale und Gesteine Der Kreislauf der Gesteine Minerale Allgemeines Struktur der Silicate Primäre (lithogene) Silicate Feldspäte Glimmer und Chlorite Pyroxene und Amphibole Weitere Silicate Tonminerale Allgemeine Eigenschaften Kristallstruktur und Einteilung Kaolinit und Halloysit Illite und Glaukonite Vermiculite und Smectite Pedogene Chlorite Palygorskit und Sepiolit Allophan, Imogolit und Hisingerit Wechsellagerungsminerale Bildung und Umwandlung der Tonminerale Veränderung der Zwischen Schichtbesetzung Neubildung aus Zerfallsprodukten von Silicaten Tonmineralumwandlungen Oxide und Hydroxide Siliciumoxide Aluminiumoxide Eisenoxide Titanoxide Manganoxide Carbonate, Sulfate, Sulfide und Phosphate Mineralbestimmung Gesteine Magmatite Sedimente und Sedimentite 32 Allgemeines 32 Kiese, Breccien, Konglomerate (Psephite) 34 Sande und Sandsteine (Psammite).. 34 Schluffe und Schiuffsteine (Silte), Tone und Tonsteine (Pelite) 35 Carbonatgesteine 36 Quartäre Sedimente 36 Metamorphite 37 Anthropogene Substrate 38 Gesteinsbestimmung 39 Verwitterung 39 Physikalische Verwitterung 39 Chemische Verwitterung 40 Auflösung durch Hydratation 41 Hydrolyse 41 Oxidation und Komplexierung 43 Rolle der Biota 44 Verwitterungsstabilität 45 Thermodynamische Betrachtung Kinetik der chemischen Verwitterung 46 Verwitterungsgrad 47 Mineralbestand von Böden 48 Literatur 50 Organische Substanz und Bodenbiologie 51 Organische Substanz 51 Definition und Einteilung 51 Pflanzenreste und ihre Umwandlung während des Abbaus 51 Zusammensetzung und Struktur der organischen Ausgangsstoffe 51 Abbau- und Umwandlungsreaktionen im Boden 53 Stabilisierung der organischen Substanz 57 Stabilisierung durch strukturchemisch bedingte Eigenschaften Stabilisierung durch Wechselwirkungen mit der Mineralphase Stabilisierung durch physikalische Trennung 60 Stickstoff, Schwefel und Phosphor. 61 Die organische Substanz des Bodens als Kompartiment im C-Kreislauf Gehalte und Mengen der organischen Substanz in Böden 62

3 VIII Inhalt Umsetzungsraten und Verweilzeit der organischen Substanz im Boden 63 Radiokohlenstoffalter der organischen Substanz C-Isotopensignatur der organischen Substanz 64 Modellierung des C-Umsatzes 64 Einfluss der Standortbedingungen auf die Humusumsetzung im Boden 66 Anlieferung organischer Substanz.. 66 Klima und Relief 67 Bodeneigenschaften 68 Nutzungsform 70 Düngung 70 Einfluss globaler Umweltveränderungen 72 Bedeutung der organischen Substanz für Böden und Pflanzen Organische Substanz als Reservoir und Filter für Nähr- und Schadstoffe 73 Physiologische Wirkung 74 Bodenbiologische Wirkungen 74 Physikalische Wirkungen 74 Analytische Bestimmung, Auftrennung und Charakterisierung der organischen Substanz 75 Bestimmung des C-Gehalts 75 Isolierung und Fraktionierung 75 Methoden zur Identifizierung und Strukturaufklärung 76 Isotopentechniken 78 Literatur 78 Bodenbiologie 83 Einteilung und Beschreibung 83 Mikroorganismen 83 Meso-, Makro- und Megafauna 84 Untersuchungsmethoden 85 Mikroorganismen 85 Bodentiere und deren Aktivität 87 Lebensbedingungen 88 Lebensraum 88 Nahrung und Nährelemente 88 Wasser und Luft 89 Temperatur und Wärme 90 Bodenorganismen als Lebensgemeinschaft 90 Wechselbeziehungen 90 Rhizosphäre und Mykorrhiza 91 Organismenbesatz europäischer Böden 92 Bodenorganismen anderer Klimate 93 Einfluss von Bodentiefe und Jahreszeit Unterschiede im Organismenbesatz zwischen Böden Einfluss der Bodenorganismen auf Bodeneigenschaften Mikroorganismen Meso-, Makro- und Megafauna Einfluss von Kulturmaßnahmen Organismen als Indikatoren für Bodenzustände Literatur Bodenchemie Sorption Die sorbierende Oberfläche Größe der Oberfläche Oberflächenladung System Sorbent - Sorbat Sorptionsmodelle Kationenaustausch Ionensorption an Al- und Fe m - Oxiden sowie Allophan Sorption von organischen Stoffen Kinetik der Sorption Ionensorption von Böden Kationenaustausch Anionensorption Bestimmung der KAK Literatur Bodenacidität Wesen der Bodenacidität H + -Ionen-Quellen Bildung von Kohlensäure und organischen Säuren durch Oxidation von Biomasse und durch Wurzelatmung Abgabe von H + durch die Wurzel bei der Kationenaufnahme Eintrag saurer Niederschläge Oxidation von NH^ und NH Oxidation von löslichen Fe 2+ - und Mn 2+ -Ionen und Fe-Sulfiden Puffersubstanzen und Pufferreaktionen Carbonat-Puffer Pufferung durch variable Ladungen Pufferung durch Silicatverwitterung Pufferung durch Auflösung von Oxiden, Hydroxiden und Hydroxysalzen Boden-pH-Werte Einfluss von Klima und Boden Zeitliche und räumliche Variation

4 Inhalt IX SNKundBNK Kalkung Anzustrebender ph-wert von Kulturböden Bestimmungsmethoden Literatur Redoxreaktionen Allgemeines Eh-pH-Stabilitätsdiagramme Redoxsysteme in Böden Redoxpotenziale von Böden Literatur Bodenlösung Zusammensetzung Chemische Formen (Spezies) der gelösten Elemente Gelöste organische Substanzen (DOM) und metallorganische Komplexe Gelöste organische Substanzen Gelöste metallorganische Komplexe Eigenschaften metallorganischer 5.3 Komplexe Rhizosphärenkomplexe Einfluss der Redoxbedingungen Gewinnung der Bodenlösung Literatur Bodenphysik Körnung und Lagerung Entstehung der Körner Größe der Körner Einteilungen der Körner Korngrößenfraktionen Mischungen, Korngrößen Verteilungen Bestimmung der Korngrößen Verteilung Eigenschaften der Körner Zusammensetzung und Form Oberflächen Häufige Verteilungen der Körner Ursachen Landschaftsbezogene Vorkommen Lagerung der Primärteilchen Abstützung und Berührung Kennziffern der Lagerung Porenanteile in Böden Porenformen Porengrößenverteilung Zeitliche bedingte Veränderungen Veränderungen der Körnung Veränderungen der Lagerung Zusammenhang zwischen fester Phase und anderen Bodeneigenschaften Literatur 168 Wechselwirkungen zwischen fester Phase und Wasser 170 Flockung und Peptisation 170 Energetische Wechselwirkung zwischen Bodenkolloiden 171 Einfluss von Kationenbelag und Wertigkeit auf die Flockung 173 Einfluss von Polymeren auf Flockung und Dispergierung 174 Aufbau der Flocken 175 Einfluss des elektrokinetischen Potenzials 175 Schrumpfung und Quellung 176 Schrumpfung 176 Quellung 178 Benetzbarkeit 179 Kohäsion, Konsistenz und Strömungsdruck 180 Literatur 181 Bodengefüge 183 Gefügemorphologie 183 Makrogefüge 183 Mikrogefüge 185 Riss- und Röhrensysteme 187 Spannungen und Verformungen Kräfte am Korn 188 Kräfte und Spannungen im Bodenverband 189 Einfluss des Wassers 192 Stabilität des Bodengefüges 194 Stabilisierende Stoffe 195 Verschlammung, Verknetung und Verkrustung 197 Strömungsdruck, Erdfließen 198 Bestimmung der Gefügestabilität..198 Biologische, klimatische und anthropogene Einflüsse auf das Bodengefüge 199 Gefüge eines Bodenprofils als Gleichgewichtslage 199 Natürliche Bodenentwicklung 200 Anthropogene Einflüsse 204 Beurteilung des Bodengefüges für den Pflanzenbau 206 Literatur 207 Bodenwasser 209 Einteilung - Bindungsarten 209 Grund- und Stauwasser 209 Adsorptions- und Kapillarwasser..210 Bestimmung des Wassergehalts Intensität der Wasserbindung 212 Potenziale 212

5 X Inhalt Potenzialgleichgewicht Beziehung zwischen Matrixpotenzial und Wassergehalt Wasserbewegung in flüssiger Phase Einfluss von Körnung und Gefüge Einfluss des Wassergehalts Bestimmung der Wasserleit- 5.8 fähigkeit Wasseraufnahme - Wasserabgabe Wasserbewegung in dampf förmiger Phase Wasserdampfbewegung im Boden Evaporation aus dem Boden Kondensation im Boden Wasserhaushalt der Böden Bodenkennwerte Jahreszeitlicher Gang des 6.1 Wasserhaushalts Klassifizierung Wasserhaushalt von Landschaften Einzugsgebiete Einfluss von Topographie und 6. lithologischer Situation auf den 6. Wasserhaushalt Einfluss von Klima und Witte- 6. rung auf den Wasserhaushalt Auswirkungen der Wasserbewegung auf die Bodenentwicklung Berechnungen Wasserversorgung der Pflanzen Pflanzenverfügbares Wasser Wasserbewegung im System Boden-Pflanze-Atmosphäre Wasserverbrauch und 6. Pflanzenertrag Literatur Bodenluft Zusammensetzung und Herkunft der Komponenten Transportmechanismen Gashaushalt Gashaushalt und Umwelt Gashaushalt und Pflanzenstandort Literatur Bodentemperatur Bedeutung thermischer Phänomene Energiegewinn und -verlust Thermische Eigenschaften Wärmebewegungen Wärmehaushalt Natürlicher Wärmehaushalt Anthropogene Eingriffe Literatur Transportvorgänge und Verlagerungen 261 Transport im Boden in der flüssigen Phase 262 Transport im Boden in der Gasphase 264 Transporte in der Landschaft 265 Literatur 266 Bodenfarbe 267 Farbansprache 267 Farbgebende Komponenten 268 Farbe als Indikator für Bodeneigenschaften und bodenbildende Prozesse 270 Literatur 270 Nährstoffe der Böden 273 Verhalten, Bestimmung und Düngung von Nährstoffen 273 Allgemeines über Gehalt, Bindung und Bilanz 274 Nährstoffauswaschung 275 Nährstoffverfügbarkeit 277 Nährstoffkonzentration der Bodenlösung 277 Nährstoffvorrat im Wurzelraum Nährstoffnachlieferung und -transport 279 Nährstoffaufschlussvermögen der Pflanzen und mikrobielle Aktivität in der Rhizosphäre 280 Bestimmung der Nährstoffversorgung von Böden 281 Feldversuche 281 Gefäßversuche 281 Pflanzenanalyse 281 Mangelsymptome 281 Chemische Bodenuntersuchungen 282 Düngung in Abhängigkeit von Pflanzenentzug und Nährstoffversorgung der Böden 282 Nährstoffentzug durch Pflanzen 283 Entzugs- und Erhaltungsdüngung. 283 Nährstoffgehaltsklassen und Grenzwerte 283 Einfluss des Standorts, speziell des Unterbodens 284 Änderung der Bodenuntersuchungswerte nach einer Düngung 284 Literatur 285 Hauptnährelemente 286 Calcium 286 Magnesium 287

6 Inhalt XI Pflanzenverfügbares Magnesium Bestimmung der Mg-Versorgung von Böden Mg-Entzüge, -Auswaschung 6.4 und -Düngung Kalium Kim Kreislauf K-Formen in Böden Beziehung zwischen austauschbarem K und K der Bodenlösung Verfügbarkeit des nicht aus- 7 tauschbaren K für die Pflanze Bestimmung der 7.1 K-Versorgung von Böden Natrium Phosphor Phosphor im Kreislauf P-Gehalt von Böden P-Formen und ihre Eigenschaften Umsetzung von Dünger- 7.2 Phosphaten Übergang des gebundenen Phosphats in Bodenlösung 7.3 und Pflanze P-Versorgung von Böden und ihre Bestimmung Stickstoff N-Verbindungen und N-Gehalte N-Kreislauf, N-Bilanz und N-Gleichgewicht N-Mineralisierung und Immobilisierung Notifikation Denitrifikation Ammonium-Fixierung Biologische N 2 -Fixierung Stickstoff in der Bodensanierung N-Düngung und Ertrag Gasförmige N-Verluste N-Auswaschung Grundwasserbelastung durch Nitratauswaschung Schwefel S-Bindungsformen in Böden SO 2 -Emission und S-Deposition Schwefel in Pflanzen, S-Entzüge, S-Auswaschung und S-Düngung Literatur Spurennährelemente Mangan Eisen Kupfer Zink Bor 339 Molybdän 341 Chlor 342 Literatur 343 Nützliche Elemente 346 Silicium 346 Cobalt 347 Selen 348 Literatur 349 Anthropogene Veränderungen und Belastungen 351 Gewässereutrophierung, Gewässerbelastung und Gewässerversauerung 351 Gewässereutrophierung 351 Gewässerbelastung durch Pflanzenschutzmittel 354 Gewässerversauerung 355 Literatur 356 Luftbelastung 357 Emissionen 357 Literatur 359 Schadstoffe 359 Toxikologisch/Ökotoxikologische Bedeutung von Bodenbelastungen 359 Filter-, Puffer- und Transformatorfunktion der Böden 365 Ausmaß der Bodenbelastung in Deutschland 366 Ermittlung der Schadstoffgehalte und der Belastbarkeit von Böden 368 Anorganische Schadstoffe 371 Schwefeldioxid und Stickstoffverbindungen,neuartige' Waldschäden 371 Fluor 377 Cadmium 378 Blei 382 Quecksilber 386 Nickel 389 Chrom 391 Organische Schadstoffe 392 Nitrosamine 396 Chlorierte Kohlenwasserstoffe 396 Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) 400 Mineralöl und Ölrückstände 402 Salzschäden 403 Literatur 404 Klärschlamm und Müllkompost Literatur 410

7 XII Inhalt 7.5 Verhalten organischer Pestizide 8 in Böden Wirkstoff-und bodenbezogene Einflussgrößen auf das Verhalten 8.1 von Pestiziden Physikochemische Einfluss großen Ab-und umbaubezogene Einflussgrößen Wirkung von Pestiziden auf Biozönosen Verhalten von Pestiziden in Land- 8.2 schaffen und standortbezogene Beurteilung Literatur Bodenerosion Wassererosion Ablöseprozesse Transportprozesse Formen der Wassererosion Einflussgrößen Winderosion Prozesse der Winderosion Einflussgrößen Bearbeitungserosion Prozesse der Bearbeitungserosion Einflussgrößen Ausmaß der Bodenerosion Schäden Erosionsschutz Prognosemodelle Messmethoden Literatur Mechanische Belastung und Bodenverformung Definition der Bodenverformung Ursachen der Bodenverformung Stabilität im Wieder- und Erst Verdichtungsbereich Folgen der Bodenverformung für physikalische Bodenkenngrößen Gegenmaßnahmenundderen Grenzen Literatur Radionuklide Geogene Radioaktivität von Böden und Gesteinen Einträge, Bodenstrahlung, Strahlenexposition Verhalten in Böden Uran Cäsium Strontium Übergang in die Pflanzen Literatur 436 Bodenentwicklung, Bodensystematik und Bodenverbreitung 439 Faktoren der Bodenentwicklung Klima 440 Ausgangsgestein 441 Schwerkraft und Relief 443 Wasser 444 Fauna und Flora 444 Menschliche Tätigkeit 445 Literatur 446 Prozesse der Bodenentwicklung Verwitterung und Mineralbildung. 448 Kryoklastik 448 Verbraunung und Verlehmung 448 Ferralitisierung und Desilifizierung 449 Temperatur- und Salzsprengung Bildung von Humusformen 450 Terrestrische Humusformen 450 Ackerhumusformen 454 Hydromorphe Humusformen 454 Gefügeentwicklung 454 Umlagerungen im Profil 455 Tonverlagerung 455 Podsolierung 457 Carbonatisierung 458 Verkieselung 459 Versalzung 459 Tagwasserversalzung 460 Grundwasserversalzung 460 Künstliche Versalzung 461 Standorteigenschaften und Melioration 462 Redoximorphose 462 Reduktomorphie und Sulfidbildung 463 Konkretionsbildung und Rostfleckung 463 Vergleyung 464 Pseudovergleyung 464 Sulfatversauerung 464 Turbationen 465 Bioturbation 465 Kryoturbation 465 Peloturbation 466 Spaltenakkumulation 466 Stoffumlagerungen in der Landschaft 467 Massenversatz am Hang 467 Bodenumlagerung durch Wasser und Wind 468 Verlagerung durch Hangzugwasser 469 Profildifferenzierung 470 Literatur 472 Bodenhorizonte, diagnostische Horizonte und Eigenschaften 473

8 Inhalt XIII , Deutsche Definitionen von ' Horizontsymbolen 473 j Bodenlagen 474 : Horizontmerkmale 475 j Bodenhorizonte 478 \ Diagnostische Horizonte, ; Eigenschaften und Materialien 478! Literatur 479 Bodensystematik 479 \ Entwicklung der Bodensystematik 479 j Klassifikationssysteme i 8.7 in Deutschland 480 I Klassifikationssysteme j in den USA 482 j Bodeneinheiten der ] Weltbodenkarte Internationale Bodensystematik , Literatur 488 i Böden Mitteleuropas Landböden (terrestrische Böden).. 488! Syrosem 488! Lockersyrosem 489 i O/C-Boden 489 I Ranker Regosol Rendzina 492 Pararendzina Tschernosem (Schwarzerde) 494! Braunerde 496 I Terra fusca 497 Parabraunerde und Fahlerde Podsol Pelosol 502 Pseudogley Stagnogley 504 Reduktosol 505 j Grundwasserböden! (semiterrestrische Böden) 506 j Gleye Auenböden Marschen und Watten Unterwasserböden 9.3 (subhydrische Böden) 514 Moore 515 j Anthropogene Böden 518 Literatur Wichtige Böden außerhalb Mitteleuropas 521 ] Vertisole Ferralsole und Sesquisole Nitisole 524 Acrisole, Alisole und Lixisole 524 Kastanozeme Arenosole 525 Calcisole undgypsisole Durisole 526 Solonchake 527 Solonetze 528 Pianosole 528 Plinthosole 529 Andosole 529 Cryosole und weitere Böden mit Permafrost 530 Redoximorphe Anthrosole 531 Literatur 531 Bodenverbreitung 532 Grundsätze der Bodenvergesellschaftung 532 Bodenregionen Mitteleuropas 535 Bodenzonen der Erde 535 Cryosol-Permafrost-Zonen 537 Podzol-Umbrisol-Albeluvisol- Histosol-Zonen 538 Haplic/Stagnic Luvisol-Cambisol-Gleysol-Zonen gemäßigter Breiten 539 Mediterrane Cambisol-Luvisol- Planosol-Zonen 539 Bodenzonen der Steppen 540 Calcisol-Gypsisol-Solonchak- Durisol-Arenosol-Zonen 541 Vertisol-Lixisol-Nitisol-Zonen 541 Acrisol-Lixisol-Plinthosol-Zonen. 542 Ferralsol-Plinthosol- Acrisol-Zonen 542 Fluvisol-Gleysol-Regionen 542 Leptosol-Cryosol-Andosol- Regionen 542 Böden städtisch-industrieller Verdichtungsräume 543 Literatur 544 Bodenbewertung 547 Allgemeines 547 Prinzipien der Bodenbewertung Bewertung für (Besteuerung) und landwirtschaftliche Nutzung 550 Bodenschätzung - Ackerschätzungsrahmen 550 Bodenschätzung - Grünlandschätzungsrahmen 552 Bewertung für Sonderkulturen 553 Bewertung für forstliche Nutzung. 553 Bewertung für zivilisatorische Ansprüche ohne Nutzung der Primärproduktion 557 International übliche Verfahren der Bodenbewertung 559 Storie Index Rating (SIR) 559

9 XIV Inhalt Fertility Capability Classification (FCC) Land Capability Classification (LCC) Land Suitability Classification (LSC) Agro-Ecological-Zones Literatur Anhang Bundes-Bodenschutzgesetz Lieratur Gliederung geologischer Formationen Literatur Symbole, Maßeinheiten, Umrechnungsfaktoren Abkürzungen Maßeinheiten Umrechnungsfaktoren 571 Autoren 572 Sachwortregister 573