Bodenbildungspozesse: Redoximorphose

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1 Bodenbildungspozesse: Redoximorphose

2 Pseudogley aus tertiärem Verwitterungslehm Ah 0-20 cm Sw cm Swd cm Sd cm Profil 15, Rötz - Oberpfalz R. Brandhuber, Bayerische LfL

3 Pseudovergleyung: Reduktion von Fe entlang der Makroporen, Oxidation in den Aggregaten

4 Ah Pseudogley- Gley Sw Go/Sd Gr

5 Oxidation/Reduktion in Böden Bodenbildungsprozess: Redoximorphose Energiegewinnung durch biologische Stoffumsätze von C, N, S, Fe, Mn Halbreaktionen Oxidation: e - Abgabe Reduktion: e - Aufnahme Ein Prozess: Gleichzeitiger Ablauf!

6 Oxidation/Reduktion in Böden O 2 ist normalerweise e - Akzeptor! 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Halbreaktionen 2H 2 4 e H + Oxidation O e - 2 O 2- Reduktion 4 H O 2-2 H 2 O

7 Redoxreaktionen und deren Energiegewinn Redoxpotential E h (V): Tendenz einer Substanz e- aufzunehmen oder abzugeben Standardpotential E 0 (ph = 0) Normalpotential E 0 (ph = 7) Bezug einer Halbreaktion auf die Normalwasserstoffelektrode (ph=0, E 0 = 0V; ph=7, E 0 = -0.42V)

8 Steuerung der O 2 -Verfügbarkeit in Böden Gastransport durch Diffusion CO 2 Gastransport durch Konvektion Wurzeln Edaphon C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O Unter aeroben Bedingungen ist der Respirationsquotient n(co 2 )/n(o 2 ) 1

9 Gasdiffusion O 2 Mangel im Boden: Wasserstau Bodenverdichtung O 2 Verbrauch (Mikroorganismen, Wurzeln) > O 2 Nachlieferung O 2 Nachlieferung Konvektion (Luftbewegung) Diffusion: chemischer Gradient eines Gases, abhängig vom Porenvolumen, Wassergehalt, Porenkontinuität Fick sches Gesetz

10 Gasdiffusion Phase Gas/Wasser: Diffusion um Faktor 10 4 langsamer als in Gas/Gas Phase Räumliche Heterogenität der O 2 Verteilung im Boden: weite Sekundärporen Aggregate (aerobe und anaerobe Mikrohabitate)

11 Steuerung der O 2 -Verfügbarkeit in Böden 2. Luftgefüllte Poren in Böden: Porenvolumen [%] Grobporen (>10 µm) [%] Luftvolumen bei Feldkapazität [%] Sandböden Schluffböden Tonböden Faustformel für Ackerkulturen Ausreichende O 2 -Versorgung: Luftvolumen 15% O 2 -Mangel: Luftvolumen 5%

12 O 2 -Mangel: Umsetzung organischer Substanz Dauer vollständiger Wassersättigung Zunahme des O 2 -Mangels cm Abnahme der Mineralisation Parabraunerde Humus: 2-3% Anmoor-Gley Humus: 15-30% Niedermoor Humus: > 30%

13 Redoxpotential: Qualitatives Maß für Redoxprozesse 800 aerobe Atmung Redoxpotential Eh [mv] Nitratreduktion beginnt Mn 2+ -Bildung beginnt O 2 nicht mehr nachweisbar - NO 3 nicht mehr nachweisbar Fe 2+ -Bildung beginnt Aerobe Bedingungen Anaerobe Bedingungen -100 SO Reduktion beginnt -200 CH 4 -Bildung beginnt -300 Experimentell ermittelte Redoxpotentialbereiche (Eh 7 ) in Böden für verschiedene Redoxreaktionen.

14 [%] Energieausbeute der Veratmung von Glucose bei Energieausbeute bei verschiedenen Reaktionen O 2 Reduktion NO 3 - Reduktion Mn(III,IV) Reduktion Fe(III) Reduktion SO 4 2- Reduktion CO 2 Reduktion

15 Heterogenität der O 2 -Versorgung

16 Oxidationsstufen von Stickstoff Davidson et al. 2000

17 Denitrifikation Denitrifikation/Nitratatmung 4NO CH 2 O + 4H + 2N 2 + 5CO 2 + 7H 2 O NO e - + 6H + 1/2 N 2 + 3H 2 O E h = +751 mv

18 O 2 -Mangel: Mn- und Fe-Dynamik im Boden Reduktion von Mn(III,IV)-Oxiden und Fe(III)-Oxiden: MnO H e - (+IV) FeOOH + 3 H + + e - (+III) Mn H 2 O (+II) Fe H 2 O (+II) Bildung löslicher Mn 2+ - und Fe 2+ - Ionen durch anaerobe Bakterien Freisetzung von Elementen, die an Fe-Oxide gebunden sind (z.b. Phosphat) Bildung von Bleichzonen und Rostflecken durch die Auflösung (Reduktion) und Bildung (Oxidation) von Fe(III)-Oxiden Gley: Übergang Oxidations- Reduktionshorizont

19 Ockerbildung an Waldquelle

20 Methanbildung: O 2 -Mangel: CH 4 -Dynamik im Boden CO H e - CH H 2 O (+IV) (-IV) Oxidationszahl des C Methanbildung bei der Zersetzung organischer Substanz durch anaerobe, methanogene Bakterien Anoxische Böden sind bedeutende CH 4 -Quellen (Treibhausgas!) Organische Substanz CO 2 Oxidation CH 4 aerob < 500 kg ha -1 a -1 CH 4 < 15 kg ha -1 a -1 Hydrolyse, Fermentation CH 4 CO 2, H 2, Acetat anaerob Gut belüftete Böden

21 Nernst`sche Gleichung E h = E 0 + RT/nF * ln (aox/ared) E 0 Normalpotential (V) R Gaskonstante (8.314 J mol -1 K -1 ) T Temperatur (K) n Anzahl der übertragenen Elektronen F Faraday-Konstante (96500 C mol -1 ) aox Aktivität der oxidierten Stufe (mol l -1 ) ared Aktivität der reduzierten Stufe (mol l -1 )

22 Redoxpotential: Zusammenhang zum ph-wert Umformung durch Einsetzen der Konstanten und Umrechnung von ln auf log: E h = E /n * log (aox/ared) Redoxprozesse in wässriger Lösung sind ph-abhängig, Protonen sind an der Reaktion beteiligt je geringer der ph, desto höher E h

23 Redoxpotential: Zusammenhang zum ph-wert E h = E /n * log (aox/ared) pH Reduktion setzt bei niedrigen ph-werten früher ein!

24 Redoxpotential: Zusammenhang zum ph-wert

25 Stabilität von Fe- und Mn-Oxiden im Boden

26 Vergleyung: Mobilisierung von Fe 2+ und Mn 2+ bei Wassersättigung

27 Pseudovergleyung: Stauwasser beeinflußt Sw-Horizont (reduktiv), gebleicht, stauwasserleitend Sd-Horizont (oxidativ), marmoriert, wasserstauend, 50-70% Rost- und Bleichflecken Reduktion in Grobporen, Diffusion von Fe 2+ in Aggregatinneres und Oxidation zu Fe 3+, Mn 4+ - Konkretionen

28 Pseudovergleyung und Vergleyung: Unterschiede in der Redoxdynamik