Lehrbuch der Bodenkunde

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2 Lehrbuch der Bodenkunde

3 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 und Gerhard Welp

4 Professor Dr. Dr. h.c. Hans-Peter Blume, Institut für Pflanzenernährung und Bodenkunde der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Professor Dr. Gerhard W. Brümmer, INRES Bodenwissenschaften, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Professor Dr. Rainer Horn, Institut für Pflanzenernährung und Bodenkunde der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Professor Dr. Ellen Kandeler, Institut für Bodenkunde und Standortslehre der Universität Hohenheim Professor Dr. Ingrid Kögel-Knabner, Lehrstuhl für Bodenkunde der Technischen Universität München Professor Dr. Ruben Kretzschmar, Institut für Biogeochemie und Schadstoffdynamik der ETH Zürich Professor Dr. Karl Stahr, Institut für Bodenkunde und Standortslehre der Universität Hohenheim Professor Dr. Dr. Berndt-Michael Wilke, Institut für Ökologie der Technischen Universität Berlin Professor Dr. Sören Thiele-Bruhn, Fachbereich VI, Fach Bodenkunde, Universität Trier Priv.-Doz. Dr. Gerhard Welp, INRES Bodenwissenschaften, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Die 1. bis 14. Auflage des Lehrbuchs der Bodenkunde sind von 1937 bis 1998 im Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart erschienen, zunächst als Teil der Schriftenreihe Sammlung chemischer und chemisch-technischer Vorträge (Herausgeber R. Pummerer) unter dem Titel Agrikulturchemie, Teil a: Boden (Bearbeiter F. Scheffer). Ab der 5. Aufl. hieß es Lehrbuch der Bodenkunde, ab der 9. Auflage Scheffer/Schachtschabel Lehrbuch der Bodenkunde. Die verschiedenen Auflagen wurden unter starker Ausweitung des Textumfangs von den nachstehend Genannten bearbeitet: 1. und 2. Auflage 1937 bis 1944: F. Scheffer 3. bis 8. Auflage 1952 bis 1970: F. Scheffer und P. Schachtschabel 9. und 10. Auflage 1976 bis 1979: P. Schachtschabel, H.-P. Blume, K. H. Hartge und U. Schwertmann 11. Auflage 1982: analog 9./10. Auflage unter Mitarbeit von G. W. Brümmer und M. Renger 12. und 13. Auflage 1989 bis 1992: P. Schachtschabel, H. P. Blume, G. W. Brümmer, K. H. Hartge, und U. Schwertmann unter Mitarbeit von W. R. Fischer, M. Renger und O. Strebel 14. Auflage 1998: analog 12./13. Auflage unter Mitarbeit von K. Auerswald, L. Beyer, W. R. Fischer, I. Kögel-Knabner, M. Renger und O. Strebel 15. Auflage 2002: (Spektrum Akademischer Verlag) Hans-Peter Blume, Gerhard W. Brümmer, Udo Schwertmann, Rainer Horn, Ingrid Kögel-Knabner, Karl Stahr, Karl Auerswald, Lothar Beyer, Anton Hartmann, Norbert Litz, Andreas Scheinost, Helge Stanjek, Gerhard Welp, Berndt-Michael Wilke Wichtiger Hinweis für den Benutzer Der Verlag und die Autoren haben alle Sorgfalt walten lassen, um vollständige und akkurate Informationen in diesem Buch zu publizieren. Der Verlag übernimmt weder Garantie noch die juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für die Nutzung dieser Informationen, für deren Wirtschaftlichkeit oder fehlerfreie Funktion für einen bestimmten Zweck. Der Verlag übernimmt keine Gewähr dafür, dass die beschriebenen Verfahren, Programme usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag hat sich bemüht, sämtliche Rechteinhaber von Abbildungen zu ermitteln. Sollte dem Verlag gegenüber dennoch der Nachweis der Rechtsinhaberschaft geführt werden, wird das branchenübliche Honorar gezahlt. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de 16. Auflage 2010 Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2010 Spektrum Akademischer Verlag ist ein Imprint von Springer Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Planung: Merlet Behncke-Braunbeck Lektorat: Dr. Christoph Iven Redaktion: Dr. Jennifer Lorenzen-Peth, Kiel Satz: TypoStudio Tobias Schaedla, Heidelberg Umschlaggestaltung: SpieszDesign, Neu Ulm Titelfotografie: links Schwarzerde (Foto: H. Fleige, Kiel), rechts Podsol (Foto: R. Tippkötter, Bremen) Fotos/Zeichnungen: von den Autoren, wenn in den Abbildungs unterschriften nichts anderes vermerkt ist. ISBN

5 Vorwort zur 16. Auflage und kurzer historischer Abriss Der Scheffer/Schachtschabel gilt als das Standardwerk bodenkundlichen Wissens sowohl für Studierende der Agrar-, Forst- und Naturwissenschaften im deutschen Sprachraum als auch für alle mit der Bodenkunde befassten Wissenschaftler und Anwender. Die 1. Auflage erschien 1937, verfasst von dem Agrikulturchemiker Friedrich (WILHELM) SCHEFFER unter dem Titel Agrikulturchemie, Teil A: Boden und enthielt auf 112 Seiten eine Bewertung von Böden nach deren Fähigkeit, Pflanzen zu erzeugen, wobei die Eigenschaften des Bodens, welche ihn zu einer hohen Leistung befähigen, im Vordergrund des Interesses standen. Diese 1. Auflage behandelte somit nur einen Teil dessen, was bereits damals unter Bodenkunde verstanden wurde, denn in Teil B: Pflanzenernährung wurde von SCHEFFER der Wasser-, Luft-,Wärmeund Nährstoffhaushalt von Böden als Grundlage der Pflanzenproduktion ausführlich behandelt. Ab der 2. Auflage von Teil A Boden (1944) wurden die Huminstoffe als Ergebnis mikrobieller Umsetzung, die Tonminerale auf der Basis der Röntgenographie und die Bodentypen einschließlich ihrer Genese ausführlicher beschrieben. In der 1952 erschienenen, auf 240 Seiten erweiterten 3. Auflage wurde das Lehrbuch der Agrikulturchemie und Bodenkunde, 1. Teil Bodenkunde nunmehr gemeinsam von SCHEFFER und PAUL SCHACHTSCHABEL herausgegeben (Abb. 1) und in der Folge in nahezu regelmäßigen Abständen von 4 bis 6 Jahren überarbeitet. Ab der 9. Auflage (1976) erhielt das Werk schließlich seinen Namen Scheffer/Schachtschabel: Lehrbuch der Bodenkunde, der für alle folgenden Auflagen als Markenzeichen erhalten geblieben ist und auch in Zukunft bleiben soll. Neuere Informationen wurden von nun an durch ein Autorenteam zusammengestellt, das sich entsprechend den fachlichen Erfordernissen erweitert oder entwickelt hat. In den letzten 3 Jahrzehnten haben dies besonders die Autoren: BLUME, BRÜMMER, HARTGE, SCHACHTSCHABEL und SCHWERTMANN gewährleistet. Eine umfassendere Beschreibung der Entwicklung des Scheffer/Schachtschabel ist in BLUME et al. (2007)* nachzulesen. Mit der über die letzten Auflagen stets steigenden Seitenzahl hatte sich auch der Inhalt des Scheffer/Schachtschabel so weit differenziert, dass auf Wunsch der Verlages und der Autoren für die 16. Auflage eine Neukonzeption erforderlich wurde. Hierbei stand eine Komprimierung der Erkenntnisse auf das Wesentliche im Vordergrund, um dem Lehrbuchcharakter wieder mehr gerecht zu werden und trotzdem die Vollständigkeit des jeweiligen Stoffes zu erhalten. Abb. 1. Prof. Dr. Dr. h. c. F. SCHEFFER (links) und Prof. Dr. Dr. h. c. P. SCHACHTSCHABEL (rechts) während der Internationalen Bodenkundetagung 1960 in Madison/ USA.

6 VI Vorwort zur 16. Auflage und kurzer historischer Abriss Im Vergleich zur 15. Auflage wurden das Kapitel 4 Bodenorganismen und ihr Lebensraum durch Frau Prof. Dr. E. KANDELER und das Kapitel 5 Chemische Eigenschaften und Prozesse durch Prof. Dr. R. KRETZSCHMAR völlig neu bearbeitet, während alle weiteren Kapitel durch Einbeziehung des gegenwärtigen Forschungsstandes aktualisiert wurden. So wurden in Kapitel 6 Physikalische Eigenschaften und Prozesse neuere Erkenntnisse der Bodengefügeentwicklung und der Bodenmechanik sowie des Wasserhaushalts dargestellt ebenso wie der Abschnitt Bodenfarbe überarbeitet wurde. In Kapitel 7 Bodenentwicklung und Bodensystematik werden die deutsche Bodensystematik in ihrer Fassung von 2005 sowie die internationale Bodenklassifikation (WRB) in ihrer Fassung von 2006 incl. des ersten Updates von 2007 behandelt. Ein weiterer Abschnitt widmet sich den fossilen Böden. Es werden nunmehr 30 repräsentative Bodenprofile auf 3 Farbtafeln geboten, außerdem ein tiefgründiger farbiger Bodeneinschnitt auf dem Planeten Mars. Kapitel 8 Bodenverbreitung wurde neu strukturiert, während Kapitel 9: Böden als Pflanzenstandorte vollständig neu strukturiert und um die physikalischen Standorteigenschaften der Böden (Kap. 9.1 bis 9.4) erweitert wurde. Die Abschnitte zur Nährstoffversorgung der Pflanzen (9.5) und zu den Hauptnährelementen (9.6) wurden zum größten Teil neu geschrieben; die Abschnitte 9.7 ( Spurennährelemente ) und 9.8 ( Nützliche Elemente ) wurden überarbeitet. Kapitel 10 widmet sich der Gefährdung der Bodenfunktionen durch stoffliche und nichtstoffliche Belastungen, mögliche Sanierungsmaßnahmen und Methoden zur Bewertung stofflicher Bodenbelastungen. Die Bedeutung und die grundlegenden gesetzlichen und stofflichen Belange des Bodenschutzes werden in Kapitel 11 Bodenbewertung und Bodenschutz ausführlich behandelt. In fast allen Kapiteln wurde auf methodische Details verzichtet, da dafür andere Lehr- und Praktikumsbücher vorhanden sind; außerdem wurde die Literatur entschlackt, da der Zugang zu moderner weiterführender Literatur den an der Bodenkunde Interessierten heute auf einfache Weise möglich ist. Die Autoren teilten sich die Bearbeitung der Kapitel folgendermaßen: 1 BRÜMMER mit BLUME 2 STAHR 3 KÖGEL-KNABNER 4 KANDELER 5 KRETZSCHMAR 6 HORN 7 BLUME 8 STAHR 9 BRÜMMER mit HORN (9.1 bis 9.4) 10 WILKE mit HORN (10.7), THIELE-BRUHN (10.3) und WELP (10.2.6) 11 STAHR Bei der Erstellung der 16. Auflage haben zahlreiche Mitarbeiter/innen, Kollegen und Kolleginnen in vielfältiger Weise mitgearbeitet; ohne ihre Hilfe wäre die Fertigstellung des Buches in der vorliegenden Form nicht möglich gewesen. Ihnen allen sei herzlich gedankt. Namentlich erwähnen möchten wir Prof. Dr. J. BACHMANN, Dr. R. BARITZ, Dr. ISO CHRISTL, Prof. Dr. W. FOISSNER, Prof. T. FRIEDEL, Dr. T. GAISER, Dr. J. GAUER, Dr. S. HAASE, B. HEILBRONNER, Dr. A KÖLBL, Prof. Dr. B. LUDWIG, Dr. M. VON LÜTZOW, Dr. S. MARHAN, Dr. W. MARKGRAF, Dr. S. PETH, Dr. L. PHILIPPOT, Dr. C. POLL, Prof. Dr. L. RUESS, Dr. D. STASCH, Prof. Dr. R. TIPPKÖTTER, Dr. A. VOEGELIN, Dr. J. WIEDERHOLD und Dr. M. ZAREI. Der Redakteurin Frau Dr. J. LORENZEN-PETH danken wir für didaktische Verbesserungen und kritische Durchsicht, und dem Verlag, insbesondere Herrn Dr. C. IVEN, für vertrauensvolle und geduldige Zusammenarbeit. Bodenkundliches Wissen geht nicht nur den Bodenkundler an, sondern wird auch benötigt von Landwirten, Forstwirten, Gärtnern, Landespflegern und Landschaftsplanern, Ökologen, Kulturtechnikern, Hydrologen, Gewässerkundlern, Geographen, Geologen, Mineralogen, Chemikern, Biologen und Archäologen. Das gilt gleichermaßen für alle, die mit Problemen des Naturschutzes, des Umweltschutzes und Umweltrechtes, sowie mit der Bodensanierung im politischen, administrativen, normierenden und unternehmerischen Bereich befasst sind. In all diesen Gebieten ist der Scheffer/ Schachtschabel als Quelle bodenkundlichen Wissens unentbehrlich geworden. Das trifft vor allem auch für die Lernenden und für den wissenschaftlichen Nachwuchs zu. Möge die neue Auflage in diesem Sinne geneigte Leser finden und ihnen ein nützlicher Begleiter sein. Im Herbst 2009 Die Verfasser * BLUME, H.-P., K. H. HARTGE & U. SCHWERTMANN (2007): Die Bedeutung des Ferdinand Enke Verlages für die Verbreitung bodenkundlichen Wissens. Kap. 4 in: H.-P. BLUME & K. STAHR (Hrsg.): Zur Geschichte der Bodenkunde. Hohenheimer Bodenkundl. Hefte, 83.

7 Inhalt 1 Einleitung: Böden die Haut der Erde 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, pyrogene) Silicate Feldspäte Glimmer und Chlorite Pyroxene, Amphibole und Olivine Seltene 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 Zwischenschicht- Besetzung Neubildung aus Zerfalls produkten von Silicaten Tonmineralumwandlung Oxide und Hydroxide Siliciumoxide Aluminiumoxide Eisenoxide Titanoxide Manganoxide Carbonate, Sulfate, Sulfide und Phosphate Gesteine Magmatite Sedimente und Sedimentite Allgemeines Grobkörnige Sedimente (Psephite) Sande und Sandsteine (Psammite) Schluffe und Schluffsteine (Silte), Tone und Tonsteine (Pelite) Carbonatgesteine und Mergel Quartäre Sedimente Metamorphite Anthropogene Substrate Verwitterung Physikalische Verwitterung Chemische Verwitterung Auflösung durch Hydratation Hydrolyse und Protolyse Oxidation und Komplexierung Rolle der Biota Verwitterungsstabilität Thermodynamische Stabilitätsverhältnisse Kinetik der chemischen Verwitterung Verwitterungsgrad Mineralbestand von Böden Literatur Organische Bodensubstanz Entstehung, Verteilung und Dynamik Gehalte und Mengen der organischen Substanz in Böden Pflanzenreste und ihre Umwandlung während des Abbaus Zusammensetzung und Struktur der organischen Ausgangsstoffe

8 VIII Inhalt Abbau- und Umwandlungsreaktionen im Boden Bildung stabiler Humusverbindungen Stabilisierung durch Wechselwirkungen mit der Mineralphase Stabilisierung durch räumliche Trennung Gehalte an Huminstoffen im Boden Zusammensetzung und Eigenschaften der Huminstoffe in Böden Bindungsformen von C, N, P und S in den Huminstoffen Eigenschaften der Huminstoffe Dynamik der organischen Substanz im Boden Umsetzungsraten und Verweilzeit der organischen Substanz im Boden Abschätzung der Verweilzeit Modellierung des C-Umsatzes Böden als Speicher und Quelle für Kohlenstoff Weiterführende Literatur Bodenorganismen und ihr Lebensraum Bodenorganismen Bodenmikroflora und Viren Bodentiere (Mikro-, Meso-, Makro- und Megafauna) Anzahl und Biomasse der Bodenorganismen Bodenorganismen als Lebensgemeinschaft Lebensbedingungen Der Boden als Nähr stoffund Energiequelle für Bodenorganismen Wasser und Atmosphäre ph-wert und Redox potenzial Temperatur Funktionen von Bodenorganismen Funktion von Boden organismen in Stoffkreisläufen Funktion von Bodenorganismen bei Redoxreaktionen Funktion von Bodenorganismen bei der Stabilisierung des Bodengefüges Bodenorganismen als Bioindikatoren Einfluss von Kulturmaßnahmen auf Bodenorganismen Einfluss von Schadstoffen Klimawandel Untersuchungs methoden Mikroorganismen Bodentiere Weiterführende Lehr- und Fachbücher Zitierte Spezialliteratur Chemische Eigenschaften und Prozesse Bodenlösung Gelöste Stoffe im Regenwasser Zusammensetzung der Bodenlösung Gelöste anorganische Stoffe Gelöste organische Substanzen (DOM) Gasgleichgewichte Speziation und Komplexbildung Ionenstärke, Konzen tration und Aktivität Lösungsspeziation Gelöste Komplexe und Ionenpaare Massenwirkungsgesetz und Stabilitätskonstanten Massenbilanzgleichungen Computerprogramme für Speziationsrechnungen Löslichkeit und Lösungskinetik Löslichkeitskonstante, Ionenaktivitätsprodukt und Sättigungsindex Stabilitätsdiagramme Kinetik von Lösungs- und Fällungsreaktionen Sorption Reaktive Oberflächen und Oberflächenladung Spezifische Oberfläche Bedeutung der Oberflächenladung Permanente Oberflächen ladung Variable Oberflächenladung und Ladungsnullpunkt Oberflächenladung einzelner Bodenkomponenten Ladungsverhältnisse in Böden Ionenaustausch Kationenaustauschkapazität (KAK).. 139

9 Inhalt IX Kationenaustausch Oberflächenkomplexierung von Kationen und Anionen Sorption organischer Substanzen an Mineralober flächen Sorptionskinetik Modellierung von Sorptionsprozessen Sorptionsisothermen Modellierung des Kationenaustausches Modellierung der Diffusen Doppelschicht Modellierung der Oberflächenkomplexierung an Mineraloberflächen Modellierung der Kationenbindung an organischen Substanzen Bodenreaktion und ph-pufferung Bodenreaktion Alkalische Böden Saure Böden Bodenversauerung und Kationenbelag Bodenacidität und Basenneutralisationskapazität (BNK) H + -Quellen Eintrag durch Niederschläge Bildung von Kohlensäure durch Bodenatmung Abgabe von organischen Säuren Abgabe von H + durch Pflanzenwurzeln Oxidation von NH 4 zu NO Oxidation von löslichen Fe 2+ - und Mn 2+ -Ionen und von Fe-Sulfiden ph-pufferung, Boden versauerung und Säureneutralisationskapazität (SNK) Pufferung durch Carbonate Pufferung durch Ober flächen mit permanenter Ladung Pufferung durch Ober flächen mit variabler Ladung Pufferung durch Silicat - verwitterung Kalkung saurer Böden Optimaler ph-wert landwirtschaftlich genutzter Böden Kalkung und Kalkbedarf Redoxreaktionen und Redoxdynamik Redoxreaktionen und Redoxpotenzial Redoxreaktionen Redoxpotenzial pe-ph-diagramme Kinetik von Redox reaktionen Redoxprozesse in Böden Redoxpotenziale von Böden Literatur Physikalische Eigenschaften und Prozesse Körnung und Lagerung Entstehung der Körner Größe der Körner Einteilung der Körner Korngrößenfraktionen Mischungen, Korngrößenverteilungen Bestimmung der Korn größenverteilung Eigenschaften der Körner Zusammensetzung und Form Oberflächen Häufige Verteilung der Körner Ursachen Landschaftsbezogene Vorkommen Lagerung der Primär teilchen Abstützung und Berührung Kennziffern der Lagerung Porenanteile in Böden Porenformen Porengrößenverteilung Zeitlich bedingte Veränderungen Veränderungen der Körnung Veränderungen der Lagerung Zusammenhang zwischen fester Phase und anderen Bodeneigenschaften Wechselwirkungen zwischen fester und flüssiger Phase Flockung und Peptisation Energetische Wechselwirkung zwischen Bodenkolloiden Einfluss von Kationenbelag und Wertigkeit auf die Flockung Einfluss von Polymeren auf Flockung und Dispergierung Aufbau der Flocken Einfluss des elektro kinetischen Potenzials Schrumpfung und Quellung Schrumpfung Quellung Benetzbarkeit

10 X Inhalt Kohäsion, Konsistenz und Strömungsdruck Bodengefüge Gefügemorphologie Makrogefüge Mikrogefüge Riss- und Röhrensysteme Spannungen und Verformungen Kräfte am Korn Kräfte und Spannungen im Bodenverband Einfluss des Wassers Stabilität des Bodengefüges Stabilisierende Stoffe Verschlämmung, Verknetung und Verkrustung Strömungsdruck, Erdfließen Bestimmung der Gefüge stabilität Biologische, klimatische und anthropogene Einflüsse auf das Bodengefüge Gefüge eines Bodenprofils als Gleichgewichtslage Natürliche Boden entwicklung Anthropogene Einflüsse Beurteilung des Bodengefüges für den Pflanzenbau Bodenwasser Einteilung Bindungsarten Grund- und Stauwasser Adsorptions- und Kapillarwasser Bestimmung des Wasser gehalts Intensität der Wasser bindung Potenziale Potenzialgleichgewicht Beziehung zwischen Matrixpotenzial und Wassergehalt Wasserbewegung in flüssiger Phase Einfluss von Körnung und Gefüge Einfluss des Wassergehalts Bestimmung der Wasserleitfähigkeit Wasseraufnahme Wasserabgabe Wasserbewegung in dampfförmiger Phase Wasserdampfbewegung im Boden Evaporation aus dem Boden Kondensation im Boden Wasserhaushalt der Böden Bodenkennwerte Jahreszeitlicher Gang des Wasserhaushalts Wasserhaushalt von Landschaften Einzugsgebiete Einfluss von Topographie und lithologischer Situation auf den Wasserhaushalt Einfluss von Klima und Witterung auf den Wasserhaushalt Auswirkungen der Wasserbewegung auf die Boden entwicklung Berechnungen Bodenluft Zusammensetzung und Herkunft der Komponenten Transportmechanismen Gashaushalt Gashaushalt und Umwelt Bodentemperatur Bedeutung thermischer Phänomene Energiegewinn und -verlust Thermische Eigenschaften Wärmebewegungen Wärmehaushalt Natürlicher Wärmehaushalt Anthropogene Eingriffe Transportvorgänge und Verlagerungen Transport im Boden in der flüssigen Phase Transporte im Boden in der Gasphase Bodenfarbe Farbansprache Farbgebende Komponenten Zusammenhänge zwischen Farbe und Boden eigenschaften sowie Prozessen Literatur Bodenentwicklung und Bodensystematik Faktoren der Bodenentwicklung Ausgangsgestein Klima Schwerkraft und Relief Wasser Fauna und Flora Menschliche Tätigkeit Zeit Prozesse der Bodenentwicklung Umwandlungen und Verarmungen des Mineralkörpers Frost-,Temperatur- und Salzsprengung

11 Inhalt XI Verbraunung und Verlehmung Ferrallitisierung und Desilifizierung Humusanreicherung Bildung von Humusformen Terrestrische Humusformen Hydromorphe Humusformen Gefügebildung Umlagerungen Tonverlagerung Podsolierung Entkalkung und Carbonatisierung Verkieselung Versalzung Redoximorphose Turbationen Bioturbation Kryoturbation Peloturbation Spaltenakkumulation Bodenlandschafts prozesse Massenversatz am Hang Bodenerosion durch Wasser und Wind Hangzugwassertransport Profildifferenzierung Horizontsystematik Definitionen von Horizontsymbolen Bodenlagen Horizontmerkmale Bodenhorizonte Diagnostische Horizonte, Eigenschaften und Materialien Bodensystematik Klassifikationssysteme in Deutschland Internationale Boden systematik Klassifikationssysteme in den USA Böden Mitteleuropas Landböden (Terrestrische Böden) Syrosem Lockersyrosem O/C-Boden (Humusboden) Ranker Regosol Rendzina Pararendzina Tschernosem (Schwarzerde) Braunerde Terra fusca Parabraunerde und Fahlerde Podsol Pelosol Pseudogley Stagnogley Reduktosol Grundwasserböden (semiterrestrische Böden) Gleye Auenböden Marschen, Strände und Watten Solonchake Solonetze Unterwasserböden (subhydrische Böden) Moore Anthropogene Böden Fossile Böden Wichtige Böden außerhalb Mitteleuropas Vertisole Ferralsole Nitisole Acrisole, Alisole und Lixisole Kastanozeme Arenosole Calcisole und Gypsisole Durisole Planosole Plinthosole Andosole Cryosole und andere Böden mit Permafrost Redoximorphe (Hydragic oder Irragric) Anthrosole (Reisböden) Literatur Bodenverbreitung Die Pedosphäre Paradigmen der Bodenverbreitung und Bodengenese Grundsätze der Bodenvergesellschaftung Bodengesellschaftssystematik und die Bodenregionen Mitteleuropas Bodenregionen Mittel europas Bodenregionen städtischindustrieller Verdichtungsräume Bodenzonen der Erde Ferralsol-Gleysol-Fluvisol Bodenzone der inneren (feuchten) Tropen Acrisol-(Luvisol-Plinthosol)- Nitisol-Vertisol-Bodenzonen der wechselfeuchten Tropen (Savanne).. 373

12 XII Inhalt Regosol-Calcisol-Solonchak- Bodenzone der Halbwüste Arenosol-(Leptosol)-Gypsisol- Solonchak-Bodenzone der Vollwüste Planosol-Luvisol-(Acrisol)- Cambisol-Zone der mediterranen Gebiete Chernozem-Kastanozem-Solonetz- Zone der Steppen Cambisol-Luvisol-Gleysol-Zone der gemäßigt-humiden Breiten Podzol-Cambisol-Histosol-Zone der borealen Wälder (Taiga) Leptosol-Regosol-Gleysol-Histosol- Zone der Tundren Leptosol-Gelic-Regosol-Cryosol- Zone der Kältewüsten Literatur Böden als Pflanzenstandorte Durchwurzelbarkeit und Gründigkeit Durchwurzelbarkeit Gründigkeit Wasserversorgung der Pflanzen Pflanzenverfügbares Wasser Wasserbewegungen im System Boden Pflanze Atmosphäre Wasserbewegung zur Pflanzenwurzel Wasseraufnahme durch die Pflanze Wasserverbrauch und Pflanzenertrag Bodenluft und Sauerstoffversorgung der Pflanzenwurzeln Lufthaushalt der Böden Sauerstoffversorgung der Pflanzenwurzeln Bodenwärmehaushalt, Bodentemperatur und Pflanzenwachstum Nährstoffversorgung der Pflanzen Nährstoffgehalte, -bindung und -bilanzen Nährstoffeinträge Nährstoffausträge Nährstoffverfügbarkeit und Nährstoffversorgung der Böden Nährstoffe in der Boden lösung Nährstoff-Nachlieferung und -Transport Aufnahme von Nährstoffen aus dem Unterboden Bestimmung der Nährstoffversorgung von Böden Versorgungsbereiche für Nährelemente in Böden Nährstoffdüngung Hauptnährelemente Stickstoff Biologische N 2 -Bindung und Stickstoff-Kreislauf N-Verbindungen und N-Gehalte Ammonifikation und NH 4+ - Fixierung, Nitrifikation und Denitrifikation N-Bilanz, N-Düngung und Pflanzenertrag Umweltbelastungen durch Stickstoff-Austräge Phosphor P-Gehalte von Gesteinen und Böden P-Formen und P-Minerale in Böden P-Mobilisierung unter reduzierenden Bedingungen P-Versorgung der Pflanzen, P-Düngung und P-Bilanz Gewässerbelastungen durch P-Austräge Schwefel S-Gehalte von Gesteinen und Böden S-Formen und -Minerale in Böden S-Versorgung der Pflanzen, S-Auswaschung und S-Düngung Kalium K-Gehalte von Gesteinen und Böden K-Minerale und -Formen in Böden Beziehungen zwischen austauschbarem und gelöstem K K-Versorgung der Pflanzen, K-Düngung und K-Auswaschung Calcium Ca-Gehalte, -Minerale und -Formen in Böden Ca-Versorgung der Pflanzen, Ca- Düngung und Ca-Auswaschung Magnesium

13 Inhalt XIII Mg-Gehalte, -Minerale und -Formen in Böden Mg-Versorgung der Pflanzen, Mg-Düngung und Mg- Auswaschung Natrium Spurennährelemente Mangan Mn-Gehalte, -Minerale und -Formen in Böden Mn-Versorgung der Pflanzen, Mn-Entzüge und -Auswaschung, Mn-Düngung Eisen Kupfer Cu-Gehalte, -Minerale und -Formen in Böden Cu-Versorgung der Pflanzen, Cu-Entzüge und -Auswaschung, Cu-Düngung Zink Zn-Gehalte, -Minerale und -Formen in Böden Zn-Versorgung der Pflanzen, Zn-Entzüge und -Auswaschung, Zn-Düngung Bor Molybdän Chlor Nützliche Elemente Silicium Cobalt Selen Literatur Gefährdung der Bodenfunktionen Gefährdungen der Bodenfunktionen durch stoffliche Belastungen Eintragspfade von Schadstoffen in Böden Anorganische Stoffe Schwefeldioxid und Stickstoffverbindungen Waldschäden Fluor Cyanide Schwermetalle Salze Radionuklide Organische Schadstoffe Einteilung, Verwendung, Eintrag und Gehalte in Böden Prozesse auf der Bodenoberfläche Festlegung im Boden Abbau und Verlagerung Aufnahme in und Wirkungen auf Organismen Wirtschafts- und Sekundärrohstoffdünger, Baggergut Toxikologische/Ökotoxikologische Bewertung stofflicher Bodenbelastungen Sanierung stofflicher Belastungen Gefährdung der Bodenfunktionen durch nichtstoffliche Belastungen Bodenerosion Mechanische Boden verformung Weiterführende Literatur Bodenbewertung und Bodenschutz Prinzipien der Bodenbewertung Bewertung für Besteuerung und land wirtschaftliche Nutzung Bodenschätzung Ackerschätzungsrahmen Bodenschätzung Grünlandschätzungsrahmen Bewertung für Sonderkulturen Bewertung für die forstliche Nutzung Bewertung für zivilisatorische Ansprüche ohne Nutzung der Primärproduktion International übliche Verfahren der Bodenbewertung Storie Index Rating (SIR) Fertility Capability Classification (FCC) Land Capability Classification (LCC) Land Suitability Classification (LSC) Agro-Ecological-Zones Soil Quality Assessment Bodeninformations systeme Bodenschutz Gründe für Bodenschutz Schutz des Natur körpers Bodenfunktionen und -potenziale Bundes-Bodenschutz gesetz Literatur

14 XIV Inhalt 12 Anhang Gliederung geologischer Formationen Symbole, Umrechnungsfaktoren Abkürzungen Umrechnungsfaktoren für Düngemittel Index

15 1 Einleitung: Böden die Haut der Erde Böden sind der belebte Teil der obersten Erdkruste. Sie besitzen eine Mächtigkeit von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Zehner Metern bei einer Dicke der Erdkruste von meist 5 40 km. Die Erdkruste ist wiederum Teil der im Mittel ca. 100 km dicken Lithosphäre, die sich aus den tektonischen Platten mit den Kontinenten zusammensetzt. Die gesamte Strecke von der Erdoberfläche bis zum Erdmittelpunkt beträgt km. Bei diesen Größenverhältnissen wird deutlich, dass Böden die dünne und verletzliche Haut der Erde bilden, die besonderer Aufmerksamkeit bedarf. Die Bodenkunde (Bodenwissenschaft) oder Pedologie ist die Wissenschaft von den Eigenschaften und Funktionen sowie der Entwicklung und Verbreitung von Böden. Sie befasst sich mit den Möglichkeiten der Nutzung von Böden und mit den Gefahren, die mit ihrer Fehlnutzung durch den Menschen zusammenhängen sowie mit der Vermeidung und der Behebung von Bodenbelastungen. 1.1 Böden als Naturkörper in Ökosystemen Böden sind auf dem Festland (terrestrisch), im Übergangsbereich zwischen Wasser und Land (semiterrestrisch) und unter Wasser (subhydrisch) entstanden. Die terrestrischen und semiterrestrischen Böden sind nach unten durch fes tes oder lockeres Gestein, nach oben (meist) durch eine Vegetationsdecke und den Übergang zur Atmosphäre begrenzt, während sie zur Seite gleitend in benachbarte Böden übergehen. Sie bestehen aus Mineralen unterschiedlicher Art und Größe (Kap. 2) sowie aus organischer Substanz, dem Humus (Kap. 3). Minerale und Humus sind in bestimmter Weise im Raum angeordnet und bilden miteinander das Bodengefüge mit einem charakteristischen Hohl raumsystem. Dieses besteht aus Poren unterschiedlicher Größe und Form, die mit der Bodenlösung, d.h. mit Was- ser und gelösten Stoffen, und der Bodenluft gefüllt sind. Zwischen der festen, flüssigen und gasförmigen Phase bestehen dabei zahlreiche chemische und physikalische Wechselwirkungen (Kap. 5, 6). Böden sind grundsätzlich belebt. Ihre Hohlräume enthalten eine Vielzahl von Bodenorganismen ; darunter können mehr als 10 Millionen z. T. noch unbekannter Mikroorganismen pro Gramm fruchtbaren Bodens sein und diesen zusammen mit anderen Organismen in einen hoch aktiven Reaktor verwandeln. Parallel dazu lockern, mischen und aggregieren vor allem die größeren Bodentiere ihren Lebensraum (Kap. 4). Böden sind Naturkörper unterschiedlichen Alters, die je nach Art des Ausgangsgesteins und Reliefs unter einem bestimmten Klima und damit einer bestimmten streuliefernden Vegetation mit charakteristischen Lebensgemeinschaften (Biozönosen) durch bodenbildende Prozesse entstanden sind. Damit ist die Entstehung der Böden an die Entwicklung des Lebens auf der Erde gebunden, worauf bereits der Bodenkundler W. L. Kubiena 1948 hingewiesen hat. Im Präkambrium, als sich erste Bakterien und Algen im Meer entwickelten, entstanden zunächst nur subhydrische Böden. Mit der Entwicklung erster Landpflanzen vor 430 Millionen Jahren im Silur wurden dann auch semiterrestrische und schließlich terrestrische Böden gebildet. Der russische Bodenkundler W. W. Dokučaev erkannte Ende des 19. Jh. Böden als eigenständige Naturkörper. Der Schweizer Bodenkundler H. Jenny (1941) definierte Böden (B) dann als Funktion ihrer genetischen Faktoren : Ausgangsgestein (G), Klima (K), Organismen (O), Relief (R) und Zeit (Z). In den letzten Jahren der Erdgeschichte wurden Böden außerdem in bis heute zunehmendem Maße vom Menschen (M) durch unterschiedliche Formen der Bodennutzung geprägt (Kap. 7): B = f (G, K, O, R, M) Z Die genetischen Faktoren lösen in ihrem komplexen Zusammenspiel bodenbildende Prozesse aus,