Boden als Nährstoffspeicher

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1 Referentinnen: Juliana Schwarz: , Adelinde Johanna Stropahl: Boden als Nährstoffspeicher Ursachen, Vorgänge, Einflüsse des Kationen und Anionenaustausches Modul B301: Spezielle Themen der Geographie Dozent: Tilman Rost

2 Organisches & anorganisches Material Zersetzung & Aufspaltung durch Verwitterung & Mikroorganismen Stickstoff (N), Phosphor (P), Kalium (K), Schwefel (S), Calcium (Ca) und Magnesium (Mg) + Spurenelemente Nährstoffe teilweise von Pflanzenwurzeln aufgenommen Nur kurzzeitig verfügbar? Rest? Weggespühlt? Wie werden Nährstoffe im Boden gespeichert? Bindung an Sorptionskörper (Tonminerale, Si, Al & FeOxide, Huminstoffe) hohe spezifische Oberfläche elektrisch geladen

3 Prozess des Anionen und Kationenaustauschs: Austausch A/K Adsorption Sorptions körper Desorption A/K Austausch

4 1. Bedeutung des Ionenaustauschs Nährstoffe in Boden vor Auswaschung geschützt Dennoch für Pflanzen verfügbar Bodeneigenschaften (Gefüge, Wasser und Lufthaushalt, Bodenreaktion, biologische Aktivität) Bodenbewertungsmaß: KAK = Kationenaustauschkapazität

5 Gliederung Referentinnen: Juliana Schwarz, Adelinde Stropahl 1. Bedeutung des Ionenaustauschs 2. Chemische Grundlagen 3. Ursache 3.1 permanente Ladung: Isomorpher Ersatz 3.2 variable Ladung: ph 4. Prozess 4.1 Kationenaustausch 4.2 Anionenaustausch 5. Einflüsse 5.1 Ladungsstärke 5.2 Hydratation 5.3 Konzentration 6. Auswirkungen 6.1 Kationenaustauschkapazität 6.2.Basensättigung 6.3. optimaler ph Wert 5

6 3. chemische Grundlagen Ionen = elektrisch geladene Atome oder Moleküle positiv = Kationen negativ = Anionen, 8+ Kern Ladung hängt von Schalenaufbau und Anzahl der Außenelektronen ab Ionen haben je nach Ladung verschiedene Eigenschaften u.a. auf phwert: Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+ Al 3+, Fe 3+ neben H + > basisch > sauer Bei Ladungsüberschuss/ mangel > Adsorption, Desorption von Anionen/Kationen ALTESO (2012)

7 Gliederung Referentinnen: Juliana Schwarz, Adelinde Stropahl 1. Bedeutung des Ionenaustauschs 2. Chemische Grundlagen 3. Ursache 3.1 permanente Ladung: Isomorpher Ersatz 3.2 variable Ladung: ph 4. Prozess 4.1 Kationenaustausch 4.2 Anionenaustausch 5. Einflüsse 5.1 Ladungsstärke 5.2 Hydratation 5.3 Konzentration 6. Auswirkungen 6.1 Kationenaustauschkapazität 6.2.Basensättigung 6.3. optimaler ph Wert 7

8 2.1 permanente Ladung: Isomorpher Ersatz Silikatneubildung/ umwandlung: Austausch des Zentralatoms in Tetraeder bzw. Oktaederschicht führt zu Ladungsüberschuss/mangel Tetraederschicht: Siliziumkern Si 4+ ersetzt durch Al 3+ Oktaederschicht: Aluminiumkern Al 3+ ersetzt durch Mg 2+ (DiOktaeder) Al 3+ ersetzt durch Mg 2+ oder Fe 2+ (TriOktaeder) SiO4 Tetraeder

9 = = Referentinnen: Juliana Schwarz, Adelinde Stropahl 2.2 variable Ladung: ph = amphotere Substanzen 1. Metallhydroxid Bsp: Aminocarbonsäure Metall O H Metall O + H + 2. Carbonsäure Rest O C O H O C + H + Rest O sauer alkalisch ph = 0 9

10 Gliederung Referentinnen: Juliana Schwarz, Adelinde Stropahl 1. Bedeutung des Ionenaustauschs 2. Chemische Grundlagen 3. Ursache 3.1 permanente Ladung: Isomorpher Ersatz 3.2 variable Ladung: ph 4. Prozess 4.1 Kationenaustausch 4.2 Anionenaustausch 5. Einflüsse 5.1 Ladungsstärke 5.2 Hydratation 5.3 Konzentration 6. Auswirkungen 6.1 Kationenaustauschkapazität 6.2.Basensättigung 6.3. optimaler ph Wert 10

11 4. Prozess Oberflächenladung des Austauschers Elektronenmangel Adsorption von Anionen: Chloridion Cl Nitration NO3 Sulfatanionen SO4 Elektronenüberschuss Adsorption von Kationen: Magnesiumion Mg++ Natriumion Na+ Calciumion Ca++ Ammoniumion NH4+ > Anionenaustausch > Kationenaustausch

12 4.1 Kationenaustausch = Eigenschaft Kationen austauschbar anzulagern & wieder abgeben zu können Austauschkapazität ist von Ladungsstärke des Austauschers abhängig Beispiel: Schwefeltrioxid Austauscher: SO 3 Pos. Natrumionen angelagert > neutral Ca 2+ nimmt Platz von 2Na + ein Calcium wird gespeichert, Natrium ausgewaschen Wichtigste Nährelemente in absteigender Eintauschstärke: Al > Ca + + > Mg + + > K + > Na + > H +

13 4.1 Antionenaustausch = Eigenschaft Anionen austauschbar anzulagern & wieder abgeben zu können eher nebensächlich, nur vorhanden bei pos. Geladenen Huminstoffen Beispiel: Stickstoffverbindung Austauscher: RN + NO 3 Neg. Chloridion angelagert > neutral NO 3 nimmt Platz von Cl ein Nitrat wird gespeichert, Chlorid ausgewaschen > Gewässerbelastung durch Nitrat wird verhindert Eintauschstärke absteigend: SO 4 = > NO 3 > Cl > HCO 3 > OH > F

14 5. Einflüsse Warum werden einige Kationen/ Anionen eher ausgetauscht als andere?

15 Gliederung Referentinnen: Juliana Schwarz, Adelinde Stropahl 1. Bedeutung des Ionenaustauschs 2. Chemische Grundlagen 3. Ursache 3.1 permanente Ladung: Isomorpher Ersatz 3.2 variable Ladung: ph 4. Prozess 4.1 Kationenaustausch 4.2 Anionenaustausch 5. Einflüsse 5.1 Ladungsstärke 5.2 Hydratation 5.3 Konzentration 6. Auswirkungen 6.1 Kationenaustauschkapazität 6.2.Basensättigung 6.3. optimaler ph Wert 15

16 Negativer Austauscher I I I I I I I I I I Sternschicht Diffuse Schicht + Gleichgewichtslösung Referentinnen: Juliana Schwarz, Adelinde Stropahl 5.1 Ladungsstärke Je höher die Wertigkeit eines Anions/Kations, desto stärker die Anziehung an Austauscher Bsp: Ca 2+ dominiert Na + desto näher tritt es an Austauscher heran desto fester wird es an Austauscher gebunden Schwächere Ionen treten leichter wieder in Außenlösung über

17 5.2 Hydratation Jedes Ion wird von H2OHülle umgeben Je geringermächtig die Hydrathülle, desto höher das Eintauschpotential Dicke der Hülle abhängig von Durchmesser des Ions und seiner Ladung Kleiner Durchmesser H δ+ Großes elek. Kraftfeld Starke Hydratation δ O H δ+ Daraus resultiert die Lyotrope Reihe: Al > Ca + + > Mg + + > K + > Na + > H +

18 4.3 Konzentration Je höher die Konzentration eines Ions in Bodenlösung, desto höher seine Eintauschstärke Düngung basiert auf diesem Prinzip Beispiel: SchwefeltrioxidAustauscher Ca + +, Na +, Mg + + in Lyotroper Reihe vor H + Kein Austausch Erhöhung H + Konzentration (phsenkung): chem. Gleichgewicht wird verschoben Kationenaustausch trotz geringerer Eintauschstärke

19 Gliederung Referentinnen: Juliana Schwarz, Adelinde Stropahl 1. Bedeutung des Ionenaustauschs 2. Chemische Grundlagen 3. Ursache 3.1 permanente Ladung: Isomorpher Ersatz 3.2 variable Ladung: ph 4. Prozess 4.1 Kationenaustausch 4.2 Anionenaustausch 5. Einflüsse 5.1 Ladungsstärke 5.2 Hydratation 5.3 Konzentration 6. Auswirkungen 6.1 Kationenaustauschkapazität 6.2.Basensättigung 6.3. optimaler ph Wert 19

20 Zwei wichtige Indikatoren für die Bodenfruchtbarkeit: Kationenaustauschkapazität (KAK) Basensättigung

21 Kationenaustauschkapazität (KAK) Fähigkeit des Bodens Kationen aus der Bodenlösung reversibel sorbieren zu können Abhängig von der Anzahl der wirksamen negativen Ladungen der Austauscher Vor allem aufweitbare Tonminerale und Huminstoffe haben zusätzlich zur äußeren eine innere negativ geladene Oberfläche

22 Kationenaustauschkapazität (KAK) Fähigkeit Kationen aus der Bodenlösung reversibel sorbieren zu können Abhängig von der Anzahl der wirksamen negativen Ladungen der Austauscher Vor allem aufweitbare Tonminerale und Huminstoffe haben zusätzlich zur äußeren eine innere negativ geladene Oberfläche Abb. verändert nach GEBHARDT et al (2006): Physische Geographie und Humangeographie

23 Kationenaustauschkapazität (KAK) KAK = Maß für die Menge aller negativen Ladungen an der Oberfläche des Austauschers und die Summe aller Kationen die ein Bodenkolloid absorbieren und gegen andere, in der Bodenlösung befindliche Stoffe wieder austauschen kann Aber auch abhängig vom PH Wert der Bodenlösung, nicht nur von der Größe der Oberfläche des Austauschers

24 Kationenaustauschkapazität (KAK) Effektiven Kationenaustauschkapazität (AKe) Potentielle Kationenaustauschkapazität (AKp)

25 Kationenaustauschkapazität (KAK) Effektiven Kationenaustauschkapazität (AKe) Die tatsächliche, beim aktuellen PH Wert des Bodens gemessene KAK Kationenaustausch im alkalischen Bereich am größten, im sauren Bereich am niedrigsten AKe steigt also mit ansteigendem PH Wert sauer ph = 0 alkalisch 25

26 Kationenaustauschkapazität (KAK) Potentielle Kationenaustauschkapazität (AKp) gibt die maximale Anzahl möglicher freier Kationenbindungsplätze an Alle potentiell sorbierbaren Kationen in einer Bodenlösung Nach der DIN ISO (1995) Norm liegt die AKp in Böden humider Klimate bei einem PH Wert von 8,1 (leicht alkalisch) Nach Internationalen Klassifikationen (FAO UNESCO, USSoilTaxonomy) bei ph=7 (neutral) Unter optimalen Bedingungen AKe=AKp : z. B. in carbonathaltigen Böden

27 Kationenaustauschkapazität (KAK) Insbesondere abhängig: Tongehalt des Bodens und Art der Tonminerale Humusgehalt und Qualität des Humus Oxide und Hydroxide Anteil

28 Kationenaustauschkapazität (KAK) Beispiele: Kaolinit: 315 meq/100g Illit: meq/100g Vermicullit: meq/100g Allophane <100 meq/100g Variable Ladung 2 Schicht Tonmineral Permanent negativ geladen 3 SchichtTonminerale Variable Ladung MÜCKENHAUSEN, E.(1993): Die Bodenkunde und ihre geologischen, geomorphologischen, mineralogischen und pethrologischen Grundlagen

29 Kationenaustauschkapazität (KAK) Beispiele: Organische Substanz meq/100g > Huminstoffe meq/100g Quelle: MÜCKENHAUSEN, E.(1993)

30 Kationenaustauschkapazität (KAK) Beispiele: Organische Substanz meq/100g > Huminstoffe meq/100g Hochmolekulare Stoffe des Humusbodens, bestehend aus Kernen, Brücken und reaktiven Seitengruppen Vereinfacht bestehen die Brücken meist aus Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff Seitengruppen im Wesentlichen aus Carboxy Carbonyl Hydroxy und Aminogruppen Durch lockere, dreidimensionale Struktur hohe KAK Aber flexibel, mit abfallenden PH Wert knäulen sie sich zusammen und die reaktive Oberfläche vermindert sich

31 Anionenaustauschkapazität (AAK) Umgekehrt zur KAK : Fähigkeit Anionen aus der Bodenlösung reversibel zu sorbieren Steigt mit abnehmenden PH Wert an Eintauschstärke der Anionen wie bei den Kationen von Ladung und Wertigkeit abhängig

32 Basensättigung Basen = Alkali ( Kalium, Natrium) und Erdalkali Metalle ( Calcium, Magnesium) Spielen wichtige Rolle für die Pflanzenernährung Basensättigung = prozentuale Angabe des Anteils der basischen Kationen von der gesamten Kationenaustauschkapazität des Bodens Säure Basen Verhältnis am Austauscher Entspricht etwa dem durchschnittlichen Säure Basen Verhältnis der Bodenlösung Aussagekraft der Basensättigung = deutlich genauer als die des Boden PH Wertes

33 Basensättigung Eutroph: hohe Basensättigung ( mehr als 75 %), nährstoffreich Mesotroph: mittlere Basensättigung ( zwischen % ) Oligotroph: niedrige Basensättigung (unter 25 %), karg ( nährstoffarm) Die Basensättigung sinkt mit abnehmenden PH Wert Innerhalb eines Bodenprofils kann Zusammensetzung des Kationenbelags sehr unterschiedlich sein

34 Nährstoffe und PH Wert Sauer Neutral Basisch Quelle: Fmoeckel (2010): Nutrient vs. soilph

35 Nährstoffe und PH Wert PH Wert < 3,0 saure Sulfatböden 3,0 4,0 Hochmoore 4,0 5,0 Podsol 5,0 6,0 Parabraunerden 5,0 6,0 Braunerden 6,5 7,0 Schwarzerden 7,0 Kalkmarsch 7,0 7,5 Kalkreiche Niedermoore 7,5 8,0 Neutralsalzböden 8,0 9,0 Alkaliböden 9,0 10,0 Kalkmergel BLUM (2012): Bodenkunde in Stichworten Pflanze PH Wert Bundesministerium für Land und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft (2006) : Richtlinien für die sachgerechte Düngung

36 Referentinnen: Juliana Schwarz: , Adelinde Johanna Stropahl: Danke für s Zuhören!

37 Quellen: ALTESO (2012): Atomaufbau und Periodensystem Übersicht, ( ) Blum, W. E. H.(2012): Bodenkunde in Stichpunkten. Stuttgart Bundesministerium für Land und Forstwirtschaft, 2006 S. 13; upload: IRSLINGER (2005): Bodenökologie, Rottenburg. KUNTZE, ROESCHMANN, SCHWERDTFEGER (1994): Bodenkunde, Stuttgart. MÜCKENHAUSEN, E. ( 1993 ): Die Bodenkunde und ihre geologischen, geomorphologischen, mineralogischen und pethrologischen Grundlagen. Frankfurt am Main SCHEFFER, SCHACHTSCHABEL (2010): Lehrbuch der Bodenkunde, Heidelberg.