BODENLÖSUNGSZUSAMMENSETZ UNG UND -GEWINNUNG 1 Seminar Methoden der chemischen, physikalischen und biologischen Bodenanalytik, SS 2016 Seminarleiter: apl. Prof. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang Schaaf Referent:Christian Rönsch Datum: 27.05.2016
GLIEDERUNG 1. Bodenlösungszusammensetzung 2. Bödenlösungsgewinnung 2. 1. Bedeutung 2. 2. Feldmethoden 2. 2. 1. Saugkerze 2. 2. 2. Saugplatte 2. 2. 3. Lysimeter 2. 3. Labormethoden 2. 4. Einsatzgebiete 3. Bodenlösungszusammensetzung - Methode 4. Fachartikel 5. Zusammenfassung 6. Literatur- und Abbildungsverzeichnis 2
1. BODENLÖSUNGSZUSAMMENSETZUNG wässrige Phase des Bodens bestehend aus: - freiem Wasser - darin gelösten Ionen und Molekülen - dispergierte kolloidale Partikel Kristallwasser in Mineralen gehört nicht zur Bodenlösung 3
1. BODENLÖSUNGSZUSAMMENSETZUNG Organische Bestandteile DOM: Gesamtheit der im Bodewasser gelösten organischen Substanz Bestandteile: - niedermolekulare organische Säuren/Komplexbildner (z.b.: Essigsäure, verschiedene Aldehyde, Aminosäuren) - Kohlenhydrate - hydrophobe Zersetzungsprodukte von Polysaccariden, Lignin, Huminsäuren 4
1. BODENLÖSUNGSZUSAMMENSETZUNG Anorganische Bestandteile Gelöste anorganische Stoffe - Bspw.: Calcium, Magnesium, Kalium, Natrium Freisetzung durch chemische Verwitterung Jahreszeitliche Schwankungen (Vegetation, Bodenfeuchte, Bodentemperatur) Hoher Grundwasserstand Regenwasser (Aerosole) Lokale Unterschiede 5
1. BODENLÖSUNGSZUSAMMENSETZUNG Gase: im Gleichgewicht Bodenluft Bodenwasser 6
2. BODENLÖSUNGSGEWINNUNG 2. 1. Bedeutung Aussagen über: - Stoffkonzentration (oft ausreichend) - Stofftransport - Stoffbilanz Unterschiede: - Anschaffungs- und Betriebskosten - Aussagequalität Einsatzbedingungen 7
2. BODENLÖSUNGSGEWINNUNG 2. 2. Feldmethoden Verschiedene Wichtigste Saugkerze 8
Abb. 1: Entscheidungsdiagram zur Auswahl einer Beprobungsmethode (Quelle: DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v., Hennef 2012) 9
2. BODENLÖSUNGSGEWINNUNG 2. 2. 1. Saugkerze weitverbreiteteste Feldmethode Stoffkonzentration der Bodenlösung wird erfasst Auch Stofftransport messbar (Verbundsystem) Haft- und Sickerwasser mit poröser Saugkerze gewonnen Unterdruck nötig 10 Abb. 2: Saugkerze (Quelle: ecotech-bonn, 2016)
2. BODENLÖSUNGSGEWINNUNG Aufbau einer Saugkerze: Abb. 3: Saugkerze mit eingebauter ph-glaselektrode (Quelle:Türk und Horn 1990 11
2. BODENLÖSUNGSGEWINNUNG 12 Abb. 4: Vergleich einer Glas- und Keramikbruchstelle an einer Saugkerze (Quelle: ecotechbonn, 2016)
2. BODENLÖSUNGSGEWINNUNG sehr wichtig: - Material der Saugkerze - Porengröße - Oberfläche - Unterdruck Vorbehandlung: - 0,1-1 M HCl - destiliertes H2O Abb. 5:Welche Saugkerze für welche Stoffgruppe? (Quelle:ecotech-bonn, 2016) 13
2. BODENLÖSUNGSGEWINNUNG Saugkerzeninstallation Abb. 6: Verschiedene Einbaumöglichkeiten einer Saugkerze in den Boden: horizontal(a), vertikal ohne Schaft(b), schräg in einem bestimmten Winkel(c), vertikal mit Schaft(d) und Kragen(e), gestörter Boden(f), ungestörter Boden(g) (Quelle: Weihermüller et al., 2007) 14
2. BODENLÖSUNGSGEWINNUNG Vorbehandlung Material benötigt Einstellungszeit (Zeitraum oder Fördermenge) Zwischenlagerung (Gefäße oder direkt hinter der Saugkerze) 15
2. BODENLÖSUNGSGEWINNUNG 2. 2. 2. Saugplatte Ähnlich wie Saugkerze Druck: ohne, variabel, stabil + größere Untersuchungsfläche als Saugkerzen - aufwändig - starke Störung Abb. 7: Einbau einer Sauglatte(Quelle: ecotech-bonn.de, 2016) 16
2. BODENLÖSUNGSGEWINNUNG 2. 2. 3. Lysimeter Abb. 8: Lysimeter (Quelle: ugt-online.de, 2014) 17
2. BODENLÖSUNGSGEWINNUNG Lysimetereinbau Abb. 9: 2 Lysimetergefäße während und nach dem Einbau in Shixia/China (Quelle: ugt-online.de, 2014) 18
2. BODENLÖSUNGSGEWINNUNG 2. 3. Labormethoden Feldproben - Probleme: Verdunstung, mikrobielle Aktivität Zentrifugieren: - Bodenprobe in Zentrifugenbecher - 1h in Kühlzentrifuge - Noch mal in Zentrifugenröhrchen zetrifugieren - Ergebnis: klare Flüssigkeit + näherungsweise natürliche Bedingungen - Viele Proben nötig für ausreichende Menge an Bodenlösung 19
2. BODENLÖSUNGSGEWINNUNG 2. 4. Einsatzgebiete Schwermetallanteile im Boden (Bergbaufolgelandschaft) Nitratanteile im Boden (Düngung) Stofftransport im Boden 20
3. BODENLÖSUNGSZUSAMMENSETZUNG - METHODE Ionenchromatographie Ionenaustausch, Ionenpaarbildung und Ionenausschluss Ionen in flüssiger Form ins Gerät Festionen am Austauscher Alle Ionen spezifische Austauschzeit (unterschiedliche Peaks) 21
4. FACHARTIKEL Siliziumcarbid eine Alternative zur Aluminiumoxid- Saugkerze (Göttlein, Adler und Blasek; 2000) 2 Saugkerzen SiC- und P80-Keramik Standardlösungen Adsorptionsanteil untersucht 22
Abb. 10: Reaktion unterschiedlich vorbehandelter SiC- und P80Keramik bei der Passage des Anionenstandards (Quelle: Göttlein, Adler und Blasek, 2000) 23
Abb. 11: Veränderung der Lösungen durch unterschidlich vorbehandelte SiC- und P80-Keramik (Quelle: Göttlein, Adler und Blasek, 2000) 24
4. FACHARTIKEL Schlussfolgerungen: - beide beeinflussen Kationen in vergleichbarer Art und Größenordnung - Vorbehandlung entscheidend - leichter Vorteil bei SiC-Saugkerze - könnte eine interessante Alternative werden - Heute: SiC-Saugkerzen Alternative 25
5. ZUSAMMENFASSUNG Saugkerze am weitesten verbreitet Labormethoden weniger genutzt Analsyse: Ionenchromatographie Noch kein perfektes Saugkerzenmaterial 26
6. LITERATUR- UND ABBILDUNGSVERZEICHNIS Blume, H.-P. et all (2010); Scheffer/Schachtschabel- Lehrbuch der Bodenkunde. Springer Spektrum. Heidelberg DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (2012): DWA Regelwerk: Merkblatt DWA-M 905. Gewinnung von Bodenlösung Beprobungssysteme und Einflussgrößen. DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (2012) Göttlein, A.; Adler, J.; Blasek, R. (2000) Siliziumcarbid eine Alternative zur AluminiumoxidSaugkerze? Journal of Plant Nutrition and Soil Science (2000) 163. WILEY-VCH Verlag. Weinheim Lehnardt, F. (1997): Einfluss der Kalkung und Düngung auf den Ionenaustausch und die chemische Zusammensetzung der Bodenlösung am Beispiel von vier Waldstadorten im Hessischen Bergland. Journal of Plant Nutrition and Soil Science (2000) 163. WILEY-VCH Verlag. Weinheim Türk, T.; Horn, R. (1990): Eine Methode zur permanenten ph-wert-registrierung mittels keramischer Saugkerzen im Mineralbodeninput eines suaren Waldbodens. Zeitschrift für Pflanzenernährung und Bodenkunde (1991). 154. VCH Verlagsgesellschaft. Weinheim http://www.analytik.ethz.ch/praktika/phys_anal/element/ic_anionen_2013.pdf Zugriff: 18.05.2016 15:34 27
6. LITERATUR- UND ABBILDUNGSVERZEICHNIS Abb. 1 DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (2012): DWA Regelwerk: Merkblatt DWA-M 905. Gewinnung von Bodenlösung Beprobungssysteme und Einflussgrößen. DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (2012) Abb. 2 https://www.ecotech-bonn.de/de/produkte/bodenkunde/sickerwassergewinnung/saugkerzen/ Zugriff 19.05.2016 11:25 Abb.3 Türk, T.; Horn, R. (1990): Eine Methode zur permanenten ph-wert-registrierung mittels keramischer Saugkerzen im Mineralbodeninput eines suaren Waldbodens. Zeitschrift für Pflanzenernährung und Bodenkunde (1991). 154. VCH Verlagsgesellschaft. Weinheim Abb. 4 https://www.ecotech-bonn.de/de/produkte/meterologie/sensoren/saugkerzen/einfuehrung_saugkerzen/ Zugriff 19.05.2016 11:34 Abb. 5 https://www.ecotech-bonn.de/de/produkte/meterologie/sensoren/saugkerzen/einfuehrung_saugkerzen/ Zugriff 19.05.2016 11:34 Abb. 6 Weihermüller 2007 Abb. 7 https://www.ecotech-bonn.de/de/produkte/bodenkunde/sickerwassergewinnung/saugplatten/ Zugriff 19.05.2016 12:23 Abb. 8 http://www.ugt-online.de/fileadmin/media/products/katalog_02-2014_dt.pdf Zugriff 20.05.2016 9:15 Abb. 9 http://www.ugt-online.de/fileadmin/media/products/katalog_02-2014_dt.pdf Zugriff 20.05.2016 9:15 Abb. 10 Göttlein, A.; Adler, J.; Blasek, R. (2000) Siliziumcarbid eine Alternative zur AluminiumoxidSugkerze? Journal of Plant Nutrition and Soil Science (2000) 163. WILEY-VCH Verlag. Weinheim Abb.11 Göttlein, A.; Adler, J.; Blasek, R. (2000) Siliziumcarbid eine Alternative zur AluminiumoxidSaugkerze? Journal of Plant Nutrition and Soil Science (2000) 163. WILEY-VCH Verlag. Weinheim 28