Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 3

Pedosph¨are

Hinweise zu den K¨artchen

Fluvial

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 3

Verlehmung

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 5

Aolisch ¨

Als fluvial oder fluviatil (lat. fluvius, Fluss, fluvial bedeutet

” von Fl¨ ussen verursacht“) werden in den Geowissenschaften Vorg¨ ange und

Gesteinsschichten bezeichnet, die mit Fl¨ ussen und ihrem

Gesteinstransport bzw. Ablagerungen in Zusammenhang stehen.

Die K¨ artchen wurden f¨ ur die Pr¨ ufung nach dem SS 2005 bei Ruben Kretzschmar geschrieben.

Skript:

Pedosph¨ are

Einf¨ uhrung in die Bodenkunde Unterlagen zur Vorlesung Version 1.0

http://www.ito.umnw.ethz.ch/SoilChem/bodenkunde Kapitel 7 bis 10 inkl. Glossar

Erstellt von: Thomas Kuster (4. Semester, D-UWIS) Verf¨ ugbar via: http://fam-kuster.ch

6 Antwort

Allgemein und insbesondere in der Geologie die vom Wind verursachten Erscheinungen wie zum Beispiel der ¨ aolische Transport.

4 Antwort

Anstieg des Tongehalts auf Grund von chemicher Verwitterung des Bodens.

Es sind insbesondere die Silikate Muskovit und Biotit (Glimmer), aus

denen die Tonminerale Illit oder Vermikulit entstehen.

Schluff Ton

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 11

Sand

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 13

Lehm

Die Korngr¨ oße von siliziklastischen Gesteinen und klastischen Karbonatgesteinen, wobei es sich bei beiden Gruppen um Sedimentgesteine handelt. Korngr¨ osse von < 2 µm (0.002 mm).

Weiter Unterteilung in:

Grobton (gT) 0.63 - 2 µm (0.00063 - 0.002 mm) Mittelton (mT) 0.2 - 0.63 µm (0.0002 0.00063 mm) Feinton (fT) < 0.2 µm (< 0.0002 mm)

Silt (¨ ubernommen aus dem Englischen, auch Schluff) sind Feinb¨ oden, unverfestigte, in der Regel klastische Sedimente und Sedimentgesteine, die zu mindestens 95% aus Komponenten in einer Korngr¨ osse von 2 µm (0.002 mm) bis 50 µm (0.05 mm) bestehen.

Weiter Unterteilung in:

Grobschluff (gU) 20 - 63 µm (0.02 - 0.063 mm) Mittelschluff (mU) 6.3 - 20 µm (0.0063 - 0.02 mm) Feinschluff (fU) 2- 6.3 µm (0.002 - 0.0063 mm)

14 Antwort

Lehm ist ein Sediment, aus chemischer verwittert von Gesteinen. Lehm ist eine feine Mischung unterschiedlicher Mineralien. Man unterscheidet je nach Entstehung Berglehm, Geh¨ angelehm, Geschiebelehm, L¨ osslehm und Auenlehm .

Er besteht im Wesentlichen aus Ton, Sandund Schluff, dazu kommt noch Kalk. Es gibt keine klare Abgrenzung zum Ton, tonreiche Lehme nennt man fett, tonarme mager. Lehm ist nicht so plastisch wie Ton und auch nicht so wasserundurchl¨ assig, da die Sedimente im Ton kleiner sind als im Lehm. In feuchtem Zustand ist Lehm formbar, in trockenem Zustand fest.

Bei Wasserzugabe quillt Lehm, beim Trocknen schwindet er.

12 Antwort

Zerkleinertes Gestein 63 - 2000 µm (0.063 - 2 mm), das von Wind und Wasserbewegung zu Sandstr¨ anden, D¨ unen u. ¨ a. aufgeh¨ auft werden kann.

In diesem Fall spricht man von einem Lockersediment. Die mineralische Zusammensetzung von Sand kann je nach Ort sehr stark variieren (z. B.

weisser Sand am Strand aus Korallenskeletten, Muscheln

(Kalziumkarbonat (CaCO

)). Der Grossteil der Sandvorkommen besteht allerdings aus Quarz (Siliziumdioxid SiO

), denn er ist nicht nur h¨ aufig, sondern auch mit einer H¨ arte von 7 auf der 10-stufigen Mohs’schen H¨ arteskala besonders verwitterungsresistend.

Weiter Unterteilung in:

Grobsand (gS) 630 - 2000 µm (0.63 - 2 mm)

Mittelsand (mS) 200 - 630 µm (0.2 0.63 mm)

Feinsand (fS) 63 - 200 µm (0.063 - 0.2 mm)

humides Klima Abrasion

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 19

Bodenfruchtbarkeit

Wann ist ein Boden fruchtbar, wann unfruchtbar?

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 21

Bodenfruchtbarkeit

(Definition)

Steine werden gegeneinander geschlagen und kleine Partikel werden abgesprengt, die dann mit dem Wasser fortgetragen und flussabw¨ arts sedimentiert werden.

Humides Klima ist gleichbedeutend mit feuchtem Klima, in dem die j¨ ahrlichen Niederschl¨ age gr¨ osser sind als die Verdunstung.

Klima mit einer positiven Wasserbilanz.

22 Antwort

Ein Boden gilt als fruchbar, wenn:

• Er eine f¨ ur seinen Standort typische artenreiche, biologisch aktive Lebengemeinschaft und typische Bodenstrukturen sowie eine ungest¨ orte Abbaufhigkeit aufweist.

• Nat¨ urliche und vom Menschen beeinflusste Pflanzen und Pflanzengesellschaften ungest¨ ort wachsen und sich entwickeln k¨ onnen und ihre charakteristischen Eigenschaften nicht beeintr¨ ochtigt werden.

• Die pflanzlichen Erzeugnisse eine gute Qualit¨ at aufweisen und die Gesundheit von Mensch und Tier nicht gef¨ ahrden.

• Mensch und Tier, die ihn direkt aufnehmen, nicht gef¨ ahrdet werden.

20 Antwort

• landwirtschaftlich

Ertragsf¨ ahigkeit des Bodens

• ¨ okologisch

wenig ertragreiche B¨ oden (hohe Artenvielfalt, enthalten oft auch

seltene Pflanzenarten), z. B. n¨ ahrstoffarme sehr trockene Standorte

(Trockenrassen), sehr nasse Standorte (Hochmoore).

Ertragsf¨ahigkeit B¨oden bestehen aus. . . (grobe gesehen)

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 27

Wodurch wird der Porenraum bestimmt, was wird dadurch beeinflusst?

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 29

K¨ornung

Korngr¨ossenklassen

mineralischen und organischen Festphasen (ca. 40-60 Vol %) und Poren (ca. 60-40 Vol %), die mit Wasser oder Luft gef¨ ullt sein k¨ onnen.

Global gesehen steht die Ertragsf¨ ahigkeit von landwirtschaflich gen¨ utzen B¨ oden im Vordergrund.

Es m¨ usste zwischen aktueller und potentieller Ertragsf¨ ahigkeit unterschieden werden.

• Boden hat optimale Eigenschaften (tiefgr¨ undig, gut durchl¨ uftet, n¨ ahrstoffreich,. . . ) aber zu wenig Wasser ⇒ aktuelle Ertragsf¨ ahigkeit gering. Bew¨ assern ⇒ Ertragsf¨ ahigkeit gross ⇒ hohe potentielle Ertragsf¨ ahigkeit. Z. B. Schwarzerden der Steppenregionen).

• Falsche Bew¨ asserung ⇒ Verdichtung, Verringerung der Wasserleitf¨ ahigkeit, Versalzung des Bodens ⇒ potentielle Ertragsf¨ ahigkeit sinkt.

• ⇒ Ertragsf¨ ahigkeit ist keine statische Bodeneigenschaft.

N¨ ahrstoffreserven (vorallem P, N) vieler B¨ oden (Tropen, Subtropen) sind sehr gering und entsprechend schnell ersch¨ opft.

Landnutzungssysteme mit ausreichender N¨ ahrstoffr¨ uckf¨ uhrung die auch bei zunehmender Bev¨ olkerungsdichte nachhaltig sind m¨ ussen entwickelt werden.

30 Antwort

Die mineralischen Partikel weisen in der Regel eine kontinuierliche Korngr¨ ossenverteilung auf (10

m, 1 nm bis 10

m, 1 mm oft auch bis 10

m, 1 dm)

Feinerde (< 2 mm) Ton (< 2 µm)

Schluff (2 bis 50 µm) Sand (50 bis 2000 µm) Skelett (> 2 mm)

Kies (2 bis 50 mm) Steine (50 bis 200 mm) Bl¨ ocke (>200 mm)

Die einzelnen K¨ orngr¨ ossenklassen werden oft noch weiter unterteilt z. B.

in Feinsand, Mittelsand und Grobsand, dieses k¨ unstliche System ist weltweit nicht einheitlich, aber ¨ ahnlich (siehe Abbildung 7.1 S. 85).

28 Antwort

• Porenraum wird durch Korngr¨ ossenverteilung (Textur) und die Anordung der festen Bodenteilchen im Raum (Struktur,

Lagerungsdichte) bestimmt.

• Porengr¨ ossenverteilung und Porenvernetzung beeinflussen massgeblich den Wasser- und Gashaushalt des Bodens

• Indirekt auch den W¨ armehaushalt (W¨ armeleitf¨ ahigkeit ,

W¨ armespeicherung)

K¨ornung/Textur K¨ornungsdreieck

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 35

Wie kommt eine bestimmte

Korngr¨ossenverteilung eines Bodens zustande?

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 37

Korngr¨ossenverteilung

auf Grund des Ausgangsgesteins

Auf Grund der verschiedenen Gemische an Ton, Schluff und Sand werden die B¨ oden in verschiedene Bodenarten eingeteilt z. B. sandiger Lehm (15-20% Ton, <50% Schluff, (>50% Sand)), sehr n¨ utzlich f¨ ur Bodenbewertung,

Bodenklassifikation und Kartierung.

Sand (S) schluffiger Sand (uS) Ton (T)

lehmiger Sand (lS) lehmreicher Sand (lrS)

sandiger Lehm (sL) Lehm (L) toniger Lehm (tL)

lehmiger Ton (lT)

Schluff U lehmiger Schluff (lU)

% Ton

% Schluff

Schluff (sU) sandiger

Schluff (tU) toniger

10 20

30 40

50 50

70

50

% Sand

30

Die Gr¨ ossenverteilung der Feinerde (<2 mm) eines Bodens bezeichnet man als K¨ ornung oder Textur.

Anstelle der kontinuierlichen Gr¨ ossenverteilung werden meistens die gravimetrische Gehalte (Massenanteile) an Ton, Schluff und Sand bestimmt (K¨ ornungsdreieck).

38 Antwort

Ausgangsgestein Junge B¨ oden

” erben“ ihre Korngr¨ ossenverteilung vom Ausgangsgestein:

Granit (saures Tiefengestein, grobk¨ ornig) → B¨ oden mit h¨ oherem Sandgehalt als B¨ oden auf einem Basalt.

Basalt (basisches Ergussgestein, feink¨ ornig) → B¨ oden mit tieferem Sandgehalt als auf Granit.

Kalkstein → tonreiche (60-70% Ton) B¨ oden (Tonpartikel bleiben bei der Kalkaufl¨ osung zur¨ uck)

L¨ oss (schluffreiches ¨ aolische Sediment) → Schluffreich (50-70% Schluff) Sanderfl¨ achen (sandige, fluviatile Sedimente) → sandige (80-90% Sand)

B¨ oden

Mor¨ anenmaterial B¨ oden auf Mor¨ anenmaterial enthalten oft alle Korngr¨ ossen (grosse Steine bis Ton, oft lehmige Feinerde mit mehr oder weniger Skelett).

36 Antwort

Ausgangsgestein Junge B¨ oden

” erben“ ihre Korngr¨ ossenverteilung vom Ausgangsgestein.

Physikalische Verwitterung Feste Gesteine werden durch physikalische Verwitterung zerteilt.

Chemische Verwitterung, Mineralneubildung vollst¨ andige oder teilweise Aufl¨ osung von prim¨ aren Mineralien und Bildung von sekund¨ aren Mineralien.

Umlagerung und Sortierung Der Transport von Partikel durch Wind oder Wasser bewirkt meistens eine Sortierung der Korngr¨ ossen.

Je nach Ausgangsgestein und Bodenbildung entsteht also eine

unterschiedliche Korngr¨ ossenverteilung, die ein wichtiger Parameter f¨ ur

die Bodenfruchtbarkeit bzw. die Standorteigenschaften darstellen.

Korngr¨ossenverteilung auf Grund physikalischer

Verwitterung des Ausgangsgesteins

Korngr¨ossenverteilung

auf Grund chemischer Verwitterung und Mineralneubildung des

Ausgangsgesteins

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 43

Korngr¨ossenverteilung

auf Grund Umlagerung und

Sortierung des Ausgangsgesteins

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 45

Bodenstruktur, Gef¨ uge

(Allgemein, Begriffe)

Vollst¨ andige oder teilweise Aufl¨ osung von prim¨ aren Mineralien und Bildung von sekund¨ aren Mineralien wodurch im Laufe der Bodenbildung der Skelett-, Sand-, und Schluffgehalt ab (prim¨ are Mineralien) und der Tongehalt zu (sekund¨ are Mineralien).

In stark verwitterten B¨ oden (Tropen, Subtropen) findet man kaum noch prim¨ are Mineralien (ausser Quarz) und einen erh¨ ohten Tongehalt.

Den Anstieg des Tongehalts durch chemische Verwitterung von Silikaten nennt man auch Verlehmung

Feste Gesteine werden durch physikalische Verwitterung zerteilt bis zu den einzelnen Kristallen, die in Tiefengesteinen gr¨ ober sind als in

Ergussgesteinen, m¨ oglich durch:

• Frostsprengung

• Temperatursprengung

• Salzsprengung, auskristallisieren von Salz in Rissen

• Wurzelsprengung

• Abrasion, in B¨ achen, Fl¨ ussen und Hanglagen

46 Antwort

Mineralischen Partikel liegen meistens nicht als lose Sch¨ uttung

(Sandd¨ une) oder gleichm¨ assig kompakte Packung (kompaktes Sediment) vor, sondern bilden sogenannte Bodenaggregate.

Die Begriffe Gef¨ uge oder Bodenstruktur bezeichnen die Art der Anordnung der festen Bodenpartikel im Raum.

44 Antwort

Der Transport von Partikel durch Wind oder Wasser bewirkt meistens eine Sortierung der Korngr¨ ossen, weil gr¨ obere Partikel zuerst (bei h¨ oheren Fliessgeschwindigkeiten) abgelagert werden und feinere weiter

transportiert werden.

Beispiele:

L¨ oss Sehr schluffreiches ¨ aolisches Sediment (50-80% Schluff), meist in periglazialen Gebieten.

fluviatile Sande (Flussablagerungen), die oft bis zu 95% Sand

enthalten. In Flussauenlandschaften wird die Textur der B¨ oden oft mit zunehmender Entfernung vom Flussbett feiner, weil die

Fliessenergie des Wassers bei ¨ Uberschwemmungen abnimmt.

Gr¨ unde f¨ ur die Enstehung der Bodenaggregate

(Beispiele)

Kr¨ umelgef¨ uge

(Entstehung, Eigenschaften)

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 51

Polyedergef¨ uge, Subpolyedergef¨ uge, Prismengef¨ uge

(Entstehung, Eigenschaften)

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 53

Klumpengef¨ uge, Br¨ockelgef¨ uge

(Entstehung, Eigenschaften)

Hohe biologische Aktivit¨ at in Oberb¨ oden mit g¨ unstigem pH und N¨ ahrstoffbedingungen schafft ein stabiles Kr¨ umelgef¨ uge (locker gelagertem rundlich geformte Aggregate), welches durch w¨ uhlende und verklebende T¨ atigkeiten von Bodentieren (z. B. regenw¨ urmer) entsteht.

Oberb¨ oden mit einem Kr¨ umelgef¨ uge sind gut druchl¨ uftet, gut durchwurzelbar und erlauben eine rasche Wasserinfiltration bei Niederschl¨ agen.

Die Entstehung der Bodenaggregate kann auf biologische, physikalische oder chemisch-physikalische Prozesse zur¨ uckgef¨ uhrt werden.

Beispiele:

• Kr¨ umelgef¨ uge

• Polyedergef¨ uge (tonreich) und Subpolyedergef¨ uge (lehmig-schluffig)

• Klumpengef¨ uge (gross) oder Br¨ ockelgef¨ uge (klein)

54 Antwort

Durch die Bodenbearbeitung (Landwirtschaft) werden die Aggregate mechanisch zerkleinert und beliebig gebrochen:

Klumpengef¨ uge gross Br¨ ockelgef¨ uge klein

52 Antwort

Alle diese Gef¨ uge entstehen durch Quellen und Schrumpfen von B¨ oden bei Austrockung und Wiederbefeuchten.

Polyedergef¨ uge In tonreichen B¨ oden entstehende kantige Bodenaggragate.

Subpolyedergef¨ uge In lehmig-schluffigen B¨ oden entstehend, die Kanten sind nicht ganz so scharf wie die der Polyedergef¨ uge.

Prismengef¨ uge (grosse Aggregate die hochkant im Boden angeordnet

sind). Im Unterboden, der nicht oft vollst¨ andig austrocknet, die

Aggregate sind gr¨ osser und die Schrumpfrisse gehen senkrecht in den

Boden. Relativ gross Zerfallen in Polyedergef¨ uge.

Bedeutng des Bodengef¨ uges Bedeutung der Makroporen

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 59

Porosit¨at und Lagerungsdichte

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 61

Porosit¨at E

(Definition)

Makroporen (>50 µm) sind besonders wichtig f¨ ur:

Gasaustausch zwischen Atmosph¨ are (O

-reich) und Bodenluft

(CO

-reich (Atmung Wurzeln, Mikroorganismen)), schnell in Luftgef¨ ullten Makroporen, stark gehemmt in wassergef¨ ullten.

Wasserinfiltration und -speicherung Infiltration verl¨ auft besonders schnell in gut vernetzten Makroporen. F¨ ur die Wasserspeicherung sind vorallem Feinporen (<0.2 µm), Mittelporen (0.2-10 µm) und enge Grobporen (10-50 µm) von Bedeutung.

Lebensraum Tiere der Meso- und Makrofauna brauchen Makroporen als Lebensraum. Manche Tiere schaffen sich selbst Poren (z. B.

Regenw¨ urmer), andere sind auf bestehende Poren angewiesen.

Transportvorg¨ ange Alle Transportvorg¨ ange im Boden (Gase, Wasser, gel¨ oste Stoffe), werden durch das Porensystem massgeblich beeinflusst.

Makroporen bilden oft pr¨ aferentielle Fliesswege f¨ ur Wasser und gel¨ oste Stoffe.

Eindringwiderstand f¨ ur Wurzeln wird bestimmt durch die Lagerung der Bodenpartikel und den Porenraum. In sehr dicht gelagerten B¨ oden ist das Wurzelwachstum stark gehemmt.

• Die Bodenstruktur ist extrem wichtig f¨ ur die Bodenfruchtbarkeit, vorallem in tonigen und lehmigen B¨ oden.

• Falls die Bodenpartikel Aggregate bilden, gibt es meistens zwischen den Aggregaten gr¨ ossere Poren, diese f¨ ordern:

– Durchl¨ uftung – Wasserinfiltration – Durchwurzelbarkeit

• Stabiles Aggregategef¨ uge, vermindert die Neigung des Bodens zu:

– Verschlammung – Verkrustung – Bodenerosion erleichtert:

– Bodenbearbeitung

62 Antwort

Porosit¨ at

E = V

V = 1 − %

%

mit

%

= M

V

%

= M

V

E Porosit¨ at

V Gesamtvolumen V

Porenvolumen

V

Bodenpartikelvolumen

ρ

Lagerungsdichte (Dichte mit Poren) ρ

relle Dichte (Dichte Festanteil,

” ohne“ Poren) M

Masse Bodenpartikel in V

60 Antwort

Die Porosit¨ at, Porengr¨ ossenverteilung und Vernetzung im Boden wird

durch die Textur (Korngr¨ ossenverteilung) und das Gef¨ uge (Aggregierung)

des Bodens bestimmt.

Reelle Dichte von:

Quarz, Feldsp¨aten und B¨oden Typische Lagrunsdichten von B¨oden

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 67

Prim¨ar- und Sekund¨arporen

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 69

Sickerwasser

%

[g/cm

= kg/l] Beschreibung Vorkommen

<0.9 extrem locker Torfe, Tone, vulkanische B¨ oden 0.9 - 1.1 locker sehr lockere Oberb¨ oden

1.1 - 1.3 mittel Oberb¨ oden, Unterb¨ oden 1.3 - 1.5 leicht verdichtet Unterb¨ oden

1.5 - 1.7 dicht verdichtete Unterb¨ oden

>1.7 extrem dicht stark verdichtete Sedimente

Festphase Relle Dichte [g/cm

= kg/l]

Quarz 2.65 Feldsp¨ ate 2.54 - 2.76 B¨ oden 2.55 - 2.75 Alle ≈ 2.6.

70 Antwort

Wasser welches auf Grund der Schwerkraft aus dem Boden ausfliessen kann.

S¨ attigt man einen Boden mit Wasser und l¨ asst ihn anschliessend frei dr¨ anen, so f¨ ullen sich die grossen Poren wieder mit Luft, weil das Wasser durch die Schwerkraft nach unten absickert. Dieses Wasser nennt man Sickerwasser.

68 Antwort

Prim¨ arporen Die Bodenmatrix besteht aus Partikeln verschiedener Gr¨ ossen (0.01 - 2000 µm) und Form ⇒ Prim¨ arporen zwischen den Partikel unterschiedlicher Gr¨ osse und Form (in den Aggregaten).

Sekund¨ arporen In aggregierten B¨ oden grobe Poren zwischen den

Aggregaten.

Adsorptionswasser Kapillarwasser

freies Wasser

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 75

Grundwasser Stauwasser

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 77

Matrixpotential

Wasser welches nicht durch Kr¨ afte im Boden festgehalten wird, aber trotzdem nicht versickern kann, da die Versickerung gehemmt ist (z. B.

durch eine Stauschicht).

Teil des Wasser der als Wasserfilm um feste Bodenpartikel (Adsorptionswasser) und in feinen oder mittleren Poren

(Kapillarwasser) gegen die Schwerkraft zur¨ uck gehalten wird und somit im Boden gespeichert.

Wird auch als Haftwasser bezeichnet.

(Adsorptionswasser (und Kapillarwasser?) ist f¨ ur Pflanzen nicht verf¨ ugbar).

78 Antwort

Wasser wird unterschiedlich stark im Boden gebunden. Man kann dies auch als sogenanntes Matrixpotential ausgedr¨ ucken.

76 Antwort

Grundwasser Ganzj¨ ahrig mit Wasser ges¨ attigter Boden.

Stauwassser Boden der im Jahresverlauf nur zeitweise ges¨ attigt ist.

Hydraulisches Potenzial des Wassers (Formeln und Erkl¨arung)

Hydraulisches Potenzial und Wassergehalt

(Grafik)

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 83

pF-Kurve

(Beziehung, Messart, Beeinflussung, Hysterese)

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 85

pF-Kurve

(Grafisch: Einfluss der Textur und des

Gef¨ uges)

Boden

−100 0 +100

Wasser

40 20

Höhe über WO z (cm) Höhe über WO z (cm)

WO

Aufwärtsbewegung Gleichgewicht Abwärtsbewegung (Regen)

ψ_H

ψ_m ψ_z

Wassergehaltθ(Vol-%) Potentialψ(cm WS)

Bezugspunkt: Grundwasserspiegel/Wasseroberfl¨ ache (WO) ψ

= 0.

Nicht-linearer Wassergehaltverlauf der von der Porosit¨ at, Porengr¨ ossenverteilung und Textur abh¨ angt.

ψ

= ψ

+ ψ

+ ψ

+ ψ

| {z }

ψW

ψ

hydraulisches Potential ψ

Gravitationspotential ψ

Matrixpotentiel ψ

Gaspotential ψ

osmotische ψ

Wasserpotential

Wasserspannung entspricht dem neagtiven Wert des Wasserpotentials, also der Saugspannung (=Unterdruck).

Im Allgemeinen kann das Gaspotential (nur nicht falls Luftdruck im Boden anders als am Bezugspunkt (z. B. in Experimenten zur Wasserbindung)) und das osmotische Potential (nur nicht in ariden Gebieten und B¨ oden der Salzmarschen) vernachl¨ assigt werden.

Wasser bewegt sich immer in Richtung des niedrigsten hydraulischen Potentials bis ein Gleichgewicht herrscht:

ψ

= ψ

+ ψ

= 0

86 Antwort

pF cmWS hPa

7

1.8 60 300 2.5

4.2

60

0 20 40

Totwasser

FK

Luftgehalt bei FK

nicht pflanzen− pflanzen− verfügbares verfügbares

Tonboden Schluffboden

Sandboden

Einfluss der Textur Ist verantwortlich für den Hauptunter−

schied der drei Kurven Sand−, Schluff−, und Ton−

boden

Einfluss des Gefüges Beeinflusst die pF−Kurve vorallem im Bereich niedriger Wasserspannung:

pF < 2

permanenter Welkepunkt

PWP

Feldkapazität

FK nFK

optimal für Pflanzen

Wassergehalt (Vol-%)

10

10

W asse rs pa nn ung

84 Antwort

Beziehung Beziehung zwischen Wasserspannung und Wassergehalt (pF

= log (−ψ

) = log (−(ψ

+ ψ

+ ψ

))).

Messung Wird meist als Desorptionskurve gemessen, d. h. eine Bodenprobe wird vollst¨ andig mit Wasser ges¨ attigt und dann Schrittweise bei steigendem Druck entw¨ assert.

Beeinflussung Bodengef¨ uge beeinflusst die pF-Kurve vorallem im Bereich niedriger Wasserspannung (pF < 2), weil das Gef¨ uge vorallem die sekund¨ aren Makroporen beeinflusst

Hysterese pF-Kurve ist keine eindeutige Beziehung f¨ ur einen bestimmten Boden. Hysterese-Effekt tritt auf wenn z. B. vom

ges¨ attigten Zustand entw¨ assert wird und dann wieder befeuchtet auf Grund von eingeschlossener Luft, Benetzungseffekte,

Flaschenhalseffekte und Matrixdeformation.

Wasserbewegung im Boden Warum?

Von was h¨angt die Wasserbewegung ab?

Geschwindigkeit der Wasserbewegung im Boden

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 91

Werte der Wasserleitf¨ahigkeit von wasserges¨attigten B¨oden

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 93

Wasserbilanz und Bodenwasserregime

Die Geschwindigkeit im Boden h¨ angt ab vom hydraulischen Potential und der Wasserleitf¨ ahigkeit des Bodens.

Darcy Gleichung

v = Q

F = K

dψ

dx v Flussgeschwindigkeit [cm/s]

Q Wassermenge [cm

/s]

F Querschnittsfl¨ ache [cm

]

K

hydraulische (ges¨ attigte) Leitf¨ ahigkeit [cm/s]

ψ

hydraulisches Potential [cm]

x Distanz in Fliessrichtung [cm]

Die hydraulische Leitf¨ ahigkeit h¨ angt vorallem von der Gr¨ ossenverteilung der wasserleitenden Poren ab. Wenn der Wassergehalt abnimmt werden vorallem die gr¨ osseren Poren mit Luft gef¨ ullt und die

Leif¨ ahigkeit nimmt im Vergleich zum ges¨ attigten Boden stark ab.

Wasserleitf¨ ahigkeit eines Sandbodens ist niedriger als die eines Lehmbodens wenn die Wasserspannung auf pF > 2 ansteigt!

Das hydraulische Gleichgewicht im Boden wird durch Verdunstung, Niederschl¨ age und Pflanzenwachstum gest¨ ort ⇒ Wasser ist in Bewegung in Richtung des niedrigsten hydraulischen Potentials.

94 Antwort

N + Z = ET + V + A + ∆S N Niedrschlag

Z laterale Zufluss (Grund-, Oberfl¨ achenwasser) ET Evapotranspiration (Verdunstung)

V Versickerung

A lateraler Abfluss (Grund-, Oberfl¨ achenwasser)

∆S Anderung in der Wasserspeicherung im Boden ¨

A und Z h¨ angen stark von Hangneigung und Reliefposition ab

V (und damit der Beitrag zur Grundwasserneubildung) wird massgeblich von allen anderen Gr¨ ossen beeinflusst.

∆S = 0 gilt f¨ ur l¨ angere Zeitr¨ aume (1 Jahr).

N % ⇒ V % oder % A (⇒ Bodenerosion)

Wasserspeicherung S gross ⇒ V & und ET % , bzw. S klein unter gleichen klimatischen Bedingungen mehr Grundwasserbildung.

92 Antwort

Bodenart Wasserleitf¨ ahigkeit K

[cm/s] [cm/d]

Sande ≈ 4 · 10

- 4 · 10

≈ 3 · 10

- 3 · 10

Schluffe ≈ 4 · 10

- 5 · 10

≈ 3 · 10

- 4 Lehme ≈ 4 · 10

- 1 · 10

≈ 3 · 10

- 1 Tone ≈ 4 · 10

- 4 · 10

≈ 3 · 10

- 1 · 10

Weniger als 4 mm pro Sekunde bzw. 300 m am Tag.

In Tonen sinkt die Fliessgeschwindigkeit bis zu 0.1 mm pro Tag!

Klassifizierung des Wasserhaushalts von B¨oden

Wasserversorgung der Pflanzen

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 99

Optimaler Grundwasserstand f¨ ur die Landwirtschaft

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 101

Lufgehalt von B¨oden

Siehe auch pF-Kurve (Grafisch: Einfluss der Textur und des Gef¨ uges) (85) permanenter Welkepunkt (PWP) Wenn der Boden trockener als der PWP (pF = 4.2) wird k¨ onnen die meisten Pflanzen kein Wasser mehr aus dem Boden aufnehmen (permanente Welke der Pflanzen).

Totwasser Wasser welches von der Bodenmatrix festgehalten wird und nicht Pflanzenverf¨ ugbar ist.

Feldkapazit¨ at (FK) Wasser welches der Boden gegen die Schwerkraft l¨ angere Zeit halten kann. In der Praxis zwischen pF 1.8 und 2.5

abgesch¨ atzt.

nutzbare Feldkapazit¨ at (nFK) Pflanzennutzbarer Anteil der FK.

Pflanzenverf¨ ugbaren Wassermenge (W

) Absch¨ atzung der maximal gespeicherten Menge aus dem effektiven Wurzelraum (W R

) und nFK:

W

[mm] = nF K [mm/dm] · W R

[dm]

Wassergehalt beim PWP Ton > Schluff, Lehm > Sand

FK Ton > Schluff, Lehm > Sand

nFK Ton < Schluff, Lehm > Sand

Der Wasserhaushalt von B¨ oden wird in verschiedene

Bodenfeuchte-Regime eingeteilt. Dazu wird die durchschnittlichen Anzahl von trockenen (pF > 4.2), feuchten (pF < 4.2) oder nassen (pF ≈ 0) Tage in einer bestimmten Bodentiefe zugrunde gelegt (US Soil

Taxonomy).

Boden- feuchte- Regime

Beschreibung Vorkommen (Beispiele)

Aquic St¨ andig nass, reduzierend Grundwasserb¨ oden Udic Meist Feucht, aber nicht nass Humide Klimate Ustic Zeitweise Feucht, aber mit Trocken zeit Subtropische Zone

Aridic Fast immer trocken Aride Klimate

Torric Meist trocken Semiaride Klimate

Xerric Feucht, aber trockener Sommer Mediterrane Klimate

102 Antwort

Tendenziell sind immer die gr¨ ossten Poren mit Luft gef¨ ullt (die kleineren mit Wasser) ⇒ nasse B¨ oden sind schlecht und trockene gut durchl¨ uftet.

Der Luftanteil schwankt je nach aktueller Bodenfeuchte zwischen 0 und 40 Vol-%

Boden Vol-% Luft Sandb¨ oden 30 - 40 Schluffb¨ oden 10 - 25 Tonb¨ oden 5 - 10

Dies sind nur grobe Werte da der Anteil stark vom Bodengef¨ uge (grosse sekund¨ ar Poren zwischen den Bodenaggregaten) abh¨ angt und somit von allen Faktoren die das Gef¨ uge beeinflussen wie Verdichtung,

Bodenbearbeitung, Verschlammung,. . . .

100 Antwort

Sandb¨ oden ≈ 50 cm

Schluff- und Lehmb¨ oden 1.4 bis 1.8 m Tonb¨ oden 0.9 bis 1.3 m

Dies ist durch die Unterschiede hinsichtlich kapillarem Aufstieg und

Wasserleitf¨ ahigkeit begr¨ undet.

Zusammensetzung der Bodenluft Gase und ihre Entstehung sowie Partialdr¨ ucke

Gastransport

Arten von Gastransport

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 107

Gashaushalt und Pflanzenwachstum Was f¨ uhrt zu einer Hemmung des Pflanzenwachstums

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 109

W¨armehaushalt

Bodentemperatur

Konvektion Druckdifferenzen f¨ uhren zu einem konvektivem Gastransport im Boden.

Druckdifferenzen werden verursacht durch:

• Entstehen durch Schwankungen des Grundwasserspiegel

• Verdr¨ angung von Gasen durch infiltrierendes Wasser

• Temperaturschwankungen

• Gasentstehung in anaeroben Zonen

Diffusion Sehr wichtig ist der Gastransport durch Diffusion (Diffusion von O

in Luft ist ≈ 1000 mal schneller als in Wasser). Aus diesem Grund ist der Wassergehalt, die Verteilung von Wasser und Luft die Vernetzung von luftgef¨ ullten Poren ausschlaggebend f¨ ur die

Gasdiffusion.

Bodenluft enth¨ alt immer weniger O

und mehr CO

als atmosph¨ arische Luft (Bodenorganismen (Bakterien, Pilze, Tiere) und Pflanzenwurzel atmen).

aerobe Bedingungen:

C

H

O

+ 6O

→ 6CO

+ 6H

O + 2800kJ/Mol (es werden equimolare Mengen an O

und CO

gebraucht Respirationsquotient R = 1).

stark anaerobe Bedingungen: C

H

O

→ 3CO

+ 3CH

+ 188kJ/Mol (R>1) ⇒ erh¨ ohter Gasdruck, Gas entweicht durch konvektiven Transport (aufsteigende Gasblasen in S¨ umpfen).

Methan entsteht z. B. in Mooren, S¨ umpfen (Sumpfgas), Reisfeldern, M¨ ull-, Kl¨ ar-, Hafenschlammdeponien (Biogas, Deponiegas).

Weiter Gase: N

O (:-)-gas, Beiprodukt der Nitrifikation, vorallem bei Denitrifikation), NH

(Ammoniak, aus NH

bei hohem pH (kalkhaltigen bzw. alkalischen B¨ oden)), H

S (Schwefelwasserstoff, unter stark aneroben Bedingungen in schwefelreichen Sedimenten).

Partialdr¨ ucke: pO

: kann bis auf nahezu 0 verringert sein (z. B. wenn Boden nass ist), Atmosph¨ are: 0.207 pCO

: kann bis auf 0.1 erh¨ oht sein, Atmosph¨ are: 0.00035

110 Antwort

Bodentemperatur ist ein wichtiger Faktor in der Landwirtschaft und f¨ ur die Bodenbildung, beeinflusst direkt das Wachstum der Pflanzen und den mikrobiologischen Abbau der organischen Substanzen. Die

Bodenoberfl¨ ache weisst die gr¨ ossten Temperaturschwankungen auf (mit einen Teil der Sonneneinstrahlung direkt, strahlt jedoch auch wieder Energie ab).

Die W¨ arme wird im Boden gespeichert und nach unten (oben) transportiert, dies h¨ angt von der W¨ armekapazit¨ at und

W¨ armeleitf¨ ahigkeit ab, welche wiederum von der Zusammensetzung und dem Wassergehalt abh¨ angen.

Temperaturschwankungen sind an der Oberfl¨ ache am gr¨ ossten und nehmen mit zunehmender Tiefe ab.

Tagesschwankungen nehmen mit der Tiefe stark ab, in 50 cm Tiefe

<1

C

Jahresschwankungen nehmen mit der Tiefe stark ab, in 8 m Tiefe herrscht eine Temperatur die etwa dem Jahresmittelentspricht.

Siehe auch Abbildung 7.12 und 7.13

108 Antwort

Wurzelatmung und damit das Pflanzenwachstum kann gehemmt sein wenn:

Partialdr¨ ucke pO

< 0.1 und pCO

> 0.05 sind.

Toxische Gase (Ethylen und H

S) sich anreichern aufgrund einer schlechten Durchl¨ uftung des Boden.

In den meisten B¨ oden ist es ausreichend, wenn ≥ 15% des

Gesamtvolumen aus Poren besteht die mit Luft gef¨ ullt sind, bei niedrigem Luftgehalt entsteht akute Gefahr f¨ ur O

-mangel (Luft 6= O

???).

Verdichtete Schichten wie Pflugsohle (nur wenige cm dick) k¨ onnen die O

-Diffusion stark einschr¨ anken weil die luftgef¨ ullten Poren unterbrochen sind.

Nebenbei: B¨ oden sind wichtige Senken und Quellen von klimarelevanten

Gasen wie z. B. CO

, CH

und N

O

Klassifikation des W¨armehaushalts

von B¨oden Physikalische Aspekte der

Bodenfruchbarkeit (landwirtschaftlich)

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 115

Pflanzenn¨ahrstoffe

Welche Arten von N¨ahrelementen gibt es? Einfluss auf Bodenfruchbarkeit?

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 117

N¨ahrstoffvorrat und Verf¨ ugbarkeit

Arten der Verf¨ ugbarkeit

• Durchwurzelbarkeit – tiefgr¨ undig

– nicht stark verdichtet

• Wasserversorgung

– hohe nutzbare Feldkapazit¨ at

– event. Kapillarer Anschluss ans Grundwasser

• geringe Erosion und Verschlammung – ausreichende Wasserinfiltration

• O

-Versorgung

– ausreichende Drainage – ausreichende Durchl¨ uftung

⇒ tiefgr¨ undige Lehme mit lockerem Aggregatsgef¨ uge

soil temperature regimes (nach US Soil Taxonomy)

∆T

Jahersmittel der Temperatur in 50 cm Tiefe (

C)

<0 0 bis 8 8 bis 15 15 bis 22 >22

>5 pergelic frigid mesic thermic hyperthermic

<5 pergelic cryic isomesic isothermic isohyperthermic

1

Differenz der Mittelwerte der Sommer- und Wintermonate:

Nordhalbkugel: Sommermonate: Juni, Juli, August; Wintermonate:

Dezember, Januar, Februar.

Die B¨ oden um Z¨ urich haben also ein mesic soil temperature regime.

118 Antwort

Pflanzen k¨ onnen N¨ ahrstoffe nur aufnehmen wenn sie als bestimmte Spezies vorliegen:

• als gel¨ ostes freies kation oder Anion (z. B. Hauptn¨ ahrelemente Kationen (Ca

, Mg

, K

, NH

) und Anionen (NO

, SO

, HPO

, H

PO

)).

• als gel¨ oster anorganischer Komplex

• als niedermolekularer organischer Komplex (nur manche)

In der Regel liegen nur sehr kleine Teile des gesamten N¨ ahrstoffvorrats gel¨ ost in der Bodenl¨ osung vor, der rest ist in Unterschiedlicher From an bzw. in die Festphase des Bodens gebunden.

116 Antwort

Pflanzen ben¨ otigen zum Wachstum CO

(Photosynthese) und O

(Atmung) aus der Luft sowie Wasser aus dem Boden.

essentielle N¨ ahrelemente 14 Elemente aus dem Boden, ohne die kein normales Wachstum m¨ oglich w¨ are. Ausser C, das durch Photosynthese assimiliert wird.

Makro-N¨ ahrelemente 6 die in gr¨ osseren Menge ben¨ otigt werden: N, K, Ca, Mg, P, S.

Mikro-N¨ ahrelemente 8 die nur in sehr geringen Mengen ben¨ otigt werden: Cl, Fe, Mn, Zn, B, Cu, Mo, Ni, f¨ ur manche Pflanzen ist auch Na essentiell (z. B. Halophyten).

F¨ ur Tiere und Menschen essentielle Mikro-N¨ ahrelemente Cr, Se, I, Fe, V, Ni, Sn werden von Pflanzen ebenfalls in geringen Mengen aus dem Boden aufgenommen, wodurch sie in die Nahrungskette gelangen.

Bodenfruchtbarkeit: Die N¨ ahrelemente m¨ ussen ausreichend in

pflanzenverf¨ ugbarer Form und zum richtigen Zeitpunkt vorhanden

sein, sowie im g¨ unstigen Verh¨ altnis zueinander (z. .B ist Ca aufnahme

bei einen zuniedrigen Ca/Mg Verh¨ altnis gehemmt).

N¨ahrstoffvorrat und Verf¨ ugbarkeit Nachlieferung

N¨ahrstoffvorrat und Verf¨ ugbarkeit Unterschiedliche Bindungsformen der N¨ahrstoffe und ihre Verf¨ ugbarkeit

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 123

Bodenreaktion und N¨ahrstoffverf¨ ugbarkeit

Was f¨ uhrt zu Versauerung?

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 125

Bodenreaktion und N¨ahrstoffverf¨ ugbarkeit

Was wirkt der Versauerung entgegen?

Die N¨ ahrstoffe k¨ onnen im Boden in unterschiedlichen Bindgunsformen vorkommen, die nicht alle gleich gut pflanzenverf¨ ugbar sind, z. B.:

• Sehr leicht pflanzenverf¨ ugbar:

- als freie Ionen oder Komplexe in der Bodenl¨ osung - als l¨ osliche Salze

- austauschbar an Mineraloberfl¨ achen gebunden

• M¨ assig leicht pflanzenverf¨ ugbar:

- spezifisch an Mineraloberfl¨ achen adsorbiert - an organische Substanzen komplexiert

• Nicht direkt verf¨ ugbar, durch Abbau von organischer Substanz aber nachlieferbar:

- in Biomasse oder toter organischer Substanz eingebaut

• Nicht verf¨ ugbar, nur sehr langsam durch Mineralverwitterung nachlieferbar:

- in Zwischenschichten vonTonmineralien - im Kristallgitter von Mineralen

- in Fe Oxidpartikeln eingeschlossen (okkludiert)

W¨ ahrend der Vegetationsperiode m¨ ussen N¨ ahrstoffe aus den Festphasen in die Bodenl¨ osung nachgeliefert werden. Die Nachlieferungsrate h¨ angt ab von

• chemischen Bindungsformen

• Bodenfeuchte

• Bodentemperatur

• Aktivit¨ at der Mikroorganisem

Beispielsweise werden austauschbar von Tonmineralien adsorbierte Kationen sehr schnell nachgeliefert, w¨ ahrend Kationen im Kristallgitter von Mineralien nur sehr langsam durch Verwitterung freigesetzt werden.

Die Nachlieferung von N und P aus der organischen Substanz h¨ angt stark ab von:

• deren Zusammensetzung

• Aktivit¨ at von Mikroorganismen und daher auch von

• Temperatur

• Bodenfeuchte

126 Antwort

Viele B¨ oden haben wirksame pH Puffersysteme, bis S¨ aureneutralit¨ atskapazit¨ at (SNK) ersch¨ opft ist.

B¨ oden die fein verteilte Carbonate (z. B. CaCO

) enthalten, sind immer neutral bis leicht alkalisch (pH 7.2-8.2), S¨ aure eintrag wird durch

Aufl¨ osung von Kalk neutralisiert.

CaCO

+ H

→ Ca

+ HCO

Unter humiden Klimabedingungen (positive Wasserbilanz) werden die HCO

Ionen zusammen mit Ca

oder anderen Kationen ausgewaschen

⇒ der Boden versauert nicht, jedoch Abnahme von Carbonatgehalt und damit auch seine SNK.

In neutralen bis leicht basischen B¨ oden sind ¨ uber 80% der

Kationenaustauschkapazit¨ at (KAK) mit Ca

belegt, und der Rest mit anderen

” basischen Kationen“ Mg

, K

, Na

(chemisch gesehen keine Basen, Begriff der Bodenkunden, da die Kationentauscher in neutralen bis alkalischen Boden zu 100% mit diesen Kationen ges¨ attigt sind). Die

Basens¨ attigung ist der prozentuale Anteil der KAK der mit basischen Kationen belegt ist. Basens¨ attigung ist also nahezu 100% ⇒ oft ausreichend mit N¨ ahrstoffen versorgt, zumindest mit Ca

.

124 Antwort

Der Boden pH-Wert (Bodenreaktion) hat einen starken Einfluss auf die Verf¨ ugbarkeit von N¨ ahrstoffen und toxischen Metallkationen im Boden.

Regen f¨ uhrt st¨ andig zu S¨ auren Eintrag, Wasser in Luft pH= 5.7, da sich CO

in Wasser l¨ ost: H

O + CO

⇔ H

CO

⇔ HCO

+ H

Anthropogene Luftverschmutzung f¨ ur zu starken S¨ auren wie HNO

und H

SO

⇒ pH 3-5.

Pflanzenwurzel und Mikroorganismen produzieren S¨ auren (Abgabe von CO

).

Pflanzenwurzeln geben zum Ladungsausgleich Protonen an die

Rhizosph¨ are ab, wenn sie mehr Kationen als Anionen aufnehmen (vor allem bei NH

Ern¨ ahrung).

Boden muss diesen S¨ aureeintrag abpuffern, unter huminden

Klimabedingungen wird er sonst schnell versauern. Viele B¨ oden haben

wirksame pH Puffersysteme, bis S¨ aureneutralit¨ atskapazit¨ at (SNK)

ersch¨ opft ist.

Bodenreaktion und N¨ahrstoffverf¨ ugbarkeit

Wann und wie versauert ein Boden?

Bodenreaktion und N¨ahrstoffverf¨ ugbarkeit Probleme zu hoher Al ³ + Konzentration?

Woher kommt die hohe Al ³ + Konzentration?

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 131

Einstufung des pH Wertes von B¨oden in S¨aureklassen

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 133

pH Wert in der Landwirtschaft

Zu hohe Al

+ Konzentration in der Bodenl¨ osung (vor allem im Verh¨ altnis zu Ca

und Mg

) k¨ onnen zu einer starken Hemmung des

Wurzelwachstums f¨ uhren ⇒ sekund¨ ar zu Wasser- und N¨ ahrstoffmangel (P, Mg).

Selbst Pflanzen von relativ toleranten Waldb¨ aumen (z. B. Fichte) k¨ onnen gesch¨ adigt werden wenn Ca

/Al

< 1 wird.

Saurer Regen ⇒ Versauerung schlecht gepufferter B¨ oden ⇒ Waldsterben

Wenn ein Bodenhozizont vollst¨ andig versauert ist, kenn er unter humidem Klima versauern. Frei Protonen werden nicht mehr durch die Aufl¨ osung von Kalk neutralisiert, sondern zun¨ achst durch

Kationenaustauschreaktionen, z. B. an Tonmineralien:

Ton · Ca + 2 H

→ Ton · H

+ Ca

Die adsorbierten Protonen greifen die Silikatstruktur an ⇒ chemische Verwitterung wodurch Al

Ionen frei werden, diese werden an den Kationenaustauscher gebunden und verdr¨ angen somit andere Kationen, die ihrerseits mit dem Sickerwasser ausgewaschen werden. Damit steigt mit zunehmender Versauerung die Al-S¨ attigung der Kationentauscher.

Basens¨ attigung sinkt entsprechend, wodurch

Kationenaustauschpuffersystem immer weniger wirksam wird.

Unterhalb pH 5 wird das Al-Puffersystem zunehmend wichtiger, z. B. nach der Gleichung:

Al(OH)

+ 3 H

→ Al

+ 3 H

O

Unterhalb von pH 5 nimmt auch die Al

Konzentration in der Bodenl¨ osung mit sinkendem pH Wert stark zu.

134 Antwort

pH Wert im m¨ assigen bis schwach sauren Bereich (5-6 pH) wird angestrebt, je nach Tongehalt, Humusgehalt und Kulturpflanze.

In sauren B¨ oden kann eine zu hohe Konzentration an Al und/oder Mn das Pflanzenwachstum durch Toxit¨ at oder Verdr¨ angung von

N¨ ahrstoffkationen beeintr¨ achtigen.

Bei zu hohem pH Wert kann die Verf¨ ugbarkeit von einigen Mikron¨ ahrstoffen zu gering sein (z. .B Mn, Cu, Zn, Fe, B,. . . ).

Verf¨ ugbarkeit von P ist im leicht sauren pH Bereich optimal, weil in sehr sauren B¨ oden schwerl¨ osliche Fe oder Al Phosphate und in neutralen bis alkalischen B¨ oden schwer l¨ osliche Ca Phosphate entstehen.

132 Antwort

Boden pH-Wert

Einstufung Vorkommen

9.1 - 10.0 stark alkalisch Na

CO

haltige B¨ oden (aride Gebiete) 8.1 - 9.0 m¨ assig alkalisch

7.1 - 8.0 schwach alkalisch CaCO

haltige B¨ oden

7.0 neutral

6.0 - 6.9 schwach sauer kalkfreie B¨ oden mit hoher Basens¨ atti- gung

5.0 - 5.9 m¨ assig sauer kalkfreie, leicht bis m¨ assig versauerte B¨ oden

4.0 - 4.9 stark sauer kalkfreie, stark versauerte B¨ oden

3 - 4 extrem sauer saure organische Auflagen (Rohhumus)

Arten von Adsorbtionsprozesse Kationenaustausch

Kationenaustauschkapazit¨at Wichtigsten Kationen

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 139

Basens¨attigung, Al-S¨attigung Anteile

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 141

Kationenaustauschkapazit¨at (KAK) und S¨attigung der KAK mit basischen und sauren Kationen

(Grafik)

Wichtigste Form der unspezifischen Adsorption in B¨ oden, da die meisten Oberfl¨ achen in B¨ oden negativ geladen sind. Die negative Ladung wird immer durch eine equivalente Menge an austauschbaren Kationen ausgeglichen.

Die Kationenaustauschkapazit¨ at (KAK) eines Bodens entspricht der Gesamtmenge der negativer Oberfl¨ achenladung seiner Bestandteile [mol

/kg, Mol Ladung pro kg].

Kationenaustauschreaktionen sind in der Regel schnell und reversibel.

Die wichtigsten sind Ca

, Mg

, Na

, K

(basische Kationen) und Al

, H

(saure Kationen).

Adsorbtionsprozesse spielen eine sehr wichtige Rolle f¨ ur die

Bioverf¨ ugbarkeit und Mobilit¨ at von Kationen und Anionen in B¨ oden.

Grunds¨ atzlich zwei Arten:

Unspezifische Adsorption elektrostatische Anziehung zwischen Ionen und entgegengesetzt geladenen Mineralobefl¨ achen bzw. organischen Substanzen (z. B. Kationenaustausch).

Spezifische Adsorption Chemisorption, durch die Bildung von Komplexen an Mineraloberfl¨ achen oder Komplexen mit funktionellen Gruppen der organischen Substanz.

142 Antwort

Mit zunehmender Versauerung nimmt auch die effektive KAK ab, weil die negative Ladung durch Protonierung von Oberfl¨ achengruppen abnimmt.

KAK

bei pH 8.2 wird in der Bodenklassifikation verwendet KAK

beim aktuellen Boden pH

3 4 5 6 7 8

pH Wert Al + H

Ca + Mg + K + Na austauschbares

KAK

KAK

H (auf Grund pH)

140 Antwort

Basens¨ attigung Ist der prozuentualer Anteil der

Kationenaustauschkapazit¨ at (KAK) der mit basischen Kationen abges¨ attigt ist.

Al-S¨ attigung Ist der prozentuale Anteil der KAK, der mit austauschbaren Al

abges¨ attigt ist.

In Kalkhaltigen B¨ oden betr¨ agt die Basens¨ attigung stets 100%, die Ca-S¨ attigung meistens ¨ uber 90%.

Erst wenn B¨ oden kalkfrei sind k¨ onnen sie versauern. Debei sinkt dann die Basens¨ attigung ab und die Al-S¨ attigung steigt an.

In sehr stark sauren Mineralb¨ oden betr¨ agt die Al-S¨ attigung oft ¨ uber 80%

und die Basens¨ attigung weniger als 20%.

Spezifische Adsorption Makron¨ahrelement Calcium (Ca)

Quellen

Bindungsformen

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 147

Makron¨ahrelement Calcium (Ca)

Konzentrationen in B¨ oden und Pflanzen Entz¨ uge

D¨ ungungsfromen

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 149

Makron¨ahrelement Magnesium (Mg)

Quellen

Bindungsformen

Quellen: Ist in vielen Gesteins als Haupt- oder Nebenbestandteil

enthalten. In magmatischen Gesteinen (und entsprechend Metamorphiten) kommt Ca z. B. in Plagioklasen (Ca haltige Feldsp¨ ate), Pyroxenen und Amphiboten vor.

Bindungsformen: In Sedimentgesteinen (und entsprechenden Metamorphiten) ist Ca vorallem als Calcit (CaCO

), Dolomit (CaMg(CO

)

) oder Gips (CaSO

·2H

O), vorhanden, oft als

Hauptbestandteil (z. B. in Kalkstein oder Dolomit). Durch Verwitterung wird Ca

ausgewaschen oder an negative Oberfl¨ achen adsorbiert. Ca kann in tiefen Bodenhorizonten als Calcit ausfallen und dort zu

Kalkanreicherung f¨ uhren. Das austauschbare Ca ist gut pflanzenverf¨ ugbar, weil es schnell in die Bodenl¨ osung hachgeliefert werden kann.

Wichtiges Beispiel:

Spezifische Adsorption von Phosphat Anionen an Oberfl¨ achen von Oxiden und Hydroxiden im Boden (z. B. an Geothit, FEOOH). Die St¨ arke der Phospatadsorption an Oxide steigt mit abnehmendem pH Wert ⇒ in Sauren B¨ oden wird Phosphat stark an Fe Oxide und Hydroxide gebunden und ist somit schlechter pflanzenverf¨ ugbar.

Weiteres Beispiel: Starke Bindung von Schwermetallen (z. B. Pb

, Cu

) an Oberfl¨ achen von Fe Oxiden und Hydroxiden und an die organische Substanz. Die Adsorption solcher Kationen sinkt mit abnehmendem pH Wert ⇒ Schwermetalle sind in sauren B¨ oden mobiler und

pflanzenverf¨ ugbarer, als in neutralen bis alkalischen B¨ oden.

150 Antwort

Quellen/Bindungsformen: Ist ein struktureller Bestandteil von verschiedenen Silikaten wie z. B. Biotite, Pyroxene, Amphibole,

Olivine,. . . und ist damit in magmatischen Gesteinen enthalten. Basische Gesteine enthalten wesentlich mehr Mg als saure Gesteine. Sedimente enthalten in Unterschiedlichen Mengen Mg, sandige sind meist Mg-¨ armer als tonige. In ultrabasischen Gesteinen Dolomit (MgCa(CO

)

) ist Mg Hauptbestandteil.

Herausl¨ osung: Durch Verwitterung wird Mg

aus den Mineralien herausgel¨ ost ausgewaschen oder an negative Oberfl¨ achen adsorbiert (etwas schw¨ acher als Ca). Das austauschbare Mg ist gut pflanzenverf¨ ugbar, weil es schnell in die Bodenl¨ osung nachgeliefert werden kann.

148 Antwort

Konzentration: Ca-S¨ attigung am Kationenaustauscher in neutralen B¨ oden >80% sinkt mit zunehmender Versauerung. Bodenl¨ osung von landwirtschaftlichen B¨ oden (gekalkt) h¨ aufig 40 - 160 mg/l Ca. In stark sauren B¨ oden nur 1 - 5%, Bodenl¨ osung <0.1 - 5 mg/l Ca. Pflanzen enthalten zwischen 0.5 und 50g Ca pro kg Trockensubstanz.

Entz¨ uge: Ca Mangel kommt in stark versauerten B¨ oden vor, ausnahmen bei empfindlichen Kulturen. Ca wird nur im Xylem nicht im Phloem transportiert ⇒ Stippigkeit (Ca Mangel Erscheinung) bei wenig transpirierende Pflanzenteilen (Fr¨ uchte).

D¨ ungung: Kalk (CaCO

), Gips (CaSO

·2H

O, besser l¨ oslich als Kalk),

Superphosphat (CaHPO

),. . .

Makron¨ahrelement Magnesium (Mg)

Konzentrationen in B¨ oden und Pflanzen Entz¨ uge

D¨ ungungsfromen

Makron¨ahrelement Kalium (K)

Quellen

Bindungsformen

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 155

Makron¨ahrelement Kalium (K)

Konzentrationen in B¨ oden und Pflanzen Entz¨ uge

D¨ ungungsfromen

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 157

Makron¨ahrelement Phosphor (P)

Quellen

Bindungsformen

Quellen/Bindungsformen: Ist struktureller Bestandteil von Glimmer (Biotit, Muskovit), Illiten, Alkalifeldsp¨ aten in allen magmatischen

Gesteinen in unterschiedlichen Mengen vorhanden. In Sedimentgesteinen kommt K vor allem als Bestandteil von Schichtsilikaten (Glimmer, Illite,. . . ) vor.

Herausl¨ osung: Im Laufe der Bodenentwicklung wird K

bei der Verwitterung aus den Mineralien heausgel¨ ost und ausgewaschen (bis ins Meer), ein Teil wird adsorbiert oder in der Vegetationsdecke gespeichert.

Konzentration: Mg-S¨ attigung am Kationenaustauscher in

landwirtschaftlichen oft zwischen 5% und 25% (15% gelten als optimal).

Die Bodenl¨ osung enth¨ alt 0.1 - 60 mg/l Mg. In stark versauerte Waldb¨ oden 0.1 bis 1% Mg Magelsymptome treten auf.

D¨ ungung: Kieserti (MgSO

·H

O) Mg-haltige NPK D¨ unger leicht l¨ oslich, Dolomit (CaMg(CO

)

) schwer l¨ oslich

158 Antwort

Quellen/Bindungsformen: Die meisten Gesteine enthalten zwischen, 0.05 und 0.3% P

O

, vorwiegend in Form von Apatiten

(Ca

(PO

)

(OH,F,CO

). P liegt immer als Orthophosphat in der Oxidationsstufe +V vor.

Herausl¨ osung: Bei Verwitterung wird es al PO

+ freigesetzt, liegt im Wasser als H

PO

oder HPO

− vor (ja nach pH). Phosphat wird von Mikroorganismen oder Pflanzen aufgenommen und in organische Verbindungen eingebaut, an Bodenpartikel adsorbiert, als Fe, Al, Ca Phosphate wieder ausgef¨ allt oder in geringen Mengen ausgewaschen. Alte B¨ oden (Tropen, Suptropen) weissen auf Grund von Auswaschung einen viel geringern gesamt P-Gehalt auf als Junge. Zudem ist in tropischen B¨ oden der P-Verf¨ ugbarkeit gering (Phosphat ist stark an Fe, Al Oxide gebunden oder in Oxide eingeschlossen (okkludiertes Phosphat)).

156 Antwort

Konzentration: K-S¨ attigung betr¨ agt h¨ aufig 0.5 - 5 %, die Bodenl¨ osung enh¨ alt 2 -20 mg/l K.

Entz¨ uge: Vermikulite und randlich aufgeweitete Illite k¨ onnen K

sehr stark in Zwischenschichten binden (K-Fixierung), nicht mehr

pflanzenverf¨ ugbar. Spielt nur in B¨ oden mit hohen Illit- oder

Vermikulitgehalt und geringem K-Gehalt ein Rolle. D¨ ungen dieser B¨ oden f¨ uhrt zur Ersch¨ opfung der K-Fixierkapazit¨ at, weiteres K wird dann in leicht auswaschbarer Form gespeichert, aufgenommen oder ausgewaschen.

D¨ ungung: Kalisalz (KCl), Kainit (KNO

), Kalisulfat (K

SO

),. . .

Makron¨ahrelement Phosphor (P)

Konzentrationen in B¨ oden und Pflanzen Entz¨ uge

D¨ ungungsfromen

Makron¨ahrelement Stickstoff (N)

Quellen

Bindungsformen

Konzentrationen in B¨ oden und Pflanzen

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 163

Makron¨ahrelement Stickstoff (N)

Weshalb ist der Stickstoffhaushalt von B¨ oden wichtig?

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 165

Makron¨ahrelement Stickstoff (N)

Umsetzungsprozesse im Boden (grafisch)

Quellen: Im Gegensatz zu allen anderen N¨ ahrstoffelementen ist N nicht in den Gesteinen erhalten, muss aus anderen Quellen in den Boden eingebracht werden. Wichtigste Quellen Niederschlag und biologische N

-Fixierung durch freilebende und symbiontisch lebende

Mikroorganismen. In der Landwritschaft regelms¨ assige N-D¨ ungung.

Konzentrationen in B¨ oden und Pflanzen: Ackerb¨ oden enthalten oft 1 - 3 g/kg N, organische B¨ oden (z. B. Niedermoore) oft deutlich mehr. N liegt im Boden zum ¨ uberwiegenden Anteil in organisch gebundener Form vor (oft >90%), z. B. in Aminos¨ auren, Aminozuckern, heterozyklischen Ringstrukturen in Huminstoffen,. . . .

Bindungsformen: Anorganisch in Form von Nitrat (NO

), Ammonium (NH

), beide sehr gut wasserl¨ oslich, NH

wird (da positiv) an

Kationenaustauscher wie Tonminerale gebunden, NO

wird kaum absorbiert und deshalb leicht mit dem Sickerwasser ausgewaschen.

Konzentration: <0.1% des gesamten P im Boden ist gel¨ ost der Rest an Oberfl¨ achen adsorbiert, in organischen SUbstanzen eingebunden oder in der Bodenfestphase eingebunden. Bodenl¨ osung enth¨ alt zwischen 0.001 und 5 mg/l P, in unged¨ ungten meistens <0.1 mg/l P

Entz¨ uge: Orthophosphatanion (PO

) hat eine hohe Affinit¨ at zu Ca

, Fe

, Al

⇒ unter sauren Bedingungen: schwerl¨ osliche Fe Phosphate (Strengit FePO

·2H

O), Al-Phosphate (Variszit, AlPO

·2H

O); unter reduzierenden Bedingungen: Fe(II)-Phosphate (Vivianit, Fe

(PO

)

·8H

O;

bei hohem pH: Ca-Phosphate ⇒ P-Verf¨ ugbarkeit in B¨ oden im m¨ assig sauren pH Bereich (pH 5.5 - 6.0) ist am h¨ ochsten.

Im Oberboden liegen 25 - 65% des gesamten P in organischen

Bindungsformen vor, ca. 50% davon als Phytate (Salze des Phytins), Rest Phospholipide, Nukleotid-Phosphate,. . . . Phytate sind schwerl¨ oslich k¨ onne durch das von Bakterien, Pilzen produzierte Enzym Phytase gespalten werden, wobei das Phosphat wieder pflanzenverf¨ ugbar wird.

D¨ ungung: verschieden Ca-Phosphate, Ammoniumphosphat, organische D¨ ungung (Mist Kl¨ arschlamm (ab 2006 verboten)),. . .

166 Antwort

passiver

org.

aktiver

Assimilation niedermolekularer N-Verbindungen (z. B. Aminos¨ auren)

austauschbares NH

Pool Pool

gebundener N Pflanzen

r¨ uckst¨ ande mikrobielle

N-Bindung

N-haltige org. D¨ ungung

Minerald¨ ungung Niederschlag

Immobilisation

Mineralisation/

Mobilisation

NO

Nitrifikation

Auswaschung Denitrifikation

NH

Verdunstung Pflanzen-

NH

fixiertes Aufnahme durch Pflanzen

164 Antwort

• N ist ein stark ertragsbestimmendes Hauptn¨ ahrelement und wird in der Landwirtschaft regelm¨ assig ged¨ ungt.

• Nitrat kann leicht ins Grundwasser ausgewaschen werden und die Trinkwasserqualit¨ at mindern.

• ein ¨ uberm¨ assiger N-Eintrag in Oberfl¨ achengew¨ asser kann zur Eutrophierung f¨ uhren.

• Gasf¨ ormige N-Verluste (N

O, NH

) habe negative Umwelteinfl¨ usse.

N

O ist ein Treibhausgas und tr¨ agt zur Zerst¨ orung der Ozonschicht

bei. NH

f¨ uhrt zu erh¨ ohten N-Eintr¨ agen in nicht landwirtschaflich

genutzte ¨ Okosysteme und Gew¨ asser.

Makron¨ahrelement Stickstoff (N)

Konzentrationen in B¨ oden und Pflanzen Biologische N

-Fixierung

Makron¨ahrelement Stickstoff (N)

Mineralisierung (Mobilisation)

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 171

Makron¨ahrelement Stickstoff (N)

Nitrifikation

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 173

Makron¨ahrelement Stickstoff (N)

Denitrifikation

Bei der Mineralisierung durch heterotrophe Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Protozoen), die organische C-Verbindungen f¨ ur den Energiegewinn und N f¨ ur den Zellaufbau be¨ otigen, wird N als NH

freigesetzt.

NH

geht in Bodenl¨ osung und kann dort von Pflanzen aufgenommen werden, kann aber auch in Tonmineralien gebunden werden

(NH

-Fixierung).

Bei hohem C/N Verh¨ altnis der abgebauten organischen Substanzen wird NH

zun¨ achst durch die Mikroorganismen selbst genutzt und dadurch in mikrobieller Biomasse immobilisiert (N-Immobilisation), sp¨ ater jedoch freigesetzt.

Verschieden Mikroorganismen k¨ onne mit Hilfe des Enzym Nitogenase N

spalten und reduzieren und damit aus der Atomsph¨ are binden und in die organische NH

-Formen ¨ uberf¨ uhren.

Bakterien der Gattung Rhizobium (gehen mit Leguminosen eine Symbiose ein, Wurzelkn¨ ollchen). Maximale j¨ ahrliche Fixierleistung:

Erbsen 120 kg N/ha Ackerbohne 150 kg N/ha Rotklee 170 kg N/ha Luzerne 225 kg N/ha

weitere symbiontische Fixierung Strahlenpilze - Symbiose mit Erlen.

Neben symbiontischer Fixierung gibt es noch freilebende Mikroorganisem:

• Cyanobakterien (im Reisanbau wichtig)

• Azotobakter (aerob)

• Azotomonsa (aerob)

• Azospirillum (in Rhizosph¨ are von Gr¨ asern)

• Clostridium (aerob)

174 Antwort

Reduktion zu Nitrat (NO

), Nitrit (NO

), zu gasf¨ ormigen Stickoxiden (NO

), ;-)-Gas (N

O), N

, die als Gase aus dem Boden entweichen.

L¨ auft vorwiegend biochemisch, teils auch chemisch ab.

Bei schlechter durchl¨ uftung sinkt pO

. Einige Mikroorganismen nutzen dann NO

(als Elektronenakzeptor) zur Atmung.

Leicht verf¨ ugbare C-Verbindungen werden zur Energiegewinnung oxidiert.

Stickstoff wird dabei schrittweise reduziert.

V

NO

→ III

N O

→ II

NO → I

N

O → 0 N

Durch die Denitrifikation k¨ onne bis zu 30% der gesamten N-D¨ ungung verloren gehen, vor allem in feuchten, schlecht durchl¨ ufteten B¨ oden.

N

O ist ein kilmarelevantes Spurengas!

172 Antwort

Die aerob autotroph lebedenden Bakterien Nitrosomonas, Nitrobakter oxidieren N und wandeln so Ammonium (NH

) in Nitrat (NO

) um.

NH

−→ NO

−→ NO

Bedingung ist Anwesenheit von O

⇒ bei schlechter Durchl¨ uftung des Bodens gehemmt, niedriger pH und k¨ uhle Temperaturen hemmen

ebenfalls ⇒ in schlecht durchl¨ ufteten oder sauren B¨ oden ist der Anteil an NH

-N am gesamten anorganischen N gr¨ osser als in gut durchl¨ uteten, neutralen B¨ oden.

Nitrifikation l¨ auft in zwei Teilschritten ab:

Nitrosomonas NH

+ 3/2 O

→ NO

+ H

O + 2H

+ 352 kJ

Nitrobacter NO

+ 1/2 O

→ NO

+ 74.5 kJ

Makron¨ahrelement Stickstoff (N)

Gaf¨ ormige Verluste (NH

)

Makron¨ahrelement Stickstoff (N)

Auswaschung

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 179

Makron¨ahrelement Stickstoff (N)

D¨ ungungsfromen

Frage Pedosph¨ are Kapitel 7-10 181

Makron¨ahrelement Schwefel (S)

Quellen

Bindungsformen

NO

Auswaschung kann zu erheblichen N-Verlusten und zur Belastung des Grundwassers mit Nitrit f¨ uhren.

Einflussfaktoren sind:

• Wasserspeicherverm¨ ogen des Bodens

• Niederschlagsmenge und -verteilung

• Pflanzenbestand (N-Aufnahme, Transpiration)

• N-Gehalte, D¨ ungung, Mineralisierung

Einarbeitung von Stroh (hohes C/N Verh¨ altnis) kann die N-Auswaschung im Winter verringern (N wird durch Mikroorganismen immobilisiert).

Nitrat (NO

) ist ein Anion, wird daher nur schwach adsorbiert und daher leicht ausgewaschen.

Ammoniak (NH

) wird an Tonminerale und Huminstoffe adsorbiert (da Kation) und daher viel weniger schnell ausgewaschen.

In neutralen bis alkalischen B¨ oden (pH > 7) kann es zu Ammoniakverlusten kommen.

NH

+ OH

→ NH

+ H

O

G¨ ulle enth¨ alt h¨ aufig 50-70% des gesamten N als NH

.

NH

Verluste k¨ onnen durch Ausbringtechnik verringert werden z. B.

direkte Einarbeitung der G¨ ulle in den Boden.

182 Antwort

Quellen Schwefel ist in Magmatiten vor allem in Form von Sulfiden (von Fe, Zn, Pb, Cu, Hg, Ni, Ag) enthalten (0.2 - 3 g/kg S).

Sedimentgesteine (und B¨ oden daraus) enhalten ja nach Entstehung unterschiedlich viel S als Sulfate (z. B. Gips CaSO

·2H

O) oder Sulfide (z. B. Pyrit, FeS).

Eintrag ¨ uber die Atmosph¨ are ist eine wichtige S-Quelle (Vulkanausbr¨ uche, Verbrennung von S-haltiger Kohle,. . . ). Die Verbrennung von S-haltigen Brennstoffen hat zu hohen SO

-Eintr¨ agen gef¨ uhrt ⇒ Bodenversauerung (H

SO

im saurem Regen).

Herausl¨ osung: Bei der Bodenbildung oxidieren die Sulfide und S wird als Sulfat (SO

) freigesetzt.

Bindungsformen: 60 - 98% des S in organischen Bindungsformen, Mineralische S-Formen: Sulfate, Sulfide

Sulfide Sulfate

−II

S ←→

S

anaerobe Bedingungen aerobe Bedingungen

180 Antwort

D¨ ungung: NO

, NH

Salz, Harnstoff, Ammoniak, organische D¨ unger

(Mist, G¨ ulle,. . . )