5. Bodenchemische Eigenschaften • Aufbau der Minerale • Böden als Kationenaustauscher

- Eigenschaften der Austauscher - Austauschkapazität - Basensättigung

• Bodenreaktion - pH-Wert - Versauerung von Böden - Böden als Puffersysteme

• Bodenhumus - Prozesse der Zersetzung - Eigenschaften der Huminstoffe

Aufbau der Minerale

Einteilung der Mineralien in acht Klassen

I. Elemente z.B. Eisen, Kupfer, Gold, Silber, Schwefel, Graphit

II. Sulfide Schwefelverbindungen; z.B. Pyrit (FeS2), Bleiglanz (PbS), Zinkblende (ZnS)

III. Halogenide Verbindungen mit Chlor und Fluor; z.B. Steinsalz (NaCl), Flussspat (CaF2)

IV. Oxide, Hydroxide z.B. Hämatit (Fe2O3), Goethit (FeOOH), Manganit (MnOOH), Korund (Al2O3)

V. Carbonate Verbindungen mit CO32-; z.B. Calcit = Kalk (CaCO3), Dolomit

CaMg(CO3)2, Siderit (FeCO3), Magnesit (MgCO3)

VI. Sulfate Verbindungen mit SO42-; z.B. Anhydrit (CaSO4), Gips

(CaSO4*2H2O), Baryt (BaSO4)

VII. Phosphate Verbindungen mit PO43-; z.B. Vivianit (Fe3[PO4]2 · 8 H2O; Apatit

Ca5O[PO4]3OH

VIII. Silikate

Aufbau aus [SiO4]4--Tetraedern, die in Kristallgittern verschiedenartig angeordnet sind und durch geeignete Kationen (Al3+, K+, Mg2+, ...) untereinander zusammen-gehalten werden Insel-, Ring-, Schicht-, Gerüstsilikate

Silikate sind die bedeutendste Gruppe der gesteinsbildenden Minerale: sie stellen ca. 1/3 aller Minerale und sind mit > 80 % am Aufbau der Erdkruste beteiligt. Hinsichtlich der Entstehung sind zu unterscheiden:

Primäre Silikate durch magmatische Prozesse entstanden (Feldspäte, Glimmer, ...)

Sekundäre Silikate im Zuge der Pedogenese durch Verwitterung der primären Silikate und Umwandlung der Verwitterungsprodukte neu entstanden ( Tonminerale)

Teilweiser Ersatz des Zentral-Ions Si4+ durch Al3+ (= „Isomorpher Ersatz“) führt zu negativem Ladungsüberschuss

[SiO4]4- -Tetraeder

(Grundbaustein der Silikate)

Si4+

O2-

O2- O2-

O2-

Zentral-Ion z.T. durch Al3+

ersetzt

„Feldspat, Quarz und Glimmer, die vergess ich nimmer“

Kompensation erfolgt durch die zusätzlich Einbindung von Kationen (z.B. K+, Na+, Ca2+) in die Kristallgitter der Silikate

1 Inselsilikate Selbständige inselartige Tetraeder durch Kationen (Mg2+, Al3+, Fe2+) verbunden

2 Gruppensilikate Immer zwei Tetraeder über eine gemeinsame Ecke verbunden

3 Ringsilikate Mehrere Tetraeder bilden gemeinsame Dreier-, Vierer- oder Sechserringe

4 Kettensilikate Die über ein gemeinsames O2- -Anion verbunde-nen Tetraeder bilden eine unendliche Kette; im Kristallgitter sind parallele Ketten durch Kationen verbunden

5 Bandsilikate Symmetrische Vereinigung zweier Ketten zu Dop-pelketten oder Bändern

6 Schichtsilikate Vierer- und Sechserringe bilden zweidimensionale ebene Vernetzungen; Si4+ dabei häufig durch Al3+ ersetzt; die Ebenen sind durch Kationenschichten miteinander verbunden (Bsp.: Tonminerale)

7 Gerüstsilikate Jeder Tetraeder über alle seine O2- -Anionen mit Nachbar-Tetraedern vernetzt ( Feldspäte) Gliederungsschema der Silikate

(Hintermaier-Erhard & Zech, 1997)

Olivin (Mg,Fe)2SiO4

Oliv-grünes Inselsilikat / Vorkommen v.a. in basischen Magmatiten (Basalt) / leicht verwitterbar, dadurch wichtiger Mg-Lieferant

Pyroxene (z.B. Augit) und Amphibole (z.B. Hornblende) (Ca,Mg,Fe,Al,Ti)2(SiAl)2O6 bzw. Ca2(Mg,Fe,Al)5(S,Al)8O22(OH)2

grünlich schwarz bis schwarz gefärbte Ketten- bzw. Bändersilikate /häufiges Vorkommen in basischen Magmatiten (Basalt) / Ladungsausgleich v.a. durch eingebaute Ca2+-, Mg2+- und Fe2+-Ionen

Glimmer z.B. Muskovit (hell) und Biotit (dunkel)

Schichtsilikate mit Blättchenstruktur /häufig in sauren Magmatiten und Metamorphiten (Granit, Gneis) / ¼ der Si4+ -Zentral-Ionen durch Al3+ ersetzt Ladungsausgleich durch Einbindung einer Schicht aus K+-Ionen zwischen den Tetraederschichten / v.a. K-Freisetzung bei der Verwitterung (wichtiger K-Lieferant)

Feldspäte z.B. Kalifeldspat*), Natron-feldspat und Kalkfeldspat**)

KAlSi3O8, NaAlSi3O8 bzw. CaAl2Si2O8

Gerüstsilikate / häufig in sauren Magmatiten und Metamorphiten (Granit, Gneis) / ¼ bzw. ½ der Si4+ -ZentralIonen durch Al3+ ersetzt Ladungsausgleich durch Einbindung von K+, Na+ bzw. Ca2+

*) Kalifeldspat = Orthoklas **) Kalk-Natron-Feldspat = Plagioklas

Tonmineralneubildung

Glimmer = Schichtsilikate

Illit Smectit Sekundäre

Chlorite

Kaolinit Aluminium(hydr)oxide

Feldspäte = Gerüstsilikate

Zerfallsprodukte

Smectit

Illit

Kaolinit

-K

-K -Si

-Na

-K

-Si

+Ca

+K

-Ca

-Mg

-Si

-K

-Si

+Mg

-Ca -Mg

-Na

-K

(Al, OH, Si)

Vermiculit

Primäre Minerale

Sekundäre Minerale

durch Hydrolyse und „Säureangriff“ allmähliches Herauslösen von Ionen aus dem Kristallgitter; zunächst Na+, K+, Ca2+ und Mg2+ schließlich auch Al3+ und Si4+ (Desilifizierung); Mineralumbildung und teilweise Neugruppierung der Zerfallsprodukte führen zur Synthese neuer Minerale

Eigenschaften der Tonminerale

• Blättchengröße i.a. < 2µm (0,002mm) Tonfraktion, Bodenkolloide • sekundäre Schichtsilikate (Aufbau ähnlich wie Glimmer) • hohe spezifische äußere und teilweise innere Oberfläche infolge aufweitbarer Schichten • Fähigkeit zur Quellung (Einlagerung von Wassermolekülen) • negativer Gesamtladungsüberschuss Fähigkeit zur Adsorption von Kationen an der inneren und äußeren Oberfläche (vgl. Kationenaustausch)

+ + +

+ + + + + + + +

+ + + + + + + +

+ + + + + + + + + + +

+ + + +

+ +

+ + + + +

+

+ + +

+

- - - - - - -

- + +

+ +

+

Bruchfläche

Böden als Kationenaustauscher

Tonminerale als Kationenaustauscher - Bedeutung für die Pflanzenernährung

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

H+

H+

H+

H+ H+

H+

H+

Ca2+

Ca2+

Mg2+

Ca2+

Mg2+ K+

K+

Ca2+

Ca2+

Mg2+

K+

K+

K+

Mg2+

Ca2+ Ca2+ Ca2+

Mg2+

K+

K+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

K+

K+

Ca2+

Ca2+

K+

-

Ca2+

Ca2+

Mg2+

Mg2+

K+

K+

Mn2+

Mn2+

H+

H+

H+

H+

Mn2+

H+

H+

H+

H+

K+

Abgabe organischer Säuren

H+

Aufnahme von Nährstoffkationen

Kationenbindung an organischer Bodensubstanz

COOH

COOH

OH

pH-Wert der Bodenlösung niedrig große Mengen an H+ -Ionen (Protonen) in der Bodenlösung; Carboxyl- und Hydroxyl-Gruppen der Huminstoffe protoniert; kein negativer Ladungs-überschuss

Hydroxylgruppe

Carboxylgruppe

chemische Struktur einer Huminsäure

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

Al3+

H+

Fe2+

H+

H+

H+

H+

H+

H+ K+ K+

Mg2+

Ca2+

H+

Na

K

K

COO

COO

O

H+

H+

H+

pH-Wert der Bodenlösung hoch nur wenige Protonen in der Bodenlösung; verstärkt Abspaltung der H+ -Ionen von den Carboxyl- und Hydroxyl-Gruppen; dadurch negative Ladung der Huminstoffe Kompensation durch Kationenbindung

Ca2+

K+

K+

K+

Ca2+ Mg2+

Mg2+

Mg2+

Ca2+

Ca2+ Mg2+

Mn2+

Menge und Art der Tonminerale sowie der Oxide und Hydroxide

Menge und Art der Huminstoffe und der pH-Wert in der Bodenlösung

Kationenaustauschkapazität von Böden

bestimmen

Effektive Kationenaustauschkapazität beim tatsächlichen (aktuellen) pH-Wert des Bodens.

Potenzielle Kationenaustauschkapazität bei pH = 7.0; d.h. die gesamte Variable Ladung ist nicht protoniert und steht für den Kationenaustausch zur Verfügung.

KAKeff

KAKpot

In Waldböden gilt i.A.: KAKeff < KAKpot

die permanente negative Ladung

die variable negative Ladung

der Bodenkolloide (Teilchen < 2 µm)

K A T I O N E N A U S T A U S C H K A P A Z I T Ä T

K A T I O N E N A U S T A U S C H K A P A Z I T Ä T

Maßeinheit der Kationenaustauschkapazität

Die Kationenaustauschkapazität wird in Ionenäquivalenten (IÄ) angegeben. Die gebräuchliche Einheit ist: cmolc / kg Boden oder mmolc / kg 1 molc [g] = relative Atommasse / Wertigkeit (= Äquivalentmasse )

Bsp.: Die KAKeff eines Bodenhorizontes sei 4 cmolc / kg Boden Welche Na-Menge (Ca-Menge, Al-Menge) könnte adsorbiert werden ?

analog: 0,04 molc Ca2+ / kg Boden 0,04 * 40 g / 2 = 0,80 g Ca2+ / kg Boden 0,04 molc Al3+ / kg Boden 0,04 * 27 g / 3 = 0,36 g Al3+ / kg Boden

4 cmolc = 0,04 molc

0,04 molc Na+ / kg Boden = 0,04 * 23 g / 1 = 0,92 g Na+ / kg Boden

rel. Atommasse Wertigkeit

Def.: Masse eines Atoms in Relation zur Masse des C-Atoms, welches per Definition die rel. Atommasse = 12 erhält. Beispiele: rel. Atommasse von H = 1; O = 16, C = 12, Ca = 40, N = 14, usw. (vgl. Angaben im Periodensysteme)

Def.: Anzahl der Bindungen, die ein Atom zu anderen Atomen ausbilden kann. Beispiele: H ist einwertig, O ist zweiwertig usw.; abhängig von der Zahl der Valenzelektronen (vgl. Periodensystem)

H

Li

Na

K

1. Periode

2. Periode

3. Periode

4. Periode

Be

Mg

Ca

B

Al

Ga

C

Si

Ge

N

P

As

O

S

Se

F

Cl

Br

He

Ne

Ar

Kr

IA

IIA IIIA IVA VA VIA VIIA

0

1,01 4,00

6,94 9,01 12,01 14,01 16,00 19,00 20,18

22,98 24,31 26,98 28,09 30,97 32,07 35,45 39,95

39,10 40,08 69,72 72,61 74,92 78,96 79,90 83,80

10,81

. . .

Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn

A. Hauptgruppenelemente

B. Übergangsmetalle IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB

1

3

11

19

2

4 5 6 7 8 9 10

12 13 14 15 16 17 18

20 31 32 33 34 35 36

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Li Na S O He Ne Ar

Edelgaskonfiguration

KAK von Bodenbestandteilen [mmolc/kg] Kaolinit 30 – 150 Vermiculit 1000 – 2000 Illit, Glimmer 100 – 500 Huminstoffe 1500 – 3000 Smectit 700 – 1500 Metalloxide 30 – 250

spezifische Oberfläche bis zu 1200 m²/g

spezifische Oberfläche ca. 20 m²/g

sehr gering gering gering -

mittel mittel mittel- hoch hoch sehr

hoch

A-Horizonte < 15 15 – 40 40 – 70 70 – 120 120 – 240 240 – 480 > 480

B- und C-Horizonte < 10 10 – 30 30 –60 60 – 120 120 – 240 240 – 480 > 480

Bewertungsrahmen für die KAKeff in mmolc/kg Boden

KAKeff von Bodenhorizonten [mmolc/kg] podsolige Braunerden auf Sand (n=15) mit Eichenbestockung Aeh - Horizonte ca. 20 - 36 Bv - Horizonte ca. 12 - 18 C - Horizonte ca. 2 - 24 Quelle: LFE

Haftfestigkeit (Eintauschstärke) der Kationen

Abhängig von 1. Wertigkeit 2. Hydratation (Hydrathülle)

Hofmeistersche Reihung: Na+ < K+ < Mg2+ < Ca2+ < Al3+

Hydrathülle der Kationen Kationen umgeben sich mit Wasser-Dipolen (rot = Ionendurchmesser, blau Hydrathülle)

Na+ K+ Mg2+ Ca2+

zu 2.

3. Konzentration des Kations in der Bodenlösung 4. Neigung zur spezifischen Bindung (z.B. Ca-Selektivität

der organischen Substanz)

Na+

Ca2+

Mg2+

Al3+

H+ K+

Ca2+ Mn2+

H+

Al3+

Ca2+ Mg2+

Al3+

H+ K+

Ca2+

Mn2+ H+

NH4+ NH4

+

NH4+

NH4+

I. Verdrängung der adsorbierten Kationen vom Bodenaustauscher

II. Messung der Kationen in der Lösung z.B. mittels AAS-Technik (Atomadsorptionsspektrometrie)

mmolc / kg Boden Na: 0,02 K: 0,80 Ca: 13,30 Mg: 1,20 Al: 10,60 Fe: 0,70 Mn: 0,20 H: 11,20 KAKeff: 38,02

NH4+

NH4+

Bestimmung der austauschbaren Kationen (KAKeff)

Beispiel:

Bodenprobe

relativ hohe Konzentration

Kationenbelag („basische“ und saure Kationen)

basische Kationen: Ca2+, Mg2+, K+, Na+

saure Kationen: Al3+, Fe2+, Mn2+, H+

[Al(OH2)6]3+ Al(H2O)5OH]2+ + H+

Al3+ -Kation von sechs Wassermolekülen (H2O-Dipolen) umgeben (= Hydrathülle)

Abspaltung eines Protons

Hydratation:

LFE

Bsp.: podsolige Braunerde aus Geschiebe- sand

Basensättigung (BS)

Maßzahl für den prozentualen Anteil der basisch wirkenden Kationen an der Kationenaustauschkapazität (i.a. KAKeff)

BS = (Ca+Mg+K+Na) / (Ca+Mg+K+Na+Al+Fe+Mn+H) * 100% = (Ca+Mg+K+Na) / KAKeff * 100% Den prozentualen Anteil einzelner Kationen an der KAK nennt man z.B. Ca-Sättigung, Mg-Sättigung, Al-Sättigung usw.

Bewertung der Basensättigung:

BS < 20 % 20 < BS < 50 % BS > 50 %

basenarm mittel basenreich

Basensättigung podsoliger Braunerden auf Sand (n=15) mit Eichenbestockung

Aeh - Horizonte ca. 18 - 37 % Bv - Horizonte ca. 9 - 20 % C - Horizonte ca. 7 - 75 % Quelle: LFE

Bodenreaktion

Definitionen

• Bodenreaktion: Vermögen der Bodenfestsubstanz, H+ -Ionen in die Bodenlösung abzugeben • Maß für die Bodenreaktion: H+ -Ionenkonzentration in der Bodenlösung [mol H+ / l] • Maßzahl: pH-Wert (= negativer dekadischer Logarithmus der H+- Ionenkonzentration)

Bsp.: pH = 3 10-3 mol H+ / l 0,001 mol H+ / l pH = 7 10-7 mol H+ / l 0,0000001 mol H+ / l

• Arten der Bodenazidität (Bodensäure): - aktuelle Azidität (pH-Wert-Messung in H2O) - potenzielle Azidität (Messung in KCl oder CaCl2-Lösung); ( Desorption von H+ und Al3+ vom Bodenaustauscher)

[Al(OH2)6]3+ [Al(H2O)5OH]2+ + H+

Vergleich von pH(KCl)- und pH(H2O)-Werten (BZE-Stichprobe)

pote

nzie

lle A

zidi

tät

aktuelle Azidität

pH-Wert-Messung pH-Wert in 1 M KCl lt. Handbuch Forstliche Analytik (GFA, 2005)

Geräte und Zubehör • pH-Messgerät mit pH-Elektrode (Messgenauigkeit +/- 0,01) • Waage (Messgenauigkeit +/- 0,1 g) • Becherglas, Pipette, Messlöffel, Rührer

Herstellung der KCl-Lösung 74,55 g (= 1 Mol) KCl werden in einem Messkolben mit H2Odemin auf 1 l aufgefüllt.

Herstellung der Suspension Die auf 2 mm gesiebte Bodenprobe wird in einem Becherglas mit 1 M KCl-Lösung im Gewichtsverhältnis Probe:Lösung = 1:2,5 verrührt. Die Mischung muss mindestens 1 Stunde in dem abgedeckten Becherglas stehen und zwischendurch mehrfach mit einem Glas- oder Kunststoffstab umgerührt werden.

Messung des pH-Wertes Die Messung des pH-Wertes erfolgt in dem Proben-/Lösungsgemisch mittels eines pH-Meters mit Glaselektrode. Für die Kalibrierung der Glaselektrode ist eine 2-Punkt-Eichung vorgeschrieben. Vor der Messung wird die Probe nochmals mit dem Stab umgerührt und nach dem Absetzen der Feststoffe der pH-Wert im wässrigen Überstand gemessen; dabei darf die Suspension nicht gerührt bzw. die Elektrode nicht bewegt werden.

Warum reagieren unsere Böden sauer ?

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+ H+

H+

H+ H+

Eine Säure ist eine Substanz, welche die Wasserstoffionen-Konzentration beim Zugeben zu

einer wässrigen Lösung erhöht

Natürliche Ursachen: • CO2-Produktion durch die Atmung der Bodenorganismen ( H2CO3) • H+ -Ausscheidungen der Pflanzenwurzeln bei der Nährstoffaufnahme • Humifizierung Bildung schwacher organischer Säuren • Auswaschung von basischen Kationen (vgl. Pufferung)

Verbrennung fossiler Energieträger Freisetzung von SO2 (Schwefeldioxid) NOx (Stickoxide)

bilden im Niederschlag Schwefel- und Salpetersäure

H2SO4 2 H+ + SO42-

HNO3 H+ + NO3-

Anthropogene Ursachen: • Holzernte (= Entnahme von basischen Kationen) • atmogene Säuredeposition („saurer Regen“)

9,0

7,0

5,0

3,0

1,0

2,0

4,0

6,0

8,0

natürlicher Regen

reines Wasser

Bier

Zitronensaft Coca Cola

Batteriesäure

Orangensaft

Traubensaft

Blut

Wein

Kaffee

Seifenwassser

saure mineralische Oberböden unter Wald

kalkhaltige Bodenhorizonte

Bewertung der Bodenreaktion:

äußerst sauer

stark sauer

mittel sauer

schwach sauer

schwach alkalisch

mittel alkalisch

extrem saurer Nebelniederschlag

Niederschlag Mitteleuropa

Salzböden (semi-) arider Klimate

Oberböden in unmittel-barer Straßennähe

Grünland- und Ackerböden

stark saure Oh-Auflagehorizonte

pH-Werte in Böden und Niederschlag:

Pufferung

Böden sind in der Lage, der Säurebelastung einen Widerstand entgegenzusetzen. Verschiedene Substanzen im Boden wirken als Säurepuffer. Je besser ein Boden gepuffert ist, desto geringer ist die pH-Abnahme bei gleichem Säureeintrag.

Im schwach sauren pH-Bereich stellt die Verwitterung von Carbonatgestein einen sehr wirksamen Säurepuffer dar. In kalkfreien Böden wirken die Silikatverwitterung und die Protonierung von variablen Ladungen (vgl. KAKeff) als Protonensenke. Im stark sauren pH-Bereich kommt es zur Protonenbindung durch die Auflösung von sekundären Mineralen.

Die pH-Bereiche, innerhalb derer bestimmte Puffersubstanzen für eine pH-Nivellierung sorgen, werden als Pufferbereiche bezeichnet. Nach ULRICH et al. (1979) lassen sich fünf Pufferbereiche unterscheiden, die in relativ abgegrenzten pH-Bereichen wirksam sind.

pH > 6,2 Carbonatpufferbereich 2 CaCO3 + 2H+ Ca(HCO3)2 + Ca2+; allmählicher Verlust von CaCO3 (Entkalkung); optimale Bedingungen für Bodenorganismen

pH 6,2 – 5,0

Silikatpufferbereich Verwitterung primärer Silikate (Feldspäte, Glimmer); Entstehung sekundärer Minerale (Verbraunung, Verlehmung); optimale Nährstoffverfügbarkeit durch Freisetzung basischer Kationen (Na+, K+, Mg2+, Ca2+) und deren Adsorption am Bodenaustauscher

pH 5,0 – 4,2

Austauscherpufferbereich Verdrängung austauschbarer basischer Kationen durch saure Kationen (v.a. Al3+ aus Silikatresten) und Protonen; durch Auswaschung der basischen Kationen Abnahme der Basensättigung; Protonierung variabler Ladung (abnehmende KAKeff); beginnende Verdrängung säureempfindlicher Organismen

pH < 4,2

Al-Pufferbereich Auflösung von Kristallgittern der sekundären Minerale (Tonmineralzerstörung); dadurch Freisetzung von noch mehr Al3+ in die Bodenlösung; Austauscherplätze überwiegend von Al3+ belegt; Basensättigung < 20%; Aluminiumkonzentration in der Bodenlösung zunehmend toxisch (Wurzelschäden)

pH < 3,0

Fe-Pufferbereich Pufferung der Protonen durch Auflösung von Eisen(hydr)oxiden; H+- und Fe-Sättigung am Austauscher steigen stark an; Verlagerung von Sesquioxiden als metallorganische Komplexe (Podsolierung); stark eingeschränkte bodenbiologische Aktivität (Rohhumusbildung); säureangepasste Pflanzengesellschaften

Pufferbereiche nach ULRICH et al. (1979)

0

20

40

60

80

100

120

140

Anteil [%]

1007550250

Puffer BZE-1

Carbonat

Silikat

Aust.

Al

Fe/Al

Fe

Pufferbereiche Carbonat > 6.2 Al 4.2 – >3.8 Silikat 6.2 – >5.0 Al/Fe 3.8 – >3.0 Austauscher 5.0 – >4.2 Fe =< 3.0

0

20

40

60

80

100

120

140

Anteil [%]

1007550250

Puffer BZE-2

Carbonat

Silikat

Aust.

Al

Fe/Al

Fe

Aktuelle Ergebnisse der BZE

Einschätzung des Säurerisikos

Bewertung Kriterien, Folgen

minimal gesamter Wurzelraum im Carbonat- oder Silikat-Pufferbereich

gering Oberboden (bis 30 cm) im Austauscher-Pufferbereich Folge: Beeinträchtigung säureintoleranter (kalkholder Arten)

mittel Oberboden im Aluminium- oder Aluminium / Eisen-Pufferbereich Unterboden im Silikat- oder Austauscher-Pufferbereich Folge: Verdrängung säureintoleranter Arten

stark

Ober- und Unterboden im Aluminium / Eisen-Pufferbereich pH-Wert im Oh-Horizont > 3,0 Folgen: geringe bis sehr geringe Vorräte an austauschbaren basisch wirkenden Kationen; niedrige Ca- und hohe Al-Gehalte in den Feinwurzeln; Schäden im Meristem und gehemmtes Längenwachstum von Feinwurzeln

sehr stark Ober- und Unterboden im Aluminium- oder Aluminium / Eisen-Pufferbereich und pH-Wert im Oh-Horizont < 3,0

Carbonat > 6.2 Al 4.2 – >3.8 Silikat 6.2 – >5.0 Al/Fe 3.8 – >3.0 Austauscher 5.0 – >4.2 Fe =< 3.0

25 %

50 %

75 %

pH-Wert und Kationenbelag (schematisch)

3 4 5 6 7 pH-Wert

Mg2+

Ca2+

K+

Al3+

Fe2+

Dissoziierbarer Wasserstoff

Anteil an der KAKpot

Verändert nach: Scheffer & Schachtschabel (1998) unter Verwendung von Daten aus Wolff & Riek (1997)

variable Ladung

permanente Ladung

Na+

H+ Mn2+

Einflussfaktoren auf die Bodenversauerung • Silikatverwitterungsrate ( Ausgangsgestein) • Versickerungsrate ( Klima) • Zeit ( Alter des Bodens) • atmogene Eintragssituation (Säurebildner, basische Stäube)

• Art / Intensität der forstlichen Nutzung:

Baumart tiefwurzelnde Laubbäume „Basenpumpe“

Nadelhölzer niedrigmolekulare saure Huminstoffe (Fulvosäuren)

Biomassenexport: historische Streunutzung / Waldweide und Ganzbaumernte führen zu Basenverlust ( Verlust an Pufferkapazität)

Kahlschlag: durch forcierten Humusabbau infolge angeregter Mikroorganismen-tätigkeit (Einstrahlung Wärme) wird verstärkt Nitrat (Anion: NO3

-) freigesetzt und zusammen mit daran gebundenen basischen Kationen ausgewaschen.

allg. gilt: WENN Basenverlust > Silikatverwitterungsrate + atm. Baseneintrag, DANN „Versauerung“ des Systems

Ökologische Bedeutung der Bodenreaktion

• ungünstiges Bodengefüge • ungünstige Humusformen (Rohhumus) • Oberbodenverdichtung durch verringerte Bioturbation • Beeinträchtigung der Stofftransformationsfunktion von Böden • Zerstörung von Tonmineralen • Toxizität durch Al3+ -Ionen (Wurzelschäden) • zunehmende Mobilität von Schwermetallen (Cu, Zn, Cd, Pb) • Gefahr der Quell- und Grundwasserkontamination • evtl. Einschränkung der Biodiversität

niedrige pH-Werte

hohe pH-Werte • gute Versorgung mit Ca und Mg • schlechte Verfügbarkeit von Fe, Mn, Cu, Zn (evtl. K) • hohe Kationenaustauschkapazität • hohe biologische Aktivität, günstige Humusform (intakte Stoffkreisläufe)

Bodenhumus

Definition: Humus (lat.: Erde) = Gesamtheit der organischen Bodensubstanz (o.S.; OBS) Dies sind alle in und auf dem Boden befindlichen abgestorbenen pflanzlichen und tierischen Stoffe sowie deren organische Umwandlungsprodukte. Die lebende Biomasse (Bodentiere, lebende Wurzeln) zählt nicht dazu.

Auflagehumus (L-, Of-, Oh-Horizonte)

Mineralbodenhumus (z.B. Ah-, Bh-Horizonte)

bilden den Humuskörper und

zu seiner systematischen Kennzeichnung dient die

Humusform vgl. Lehreinheit 2

Bodenhumus

Nichthuminstoffe (=Streustoffe) z.B. tote Wurzeln, Blätter, Tiere, deren Gewebestrukturen noch erkennbar sind; sie dienen den Bodenorganismen als Nahrung; daher kurze Verweilzeit im Boden „Nährhumus“ Huminstoffe stark umgewandelte organische Stoffe; keine erkennbaren Gewebestrukturen; stark dunkle Färbung; hohe Verweilzeit im Boden „Dauerhumus“

Eigenschaften der Huminstoffe Fulvosäuren Huminsäuren Humine

gelb-braune, niedermolekulare, stark saure, stickstoffarme Huminstoffe; geringes Wasserhalte- und Ionen-Adsorptionsvermögen; wasserlöslich und deshalb leicht verlagerbar; Vorkommen in sauren nährstoffarmen Böden mit geringer biologischer Aktivität (Humusform: Rohhumus)

braune bis schwarze, hochmole-kulare, schwach saure, stickstoffreiche Huminstoffe; hohes Wasserhalte- und Ionen-Adsorptionsvermögen; geringe Mobiliät; Vorkommen in neutralen bis schwach sauren nährstoffrei-chen Böden mit hoher biolo-gischer Aktivität (Humusform: Mull)

schwarze, hochmolekulare, schwach saure Huminstoffe; geringes Wasserhalte- und Ionen-Adsorptionsvermögen; geringe Mobilität; entstehen durch Alterung aus Fulvo- und Huminsäuren; Vorkommen in allen Böden

C/N-Verhältnis, ein wichtiges analytisches Merkmal der org. Substanz

Verhältnis zwischen organisch gebundenem Kohlenstoff und organisch gebundenem Stickstoff. Maß für 1) die Zersetzbarkeit der Streu C/N-Verhältnisse frischer Nadeln und Blätter

2) die biologische Aktivität (C/N-Messung in Auflage oder min. Oberboden!)

C/N < 20: N-Bedarf der Mikroorganismen für den Aufbau ihrer Körpersubstanz gedeckt; deshalb deutliche Freisetzung von organisch gebundenem Stickstoff bei der Humusumsetzung; Mikroorganismen selbst leicht zersetzbar, da vorwiegend aus leicht abbaubaren (N-reichen) Stoffen bestehend MULL C/N > ca. 25: zunehmende Hemmung des mikrobiellen Substanzabbaus C/N > ca. 30: mikrobielle Immobilisierung von N durch organische Bindung (vgl. Inkorporation) Entstehung von ROHHUMUS durch N-Limitierung

Ulme, Erle, Esche, Robinie 12-25 Roteiche 53 Linde, Pappel, Hainbuche 24-51 Kiefer 65

Eiche 40 Douglasie 77 Buche 45 Lärche 77

Mitscherlich (1975)

Edaphon = Gesamtheit aller lebenden Bodenorganismen Destruenten = an der Zersetzung beteiligte Organismenarten

0,01 µm 0,1 µm 1 µm 10 µm 100 µm 1000 µm 1 mm 10 mm 100 mm

Ton Schluff Sand

Feinporen Mittelporen Grobporen

Mikroflora Bakterien, Pilze,

Strahlenpilze, Algen

Mikrofauna Protozoen (z.B. Amöben, Geißel-

tierchen, Wimpertierchen), Nematoden (Fadenwürmer),

u.a.

Mesofauna Milben, Collembolen (Springschwänze), Enchyträen (kleine

Borstenwürmer), u.a.

Bodenlebewesen

Makrofauna Lumbriciden (Re-

genwürmer), Asseln, Schnecken, Käfer (v.a. Laufkäfer- arten), Tausend-

füßer u.a.